第三章非均相混合物的分离3.1

第三章非均相混合物的分离物系内各处均匀，不存在相界面的混合物。如：溶液、混合气体分离方法：蒸馏：分离苯-甲苯混合溶液吸收：含有氨气的混合空气萃取：芳烃和非芳烃的分离结晶：盐水中提取固体盐一、混合物的分类1.均相混合物（物系）2.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的物系，有多个相界面。分散相（分散物质）：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、炼厂污水中的油滴）等。连续相（连续介质）：包围分散相而处于连续状态的物质。根据连续相状态的不同，非均相混合物又可分为两种类型：（1）气态非均相混合物：如含尘气体、含雾气体等；（2）液态非均相混合物：如悬浮液、乳浊液、泡沫液等。一、混合物的分类非均相物系分离的基本方法沉降：颗粒相对于流体的运动。重力沉降、离心沉降。过滤：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。二、非均相混合物的分离1）净化气体或液体。eg：原油脱水。2）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，循环应用。3）环境保护和安全生产。eg：工业“三废”的处理。2.非均相物系分离的目的二、非均相混合物的分离沉降是在外力作用下使颗粒相对于流体(静止或运动)运动而实现分离的过程。重力沉降：分离颗粒较大的物质按实现沉降的操作力不同3.1 沉降离心沉降：分离颗粒较小的物质3.1.1 重力沉降重力沉降是依据重力作用而发生的沉降过程。一般用于气-固混合物和悬浮液的分离。它是利用混合物中的分散相（固体颗粒）的密度大于连续相的密度而使颗粒沉降达到分离。重力：颗粒沉降过程受力阻力：浮力：阻力Fd3.1.1 重力沉降一、重力沉降速度ut（球形颗粒的自由沉降）合力：F合=重力-浮力阻力=ma对于一定的流体和颗粒，重力和浮力是恒定的，而阻力却随颗粒的降落速度而变。3.1.1 重力沉降颗粒的自由沉降速度：即加速终了时颗粒相对于流体的速度，又称终端速度ut等速沉降:加速沉降:时间非常短，可以忽略。合外力为0。如何求解阻力系数ξ3.1.1 重力沉降它们之间的关系通过实验测得图二、阻力系数ξ根据因次分析法可知:层流区过渡区湍流区颗粒沉降的阻力系数与雷诺数的关系a.当0.0001<Ret<1.0时）——层流区或斯托克斯区b.当1≤Ret≤1000时——过渡区或艾伦区对球形颗粒的曲线，按Ret可大致分为几个区，各区都有相应的关系式表达:c.当1000≤Ret≤2×105时——湍流区或牛顿区二、阻力系数ξ三、沉降速度的计算1.给定介质中颗粒的沉降速度ut的计算(已知d)试差法：先假设沉降属于某一流型（如层流）核对Re是否在原设的范围内是否ut有效按算出Re的另选流型，并改用相应公式计算ut，直到按求得的ut算出的Re与所选公式的Re值范围相符为止2.给定介质中颗粒粒径

d的计算(已知ut）试差法：先假设沉降属于某一流型（如层流）核对Re是否在原设的范围内是否d有效按算出Re的另选流型，并改用相应公式计算d

，直到按求得的d

算出的Re与所选公式的Re值范围相符为止根据非均相混合物的种类不同，主要有降尘室和沉降槽。降尘室—重力降尘室

3.1.2典型重力沉降设备及设计计算含尘气体净化气体颗粒降尘室操作示意图1.降尘室的设计计算b1.降尘室的设计计算θ

≥θt，则表明该颗粒能在降尘室中除去。θ

=

θt，则表明该颗粒刚好能完全除去。θ<θt，则表明该颗粒不能除去。b分离条件：沉降时间≤气流平均停留时间1.降尘室的设计计算1）颗粒沉降速度ut越大（即粒径越粗或密度越大），则相同的沉降室生产能力qv越大。2）对于一定体积（容积）的沉降室，其生产能力qV与沉降面积bL成正比，而与沉降室高度H无关（浅池原理）。因此，降尘室多制成扁平型或多层。结论1.降尘室的设计计算若降尘室内设置n层水平隔板，则多层降尘室的生产能力变为：1.降尘室的设计计算清洁气流含尘气流挡板隔板H↓时，根据

