非均相物系的分離

非均相物系的分離第二章非均相物系的分離2023/2/3學(xué)習(xí)目標(biāo)1了解：非均相物系分離的主要方法、分離過程、主要特點與工業(yè)應(yīng)用；常見重力沉降設(shè)備、離心沉降設(shè)備及過濾設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點與用途；3掌握：非均相物系分離方法的選擇。2理解：影響沉降、過濾的主要因素；離心沉降相對于重力沉降的優(yōu)勢；重力沉降設(shè)備做成多層的依據(jù)。2023/2/3能力目標(biāo)通過本章的學(xué)習(xí)，掌握非均相物系分離的原理和主要方法，能夠進(jìn)行非均相物系分離的主要方法的選擇和設(shè)備的操作、控制及事故分析處理。2023/2/3§0概述在化工生產(chǎn)中、日常生活中什么時候能遇到均相混合物和非均相混合物？思考：它們在化工生產(chǎn)中有哪些應(yīng)用？又是如何把它們分離的呢？2023/2/3圖4-1

抽濾裝置2023/2/3圖4-2板框壓濾機2023/2/3圖4-3鍋爐排塵排氣過程2023/2/3圖2-4降塵室2023/2/3思考：一、什么是均相（混合）物和非均相（混合）物？

指不同組分的物質(zhì)混合形成一個相的物系。如不同組分的氣體組成的混合氣體、能相互溶解的液體組成的各種溶液、氣體溶解于液體得到的溶液等等。

指存在兩個（或兩個以上）相的混合物.如霧（氣相－液相）、煙塵（氣相－固相）、懸浮液（液相－固相）、乳濁液（兩種不同的液相）等等。2023/2/31.分散相

非均相物系中處于分散狀態(tài)的物質(zhì)。例如氣體中的塵粒、懸浮液中的顆粒、乳濁液中的液滴，統(tǒng)稱為分散物質(zhì)或者分散相。2023/2/32.連續(xù)相

非均相物系中處于連續(xù)狀態(tài)的物質(zhì)。例如氣態(tài)非均相物系中的氣體、液態(tài)非均相物系中的連續(xù)液體，統(tǒng)稱為分散介質(zhì)或連續(xù)相。思考：霧和泡沫的區(qū)別？2023/2/3圖4-4霧天2023/2/3圖4-4泡沫2023/2/3二、案例分析：圖4-1為實驗室分離液固體系，最為常用的減壓抽濾裝置。

從懸浮液（液-固混合物）中分離出固體顆粒，在外力的作用下，懸浮液中的液體通過多孔介質(zhì)的孔道而固體顆粒被截留下來，從而實現(xiàn)固、液分離。得到我們所需的產(chǎn)品或溶液。2023/2/3圖4-2是板框式壓濾機，廣泛適用于石油、化工、石材、陶瓷、冶金、染料、洗煤、制藥、造紙、食品、和環(huán)保等污水處理行業(yè)。它是分離液固混合物的常用設(shè)備。

例如染料生產(chǎn)。2023/2/3圖4-3，煤和脫硫劑被送入爐膛后，著火燃燒。物料在爐膛內(nèi)呈流態(tài)化沸騰燃燒。大顆粒物料在重力及其他外力作用下，在氣固分離裝置中被收集并通過返料裝置送回爐膛循環(huán)燃燒直至燃盡。未被分離的極細(xì)粒子隨煙氣進(jìn)入尾部煙道，進(jìn)一步對受熱面、空氣預(yù)熱器等放熱冷卻，經(jīng)除塵器后，由引風(fēng)機送入煙囪排入大氣。2023/2/3圖4-4為降塵室，是利用重力沉降從氣流中分離塵粒最簡易的方法。只適用于分離粗顆粒，或作為預(yù)分離的設(shè)備。如果需要處理的氣量很大，其中顆粒較粗，而且容易磨損設(shè)備，則采用降沉室是合理的。例如圖4-3中從爐氣中分離塵粒，可以先經(jīng)過降塵室除去大部分粗顆粒，然后再進(jìn)入較為高效的除塵設(shè)備（如旋風(fēng)分離器）進(jìn)一步降低含塵量。2023/2/3三、非均相物系的分離在生產(chǎn)中的主要作用

