化工原理 非均相物質(zhì)分離

第3章非均相物系的分離(fēnlí)

3.1概述精品資料什么叫沉降？什么是過濾？在我國廣大西部農(nóng)村，農(nóng)民不僅喝不上礦泉水、自來水，連大河的水也喝不上。水中含有許多泥沙，只好澄清后，才可用作飲用水和生活用水。泥沙在水中的澄清就是沉降。農(nóng)民家里都有一個(gè)(yīɡè)水缸，水缸就是一個(gè)(yīɡè)沉降槽。清水(qīnɡshuǐ)沉降池精品資料濾藥渣(yàozhā)一般家庭里，吃中藥是傳統(tǒng)而有效的治病方法。熬完中藥之后，總要將藥渣(yàozhā)濾去，才可以喝。濾藥渣(yàozhā)，就是一個(gè)過濾操作。這就是我們生活中的沉降和過濾。精品資料自來水廠的主要(zhǔyào)流程自來水廠水的凈化分三步，第一步是絮凝過程，也可以叫反應(yīng)(fǎnyìng)過程。在流動中使水中的雜質(zhì)顆粒絮凝長大；第二步是沉降。沉降池是使大顆粒得以除去。第三步是砂濾。砂濾池，進(jìn)一步用900mm厚砂層，將小顆粒雜質(zhì)濾去。精品資料圖中蘭色粗管是來自黃浦江的原料水，條形(tiáoxínɡ)池子是絮凝池，左側(cè)池是沉降池。自來水廠全貌(quánmào)精品資料自來水廠沉降(chénjiàng)池這是沉降(chénjiàng)池。圖為絮凝之后的水，是從沉降(chénjiàng)池底部流入，到池子上部水已很清了。精品資料1.混合物的分類(fēnlèi)均相物系（空氣，N2、H2、O2…；）（下冊討論）混合物氣態(tài)非均相物系空氣+塵土非均相物系液態(tài)非均相物系水+塵土分散相（分散物質(zhì)）：處于分散狀態(tài)(zhuàngtài)的物質(zhì)。連續(xù)相（分散介質(zhì)）：包圍著分散物質(zhì)而處于連續(xù)狀態(tài)(zhuàngtài)的流體。在日常生活中，水泥廠上空總是粉塵飛揚(yáng)，火力發(fā)電廠的煙囪時(shí)不時(shí)也是黑煙滾滾，這些就是污染環(huán)境的含粉塵氣體。如何去除排放氣體中的粉塵呢？這就是本章要解決的非均相物系分離的問題。精品資料混合物的分離(fēnlí)操作非均相均相篩分(shāifēn)沉降過濾液體蒸餾氣體吸收液液萃取非均相混合物的分離：如沉降與過濾等，對物系作功，利用混合物密度、尺寸等物性差異將其分離均相混合物的分離：加入熱量和溶劑使其成為兩相共存，利用混合物組分在兩相中性質(zhì)上的差異（如溶解度、揮發(fā)度等）使組分在相間轉(zhuǎn)移，從而將其分離機(jī)械分離S-S（固相分隔），S-L（懸浮液），S-G（含塵氣體）L-L（乳濁液），L-G（含霧氣體），S-L-G（三相）傳質(zhì)分離精品資料2.非均相混合物的分離(fēnlí)方法沉降分離顆粒相對于流體(靜止或運(yùn)動)運(yùn)動而實(shí)現(xiàn)懸浮物系分離的過程.在重力場中，顆粒自上而下運(yùn)動稱為重力沉降。在離心力場中，顆粒自旋轉(zhuǎn)中心向外沿運(yùn)動稱為離心沉降。機(jī)械分離過濾(guòl(fā)ǜ)流體相對于固體顆粒床層運(yùn)動而實(shí)現(xiàn)固液分離的過程.濕法凈制“洗滌”氣體.靜電除塵高壓直流電場中，帶電粒子定向運(yùn)動，聚集分離。精品資料3.非均相混合物分離(fēnlí)的目的

