化工原理下册第三章-非均相物系分离

1、,本章重点掌握的内容 （1）沉降分离（包括重力沉降和离心沉降）的原理、过程计算和旋风分离器的结构。 （2）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。,第三章 非均相物系的分离,学习目的 与要求,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,清水沉降池,滤药渣,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,自来水厂的主要流程,自来水厂水的净化分三步，第一步是絮凝过程，也可以叫反应过程。在流动中使水中的杂质颗粒絮凝长大；第二步是沉降。沉降池是使大颗粒得以除去。第三步是砂滤。砂滤池，进一步用900mm厚砂层，将小颗粒杂质滤去。,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,图中兰色粗管是来自

2、黄浦江的原料水，条形池子是絮凝池，左侧池 是沉降池。,自来水厂全貌,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,自来水厂沉降池,这是沉降池。图为絮凝之后的水，是从沉降池底部流入，到池子上部水已很清了。,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,一混合物的分类 1.相:体系中具有相同组成、物理性质、化学性质的均匀物质。 2均相混合物若物系内各处组成均匀且不存在相界面，则称为均相混合物。,概述,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,3非均相混合物 物系中存在相界面，且界面两侧物料的性质不同。 分散状态物质（分散相） 连续状态物质（连续相） 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

3、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。,二非均相混合物分离方法的分类,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,燃煤烟气湿法除尘脱硫一体化技术,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,湍球塔除尘动画,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,文丘里除尘器动画,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,75T/h 锅炉烟气湿法除尘脱硫一体化装置,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,袋式过滤器动画,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,静电除尘器动画,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,旋风分离,主要用于石油、化工、肥料、冶金、煤炭及环保的尾气除尘和高炉烟气

4、净化、颗粒回收等，目前已成功应用于氮肥厂造气炉的除尘及煤粉回收，也可用于石油化工装置中如丙烯腈、苯酐、百菌清、苯胺等作为流化床内旋风分离器用以回收昂贵的细颗粒催化剂，以及钙镁磷肥回转窑烘干、球磨系统的尾气除尘和高炉烟气净化等。在正常工作状态下，气固分离效率不小于99%，阻力不大于1000Pa。,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,烟道除尘动画,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,三非均相混合物分离的目的 （1）收集分散物质。 （2）净化分散介质。 （3）环境保护与安全生产。,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,炼油厂沉降应用实例,炼油厂污水处理工艺之一： 隔油- 粗粒化- 沉降- 沙滤,

5、国外炼油厂每加工1 t油产生0. 51. 0 t废水,我 国炼油厂每加工1 t原油产生0. 73. 5 t含油废水。,原理:依靠某种力的作用,利用分散相与连续相之间存 在密度差使之发生相对运动而分离的过程。,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,前提条件：密度差、外力 外力场重力沉降和离心沉降,沉降分离,20,沉降分离,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,1).流体静止，固体颗粒作沉降运动； 2).固体静止，流体对固体作绕流； 3).流体和固体都运动，但二者保持一定的相对速度。,流固之间的相对运动有三种情况：,知识点: 重力沉降原理、沉降速度和相关设备,第一节 重力沉降,化工原理课件第一章

6、流体流动,刚性颗粒的沉降：,第一节 重力沉降 一、沉降速度,重力：,浮力：,阻力：,颗 粒 密 度,流体 密 度,受力分析,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,化工原理课件第一章 流体流动,第一节 重力沉降 一、沉降速度,刚开始沉降：,不变,a最大,开始沉降,a,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,化工原理课件第一章 流体流动,第一节 重力沉降 一、沉降速度,a0,u增加至一定值时,自由沉降速度,匀速沉降,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,淘金梦,试验：d0.18mm，1600kgm3的光滑小球在20水中由静止至99的沉降速度所需的时间为0.0133秒，小球下降的距离为1.110-4m

