非均相物系的分離

1、第三章非均相物系的分離教學(xué)目的：1、掌握重力沉降和離心沉降的操作原理和基本公式2、沉降室的結(jié)構(gòu)，沉降室的生產(chǎn)能力，旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)和工作原理教學(xué)重點(diǎn)：1、重力沉降和離心沉降的操作原理。教學(xué)內(nèi)容：1、重力沉降；2;重力沉降設(shè)備；3、離心沉降；離心沉降設(shè)備系：一個(gè)集體。分散系：一種物質(zhì)或幾種物質(zhì)的微粒分散到另一種物質(zhì)里形成的混合物，我們把這種混合物叫做分散系。包括:分散質(zhì)和分散劑。分散質(zhì)和分散系都可為固、液、氣。根據(jù)分散質(zhì)粒徑不同可分為：d10-9溶液10-9d10-7膠體10-7d懸濁液、乳濁液溶液：小分子或離子，質(zhì)為：固液氣，均一穩(wěn)定，單相，膠體：大分子或小分子集合，大分子穩(wěn)定，小分子較穩(wěn)定，

2、大分子單相，小分子多相粗分：大分子集合，懸固，乳液，不均一不穩(wěn)定，多相。懸濁液：固體小顆粒懸浮于液體里形成的混合物，外形特征：渾濁，不透明，不均一，不穩(wěn)定，固體小顆粒是由很多分集合而成，由于固體小顆粒的密度比水大，因此懸濁液相：在同一個(gè)系統(tǒng)中具有相同物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)的一類混合物叫作相。根據(jù)分散關(guān)系可分為：均相與非均相。非均相混合物的特點(diǎn)是體系內(nèi)包含一個(gè)以上的相，相界面兩側(cè)物質(zhì)的性質(zhì)完全不同，如由固體顆粒與液體構(gòu)成的懸浮液、由固體顆粒與氣體構(gòu)成的含塵氣體等。這類混合物的分離就是將不同的相分開，通常采用機(jī)械的方 法。非均相混合物的特點(diǎn)是體系內(nèi)包含一個(gè)以上的相，相界面兩側(cè)物質(zhì)的性質(zhì)完全不同，如由固

3、體顆粒與液體構(gòu)成的懸浮液、由固體顆粒與氣體構(gòu)成的含塵氣體等。這類混合物的分離就是將不同的相分開，通常采用機(jī)械的方法。含塵和含霧的氣體屬于氣態(tài)非均相混合物。懸浮液，乳濁液及泡沫液屬于液態(tài)非均相混合物。非均相物系中處于分散狀態(tài)的物質(zhì)稱為分散物質(zhì)或分散相。例：氣體中的塵粒。非均相物系中處于連續(xù)狀態(tài)的物質(zhì)稱為分散介質(zhì)或連續(xù)相。例：氣態(tài)非均相物系中的氣體。非均相物系分離的目的：1）回收分散物質(zhì) 2 ）凈制分散介質(zhì)3)勞動(dòng)保護(hù)和環(huán)境衛(wèi)生非均相物系分離的常用方法：沉降法過濾法對(duì)于含塵氣體：液體洗滌除塵法點(diǎn)除塵法第一節(jié)沉降一、固體顆粒在流體中的沉降運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象1.顆粒沉降運(yùn)動(dòng)中的受力分析固體顆粒在真空中自由降落時(shí)

4、，只受重力的作用。但是微粒在靜止的流體中降落時(shí)，不但受重力的作用，同時(shí) 還受到流體的浮力和阻力作用。(1)當(dāng)固體處于流體中時(shí)，只要兩者的密度有差異，則在重力場(chǎng)中顆粒將在重力方向與流體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)；在 離心力場(chǎng)中與流體在離心力方向上作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。直徑為d的球形顆粒受到的重力為：f =2d3Psg(N)；其中，為顆粒密度。6(2)顆粒處于流體中，無論運(yùn)動(dòng)與否，都會(huì)受到浮力。當(dāng)流體處于重力場(chǎng)中，顆粒受到的浮力等于：F1 =-d3Pg(N)；6(3)兩種阻力：包括表皮阻力和形體阻力。當(dāng)顆粒速度很小時(shí)，流體對(duì)球的運(yùn)動(dòng)阻力主要是粘性摩擦或表皮d的球形顆粒:阻力。若速度增加，便有旋渦出現(xiàn)，即發(fā)生邊界層分離，表皮

