第三章非均相物系分离

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1、第三章第三章 非均相物系分离非均相物系分离混合物 均相混合物 非均相混合物 物系内部各处物料性质均匀而且不存在相界面的混合物。例如：互溶溶液及混合气体 物系内部有隔开两相的界面存在且界面两侧的物料性质截然不同的混合物。例如固体颗粒和气体构成的含尘气体固体颗粒和液体构成的悬浮液 不互溶液体构成的乳浊液 液体颗粒和气体构成的含雾气体非均相物系 分散相 分散物质 处于分散状态的物质 如：分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡 连续相分散相介质 包围着分散相物质且处于连续状态的流体 如：气态非均相物系中的气体 液态非均相物系中的连续液体 分离机械分离 沉降 过滤 不同的物理性质 连续相与分散相发生相对运动

2、的方式 分散相和连续相 一、重力沉降一、重力沉降 沉降 在某种力场中利用分散相和连续相之间的密度差异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。作用力 重力 惯性离心力 重力 沉降离心沉降 1、沉降速度、沉降速度 1）球形颗粒的自由沉降）球形颗粒的自由沉降设颗粒的密度为s，直径为d，流体的密度为，重力 gdFsg36浮力 gdFb36而阻力随着颗粒与流体间的相对运动速度而变，可仿照流体流动阻力的计算式写为：22uAFd24dA对球形颗粒 2422udFdmaFFFdbgadudgdgdss3223362466(a)颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力Fd=0，amax 颗粒开始沉降后，u Fd

3、；u ut 时，a=0。等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度ut 称为沉降速度。当a=0时，u=ut，代入（a）式024662233tsudgdgd 3)(4stdgu沉降速度表达式2、阻力系数、阻力系数 通过因次分析法得知，值是颗粒与流体相对运动时的雷诺数Ret的函数。对于球形颗粒的曲线，按Ret值大致分为三个区：a)滞流区或托斯克斯滞流区或托斯克斯(stokes)定律区（定律区（10 4Ret1）tRe24182stdu斯托克斯公式6.0Re5.18t6.0Re269.0tgdust艾伦公式 c)滞流区或牛顿定律区（滞流区或牛顿定律区（Nuton）（）（103Ret 2105）44.0gdu

4、st74.1牛顿公式 b)过渡区或艾伦定律区（过渡区或艾伦定律区（Allen）（）（1Ret103）4、沉降速度的计算、沉降速度的计算 试差法试差法 假设沉降属于层流区 方法：182stduut dutReRet Ret1 ut为所求Ret1 艾伦公式求ut判断公式适用为止例：例：试计算直径为95m，密度为3000kg/m3的固体颗粒分别在20的空气和水中的自由沉降速度。解：1）在20水中的沉降。用试差法计算先假设颗粒在滞流区内沉降，182gdust 附录查得，20时水的密度为998.2kg/m3,=1.00510-3Pa.s32610005.11881.92.99830001095tusm/

5、10797.93核算流型 ttduRe33610005.12.99810797.910959244.01原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。(2)沉降在过渡区。用艾伦公式计算沉降速度。4.16.04.14.04.114.16.14.11154.0stdgusm/619.0二、降尘室二、降尘室1、降尘室的结构、降尘室的结构 2、降尘室的生产能力、降尘室的生产能力 降尘室的生产能力是指降尘室所处理的含尘气体的体积流量，用Vs表示，m3/s。降尘室内的颗粒运动 以速度u随气体流动 以速度ut作沉降运动颗粒在降尘室的停留时间 ul颗粒沉降到室底所需的时间 ttuHt为了满足除尘要求 tuHul降尘室

6、使颗粒沉降的条件降尘室使颗粒沉降的条件HbVusssVlHbHbVltsuHVlHbtsbluV 降尘室的生产能力降尘室的生产能力 降尘室的生产能力只与降尘室的沉降面积bl和颗粒的沉降速度ut有关，而与降尘室的高度无关。离心沉降：离心沉降：依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程 适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。惯性离心力场与重力场的区别 重力场离心力场力场强度重力加速度gut2/R 方向指向地心 沿旋转半径从中心指向外周 Fg=mg RumFtC2作用力 三、三、离心沉降离心沉降 平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度ur便是此位置上的离心沉降速度。Rudutsr3422、离心

7、沉降速度与重力沉降速度的比较、离心沉降速度与重力沉降速度的比较 表达式：重力沉降速度公式中的重力加速度改为离心加速度数值：重力沉降速度基本上为定值 离心沉降速度为绝对速度在径向上的分量，随颗粒在 离心力场中的位置而变。一、离心沉降速度一、离心沉降速度四、旋风分离器四、旋风分离器1、旋风分离器的操作原理、旋风分离器的操作原理2、旋风分离器的性能、旋风分离器的性能（1）、气体处理量）、气体处理量 旋风分离器的处理量由入口的气速决定，入口气体流量是旋风分离器最主要的操作参数。一般入口气速ui在1025m/s。旋风分离器的处理量 hBuVi（2）、临界粒径 判断旋风分离器分离效率高低的重要依据是临界粒

