非均相機(jī)械分離課件

化工原理第三章

非均相物系的機(jī)械分離

第一節(jié)

概

述

混合物據(jù)各組分的分散度可劃分為均相和非均相混合物兩大類(lèi)。其中非均相混合物由分散相和連續(xù)相兩部分組成：前者指處于分散狀態(tài)的物質(zhì)；后者指包圍著分散相物質(zhì)且處于連續(xù)狀態(tài)的流體,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)液體等。本章主要探討非均相混合物的機(jī)械分離。一、非均相混合物的分離在工業(yè)中的應(yīng)用1.回收有用的分散相如收集粉碎機(jī)、沸騰及噴霧干燥器等設(shè)備出口氣流中夾帶的物料；收集蒸發(fā)設(shè)備出口氣流中帶出的藥液霧滴；回收結(jié)晶器中晶漿夾帶的顆粒；回收催化反應(yīng)器中氣體夾帶的催化劑等。

2.凈化連續(xù)相除去藥液中無(wú)用的混懸顆粒以便得到澄清藥液；將結(jié)晶產(chǎn)品與母液分開(kāi)；除去空氣中的塵粒以便得到潔凈空氣；除去催化反應(yīng)原料氣中的雜質(zhì)，以保證催化劑的活性等。

3.環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)近年來(lái),工業(yè)污染對(duì)環(huán)境的危害愈來(lái)愈明顯，利用機(jī)械分離的方法處理工廠排出的廢氣、廢液，使其濃度符合規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，以保護(hù)環(huán)境；去除容易構(gòu)成危險(xiǎn)隱患的漂浮粉塵以保證安全生產(chǎn)。第一節(jié)

概

述二、非均相混合物的分離方法非均相混合物通常采用機(jī)械的方法分離，即利用非均相混合物中分散相和連續(xù)相的物理性質(zhì)(如密度、顆粒形狀、尺寸等)的差異，使兩相之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而使其分離。根據(jù)兩相運(yùn)動(dòng)方式的不同，機(jī)械分離可有兩種操作方式，沉降和過(guò)濾。1.沉降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。沉降操作的外力可以是重力(稱為重力沉降),也可以是慣性離心力(稱為離心沉降)。此外對(duì)于含塵氣體的分離還有過(guò)濾凈制、濕法及電凈制等方法。

2.過(guò)濾過(guò)濾是流體相對(duì)于固體顆粒床層運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)固液分離的過(guò)程。過(guò)濾操作的外力可以是重力、壓差或慣性離心力。因此過(guò)濾操作又分為重力過(guò)濾、加壓過(guò)濾、真空過(guò)濾和離心過(guò)濾等。詳見(jiàn)下表：第二節(jié)

沉

降

沉降是指在某種力場(chǎng)中利用分散相和連續(xù)相之間的密度差異，使之發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)分離的操作過(guò)程，分為重力沉降和離心沉降兩大類(lèi)。

一、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、固混合物和混懸液的分離。它是利用混懸液中的分散相即固體顆粒的密度大于連續(xù)相即浸提液的密度而使顆粒沉降達(dá)到分離。

1.自由沉降和沉降速度以固體顆粒在流體中的沉降為例進(jìn)行分析，顆粒的沉降速度與顆粒的形狀有很大關(guān)系，為了便于理論推導(dǎo)，先分析光滑球形顆粒的自由沉降速度。

1.1球形顆粒的自由沉降速度

顆粒在靜止流體中沉降時(shí)，不受其它顆粒的干擾及器壁的影響，稱為自由沉降。較稀的混懸液或含塵氣體中固體顆粒的沉降可視為自由沉降。第二節(jié)

沉

降

如圖3-1所示。一個(gè)表面光滑的剛性球形顆粒置于靜止流體中，當(dāng)顆粒密度大于流體密度時(shí)，顆粒將下沉，若顆粒作自由沉降運(yùn)動(dòng)，在沉降過(guò)程中，顆粒受到三個(gè)力的作用：重力，方向垂直向下；浮力，方向向上；阻力，方向向上。設(shè)球形顆粒的直徑為,顆粒密度為,流體的密度為,則重力、浮力和阻力分別為:圖3-1靜止流體中顆粒受力示意圖第二節(jié)