5、阻力讓位于形體阻力。阻力大小的計(jì)算仿照管路阻力的計(jì)算，即認(rèn)為阻力與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的平方成正比。對(duì)于直徑為uo 二d2(N)R 二242 .沉降速度與阻力系數(shù)二、重力沉降重力場(chǎng)中，顆粒在流體中受到重力、浮力和阻力，這些力會(huì)使顆粒產(chǎn)生一個(gè)加速度，根據(jù)牛頓第二定律：重力 -浮力-阻力=顆粒質(zhì)量X加速度。當(dāng)顆粒在流體中做均速運(yùn)動(dòng)時(shí),:u0二d224 =0事實(shí)上，顆粒從靜止開始作沉降運(yùn)動(dòng)時(shí)，分為加速和均速兩個(gè)階段。速度越大阻力越大，加速度越小零；加速度為零時(shí)顆粒便作均速運(yùn)動(dòng)，其速度稱為沉降速度。一般而言，對(duì)小顆粒，加速階段時(shí)間很短，通常忽略，可以認(rèn)為沉降過程是均速的。令顆粒所受合力為零，便可解出沉降速度：

6、_ 4d ：s - ： guo 一 3：解得：3(1)其它因素對(duì)沉降速度的影響：上述計(jì)算沉降速度的方法，是在下列條件下建立的：顆粒為球形；顆粒沉顆粒直徑不能小到受流體分子運(yùn)動(dòng)的影降時(shí)彼此相距較遠(yuǎn)，互不干擾；容器壁對(duì)沉降的阻滯作用可以忽略；球形黑粒翻的阻力系數(shù)響。在一定條件下，上述各種因素都可能會(huì)對(duì)沉降過程產(chǎn)生影響，詳情參見教材。（4）阻力系數(shù)：使用式（1）或（2）計(jì)算沉降速度首先要知道阻力系數(shù)，通過因次分析法可知它是顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)雷c du0 pRe0 二諾數(shù)的函數(shù)：k=f（Re0）,而 N 。計(jì)算Re0時(shí)d應(yīng)為足以表征顆粒大小的長度，對(duì)球形顆粒而言，自然是它的直徑。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出的阻力

7、系數(shù)與雷諾的關(guān)系如圖所示，其變化規(guī)律可以分成四段，用不同的公式表示。 第一段的表達(dá)式是準(zhǔn)確的，其它幾段是近似的。二二 u d2 :s .：gC- U0 uC-U0c- c層流區(qū)一一Re0 0.3Re0 18；可以近似用到Re0=2。過渡區(qū)（Allen 區(qū)）一一2 （Re。2叼05后，二驟然下5在Re。=（310/105范圍內(nèi)可近似取=0.（5）公式使用方法如果事前能夠上確認(rèn)沉降動(dòng)處在哪個(gè)區(qū)，則直接就用該區(qū)的公式進(jìn)行計(jì)算。如果不能確定流動(dòng)處在哪個(gè)區(qū)，則應(yīng)采用試法：即先假定流動(dòng)處于層流區(qū)，用Stokes公式求出沉降速度U0,然后再計(jì)算雷諾數(shù) Re0 ;如果Re0 2,便改用相應(yīng)的公式計(jì)算 U0,新