①收集分散物質(zhì)--例如從結(jié)晶器排出的母液中分離出晶粒；②凈化分散介質(zhì)--例如除去含塵氣體中的塵粒；③環(huán)境保護(hù)與安全生產(chǎn)--因此(yīncǐ)，非均相物系的分離，在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的意義。精品資料3.2顆粒(kēlì)及顆粒(kēlì)床層的特性精品資料3.2顆粒(kēlì)及顆粒(kēlì)床層的特性3.2.1顆粒的特性3.2.2顆粒床層的特性3.2.3流體通過(tōngguò)床層流動的壓降精品資料3.2.1顆粒(kēlì)的特性1.單一顆粒(kēlì)特性（1）球形顆粒

球形粒子通常用直徑(粒徑)表示其大小.球形顆粒的體積V=πd3/6［m3］

球形顆粒的面積S=πd2［m2］

比表面積(單位體積顆粒具有的表面積)a=S/V=6/d［m2/m3］（2）非球形顆粒

當(dāng)量直徑de與形狀系數(shù)φs

體積當(dāng)量直徑de

實(shí)際顆粒的體積等于球形顆粒的體積

(Vp=πde3/6

)

球形顆粒非球形顆粒精品資料形狀系數(shù)(球形度)φs--表征顆粒的形狀與球形的差異(chāyì)程度.φs=S/Sp精品資料非球形顆粒(kēlì)Vp=πde3/6［m3］Sp=πde2/φs［m2］ap=6/deφs［m2/m3］精品資料2.顆粒(kēlì)群的特性非均一性粒子（多分散性粒子）--由大小不同的粒子組成的集體。單一性粒子（單分散性粒子）--具有同一粒徑的顆粒。（1）粒度分布粒度分布不同粒徑范圍內(nèi)所含粒子的個(gè)數(shù)或質(zhì)量(zhìliàng).篩分分析法:泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩.篩過量:通過篩孔的顆粒量.篩余量:截留于篩面上的顆粒量.篩號(目數(shù))：每英寸長度篩網(wǎng)上的篩孔數(shù)目。精品資料精品資料（2）顆粒的平均(píngjūn)粒徑平均(píngjūn)比表面積直徑di-1didi+1di+2精品資料3.2.2顆粒(kēlì)床層的特性1.床層空隙(kòngxì)率:單位體積床層中的空隙體積表明：床層堆積的松散程度；

ε↑，空隙越大，床層越松散；

ε對流體流過床層的阻力影響很大。精品資料②影響床層空隙率的因素（a）裝填(zhuānɡtián)方法：干裝濕裝（b）顆粒特性(tèxìng)的影響顆粒形狀：靠壁面處：粒徑分布：精品資料

2.床層的比表面ab:單位(dānwèi)床層體積具有的顆粒表面積精品資料3.床層的自由(zìyóu)截面積（各向同性）床層截面上未被顆粒占據(jù)的,流體(liútǐ)可自由通過的面積；特點(diǎn):床層截面上可供流體(liútǐ)通過的自由截面積(即空隙截面)與床層截面之比在數(shù)值上等于空隙率。精品資料3.2.3流體(liútǐ)通過床層流動的壓降1.床層的簡化(jiǎnhuà)模型簡化模型:床層中不規(guī)則的通道假設(shè)成長度為L,當(dāng)量直徑為de的一組平行細(xì)管,并規(guī)定:(1)細(xì)管的全部流動空間等于顆粒床層的空隙體積；(2)細(xì)管的內(nèi)表面積等于顆粒床層的全部表面積。精品資料2.流體(liútǐ)通過床層壓降的數(shù)學(xué)描述精品資料3.模型參數(shù)的實(shí)驗(yàn)(shíyàn)測定(1)康采尼(Kozeny)實(shí)驗(yàn)(shíyàn)結(jié)果Reb<2(2)歐根(Ergun)實(shí)驗(yàn)結(jié)果0.17<Reb<330Reb<20,層流，第二項(xiàng)忽略Reb>1000,湍流，第一項(xiàng)忽略精品資料沉降：重力沉降（重力場）；離心沉降（慣性離心力）流體－固體顆粒間的相對運(yùn)動需要：①二者之間有密度差；②外力場，如重力場或離心力場。密度差越大，力場越強(qiáng)，沉降過程(guòchéng)越有效。從固體粒子受力角度，沉降可以分為重力沉降與離心沉降。流體－固粒相對運(yùn)動是流體力學(xué)的繞流問題，著眼點(diǎn)在固體顆粒。3.3沉降(chénjiàng)分離精品資料3.3.1重力(zhònglì)沉降1.沉降速度（1）球形顆粒（表面光滑剛性球）的自由沉降顆粒密度，直徑d，流體(liútǐ)密度ρ重力浮力阻力A—投影截面積A=πd2/4u—顆粒相對于流體(liútǐ)的降落速度，m/s精品資料Fg－Fb－Fd=ma精品資料（2）阻力(zǔlì)系數(shù)10-4<Ret<1，層流(cénɡliú)區(qū)

