第三章非均相物系分離

第三章非均相物系的分別

第一節(jié)概括

一、化工生產中常碰到的混淆物可分為兩大類：

第一類是均相物系—如混淆氣體、溶液，

特色：物系內各處性質同樣，無分界面。須用汲取、蒸餾等方法分別。

第二類是非均相系統(tǒng)—

1．液態(tài)非均相物系

固體顆粒與液體構成的懸浮液；

不互溶液體構成的乳濁液；

2．氣態(tài)非均相物系

固體顆粒（或液體霧滴）與氣體構成的含塵氣體（或含霧氣體）；

氣泡與液體所構成的泡沫液等。

特色：物系內有相間的界面，界面雙側的物性截然相反。

（1）分別相：常常是液滴、霧滴、氣泡，固體顆粒，μm。

（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。

二、非均相物系分別的目的：

1）凈制參加工藝過程的原料氣或原料液。

2）回收母液中的固體成品或半成品。

3）分別生產中的廢氣和廢液中所含的有害物質。

4）回收煙道氣中的固體燃料及回收反響氣中的固體觸媒等?？傊阂灾愎に囈?，提升產質量量，改良勞動條件，保護環(huán)境，節(jié)儉能源

及提升經(jīng)濟效益。

常用分別方法：

1）重力沉降：微粒借自己的重力在介質中沉降而獲取分別。

2）離心分別：利用微粒所受離心力的作用將其從介質中分別。亦稱離心沉降。

此法合用于較細的微粒懸浮系統(tǒng)。

3）過濾：使懸浮系統(tǒng)經(jīng)過過濾介質，將微粒截留在過濾介質上而獲取分別。

4）濕法凈制：負氣相中含有的微粒與水充分接觸而將微粒除掉。

5）電除塵：使懸浮在氣相中的微粒在高壓電場內沉降。

本章主要議論：利用機械方法分別非均相物系，按其波及的流動方式不一樣，可

大概分為沉降和過濾兩種操作方式。

三、顆粒和流體相對運動時所遇到的阻力

流體以必定的速度繞過靜止顆粒時

或許固體顆粒在靜止流體中挪動時流體對顆粒的作使勁——ye力Fd

FdAu2[N]2

式中，A—顆粒在運動方向上的投影，dp2

u—相對運動速度

—阻力系數(shù)，=（）=（p）Redu/層流區(qū)：Re2，=24/Re──Stokes區(qū)過渡區(qū)：Re=2—500，10Re──Allen區(qū)湍流區(qū)：Re=500--2105，≌0.44──Newton區(qū)

第二節(jié)重力沉降

一、球形顆粒的自由沉降

自由沉降──關于單調顆粒在流體中的沉降或許顆粒群充分地分別、顆粒間互

不影響，不致惹起互相碰撞的沉降過程。

1．加快階段——阻力

沉降開始時，顆粒初速度為零，浮力

顆粒受重力和浮力的作用，協(xié)力不為零，

產生加快度。

2．勻速階段——

跟著速度加快，阻力增添，當協(xié)力為零時，ρs?ρ

t重力顆粒將發(fā)生勻速運動─是沉降速度u.重力：Fgdp3pg6浮力：Fbdp3g6阻力：Fddp2u242由牛頓第二定理F=maF-F-F=mdu/dt整理后得：dugbd()g3u2pdtp4dpp在du/dt=0，u=ut4dp(p)gut3'=（Re），將不一樣的帶入ut，可得各樣流動狀態(tài)下的ut的計算式：層流區(qū)：Re2，utdp2(p)g18──Stokes公式1過渡區(qū)：Re=2—500，?ut4g2(p)23225dp湍流區(qū)：Re=500--2105，ut3g(p)dp

ut=f（dp，p，），dp，p↑，ut↑

↑，ut↓（層流區(qū)，過渡區(qū)）

合適范圍：圓滑的球形顆粒。

舉例：影響沉降速度ut的要素：

1〉顆粒形狀，當量球徑，（如當量直徑），偏離球形約大，阻力越大；

2〉顆粒濃度不太高<0.2%，假定自由沉降<1%.