8、算出的U0也要檢驗(yàn)，直到確認(rèn)所用的公式正確為止。通過實(shí)驗(yàn)整理數(shù)據(jù)得到:Ar 斯一18 06Ar(3)d3： ：s，gAr其中Ar稱為阿基米德準(zhǔn)數(shù)，根據(jù)Re0反算出沉降速度U0上述公式，若將重力加速度改為離心加速度，則都可用于離心力場(chǎng)中沉降速度的計(jì)算。二、重力沉降設(shè)備降塵室。計(jì)算時(shí)先根據(jù)已知條件計(jì)算Ar ,然后由式（3）計(jì)算Re0 ,最后Stokes定律，沉降操作中所涉及的顆粒一般都很小，Re。通常在0.3以內(nèi)，故該式很常用。(1)工作原理:如圖所示，氣體入室后，因流通截面擴(kuò)大而速度減慢。氣流中的塵粒一方面隨氣流沿水平方向運(yùn)動(dòng)，其速度與氣流速度u相同；另一方面在重力作用下以沉降速度u。垂直向下運(yùn)

9、動(dòng)。只要?dú)怏w室內(nèi)所經(jīng)歷時(shí)間大于塵粒從室頂沉降到室底所用時(shí)間，塵粒便可分離出來。(2)能被除去的最小顆粒直徑：顯然，粒子直徑越大，越容易被除去。下面考慮如何確定能被作去的最小顆粒直徑。前已述及，某一粒徑的粒子能100蹴除去的條件是其從室頂沉降到室底所需要時(shí)間小于氣流在室內(nèi)的停留時(shí)間，前者可用該粒子的室高除以沉降速度而得；而后者由室長除以氣流速度而得:HBu VsLBA。H . LHuU0 -u。 u 即L其中Vs為以氣體體積流量表示的處理量，m3/s ; A0為降塵室的底面積，力。該式給出了顆粒能被除去的條件，即其沉降速度要大于處理量與底面積之商。顯然，該式取等號(hào)式時(shí)對(duì)應(yīng)著能被除去的最小顆粒(因

10、為考慮的是最小顆 粒直徑，所以可以認(rèn)為沉降運(yùn)動(dòng)處于層流區(qū))gMinlPs ： Vs d _18Vs(5)二一0一=70min 一再不再說明：顯然，能被(100%除去的最小顆粒尺寸不僅與顆粒和氣體的性質(zhì)有關(guān)，還與處理量和降塵室底面積有關(guān)。(3)最大處理量：由式(4)可知，Vs WA0U0,由此可以計(jì)算含塵氣體的最大處理量。說明含塵氣體的最大處理量與某一粒徑對(duì)應(yīng)的，是指這一粒徑及大于該粒徑的顆粒都能100麻除去時(shí)的最大氣體量；最大的氣體處理量不僅與粒徑相對(duì)應(yīng)，還與降塵室底面積有關(guān)，底面積越大處理量越大，但處理量與高度無 關(guān)。為此，降塵室都做成扁平形；為提高氣體處理量，室內(nèi)以水平隔板將降塵室分割居若

11、干層，稱為多層降塵室。 隔板的間距應(yīng)考慮出灰的方便。(4)補(bǔ)充說明：氣體在降塵室內(nèi)流通截面上的均布非常重要，分布不均必須有部分氣體在室內(nèi)停留時(shí)間過 短，其中所含顆粒來不及沉降而被帶出室外。為使氣體均布，降塵室進(jìn)出口通常都做成錐形；為防止操作過程中 已被除下的塵粒又被氣流重新卷起，降塵室的操作氣速往往很低；另外，為保證分離效率，室底面積也必須較大。 因此，降塵室是一種龐大而低效的設(shè)備，通常只能捕獲大于50 Mm的粗顆粒。要將更細(xì)小的顆粒分離出來，就必須采用更高效的除塵設(shè)備。離心分離一、離心作用下的沉降速度顆粒在離心力場(chǎng)作用下，受到離心力的作用而沉降的過程稱為離心沉降。懸浮在流體中的微粒，利用離心