Stokes斯托克斯定律區(qū)

1<Ret<103，過濾區(qū)

Allen艾倫定律區(qū)

103<Ret<2×105，湍流區(qū)

Nuwton牛頓定律區(qū)

精品資料精品資料（3）影響(yǐngxiǎng)沉降速度的因素1.流體的黏度2.顆粒的體積分?jǐn)?shù)顆粒體積分?jǐn)?shù)<0.2%，Ut計(jì)算偏差<1%顆粒體積分?jǐn)?shù)>0.2%和更高，干擾沉降（后續(xù)介紹）3.器壁效應(yīng):容器的壁面和底面增加(zēngjiā)顆粒沉降的曳力,顆粒的實(shí)際沉降速度小于自由沉降速度。

精品資料顆粒形狀的影響:球形及近球形顆粒速度比球形顆?？煨?/p>

當(dāng)量直徑de：de是與一個(gè)(yīɡè)顆粒體積相等的圓球的直徑。

精品資料（4）沉降速度的計(jì)算(jìsuàn)試差法①假設(shè)(jiǎshè)服從Stokes定律，由值；

②由ut核算如果10-4<Ret<1，計(jì)算有效結(jié)束.如果Ret不在上述范圍，重新假設(shè)(jiǎshè).③假設(shè)(jiǎshè)服從艾侖定律，由，

按上述步驟試差,直至滿足假設(shè)(jiǎshè)精品資料摩擦(mócā)數(shù)群法（查圖法）①計(jì)算(jìsuàn)ut精品資料②一定介質(zhì)中具有某一沉降速度ut的顆粒(kēlì)直徑d

③無因次數(shù)群K值判斷流型當(dāng)Ret=1時(shí)，K=2.62，斯托克斯區(qū)的上限(shàngxiàn)K=2.62艾侖區(qū)2.62＜K＜69.2當(dāng)Ret=1000時(shí)，K=69.6，牛頓區(qū)的下限K＞69.2

精品資料精品資料2.重力(zhònglì)沉降設(shè)備（1）降塵(jiàngchén)室降塵室：氣流中分離塵粒的設(shè)備。設(shè)：l—降塵室的長度，m；H—降塵室的高度，m；b—降塵室的寬度，m；u—?dú)怏w通過的水平速度，m/s；Vs—降塵室的生產(chǎn)能力，m3/s；精品資料沉降時(shí)間：氣流通過時(shí)間：滿足降塵要求(yāoqiú)：氣體水平速度：精品資料（2）多層降層室優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，阻力小缺點(diǎn)：體積龐大，分離效率(xiàolǜ)低，d＞50um顆?？蛇x用預(yù)除塵n層水平隔板的多層降層室的生產(chǎn)能力:精品資料沉降(chénjiàng)除塵室動畫精品資料煙道(yāndào)除塵動畫精品資料湍球塔除塵(chúchén)動畫精品資料（3）沉降(chénjiàng)槽沉降槽：提高懸浮液濃度并得到澄清液體的重力(zhònglì)沉降設(shè)備、增濃器或澄清器。（4）分級器精品資料連續(xù)(liánxù)沉降槽動畫精品資料3.3.2離心(líxīn)沉降ρs與ρ相差小離心沉降：依靠慣性(guànxìng)離心力的作用而實(shí)現(xiàn)的沉降過程.粒徑較細(xì)旋風(fēng)分離器—?dú)?固離心沉降旋液分離器或沉降離心機(jī)—液-固1.慣性(guànxìng)離心力作用下的沉降速度球形顆粒在水平面上作曲率半徑為r的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，顆粒受力：慣性(guànxìng)離心力=顆粒在R處的切向速度，m/s；

精品資料向心力=為顆粒排開流體的質(zhì)量，可視為顆粒在離心力場中所受的“浮力(fúlì)”；流體阻力=為顆粒在徑向上的速度，m/s。精品資料如果顆粒所受各力達(dá)到平衡，則顆粒在徑向上相對于流體的速度便是它在r位置(wèizhi)處的離心沉降速度，即：精品資料討論(tǎolùn):①層流時(shí):

