非均相物系的分离

1、化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4非均相物系的分离非均相物系的分离化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4学习目标学习目标1了解：了解：非均相物非均相物系分离的主要方系分离的主要方法、分离过程、法、分离过程、主要特点与工业主要特点与工业应用；常见重力应用；常见重力沉降设备、离心沉降设备、离心沉降设备及过滤沉降设备及过滤设备的结构特点设备的结构特点与用途；与用途；3掌握：掌握：非均非均相物系分离相物系分离方法的选择。方法的选择。2理解：理解：影响沉降、影响沉降、过滤的主要因素；过滤的主要因素；离心沉降相对于离心沉降相对于重力沉降的优势；重力沉降的优势；重力沉降设备做重力

2、沉降设备做成多层的依据。成多层的依据。化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4能力目标能力目标v通过本章的学习，掌握非均相物系分离通过本章的学习，掌握非均相物系分离的原理和主要方法，能够进行非均相物的原理和主要方法，能够进行非均相物系分离的主要方法的选择和设备的操作、系分离的主要方法的选择和设备的操作、控制及事故分析处理。控制及事故分析处理。化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-40 0 概述概述在化工生产在化工生产中、日常生中、日常生活中什么时活中什么时候能遇到均候能遇到均相混合物和相混合物和非均相混合非均相混合物？物？思考：思考：它们在化工它们在化工生产中有哪生产中有哪

3、些应用？又些应用？又是如何把它是如何把它们分离的呢？们分离的呢？化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4图图4-14-1 抽滤装置抽滤装置化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4图图4-24-2板框压滤机板框压滤机化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4图图4-3 4-3 锅炉排尘排气过程锅炉排尘排气过程化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4图图2-4降尘室降尘室化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4思考：思考：一、什么是一、什么是均相（混合）物和非均相（混合）物？均相（混合）物和非均相（混合）物？ 指不同组分的物质指不同组分的物质混合形成

4、一个相的物系。混合形成一个相的物系。如不同组分的气体组成如不同组分的气体组成的混合气体、能相互溶的混合气体、能相互溶解的液体组成的各种溶解的液体组成的各种溶液、气体溶解于液体得液、气体溶解于液体得到的溶液等等。到的溶液等等。 指存在两个（或两指存在两个（或两个以上）相的混合物个以上）相的混合物. .如雾（气相液相）、如雾（气相液相）、烟尘（气相固相）、烟尘（气相固相）、悬浮液（液相固悬浮液（液相固相）、乳浊液（两种相）、乳浊液（两种不同的液相）等等。不同的液相）等等。化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-41.1.分散相分散相 非均相物系中处于非均相物系中处于分散状态的物质。分散状态

5、的物质。例如气体中的尘粒、悬例如气体中的尘粒、悬浮液中的颗粒、乳浊液浮液中的颗粒、乳浊液中的液滴，统称为分散中的液滴，统称为分散物质或者分散相。物质或者分散相。化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-42.2.连续相连续相 非均相物系中处于连续非均相物系中处于连续状态的物质。状态的物质。例如气态非均相物系中的气例如气态非均相物系中的气体、液态非均相物系中的连体、液态非均相物系中的连续液体，统称为分散介质或续液体，统称为分散介质或连续相。连续相。思考：雾和泡沫的区别？思考：雾和泡沫的区别？化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4v图图4-4 4-4 雾天雾天化学工业出版社化学工

6、业出版社 n 2022-6-4v图图4-44-4泡沫泡沫化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4二、案例分析：二、案例分析：v图图4-14-1为实验室为实验室分离液固分离液固体体系，最为常系，最为常用的减压抽滤装置。用的减压抽滤装置。v 从悬浮液（液从悬浮液（液- -固混合物）中分离固混合物）中分离出固体颗粒，在外力的作用下，悬浮出固体颗粒，在外力的作用下，悬浮液中的液体通过多孔介质的孔道而固液中的液体通过多孔介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固、液体颗粒被截留下来，从而实现固、液分离。得到我们所需的产品或溶液。分离。得到我们所需的产品或溶液。化学工业出版社化学工业出版社 n

7、2022-6-4v图图4-24-2是板框式压滤机，是板框式压滤机，广泛适用于石广泛适用于石油、化工、石材、陶瓷、冶金、染料、油、化工、石材、陶瓷、冶金、染料、洗煤、制药、造纸、食品、和环保等洗煤、制药、造纸、食品、和环保等污水处理行业。污水处理行业。它是它是分离液固混合物分离液固混合物的常用设备。的常用设备。 v例如染料生产。例如染料生产。化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4v图图4-34-3，煤和脱硫剂被送入炉膛后，着，煤和脱硫剂被送入炉膛后，着火燃烧。物料在炉膛内呈流态化沸腾火燃烧。物料在炉膛内呈流态化沸腾燃烧。大颗粒物料燃烧。大颗粒物料在重力及其他外力在重力及其他外力作用下

