第三章非均相混合物的分離3.1

第三章非均相混合物的分離物系內(nèi)各處均勻，不存在相界面的混合物。如：溶液、混合氣體分離方法：蒸餾：分離苯-甲苯混合溶液吸收：含有氨氣的混合空氣萃?。悍紵N和非芳烴的分離結(jié)晶：鹽水中提取固體鹽一、混合物的分類(lèi)1.均相混合物（物系）2.非均相混合物（物系）由具有不同物理性質(zhì)的分散物質(zhì)和連續(xù)介質(zhì)所組成的物系，有多個(gè)相界面。分散相（分散物質(zhì)）：處于分散狀態(tài)的物質(zhì)如：固體顆粒、液滴、氣泡（如煙道氣中的顆粒、煉廠污水中的油滴）等。連續(xù)相（連續(xù)介質(zhì)）：包圍分散相而處于連續(xù)狀態(tài)的物質(zhì)。根據(jù)連續(xù)相狀態(tài)的不同，非均相混合物又可分為兩種類(lèi)型：（1）氣態(tài)非均相混合物：如含塵氣體、含霧氣體等；（2）液態(tài)非均相混合物：如懸浮液、乳濁液、泡沫液等。一、混合物的分類(lèi)非均相物系分離的基本方法沉降：顆粒相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)。重力沉降、離心沉降。過(guò)濾：流體相對(duì)于固體顆粒床層的運(yùn)動(dòng)。重力過(guò)濾、加壓過(guò)濾、真空過(guò)濾、離心過(guò)濾等。二、非均相混合物的分離1）凈化氣體或液體。eg：原油脫水。2）回收分散的顆粒物質(zhì)。eg：回收催化反應(yīng)器中氣體夾帶的催化劑，循環(huán)應(yīng)用。3）環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)。eg：工業(yè)“三廢”的處理。2.非均相物系分離的目的二、非均相混合物的分離沉降是在外力作用下使顆粒相對(duì)于流體(靜止或運(yùn)動(dòng))運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)分離的過(guò)程。重力沉降：分離顆粒較大的物質(zhì)按實(shí)現(xiàn)沉降的操作力不同3.1 沉降離心沉降：分離顆粒較小的物質(zhì)3.1.1 重力沉降重力沉降是依據(jù)重力作用而發(fā)生的沉降過(guò)程。一般用于氣-固混合物和懸浮液的分離。它是利用混合物中的分散相（固體顆粒）的密度大于連續(xù)相的密度而使顆粒沉降達(dá)到分離。重力：顆粒沉降過(guò)程受力阻力：浮力：阻力Fd3.1.1 重力沉降一、重力沉降速度ut（球形顆粒的自由沉降）合力：F合=重力-浮力阻力=ma對(duì)于一定的流體和顆粒，重力和浮力是恒定的，而阻力卻隨顆粒的降落速度而變。3.1.1 重力沉降顆粒的自由沉降速度：即加速終了時(shí)顆粒相對(duì)于流體的速度，又稱(chēng)終端速度ut等速沉降:加速沉降:時(shí)間非常短，可以忽略。合外力為0。如何求解阻力系數(shù)ξ3.1.1 重力沉降它們之間的關(guān)系通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得圖二、阻力系數(shù)ξ根據(jù)因次分析法可知:層流區(qū)過(guò)渡區(qū)湍流區(qū)顆粒沉降的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系a.當(dāng)0.0001<Ret<1.0時(shí)）——層流區(qū)或斯托克斯區(qū)b.當(dāng)1≤Ret≤1000時(shí)——過(guò)渡區(qū)或艾倫區(qū)對(duì)球形顆粒的曲線，按Ret可大致分為幾個(gè)區(qū)，各區(qū)都有相應(yīng)的關(guān)系式表達(dá):c.當(dāng)1000≤Ret≤2×105時(shí)——湍流區(qū)或牛頓區(qū)二、阻力系數(shù)ξ三、沉降速度的計(jì)算1.給定介質(zhì)中顆粒的沉降速度ut的計(jì)算(已知d)試差法：先假設(shè)沉降屬于某一流型（如層流）核對(duì)Re是否在原設(shè)的范圍內(nèi)是否ut有效按算出Re的另選流型，并改用相應(yīng)公式計(jì)算ut，直到按求得的ut算出的Re與所選公式的Re值范圍相符為止2.給定介質(zhì)中顆粒粒徑

d的計(jì)算(已知ut）試差法：先假設(shè)沉降屬于某一流型（如層流）核對(duì)Re是否在原設(shè)的范圍內(nèi)是否d有效按算出Re的另選流型，并改用相應(yīng)公式計(jì)算d

