化工原理 非均相物质分离

第3章非均相物系的分离

3.1概述什么叫沉降？什么是过滤？在我国广大西部农村，农民不仅喝不上矿泉水、自来水，连大河的水也喝不上。水中含有许多泥沙，只好澄清后，才可用作饮用水和生活用水。泥沙在水中的澄清就是沉降。农民家里都有一个水缸，水缸就是一个沉降槽。清水沉降池滤药渣一般家庭里，吃中药是传统而有效的治病方法。熬完中药之后，总要将药渣滤去，才可以喝。滤药渣，就是一个过滤操作。这就是我们生活中的沉降和过滤。

自来水厂的主要流程

自来水厂水的净化分三步，第一步是絮凝过程，也可以叫反应过程。在流动中使水中的杂质颗粒絮凝长大；第二步是沉降。沉降池是使大颗粒得以除去。第三步是砂滤。砂滤池，进一步用900mm厚砂层，将小颗粒杂质滤去。

图中兰色粗管是来自黄浦江的原料水，条形池子是絮凝池，左侧池是沉降池。自来水厂全貌自来水厂沉降池

这是沉降池。图为絮凝之后的水，是从沉降池底部流入，到池子上部水已很清了。1.混合物的分类

均相物系（空气，N2、H2、O2…；）（下册讨论）混合物气态非均相物系空气+尘土非均相物系液态非均相物系水+尘土

分散相（分散物质）：处于分散状态的物质。

连续相（分散介质）：包围着分散物质而处于连续状态的流体。

在日常生活中，水泥厂上空总是粉尘飞扬，火力发电厂的烟囱时不时也是黑烟滚滚，这些就是污染环境的含粉尘气体。如何去除排放气体中的粉尘呢？这就是本章要解决的非均相物系分离的问题。

混合物的分离操作非均相均相筛分沉降过滤液体蒸馏气体吸收液液萃取非均相混合物的分离：如沉降与过滤等，对物系作功，利用混合物密度、尺寸等物性差异将其分离均相混合物的分离：加入热量和溶剂使其成为两相共存，利用混合物组分在两相中性质上的差异（如溶解度、挥发度等）使组分在相间转移，从而将其分离机械分离S-S（固相分隔），S-L（悬浮液），S-G（含尘气体）L-L（乳浊液），L-G（含雾气体），S-L-G（三相）传质分离2.非均相混合物的分离方法

沉降分离颗粒相对于流体(静止或运动)运动而实现悬浮物系分离的过程.在重力场中，颗粒自上而下运动称为重力沉降。在离心力场中，颗粒自旋转中心向外沿运动称为离心沉降。机械分离

过滤流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程.

湿法净制“洗涤”气体.

静电除尘高压直流电场中，带电粒子定向运动，聚集分离。

3.非均相混合物分离的目的

①收集分散物质--例如从结晶器排出的母液中分离出晶粒；②净化分散介质--例如除去含尘气体中的尘粒；③环境保护与安全生产--因此，非均相物系的分离，在工业生产中具有重要的意义。3.2颗粒及颗粒床层的特性3.2颗粒及颗粒床层的特性3.2.1颗粒的特性3.2.2颗粒床层的特性3.2.3流体通过床层流动的压降3.2.1颗粒的特性

1.单一颗粒特性（1）球形颗粒

球形粒子通常用直径(粒径)表示其大小.球形颗粒的体积V=πd3/6［m3］

球形颗粒的面积S=πd2［m2］

比表面积(单位体积颗粒具有的表面积)a=S/V=6/d［m2/m3］（2）非球形颗粒

当量直径de与形状系数φs

体积当量直径de

实际颗粒的体积等于球形颗粒的体积

(Vp=πde3/6

)

球形颗粒非球形颗粒形状系数(球形度)φs--表征颗粒的形状与球形的差异程度.φs=S/Sp

非球形颗粒Vp=πde3/6［m3］Sp=πde2/φs［m2］

ap=6/deφs［m2/m3］

2.颗粒群的特性非均一性粒子（多分散性粒子）--由大小不同的粒子组成的集体。单一性粒子（单分散性粒子）--具有同一粒径的颗粒。（1）粒度分布粒度分布不同粒径范围内所含粒子的个数或质量.筛分分析法:泰勒标准筛.筛过量:通过筛孔的颗粒量.筛余量:截留于筛面上的颗粒量.筛号(目数)：每英寸长度筛网上的筛孔数目。（2）颗粒的平均粒径平均比表面积直径di-1didi+1di+23.2.2颗粒床层的特性

1.床层空隙率:单位体积床层中的空隙体积表明：床层堆积的松散程度；

ε↑，空隙越大，床层越松散；

ε对流体流过床层的阻力影响很大。

②影响床层空隙率的因素（a）装填方法：干装湿装（b）颗粒特性的影响颗粒形状：靠壁面处：粒径分布：

2.床层的比表面ab:单位床层体积具有的颗粒表面积

3.床层的自由截面积（各向同性）床层截面上未被颗粒占据的,流体可自由通过的面积；特点:床层截面上可供流体通过的自由截面积(即空隙截面)与床层截面之比在数值上等于空隙率。3.2.3流体通过床层流动的压降

