非均相物系的分離

1、第三章非均相物系的分離第一節(jié)概述化工生產(chǎn)中常遇到的混合物可分為兩大類：第一類是均相物系一如混合氣體、溶液，特征：物系內(nèi)各處性質(zhì)相同，無(wú)分界面。須用吸收、蒸儲(chǔ)等方法分離。第二類是非均相體系一.液態(tài)非均相物系固體顆粒與液體構(gòu)成的懸浮液；不互溶液體構(gòu)成的乳濁液；.氣態(tài)非均相物系固體顆粒（或液體霧滴）與氣體構(gòu)成的含塵氣體（或含霧氣體）氣泡與液體所組成的泡沫液等。特征：物系內(nèi)有相間的界面，界面兩側(cè)的物性截然不同。（1）分散相：往往是液滴、霧滴、氣泡，固體顆粒，叩。（2）連續(xù)相：連續(xù)相若為氣體，則為氣相非均相物系。連續(xù)相若為液體，則為液相非均相物系。非均相物系分離的目的：1）凈制參與工藝過(guò)程的原料氣或原料

2、液。2）回收母液中的固體成品或半成品。3）分離生產(chǎn)中的廢氣和廢液中所含的有害物質(zhì)。4）回收煙道氣中的固體燃料及回收反應(yīng)氣中的固體觸媒等?？傊阂詽M足工藝要求，提高產(chǎn)品質(zhì)量，改善勞動(dòng)條件，保護(hù)環(huán)境，節(jié)約能源及提高經(jīng)濟(jì)效益。常用分離方法：1）重力沉降：微粒借本身的重力在介質(zhì)中沉降而獲得分離。2）離心分離：利用微粒所受離心力的作用將其從介質(zhì)中分離。亦稱離心沉降。此法適用于較細(xì)的微粒懸浮體系。3）過(guò)濾：使懸浮體系通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)，將微粒截留在過(guò)濾介質(zhì)上而獲得分離。4）濕法凈制：使氣相中含有的微粒與水充分接觸而將微粒除去。5）電除塵：使懸浮在氣相中的微粒在高壓電場(chǎng)內(nèi)沉降。本章主要討論：利用機(jī)械方法分離非均相

3、物系，按其涉及的流動(dòng)方式不同，可大致分為沉降和過(guò)濾兩種操作方式。三、顆粒和流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的阻力 TOC o 1-5 h z 流體以一定的速度繞過(guò)靜止顆粒時(shí)或者固體顆粒在靜止流體中移動(dòng)時(shí)流體對(duì)顆粒的作用力一一ye力Fd2Fd AN2式中，A一顆粒在運(yùn)動(dòng)方向上的投影，dp2u一相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度一阻力系數(shù)， =（Re） = （dpu / ）層流區(qū)：Re 2,=24/Re-Stokes 區(qū)過(guò)渡區(qū)：Re=2 500,10jRe -Allen 區(qū)湍流區(qū)：Re=500-2 105, 密44 Newton 區(qū)第二節(jié)重力沉降、球形顆粒的自由沉降自由沉降一對(duì)于單一顆粒在流體中的沉降或者顆粒群充分地分散、顆粒間互

4、不影響，不致引起相互碰撞的沉降過(guò)程。1 .加速階段沉降開始時(shí)，顆粒初速度為零,顆粒受重力和浮力的作用，合力不為零,產(chǎn)生加速度。2.勻速階段隨著速度加快，阻力增加，當(dāng)合力為零時(shí),顆粒將發(fā)生勻速運(yùn)動(dòng)一是沉降速度Ut.阻力重力:自由沉降一對(duì)于單一顆粒在流體中的沉降或者顆粒群充分地分散、顆粒間互不影響，不致引起相互碰撞的沉降過(guò)程。1 .加速階段沉降開始時(shí)，顆粒初速度為零,顆粒受重力和浮力的作用，合力不為零,產(chǎn)生加速度。2.勻速階段隨著速度加快，阻力增加，當(dāng)合力為零時(shí),顆粒將發(fā)生勻速運(yùn)動(dòng)一是沉降速度Ut.阻力重力:Fg浮力:Fb dp6 p-dp6 ppg2阻力:d2 u . dp阻力:42由牛頓第二定