8、作用下 ，在气固分离装置在气固分离装置中被收集并中被收集并通过返料装置送回炉膛循环燃烧直至通过返料装置送回炉膛循环燃烧直至燃尽。未被分离的极细粒子随烟气进燃尽。未被分离的极细粒子随烟气进入尾部烟道，进一步对受热面、空气入尾部烟道，进一步对受热面、空气预热器等放热冷却，经预热器等放热冷却，经除尘器除尘器后，由后，由引风机送入烟囱排入大气。引风机送入烟囱排入大气。 化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4v图图4-4为降尘室，是利用重力沉降从气流中为降尘室，是利用重力沉降从气流中分离尘粒最简易的方法。只适用于分离粗分离尘粒最简易的方法。只适用于分离粗颗粒，或作为预分离的设备。颗粒，或作为

9、预分离的设备。v如果需要处理的气量很大，其中颗粒较粗，如果需要处理的气量很大，其中颗粒较粗，而且容易磨损设备，则采用降沉室是合理而且容易磨损设备，则采用降沉室是合理的。的。v例如图例如图4-3中从炉气中分离尘粒，可以先经中从炉气中分离尘粒，可以先经过降尘室除去大部分粗颗粒，然后再进入过降尘室除去大部分粗颗粒，然后再进入较为高效的除尘设备（如旋风分离器）进较为高效的除尘设备（如旋风分离器）进一步降低含尘量。一步降低含尘量。化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4三、非均相物系的分离在生产中的主要作用三、非均相物系的分离在生产中的主要作用 满足对满足对连续相连续相或分散或分散相进一相进一

10、步加工步加工的需要。的需要。 回收有回收有价值的价值的 物质物质 除去除去对下一对下一道工序道工序有害的有害的物质物质。 保障安保障安全健康全健康和环保和环保。化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4四、非均相系分离的方法四、非均相系分离的方法四种方法四种方法机械方法机械方法沉降分沉降分离法离法过滤分过滤分离法离法静电分静电分离法离法湿洗分湿洗分离法离法化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4（1 1）沉降分离法）沉降分离法 沉降分离法是沉降分离法是利用连续相与分散相利用连续相与分散相的密度差异的密度差异，借助某种机械力的作，借助某种机械力的作用，使颗粒和流体发生用，使颗粒

11、和流体发生相对运动相对运动而而得以分离。根据机械力的不同，可得以分离。根据机械力的不同，可分为重力沉降、离心沉降和惯性沉分为重力沉降、离心沉降和惯性沉降。降。化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4（2 2） 过滤分离法过滤分离法过滤分离法是利用过滤分离法是利用两相对多孔介两相对多孔介质穿透性的差异，质穿透性的差异，在某种推动在某种推动力的作用下，使非均相物系得力的作用下，使非均相物系得以分离。根据推动力的不同，以分离。根据推动力的不同，可分为重力过滤、加压（或真可分为重力过滤、加压（或真空）过滤和离心过滤。空）过滤和离心过滤。化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4（3

12、3） 静电分离法静电分离法 静电分离法是静电分离法是利用两相带电性利用两相带电性的差异的差异，借助于电场的作用，借助于电场的作用，使两相得以分离。属于此类的使两相得以分离。属于此类的操作有电除尘、电除雾等。操作有电除尘、电除雾等。化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4（4 4） 湿洗分离法湿洗分离法 湿洗分离法是湿洗分离法是使气固混合物穿使气固混合物穿过液体，过液体，固体颗粒粘附于液体固体颗粒粘附于液体而被分离出来。工业上常用的而被分离出来。工业上常用的此类分离设备有泡沫除尘器、此类分离设备有泡沫除尘器、湍球塔、文氏管洗涤器等。湍球塔、文氏管洗涤器等。化学工业出版社化学工业出版社

