非均相物系的分离

第三章：非均相物系的分离本章学习指导1本章学习目的通过本章的学习，要重点掌握沉降和过滤这两种机械分离操作的原理、过程计算、典型设备的结构与特性，能够根据生产工艺要求，合理选择设备类型和尺寸。2

本章应掌握的内容

a

沉降分离（包括重力沉降和离心沉降）的原理、过程计算、旋风分离器的选型。

b

过滤操作的原理、过滤基本方程式推导的思路，恒压过滤的计算、过滤常数的测定。1）重力沉降：微粒借本身的重力在介质中沉降而获得分离。2）离心分离：利用微粒所受离心力的作用将其从介质中分离。亦称离心沉降。此法适用于较细的微粒悬浮体系。3）过滤：使悬浮体系通过过滤介质，将微粒截留在过滤介质上而获得分离。4）湿法净制：使气相中含有的微粒与水充分接触而将微粒除去。5）电除尘：使悬浮在气相中的微粒在高压电场内沉降。概述

常用分离方法：

重力沉降一、颗粒的特性1．直径（大小）(1)

球形颗粒

—比表面积，（2）非球形颗粒令

则—（体积）当量直径1．形状系数（形状）(1)

定义形状系数（球形度）：颗粒当量表面积与其实际表面积之比，即(1)

球形颗粒(2)

非球形颗粒二、颗粒群的特性1．粒度分布（粒径分布）(1)

定义：不同粒径范围内所含粒子的个数或质量测定方法标准筛法，透射电镜法，2．平均粒径以球形颗粒为例，则

流体以一定的速度绕过静止颗粒时，或者固体颗粒在静止流体中移动时，流体对颗粒的作用力——阻力Fd

A—颗粒在运动方向上的投影，dp2u—相对运动速度—阻力系数，=（Re）=（dpu/）（实验测定）层流区：Re2， =24/Re ──Stokes区过渡区：Re=2—500，

──Allen区湍流区：Re=500--2105， ≌0.44 ──Newton区沉降

颗粒和流体相对运动时所受到的阻力

：重力沉降球形颗粒的自由沉降

：自由沉降──对于单一颗粒在流体中的沉降或者颗粒群充分地分散、颗粒间互不影响，不致引起相互碰撞的沉降过程。1．加速阶段——沉降开始时，颗粒初速度为零， 颗粒受重力和浮力的作用，合力不为零， 产生加速度。2．匀速阶段——随着速度加快，阻力增加，当合力为零时，颗粒将发生匀速运动，匀速阶段中颗粒相对于流体的运动速度称为沉降速度ut.重力沉降球形颗粒的自由沉降

：重力：浮力：阻力：

整理后得：在du/dt=0，u=ut

由牛顿第二定理F=ma

Fg-Fb-Fd=mdu/dt

FbFdFg重力沉降球形颗粒的自由沉降

：=（Re），将不同的带入ut，可得各种流动状态下的ut的计算式：

层流区：Re2，过渡区：Re=2—500，湍流区：Re=500--2105，可见： ut=f（dp，p，），dp，p↑，ut↑

↑，ut↓（层流区，过渡区）重力沉降球形颗粒的自由沉降

：适合范围：光滑的球形颗粒。影响沉降速度ut的因素：1〉颗粒形状，偏离球形约大，阻力越大；通过沉降速度用沉降速度计算公式来求出当量球径;2〉颗粒浓度不太高<0.2%，假设自由沉降<1%.3〉壁面效应，沉降速度较自由沉降速度小；4〉分子运动，d<2~3µm5〉液滴和气泡的变形6〉其它，如颗粒p不均匀。重力沉降气体降尘设备：用于分离大颗粒尘LHWutuVs在降尘室中，颗粒停留时间=L/u

沉降时间=H/ut

分离条件——L/u≥H/ut由于尘粒中，颗粒粒径不相同，故定义一种粒子，其停留时间=沉降时间，即可以100%除去的最小粒径——临界粒径dpc与临界粒径dpc相对应的临界沉降速度（又称表面负荷qo）当尘粒沉降速度处于层流区时，

