化工原理-3章非均相混合物的分離

1、.,化工原理principles of chemical engineering,第三章 非均相混合物的分離,延安大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,.,第三章 非均相混合物的分離,第一節(jié) 概述 第二節(jié) 重力沉降 第三節(jié) 離心沉降 第四節(jié) 過濾,.,自然界的混合物,化工生產(chǎn)中，需要將混合物加以分離的情況非常多。,空分系統(tǒng),石油蒸餾,水過濾裝置,.,第一節(jié) 概述,混合物,均相混合物 （均相物系）,非均相混合物 （非均相物系）,物系內(nèi)部各處物料性質(zhì)均勻而且不存在相界面的混合物。,物系內(nèi)部有隔開兩相的界面存在且界面兩側(cè)的物料性質(zhì)截然不同的混合物。,如：石油、空氣,.,分散相（分散物質(zhì)） 分散狀態(tài)的物質(zhì),連續(xù)相（連續(xù)

2、介質(zhì)） 連續(xù)狀態(tài)存在， 包圍在分散介質(zhì)周圍物質(zhì)。,固體顆粒和氣體 構(gòu)成的含塵氣體,固體顆粒和液體 構(gòu)成的懸浮液,不互溶液體構(gòu)成的乳濁液,液體顆粒和氣體構(gòu)成 的含霧氣體,非均相物系,氣液(固)、液固(氣、液)態(tài)非均相物系,.,一、非均相物系的分離在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用,1、回收有用的分散相 2、凈化連續(xù)相 3、環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn),回收有用的分散相,.,凈化連續(xù)相,中藥液的澄清過濾,過濾空氣,結(jié)晶產(chǎn)品與母液的分離,.,環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn),.,二、非均相物系的分離方法機(jī)械分離,操作方式：過濾和沉降,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

3、分離。,除去粗食鹽 中少量的泥沙,1.過濾是流體相對(duì)于固體顆粒床層運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)固液分離的過程。,分類：重力過濾、加壓過濾、真空過濾和離心過濾,板框壓濾機(jī),真空過濾機(jī),離心過濾,抽濾,.,2.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)分離的過程。,（利用分散相和連續(xù)相的密度不同）,重力沉降,離心沉降,.,沉降：在外力作用下使顆粒相對(duì)于流體運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)分離的過程。,重力沉降：,沉降操作的外力是重力。,適用于分離較大的固體顆粒。,第二節(jié) 重力沉降,.,3.2.1 球形顆粒的自由沉降 自由沉降：顆粒不受其他顆粒的干擾及器壁的影響，在靜止的流體中的沉降過程。,在自由沉降沉降過程中， 顆粒受到

4、哪些力的作用：,重力Fg 、浮力Fb 阻力Fd,設(shè)球形顆粒的直徑為 ,顆粒密度為 ,流體的密度為 ,實(shí)際狀況：干擾沉降,.,重力Fg,浮力Fb,阻力Fd,牛頓第二定律,沉降阻力系數(shù),一點(diǎn)兩過程:,A沉降顆粒沿沉降方向的最大投形面積,.,此時(shí)顆粒做勻速沉降，其速度也是最大沉降速度ut,重力、浮力、阻力三者達(dá)到平衡，加速度為零,代入,沉降速度ut:為,以顆粒形狀及尺寸為特征量的雷諾數(shù)的函數(shù),一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。,.,阻力系數(shù)與Ret 關(guān)系圖,.,阻力系數(shù)一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定 ：,.,相應(yīng)各區(qū)的顆粒沉降速度為： 滯流區(qū)稱為斯托克斯公式 過渡區(qū)稱為艾倫公式 或 湍流區(qū)-稱為牛頓公式,規(guī)律：dS 、密度差越大則沉

5、降速度越大；在層流區(qū)由于流體粘性引起的表面摩擦阻力占主要地位，因此層流區(qū)的沉降速度與流體粘度成反比。,.,【例題3-1】：計(jì)算直徑為95m，密度為3000kg/m3的固體顆粒分別在20 的空氣和水中的自由沉降速度。,計(jì)算Ret，核算流型：,假設(shè)正確，計(jì)算有效。,解：在20 的水中： 20 水的密度為998.2kg/m3，粘度為1.00510-3 Pas,先設(shè)為層流區(qū)。,.,(1)降塵室,降塵室結(jié)構(gòu)：,3.2.2 重力沉降設(shè)備,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。,見動(dòng)畫,.,顆粒沉降的同時(shí)并隨氣體運(yùn)動(dòng),顆粒沉降運(yùn)動(dòng)時(shí)間氣體通過沉降室時(shí)間分離,工作原理：,矩形入口截面 面積 u。

