第三章非均相物系的分离

1、2022-5-111学习回顾传热:传热机理三种传热方式传热过程的计算换热器2022-5-112第三章 非均相物系的分离3.1 概述概述 (1) (1). .收集分散物质收集分散物质( (回收有用物质回收有用物质) ) 如从气流干燥器排出尾气中回收带出的固体颗粒作为如从气流干燥器排出尾气中回收带出的固体颗粒作为产品，或者从某些排污中回收带走的液体等。产品，或者从某些排污中回收带走的液体等。 (2) (2). .净化分散介质净化分散介质( (净化物料净化物料) ) 如除去浑浊液中的固相杂质而使其成为清液，或者使如除去浑浊液中的固相杂质而使其成为清液，或者使压缩后气体中的油滴分离而净化气体等。压缩后

2、气体中的油滴分离而净化气体等。 (3) (3). .环境保护与安全生产环境保护与安全生产( (环境保护的需要环境保护的需要) ) 象烟道气的排放、废液的排放都要求其含固量达到一象烟道气的排放、废液的排放都要求其含固量达到一定标准，以防止对大气、河海等环境污染。定标准，以防止对大气、河海等环境污染。 混合物的分类混合物的分类 均相物系：物系内部各处物料性质均匀而不存在相界面的混合物系。均相物系：物系内部各处物料性质均匀而不存在相界面的混合物系。 非均相物系：物系内部有明显的相界面存在而界面两侧物料的性质不同非均相物系：物系内部有明显的相界面存在而界面两侧物料的性质不同的混合物系。的混合物系。 非

3、均相机械分离过程涉及固体颗粒非均相机械分离过程涉及固体颗粒, ,可以把固体看成球形可以把固体看成球形. .流体对固体颗粒的绕行流体对固体颗粒的绕行: :固体静止固体静止, ,流体动流体动; ;流体静止流体静止, ,固体沉降固体沉降; ;或相对运动或相对运动. .2022-5-115 悬浮液的形成: 第一,在前置生产工序前因工艺要求加入固体颗粒; 第二,在前置生产工序中从液相中析出固体产品或因反应生成固体及固体杂质. 生产中液固分离有不同的目的:得到含液量比较少的固体产品即低液体损失率,或得到含固体颗粒比较少的清液,即低的固体损失率.2022-5-116 颗粒和颗粒床层特性简述 亦称球形度，用于

4、表征颗粒的形状与球形的差异程度。亦称球形度，用于表征颗粒的形状与球形的差异程度。 定义：体积与实际颗粒相等时球形颗粒表面积与实际颗粒定义：体积与实际颗粒相等时球形颗粒表面积与实际颗粒的表面积之比，即：的表面积之比，即： 空隙率空隙率：单位体积床层中的空隙体积，单位体积床层中的空隙体积，m m3 3/m/m3 3，pSS 床层体积颗粒所占体积床层体积床层体积空隙体积2022-5-117 以液相加氢为例 含有催化剂的物料:催化剂要回收,循环使用;料液进入下一步反映. 颗粒大小对分离的难易程度的影响: 根据需要控制粒度大小.3.2 沉降分离 3.2.1 沉降概述 沉降是指在某种力的作用下，固粒相对于

5、流体产生定向运动而实现分离的沉降是指在某种力的作用下，固粒相对于流体产生定向运动而实现分离的操作过程。其依据是利用两相间密度的差异，受力时其运动速度不同从而操作过程。其依据是利用两相间密度的差异，受力时其运动速度不同从而发生相对运动。进行沉降操作的作用力可以是重力，也可以是惯性离心力，发生相对运动。进行沉降操作的作用力可以是重力，也可以是惯性离心力，故沉降分为重力沉降和离心沉降。衡量沉降进行的快慢程度通常用沉降速故沉降分为重力沉降和离心沉降。衡量沉降进行的快慢程度通常用沉降速度来表示。度来表示。3.23.2. .2 2 沉降速度沉降速度 自由沉降：发生在稀疏颗粒的流体中自由沉降：发生在稀疏颗粒

6、的流体中 干扰沉降：多发生在液态非均相物系中，沉降速度低。干扰沉降：多发生在液态非均相物系中，沉降速度低。 以下讨论自由沉降过程。以下讨论自由沉降过程。 压缩沉降压缩沉降: :2022-5-119 3.2.3 3.2.3 自由沉降自由沉降 沉降的加速阶段沉降的加速阶段 沉降的恒速阶段沉降的恒速阶段 速度加大速度加大, ,阻力也变大阻力也变大, ,阻力变大加速度变阻力变大加速度变小小, ,小到为小到为0 0即是恒速阶段即是恒速阶段. . 沉降速度沉降速度u ut t-终端速度终端速度)2(ReRe)2(pppDfduuAF 用前式计算沉降速度时，需先确定阻力系数用前式计算沉降速度时，需先确定阻力