5、理F=maFg-Fb-Fd=mdu/dt整理后得：曲 ()g u2 dt p 4dp p在 du/dt=0, u=utUtUt4dp( p )g3 (Re),將不同的 帶入ut,可得各種流動(dòng)狀態(tài)下的ut的計(jì)算式:層流區(qū)：Re 層流區(qū)：Re 2,ut 518)g 7tokes公式過(guò)渡區(qū)：Re=2過(guò)渡區(qū)：Re=2 500, ?22134g2( p)2、ut dp225p湍流區(qū)：Re=500-2 10湍流區(qū)：Re=500-2 105, ut3g( p)dput=f (dp, p, ),dp, pt , ut tt ,ut；（層流區(qū)，過(guò)渡區(qū)）適合范圍：光滑的球形顆粒。舉例：影響沉降速度ut的因素:1顆

6、粒形狀，當(dāng)量球徑，（如當(dāng)量直徑），偏離球形約大，阻力越大;2顆粒濃度不太高0.2%,假設(shè)自由沉降1%.3壁面效應(yīng) 4分子運(yùn)動(dòng)，dH/ut由于塵粒中，顆粒粒徑不相同，故定義一種粒子。具停留時(shí)間=沉降時(shí)間，即可以100%除去的最小粒徑可以100%除去的最小粒徑臨界粒徑dpcs UtHWVsLW與臨界粒徑dpc相對(duì)應(yīng)的臨界沉降速度s UtHWVsLW與臨界粒徑dpc相對(duì)應(yīng)的臨界沉降速度Utc2 （又稱表面負(fù)荷qo）LW當(dāng)塵粒沉降速度處于層流區(qū)時(shí)，d pc18 Vs(p )g LW表明：1。大于dpc的塵粒能100%除去。2.降塵室的處理能力只取決于降塵室的底面積，與高度 H無(wú)關(guān)。第三節(jié)離心沉降依靠離

7、心力的作用，使流體中顆粒產(chǎn)生沉降運(yùn)動(dòng)一一稱離心沉降。重力使小顆粒的沉降速度小，但離心力比重力大千、萬(wàn)倍、離心分離因數(shù)：一圓筒旋轉(zhuǎn)，角速度rad/s =2 N/60N轉(zhuǎn)數(shù)/min被分離液體，密度、；顆粒密度p、dp顆粒的旋轉(zhuǎn)半徑為r旋轉(zhuǎn)軸忽略重力時(shí)，離心力Fc = m a= mr 20mrN2/100可見，NT,Fcf設(shè)離心分離因數(shù) Kc= r 2/g 0rN2/900離心分離因數(shù)Kc是表示離心力大小的指標(biāo)，離心設(shè)備分離性能的基本參數(shù)。、離心沉降速度當(dāng)顆粒在離心場(chǎng)中沉降時(shí)，徑向上所受的力:離心力Fc -d3 pr6浮力(指向中心)Ff dp r 26阻力(指向中心)Fdd p 一() TOC o

8、 1-5 h z 42 d在三力達(dá)到平衡時(shí)，離心力一浮力一阻力 =0離心沉降速度Urdr 4dp( p 離心沉降速度Urrd :3與重力沉降速度公式相比，只是將 g換成r 2不同的是：在一定的條件下重力沉降速度 ut是定值,而離心沉降速度Ur隨徑向位置的不同而變化般而言，離心沉降用于小顆粒。小顆粒所受的阻力處于層流區(qū)，即=24/Re,Ur2dr Ur2dr d p( p )2- rd 182rUtguKKcKcUt可見，在層流區(qū)離心沉降速度 Ur與r成正比，在離心沉降過(guò)程中，Ur隨r增大而增大。三、旋風(fēng)分離器(cyclone separator)利用離心力作用凈制氣體的設(shè)備.構(gòu)造與操作.臨界粒