8、径。临界粒径临界粒径：理论上在旋风分离器中能完全分离下来的最小颗粒直径。iscuNBd9临界粒径的表达式 2）临界粒径的影响因素）临界粒径的影响因素 a)由 iscuNBd9，知 Bdc即临界粒径随分离器尺寸的增大而增大。分离效率随分离器尺寸的增大而减小。分离效率随分离器尺寸的增大而减小。b)入口气速ui愈大，dc愈小，效率愈高。1）临界粒径的计算式临界粒径的计算式（3）、分离效率）、分离效率 分离效率 总效率o 进入旋风分离器的全部粉尘中被分离下来的粉尘的质量分率%1001210CCC粒级效率pi 进入旋风分离器的粒径为di的颗粒被分离下来的质量分率%100121iiipiCCCd50为粒级

9、效率为50%的颗粒直径，称为分割粒径。第第三三章章 非均相物系分离非均相物系分离一、过滤操作的基本概念一、过滤操作的基本概念二、过滤基本方程式二、过滤基本方程式三、恒压过滤三、恒压过滤四、过滤常数的测定四、过滤常数的测定五、过滤设备五、过滤设备六、滤饼的洗涤六、滤饼的洗涤七、过滤机的生产能力七、过滤机的生产能力第第二二节节 过滤过滤一、过滤操作的基本概念一、过滤操作的基本概念1、过滤的概念、过滤的概念过滤过滤 利用能让液体通过而截留固体颗粒的多孔介质（过滤介质），使悬浮液中固液得到分离的单元操作。过滤操作中所处理的悬浮液 滤浆 通过多孔介质的液体 滤液 被截留住的固体物质 滤渣（滤饼）实现过滤

10、操作的外力有重力、压力、离心力，化工中应用最多的是压力过滤。2、过滤方式、过滤方式过滤 深层过滤 滤饼过滤 固体颗粒的沉积发生在较厚的粒状过滤介质床层内部，悬浮液中的颗粒直径小于床层直径，当颗粒随流体在床层的曲折孔边穿过时，便粘附在过滤介质上。适用于悬浮液中颗粒甚小且含量甚微（固相体积分率在0.1%以下）的场合 固体颗粒成饼层状沉积于过滤介质表面，形成滤饼 适用于处理固相含量稍高（固相体积分率在1%以上）的悬浮液。3、过滤介质、过滤介质 过滤介质是滤饼的支承物，应具有下列条件：a)多孔性，孔道适当的小，对流体的阻力小，又能截住要分离的颗粒。b)物理化学性质稳定，耐热，耐化学腐蚀。c)足够的机械

11、强度，使用寿命长 d)价格便宜工业常用的过滤介质主要有 a)织物介质：又称滤布，包括有棉、毛、丝等天然纤维，玻璃丝和各种合成纤维制成的织物，以及金属丝织成的网能截留的粒径的范围较宽，从几十m到1m。优点：织物介质薄，阻力小，清洗与更新方便，价格比较便宜，是工业上应用最广泛的过滤介质。b)多孔固体介质：如素烧陶瓷，烧结金属塑料细粉粘成的多孔塑料，棉花饼等 这类介质较厚，孔道细，阻力大，能截留13m的颗粒。c)堆积介质：由各种固体颗粒（砂、木炭、石棉粉等）或非编织的纤维（玻璃棉等）堆积而成，层较厚。d)多孔膜：由高分子材料制成，膜很薄（几十m到200m），孔很小，可以分离小到0.05m的颗粒,应用

12、多孔膜的过滤有超滤和微滤。4、滤饼的压缩性 滤饼不可压缩滤饼:颗粒有一定的刚性，所形成的滤饼并不因所受的压力差而变形 可压缩滤饼:颗粒比较软，所形成的滤饼在压差的作用下变形，使滤饼中的流动通道变小，阻力增大。加入助滤剂可减少可压缩滤饼的流动阻力 介质阻力：可视为平变，且一般过滤初较明显 滤饼厚度：随过滤进行而增加 滤饼阻力 滤饼特性：颗粒形状、大小，粒度分布及无缩性5过滤阻力：6过滤速率与速度：过滤速率：单位时间内获得的滤液体积，；过滤速度：单位时间单位过滤面积A上获得滤液体积 ，式中，V滤液体积，；t过滤时间，s；A过滤面积，；dVdt13smdVAdt123smm3m2m滤饼厚度L与当时已