7、系数值。通过因次分析，值。通过因次分析，是颗粒形状、颗粒与流体相对运动雷诺数是颗粒形状、颗粒与流体相对运动雷诺数ReRet t=du=dut t/的函数，由实的函数，由实验测得的综合结果在下图中示出。验测得的综合结果在下图中示出。 对于球形颗粒的曲线，从图可看出，按对于球形颗粒的曲线，从图可看出，按ReRet t值大致分为三个区，各区值大致分为三个区，各区内曲线所对应的内曲线所对应的可分别用相应的数学关系式表示。可分别用相应的数学关系式表示。 1.1.滞流区滞流区( (斯托克斯定律区斯托克斯定律区) 10) 10-4-4 ReRet t 2 2tRe242.2.过渡区过渡区( (艾伦定律区艾伦

8、定律区) 1) 1ReRet t10103 36 . 0tRe5 .183.3.湍流区湍流区( (牛顿定律区牛顿定律区) 10) 103 3 ReRet t22m)d2m)适用条件适用条件(1)(1)颗粒静止，流体运动颗粒静止，流体运动 (2) (2)颗粒运动，流体静止颗粒运动，流体静止 (3) (3)颗粒流体作相反方向运动颗粒流体作相反方向运动 (4) (4)颗粒、流体作相同方向运动，但速度不同颗粒、流体作相同方向运动，但速度不同 2022-5-1115 例3-1,3-2见教材111页 斯托克斯定律的含义:FD=3dpu 临界直径临界直径：指理论上能够完全分离出来的指理论上能够完全分离出来的

9、最小颗粒直径最小颗粒直径. .2022-5-1116 3.2.4 干扰沉降 颗粒群的运动; 干扰沉降的成因; 干扰沉降的速度.3.2.5 重力沉降设备 重力沉降是最简单的沉降分离方法，它既可用于分离气重力沉降是最简单的沉降分离方法，它既可用于分离气固非均相物系，也可用于分离液固非均相物系；既可用于将混固非均相物系，也可用于分离液固非均相物系；既可用于将混合物系中的颗粒与流体分开，也可用来使不同大小或密度不同合物系中的颗粒与流体分开，也可用来使不同大小或密度不同的颗粒分开。依据重力沉降原理进行操作的装置称为重力沉降的颗粒分开。依据重力沉降原理进行操作的装置称为重力沉降设备设备.1).1). 降尘

10、室降尘室 利用重力沉降从气流中分离利用重力沉降从气流中分离出尘粒的设备称为降尘室，常见出尘粒的设备称为降尘室，常见的如图所示。的如图所示。 操作原理：操作原理：含尘气体进入降尘室后，因流动截面积的扩大而含尘气体进入降尘室后，因流动截面积的扩大而使颗粒与气体间产生相对运动，颗粒向室底作沉降运动。只要在使颗粒与气体间产生相对运动，颗粒向室底作沉降运动。只要在气流通过降尘室的时间内颗粒能够降至室底，尘粒便可从气流中气流通过降尘室的时间内颗粒能够降至室底，尘粒便可从气流中分离出来。分离出来。 utuSqHA流动通过设备的流量设备内的流动容积颗粒降至室底所需时间为颗粒降至室底所需时间为t t：当当t t

11、时，尘粒便从气流中分离出来，即有：时，尘粒便从气流中分离出来，即有： H/u H/ut tlbH/lbH/q qv v q qv vuut tlb lb ttuH 降尘室一般为矩形方体设降尘室一般为矩形方体设备，其长、宽和高分别用备，其长、宽和高分别用l l、b b、H H表示，两端分别为含尘气体进表示，两端分别为含尘气体进口和净化气出口，气体流量为口和净化气出口，气体流量为Vs,mVs,m3 3/s/s。 设气体通过降尘室的时间为设气体通过降尘室的时间为： 球形颗粒沉降速度的计算 假设沉降处在滞流区，则选用假设沉降处在滞流区，则选用StokesStokes公式：公式： 例例3-33-3见见1

