第3章 非均相物系的分离 2

第3章非均相物系的分离学习目的1.了解非均相物质分离的对象，依据2.掌握非均相物系的分离方法及工作原理3.熟悉非均相物系分离的典型设备及设备结构4.熟知非均相物系分离的过程，强化方法以及如何选用设备基本内容3.1概述3.2重力沉降3.3过滤3.4离心分离3.1概述

一、基本概念

1、化工生产上经常处理不同类型的混合物。按照相数这些混合物可分为均相物系和非均相物系两类。2、均相物系－－物系内部各处物料性质均匀，不存在相界面。如气体、液体。3、非均相物系－－物系内部有相界面，界面两侧物料性质截然不同。常见的非均相物系有：气固系统－－－(空气中的尘埃)液固系统－－－(液体中的固体颗粒)气液系统－－－(气体中的液滴)液液系统－－－(乳浊液中的微滴)等。基本概念

4、非均相物系中处于分散状态的物质如上述的尘埃、固体颗粒、气泡和微滴等统称为分散物质(或称分散相)，而非均相物系中包围着分散相而处于连续状态的流体如气体、液体称为分散介质(或称连续相)。二、非均相物系的分离

1、分离的依据

是连续相与分散相具有不同的物理性质(两相的密度、颗粒形状、尺寸有差异等)，故可用机械方法使两相产生相对运动而将两相分离。利用两相密度差进行分离时，必须使分散相与连续相间产生相对运动，故分离非均相物系的单元操作遵循流体流动的基本规律。2、操作方式根据两相相对运动方式不同，机械分离分为过滤和沉降。二、非均相物系的分离3、非均相物系的分离在工业中的应用主要有：（1）回收有用物质（分散相）；（2）净化分散介质（连续相；（3）除去废液、废气中的有害物质，满足环境保护的要求，确保安全生产。一、重力沉降速度依据重力作用而发生的沉降过程。在重力场中，借连续相与分散相的密度差异使两相分离的过程，称为重力沉降。一般用于分离气、固混合物和混悬液的分离。1、球形颗粒的自由沉降1）沉降速度若固体颗粒在沉降过程中，不受流体中其它颗粒的干扰及器壁的影响的沉降过程，称为自由沉降。如较稀的混悬液和含尘气体中的固体颗粒的沉降。3.2重力沉降根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为:p为颗粒密度u重力

Fg阻力

Fd浮力

Fb自由沉降假设的条件：①微粒是球形的；②沉降的微粒相距较远，互补干扰；③器壁对微粒的阻滞作用忽略，粒径不能小于2～3μm。当颗粒开始沉降的瞬间，u为零，阻力也为零，a为最大值；随着颗粒向下沉降，u逐渐增大，阻力随之增大，a逐渐减少；当u增到一定数值ut时，重力、阻力、浮力三者达到平衡状态，此时a=0，颗粒开始作匀速沉降运动。此时颗粒的速度称为沉降速度。此式为球形颗粒在重力作用下的自由沉降速度公式。2）阻力系数ζ阻力系数ζ是流体与颗粒相对运动时的雷诺数准Re的函数，即ζ=f(Re)阻力系数ζ与Re的关系由实验测定，结果如图3-2所示。图中曲线按Re值可分成三个区，即层流区，又称斯托克斯区2）阻力系数ζ(2)过渡区

2＜Re＜500

(3)湍流区

ζ=0.44500＜Re＜2×105对应各区沉降速度ut的计算公式如下：(1)层流区(2)过渡区

（3）湍流区

2.重力沉降设备（1）降尘室是利用重力沉降的作用从含尘气体重除去固体颗粒的设备。结构如图所示。多层隔板降尘室示意图

含尘气体粉尘隔板净化气体▲多层隔板降尘室能分离较细小的颗粒，并节省占地面积，一般可分离20μm以上的颗粒，但是排灰不方便。连续沉降槽3.3过滤

一、悬浮液的过滤（一）基本概念1、过滤就是在推动力作用下，使悬浮液中的液体通过多孔介质，将固体截留，从而使悬浮液得以分离的单元操作。2、滤浆——需要分离的液体非均相物系即所处理的悬浮液；（一）基本概念3、过滤介质——在过滤操作中起隔层作用的物质如多孔物质；4、滤渣——被截留在过滤介质上的固体颗粒5、滤液——过滤后的液体6、过滤推动力——可以是重力、离心力还可以是多孔物质上下游两侧的压差（多用）(1)过滤介质过滤介质的分类：织物介质(又称滤布)：由棉、毛、麻、丝等天然纤维及合成纤维制成的织物，以及玻璃丝、金属丝等织成的网。堆积介质：由各种固体颗粒（细砂、硅藻土等）堆积而成，多用于深床过滤。多孔固体介质：这类介质具有很多细微孔道，如多孔陶瓷、多孔塑料等。多用于含少量细微颗粒的悬浮液。（2）过滤的基本方式2、按过滤机理分①滤饼过滤悬浮液中的固体颗粒沉积在过滤介质表面上形成滤饼层，液体穿过滤饼层中空隙，此过滤过程称为滤饼过滤，又称为表面过滤。其特点是随着过滤时间的增长，滤饼层增厚，过滤阻力也随之增大。主要用于含固量较大（>1%）的场合。b.架桥现象“架桥”现象：如图，由于“架桥”现象的出现，才使过滤操作真正开始，故实际起过滤作用的是滤饼（滤渣）而非过滤介质。a.滤饼过滤（2）过滤的基本方式②深层过滤固体颗粒不形成滤饼，而是沉积在过滤介质内部的过滤操作称为深层过滤。深床过滤主要用于净化含固量很少的（<0.1%）流体，如水净化等。深层过滤二、过滤速率基本方程式1、过滤速率过滤速率：单位时间获得的滤液体积；m3/s定义式为：过滤速度：单位过滤面积上的过滤速率；m/s定义式为：二、过滤速率基本方程式2、滤液通过滤渣层的流动

