第三章非均相混合物的分离3.1

1、第三章第三章 非均相混合物的分离非均相混合物的分离物系内各处均匀，物系内各处均匀， 如：溶液、混合气体分离方法：如：溶液、混合气体分离方法：蒸馏：分离苯蒸馏：分离苯-甲苯混合溶液甲苯混合溶液吸收：含有氨气的混合空气吸收：含有氨气的混合空气萃取：芳烃和非芳烃的分离萃取：芳烃和非芳烃的分离结晶：盐水中提取固体盐结晶：盐水中提取固体盐一、混合物的分类一、混合物的分类1. 均相混合物均相混合物物系物系2.非均相混合物（物系）非均相混合物（物系）由具有不同物理性质的分散物质和连续介质所组成由具有不同物理性质的分散物质和连续介质所组成的物系，有多个相界面。的物系，有多个相界面。分散相（分散物质）分散相（分

2、散物质） ：处于分散状态的物质：处于分散状态的物质如：固体颗粒、液滴、气泡（如烟道气中的颗粒、如：固体颗粒、液滴、气泡（如烟道气中的颗粒、炼厂污水中的油滴）等。炼厂污水中的油滴）等。连续相（连续介质）连续相（连续介质） ：包围分散相而处于连续状态：包围分散相而处于连续状态的物质。的物质。根据连续相状态的不同，非均相混合物又可分为根据连续相状态的不同，非均相混合物又可分为两种类型：两种类型：（2）：如悬浮液、乳浊液、泡：如悬浮液、乳浊液、泡沫液等。沫液等。一、混合物的分类一、混合物的分类非均相物系分离的基本方法非均相物系分离的基本方法沉降：沉降：颗粒相对于流体的运动。颗粒相对于流体的运动。 重力

3、沉降、离心沉降。重力沉降、离心沉降。过滤：过滤：流体相对于固体颗粒床层的运动。流体相对于固体颗粒床层的运动。 重力过滤、加压过滤、真空过滤、离心过滤等。重力过滤、加压过滤、真空过滤、离心过滤等。二、非均相混合物的分离二、非均相混合物的分离1）净化气体或液体。）净化气体或液体。 eg：原油脱水。：原油脱水。2）回收分散的颗粒物质。）回收分散的颗粒物质。 eg：回收催化反应器中气体夹带的催化剂，循环应：回收催化反应器中气体夹带的催化剂，循环应用。用。3）环境保护和安全生产。）环境保护和安全生产。 eg：工业：工业“三废三废”的处理。的处理。2. 非均相物系分离的目的非均相物系分离的目的二、非均相混

4、合物的分离二、非均相混合物的分离沉降是在沉降是在外力作用外力作用下使颗粒相对于流体下使颗粒相对于流体(静止或运动静止或运动)运动而实现分离的过程。运动而实现分离的过程。重力沉降：分离颗粒较大的物质重力沉降：分离颗粒较大的物质按实现沉降的操作力不同按实现沉降的操作力不同3.1沉降沉降离心沉降：分离颗粒较小的物质离心沉降：分离颗粒较小的物质3.1.1 重力沉降重力沉降重力沉降是依据重力沉降是依据重力作用重力作用而发生的沉降过程。而发生的沉降过程。一般用于气一般用于气- -固混合物和悬浮液的分离。固混合物和悬浮液的分离。它是利用混合物中的它是利用混合物中的分散相（分散相（固体颗粒）的密固体颗粒）的密

5、度大于度大于连续相连续相的密度的密度而使颗粒沉降达到分离。而使颗粒沉降达到分离。重力：重力：36gsFmgdg 36bFdg 2242duFA pd 颗粒沉降过程受力颗粒沉降过程受力阻力：阻力：浮力：浮力： 浮力浮力 Fb 重重力力 Fg 颗粒在流体中沉降时受力 阻力阻力Fd3.1.1 重力沉降重力沉降一、一、 重力沉降速度重力沉降速度ut（球形颗粒的自由沉降）（球形颗粒的自由沉降） 232642suFdgddumd 合合合力：合力：F合合=重力重力-浮力阻力浮力阻力=ma对于一定的流体和颗粒，重力和浮对于一定的流体和颗粒，重力和浮力是恒定的，而力是恒定的，而阻力却随颗粒的降阻力却随颗粒的降落