12、13113页页18)(u2mintgds增稠器 利用重力沉降从悬浮液中利用重力沉降从悬浮液中分离固相的设备称为增稠器，它分离固相的设备称为增稠器，它可从悬浮液中分出清液而得到稠可从悬浮液中分出清液而得到稠厚的沉渣，又称为增稠器。按操厚的沉渣，又称为增稠器。按操作方式分为间歇式和连续式，一作方式分为间歇式和连续式，一般化工生产中均采用连续增稠器。般化工生产中均采用连续增稠器。 连续沉降槽是底部略成锥状的大直径浅槽，连续沉降槽是底部略成锥状的大直径浅槽，如图如图。悬浮液经中央进料管送到液面。悬浮液经中央进料管送到液面以下以下0.30.31.01.0m m处，分散到槽的整个横截面上。因截面积的扩大颗

13、粒下沉，清液向上处，分散到槽的整个横截面上。因截面积的扩大颗粒下沉，清液向上流动，经由槽顶四周设置的溢流堰排出，沉到槽底的沉渣由缓缓转动的耙拨向底部中流动，经由槽顶四周设置的溢流堰排出，沉到槽底的沉渣由缓缓转动的耙拨向底部中心的排渣口排出。连续沉降槽的操作属于稳定操作状态，上部为清液区，下部为增稠心的排渣口排出。连续沉降槽的操作属于稳定操作状态，上部为清液区，下部为增稠区，增稠区内颗粒的浓度自上而下逐步增高，而且各部位区内的粒子浓度、沉降速度区，增稠区内颗粒的浓度自上而下逐步增高，而且各部位区内的粒子浓度、沉降速度等不随时间而变化。等不随时间而变化。 连续沉降槽直径大，大者可达百米以上，高度为

14、连续沉降槽直径大，大者可达百米以上，高度为2 24 4米。米。为节省占地面积，有时将数个沉降槽叠在一起构成多层沉降槽，为节省占地面积，有时将数个沉降槽叠在一起构成多层沉降槽，共用一根共同的轴带动各槽的耙。耙的转速很低，一般在共用一根共同的轴带动各槽的耙。耙的转速很低，一般在0.10.11 1rpmrpm之内，以防将已沉积的固粒重新搅起。之内，以防将已沉积的固粒重新搅起。 连续沉降槽适于处理量大而颗粒浓度不高的悬浮液，对于连续沉降槽适于处理量大而颗粒浓度不高的悬浮液，对于颗粒细微的料浆，常需加入高分子量的絮凝剂，使细粒之间发颗粒细微的料浆，常需加入高分子量的絮凝剂，使细粒之间发生凝聚而促进沉降作

15、用，以提高其生产能力和得到符合要求的生凝聚而促进沉降作用，以提高其生产能力和得到符合要求的清液，其底部排出的沉渣还含有约清液，其底部排出的沉渣还含有约50%50%的液体。的液体。2022-5-1122 分级器 利用重力沉降可将悬浮液中不同粒度的颗粒进行粗略的分离,或将两种密度不同密度的颗粒进行分类,这样的过程称为分级.实现分级操作的设备称为分级器.2022-5-11232 2 分级器分级器 利用重力沉降可将悬浮液中不同粒度的颗粒进行粗略的分级，或将两种不同密度的物质进行分类。图3-7为分级器示意图。 2022-5-1124 3.2.6 沉降过程的强化 凝聚或絮凝 离心沉降2022-5-1125

16、 3.2.7 离心沉降设备 转鼓式离心机转鼓式离心机 离心沉降所处理的非均相物系中固粒直径通常很小，沉降离心沉降所处理的非均相物系中固粒直径通常很小，沉降一般在滞流区进行，故其沉降速度可表示为：一般在滞流区进行，故其沉降速度可表示为： 碟式分离机碟式分离机 管式高速离心机管式高速离心机 rdp22r18)(u2022-5-11261 1 转鼓式离心机转鼓式离心机与重力沉降器的原理相同，在沉降式离心机中，凡沉降所需时间t小于流体在设备内的停留时间r的颗粒均可被沉降而除去。颗粒在离心力场中的运动方程可写为2022-5-11272 2 碟式分离机碟式分离机)/ln(18)(AB2A2B2pp2sRR

17、RRdHV 生产能力碟式分离机的转鼓内装有许多倒锥形碟片，碟片直径一般为0.20.6m，碟片数目约为50100片。转鼓以47008500rmin的转速旋转，分离因数可达400010000。 用于乳浊液的分离碟片上开孔用于澄清时碟片上不开孔2022-5-11283 3 管式高速离心机管式高速离心机3.3 过滤 过滤是分离悬浮液最普遍和最有效的单元操作之一。与沉降相比，过过滤是分离悬浮液最普遍和最有效的单元操作之一。与沉降相比，过滤可使悬浮液的分离更迅速更彻底，特别是对于粒径很小，很难分离的滤可使悬浮液的分离更迅速更彻底，特别是对于粒径很小，很难分离的悬浮液，沉降方法均难实现，这时需采用过滤操作。

