化工原理章非均相混合物的分离

化工原理

principlesofchemicalengineering

第三章非均相混合物的分离延安大学化学与化工学院目前一页\总数六十八页\编于十二点第三章非均相混合物的分离第一节概述第二节重力沉降第三节离心沉降第四节过滤目前二页\总数六十八页\编于十二点自然界的混合物

化工生产中，需要将混合物加以分离的情况非常多。空分系统石油蒸馏水过滤装置目前三页\总数六十八页\编于十二点第一节概述混合物均相混合物（均相物系）非均相混合物（非均相物系）物系内部各处物料性质均匀而且不存在相界面的混合物。物系内部有隔开两相的界面存在且界面两侧的物料性质截然不同的混合物。如：石油、空气

目前四页\总数六十八页\编于十二点

分散相（分散物质）→分散状态的物质连续相（连续介质）→连续状态存在，包围在分散介质周围物质。例如固体颗粒和气体构成的含尘气体固体颗粒和液体构成的悬浮液不互溶液体构成的乳浊液液体颗粒和气体构成的含雾气体非均相物系气液(固)、液固(气、液)态非均相物系目前五页\总数六十八页\编于十二点

一、非均相物系的分离在工业生产中的应用

1、回收有用的分散相2、净化连续相3、环境保护和安全生产回收有用的分散相目前六页\总数六十八页\编于十二点净化连续相中药液的澄清过滤过滤空气结晶产品与母液的分离目前七页\总数六十八页\编于十二点环境保护和安全生产目前八页\总数六十八页\编于十二点二、非均相物系的分离方法→机械分离

操作方式：过滤和沉降利用非均相混合物中分散相和连续相的物理性质(如密度、颗粒形状、尺寸等)的差异，使两相之间发生相对运动而使其分离。除去粗食盐中少量的泥沙

1.过滤是流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程。分类：重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤板框压滤机真空过滤机离心过滤抽滤目前九页\总数六十八页\编于十二点2.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。（利用分散相和连续相的密度不同）重力沉降离心沉降目前十页\总数六十八页\编于十二点沉降：在外力作用下使颗粒相对于流体运动而实现分离的过程。重力沉降：沉降操作的外力是重力。适用于分离较大的固体颗粒。第二节重力沉降目前十一页\总数六十八页\编于十二点3.2.1球形颗粒的自由沉降自由沉降：颗粒不受其他颗粒的干扰及器壁的影响，在静止的流体中的沉降过程。在自由沉降沉降过程中，颗粒受到哪些力的作用：重力Fg↓

、浮力Fb↑阻力Fd↑

设球形颗粒的直径为,颗粒密度为,流体的密度为,实际状况：干扰沉降目前十二页\总数六十八页\编于十二点重力Fg浮力Fb阻力Fd牛顿第二定律——沉降阻力系数一点两过程:A——沉降颗粒沿沉降方向的最大投形面积目前十三页\总数六十八页\编于十二点此时颗粒做匀速沉降，其速度也是最大沉降速度ut

重力、浮力、阻力三者达到平衡，加速度为零代入沉降速度ut:为以颗粒形状及尺寸为特征量的雷诺数的函数,一般由实验测定。目前十四页\总数六十八页\编于十二点阻力系数与Ret关系图目前十五页\总数六十八页\编于十二点阻力系数一般由实验测定：

目前十六页\总数六十八页\编于十二点相应各区的颗粒沉降速度为：滞流区－称为斯托克斯公式

过渡区－称为艾伦公式

或湍流区-称为牛顿公式

规律：dS、密度差越大则沉降速度越大；在层流区由于流体粘性引起的表面摩擦阻力占主要地位，因此层流区的沉降速度与流体粘度μ成反比。目前十七页\总数六十八页\编于十二点【例题3-1】：计算直径为95m，密度为3000kg/m3的固体颗粒分别在20℃的空气和水中的自由沉降速度。计算Ret，核算流型：假设正确，计算有效。解：在20℃的水中：20℃水的密度为998.2kg/m3，粘度为1.005×10-3Pas