6、速度而变落速度而变。 浮力浮力 Fb 阻力阻力 Fd 重重力力 Fg 颗粒在流体中沉降时受力 3.1.1 重力沉降重力沉降4 ()3tsdgu 颗粒的颗粒的自由沉降速度：自由沉降速度：即加速终了时颗粒相对于流体的速度，又称即加速终了时颗粒相对于流体的速度，又称终端速度终端速度ut等速沉降等速沉降:加速沉降加速沉降: 时间非常短，可以忽略。时间非常短，可以忽略。合外力为合外力为0。如何求解如何求解阻力系数阻力系数 232642suduFdgdmd 合合3.1.1 重力沉降重力沉降它们之间的关系通过实验测得图它们之间的关系通过实验测得图二、二、 阻力系数阻力系数 Retduff 根据因次分析法可知

7、根据因次分析法可知: :层流区层流区过渡区过渡区湍流区湍流区a.当当0.0001Ret1.0时时）层流区或斯托克斯区层流区或斯托克斯区24 Ret 218tsudg b. 当当1Ret1000时时过渡区或艾伦区过渡区或艾伦区0.618.5 Ret 0.6()g0.27esttduR 对球形颗粒的曲线，按对球形颗粒的曲线，按Ret可大致分为几个区，各可大致分为几个区，各区都有相应的关系式表达区都有相应的关系式表达:c. 当当1000Ret2105时时湍流区或牛顿区湍流区或牛顿区0 44. 1.74()tsugd 二、二、 阻力系数阻力系数三、三、 沉降速度的计算沉降速度的计算1 .给定介质中颗粒

8、的沉降速度给定介质中颗粒的沉降速度 ut的计算的计算 (已知已知d )试差法：试差法：先假设沉降属于某一流型（如层流）先假设沉降属于某一流型（如层流）tduRe 核对核对Re是否在原设的范围内是否在原设的范围内是是否否ut有效有效按算出按算出Re的另选流型，并改用相应公式计算的另选流型，并改用相应公式计算ut ，直到按，直到按求得的求得的ut 算出的算出的Re与所选公式的与所选公式的Re值范围相符为止值范围相符为止 218tsdgu 2. 给定介质中颗粒粒径给定介质中颗粒粒径 d 的计算的计算(已知已知ut）试差法：试差法：先假设沉降属于某一流型（如层流）先假设沉降属于某一流型（如层流）核对核

9、对Re是否在原设的范围内是否在原设的范围内是是否否d 有效有效按算出按算出Re的另选流型，并改用相应公式计算的另选流型，并改用相应公式计算d ，直到按求，直到按求得的得的d 算出的算出的Re与所选公式的与所选公式的Re值范围相符为止值范围相符为止 218tsdgu tduRe 根据非均相混合物的种类不同，主要有根据非均相混合物的种类不同，主要有降尘室降尘室和和沉降槽沉降槽。降尘室降尘室重力降尘室重力降尘室 3.1.2典型重力沉降设备及设计计算典型重力沉降设备及设计计算 集灰斗集灰斗 降尘室降尘室 1. 降尘室的设计计算降尘室的设计计算气体气体 气体气体进口进口 出口出口 集灰斗集灰斗 降尘室降

