非均相混合物分离

第三章非均相混合

物分离主讲教师童汉清均相混合物和非均相混合物1、 均相混合物：物料内部各处性质均匀一致而不存在相界面。如溶液、混合气体。均相混合物的常用分离方法有吸收、精馏、萃取等2、 非均相混合物：物系内部有相界面存在，且界面两侧物料性质截然不同。如含尘气体、悬浮液等。1） 分散物质（分散相）非均相物系中处于分散状态的物质。2） 分散介质（连续相）非均相物系中处于连续状态的物质。非均相混合物的常用分离方法有：筛分、沉降、过滤等。§1沉降一、概述1、 沉降操作的分类重力沉降：颗粒在重力场中受重力作用与连续相发生相对运动而沉降。离心沉降：颗粒离心力的作用与连续相发生相对运动而沉降。2、 沉降操作在食品工业中的应用1）以澄清为目的

2） 以增稠为目的3） 以分级分离为目的4） 以净化为目的二、重力沉降1、球形颗粒的自由沉降A浮力A阻力FbA浮力A阻力FbFd重力:浮力:71 7F=mg=_d3•p-g

g 6sFS阻力:FS阻力:A 4M a族=Ap•A=C)•p•A•__因为△p~Pg因为△p~PgU2)2g重力浮力F+阻力Fd0 a重力4(p &沉降速度公式2、曳力系数E1） 表面曳力与形体曳力表面曳力（摩擦阻力）：流体与颗粒表面间的摩擦力在流动方向上的分力。形体曳力（涡流阻力）：因边界层脱体产生颗粒上下端的压差。2） 对曳力系数&的因次分析

曳力的影响因素：d^;u;P;日曳力的函数关系：Fd—f・。.".p.口）因次分析的结果：&=8^e）p3、&-Re关系曲线图该图分四个区1）层流区： 10-4〈Re〈1此时表面曳力为主，形体曳力可以忽略。24该区内&=Re则有公式：u=d2（p艮-p）go18日斯托克斯（Stokes）公式所以该区称为斯托克斯区。2）过渡区：1〈Re〈103此时形体曳力不可忽略。18.5该区内&=R3则有公式： u则有公式： uo=°.27g•d(p-p)Reo.6p阿仑（Allen）公式所以该区称为阿仑区。3）湍流区：103〈Re〈2x105此时形体曳力为主。表面曳力可以忽略。该区内&=0.44,与Re数无关。则有公式:则有公式: 牛顿区(Newton)公式所以该区称为牛顿区。4)边界层为湍流区： Re>2x105一般沉降操作达不到此区。该区内&注0.1，由于&不稳定，因此无法计算该区的沉降速度。4、沉降速度的计算试差法假定沉降所属区域f用该区公式计算沉降速度u-由算出的u求出Re-检验Re是否在所设区域-与所设相符，计算正确；与所设不符，重新计算。例：求下列各种形状及尺寸的固体颗粒在30oC常压空气中的自由沉降速度。已知颗粒密度为2670蛔/m3。直径为30hm的球形颗粒。直径为1mm的球形颗粒。棱长为1mm的正方体颗粒。2）变换坐标法&•Re2-Re及&•Re-i-Re关系曲线图因为u=；4（P,『•d•g\ 3&•P所以&=4（PLP>d.gRe=蛀3•p•u2 日Re?=4（p：p）.d3.g・p3•日2&.Re-1=4（PLP）"g3•P2•u3三、非球形颗粒的当量直径与球形度的概念1、非球形颗粒的当量直径使非球形颗粒与某球形颗粒在某方面具有等效性（相当），则该虚拟球体的直径即非球形颗粒的当量直径。1）体积当量直径dev非球形颗粒与虚拟球形颗粒在体积方面具有等效性（相当），则该虚拟球体的直径即非球形颗粒的体积当量直径。非球形颗粒的体积为V=;-dev3一 一, ，帝非球形颗粒的体积当量直径为d"^v 兀2）表面积当量直径dAeA非球形颗粒与虚拟球形颗粒在表面积方面具有等效性（相当），则该虚拟球体的直径即非球形颗粒的表面积当量直径。非球形颗粒的表面积为A=兀-d2eA非球形颗粒的表面积当量直径为d=；AeA 兀3）比表面积当量直径des比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积。非球形颗粒与虚拟球形颗粒在比表面积方面具有等效性（相当），则该虚拟球体的直径即非球形颗粒的比表面积当量直径。A_K-d2非球形颗粒的比表面积为、=v-d36es非球形颗粒的当量直径为d=6esS