表明：1、大于dpc的尘粒能100%除去；2．降尘室的处理能力只取决于降尘室的底面积，与高度H无关。重力沉降悬浮液的沉聚过程：悬浮液的沉聚过程；属重力沉降，在沉降槽中进行。固体颗粒在液体中的沉降过程，大多属于干扰沉降。比固体颗粒在气体中自由沉降阻力大。随着沉聚过程的进行，Ａ，Ｄ两区逐渐扩大，Ｂ区这时逐渐缩小至消失。在沉降开始后的一段时间内，Ａ，Ｂ两区之间的界面以等速向下移动，直至Ｂ区消失时与Ｃ区的上界面重合为止。此阶段中ＡＢ界面向下移动的速度即为该浓度悬浮液中颗粒的表观沉降速度。表观沉降速度不同于颗粒的沉降速度，因为它是颗粒相对于器壁的速度，而不是颗粒相对于流体的速度。等浓度Ｂ区消失后，ＡＣ界面以逐渐变小的速度下降，直至Ｃ区消失，此时在清液区与沉聚区之间形成一层清晰的界面，即达到“临界沉降点”,此后便属于沉聚区的压紧过程。Ｄ区又称为压紧区，压紧过程所需时间往往占沉聚过程的绝大部分。

重力沉降悬浮液的沉聚过程：间歇式；需处理的悬浮液料浆送入槽内，静置足够时间后，即由上部抽出清液而由底口排出稠厚的沉渣。连续式：（沉降槽的直径几米至几百米）。底流：排出的稠浆称为底流。

悬浮液的沉降 连续沉降离心沉降离心分离因数：依靠离心力的作用，使流体中颗粒产生沉降运动——称离心沉降。重力使小颗粒的沉降速度小，但离心力比重力大千、万倍。悬浮液旋转轴角速度圆筒旋转时角速度

=2N/60

N—转数/min忽略重力时，离心力Fc=ma=mr

2≌mrN2/100可见，N↑，Fc↑离心分离因数Kc=r2/g≌rN2/900离心分离因数Kc是表示离心力大小的指标，离心设备分离性能的基本参数。离心沉降离心沉降速度：当颗粒在离心场中沉降时，径向上所受的力：离心力

浮力（指向中心）

阻力（指向中心）

在三力达到平衡时，离心力－浮力－阻力=0离心沉降速度离心沉降离心沉降速度：离心沉降速度重力沉降速度与重力沉降速度公式相比，只是将g换成r2。不同的是：在一定的条件下重力沉降速度ut是定值，而离心沉降速度ur随径向位置的不同而变化。一般而言，离心沉降用于小颗粒。小颗粒所受的阻力处于层流区，即=24/Re，可见，在层流区离心沉降速度ur与r成正比，在离心沉降过程中，ur随r增大而增大。分离因数Kc:同一颗粒在同种介质中的离心沉降速度与重力沉降速度的比值。分因数是离心设备的重要指标

离心沉降旋风分离器：构造与操作临界粒径——指能100%分离除去的最小颗粒粒径。推导临界粒径时的三个假设条件下：（1）进气严格作螺旋形等速运动，有效旋转圈数n=5，切向速度等于进口速度ui；（2）颗粒向壁沉降，必须穿约厚为b的气流层，方能到达壁面；（b为入口之宽度）

（3）颗粒的沉降运动服从stokes定律。

离心沉降旋风分离器：压力损失（1）旋风分离器的尺寸都是D的倍数，所以为常数，与D无关。只要进口气速ui相同，不管多大的旋风分离器，其p都相同。（2）小型分离器的b小，dpc小，所以工业上，用若干个小型分离器组来代替一个大的分离器，可提高分离效率。（3）旋风分离器的压力损失一般为1~2kPa。过滤