13、n 2022-6-41 1 重力沉降及设备重力沉降及设备沉降沉降: :借助于某种外力作用借助于某种外力作用, ,使密使密度不同的两相发生相对运动度不同的两相发生相对运动, ,从从而实现分离的操作而实现分离的操作. .重力沉降重力沉降: :在重力作用下使流体在重力作用下使流体与颗粒之间发生相对运动而得与颗粒之间发生相对运动而得以分离的操作以分离的操作 . .化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4实现沉降的实现沉降的先决条件先决条件是分散相和是分散相和连续相之间存在着密度差。连续相之间存在着密度差。重力沉降重力沉降适用适用于分离较大的固体于分离较大的固体颗粒。颗粒。分为分为: :自由沉

14、降和干扰沉降自由沉降和干扰沉降化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4在沉降系统中，颗粒之间的距离足在沉降系统中，颗粒之间的距离足够大，任一颗粒的沉降不因它颗粒存在够大，任一颗粒的沉降不因它颗粒存在而受到干扰，同时又可忽略器壁面的影而受到干扰，同时又可忽略器壁面的影响，则称为响，则称为自由沉降自由沉降。反之则称为干扰沉降或受阻沉降。反之则称为干扰沉降或受阻沉降。液态非均相物系中，当分散相浓度较高液态非均相物系中，当分散相浓度较高时，往往发生时，往往发生干扰沉降干扰沉降。 化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4流体与粒子间相对运动的三种情况流体与粒子间相对运动的三种情况流体

15、静止，颗粒作沉降或浮升运动；流体静止，颗粒作沉降或浮升运动；颗粒静止，流体对颗粒作绕流；颗粒静止，流体对颗粒作绕流；流体和颗粒都运动，但在重力场中二流体和颗粒都运动，但在重力场中二者保持一定的相对运动速度。者保持一定的相对运动速度。化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4一、重力作用下的沉降速度一、重力作用下的沉降速度颗粒在流体中降落，受到重力、流颗粒在流体中降落，受到重力、流体浮力以及摩擦阻力的共同作用。体浮力以及摩擦阻力的共同作用。颗粒下降时先加速，短时间内受力颗粒下降时先加速，短时间内受力达到平衡，速度不变。这个不变的降落达到平衡，速度不变。这个不变的降落速度就是颗粒的沉降速度

16、速度就是颗粒的沉降速度u ut t。对于自由对于自由沉降，则称为沉降，则称为自由沉降速度自由沉降速度。 化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4分析颗粒的沉降过程分析颗粒的沉降过程假设：颗粒是球形；假设：颗粒是球形；沉降的颗粒相距较远，互不干扰；沉降的颗粒相距较远，互不干扰；容器壁对颗粒的阻滞作用可以忽略容器壁对颗粒的阻滞作用可以忽略若容器的直径小若容器的直径小于于100100倍的颗粒倍的颗粒直径，这种作用直径，这种作用的影响便出现的影响便出现颗粒直径不能小于颗粒直径不能小于2 23m3m否则颗粒受到流否则颗粒受到流体分子运动的影体分子运动的影响，严重时，甚响，严重时，甚至不能沉降至

17、不能沉降球形颗粒球形颗粒化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4如图所示，在垂直方向上，如图所示，在垂直方向上，颗粒将受到颗粒将受到3 3个力的作用，个力的作用，即向下的重力即向下的重力F Fg g，向上的，向上的浮力浮力F Fb b和与颗粒运动方向和与颗粒运动方向相反的阻力相反的阻力F Fd d。对于一定。对于一定的颗粒与流体，重力、浮的颗粒与流体，重力、浮力恒定不变，阻力则随颗力恒定不变，阻力则随颗粒的降落速度而变。三个粒的降落速度而变。三个力的大小为力的大小为: : 化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4当前面的假设成立时，则它所遇到当前面的假设成立时，则它所遇到的

18、流体阻力的流体阻力F Fd d可用阻力公式求得，即可用阻力公式求得，即N22uAFd化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4：阻力系数；：阻力系数；A A：球形粒子在与沉降方向垂直的平面上：球形粒子在与沉降方向垂直的平面上的投影，等于的投影，等于dd2 2/4/4，m m；d:d:粒子的直径，粒子的直径，m m；:为流体介质的密度，为流体介质的密度，kg/mkg/m3 3；u:u:为沉降过程中粒子与介质之间的相对为沉降过程中粒子与介质之间的相对运动速度，运动速度，m/sm/s。化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4又设又设s s为球形粒子的密度（为球形粒子的密度（kg/m

19、kg/m3 3），），则粒子受到的重力则粒子受到的重力F Fg g为为: : NgdmgFgs3P6化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4此球形粒子在介质中受到的浮此球形粒子在介质中受到的浮力力F Fb b为为: : NgdFPb36化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4根据牛顿第二定律根据牛顿第二定律F Fg gF Fb bF Fd dma Nma N式中，式中，m m为粒子的质量，为粒子的质量，a a为为粒子降落时的加速度。粒子降落时的加速度。化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4当微粒作等速沉降时，当微粒作等速沉降时，a a0 0，即，即F Fg gF