18、悬浮液，沉降方法均难实现，这时需采用过滤操作。 过滤：过滤：以某种以某种多孔物质多孔物质为介质，在为介质，在外力作用外力作用下，使悬浮液中的下，使悬浮液中的液体液体通过介质的孔道通过介质的孔道，而使，而使固体颗粒被截留固体颗粒被截留在介质上，从而实现固、液分离在介质上，从而实现固、液分离的单元操作。的单元操作。过滤操作所处理的悬浮液称为过滤操作所处理的悬浮液称为滤浆或料浆滤浆或料浆所用的多孔性介质称为所用的多孔性介质称为过滤介质过滤介质通过过滤介质的液体称为通过过滤介质的液体称为滤液滤液被截留下来的颗粒层称为被截留下来的颗粒层称为滤饼或滤渣滤饼或滤渣 实现过滤操作的外力实现过滤操作的外力有重力

19、，压强差或惯性有重力，压强差或惯性离心力，在化工生产中应用最多的是过滤介质离心力，在化工生产中应用最多的是过滤介质上、下游两侧的压强差。上、下游两侧的压强差。悬浮液(滤浆)滤饼过滤介质滤液1. 过滤方式 过滤操作分两类：过滤操作分两类： 1.1.饼层过滤：固体颗粒呈饼层状沉积于过滤介质的上游一侧。饼层过滤：固体颗粒呈饼层状沉积于过滤介质的上游一侧。适于处理固体含量较高适于处理固体含量较高( (固体体积分率在固体体积分率在1 1以上以上) )的悬浮液。的悬浮液。 真正发挥分离作用的是滤饼层，而不是过滤介质。真正发挥分离作用的是滤饼层，而不是过滤介质。 因为颗粒在介质表面发生因为颗粒在介质表面发生

20、“架桥架桥”现象，可以截留小颗粒，现象，可以截留小颗粒，开始滤液混浊需重新处理。开始滤液混浊需重新处理。 2.2.深床过滤：固体颗粒的沉积发生在深床过滤：固体颗粒的沉积发生在 较厚的粒状过滤介质床层内部。适于较厚的粒状过滤介质床层内部。适于 处理颗粒小、含量少处理颗粒小、含量少( (固体体积分率在固体体积分率在 0.10.1以下以下) )的悬浮液。的悬浮液。 真正发挥作用的是过滤介质。真正发挥作用的是过滤介质。 化工中所处理的悬浮液浓度往往较化工中所处理的悬浮液浓度往往较 高。故本章只讨论饼层过滤。高。故本章只讨论饼层过滤。 过滤介质 过滤介质的作用是使清液通过，截留和支承滤饼。对其过滤介质的

21、作用是使清液通过，截留和支承滤饼。对其要求是：要求是： 1. 1.具有多孔性，孔道大小合适；具有多孔性，孔道大小合适； 2. 2.具有足够的机械强度和尽可能小的流动阻力；具有足够的机械强度和尽可能小的流动阻力； 3. 3.具有相应的耐腐蚀性、耐热性、抗老化性等。具有相应的耐腐蚀性、耐热性、抗老化性等。 工业上常用的过滤介质种类主要有：工业上常用的过滤介质种类主要有： (1)(1)织物介质织物介质( (滤布滤布) )：由棉、毛、丝、麻等天然纤维或尼纶、：由棉、毛、丝、麻等天然纤维或尼纶、聚氯乙烯纤维等合成纤维及玻璃丝、金属丝聚氯乙烯纤维等合成纤维及玻璃丝、金属丝( (CuCu、NiNi、不锈钢不锈钢) )等材料制成的网。被截留的最小颗粒直径等材料制成的网。被截留的最小颗粒直径5 56565mm，应用最广；应用最广； (2)(2)粒状介质粒状介质( (粒状介质粒状介质) )：由细而硬的粒状物质：由细而硬的粒状物质( (砂、木碳、硅砂、木碳、硅藻土、石绵、纤维球、碎石等藻土、石绵、纤维球、碎石等) )堆积而成。用于深床过滤堆积而成。用于深床过滤; ; (3)(3)多孔固体介质：多孔陶瓷、多孔塑料等具有细微孔道固体多孔固体介质：多