12、力比利用重力可以使微粒的沉降速度增大很多，這是因?yàn)殡x心力由旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生，旋轉(zhuǎn)的速度愈大則離心力也愈大；而微粒在重力場(chǎng)中所受重力是一個(gè)定值。因此，將微粒從懸浮物系中分離時(shí)，利用離心力比利用重力有效的多。同時(shí)，利用離心力作用的分離設(shè)備不僅可以分離較小的微粒，而且設(shè)備的體積可以 縮小。與重力沉降速度相比，只是將重力場(chǎng)改為離心場(chǎng)。顆粒做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，使其方向不斷改變的力稱為向心力。顆粒的慣性卻促使它脫離軌道而沿切線方向飛出，此慣性力稱為離心力。離心力與向心力大小相等，方向相反。離心力 C = mar = mu； / rr 旋轉(zhuǎn)半徑m 顆粒質(zhì)量ar 離心加速度ut 顆粒的切線速度顆粒在沉降方向上所受的力有：

13、21）慣性離心力c = 一 d3 ：s曳6 r TOC o 1-5 h z 22）浮力Fi=_d3：曳6 rPu2.二 2 Pu23）阻力R = A 0 = d20 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 242：分散介質(zhì)白密度巳懸浮在介質(zhì)中球形微粒的密度d顆粒直徑當(dāng)顆粒作等速沉降時(shí)u0沉降速度c F - R電這時(shí)ut 切線速度一 2424當(dāng)Re 2時(shí)，沉降屬于層流區(qū)域，這時(shí)=一 =-Re duo:這時(shí)_d2(：s-7)ut218 r(m/s)離心沉降設(shè)備顆粒在重力或離心力場(chǎng)中都可發(fā)生沉降過程。利用離心力比利用重力要有效得多，因?yàn)轭w粒的離心力由旋轉(zhuǎn)而

14、產(chǎn)生，轉(zhuǎn)速越大，則離心力越大；而顆粒所受的重力卻是固定的。因此，利用離心力作用的分離設(shè)備不僅可以分離 出比較小的顆粒，而且設(shè)備的體積也可縮小很多。1 .旋風(fēng)分離器(1)構(gòu)造與工作原理：旋風(fēng)分離器是利用離心沉降原理從氣流中的設(shè)備。如圖所示，上部為圓筒形、下部為圓錐形；含塵氣體從圓筒 進(jìn)氣管以切線方向進(jìn)入，藉此來獲得器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。氣體在器內(nèi)按 向器底旋轉(zhuǎn)，到達(dá)底部后折而向上，成為內(nèi)層的上旋的氣流，稱為氣 部的中央排氣管排出。氣體中所夾帶的塵粒在隨氣流旋轉(zhuǎn)的過程中， 大，受離心力的作用逐漸沉降到器壁，碰到器壁后落下，滑向出灰口。旋風(fēng)分離器各部分的尺寸都有一定的比例，只要規(guī)定出其中一個(gè)圓筒直徑D或進(jìn)

15、氣口寬度B,則其它各部分的尺寸亦確定。(2)分離性能估計(jì)能被分離出的最小顆粒直徑一一臨界直徑dc :要時(shí)間小于等于氣體在器內(nèi)的有效停留時(shí)間，即B 18/rmB .2rrmN9B上式如果取等號(hào)，就是恰好能100分離出來的顆粒直徑，以 dc表示。其中氣體在器內(nèi)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)N經(jīng)常取5?？梢?，臨界直徑不僅與顆粒和氣體的性質(zhì)有關(guān)，而且與旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)和處理量有關(guān)。處理量越小(Ui越小)、顆粒密度越大、進(jìn)口越窄、長徑比越大(N越大)，則臨界直徑越小，或者說越容易分離。導(dǎo)出該式的假定很勉強(qiáng)，故只屬粗略估計(jì)。(3)選型與計(jì)算一般用圓筒直徑D表示其它部分的尺寸比例。2 .旋液分離器旋液分離器是一種利用離心力從液流