9、徑一一指能100%分離除去的最小顆粒粒徑。在三個(gè)假設(shè)條件下(1)進(jìn)氣嚴(yán)格作螺旋形等速運(yùn)動(dòng)，有效旋轉(zhuǎn)圈數(shù)n=5,切向速度等于進(jìn)口速度Ui；(b為(2)顆粒向壁沉降，必須穿約厚為b(b為入口之寬度)(3)顆粒的沉P1運(yùn)動(dòng)服從stokes定律?？赏频茫篸pc 3 b2Ui230bh Dd2 . L Hp2Ui230bh Dd2 . L H.壓力損失p(1)旋風(fēng)分離器的尺寸都是 D的倍數(shù)，所以為常數(shù)，與D無(wú)關(guān)。只要進(jìn)口氣速Ui相同，不管多大的旋風(fēng)分離器，其 p都相同。(2)小型分離器的b小，dpc小，所以工業(yè)上，用若干個(gè)小型分離器組來(lái)代替一個(gè)大的分離器，可提高分離效率。(3)旋風(fēng)分離器的壓力損失一般為

10、12 kPa。四、旋液分離器 五、沉降式離心機(jī)第四節(jié)過(guò)濾過(guò)濾一是以某種多孔物質(zhì)為介質(zhì)來(lái)處理懸浮液的操作。在外力的作用下，懸浮液中的液體通過(guò)介質(zhì)的孔道而固體顆粒被截留卜來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)固、液分離。、懸浮液的過(guò)濾:、懸浮液的過(guò)濾:.過(guò)濾方式(1)深層過(guò)濾一一又稱澄清過(guò)濾條件：懸浮液含顆粒小，而含量少（液體中顆粒的體積0.1%）時(shí)，可用床層較厚的過(guò)濾介質(zhì)進(jìn)行過(guò)濾。由于dp介質(zhì)孔隙直徑，當(dāng)懸浮顆粒進(jìn)入床層年細(xì)長(zhǎng)而彎曲的孔道時(shí)，靠靜電及分子力的作用而附在孔道壁上，過(guò)濾介質(zhì)床層上面沒(méi)有濾餅形成。例如：自來(lái)水凈化及污水處理。（2）濾餅過(guò)濾條件：dp介質(zhì)孔隙直徑，床層上形成濾餅；dp介質(zhì)孔隙直徑，但床層內(nèi)有“架橋

11、現(xiàn)象”；在濾餅層沒(méi)有完全形成之前，部分顆粒會(huì)隨濾液一起流走。在濾餅層形成成為有效的過(guò)濾介質(zhì)后，得到澄清液。適用于顆粒含量較多（液體中顆粒的體積 0.1%）時(shí).分類：常壓過(guò)濾一靠位差加壓過(guò)濾一利用泵或壓縮空氣真空過(guò)濾一介質(zhì)一方抽真空離心過(guò)濾一利用離心力作推動(dòng)力步驟：過(guò)濾-洗滌去濕-卸料.過(guò)濾介質(zhì)作用一一使液體通過(guò)而截留固體顆粒。選擇一一根據(jù)液體的性質(zhì)（酸、堿性），顆粒含量及粒度，操作 p, T,介質(zhì)機(jī)械強(qiáng)度等（1）織布介質(zhì) 棉、麻、絲、毛制的濾布，金屬絲網(wǎng)濾布；可截留565 m 的顆粒。（2）堆積的粒狀介質(zhì)一一砂、木炭等，用于深層過(guò)濾，（3）多孔性介質(zhì)一一陶瓷、塑料、金屬等粉末燒結(jié)成型的多孔性板