过滤──是以某种多孔物质为介质来处理悬浮液的操作：在外力的作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固、液分离。滤浆滤饼，滤渣过滤介质滤液p1p2过滤方式：（1）深层过滤——又称澄清过滤。条件：悬浮液含颗粒小，而含量少（液体中颗粒的体积0.1%）时，可用床层较厚的过滤介质进行过滤。由于dp介质孔隙直径，当悬浮颗粒进入床层间细长而弯曲的孔道时，靠静电及分子力的作用而附在孔道壁上，过滤介质床层上面没有滤饼形成。

（2）滤饼过滤条件：dp介质孔隙直径，床层上形成滤饼；dp介质孔隙直径，但床层内有“架桥现象”；在滤饼层没有完全形成之前，部分颗粒会随滤液一起流走。在滤饼层形成成为有效的过滤介质后，得到澄清液。适用于颗粒含量较多（液体中颗粒的体积0.1%）时架桥现象 过滤示意图过滤过滤介质：作用——使液体通过而截留固体颗粒。选择——根据液体的性质（酸、碱性），颗粒含量及粒度，操作p，T，介质机械强度等（1）织布介质——棉、麻、丝、毛制的滤布，金属丝网滤布；可截留5~65m的颗粒。（2）堆积的粒状介质——砂、木炭等，用于深层过滤，（3）多孔性介质——陶瓷、塑料、金属等粉末烧结成型的多孔性板状、管状介质，可截留1~3m的微细颗粒。助滤剂：使用前提——颗粒细，容易堵死过滤介质的孔隙；所形成的滤饼在压差的作用下，孔隙变小，阻力增大，使过滤困难。作用——将某种质地坚硬的另一种固体混入悬浮液或予涂于过滤介质上，以形成疏松饼层，使滤液畅流。这种固体称助滤剂。常用助滤剂——硅藻土，珍珠岩，石棉，炭粉等；添加量为颗粒量的0.5%以下。

过滤固体量、滤液量与滤渣量的关系：固体量为1（质量），密度p

湿滤渣为C（质量），密度c

湿滤渣中含液量为C-1（质量），密度

湿滤渣体积=固体体积+液体体积

X—单位质量悬浮液中所含固体质量；CX—单位质量悬浮液可得滤渣量；1-CX—单位质量悬浮液可得滤液量；单位体积滤液相对应的固体质量：

过滤过滤基本方程：描述滤液量随时间的变化关系

：过滤速率（dV/dθ）：单位时间内滤过的滤液体积，[m3/s]；过滤速度（dV/Adθ

）：单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积，[m/s]。过滤操作的特点——随过滤操作的进行，滤饼厚度↑，阻力↑。恒压过滤：若维持过滤在一定的压差下操作，则过滤速率必定不断下降；恒速过滤：若要保持一定的滤速，则必须增加压差，以克服过滤阻力；一般情况下，间歇操作的过滤机，先非恒压恒速后恒压下操作； 连续操作的过滤机，都在恒压下操作。过滤1．滤饼层阻力：滤液流过滤饼孔道流速较小，属层流，其流速表达式如下：由于滤饼层中孔道的平均长度l∝滤饼厚度L，∝单位面积上滤饼质量V/A；设毛细孔平均直径d，对一定性质的滤饼应是定值，归入常数项。对不可压缩滤饼可写成：

滤饼阻力：Rc=rV/A

指获得V体积滤液所形成单位面积上干滤饼质量为V/A时的滤饼阻力。r——滤饼的比阻，[m/kg]；表示单位过滤面积的干滤饼质量为1kg/m2时的阻力。过滤2．介质阻力：Rm=rVe/A

：过滤介质阻力看成获得当量体积Ve的滤液所形成的滤饼层阻力。3．过程总阻力：R=Rc+Rm=r（V+Ve）/A

过滤速率 必须积分才能找出V~

关系。

恒压过滤 1．滤液体积与过滤时间的关系（V~）

过滤恒压过滤：令：K=2p/r

qe=Ve/A

q=V/A

则：q2+2qqe=K

过滤常数K、qe由实验测定2．过滤常数K、qe的测定由于各种悬浮液的性质、浓度不同，其过滤常