13、经获得的滤液体积V之间的关系为：VLAAVL滤饼体积与相应的滤液体积之比，无因次，m3/m3。同理：AvVLeeVe过滤介质的当量滤液体积，或称虚拟滤液体积，m3 在一定的操作条件下，以一定介质过滤一定的悬浮液时，Ve为定值，但同一介质在不同的过滤操作中，Ve值不同。二、过滤基本方程二、过滤基本方程2()edVAPdtrv VVmD=+不可压缩滤饼的过滤速率方程 r r r r rr滤饼比阻，即单位厚度的滤饼阻力。P介质两侧压降。三、恒压过滤三、恒压过滤 恒压过滤：恒压过滤：在恒定压强差下进行的过滤操作。恒压过滤时，滤饼不断变厚致使阻力逐渐增加。但推动力P恒定，过滤速率逐渐变小。恒压过滤方程式

14、恒压过滤方程式 当介质阻力可以忽略时，Ve=0，e=0，过滤方程式则变为 22VKA t=AVqAVqee及令222eVVVKAt+=eeKq222eqq qKt+=恒压过滤方程恒压过滤方程K 过滤常数 由物料特性及过滤压强差所决定，m2/s e和qe 介质常数 反映过滤介质阻力大小，s及m3/m2 当介质阻力可以忽略时，2qKt=五、过滤设备五、过滤设备 1、板框压滤机、板框压滤机1）板框压滤机的构造）板框压滤机的构造 由许多块带凹凸纹路的滤板与滤框交替排列组装于机而构成。滤板和滤框多做成正方形，角上均开有小孔，组合后即构成供滤浆和洗涤水流通的孔道。滤框的两侧覆以滤布，围成容纳滤浆及滤饼的空

15、间。滤板的作用：支持滤布和提供滤液流出的通道。滤板洗涤板：非洗板：滤框：二钮 滤板与滤框装合时，按钮数以1-2-3-3-1-2的顺序排列。三钮板 一钮板 2）板框压滤机的操作）板框压滤机的操作 板框压滤机为间歇操作，每个操作循环由装合、过滤、洗涤、卸饼、清理5个阶段组成。悬浮液在指定压强下经滤浆通路由滤框角上的孔道并行进入各个滤框，滤液分别穿过滤框两侧的滤布，沿滤板板面的沟道至滤液出口排出。颗粒被滤布截留而沉积在滤布上，待滤饼充满全框后，停止过滤。洗涤时，先将洗涤板上的滤液出口关闭，洗涤水经洗水通路从洗涤半角上的孔道并行进入各个洗涤板的两侧。洗涤水在压差的推动力下先穿过一层滤布及整个框厚的滤饼

16、，然后再穿过一层滤布，最后沿滤板（一钮板）板面沟道至滤液出口排出。称为横穿洗涤法横穿洗涤法，它的特点是洗涤水穿过的途径正好是过滤终了时滤液穿过途径的二倍。而流通面积却是过滤面积的一半。板框压滤机的优点：结构简单，制造容易，设备紧凑，过滤面积大而占地小，操作压强高，滤饼含水少，对各种物料的适应能力强。缺点是间歇手工操作，劳动强度大，生产效率低。2、加压叶滤机、加压叶滤机 叶滤机是由许多不同宽度的长方形滤叶装合而成。滤叶由金属丝网制造，内部具有空间，外罩滤布。叶滤机也为间歇操作，过滤时滤叶安装在能承受内压的密闭机壳内。滤浆用泵送到机壳内，穿过滤布进入丝网构成的中空部分，然后汇集到下部总管而后流出。

17、颗粒沉积在滤布上，形成滤饼，当滤饼积到一定厚度，停止过滤。洗涤时，洗水的路径与滤液相同，这种洗涤方法称为置换置换洗涤法。洗涤法。叶滤机的优点是设备紧凑，密闭操作，劳动条件较好，每次循环滤布不用装卸，劳动力较省。3、转筒真空过滤机、转筒真空过滤机六、滤饼的洗涤六、滤饼的洗涤 1、滤饼洗涤的目的：为了回收滤饼里存留的滤液，或者净 化构成滤饼颗粒。2、洗涤速率、洗涤速率 洗涤速率：单位时间内消耗的洗水容积，以 wddV)/(表示。洗涤时间：wwwddVV)(洗涤速率与过滤终了时的过滤速率有关，这个关系取决于滤液设备上采用的洗涤方式。叶滤机采用的置换洗涤法，洗水与过滤终了时的滤液流过的路径就完全相同。当操作压强差和洗水与滤液粘度相同时)(2)()(2,eEwVVKAddVddV终 板框过滤机采用的是横穿洗涤法，洗水流径长度约为过滤终了时滤液流动的两倍。而流通的面积仅为过滤面积的一半。当操作压强差和洗水与滤液粘度相同时()wdVdqEddV)(41)(82eVVKA