沉

降

（3-1）

（3-2）

（3-3）

式中為沉降顆粒沿沉降方向的最大投形面積，對(duì)于球形顆粒，，m2；為顆粒相對(duì)于流體的降落速度，m/s；為沉降阻力系數(shù)。對(duì)于一定的顆粒與流體，重力與浮力的大小一定，而阻力隨沉降速度而變。根據(jù)牛頓第二定律有：當(dāng)顆粒開(kāi)始沉降的瞬間，u為零,阻力也為零,加速度a為其最大值；顆粒開(kāi)始沉降后，隨著u逐漸增大，阻力也隨著增大，直到速度增大到一定值后，重力、浮力、阻力三者達(dá)到平衡，加速度a為零；此時(shí)顆粒做勻速運(yùn)動(dòng)的速度即稱為沉降速度，用表示，單位為m/s。即有：（3-4）

第二節(jié)

沉

降

圖3-2所示阻力曲線可依據(jù)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)范圍劃分為三個(gè)區(qū)域：a)滯流區(qū)：<2,又稱斯托克斯(stokes)定律區(qū)

(3-6）

b)過(guò)渡區(qū)：2<<500,又稱艾倫（Allen）定律區(qū)

(3-7)c)湍流區(qū)：500<<2×105,又稱牛頓（Newton）定律區(qū)

(3-8)圖3-2沉降阻力系數(shù)關(guān)系曲線圖第二節(jié)

沉

降

1.2非球形顆粒的自由沉降非球形顆粒的幾何形狀及投影面積A對(duì)沉降速度都有影響。顆粒向沉降方向的投影面積A愈大，沉降阻力愈大，沉降速度愈慢。一般地,相同密度的顆粒，球形或近球形顆粒的沉降速度大于同體積非球形顆粒的沉降速度。非球形顆粒幾何形狀與球形的差異程度，用球形度表示，即一個(gè)任意幾何形體的球形度，等于體積與之相同的一個(gè)球形顆粒的表面積與這個(gè)任意形狀顆粒的表面積之比。當(dāng)體積相同時(shí)，球形顆粒的表面積最小，因此，球形度值總是小于1，且該越小，顆粒形狀與球形的差異越大，阻力系數(shù)ζ愈大。當(dāng)顆粒為球形時(shí)，球形度為1。在計(jì)算沉降速率時(shí)，非球形顆粒的大小可用當(dāng)量直徑表示，所謂當(dāng)量直徑即就是與顆粒等體積球形顆粒的直徑。非球形顆粒自由沉降的影響因素除球形度（顆粒形狀）外，還有壁效應(yīng)（器壁影響）和干擾沉降（顆粒間的相互干擾）等。第二節(jié)

沉

降

2.重力沉降設(shè)備及其生產(chǎn)能力

2.1降塵室:就是利用重力沉降的作用從含塵氣體中除去固體顆粒的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如3-3所示。含塵氣體進(jìn)入降塵室后，流通截面積擴(kuò)大，速度降低，使氣體在降塵室內(nèi)有一定的停留時(shí)間。若在這個(gè)時(shí)間內(nèi)顆粒沉到了室底，則顆粒就能從氣體中除去。要保證塵粒從氣體中分離出來(lái)，則顆粒沉降至底部所用時(shí)間必須小于等于氣體通過(guò)沉降室的時(shí)間。第二節(jié)

沉

降

2.2沉降槽：屬于處理懸浮液的重力沉降設(shè)備，也稱增稠器，分間歇式、半連續(xù)式和連續(xù)式三種。化工中常用的沉降槽如圖示，是一個(gè)帶錐形底的圓池，懸浮液由位于中央的進(jìn)料口加至液面以下，經(jīng)一水平擋板折流后沿徑向擴(kuò)展，隨著顆粒的沉降，液體緩慢向上流動(dòng),經(jīng)溢流堰流出得到清液，顆粒則下沉至底部形成沉淀層，由緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)的耙將沉渣移至中心底部排出。沉降槽與降塵室類(lèi)似，其生產(chǎn)能力與高度無(wú)關(guān),只與底面積及顆粒的沉降速率有關(guān),故沉降槽一般均制造成大截面、低高度。大的沉降槽直徑可達(dá)l0～100m、深2.5～4m。它一般用于大流量、低濃度懸浮液的處理。另外：工業(yè)上對(duì)于難以沉降的溶膠，可以加入電解質(zhì)之類(lèi)的絮凝劑，以促進(jìn)細(xì)小顆粒絮凝成較大顆粒從而增大沉降速度。第二節(jié)