，直到按求得的d

算出的Re與所選公式的Re值范圍相符為止根據(jù)非均相混合物的種類(lèi)不同，主要有降塵室和沉降槽。降塵室—重力降塵室

3.1.2典型重力沉降設(shè)備及設(shè)計(jì)計(jì)算含塵氣體凈化氣體顆粒降塵室操作示意圖1.降塵室的設(shè)計(jì)計(jì)算b1.降塵室的設(shè)計(jì)計(jì)算θ

≥θt，則表明該顆粒能在降塵室中除去。θ

=

θt，則表明該顆粒剛好能完全除去。θ<θt，則表明該顆粒不能除去。b分離條件：沉降時(shí)間≤氣流平均停留時(shí)間1.降塵室的設(shè)計(jì)計(jì)算1）顆粒沉降速度ut越大（即粒徑越粗或密度越大），則相同的沉降室生產(chǎn)能力qv越大。2）對(duì)于一定體積（容積）的沉降室，其生產(chǎn)能力qV與沉降面積bL成正比，而與沉降室高度H無(wú)關(guān)（淺池原理）。因此，降塵室多制成扁平型或多層。結(jié)論1.降塵室的設(shè)計(jì)計(jì)算若降塵室內(nèi)設(shè)置n層水平隔板，則多層降塵室的生產(chǎn)能力變?yōu)椋?.降塵室的設(shè)計(jì)計(jì)算清潔氣流含塵氣流擋板隔板H↓時(shí)，根據(jù)

①若u不變，則L↓，生產(chǎn)能力qV=Lbut↓；為保證生產(chǎn)能力不變，必須b↑；降塵室變得短而寬，氣體進(jìn)入降塵室還未穩(wěn)定就離開(kāi)降塵室了，氣體在降塵室內(nèi)的分布不均勻造成分離能力下降；所以在降塵室的前后均有漸縮和漸擴(kuò)裝置；問(wèn)題：降塵室生產(chǎn)能力與設(shè)備高度無(wú)關(guān)，那么降塵室的高度是否越小越好呢？H↓時(shí)，根據(jù)

②若L不變，u↑，生產(chǎn)能力不變；若流速太大，則沉降后的顆粒被重新?lián)P起，分離效率↓，故應(yīng)保證氣體流動(dòng)維持層流狀態(tài)，一般u<3m/s，易揚(yáng)起的物料u<1.5m/s。問(wèn)題：降塵室生產(chǎn)能力與設(shè)備高度無(wú)關(guān)，那么降塵室的高度是否越小越好呢？25/17重力沉降設(shè)備3.3 離心沉降分離離心沉降：依靠慣性離心力的作用實(shí)現(xiàn)沉降的過(guò)程。適于分離兩相密度差較小，顆粒粒度較細(xì)的非均相物系。離心沉降效率較重力沉降效率高。離心沉降氣固非均相物質(zhì)液固懸浮物系旋風(fēng)分離器旋液分離器或離心機(jī)離心力場(chǎng)中顆粒的受力平衡分析：慣性離心力：顆粒受流體浮力：沉降阻力：離心沉降速度在等速沉降過(guò)程：r1r2ArCBuruut顆粒在旋轉(zhuǎn)流體中的運(yùn)動(dòng)平衡時(shí)顆粒在徑向上相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度ur便是它在此位置上的離心沉降速度。采用離心沉降的顆粒較小，顆粒沉降一般處于層流區(qū)，則