①滿足對連續(xù)相或分散相進(jìn)一步加工的需要。②回收有價值的物質(zhì)③除去對下一道工序有害的物質(zhì)。

④保障安全健康和環(huán)保。2023/2/3四、非均相系分離的方法四種方法機械方法沉降分離法過濾分離法靜電分離法濕洗分離法2023/2/3（1）沉降分離法

沉降分離法是利用連續(xù)相與分散相的密度差異，借助某種機械力的作用，使顆粒和流體發(fā)生相對運動而得以分離。根據(jù)機械力的不同，可分為重力沉降、離心沉降和慣性沉降。2023/2/3（2）過濾分離法過濾分離法是利用兩相對多孔介質(zhì)穿透性的差異，在某種推動力的作用下，使非均相物系得以分離。根據(jù)推動力的不同，可分為重力過濾、加壓（或真空）過濾和離心過濾。2023/2/3（3）靜電分離法靜電分離法是利用兩相帶電性的差異，借助于電場的作用，使兩相得以分離。屬于此類的操作有電除塵、電除霧等。2023/2/3（4）濕洗分離法濕洗分離法是使氣固混合物穿過液體，固體顆粒粘附于液體而被分離出來。工業(yè)上常用的此類分離設(shè)備有泡沫除塵器、湍球塔、文氏管洗滌器等。2023/2/3§1重力沉降及設(shè)備沉降:借助于某種外力作用,使密度不同的兩相發(fā)生相對運動,從而實現(xiàn)分離的操作.重力沉降:在重力作用下使流體與顆粒之間發(fā)生相對運動而得以分離的操作.2023/2/3實現(xiàn)沉降的先決條件是分散相和連續(xù)相之間存在著密度差。重力沉降適用于分離較大的固體顆粒。分為:自由沉降和干擾沉降2023/2/3在沉降系統(tǒng)中，顆粒之間的距離足夠大，任一顆粒的沉降不因它顆粒存在而受到干擾，同時又可忽略器壁面的影響，則稱為自由沉降。反之則稱為干擾沉降或受阻沉降。液態(tài)非均相物系中，當(dāng)分散相濃度較高時，往往發(fā)生干擾沉降。

2023/2/3流體與粒子間相對運動的三種情況流體靜止，顆粒作沉降或浮升運動；顆粒靜止，流體對顆粒作繞流；流體和顆粒都運動，但在重力場中二者保持一定的相對運動速度。2023/2/3一、重力作用下的沉降速度顆粒在流體中降落，受到重力、流體浮力以及摩擦阻力的共同作用。顆粒下降時先加速，短時間內(nèi)受力達(dá)到平衡，速度不變。這個不變的降落速度就是顆粒的沉降速度ut。對于自由沉降，則稱為自由沉降速度。2023/2/3分析顆粒的沉降過程假設(shè)：顆粒是球形；沉降的顆粒相距較遠(yuǎn)，互不干擾；容器壁對顆粒的阻滯作用可以忽略若容器的直徑小于100倍的顆粒直徑，這種作用的影響便出現(xiàn)顆粒直徑不能小于2～3μm否則顆粒受到流體分子運動的影響，嚴(yán)重時，甚至不能沉降球形顆粒2023/2/3如圖所示，在垂直方向上，顆粒將受到3個力的作用，即向下的重力Fg，向上的浮力Fb和與顆粒運動方向相反的阻力Fd。對于一定的顆粒與流體，重力、浮力恒定不變，阻力則隨顆粒的降落速度而變。三個力的大小為:

2023/2/3當(dāng)前面的假設(shè)成立時，則它所遇到的流體阻力Fd可用阻力公式求得，即N2023/2/3ζ：阻力系數(shù)；A：球形粒子在與沉降方向垂直的平面上的投影，等于πd2/4，m；d:粒子的直徑，m；ρ:為流體介質(zhì)的密度，kg/m3；u:為沉降過程中粒子與介質(zhì)之間的相對運動速度，m/s。2023/2/3又設(shè)ρs為球形粒子的密度（kg/m3），則粒子受到的重力Fg為:

N2023/2/3此球形粒子在介質(zhì)中受到的浮力Fb為:

N2023/2/3根據(jù)牛頓第二定律Fg－Fb－Fd＝maN式中，m為粒子的質(zhì)量，a為粒子降落時的加速度。2023/2/3當(dāng)微粒作等速沉降時，a＝0，即Fg－Fb

－

Fd＝0，亦即整理得：m/s

2023/2/3式中的ζ稱為粒子與流體相對運動的阻力系數(shù)。在計算ut時，關(guān)鍵在于確定阻力系數(shù)ζ。ζ是雷諾準(zhǔn)數(shù)Re的函數(shù),ζ

＝f(Ret)。其值由實驗確定。

2023/2/3沉降速度不僅與雷諾數(shù)有關(guān)，還與顆粒的球形度有關(guān)。為了計算方便，引入球形度系數(shù)φs.球形顆粒：

2023/2/3對于非球形顆粒，計算雷諾數(shù)時，應(yīng)以當(dāng)量直徑de（與實際顆粒具有相同體積的球形顆粒的直徑）代替d，de的計算式為:式中

Vp——實際顆粒的體積，m3。2023/2/3下圖表達(dá)了由實驗測得的不同Φs下ζ與Ret的關(guān)系。2023/2/3為了方便計算，ζ和Re的關(guān)系，也可用公式表示：ζ＝0.44層流區(qū)

10-4<Ret≤2

過渡區(qū)

2<Ret≤103

湍流區(qū)