12、狀、管狀介質(zhì)，可截留13 m的微細(xì)顆粒。.助濾劑使用前提一一顆粒細(xì)，容易堵死過(guò)濾介質(zhì)的孔隙；所形成的濾餅在壓差的作用下，孔隙變小，阻力增大，使過(guò)濾困難。使用一一將某種質(zhì)地堅(jiān)硬的另一種固體混入懸浮液或予涂于過(guò)濾介質(zhì)上，以形成疏松餅層，使濾液暢流。這種固體稱助濾劑。常用助濾劑一一硅藻土，珍珠巖，石棉，炭粉等；添加量為顆粒量的0.5%以下。.固體量、濾液量與濾渣量的關(guān)系設(shè)：固體量為1 （質(zhì)量），密度p濕濾渣為C （質(zhì)量），密度c濕濾渣中含液量為C-1 （質(zhì)量），密度濕濾渣體積=固體體積+液體體積C 1 C 1 c p設(shè)：X）一單位質(zhì)量懸浮液中所含固體質(zhì)量；CX單位質(zhì)量懸浮液可得濾渣量；1-CX-單位

13、質(zhì)量懸浮液可得濾液量;單位體積濾液相對(duì)應(yīng)的固體質(zhì)量:(1 CX)/單位體積濾液相對(duì)應(yīng)的固體質(zhì)量:(1 CX)/kg干渣/m3濾液、過(guò)濾基本方程：描述濾液量隨時(shí)間的變化關(guān)系定義一一過(guò)濾速率（dV/d ）:單位時(shí)間內(nèi)濾過(guò)的濾液體積，m3/s過(guò)濾速度（dV/Ad ）:單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位過(guò)濾面積的濾液體積，m/s過(guò)濾操作的特點(diǎn)一一隨過(guò)濾操作的進(jìn)行，濾餅厚度T,阻力T。恒壓過(guò)濾：若維持過(guò)濾在一定的壓差下操作，則過(guò)濾速率必定不斷下降；恒速過(guò)濾：若要保持一定的濾速，則必須增加壓差，以克服過(guò)濾阻力；一般情況下，間歇操作的過(guò)濾機(jī)，先恒壓、恒速或先恒速后恒壓下操作；連續(xù)操作的過(guò)濾機(jī)，都在恒壓下操作過(guò)濾推動(dòng)力濾餅p

14、c介質(zhì)pm過(guò)濾阻力濾餅阻力介質(zhì)阻力1.濾餅層阻力濾液流過(guò)濾餅孔道流速較小，屬層流，所以應(yīng)用哈根 -泊謖葉方程, 2d PcPc3232 3232 l/d由于濾餅層中孔道的平均長(zhǎng)度18濾餅厚度L , 8單位面積上濾餅質(zhì)量 V/A;設(shè)毛細(xì)孔平均直徑d,對(duì)一定性質(zhì)的濾餅應(yīng)是定值，歸入常數(shù)項(xiàng)。對(duì)不可壓縮濾餅：也 一JAd r V/A濾餅阻力：R=rV/A指獲得V體積濾液所形成單位面積上干濾餅質(zhì)量為V/A時(shí)的濾餅阻力。r濾餅的比阻，m/kg表示單位過(guò)濾面積的干濾餅質(zhì)量為1kg/m2時(shí)的阻力225a (1)32.介質(zhì)阻力：Rm=rVe/A過(guò)濾介質(zhì)阻力看成獲得當(dāng)量體積V過(guò)濾介質(zhì)阻力看成獲得當(dāng)量體積Ve的濾液所形成的濾餅層阻力。3,過(guò)程總阻力：R=Rc+Rm=r(V+Ve) /A過(guò)濾速率三p過(guò)濾速率三pr (V Ve)/A-dV A2 p或 d r (V Ve)必須積分才能找出V關(guān)系。-dV A2 p或 d r (V Ve)必須積分才能找出V關(guān)系。三、恒壓過(guò)濾1.濾液體積與過(guò)濾時(shí)間的關(guān)系（V ）V0 (V Ve)dV