7、。,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,结论：重力沉降可看作匀速沉降。,第一节 重力沉降 一、沉降速度,原理： 利用油水的密度差使连续相中的液滴浮升实现分离。,AFB纤维床液液相分离器,AFB纤维床液液相分离器,化工原理课件第一章 流体流动,第一节 重力沉降 三、浮升速度,浮力：,阻力：,油 滴 密 度,水的 密 度,浮升速度：,受力分析,重力:,化工原理课件第一章 流体流动,刚开始上浮：,不变,a最大,开始上浮,a,化工原理课件第一章 流体流动,第一节 重力沉降 三、浮升速度,a0,u，增加至一定值时,浮升速度,匀速上浮,结论:密度差大,阻力系数小,流体密度小,d大，ut大。,化工原理课件

8、第一章 流体流动,第一节 重力沉降 四、阻力系数,1.阻力系数 的计算,因次分析,球形度,=,与颗粒体积相等的圆球的表面积,颗粒的表面积,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,化工原理课件第一章 流体流动,第一节 重力沉降 四、阻力系数,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,化工原理课件第一章 流体流动,第一节 重力沉降 四、阻力系数,球形颗粒：,层流区,Stokes定律区,过渡区,Allen定律区,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,化工原理课件第一章 流体流动,第一节 重力沉降 四、阻力系数,湍流区,Newton定律区,2. 的计算：,试差法：,假设 流型,选择公式,计算,计算,验算,化

9、工原理课件第三章 非均相物系的分离,化工原理课件第一章 流体流动,第一节 重力沉降,例：求直径40m球形颗粒在30大气中的自由沉降速度。已知颗粒为2600kg/m3,大气压为0.1MPa。,解：,设为层流，则：,查30、0.1MPa空气：,校核：,(正确),化工原理课件第三章 非均相物系的分离,影响沉降速度的因素,自由沉降,干扰沉降,沉降过程中，任一颗粒的沉降不因其他颗粒的存在而受到干扰。,如果分散相的体积分率较高，颗粒间有明显的相互作用，容器壁面对颗粒沉降的影响不可忽略，这时的沉降称为干扰沉降或受阻沉降。,一、沉降速度,第一节 重力沉降 五、影响因素,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,(

10、1)颗粒的体积分数 当颗粒的体积分数小于0.2%时，理论计算值的偏差在1%以内。当颗粒体积分数较高时，由于颗粒间相互作用明显，便发生干扰沉降。 (2)器壁效应 容器的壁面和底面均增加颗粒沉降时的曳力，使颗粒的实际沉降速度较自由沉降速度低。,一、沉降速度,第一节 重力沉降 五、影响因素,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,(3)颗粒形状的影响 同一种固体物质，球形或近球形颗粒比同体积非球形颗粒的沉降要快一些。非球形颗粒的形状及其投影面积A均影响沉降速度。,一、沉降速度,第一节 重力沉降 五、影响因素,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,(4)气泡和液滴的运动 颗粒较大时,变形和内部产生循环运

11、动,误差大,不再适用。,单颗粒的几何特性参数,体积:,比表面积:,表面积:,小知识(了解),球形颗粒,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,非球形颗粒,1.在体积方面等效，即使当量球形颗粒的体积等于真实颗粒的体积 Vp ，则体积当量直径应定义,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,.球形度,表面积:,比表面积:,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,化工原理课件第一章 流体流动,1.用途：分离气流中的尘粒,第一节 重力沉降 六、重力沉降设备-降尘室,2.工作原理,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,化工原理课件第一章 流体流动,第一节 重力沉降 六、重力沉降设备-降尘室,沉降时间：,停留时间

12、：,分离条件：,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,2020/9/15,47,2. 生产能力 VS降尘室所处理含尘气体的体积流量,结论：降尘室的生产能力只与沉降面积bl及颗粒 沉降速度ut有关，而与高度H无关。,2020/9/15,48,多层降尘室：,若n个隔板，则,缺点： 清灰难； 隔板间距小，颗粒易被扬起。,第一节 重力沉降 六、重力沉降设备-降尘室,化工原理课件第一章 流体流动,第一节 重力沉降 六、重力沉降设备-沉降槽,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,用途：分离悬浮液,处理量大 大颗粒悬浮液,1-进料槽道，2-转动机构，3-料井 4-溢流槽，5-溢流管，6-叶片，7-转耙,连续