1.床层的简化模型简化模型:床层中不规则的通道假设成长度为L,当量直径为de的一组平行细管,并规定:(1)细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙体积；(2)细管的内表面积等于颗粒床层的全部表面积。2.流体通过床层压降的数学描述3.模型参数的实验测定

(1)康采尼(Kozeny)实验结果Reb<2(2)欧根(Ergun)实验结果0.17<Reb<330Reb<20,层流，第二项忽略Reb>1000,湍流，第一项忽略

沉降：重力沉降（重力场）；离心沉降（惯性离心力）流体－固体颗粒间的相对运动需要：①二者之间有密度差；②外力场，如重力场或离心力场。密度差越大，力场越强，沉降过程越有效。从固体粒子受力角度，沉降可以分为重力沉降与离心沉降。流体－固粒相对运动是流体力学的绕流问题，着眼点在固体颗粒。3.3沉降分离3.3.1重力沉降1.沉降速度（1）球形颗粒（表面光滑刚性球）的自由沉降

颗粒密度，直径d，流体密度ρ

重力浮力阻力

A—投影截面积A=πd2/4u—颗粒相对于流体的降落速度，m/s

Fg－Fb－Fd=ma（2）阻力系数10-4<Ret<1，层流区

Stokes斯托克斯定律区

1<Ret<103，过滤区

Allen艾伦定律区

103<Ret<2×105，湍流区

Nuwton牛顿定律区

（3）影响沉降速度的因素1.流体的黏度2.颗粒的体积分数颗粒体积分数<0.2%，Ut计算偏差<1%颗粒体积分数>0.2%和更高，干扰沉降（后续介绍）3.器壁效应:容器的壁面和底面增加颗粒沉降的曳力,颗粒的实际沉降速度小于自由沉降速度。

颗粒形状的影响:球形及近球形颗粒速度比球形颗粒快些

当量直径de：de是与一个颗粒体积相等的圆球的直径。

（4）沉降速度的计算试差法①假设服从Stokes定律，由值；

②由ut核算如果10-4<Ret<1，计算有效结束.如果Ret不在上述范围，重新假设.③假设服从艾仑定律，由，

按上述步骤试差,直至满足假设摩擦数群法（查图法）

①计算ut

②一定介质中具有某一沉降速度ut的颗粒直径d

③无因次数群K值判断流型当Ret=1时，K=2.62，斯托克斯区的上限K=2.62

艾仑区2.62＜K＜69.2

当Ret=1000时，K=69.6，牛顿区的下限K＞69.2

2.重力沉降设备（1）降尘室降尘室：气流中分离尘粒的设备。设：l—降尘室的长度，m；H—降尘室的高度，m；b—降尘室的宽度，m；u—气体通过的水平速度，m/s；Vs—降尘室的生产能力，m3/s；沉降时间：气流通过时间：满足降尘要求：气体水平速度：（2）多层降层室优点：结构简单，阻力小缺点：体积庞大，分离效率低，d＞50um颗粒可选用预除尘n层水平隔板的多层降层室的生产能力:沉降除尘室动画

烟道除尘动画湍球塔除尘动画（3）沉降槽沉降槽：提高悬浮液浓度并得到澄清液体的重力沉降设备、增浓器或澄清器。

（4）分级器连续沉降槽动画3.3.2离心沉降

ρs与ρ相差小离心沉降：依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程.粒径较细旋风分离器—气-固离心沉降旋液分离器或沉降离心机—液-固1.惯性离心力作用下的沉降速度球形颗粒在水平面上作曲率半径为r的旋转运动，颗粒受力：惯性离心力=颗粒在R处的切向速度，m/s；

向心力=为颗粒排开流体的质量，可视为颗粒在离心力场中所受的“浮力”；流体阻力=为颗粒在径向上的速度，m/s。如果颗粒所受各力达到平衡，则颗粒在径向上相对于流体的速度便是它在r位置处的离心沉降速度，即：讨论:①层流时:

②重力沉降uT，离心沉降ur

Kc=5～2500之间当旋转半径R=0.4m,切向速度uT=20m/sKc==102

离心沉降分离效果比重力沉降好。2.旋风分离器的操作原理

旋风分离器动画3.旋风分离器的性能

临界粒径dc主要性能指标分离效率压强降（1）临界粒径dc

定义：理论上在旋风分离器中能被完全分离下来的最小颗粒直径.dc的计算式

条件:①螺旋形运动—等速运动，切向速度等于进口气速ui；②颗粒向壁沉降时，必须穿过整个进气宽度B的气流层，方能到达壁面分离；③颗粒在层流情况下作自由沉降。令气流的有效旋转圏数为，器内运行距离则停留时间:

当，颗粒为理论上能被空气分离下来的最小粒径。—临界粒径，则

①②D，处理气量，旋风分离器并联使用。③标准旋风分离器=5（2）分离效率

粒级效率：颗粒尺寸范围分成n个小段，第i小段平均粒径为

C1，i进口气体第i小段颗粒的浓度，g/m3C2，i出口气体第i小段颗粒的浓度，g/m3

粒级效率曲线曲线曲线—标准旋风分离器

分割粒径：分离粒级效率恰好为50%的颗粒直径。

—粒径在i小段范围内的颗粒占全部颗粒的质量分率;—第i小段粒径范围内颗粒的粒级效率;

n—全部粒径被划分的段数.（3）压强降摩擦阻力—进气管、排气管、主体器壁压强降局部阻力—流动动能损失—气体旋转运动产生

—阻力系数；

—系数同一结构型式及尺寸比例；

=8标准旋风分离器；

=500～2000Pa=10～25m/s4.旋风分离器的结构型式及选用

（1）XLT/A型（2）XLP型（3）扩散式选用：含尘气体的体积流量要求达到的分离效率允许的压强降选用方法：Page164[例3-7]5.旋液分离器

结构工作原理

D2—出口、底流增浓液；

D1—出口、溢流清液或含微细颗粒的液体；结构特点直径D小，圆锥部分H长。文丘里除尘器动画静电除尘器动画沉降主要用于气-固分离，过滤则主要用于液-固分离。过滤是液-固分离操作。是在外力作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒则截留在介质上。介质可以是滤布或滤网。这就是过滤。通过了介质的液体称为滤液。截留在介质上的固体，形成了滤饼。过滤前的悬浮液称为滤浆。

过滤分为恒速过滤和恒压过滤。一般用得较多的是恒压过滤。其典型设备是板框过滤机，板框过滤机有批量生产。3.4过滤3.4.1过滤操作的基本概念过滤：液体通过颗粒床层的流动。过滤介质：多孔物质--滤布、滤纸。滤浆或料浆：处理的悬浮液。滤液：通过多孔通道的液体。可压缩滤饼滤饼：被截留的固体物质。不可压缩滤饼过滤操作的外力：重力、压强差、惯性离心力。1.过滤方式饼层过滤：架桥现象（固相含量高,固相体积分数1%以上）深床过滤：污水砂层过滤（固相含量低,固相体积分数0.1%以下）膜过滤:精密分离技术(微孔过滤和超滤).2.过滤介质

织物介质:滤布过滤介质堆积介质:细砂、石棉、硅藻土深床过滤多孔固体介质：陶瓷、多孔型料。3.滤饼的压缩性和助滤剂可压缩滤饼滤饼的压缩性不可压缩滤饼刚性颗粒助滤剂：预混或预涂的粒状物质化学稳定性不可压缩性筛孔的三种排列方式两种过滤方式3.4.2过滤基本方程式过滤基本方程式描述过滤速率(或过滤速度)与过滤推动力、过滤面积、料浆性质、介质特性及滤饼厚度等相互关系的数学表达式.分析滤液通过滤饼层流动的特点;数学方程式描述滤液的流动;本节要点:分析强化过滤操作的途径;过滤计算.1.滤液通过饼层的流动（1）滤液通过饼层流动的特点①滤液通道细小曲折，形成不规则的网状结构；②过滤进行，滤饼厚度增加，流动阻力加大，过滤属非稳态操作；③液固接触面大，滤液的流动大都在层流区．（2）滤液通过饼层流动的数学描述－－康采尼方程式

2.过滤速率和过滤速度单位时间通过单位过滤面积的滤液体积－－过滤速度m/s单位时间获得的滤液体积－－过滤速率[m3/s]

过滤速度是单位过滤面积上的过滤速率。

任一瞬时过滤速度

过滤速率为

式中Ｖ－滤液量，m3

Ａ－过滤面积，m2θ－过滤时间，s

康采尼方程式3.滤饼的阻力不可压缩滤饼，ε为常数；颗粒的形状与尺寸不变，a为常数．

r—反应颗粒的特性－比阻，[1/m2]

r比阻反映颗粒形状、尺寸及床层空隙率对滤液流动的影响。4.过滤介质的阻力

5.过滤的基本方程式—滤饼体积与相应的滤液体积之比，[m3/m3]不可压缩滤饼s=0,

恒压过滤过滤操作是在恒定压强下进行。过滤恒速过滤3.4.3恒压过滤①ΔP恒定，滤饼变厚，阻力增加,过滤速率降低;

恒压过滤②若为常数，—表现过滤物料特性的常数，m4/N.s或m2/Pa.s③恒压过滤k、A、s、Ve常数两式相加恒压过滤方程式讨论：①θe为虚拟过滤时间，θe与虚拟过滤体积Ve之间的关系；②过滤介质阻力可