10、尘室 L 气体气体 H 颗粒在降尘室中的运动颗粒在降尘室中的运动 b1. 降尘室的设计计算降尘室的设计计算 L 气体气体 H 颗粒在降尘室中的运动颗粒在降尘室中的运动 Lu 停停留留时时间间：ttuH =：沉沉降降时时间间 t，则表明，则表明该颗粒能在降尘室中除去。该颗粒能在降尘室中除去。 = t ，则表明，则表明该颗粒刚好能完全除去。该颗粒刚好能完全除去。t ，则表明该颗粒不能除去。，则表明该颗粒不能除去。btVVHbLHAHuqq 分离条件：分离条件：VquHb 沉降时间沉降时间气流平均停留时间气流平均停留时间1. 降尘室的设计计算降尘室的设计计算tHLuu VttqAuLbu 1）颗粒）

11、颗粒沉降速度沉降速度ut越大（即粒径越粗或密度越大），越大（即粒径越粗或密度越大），则相同的沉降室生产能力则相同的沉降室生产能力qv越大。越大。2）对于一定体积（容积）的沉降室，其生产能力）对于一定体积（容积）的沉降室，其生产能力qV与与沉降面积沉降面积bL成正比，而与沉降室成正比，而与沉降室高度高度H无关（无关（浅池原理浅池原理）。）。因此，降尘室多制成因此，降尘室多制成扁平型扁平型或或多层多层。结论结论1. 降尘室的设计计算降尘室的设计计算若降尘室内设置若降尘室内设置n层层水平隔板，则多层降尘室的生水平隔板，则多层降尘室的生产能力变为：产能力变为：1. 降尘室的设计计算降尘室的设计计算清洁

12、清洁气流气流含尘含尘气流气流挡板挡板隔板隔板VttqAuLbu (1)VtqnLbu H时，根据时，根据 t=uHuL 若若u不变，则不变，则L，生产能力，生产能力qV =Lbut；为保证生；为保证生产能力不变，必须产能力不变，必须b；降尘室变得短而宽降尘室变得短而宽，气体进入降，气体进入降尘室还未稳定就离开降尘室了，气体在降尘室内的分布尘室还未稳定就离开降尘室了，气体在降尘室内的分布不均匀造成分离能力下降；所以在降尘室的前后均有不均匀造成分离能力下降；所以在降尘室的前后均有渐渐缩和渐扩缩和渐扩装置；装置；问题：降尘室生产能力与设备高度无关，问题：降尘室生产能力与设备高度无关，那么降尘室的高那

13、么降尘室的高度是否越小越好呢？度是否越小越好呢？ H时，根据时，根据 t=uHuL 若若L不变，不变，u，生产能力不变；若流速太大，则沉降，生产能力不变；若流速太大，则沉降后的颗粒被后的颗粒被重新扬起重新扬起，分离效率分离效率，故应保证气体流动维，故应保证气体流动维持层流状态，一般持层流状态，一般u 3m/s，易扬起的物料，易扬起的物料 u 1.5m/s 。问题：降尘室生产能力与设备高度无关，问题：降尘室生产能力与设备高度无关，那么降尘室的高那么降尘室的高度是否越小越好呢？度是否越小越好呢？ 25/17结结构构简简单单，但但设设备备庞庞大大、效效率率低低，只只适适用用于于分分离离粗粗颗颗粒粒-

14、直直径径 75 m以以上上的的颗颗粒粒，或或作作为为预预分分离离设设备备。降降尘尘室室重力沉降设备重力沉降设备3.3离心沉降分离离心沉降分离离心沉降：离心沉降：依靠惯性离心力的作用实现沉降的过程。依靠惯性离心力的作用实现沉降的过程。适于分离适于分离两相密度差较小两相密度差较小，颗粒粒度，颗粒粒度较细较细的非均相物系。的非均相物系。离心沉降效率较重力沉降效率高。离心沉降效率较重力沉降效率高。离心沉降离心沉降气固非均相物质气固非均相物质液固悬浮物系液固悬浮物系旋风分离器旋风分离器旋液分离器或离心机旋液分离器或离心机离心力场中颗粒的受力平衡分析：离心力场中颗粒的受力平衡分析：326csFdr 惯性离