沉

降

二、離心沉降在重力沉降中,當(dāng)顆粒小時(shí),沉降速率就小,需沉降設(shè)備就大,為了提高其生產(chǎn)能力,工業(yè)上可使用離心沉降,因?yàn)殡x心力比重力大得多，改用離心沉降則可大大提高沉降速度,設(shè)備尺寸也可縮小很多。

1.離心沉降速度和離心分離因數(shù)

1.1離心沉降速度:其推導(dǎo)方法和重力沉降速度相似，在離心沉降設(shè)備中，當(dāng)流體帶著顆粒旋轉(zhuǎn)時(shí),如果顆粒的密度大于流體的密度,則慣性離心力將會(huì)使顆粒在徑向上與流體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而飛離中心。和顆粒在重力場(chǎng)中受到三個(gè)作用力相似，慣性離心力場(chǎng)中顆粒在徑向上也受到三個(gè)力的作用,即慣性離心力、向心力(相當(dāng)于重力場(chǎng)中的浮力,其方向?yàn)檠匕霃街赶蛐D(zhuǎn)中心)和阻力(與顆粒的運(yùn)動(dòng)方向相反,其方向?yàn)檠匕霃街赶蛑行?。如果球形顆粒的直徑為dp、密度為,流體密度為,當(dāng)顆粒與流體一起作等角速度的圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，將受上述合力的作用,使其由旋轉(zhuǎn)中心向周邊運(yùn)動(dòng)，在達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，經(jīng)整理其離心沉降速度為：（3-11）第二節(jié)

沉

降

1.2離心分離因數(shù)比較式（3-11）及（3-5）可知：離心沉降速率的計(jì)算式只是把重力沉降速率中的重力加速度用離心加速度代替而已。工業(yè)上常將離心加速度與重力加速度之比稱為離心分離因數(shù)，即

K是離心分離設(shè)備的重要性能指標(biāo)。工程上，K越高，其離心分離效率越高，相比于重力分離效果越好。離心分離因數(shù)的數(shù)值一般為幾百到幾萬(wàn)。因此，同一顆粒在離心場(chǎng)中的沉降速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其在重力場(chǎng)中的沉降速度，用離心沉降可將更小的顆粒從流體中分離出來(lái)。

注意：重力沉降速度基本上為一定值；離心沉降速度為絕對(duì)速度在徑向上的分量，隨顆粒在離心力場(chǎng)中的位置r而改變。

第二節(jié)

沉

降第二節(jié)

沉

降

2.1.2旋風(fēng)分離器的主要性能參數(shù)①臨界粒徑(dpc):即旋風(fēng)分離器能夠分離出最小顆粒的直徑，其計(jì)算式為(3-12)

式中：ui為含塵氣體的進(jìn)口氣速，m/s；b為旋風(fēng)分離器的進(jìn)口寬度,m；n為氣流的旋轉(zhuǎn)圈數(shù),對(duì)標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器,可取n=5；為顆粒的密度，kg/m3；μ為流體的黏度，Pa·s。

②分離效率：通常有兩種表示方法，即粒級(jí)效率和總效率

（3-13）式中為旋風(fēng)分離器進(jìn)出口氣體中含塵粒徑為dp,i的顆粒的濃度，g/m3；Ci、C0為旋風(fēng)分離器進(jìn)出口氣體中全部顆粒的濃度,g/m3；為含塵氣體在分離器入口處粒徑為dp,i的顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。總效率是工程計(jì)算中常用的,雖易測(cè)定但它卻不能準(zhǔn)確代表分離器的分離性能,要真正要衡量分離性能的好壞,用粒級(jí)效率則比用總效率更有意義。第二節(jié)

沉

降

③壓力降

旋風(fēng)分離器的壓力降是評(píng)價(jià)其性能的重要指標(biāo)。壓力降產(chǎn)生的主要原因，是由于氣體經(jīng)過(guò)器內(nèi)時(shí)的膨脹、壓縮、旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向及對(duì)器壁的摩擦而消耗大量的能量。氣體通過(guò)旋風(fēng)分離器的壓力降應(yīng)盡可能小，該值的大小是決定分離過(guò)程能耗和合理選擇風(fēng)機(jī)的依據(jù)。其計(jì)算式如下：