3〉壁面效應

4〉分子運動，d<2~3μm

5〉液滴隨和泡的變形

6〉其余，如顆粒p不均勻。二、沉降器設計計算——氣體降塵設施

用于分別大顆粒塵

LW

VsuH

ut

在降塵室中，顆粒逗留時間=L/u

沉降時間=H/ut

分別條件——L/u≥H/ut

因為塵粒中，顆粒粒徑不同樣，故定義一種粒子。其逗留時間=沉降時間，即

能夠100%除掉的最小粒徑——臨界粒徑dpc∵uVsVsHW∴utLW與臨界粒徑dpcVs（又稱表面負荷o相對應的臨界沉降速度utcq）LW當塵粒沉降速度處于層流區(qū)時，18Vsdpc)gLW(p

表示：1。大于dpc的塵粒能100%除掉。

2．降塵室的辦理能力只取決于降塵室的底面積，與高度H沒關。

第三節(jié)離心沉降

依賴離心力的作用，使流體中顆粒產生沉降運動——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、萬倍。

一、離心分別因數(shù)：懸浮液一圓筒旋轉，角速度[rad/s]=2N/60角速度N——轉數(shù)/min被分別液體，密度、；顆粒密度、dpp顆粒的旋轉半徑為r旋轉軸忽視重力時，離心力Fc=ma=mr2≌mrN2/100可見，N↑，F(xiàn)c↑c22設離心分別因數(shù)K=r/g≌rN/900離心分別因數(shù)Kc是表示離心力大小的指標，離心設施分別性能的基本參數(shù)。

二、離心沉降速度

當顆粒在離心場中沉降時，徑向上所受的力：

離心力

Fc

6

d3p

pr浮力（指向中心）Ffdp3r26阻力（指向中心）Fddp2(dr)42d在三力達到均衡時，離心力－浮力－阻力=0dr4dp(p離心沉降速度ur3d

)r2與重力沉降速度公式對比，不過將g換成r2。

不一樣的是：在必定的條件下重力沉降速度ut是定值，

而離心沉降速度ur隨徑向地點的不一樣而變化。

一般而言，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，

drdp2(p)2r2ur18rututKcdgurKcut

可見，在層流區(qū)離心沉降速度ur與r成正比，在離心沉降過程中，ur隨r增大

而增大。

三、旋風分別器（cycloneseparator）

——利用離心力作用凈制氣體的設施

1．結構與操作

2．臨界粒徑——指能100%分別除掉的最小顆粒粒徑。

在三個假定條件下

1）進氣嚴格作螺旋形等速運動，有效旋轉圈數(shù)n=5，切向速度等于進口速度ui；

2）顆粒向壁沉降，一定穿約厚為b的氣流層，方能抵達壁面；（b為進口之寬度）（3）顆粒的沉降運動聽從stokes定律。b可推得：dpc3)uin(b3．壓力損失ui230bhDpd2LH2（1）旋風分別器的尺寸都是D的倍數(shù)，所以為常數(shù)，與D沒關。只需進口氣速ui同樣，不論多大的旋風分別器，其p都同樣。（2）小型分別器的b小，dpc小，所以工業(yè)上，用若干個小型分別器組來代替一個大的分別器，可提升分別效率。（3）旋風分別器的壓力損失一般為1~2kPa。