16、中分離固體顆粒的設(shè)備。第三節(jié) 過濾教學(xué)目的：1掌握過濾操作的基本概念，恒壓過濾的意義，過濾設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)。2離心機(jī)的構(gòu)造、分類和操作原理。教學(xué)重點(diǎn)：過濾的基本原理和基本操作教學(xué)內(nèi)容：1、過濾的分類；2、過濾介質(zhì)；3、過濾設(shè)備；4;離心分離；5、氣體的其他凈制設(shè)備。分離出顆粒螺旋形路線芯，然后從頂由于密度較主要尺寸，如一）濾餅過濾與深層過濾濾餅過濾懸浮液中的顆粒沉積在過濾介質(zhì)表面形成濾餅層，濾液穿過濾餅層中的空隙流動(dòng)叫做濾餅過濾。深層過濾固體顆粒不形成濾餅，而是沉積在過濾介質(zhì)內(nèi)部叫做深層過濾。通常將原懸浮液稱為濾漿，濾漿中的固體顆粒稱為濾渣，過濾時(shí)積聚在過濾介質(zhì)上的濾渣層稱為濾餅，通過過濾介質(zhì)的

17、液體稱為濾液。二）過濾介質(zhì)過濾介質(zhì)的作用是支承濾餅，故除有孔隙外，還應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度及盡可能小的阻力。工業(yè)上常用的過濾介質(zhì)有：織物介質(zhì)：天然纖維、化學(xué)纖維、玻璃絲、金屬絲織成的濾網(wǎng)。多孔性固體介質(zhì)：多孔性陶瓷板，多孔性塑料板，多孔性金屬陶瓷板等，此類介質(zhì)能截留小至1-3 Nm的固體顆粒。堆積介質(zhì)：細(xì)沙、石、炭屑等堆積的顆粒床層及非編織纖維玻璃棉等的堆積層。一般用于處理含固體微粒少的懸浮液，如水的凈化。三）過濾推動(dòng)力過濾推動(dòng)力是指濾餅和過濾介質(zhì)兩側(cè)的壓力差。此壓力差可以是重力或人為壓差。增加過濾推動(dòng)力的方法有：1、增加懸浮液本身的液柱壓力，一般不超過50KN/m2,稱為重力過濾。2、增加懸浮

18、液液面的壓力，一般可達(dá)500KN/m2稱為加壓過濾。3、在過濾介質(zhì)下面抽真空，通常不超過真空度86.6KN/m2,稱為真空過濾。此外，過濾推動(dòng)力還可以用離心力來增大，稱為離心過濾。四）過濾基本參數(shù)處理量、生產(chǎn)能力、生產(chǎn)率、過濾面積、懸浮液固相濃度、濾餅含液量、濾餅與濾液的體積比、過濾速率、過濾速度五）濾餅的可壓縮性不可壓縮濾餅：由剛性顆粒形成的濾餅，在過濾過程中顆粒形狀和顆粒間的空隙率保持不變。如：晶體、碳酸鈣、碳酸鈉、硅酸鈉、硅膠、硅藻土等。可壓縮濾餅：由非剛性顆粒形成的濾餅，在壓強(qiáng)差作用下會(huì)變形。例如：膠狀的氫氧化鋁、氫氧化銘和水化物沉淀。六）助濾劑當(dāng)懸浮液中顆粒很細(xì)時(shí)、很容易堵死過濾介質(zhì)或所形成的濾餅在過濾的壓力差作用下，空隙很小，阻力很大，過濾很難。這時(shí)可用助濾劑，常用的有硅藻土、珍珠巖、石棉等。七）過濾速度是指單位時(shí)間內(nèi)、通過單位過濾面積的濾液體積，用符號(hào)U表不。九）A設(shè)備過濾面積過濾操作階段濾餅的洗滌(m3 /m2.s)：.過一時(shí)間間隔 V過一通過過濾面積的濾液量過濾一一洗滌一一去濕一一卸料目的：回收濾液或得到較純凈的固體顆粒 十）過濾機(jī)的生產(chǎn)能力及影響因素（1）用單位時(shí)間內(nèi)所能得到的濾液量來表示V V VVh -一、七十丁洗+7輔工七Vh過一過濾機(jī)的生產(chǎn)能力/3(m /h)個(gè)操作周期中所得濾液量（m3）個(gè)操作