（3-13）旋風(fēng)分離器壓降一般在500~2000Pa之間。

ui愈小，壓降愈低，雖然輸送能耗降低，但分離效率也降低，從經(jīng)濟(jì)角度考慮可取ui=15~25m/s。不僅如此，旋風(fēng)分離器的壓降還與其形狀有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，短粗形的旋風(fēng)分離器壓降較小，處理量大，但分離效率低；相反長(zhǎng)細(xì)形分離器則處理量不大，但分離效率卻高。旋風(fēng)分離器一般可分離5～75μm的非纖維、非粘性干燥粉塵，對(duì)5μm以下的細(xì)微顆粒分離效率較低。旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，操作不受溫度和壓強(qiáng)的限制，價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定，可滿足中等粉塵集捕要求，故廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)部門(mén)。

第三節(jié)過(guò)濾

過(guò)濾是分離懸浮液最常用和最有效的單元操作。過(guò)濾與沉降分離相比,過(guò)濾操作可使懸浮液分離得更迅速、更徹底。

一、過(guò)濾的基本概念1.過(guò)濾及過(guò)濾推動(dòng)力

過(guò)濾就是利用重力或壓差使懸浮液中的液體通過(guò)某種多孔性介質(zhì)而固體顆粒被截留下來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)非均相物系的固、液分離的單元操作。過(guò)濾推動(dòng)力是過(guò)濾介質(zhì)兩側(cè)的壓力差。壓力差產(chǎn)生的方式有濾液自身重力、離心力和外加壓力,過(guò)濾設(shè)備中常采用后兩種方式產(chǎn)生的壓力差作為過(guò)濾操作的推動(dòng)力。用沉降法（重力、離心力）處理懸浮液，往往需要較長(zhǎng)時(shí)間，而且沉渣中液體含量較多，而過(guò)濾操作可使懸浮液得到迅速的分離，濾渣中的液體含量也較低。當(dāng)被處理的懸浮液含固體顆粒較少時(shí)，應(yīng)先在增稠器中進(jìn)行沉降，然后將沉渣送至過(guò)濾機(jī)。在某些場(chǎng)合過(guò)濾是沉降的后續(xù)操作。

第三節(jié)過(guò)濾

2.過(guò)濾方式

工業(yè)上的過(guò)濾操作主要分為餅層過(guò)濾和深層過(guò)濾。

2.1餅層過(guò)濾：又名濾餅過(guò)濾，圖3-8（a）所示，過(guò)濾時(shí)非均相混合物即濾漿置于過(guò)濾介質(zhì)的一側(cè),固體沉積物在介質(zhì)表面堆積、架橋而形成濾餅層如圖3-8（b）所示。濾餅層是有效過(guò)濾層,隨著操作的進(jìn)行其厚度逐漸增加。由于濾餅層截留的固體顆粒粒徑小于介質(zhì)孔徑,因此餅層形成前得到的渾濁初濾液，待濾餅形成后應(yīng)返回濾漿槽重新過(guò)濾,餅層形成后收集的濾液為符合要求的濾液。餅層過(guò)濾適用于處理固相含量稍高（固相體積分率在1%以上）的懸浮液。

圖3-8餅層過(guò)濾示意圖第三節(jié)過(guò)濾

2.2深層過(guò)濾：圖3-9所示，過(guò)濾介質(zhì)是較厚的粒狀介質(zhì)的床層,過(guò)濾時(shí)懸浮液中的顆粒沉積在床層內(nèi)部的孔道壁面上,而不形成濾餅。深層過(guò)濾適用于生產(chǎn)量大而懸浮顆粒粒徑小、固含量低或是粘軟的絮狀物。適用于懸浮液中顆粒甚小且含量甚微（固相體積分率在0.1%以下）的場(chǎng)合。如自來(lái)水廠的飲水凈化、合成纖維紡絲液中除去固體物質(zhì)、中藥生產(chǎn)中藥液的澄清過(guò)濾等。另外膜過(guò)濾作為一種精密分離技術(shù)，近年來(lái)發(fā)展很快，已應(yīng)用于許多行業(yè)。膜過(guò)濾是利用膜孔隙的選擇透過(guò)性進(jìn)行兩相分離的技術(shù)。以膜兩側(cè)的流體壓差為推動(dòng)力，使溶劑、無(wú)機(jī)離子、小分子等透過(guò)膜，而截留微粒及大分子。