四、旋液分別器

五、沉降式離心計

第四節(jié)過濾

過濾──是以某種多孔物質為介質來辦理懸浮液的操作。

在外力的作用下，懸浮液中的液體經(jīng)過介質的孔道而固體顆粒被截留

下來，進而實現(xiàn)固、液分別。

一、懸浮液的過濾：p1濾漿

濾餅，濾渣

p2過濾介質

濾液

1．過濾方式

（1）深層過濾——又稱澄清過濾條件：懸浮液含顆粒小，而含量少（液體中顆粒的體積0.1%）時，

可用床層較厚的過濾介質進行過濾。

因為dp介質孔隙直徑，當懸浮顆粒進入床層年修長而曲折的孔道時，

靠靜電及分子力的作用而附在孔道壁上，過濾介質床層上邊沒有濾餅形

成。

比如：自來水凈化及污水辦理。

（2）濾餅過濾

條件：dp介質孔隙直徑，床層上形成濾餅；

dp介質孔隙直徑，但床層內有“架橋現(xiàn)象”；

在濾餅層沒有完整形成以前，部分顆粒會隨濾液一同流走。

在濾餅層形成成為有效的過濾介質后，獲取澄清液。

合用于顆粒含量許多（液體中顆粒的體積0.1%）時

2．分類：

常壓過濾──靠位差

加壓過濾──利用泵或壓縮空氣

真空過濾──介質一方抽真空

離心過濾──利用離心力作推進力

步驟：過濾→清洗→去濕→卸料

3．過濾介質

作用——使液體經(jīng)過而截留固體顆粒。

選擇——依據(jù)液體的性質（酸、堿性），顆粒含量及粒度，操作p，T，介

質機械強度等（1）織布介質——棉、麻、絲、毛制的濾布，金屬絲網(wǎng)濾布；可截留5~65m

的顆粒。

（2）聚積的粒狀介質——砂、木炭等，用于深層過濾，

（3）多孔性介質——陶瓷、塑料、金屬等粉末燒結成型的多孔性板狀、管

狀介質，可截留1~3m的微細顆粒。

4．助濾劑

使用前提——顆粒細，簡單堵死過濾介質的孔隙；

所形成的濾餅在壓差的作用下，孔隙變小，阻力增大，使過濾困難。

作用——將某種質地堅硬的另一種固體混入懸浮液或予涂于過濾介質上，

以形成松散餅層，使濾液暢流。這類固體稱助濾劑。

常用助濾劑——硅藻土，珍珠巖，石棉，炭粉等；

增添量為顆粒量的0.5%以下。

5．固體量、濾液量與濾渣量的關系

設：固體量為1（質量），密度p

濕濾渣為C（質量），密度c

濕濾渣中含液量為C-1（質量），密度

濕濾渣體積=固體體積+液體體積

C1C1

cp

設：X——單位質量懸浮液中所含固體質量；

CX——單位質量懸浮液可得濾渣量；

1-CX——單位質量懸浮液可得濾液量；單位體積濾液相對應的固體質量：X3濾液][kg干渣/m(1CX)/二、過濾基本方程：描繪濾液量隨時間的變化關系

定義——

過濾速率（dV/d）：單位時間內濾過的濾液體積，[m3/s]

過濾速度（dV/Ad）：單位時間內經(jīng)過單位過濾面積的濾液體積，[m/s]。

過濾操作的特色——隨過濾操作的進行，濾餅厚度↑，阻力↑。

恒壓過濾：若保持過濾在必定的壓差下操作，則過濾速率必然不停降落；

恒速過濾：若要保持必定的濾速，則一定增添壓差，以戰(zhàn)勝過濾阻力；

一般狀況下，間歇操作的過濾機，先恒壓、恒速或先恒速后恒壓下操作；

連續(xù)操作的過濾機，都在恒壓下操作。

過濾推進力濾餅pc介質pm過濾速率濾餅阻力介質阻力過濾阻力

1．濾餅層阻力

濾液流過濾餅孔道流速較小，屬層流，所以應用哈根-泊謖葉方程，

d2pcpcul32l/d232因為濾餅層中孔道的均勻長度l∝濾餅厚度L，∝單位面積上濾餅質量V/A；

設毛細孔均勻直徑d，對必定性質的濾餅應是定值，納入常數(shù)項。

對不行壓縮濾餅：dVpcAdrV/A

濾餅阻力：Rc=rV/A

指獲取V體積濾液所形成單位面積上干濾餅質量為V/A時的濾餅阻力。

r——濾餅的比阻，[m/kg]表示單位過濾面積的干濾餅質量為1kg/m2時的阻力。

5a2(1)2r32．介質阻力：Rm=rVe/A

過濾介質阻力當作獲適當量體積Ve的濾液所形成的濾餅層阻力。

3．過程總阻力：R=Rc+Rm=r（V+Ve）/A

過濾速率dVr(VpAdVe)/AdVA2p或r(VVe)d

一定積分才能找出V~關系。

三、恒壓過濾

1．濾液體積與過濾時間的關系（V~）

VVe)dVA2p(Vrd00V+VeVV2A2pVVerV+VeV2