20、 Fb b F Fd d0 0，亦即，亦即整理得：整理得： m/sm/s 02466223s3Pudgdgd化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4式中的式中的称为粒子与流体相对运称为粒子与流体相对运动的阻力系数。在计算动的阻力系数。在计算u ut t时，关键时，关键在于确定阻力系数在于确定阻力系数。是雷诺准是雷诺准数数ReRe的函数的函数, f(Ret)。其值由实其值由实验确定。验确定。 化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4沉降速度不仅与雷诺数有关，还与颗粒沉降速度不仅与雷诺数有关，还与颗粒的球形度有关。的球形度有关。 为了计算方便，引入为了计算方便，引入球形度系数球

21、形度系数s s . .球形颗粒：球形颗粒： 颗粒的表面积粒的表面积与颗粒等体积的球形颗球形度s1s化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4对于非球形颗粒，计算雷诺数时，应以对于非球形颗粒，计算雷诺数时，应以当量直径当量直径d de e（与实际颗粒具有相同体积（与实际颗粒具有相同体积的球形颗粒的直径）代替的球形颗粒的直径）代替d d，d de e的计算的计算式为式为: :式中式中 V Vp p实际颗粒的体积，实际颗粒的体积，m m3 3。3pe6Vd 化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4下图表达了由实验测得的不同下图表达了由实验测得的不同s s下下与与R Re et t的

22、关系。的关系。化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4为了方便计算，为了方便计算，和和ReRe的关系，也可用公式表示：的关系，也可用公式表示：24Re0.618.5Re0.440.44层流区层流区 1010-4-4RRetet2 2 过渡区过渡区 2 R2 Retet10103 3湍流区湍流区 10103 3RRetet2210105 5化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-41.1.层流区域的沉降层流区域的沉降 m/sm/s由上式可见：固体粒子的沉降速度，由上式可见：固体粒子的沉降速度，与粒子和流体的密度差成正比，而与与粒子和流体的密度差成正比，而与流体的粘度成反比。流体

23、的粘度成反比。此式称为此式称为斯托克斯定律斯托克斯定律。化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-42.2.过渡流区域的沉降过渡流区域的沉降m/sm/s此式称为阿伦定律。此式称为阿伦定律。化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-43.3.湍流区域的沉降湍流区域的沉降此式称为牛顿定律。此式称为牛顿定律。m/s化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-44.u4.ut t的计算步骤的计算步骤首先要判断流动类型，然后确定使首先要判断流动类型，然后确定使用哪一个计算式。用哪一个计算式。因为因为与与ReRe值有关，而值有关，而ReRe值又由值又由u ut t值确定，所以要用试差法。值

24、确定，所以要用试差法。 化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4考虑到所处理的微粒一般都很小，可先考虑到所处理的微粒一般都很小，可先假设沉降属于层流区域，直接采用假设沉降属于层流区域，直接采用 算出算出u ut t，然后把算出的，然后把算出的u ut t值代入值代入如果检验不符，再假设其他区域如果检验不符，再假设其他区域进行计算，然后再用进行计算，然后再用ReRe值验算。值验算。检验检验R Re e是否小于是否小于1 1。tduR e化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4注意注意上述计算上述计算和和u ut t的公式都是根据光的公式都是根据光滑球形粒子的沉降实验结果得出的

25、。实滑球形粒子的沉降实验结果得出的。实际上，悬浮的粒子多不是球形，也不一际上，悬浮的粒子多不是球形，也不一定光滑。因此，阻力系数一般比按上述定光滑。因此，阻力系数一般比按上述公式算出的值要大，沉降速度要比计算公式算出的值要大，沉降速度要比计算值小。值小。思考：沉降区域的划分与管流过程思考：沉降区域的划分与管流过程有何不同？为什么？有何不同？为什么？ 化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4颗粒含量颗粒含量颗粒形状颗粒形状颗粒大小颗粒大小流体性质流体性质流体流动流体流动器壁影响器壁影响二、实际沉降的影响因素二、实际沉降的影响因素颗粒含量颗粒含量较大，使较大，使颗粒的沉颗粒的沉降速度较降