圖3-9深層過(guò)濾示意圖第三節(jié)過(guò)濾4.濾餅的壓縮性和助濾劑

4.1濾餅的壓縮性:若構(gòu)成濾餅的顆粒是不易變形的堅(jiān)硬固體顆粒,則當(dāng)濾餅兩側(cè)壓力差增大時(shí),顆粒形狀和顆粒間空隙不發(fā)生明顯變化,這類(lèi)濾餅稱為不可壓縮濾餅；有的懸浮顆粒比較軟，所形成的濾餅受壓容易變形,當(dāng)濾餅兩側(cè)壓力差增大時(shí),顆粒的形狀和顆粒間的空隙有明顯改變,這類(lèi)濾餅稱為可壓縮濾餅。濾餅的壓縮性對(duì)過(guò)濾效率及濾材的可使用時(shí)間影響很大,是設(shè)計(jì)過(guò)濾工藝和選擇過(guò)濾介質(zhì)的依據(jù)。

4.2助濾劑:為了減小可壓縮濾餅的過(guò)濾阻力,可采用助濾劑以提高濾餅的剛性和孔隙率。助濾劑是有一定剛性的粒狀或纖維狀固體,常用的有硅藻土、活性炭、珍珠巖粉等。助濾劑應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性,不與濾漿發(fā)生化學(xué)反應(yīng),不溶于液相,在過(guò)濾操作的壓力差范圍內(nèi)具有不可壓縮性。助濾劑的使用方法有預(yù)涂法和摻濾法兩種。預(yù)涂是把助濾劑先行過(guò)濾,使其在過(guò)濾介質(zhì)表面形成預(yù)涂層,然后再過(guò)濾濾漿。摻濾是把助濾劑按一定比例直接分散在待過(guò)濾的混懸液中一起過(guò)濾。注意當(dāng)濾餅是產(chǎn)品時(shí)一般不使用助濾劑。第三節(jié)過(guò)濾

5.濾餅的洗滌在濾餅的顆粒間隙中總會(huì)殘留一定量的濾液。過(guò)濾終了,通常要用洗滌液(一般為清水)進(jìn)行濾餅的洗滌,以回收濾液或得到較純凈固體顆粒。洗滌速率取決于洗滌壓強(qiáng)差、洗滌液通過(guò)的面積及濾餅厚度。

6.過(guò)濾速率及影響因素

過(guò)濾速率是單位時(shí)間內(nèi)得到的濾液體積，增大過(guò)濾面積可增大過(guò)濾速率；加壓或減壓均可加快過(guò)濾速率，但可壓縮濾餅會(huì)使過(guò)濾速率變慢；而懸浮液的性質(zhì)和操作溫度對(duì)過(guò)濾速率也有影響。提高溫度，可降低液體的粘度，從而提高過(guò)濾機(jī)的過(guò)濾速率。但在真空過(guò)濾時(shí)，提高溫度會(huì)使真空度下降，從而降低了過(guò)濾速率。經(jīng)理論和實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)，過(guò)濾速率方程可表示如下：(參見(jiàn)教材P152式3-66)

（3-14）

第三節(jié)過(guò)濾該機(jī)為間歇操作,每個(gè)操作周期由裝配、壓緊、過(guò)濾、洗滌、坼開(kāi)、卸料、處理等組成,板框裝合完畢,開(kāi)始過(guò)濾。過(guò)濾時(shí)懸浮液在指定的壓力下經(jīng)濾漿通道,由濾框角端的暗孔進(jìn)入框內(nèi),濾液分別穿過(guò)兩側(cè)濾布,再經(jīng)鄰板板面流到濾液出口排走,固體則被截留于框內(nèi),待濾餅充滿濾框后,即停止過(guò)濾。板框壓濾機(jī)優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，制造方便、價(jià)格低；過(guò)濾面積大，可根據(jù)需要增減濾板以調(diào)節(jié)過(guò)濾能力；推動(dòng)力大，對(duì)物料的適應(yīng)能力強(qiáng)，對(duì)顆粒細(xì)小而液體較大的濾漿也能適用。缺點(diǎn)是間歇操作，生產(chǎn)效率低；卸渣、清洗和組裝需要時(shí)間、人力，勞動(dòng)強(qiáng)度大，但隨著各種自動(dòng)操作的板框壓濾機(jī)的出現(xiàn)，這一缺點(diǎn)會(huì)得到一定程度的改進(jìn)。該機(jī)生產(chǎn)能力的表征為：

（教材P158式3-80）

(3-15)

式中為一個(gè)操作周期的時(shí)間；V為一個(gè)操作周期所獲得的濾液體積。第三節(jié)過(guò)濾

2.轉(zhuǎn)鼓真空過(guò)濾機(jī)該機(jī)為連續(xù)式真空過(guò)濾設(shè)備,如圖3-11所示。主機(jī)由濾漿槽、籃式轉(zhuǎn)鼓、分配頭、刮