13、沉降槽动画,练 习 题 目,思考题,作业题: 1、2、3,1.颗粒沉降分为哪两个阶段？沉降速度是指哪个阶段的速度？ 2.根据颗粒沉降原理，设计一个简单的装置来测定液体的黏度。,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,第二节 离心沉降,应用:炼油厂催化裂化,气固非均相物系-旋风分离器中进行,液固非均相物系-旋液分离器中进行或沉降离心机,化工原理课件第一章 流体流动,第二节 离心沉降,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,1.离心分离因数Kc,惯性离心力=,向心力=,阻力=,化工原理课件第一章 流体流动,第二节 离心沉降,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,层流,化工原理课件第一章 流体流动,2.

14、旋风分离器,第二节 离心沉降,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,气固分离,除5m20m尘粒,缺点：不适于分离 粘性，高湿性、 腐蚀性粉尘,化工原理课件第一章 流体流动,3.旋风分离器的性能指标,第二节 离心沉降,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,细而长,(1)临界粒径,(2)分离效率,总效率,粒级效率,分割粒径,化工原理课件第一章 流体流动,第二节 离心沉降,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,(3)压强降,化工原理课件第一章 流体流动,第二节 离心沉降,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,某气流干燥器送出的含尘空气量为10000m3h-1，空气温度为80oC。直径为1m的标准型旋

15、风分离器收集粉尘，粉尘密度1500kgm-3，(1) 分割粒径；(2)直径为15m的颗粒的粒级效率；(3) 压强降。,解：,查80,(1),进口横截面积,进口气速,化工原理课件第一章 流体流动,第二节 离心沉降,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,(2),由图查得 p=0.83=83%,(3),旋风分离器的分类,旋风分离器分类繁多，分类方法也各有不同。 按结构形式可分为：长锥体、圆筒体、扩散式以及旁通式。 我国已定型了多种旋风分离器，制定了标准系列，常用的有CLT、CLT/A、XLP/A、XLP/B 以及 CLK 型等。 对各种型号的旋风分离器一般以圆筒直径 D 来表示其各部分的比例尺寸，详

16、细尺寸及性能指标可查阅有关资料手册。,旋流器：旋风和旋液分离器 旋风分离器：用于气-固体系 旋液分离器：用于液-固体系,旋风分离器的分类,XLP型：一种带旁路的旋风分离器，有 A、B 两种形式。其特点为进气口上沿梢低于筒体顶部，因此含尘气体进入筒体后随之分为两路，较大的颗粒随向下旋转的主流气体运动，沉到筒壁落下；细微粒则随一小部分气体在顶部旋转聚集形成灰环，再随气流经旁路分离室旋转向下并沿壁面落下。这种结构的旋风分离器能促进细粉尘的聚结，故对细粉的分离较高。阻力系数一般为 6-7。,旋风分离器的分类,CLK 型：为扩散式旋风分离器，又称带倒锥体的旋风除尘器，并在锥的底部装有反射屏，反射屏可使已

17、被分离的粉尘沿着锥体与反射屏之间的环缝落入灰斗，有效防止了上升的净化气体重新把粉尘卷起带出，从而提高了除尘效率。适用于捕集粒度在 5-10m 以下的干燥的非纤维颗粒粉尘。阻力系数在 7.5-9 之间。,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,旋风分离器的分类,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预组装,旋风分离器的分类,立管式多管旋风分离器 用带导向叶片的 PDC 型高效分离单管（可多达90根）组装成多管并联的大型旋风分离