①若u不变，则L↓，生产能力qV=Lbut↓；为保证生产能力不变，必须b↑；降尘室变得短而宽，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不均匀造成分离能力下降；所以在降尘室的前后均有渐缩和渐扩装置；问题：降尘室生产能力与设备高度无关，那么降尘室的高度是否越小越好呢？H↓时，根据

②若L不变，u↑，生产能力不变；若流速太大，则沉降后的颗粒被重新扬起，分离效率↓，故应保证气体流动维持层流状态，一般u<3m/s，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，那么降尘室的高度是否越小越好呢？25/17重力沉降设备3.3 离心沉降分离离心沉降：依靠惯性离心力的作用实现沉降的过程。适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。离心沉降效率较重力沉降效率高。离心沉降气固非均相物质液固悬浮物系旋风分离器旋液分离器或离心机离心力场中颗粒的受力平衡分析：惯性离心力：颗粒受流体浮力：沉降阻力：离心沉降速度在等速沉降过程：r1r2ArCBuruut颗粒在旋转流体中的运动平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度ur便是它在此位置上的离心沉降速度。采用离心沉降的颗粒较小，颗粒沉降一般处于层流区，则

1.旋风分离器旋风分离器中一般进行的是气-固非均相物系的离心分离。由于在离心场中颗粒可以获得比重力大得多的离心力。因此,对两相密度相差较小或颗粒粒度较细的非均相物系，利用离心沉降分离要比重力沉降有效得多。

（1）结构与工作原理

含尘气体以较高的线速度切向进入器内，在外筒与排气管之间形成旋转向下的外螺旋流场，到达锥底后以相同的旋向折转向上形成内螺旋流场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向抛出，在重力作用下沿壁面下落到排灰口被排出。进气口形状：矩形尺寸：进口管h、B；圆柱筒直径D(主要尺寸)；排气口直径D1。进气排气出灰口旋风分离器示意图B

①临界粒径dc—理论上能被完全分离下来的最小颗粒。旋风分离器能够分离出的颗粒大小是它的主要性能之一。评价指标总效率粒级效率分离效果压强降临界粒径分离效率2.旋风分离器性能计算公式推导的假设：a、颗粒与气体在旋风分离器内的切线速度ut恒定，与所在位置无关，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B；

c、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停留时间。①临界粒径dc停留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。临界粒径：当沉降时间与停留时间相等时所能完全分离的颗粒直径为最小直径。

设：气体旋转圈数N（标准旋风分离器可取N=5），则气流运行距离：离心沉降时间：

径向速度旋转半径的平均值停留时间：离心沉降时间：

——临界粒径（能完全分离的颗粒直径为最小直径）。

在标准旋风器中N=5，一般N=3~8标准旋风分离器：尺寸间关系：讨论：1）ui↑，dc↓，效率↑，但阻力↑；旋风分离器的进口气速应适当选择，不宜太高也不宜太低。2）保持进口气速度ui不变，若气体处理量qv

↑，B↑，dc↑，效率↓；因此，当气体处理量很大时，常将若干个小的旋风分离器并联使用，以维持较高的分离效率。临界粒径②分离效率——总效率、粒级效率

含尘气体中所有颗粒经分离器后被分离出的质量百分数η0

，称为总效率。含尘气体中某一粒径的颗粒经分离器后被分离出的质量百分数ηpi

，称为粒级效率:旋风分离器的分类PV型粗旋风分离器PV型外置旋风分离器PV型单级旋风分离器PV型一、二级旋风分离器为长岭炼油化工有限公司制造的旋风分离器在预组装为九江石油化工厂制造的旋风分离器在预组装为上海氯碱股份有限公司制造的氧氯化反应旋风分离器在