103≤Ret<2×1052023/2/31.層流區(qū)域的沉降

m/s由上式可見：固體粒子的沉降速度，與粒子和流體的密度差成正比，而與流體的粘度成反比。此式稱為斯托克斯定律。2023/2/32.過渡流區(qū)域的沉降m/s此式稱為阿倫定律。2023/2/33.湍流區(qū)域的沉降此式稱為牛頓定律。m/s2023/2/34.ut的計算步驟首先要判斷流動類型，然后確定使用哪一個計算式。因為ζ與Re值有關(guān)，而Re值又由ut值確定，所以要用試差法。

2023/2/3考慮到所處理的微粒一般都很小，可先假設(shè)沉降屬于層流區(qū)域，直接采用算出ut，然后把算出的ut值代入如果檢驗不符，再假設(shè)其他區(qū)域進(jìn)行計算，然后再用Re值驗算。檢驗Re是否小于1。2023/2/3注意上述計算ζ和ut的公式都是根據(jù)光滑球形粒子的沉降實驗結(jié)果得出的。實際上，懸浮的粒子多不是球形，也不一定光滑。因此，阻力系數(shù)一般比按上述公式算出的值要大，沉降速度要比計算值小。思考：沉降區(qū)域的劃分與管流過程有何不同？為什么？

2023/2/3

顆粒含量顆粒形狀顆粒大小流體性質(zhì)流體流動器壁影響二、實際沉降的影響因素顆粒含量較大，使顆粒的沉降速度較自由沉降時小。對于同種顆粒，球形顆粒的沉降速度要大于非球形顆粒沉降速度

其它條件相同時，粒徑越大，沉降速度越大，越容易分離。流體與顆粒的密度差越大，沉降速度越大；流體粘度越大，沉降速度越小對顆粒沉降產(chǎn)生干擾，為減少干擾，要控制流體流動處于穩(wěn)定的低速摩擦干擾使顆粒的沉降速度下降；吸附干擾，使顆粒沉降距離縮短。2023/2/3三、重力沉降設(shè)備1.降塵室憑借重力沉降以除去氣體中的塵粒的設(shè)備稱為降塵室（或除塵室）。2023/2/3除塵原理氣體從除塵室入口流向出口的過程中，氣體中的顆粒隨氣體向出口流動，同時向下沉降。如果顆粒在抵達(dá)除塵室出口前已經(jīng)沉到室底而落入集塵斗中，則顆粒從氣體中分出，否則顆粒將被氣體帶出。2023/2/32023/2/3除塵條件qV≤utLB

2023/2/3停留時間：沉降時間：至少所以：（降塵室的設(shè)計原理）整理，得

即

2023/2/3由上式可知，降塵室的生產(chǎn)能力（達(dá)到一定沉降要求單位時間所能處理的含塵氣體量）只取決于降塵室的沉降面積（BL），而與其高度（H）無關(guān)。2023/2/3因此，降塵室一般都設(shè)計成扁平形狀，或設(shè)置多層水平隔板稱為多層降塵室。但必須注意控制氣流的速度不能過大，一般應(yīng)使氣流速度<1.5m/s，以免干擾顆粒的沉降或?qū)⒁殉两档膲m粒重新卷起。2023/2/3降塵室的特點：結(jié)構(gòu)簡單，但設(shè)備龐大、效率低。只適用于分離粗顆?！睆?0μm以上的顆粒?；蜃鳛轭A(yù)分離設(shè)備。2023/2/32023/2/3例題分析采用除塵室除去礦石焙燒爐出口的爐氣中含有的粉塵。在操作條件下爐氣流量為25000m3/h，密度為0.6kg/m3，粘度為2×10-5Pa．s，其中氧化鐵粉塵的密度為4500kg/m3，要求全部除掉直徑大于100μm的粉塵，試計算：（1）所需除塵室的尺寸（2）用上述計算確定的除塵室，要求講爐氣中直徑為75μm的塵粒完全除掉，爐氣的最大允許處理量為多少？（本題可以認(rèn)為Re≤2為層流）2023/2/32.沉降器處理懸浮液的重力沉降設(shè)備，稱為沉降器或增濃器。沉降器可分為間歇式、半連續(xù)式和連續(xù)式三種。2023/2/3連續(xù)沉降槽沉降槽又稱增稠器或澄清器，是用來處理懸浮液以提高其濃度或得到澄清液的重力沉降設(shè)備。2023/2/3連續(xù)沉降槽

優(yōu)點：操作連續(xù)化和機械化，構(gòu)造簡單，處理量大，沉淀物的濃度均勻。沉降槽的直徑可達(dá)100m，它的生產(chǎn)能力可達(dá)每晝夜沉降出3000t的沉淀物。

缺點：設(shè)備龐大，占地面積大，分離效率低。2023/2/3連續(xù)沉降槽用途分離固體濃度低而液體量大的懸浮液。凡濃度在1％以下的都可以在增濃器中初步處理，然后將沉淀送去過濾或者離心分離等。濕沉淀固體含量可達(dá)50％。這種設(shè)備常用作無機鹽的洗滌精制設(shè)備。工業(yè)上大多數(shù)污水處