先设为层流区。

目前十八页\总数六十八页\编于十二点(1)降尘室

降尘室结构：3.2.2重力沉降设备

利用重力沉降的作用从含尘气体中除去固体颗粒的设备。见动画目前十九页\总数六十八页\编于十二点颗粒沉降的同时并随气体运动颗粒沉降运动时间<气体通过沉降室时间分离工作原理：矩形入口截面面积↑→u↓。目前二十页\总数六十八页\编于十二点降尘室的生产能力：降尘室单位时间所处理的含尘气体的体积流量。符号：qv。颗粒在降尘室的停留时间：颗粒沉降到室底所需的时间：为了满足除尘要求：目前二十一页\总数六十八页\编于十二点——降尘室使颗粒沉降的条件降尘室的生产能力降尘室的生产能力只与降尘室的沉降面积BL和颗粒的沉降速度ut有关，而与降尘室的高度无关

目前二十二页\总数六十八页\编于十二点

处理悬浮液的重力沉降设备，称为沉降器或增浓器。沉降器可分间歇式、半连续式和连续式三种。沉降槽有澄清液体和增稠悬浮液的双重作用功能，与降尘室类似，沉降槽的生产能力与高度无关，只与底面积及颗粒的沉降速度有关，故沉降槽一般均制造成大截面、低高度。

（2）沉降槽目前二十三页\总数六十八页\编于十二点大的沉降槽直径可达10～100m、深2.5～4m。它一般用于大流量、低浓度悬浮液的处理。沉降槽处理后的沉渣中还含有大约50%的液体，必要时再用过滤机等作进一步处理。目前二十四页\总数六十八页\编于十二点对于含有颗粒直径小于1μm的液体，一般称为溶胶，由于颗粒直径小较难分离。为使小颗粒增大，常加絮凝剂使小粒子变成大粒子。例如，河水净化加明矾[KAl(SO4)2·l2H2O],使水中细小污物沉降。常用的电解质，除了明矾还有三氧化铝、绿矾、三氯化铁等。一般用量为40～200mg/kg。近年来，已研究出某些高分子絮凝剂。明矾绿矾三氯化铁聚丙烯酰胺目前二十五页\总数六十八页\编于十二点离心沉降速率

其受力为离心力Fc、向心力Fb和阻力Fd

，其值分别为：

第三节离心沉降离心沉降过程：当流体带着颗粒旋转时,如果颗粒的密度大于流体的密度,则惯性离心力将会使颗粒在径向上与流体发生相对运动而飞离中心。思考：旋转过程固体颗粒受到的作用力有哪些？目前二十六页\总数六十八页\编于十二点ur离心力Fc阻力Fd向心力Fb颗粒在离心力场中的受力分析目前二十七页\总数六十八页\编于十二点当三个力达到平衡时：Fc-

Fb-

Fd=0

颗粒在径向上相对于流体的运动速度ur便是此位置上的离心沉降速度。若颗粒处于层流区，则阻力系数——含尘气体的进口气速，m/s——颗粒的旋转半径，m。

目前二十八页\总数六十八页\编于十二点旋风分离器的构造和操作原理

3.3.2旋风分离器旋风分离器的操作原理旋风分离器是工业上应用比较广泛的气固离心分离设备之一。标准型的旋风分离器结构形式如图所示。主体的上部为圆筒形，下部为圆锥形，各部件的尺寸均圆筒直径成比例。含尘气体由圆筒上部进气管切向进入，受器壁的约束而向下作旋转运动，在惯性离心力作用下颗粒被抛向器壁，与气流分离，再沿壁而落锥底的排灰口。净化后的气体在中心轴附近作由下而上的螺旋运动，最后由顶部排气管排出。目前二十九页\总数六十八页\编于十二点

特点：旋风分离器构造简单，分离效率较高，操作不受温度、压强的限制，分离因数约为5～2500，一般可分离气体中5～75μm直径的粒子。

(2)旋风分离器的主要性能参数临界直径、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。①临界粒径即旋风分离器能够分离出最小颗粒的直径。临界粒径的大小是判断旋风分离器分离效率高低的重要依据。临界粒径的计算式为