15、心力：惯性离心力：颗粒受流体浮力：颗粒受流体浮力：326fFdr 沉降阻力：沉降阻力：阻阻2242rduF 离心沉降速度离心沉降速度在等速沉降过程：在等速沉降过程：0=-阻阻FFFfCr1r2ArCBuruut24 ()3srdur 平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度ur便是它在便是它在此位置上的此位置上的离心沉降速度。离心沉降速度。 22320642rsdud r 采用离心沉降的采用离心沉降的颗粒较小颗粒较小，颗粒沉降一般处于，颗粒沉降一般处于层流区层流区，则，则 2218srdur 1.旋风分离器旋风分离器 b 净净化化气气体体 含含尘尘 气气体体

16、 A D 尘尘粒粒 标准型旋风分离器 旋风分离器中一般进行的是旋风分离器中一般进行的是气气- -固非均相物系固非均相物系的离心分离。的离心分离。由于在离心场中颗粒可以获得由于在离心场中颗粒可以获得比重力大得多的离心力。比重力大得多的离心力。因此因此, ,对对两相密度相差较小两相密度相差较小或颗粒粒度较细或颗粒粒度较细的非均相物系，的非均相物系，利用离心沉降分离要比重力沉利用离心沉降分离要比重力沉降有效得多。降有效得多。 b 净净化化气气体体 含含尘尘 气气体体 A D 尘尘粒粒 标准型旋风分离器 含尘气体清洁气体排气管排尘BB 含尘气体以较高的含尘气体以较高的线速度切向进线速度切向进入入器内，

17、在器内，在外筒外筒与与排气管排气管之间形成旋之间形成旋转转向下向下的的外螺旋流场外螺旋流场，到达锥底后以，到达锥底后以相同的旋向折转相同的旋向折转向上向上形成形成内螺旋流场内螺旋流场直至上部排气管流出。颗粒在内、外直至上部排气管流出。颗粒在内、外旋转流场中均受离心力作用向器壁方旋转流场中均受离心力作用向器壁方向抛出，在重力作用下沿壁面下落到向抛出，在重力作用下沿壁面下落到排灰口被排出。排灰口被排出。进气口形状：进气口形状：矩形矩形尺寸：尺寸：进口管进口管h、B；圆柱筒直径圆柱筒直径D (主要尺寸主要尺寸)；排气口直径排气口直径D1。进气进气排气排气出灰口出灰口B 临界粒径临界粒径dc能够分离出

18、的颗粒大小是它的主要性能之一。能够分离出的颗粒大小是它的主要性能之一。2.旋风分离器性能旋风分离器性能计算公式推导的计算公式推导的假设假设： a、颗粒与气体在旋风分离器内的切线速度、颗粒与气体在旋风分离器内的切线速度 ut 恒定，与所在恒定，与所在位置无关，且等于进口处速度位置无关，且等于进口处速度ui； b、颗粒沉降过程中所穿过的气流最大厚度等于进口宽度、颗粒沉降过程中所穿过的气流最大厚度等于进口宽度B； c、颗粒与气流的相对运动为层流。、颗粒与气流的相对运动为层流。 颗粒在旋风分离器中能被完全分离，其沉降时间必须小于颗粒在旋风分离器中能被完全分离，其沉降时间必须小于停留时间。停留时间。 临

19、界临界径径dct 停留时间停留时间沉降时间沉降时间颗粒能被完全分离，其沉降时间必须小于停留时间。颗粒能被完全分离，其沉降时间必须小于停留时间。 临界临界粒粒径径：当：当沉降时间沉降时间与与停留时间停留时间相等相等时所能时所能完全分离完全分离的颗粒直径为最小直径。的颗粒直径为最小直径。 设：气体旋转圈数设：气体旋转圈数 N（标准旋风分离器可取标准旋风分离器可取 N=5），则气流运行距离：则气流运行距离： Nrm2离心沉降时间：离心沉降时间： r=uBt径向速度径向速度imtm2=2=uNruNr旋转半径的平均值旋转半径的平均值停留时间：停留时间：()m222t2r18=18-=rudrudutss2s