6、,.,降塵室的生產(chǎn)能力：降塵室單位時(shí)間所處理的含塵氣體的體積流量。符號(hào)：qv 。,顆粒在降塵室的停留時(shí)間：,顆粒沉降到室底所需的時(shí)間：,為了滿足除塵要求：,.,降塵室使顆粒 沉降的條件,降塵室的生產(chǎn)能力,降塵室的生產(chǎn)能力只與降塵室的沉降面積BL和顆粒的沉降速度ut有關(guān)，而與降塵室的高度無關(guān),.,處理懸浮液的重力沉降設(shè)備，稱為沉降器或增濃器。沉降器可分間歇式、半連續(xù)式和連續(xù)式三種。,沉降槽有澄清液體和增稠懸浮液的雙重作用功能，與降塵室類似，沉降槽的生產(chǎn)能力與高度無關(guān)，只與底面積及顆粒的沉降速度有關(guān)，故沉降槽一般均制造成大截面、低高度。,（2）沉降槽,.,大的沉降槽直徑可達(dá)10100m、深2.54

7、m。它一般用于大流量、低濃度懸浮液的處理。沉降槽處理后的沉渣中還含有大約50%的液體，必要時(shí)再用過濾機(jī)等作進(jìn)一步處理。,.,對(duì)于含有顆粒直徑小于1m的液體，一般稱為溶膠，由于顆粒直徑小較難分離。 為使小顆粒增大，常加絮凝劑使小粒子變成大粒子。例如，河水凈化加明礬 KAl(SO4)2l2H2O,使水中細(xì)小污物沉降。常用的電解質(zhì)，除了明礬還有三氧化 鋁、綠礬、三氯化鐵等。一般用量為40200mg/kg。近年來，已研究出某些高分 子絮凝劑。,明礬,綠礬,三氯化鐵,聚丙烯酰胺,.,3.3.1離心沉降速率,其受力為離心力Fc、向心力Fb和阻力Fd ， 其值分別為：,第三節(jié) 離心沉降,離心沉降過程：,當(dāng)流

8、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。,思考：旋轉(zhuǎn)過程固體顆粒受到的作用力有哪些？,.,.,當(dāng)三個(gè)力達(dá)到平衡時(shí)： Fc- Fb- Fd=0 顆粒在徑向上相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度ur便是此位置上的離心沉降速度。,若顆粒處于層流區(qū)，則阻力系數(shù),含塵氣體的進(jìn)口氣速，m/s 顆粒的旋轉(zhuǎn)半徑，m。,.,旋風(fēng)分離器的構(gòu)造和操作原理,3.3.2 旋風(fēng)分離器,旋風(fēng)分離器的操作原理 旋風(fēng)分離器是工業(yè)上應(yīng)用比較廣泛的氣固離心分離設(shè)備之一。標(biāo)準(zhǔn)型的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)形式如圖所示。主體的上部為圓筒形，下部為圓錐形，各部件的尺寸均圓筒直徑成比例。含塵氣體由

9、圓筒上部進(jìn)氣管切向進(jìn)入，受器壁的約束而向下作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在慣性離心力作用下顆粒被拋向器壁，與氣流分離，再沿壁而落錐底的排灰口。凈化后的氣體在中心軸附近作由下而上的螺旋運(yùn)動(dòng)，最后由頂部排氣管排出。,.,特點(diǎn)：旋風(fēng)分離器構(gòu)造簡(jiǎn)單，分離效率較高，操作不受溫度、壓強(qiáng)的限制，分離因數(shù)約為52500，一般可分離氣體中575m直徑的粒子。 (2)旋風(fēng)分離器的主要性能參數(shù) 臨界直徑、分離效率、壓力降和氣體處理量是旋風(fēng)分離器的主要性能參數(shù)，是選型和操作控制的依據(jù)，也是評(píng)價(jià)旋 風(fēng)分離器性能好壞的主要指標(biāo)。 臨界粒徑 即旋風(fēng)分離器能夠分離出最小顆粒的直徑。臨界粒徑的大小是判斷旋風(fēng)分離器分離效率高低的重要依據(jù)。臨界粒徑

10、的計(jì)算式為,ui含塵氣體的進(jìn)口氣速，m/s; B旋風(fēng)分離器的進(jìn)口寬度，m; N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； 顆粒的密度，kg/m3; 流體的黏度，Pas。,.,分離效率 旋風(fēng)分離器的分離效率通常有兩種表示方法，即 總效率 粒級(jí)效率 C1、C2旋風(fēng)分離器進(jìn)出口氣體含塵的濃度， g/m3； C1i、C2i進(jìn)出口氣體含塵的粒徑在段范圍內(nèi)顆粒的濃度，g/m3； xi第i段粒徑范圍內(nèi)顆粒占全部顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。,.,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。 氣體通過旋風(fēng)分離器