1.旋風(fēng)分離器旋風(fēng)分離器中一般進(jìn)行的是氣-固非均相物系的離心分離。由于在離心場(chǎng)中顆粒可以獲得比重力大得多的離心力。因此,對(duì)兩相密度相差較小或顆粒粒度較細(xì)的非均相物系，利用離心沉降分離要比重力沉降有效得多。

（1）結(jié)構(gòu)與工作原理

含塵氣體以較高的線速度切向進(jìn)入器內(nèi)，在外筒與排氣管之間形成旋轉(zhuǎn)向下的外螺旋流場(chǎng)，到達(dá)錐底后以相同的旋向折轉(zhuǎn)向上形成內(nèi)螺旋流場(chǎng)直至上部排氣管流出。顆粒在內(nèi)、外旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中均受離心力作用向器壁方向拋出，在重力作用下沿壁面下落到排灰口被排出。進(jìn)氣口形狀：矩形尺寸：進(jìn)口管h、B；圓柱筒直徑D(主要尺寸)；排氣口直徑D1。進(jìn)氣排氣出灰口旋風(fēng)分離器示意圖B

①臨界粒徑dc—理論上能被完全分離下來(lái)的最小顆粒。旋風(fēng)分離器能夠分離出的顆粒大小是它的主要性能之一。評(píng)價(jià)指標(biāo)總效率粒級(jí)效率分離效果壓強(qiáng)降臨界粒徑分離效率2.旋風(fēng)分離器性能計(jì)算公式推導(dǎo)的假設(shè)：a、顆粒與氣體在旋風(fēng)分離器內(nèi)的切線速度ut恒定，與所在位置無(wú)關(guān)，且等于進(jìn)口處速度ui；

b、顆粒沉降過(guò)程中所穿過(guò)的氣流最大厚度等于進(jìn)口寬度B；

c、顆粒與氣流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為層流。顆粒在旋風(fēng)分離器中能被完全分離，其沉降時(shí)間必須小于停留時(shí)間。①臨界粒徑dc停留時(shí)間沉降時(shí)間顆粒能被完全分離，其沉降時(shí)間必須小于停留時(shí)間。臨界粒徑：當(dāng)沉降時(shí)間與停留時(shí)間相等時(shí)所能完全分離的顆粒直徑為最小直徑。

設(shè)：氣體旋轉(zhuǎn)圈數(shù)N（標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器可取N=5），則氣流運(yùn)行距離：離心沉降時(shí)間：

徑向速度旋轉(zhuǎn)半徑的平均值停留時(shí)間：離心沉降時(shí)間：

——臨界粒徑（能完全分離的顆粒直徑為最小直徑）。

在標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)器中N=5，一般N=3~8標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器：尺寸間關(guān)系：討論：1）ui↑，dc↓，效率↑，但阻力↑；旋風(fēng)分離器的進(jìn)口氣速應(yīng)適當(dāng)選擇，不宜太高也不宜太低。2）保持進(jìn)口氣速度ui不變，若氣體處理量qv

↑，B↑，dc↑，效率↓；因此，當(dāng)氣體處理量很大時(shí)，常將若干個(gè)小的旋風(fēng)分離器并聯(lián)使用，以維持較高的分離效率。臨界粒徑②分離效率——總效率、粒級(jí)效率

含塵氣體中所有顆粒經(jīng)分離器后被分離出的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)η0

，稱(chēng)為總效率。含塵氣體中某一粒徑的顆粒經(jīng)分離器后被分離出的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)ηpi

，稱(chēng)為粒級(jí)效率:旋風(fēng)分離器的分類(lèi)PV型粗旋風(fēng)分離器PV型外置旋風(fēng)分離器PV型單級(jí)旋風(fēng)分離器PV型一、二級(jí)旋風(fēng)分離器為長(zhǎng)嶺煉油化工有限公司制造的旋風(fēng)分離器在預(yù)組裝為九江石油化工廠制造的旋風(fēng)分離器在預(yù)組裝為上海氯堿股份有限公司制造的氧氯化反應(yīng)旋風(fēng)分離器在