18、器，用于处理 600700 的含有微小催化剂颗粒的高温烟气，其临界粒径 dc8.0mm，负荷可达 1500Nm3/min，分离总效率092%。此种型号的旋风分离器已成为石油催化裂化反应的关键设备。,旋风分离器的分类,由许多根(40多根到100根不等)导叶式旋风管并行地垂直安装在两大块隔板之间，公用一个进气室、排气室及排灰室。作为核心部件的旋风管有EPVC型以及新一代的PDC型和PSC型等，管径有50，100，150，250，300mm等系列。工业最常用的250mm旋风管的处理气量为22002600m3/h，在700下的压降不大于10kPa，可基本除净7m细粒，可保证烟气轮机的叶片寿命高达57年

19、以上，烟气排放含尘浓度低于50100mg/m3。,旋风分离器的分类,由许多根(100到300多根不等)切流式旋风管平行地水平或倾斜安装于两个同心圆壳上，构成公用的进气室、排气室及排灰室等。 旋风管可设计成单切入口或多道切向入口，单锥或双锥排尘，还可分别采用扩锥形或分流型排气芯管，结构型式多样以适应不同压降（从1.2kPa到10kPa）和不同效率（从切割粒径小于2m可除净6m到切割粒径在5m左右可除净15m）的需要。,旋液分离器,结构 工作原理 D2出口、底流-增浓液； D1出口、溢流-清液或含微细 颗粒的液体； 结构特点 直径D小， 圆锥部分H长。,小结：,重力：,离心：,作业：2 3 5,知

20、识点: 恒压过滤方程、过滤设备,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 一、基本概念,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,滤浆(料浆)悬浮液,滤液,滤饼(滤渣),过滤介质,操作推动力,压强差,第三节 过滤 一、基本概念,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,1.过滤方式,滤饼过滤,深床过滤,架桥现象,深床过滤,d粒d孔,滤饼:过滤作用,过滤介质:支承作用,2020/9/15,75,化工原理课件第一章 流体流动,2.过滤介质：,第三节 过滤 一、基本概念,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,特性：,多孔,流阻小,机械强度高,耐热、耐腐蚀,分类：,织物介质(滤布),多孔固体介质,堆积介质,

21、5-65um,1-3um,超滤膜,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 一、基本概念,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,3.滤饼种类：,不可压缩滤饼：,当p时,流阻/滤饼厚度const,可压缩滤饼：,当p时,流阻/滤饼厚度,4.助滤剂,防堵、减阻,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 二、床层特性参数,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,滞流运动,滤饼是均匀的， 孔隙率始终不变,垂直的通道， 其当量直径为de,简化：,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 二、床层特性参数,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,1.空隙率:,讨论：,1-：床层中固体颗粒所占的体积,操作时

22、，也为滤饼中的液体分率,d越大，越大；d越小，越小,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 二、床层特性参数,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,2.比表面积:,3.当量直径:,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 三、过滤速度和过滤速率,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,1.过滤速度(u)：,单位时间通过单位过滤面积的滤液体积,m3/(m2s),化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 三、过滤速度和过滤速率,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,2.过滤速率( )：,单位时 间获取的滤液体积,m3/s,过滤速率,化工原理课件第一章 流体流,第三节 过滤 三、过滤速度和过滤

23、速率,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,3.滤饼阻力,令,滤饼比阻,(单位厚度滤饼的阻力,1/m2),滤饼阻力,1/m,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 三、过滤速度和过滤速率,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,4.过滤介质阻力：,过滤速度,滤饼处：,过滤介质处：,总速度：,令,虚拟滤饼厚度,过滤压强差,(当量),化工原理课件第一章 流体流动,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,第三节 过滤 三、过滤速度和过滤速率,说明：,当操作条件和过滤介质一定时，,为常数；,同一介质在不同的过滤操作中,并不相同,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 四、过滤基本方程式,化工原理课

24、件第三章 非均相物系的分离,1.不可压缩滤饼过滤基本方程式,虚拟(当量) 滤液体积,同理：,(过滤速度),(过滤速率),化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 四、基本方程式,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,滤饼面积,：,：料浆的物性,讨论：,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 四、基本方程式,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,单位压强差下的比阻,压缩性指数(s=01),过滤基本方程,适用,可压缩滤饼,不可压缩滤饼,(s=0),2.可压缩滤饼过滤基本方程式,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 四、基本方程式,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,例：已知某悬浮液中