11、的壓力降應(yīng)盡可能小，分離設(shè)備壓力 降的大小是決定分離過程能耗和合理選擇風(fēng)機(jī)的依據(jù)。,一般來說，短粗形的旋風(fēng)分離器壓降較小，處理量大，但分離 效率低；細(xì)長(zhǎng)形的則壓降較大，處理量不大，分離效率高。,阻力系數(shù)， 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器, =8.0,.,旋風(fēng)分離器構(gòu)造簡(jiǎn)單緊湊、無運(yùn)動(dòng)件，操作不受溫度、壓強(qiáng)的限制，價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定，分離因數(shù)約為52500，分離效率較高，一般可分離氣體中575m直徑的粒子。故廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)部門。,.,3.3.3 旋液分離器,又稱水力旋流器,是利用離心沉降原理分離液固混合物的設(shè)備， 其結(jié)構(gòu)和操作原理與旋風(fēng)分離器類似。,.,3.3.4 離心沉降機(jī) 轉(zhuǎn)鼓上無孔，混懸液或乳濁液被

12、轉(zhuǎn)鼓帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)時(shí),密度較大的物相向轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁沉降,密度較小的物相趨向旋轉(zhuǎn)中心而使兩相分離。,離心機(jī)：,用于離心分離的設(shè)備。,適于離心分離的液態(tài)非均相物系包括液-固混合物系 (混懸液)和液-液混合物系(乳濁液)。,油脂離心機(jī),實(shí)驗(yàn)用離心機(jī),轉(zhuǎn)鼓,.,第四節(jié) 過濾,3.4.1 過濾的基本概念 一、過濾及過濾推動(dòng)力,過濾：利用能讓液體通過而截留固體顆粒的多孔介質(zhì)（過濾介質(zhì)），使懸浮液中固液得到分離的單元操作。,名詞：過濾介質(zhì)；混懸液（濾漿）；濾渣(餅)；濾液,懸浮液,沉降法,過濾操作,哪種處理方法好？,：需要較長(zhǎng)時(shí)間，而且沉渣中液體含量較多,沉降法,可使懸浮液得到迅速的分離，濾渣中的液體含量也較低,

13、過濾操作：,絮凝劑,在某些場(chǎng)合過濾是沉降的后續(xù)操作,.,真空過濾機(jī),水環(huán)真空泵,.,思考：過濾推動(dòng)力：,適用于：處理固體含量較高的混懸液。,作用原理：,過濾過程變化：,初期,中期,末期,思考：如何保持過濾速度？,方法：a.不斷的將濾餅移出,過濾介質(zhì)兩側(cè)的壓力差。,篩子,方法：b.增加推動(dòng)力,.,適用于：生產(chǎn)量大而懸浮顆粒粒徑小或是粘軟的絮狀物。,（2）深層過濾： 過濾介質(zhì)是較厚的粒狀介質(zhì)的床層,過濾時(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。,中藥液的澄清過濾,合成纖維,飲水過濾,紡絲液的處理設(shè)備,.,Kitagawa. S. J. Am. Chem. Soc, 2007,

14、129, 2607.,膜過濾,宏觀,微觀,調(diào)控,工業(yè)生產(chǎn)中懸浮液固相含量一般較高(體積分?jǐn)?shù)大于1%), 因此本節(jié)重點(diǎn)討論濾餅過濾。,膜過濾是利用膜孔隙的選擇透過性進(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、無機(jī)離子、小分子等透過膜，而截留微粒及大分子。,.,過濾介質(zhì)：多孔性介質(zhì) 其作用：a.截留顆粒，使濾液通過 b.支撐濾餅,三、過濾介質(zhì),過濾介質(zhì)應(yīng)具有下列條件： a）多孔性，孔道適當(dāng)?shù)男。p少流體的阻力，又能 截住要分離的顆粒。 b)物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐熱，耐化學(xué)腐蝕。 c)足夠的機(jī)械強(qiáng)度，使用壽命長(zhǎng)。 d) 價(jià)格便宜。,.,工業(yè)常用過濾介質(zhì)種類： 織物介質(zhì)、多孔性固體介質(zhì)、顆

15、粒狀介質(zhì)和微孔濾膜等。 織物介質(zhì) 濾布、篩網(wǎng)，截留的粒徑5m以上，工業(yè)應(yīng)用廣泛,濾布,篩網(wǎng),過濾機(jī),.,多孔固體介質(zhì)具有微細(xì)孔道的固體，截留粒徑13m的微細(xì)粒子,素瓷,多孔燒結(jié)玻璃,顆粒狀介質(zhì)固體顆粒（砂石、木炭、石棉）或纖維（玻璃棉）等堆積， 適用于深層過濾。,砂石,木炭,石棉,鵝卵石,玻璃棉,.,微孔濾膜：由高分子材料制成的薄膜狀多孔介質(zhì) 。適用于濾除0.0210m的混懸微粒。,精濾,.,（1）濾餅的壓縮性,濾餅,不可壓縮濾餅:,可壓縮濾餅:,顆粒有一定的剛性，所形成的濾餅并不因所受的壓力差而變形。,顆粒比較軟，所形成的濾餅在壓差的作用下變形，使濾餅中的流動(dòng)通道變小，阻力增大。,四、濾餅的