2、球形度甲不同形状的颗粒体积相同时，以球体的表面积为最小。所以，对于一定体积（dev不变）的非球形颗粒，与球的形状相差越大，则S越大；d越大。eA球形度甲的意义：兀.d2与非球形颗粒体积相当的球的表面积^1— ev ...,r;兀.dA2 非球形颗粒的表面积如边长为a正方体颗粒：d2—：写—W*a2；ev 兀'冗\；K与非球形颗粒体力相当的球的表面积T— „f _・ … 非球形颗粒的表面积2^6兀.3—.a2‘6、1- —-3—0.8066.a2 顷）四、重力沉降分离设备1、降尘室利用重力沉降除去气流中尘粒的设备。除尘条件:颗粒以u速降到室底所需的时间L度水平通过降尘室的时间，1大于或等于颗粒以u除尘条件:颗粒以u速降到室底所需的时间L即：T/L而T=—,T=H所以1 2 1U 2Uo7=U-如H=竺己=匕/=L-如气二人底%结论：降尘室的生产能力（含尘气体通过降尘室的体积流量）只与室底面积及颗粒的沉降速度有关，与降尘室高度无关。例1:欲用降尘室净化温度为20oC流量为2500m3/h的常压空气。空气中所含灰尘的密度为1800蛔/m3,要求净化后空气中不含有直径大于10u-的尘粒，试求所需沉降面积为多大？若降尘室的底面宽2m,长5m,室内需要设多少块隔板？例2:某降尘室宽1・5m,长2m,在常压、100oC下处理2700m3/h的含尘气，设尘粒为球形，密度为2400蛔/m3,气体的物理性质与空气相同。求：1） 可被100%除去的最小颗粒直径。2） 直径为0・05mm的颗粒有百分之几能被除去？

3、分级器适当安排各级沉降柱截面积的大小。1)适当安排各级沉降柱截面积的大小。2）适当选择流体的密度与粘度。3）控制流量。§2过滤一、过滤概述1、 概念1/奈料匕二浦饼■过海介质—游液〔清液）2、 床层在多孔板架上堆积固体颗粒物料。1）、分类固定床流体流速较低，颗粒层处静止状态，床层高度不变。流化床流体流速较低，颗粒全部浮在向上流动的流体中做随机的运动。床层高度随流体流速增加而升高。稀相输送床流体流速很大，流化床上界面消失。颗粒分散悬浮于流体中，被气体带走。2）、床层的特性（固定床）①床层的空隙率ee:床层中空隙的体积占床层总体积的比率。床层空隙体积床层体积-颗粒总体积£= ^ = 床层总体积 床层总体积单位：m3/m3£的影响因素Q颗粒粒径的均匀性。粒径越均匀，£越大。Q颗粒表面的光滑性。颗粒表面越光滑，£越小。Q颗粒的大小。 颗粒粒径越大，£越大。Q非球形颗粒的球形度。球形度越小，£越小。Q床层的堆积方式，乱堆床层£大。Q床层的堆积速度。堆积越快，£越大。床层的平均自由截面积A流体流过床层截面时的有效流动截面积在高度范围的平均值。AL•A空隙体积一,!;="=床祓则A*%床层的比表面积S单位体积床层所具有的颗粒的表面积。鞘灯侏知颗粒表面积颗粒表面积 人'八 颗粒体积、— — 一床层体积一 床层体积_(床层体积-空隙体积)•S_(1_)S床层体积 殆=f•PSp为颗粒群的平均比表面积。

床层流道的当量直径de对床层流道作下列简化：Q将床层中的不规则通道简化为长度为/的一e组平行细管。Q细管的内表面积等于床层颗粒的全部表面积。Q细管的全部流动空间等于床层的空隙体积。所以有4x流道截面积=4x流道截面积xle一润湿周边一 润湿周边XI"e=4x床层的流动空间=4x床层空隙总体积=细管的全部内表面积=床层颗粒总表面积_4xsx床层总体积— 4-8=床层颗粒总表面积=床层颗粒总表面枳床层总体积48 48=节-8).SP⑥流体流过床层的压降流体在床层流道中的流速u⑥流体流过床层的压降8u—u空流体在管内作层流流动时的阻力压降由哈根-泊谡叶公式:

则流体在滤饼层内流动的压降为△p*壬y

d2k-k-R-1-U△p=7 "A48〔G-8).s Ipk.G-8)2.s2设r=―后一」k-(1-8)2-s2 p—-u-R-183则△p=r-u-r-1常数r称为滤饼床层的比阻。3、深层过滤和滤饼过滤深层过滤一一浆料中的固体颗粒沉积在较厚的过滤介质内部而不形成滤饼。表面过滤一一滤液流过过滤介质后，浆料中的固体颗粒呈饼状沉积在过滤介质的上游。又称滤饼过滤。表面过滤主要作用是液固分离；深层过滤主要作用是澄清。2、过滤介质粒状介质织状介质多孔性固体介质3、助滤剂1） 助滤剂的种类：硅藻土；活性炭；石棉；锯屑等。2） 助滤剂的作用：防止过滤介质孔道阻塞，增加滤饼空隙率，提高过滤速度。3）助滤剂的应用：滤液是产品而不需回收滤渣。4、过滤种类1） 常压过滤过滤推动力为悬浮液液柱压差，小于5X104N/m2。2） 加压过滤过滤推动力源于悬浮液表面加压，小于5X105N/m2。3） 真空过滤过滤推动力源于过滤介质下方减压，小于5X105N/m2。4） 离心过滤过滤推动力源于离心力。三、过滤设备 板框压滤机1、板框压滤机的构造亓一浦柴通道洗源水通道2、板框压滤机的操作流程1） 组装S一手动压紧；Y—液压压紧；D—电动压紧2） 过滤明流式板框压滤机和暗流式板框压滤机3） 滤饼洗涤1贯通洗涤法：洗涤速率=4最终过滤速率4） 卸渣整理3、特点优点：结构简单；造价低；过滤面积大；辅助设备少;动力消耗低。过滤推动力一般为3X105~5X105N/m2，最大可达1X106N/m2。缺点：间歇操作；组装和卸渣需要繁重的体力劳动，洗涤时间长；不易清洗；效率较低。板框材料：铸铁；钢；铝；铜；木材；塑料等4、板框压滤机的系列代号BMS20/635~25B:板框压滤机M:明流式（A表示暗流式）S:手动压紧20:过滤面积20m2635:框内边边长635mm25:框厚25mm四、过滤计算1、过滤速度与过滤速率1） 过滤速度定义：单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积。u=哄孙=幕 单位：m3/m2'sq为单位面积上收集的滤液量。单位：m3/m22） 过滤速率定义：单位时间内获得的滤液体积。单位：m3/s2、过滤的基本方程1）滤饼阻力滤渣体积=V•C=l•A,所以1=LC=q•CAdq AP 过滤推动力过滤速度〃二的二二滤饼阻力V滤饼阻力为 rHc•/=r*c-qA2）过滤介质阻力将过滤介质视为）厚的滤饼，由以上推导得V过滤介质阻力为rKc■亏=rKc•qA e所以，过滤总阻力为r•r•c4+qe）3）过滤的基本方程过程的塞过程总推动力过程总推动力程 ,过程总阻力滤饼阻+；过滤介质阻力dq APd9 r•R•c•(q+q)_dV_A•AP

U~A•d9~r・R.c・V+V)d^_ A2.AP~dQ~r•R^c•(V+V)过滤的基本方程3、恒压过滤

对于恒压过滤，△P・ ・对于恒压过滤， 为一常数。r.r.cdqku— = d0 q+qjqjq+qe(q+qqe\q-j0+0ek0e得恒压过滤的基本方程：q2+2q-q-2k・0设K=2k则q2+2q-q-K・0V2+2V-V—K-A2.04、恒压过滤的过滤常数K及当量滤液量qe的测定q2+2q-q=K・00 q2q—=+eq K K0与0与q成直线关系。q斜率为L,截距为K例：在恒压下对某种滤浆进行过滤实验，测得如下数据:滤液量（m3） 0.10 0.20 0.30 0.40过滤时间（s） 38 115 228 380已知过滤面积为1m2,求过滤常数K及当量滤液量qe。

5、洗涤时间恒压过滤速度计算公式:“dVA2•kA-kA-KV= = = = L 1d0V+Vq+q 2•\q+q）最终过滤速度计算公式：匕冬=2.（A，：q）洗涤速度计算公式：V洗涤速度计算公式：V=4-V终洗涤时间的计算公式:1Gw ="1~~ 11Gw ="1~~ 1「4^A滤^U终4^匕冬CX— ... — ... — ...0 — — w — ~A w www滤• •U2 2