过滤过程实际上是流体通过滤渣和过滤介质的流动过程，而这个过程中阻力主要集中在滤渣层中，因此我们主要考虑滤液通过滤渣层的流动问题。液体通过滤饼层为层流，其流速为：式中：u为滤液在滤饼层毛细孔道内的流速。l为滤饼层中毛细孔道的平均长度。d为滤饼层中毛细孔道的平均直径。（三）过滤设备

按操作方式分类：间歇过滤机、连续过滤机按操作压强差分类：压滤、吸滤和离心过滤工业上使用的典型过滤设备：板框压滤机（间歇操作）转筒真空过滤机（连续操作）过滤式离心机（一）、板框压滤机图

板框压滤机1―固定头；2―滤板；3―滤框；4―滤布；5―压紧装置

如果将非洗涤板编号为1、框为2、洗涤板为3，则板框的组合方式服从1—2—3—2——1—2—3之规律。组装之后的过滤和洗涤原理如图所示。110987654321817161514131112转筒及分配头的结构18格分成6个工作区1区(1~7格)：过滤区；2区(8~11格)：滤液吸干区；3区(12~14格)：洗涤区；4区(15格)：洗后吸干区；5区(16~17格)：吹松卸渣区；6区(18格)：滤布再生区。过滤区(1~2区)，f槽;洗涤区(3~4区)，g槽

;干燥卸渣区(5~6区)，h

槽;f槽动盘定盘h槽g槽几种过滤设备的比较3.4离心分离依靠离心力的作用，使流体中的颗粒产生沉降的运动，称为离心沉降。1、离心沉降速率和离心分离因数（1）离心沉降速率当流体围绕某一中心轴线作圆周运动时，便产生了惯性离心力。惯性离心场和重力场有所不同，重力场强度g基本上是常数，其方向指向地心。而离心场强度（离心加速度）随位置而改变，在与转轴距离为R，切向速度为uT的位置上。离心力随离心加速度的变化而变化，旋转速度↑，颗粒所受离心力↑，有利于分离。（1）离心沉降速率若离心沉降处于层流区，则阻力系数符合斯托克斯定律，将ξ代入则得：说明：ur称为离心沉降速率，方向径向向外。它并不是颗粒运动的绝对速度，而是径向分量，即颗粒离开旋转中心的速度。颗粒在旋转介质中的运动实际上是沿着半径逐渐增大的螺旋形轨道前进的。（2）离心分离因数离心分离因数是离心分离设备的重要性能参数。工程上将离心加速度与重力加速度之比称为离心分离因数。即：表明了离心沉降速率比重力沉降速率增大的倍数。Kc越高，其离心分离效果越高。例如：R＝0.4m，切向速率uT＝20m/s，求Kc=?结论：离心沉降比重力沉降分离效果好，高出102倍。能分离出更小的固体颗粒，且设备体积大为缩小。2、离心分离设备

利用惯性离心力的作用从气体中分离出固体颗粒或液滴的设备。(1)、旋风分离器的构造和操作外圆筒、内圆筒、锥形筒。h=D/2B=D/4D1=D/2H1=2DH2=2DS1=D/8D2≈D/4(1)、旋风分离器的构造和操作圆筒形上部和圆锥形下部组成，含尘气体从圆筒上侧的矩形进气管以15～20m/s的速度沿切线方向进入，颗粒受器壁的约束而形成一个向下作螺旋运动的外旋流,在离心力作用下，其中固体颗粒密度较大，所受离心力也大，被甩向外围且与器壁碰撞后失去动能滑落至锥底，与气流分离，由排灰口排出。旋风分离器的结构特点其结构简单，制造方便；分离效率高；操作不受温度、压力的限制，可用于高温含尘气体的分离。缺点是气体在器内流动阻力大，微粒对器壁有较严重的磨损。（2）旋风分离器的主要性能参数临界粒径、分离效率、压力降和气体处理量是旋风分离器的主要性能参数，是选型和操作控制的依据，也是评价旋风分离器性能好坏的主要指标。三足式离心机

离心过滤是藉旋转液体产生的径向压差作为过滤的推动力。离心过滤在各种间歇或连续操作的离心过滤机中进行。间歇