25、固相的质量分率为0.139，固相密度为2200kg/m3，液相为水，每1m3滤饼中含500kg水，其余全为固相。求滤饼体积与滤液体积之比 。,(1)以1m3滤饼为基准。,解：,1m3滤饼中,水：500kg,固体：,体积0.5m3,需要滤浆的质量为,质量1100kg，,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 四、基本方程式,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,生成的滤液质量为,7913.7-500-11006313.7kg,(2)以1kg悬浮液为基准,1kg悬浮液中,水：0.861kg,固体：0.139kg,颗粒体积：,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 四、基本方程式,化工原理课

26、件第三章 非均相物系的分离,每1m3滤饼中含500kg水，即固相体积分率为0.5。,滤饼体积：,滤饼中含水：,则1kg悬浮液生成的滤液质量为,0.861-0.06320.798kg,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 五、恒压过滤,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,特点：,p不变,1.恒压过滤方程式,以,作为变量,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 五、恒压过滤,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,过滤时间,滤液体积,边界条件：,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 五、恒压过滤,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,以,作为变量,过滤时间,滤液体积,边界条件：,化

27、工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 五、恒压过滤,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 五、恒压过滤,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,化工原理课件第一章 流体流,第三节 过滤 五、恒压过滤,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,2.过滤常数,物料特性及过滤压强差决定，,过滤常数,同一滤浆：,反映了过滤介质阻力大小,介质常数,第三节 过滤 五、恒压过滤,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,变化,可压缩:,不可压缩：,均变化,不变, 变化,过滤介质阻力不变，即,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 五、恒压过滤,化工原理课件第三章 非

28、均相物系的分离,例1：已知， p=9.81l03Pa，水 =1.010-3Pas，滤饼不可压缩，过滤介质阻力可忽略。求(1)q=1.5m3/m2时的；(2) =2 时，可再得多少滤液?,解：,(1),(2),化工原理课件第三章 非均相物系的分离,例2：在过滤压强差为0.3MPa条件下，利用板框压滤机对某药物悬浮液进行恒压过滤，过滤面积21m2,得到不可压缩滤饼，且滤饼体积与滤液体积之比为0.018。已知当过滤压强差为0.1 MPa而其它操作条件相同时，该压滤机的过滤常数qe=0.0217 m3/m2，e=2.81 s。试求当所得滤饼体积为0.26m3时，所获得的滤液体积及所需的过滤时间。,解：

29、,滤液体积,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,P0.1 MPa时,P0.3 MPa时,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 六、恒压过滤常数的测定,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,1.恒压下 的测定：,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 六、恒压过滤常数的测定,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,第三节 过滤 六、恒压过滤常数的测定,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 六、恒压过滤常数的测定,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 六、恒压过滤常数的测定,化工原理课件第三章 非均相

30、物系的分离,2. 的测定：,画图,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 七、过滤设备,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 七、过滤设备,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,1.板框压滤机,间歇式,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,板 框 结 构,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 七、过滤设备,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,过滤阶段,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 七、过滤设备,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,洗涤阶段,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,排列方式,第三节 过滤 七、过滤设备,滤液排出

31、方式,洗涤：横穿洗涤法,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 七、过滤设备,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,型号：,B M S 20/635-25,板框压滤机,明流式,(A暗流式),手动压紧,(Y液压压紧),框厚25mm,框内每边长635mm,过滤面积20m2,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 七、过滤设备,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,2.叶滤机,洗涤：置换洗涤法,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 七、过滤设备,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,3.转筒真空过滤机,连续式,结 构,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,转筒及分配头：,化工原理课件第一章 流体流动,第三节 过滤 七、过滤设备,化工原理课件第三章 非均相物系的分离,工作原理,1-7,过滤区,8-10 吸干区,f槽,滤液通路,11 不工作区,不与任何凹槽相连,12-13,洗涤区,14 吸干区,g槽,洗