16、壓縮性和助濾劑,濾餅的壓縮性對(duì)過濾效率及濾材的可使用時(shí)間影響很大, 是設(shè)計(jì)過濾工藝和選擇過濾介質(zhì)的依據(jù)。,.,（2）助濾劑 助濾劑具有一定剛性的顆?；蚶w維狀的固體。 加入助濾劑可減少可壓縮濾餅的流動(dòng)阻力，提高濾餅的剛性和孔隙率,硅藻土,活性炭,纖維粉,珍珠巖粉,助濾劑的要求：a.應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性; b.不溶于液相中; c.在過濾操作的壓力差范圍內(nèi)具有不可壓縮性,.,加入方法,預(yù)涂：,用助濾劑配成懸浮液，在正式過濾前用它進(jìn)行過濾，在過濾介質(zhì)上形成一層由助濾劑組成的濾餅。,摻濾： 將助濾劑混在濾漿中一起過濾,助濾劑的使用方法：,懸浮液,+,.,用洗滌液（通常為清水）進(jìn)行濾餅洗滌，以回收濾餅中殘存的

17、濾液或除去其雜質(zhì)。,6、過濾速率及影響因素 過濾速率單位時(shí)間內(nèi)得到的濾液體積。 主要影響因素：過濾面積、懸浮液的性質(zhì)、操作壓力。,5、濾餅的洗滌,.,實(shí)際流速u 過濾速度dV/(Ad) ，流道長(zhǎng)l濾餅厚度L，孔道的平均直徑d難以測(cè)量，故引入比例系數(shù)r，將這些因素統(tǒng)統(tǒng)并入比例系數(shù)r內(nèi)，則：,層流流動(dòng)：,Hagon-Poiseuille,3.4.2 過濾基本方程式,一、濾液通過濾餅的流動(dòng),.,說明：,濾液性質(zhì)： 過濾面積：A 濾餅性質(zhì)：L、r,.,二、濾餅的比阻r：,單位：,物義：,說明：,當(dāng)粘度為1Pas的濾液以1m3/(m2 s)的過濾速度通過厚度為1m的濾餅層的壓力損失。,濾餅不可壓縮：,r

18、單位壓力差下的濾餅比阻，1/m2； s濾餅的壓縮性指數(shù)，s1。,r = f（濾餅結(jié)構(gòu)特性）；,濾餅可壓縮：,.,過濾介質(zhì)層：認(rèn)為介質(zhì)產(chǎn)生的阻力與厚度為L(zhǎng)e的濾餅層產(chǎn)生 的阻力相等，引入過濾介質(zhì)的當(dāng)量濾餅厚度 Le，則過濾介質(zhì)的阻力 = rLe/A,濾餅可壓縮：,.,定義餅液比：,則：,C濾餅體積/濾液體積V， m3餅/m3液,過濾基本方程式,.,恒壓過濾：一般由保持恒壓的壓縮氣體提供推動(dòng)力 恒速過濾：一般由容積式泵提供推動(dòng)力 變壓變速過濾：一般由離心泵提供推動(dòng)力，隨過濾阻力增加流量下降。,過濾的操作類型：,.,懸浮液一定，、r、C可視為常數(shù),令：,表示懸浮液物性的常數(shù),k-濾餅常數(shù),3.4.3 恒壓過濾,.,恒壓過濾，p1-s為常數(shù),.,令q=V/A， qe=Ve/A，,令,恒壓過濾方程式,過濾常數(shù),.,恒壓過濾方程式,令,.,說明：,(V+Ve)(+e)為一拋物線；,忽略過濾介質(zhì)的阻力：Ve0，qe=0，則過濾基本方程式變?yōu)椋?qe、e稱為介質(zhì)常數(shù)，與K都稱為過濾常數(shù)。,.,3.4.4 過濾設(shè)備,過濾混懸液的設(shè)備稱為過濾機(jī)。,間歇過濾機(jī) 連續(xù)過濾機(jī),操作方式,壓濾機(jī) 真空過濾機(jī) 離心過濾機(jī),過濾推動(dòng)力 產(chǎn)生的方式,過濾設(shè)備的生產(chǎn)能力： 過濾機(jī)的生產(chǎn)能力通常用單位時(shí)間內(nèi)所得到的濾液體積來表示，有時(shí)也可用單位時(shí)間內(nèi)單位過濾面積上積聚的濾渣量表示。,.