ui——含尘气体的进口气速，m/s;B——旋风分离器的进口宽度，m;N——气流的旋转圈数，对标准旋风分离器，可取N=5；

——颗粒的密度，kg/m3;μ——流体的黏度，Pa·s。目前三十页\总数六十八页\编于十二点②分离效率旋风分离器的分离效率通常有两种表示方法，即总效率粒级效率

C1、C2—旋风分离器进出口气体含尘的浓度，g/m3；

C1i、C2i—进出口气体含尘的粒径在段范围内颗粒的浓度，g/m3；xi——第i段粒径范围内颗粒占全部颗粒的质量分数。目前三十一页\总数六十八页\编于十二点③压力降旋风分离器的压力降是评价其性能的重要指标。压力降产生的主要原因，是由于气体经过器内时的膨胀、压缩、旋转、转向及对器壁的摩擦而消耗大量的能量。气体通过旋风分离器的压力降应尽可能小，分离设备压力降的大小是决定分离过程能耗和合理选择风机的依据。一般来说，短粗形的旋风分离器压降较小，处理量大，但分离效率低；细长形的则压降较大，处理量不大，分离效率高。ζ——阻力系数，对标准旋风分离器,ξ=8.0目前三十二页\总数六十八页\编于十二点旋风分离器构造简单紧凑、无运动件，操作不受温度、压强的限制，价格低廉、性能稳定，分离因数约为5～2500，分离效率较高，一般可分离气体中5～75μm直径的粒子。故广泛应用于多种工业部门。目前三十三页\总数六十八页\编于十二点3.3.3旋液分离器

又称水力旋流器

是利用离心沉降原理分离液固混合物的设备，其结构和操作原理与旋风分离器类似。目前三十四页\总数六十八页\编于十二点3.3.4离心沉降机

转鼓上无孔，混悬液或乳浊液被转鼓带动高速旋转时,密度较大的物相向转鼓内壁沉降,密度较小的物相趋向旋转中心而使两相分离。离心机：用于离心分离的设备。适于离心分离的液态非均相物系包括液-固混合物系(混悬液)和液-液混合物系(乳浊液)。油脂离心机实验用离心机转鼓目前三十五页\总数六十八页\编于十二点第四节过滤3.4.1过滤的基本概念一、过滤及过滤推动力过滤：利用能让液体通过而截留固体颗粒的多孔介质（过滤介质），使悬浮液中固液得到分离的单元操作。名词：过滤介质；混悬液（滤浆）；滤渣(饼)；滤液悬浮液沉降法过滤操作哪种处理方法好？：需要较长时间，而且沉渣中液体含量较多沉降法可使悬浮液得到迅速的分离，滤渣中的液体含量也较低过滤操作：絮凝剂在某些场合过滤是沉降的后续操作目前三十六页\总数六十八页\编于十二点真空过滤机水环真空泵目前三十七页\总数六十八页\编于十二点思考：过滤推动力：适用于：处理固体含量较高的混悬液。

作用原理：过滤过程变化：初期中期末期思考：如何保持过滤速度？方法：a.不断的将滤饼移出过滤介质两侧的压力差。筛子二、过滤方式（1）饼层过滤：过滤过程中在过滤介质表面会形成固体颗粒的滤饼层（固体沉积物堆积、架桥）。方法：b.增加推动力目前三十八页\总数六十八页\编于十二点适用于：生产量大而悬浮颗粒粒径小或是粘软的絮状物。（2）深层过滤：过滤介质是较厚的粒状介质的床层,过滤时悬浮液中的颗粒沉积在床层内部的孔道壁面上,而不形成滤饼。中药液的澄清过滤合成纤维饮水过滤纺丝液的处理设备目前三十九页\总数六十八页\编于十二点

Kitagawa.S.J.Am.Chem.Soc,2007,129,2607.

膜过滤宏观微观调控工业生产中悬浮液固相含量一般较高(体积分数大于1%),因此本节重点讨论滤饼过滤。

膜过滤是利用膜孔隙的选择透过性进行两相分离的技术。以膜两侧的流体压差为推动力，使溶剂、无机离子、小分子等透过膜，而截留微粒及大分子。目前四十页\总数六十八页\编于十二点

过滤介质：多孔性介质其作用：a.截留颗粒，使滤液通过

b.支撑滤饼三、过滤介质过滤介质应具有下列条件：

a）多孔性，孔道适当的小，并减少流体的阻力，又能截住要分离的颗粒。

b)物理化学性质稳定，耐热，耐化学腐蚀。

c)足够的机械强度，使用寿命长。

d)价格便宜。目前四十一页\总数六十八页\编于十二点工业常用过滤介质种类：织物介质、多孔性固体介质、颗粒状介质和微孔滤膜等。①织物介质—滤布、筛网，截留的粒径5μm以上，工业应用广泛滤布筛网过滤机目前四十二页\总数六十八页\编于十二点②多孔固体介质—具有微细孔道的固体，截留粒径1～3μm的微细粒子素瓷多孔烧结玻璃③颗粒状介质—固体颗粒（砂石、木炭、石棉）或纤维（玻璃棉）等堆积，适用于深层过滤。砂石木炭石棉鹅卵石玻璃棉目前四十三页\总数六十八页\编于十二点④微孔滤膜：由高分子材料制成的薄膜状多孔介质。适用于滤除0.02～10μm的混悬微粒。精滤目前四十四页\总数六十八页\编于十二点（1）滤饼的压缩性滤饼不可压缩滤饼:

可压缩滤饼:颗粒有一定的刚性，所形成的滤饼并不因所受的压力差而变形。颗粒比较软，所形成的滤饼在压差的作用下变形，使滤饼中的流动通道变小，阻力增大。四、滤饼的压缩性和助滤剂滤饼的压缩性对过滤效率及滤材的可使用时间影响很大,是设计过滤工艺和选择过滤介质的依据。目前四十五页\总数六十八页\编于十二点（2）助滤剂助滤剂—具有一定刚性的颗粒或纤维状的固体。加入助滤剂可减少可压缩滤饼的流动阻力，提高滤饼的刚性和孔隙率硅藻土活性炭纤维粉珍珠岩粉助滤剂的要求：a.应具有化学稳定性;b.不溶于液相中;c.在过滤操作的压力差范围内具有不可压缩性目前四十六页\总数六十八页\编于十二点加入方法预涂：用助滤剂配成悬浮液，在正式过滤前用它进行过滤，在过滤介质上形成一层由助滤剂组成的滤饼。

掺滤：将助滤剂混在滤浆中一起过滤助滤剂的使用方法：悬浮液+目前四十七页\总数六十八页\编于十二点用洗涤液（通常为清水）进行滤饼洗涤，以回收滤饼中残存的滤液或除去其杂质。6、过滤速率及影响因素过滤速率—单位时间内得到的滤液体积。主要影响因素：过滤面积、悬浮液的性质、操作压力。5、滤饼的洗涤目前四十八页\总数六十八页\编于十二点实际流速u∝过滤速度dV/(A·dτ)，流道长l∝滤饼厚度L，孔道的平均直径d难以测量，故引入比例系数r，将这些因素统统并入比例系数r内，则：层流流动：Hagon-Poiseuille3.4.2过滤基本方程式一、滤液通过滤饼的流动目前四十九页\总数六十八页\编于十二点说明：滤液性质：μ过滤面积：A滤饼性质：L、r目前五十页\总数六十八页\编于十二点二、滤饼的比阻r：单位：物义：说明：当粘度为1Pa·s的滤液以1m3/(m2·s)的过滤速度通过厚度为1m的滤饼层的压力损失。滤饼不可压缩：r’－单位压力差下的滤饼比阻，1/m2；s－滤饼的压缩性指数，s≤1。r=f（滤饼结构特性）；滤饼可压缩：目前五十一页\总数六十八页\编于十二点过滤介质层：认为介质产生的阻力与厚度为Le的滤饼层产生的阻力相等，引入过滤介质的当量滤饼厚度Le，则过滤介质的阻力=rμLe/A滤饼可压缩：目前五十二页\总数六十八页\编于十二点定义饼液比：则：C＝滤饼体积/滤液体积V，m3饼/m3液过滤基本方程式目前五十三页\总数六十八页\编于十二点恒压过滤：一般由保持恒压的压缩气体提供推动力恒速过滤：一般由容积式泵提供推动力变压变速过滤：一般由离心泵提供推动力，随过滤阻力增加流量下降。过滤的操作类型：目前五十四页\总数六十八页\编于十二点悬浮液一定，μ、r’、C可视为常数令：表示悬浮液物性的常数k----滤饼常数3.4.3恒压过滤

目前五十五页\总数六十八页\编于十二点恒压过滤，Δp1-s为常数

目前五十六页\总数六十八页\编于十二点令q=V/A，qe=Ve/A，令─恒压过滤方程式过滤常数

目前五十七页\总数六十八页\编于十二点─恒压过滤方程式令目前五十八页\总数六十八页\编于十二点说明：①(V+Ve)—(τ+τe)为一抛物线；②忽略过滤介质的阻力：Ve＝0，qe=0，则过滤基本方程式变为：③qe、τe称为介质常数，与K都称为过滤常数。目前五十九页\总数六十八页\编于十二点3.4.4过滤设备

过滤混悬液的设备称为过滤机。间歇过滤机连续过滤机操作方式压滤机真空过滤机离心过滤机过滤推动力产生的方式过滤设备的生产能力：过滤机的生产能力通常用单位时间内所得到的滤液体积来表示，有时也可用单位时间内