26、速度较自由沉自由沉降时小。降时小。对于同种对于同种颗粒，球颗粒，球形颗粒的形颗粒的沉降速度沉降速度要大于非要大于非球形颗粒球形颗粒沉降速度沉降速度 其它条其它条件相同件相同时，粒径时，粒径越大，沉越大，沉降速度越降速度越大，越容大，越容易分离。易分离。流体与颗流体与颗粒的密度粒的密度差越大，差越大，沉降速度沉降速度越大；流越大；流体粘度越体粘度越大，沉降大，沉降速度越小速度越小对颗粒沉对颗粒沉降产生干降产生干扰，为减扰，为减少干扰，少干扰，要控制流要控制流体流动处体流动处于稳定的于稳定的低速低速摩擦干扰摩擦干扰使颗粒的使颗粒的沉降速度沉降速度下降；吸下降；吸附干扰，附干扰，使颗粒沉使颗粒沉降距

27、离降距离缩短。缩短。化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4三、重力沉降设备三、重力沉降设备1.1.降尘室降尘室 凭借重力沉降以除去气体凭借重力沉降以除去气体中的尘粒的设备称为降尘室中的尘粒的设备称为降尘室（或除尘室）。（或除尘室）。化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4除尘原理除尘原理气体从除尘室入口流向出口的气体从除尘室入口流向出口的过程中，气体中的颗粒随气体向出过程中，气体中的颗粒随气体向出口流动，同时向下沉降。如果颗粒口流动，同时向下沉降。如果颗粒在抵达除尘室出口前已经沉到室底在抵达除尘室出口前已经沉到室底而落入集尘斗中，则颗粒从气体中而落入集尘斗中，则颗粒从气体

28、中分出，否则颗粒将被气体带出。分出，否则颗粒将被气体带出。 化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4除尘条件除尘条件q qV Vuut tLBLB 化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4停留时间停留时间 ：沉降时间沉降时间 ： 至少至少 所以：所以： （降尘室的设计原理）（降尘室的设计原理）整理，得整理，得 即即 VrqAHttuHtrtr化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4v由上式可知，降尘室的生产能由上式可知，降尘室的生产能力（达到一定沉降要求单位时力（达到一定沉降要求单位时间所能处理的含尘气体量）间所能

29、处理的含尘气体量）只只取决于取决于降尘室的降尘室的沉降面积沉降面积（BLBL），而），而与其高度（与其高度（H H）无关）无关。化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4v因此，降尘室一般都因此，降尘室一般都设计成扁设计成扁平形状，或设置多层水平隔板平形状，或设置多层水平隔板称为多层降尘室。但必须注意称为多层降尘室。但必须注意控制气流的速度不能过大，一控制气流的速度不能过大，一般应使气流速度般应使气流速度1.5m/s1.5m/s，以免，以免干扰颗粒的沉降或将已沉降的干扰颗粒的沉降或将已沉降的尘粒重新卷起。尘粒重新卷起。 化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4v降尘室的特点：

30、降尘室的特点：v结构简单，结构简单，v但设备庞大、效率低。但设备庞大、效率低。v只适用于分离粗颗粒只适用于分离粗颗粒直径直径50m以上的颗粒。或作为预以上的颗粒。或作为预分离设备。分离设备。化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4例题分析例题分析采用除尘室除去矿石焙烧炉出口的炉气中含采用除尘室除去矿石焙烧炉出口的炉气中含有的粉尘。在操作条件下炉气流量为有的粉尘。在操作条件下炉气流量为25000m25000m3 3/h/h，密度为密度为0.6kg/m0.6kg/m3 3，粘度为粘度为2 21010-5-5PaPas s，其中氧，其中氧化

31、铁粉尘的密度为化铁粉尘的密度为4500kg/m4500kg/m3 3，要求全部除掉直径，要求全部除掉直径大于大于100m100m的粉尘，试计算：的粉尘，试计算：（1 1）所需除尘室的尺寸）所需除尘室的尺寸（2 2）用上述计算确定的除尘室，要求讲炉气）用上述计算确定的除尘室，要求讲炉气中直径为中直径为75m75m的尘粒完全除掉，炉气的最大允许的尘粒完全除掉，炉气的最大允许处理量为多少？处理量为多少？（本题可以认为（本题可以认为Re2Re2为层流）为层流）化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-42.2.沉降器沉降器处理悬浮液的重力沉降设备，处理悬浮液的重力沉降设备，称为称为沉降器或增浓器。沉降器或增浓器。沉降器可分为间歇式、半连沉降器可分为间歇式、半连续式和续式和连续式连续式三种。三种。化学工业出版社化学工业出版社 n 2022-6-4v连续沉降槽连续沉降槽 沉降槽又