②重力沉降uT，離心沉降urKc=5～2500之間當(dāng)旋轉(zhuǎn)半徑R=0.4m,切向速度uT=20m/sKc==102離心沉降分離效果比重力沉降好。精品資料2.旋風(fēng)分離器的操作(cāozuò)原理精品資料旋風(fēng)(xuànfēng)分離器動畫精品資料3.旋風(fēng)(xuànfēng)分離器的性能臨界粒徑dc主要性能指標(biāo)分離效率壓強(qiáng)降（1）臨界粒徑dc定義：理論上在旋風(fēng)分離器中能被完全分離下來的最小顆粒直徑.dc的計(jì)算(jìsuàn)式條件:①螺旋形運(yùn)動—等速運(yùn)動，切向速度等于進(jìn)口氣速ui；②顆粒向壁沉降時(shí)，必須穿過整個(gè)進(jìn)氣寬度B的氣流層，方能到達(dá)壁面分離；③顆粒在層流情況下作自由沉降。精品資料令氣流的有效旋轉(zhuǎn)圏數(shù)為，器內(nèi)運(yùn)行距離則停留時(shí)間:

當(dāng)，顆粒為理論(lǐlùn)上能被空氣分離下來的最小粒徑。—臨界粒徑，則精品資料①②D，處理氣量，旋風(fēng)(xuànfēng)分離器并聯(lián)使用。③標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)(xuànfēng)分離器=5（2）分離效率

精品資料粒級效率：顆粒尺寸范圍分成n個(gè)小段，第i小段平均粒徑為C1，i進(jìn)口氣體(qìtǐ)第i小段顆粒的濃度，g/m3C2，i出口氣體(qìtǐ)第i小段顆粒的濃度，g/m3

粒級效率曲線曲線曲線—標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器分割粒徑：分離粒級效率恰好為50%的顆粒直徑。

精品資料—粒徑在i小段范圍內(nèi)的顆粒占全部顆粒的質(zhì)量分率;—第i小段粒徑范圍內(nèi)顆粒的粒級效率(xiàolǜ);n—全部粒徑被劃分的段數(shù).精品資料（3）壓強(qiáng)(yāqiáng)降摩擦阻力—進(jìn)氣管、排氣管、主體器壁壓強(qiáng)降局部阻力—流動動能損失—?dú)怏w旋轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生—阻力系數(shù)；—系數(shù)同一結(jié)構(gòu)型式及尺寸比例；=8標(biāo)準(zhǔn)(biāozhǔn)旋風(fēng)分離器；=500～2000Pa=10～25m/s精品資料4.旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)(jiégòu)型式及選用精品資料（1）XLT/A型（2）XLP型精品資料（3）擴(kuò)散式選用：含塵氣體的體積流量要求達(dá)到的分離效率(xiàolǜ)允許的壓強(qiáng)降選用方法：Page164[例3-7]精品資料5.旋液分離器

結(jié)構(gòu)工作(gōngzuò)原理D2—出口、底流增濃液；D1—出口、溢流清液或含微細(xì)顆粒的液體；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)直徑D小，圓錐部分H長。精品資料文丘里除塵器動畫精品資料靜電除塵器動畫精品資料沉降主要用于氣-固分離，過濾則主要用于液-固分離。過濾是液-固分離操作。是在外力作用下，懸浮液中的液體通過介質(zhì)的孔道，而固體顆粒則截留(jiéliú)在介質(zhì)上。介質(zhì)可以是濾布或?yàn)V網(wǎng)。這就是過濾。通過了介質(zhì)的液體稱為濾液。截留(jiéliú)在介質(zhì)上的固體，形成了濾餅。過濾前的懸浮液稱為濾漿。過濾分為(fēnwéi)恒速過濾和恒壓過濾。一般用得較多的是恒壓過濾。其典型設(shè)備是板框過濾機(jī)，板框過濾機(jī)有批量生產(chǎn)。3.4過濾精品資料3.4.1過濾(guòl(fā)ǜ)操作的基本概念過濾(guòl(fā)ǜ)：液體通過顆粒床層的流動。過濾(guòl(fā)ǜ)介質(zhì)：多孔物質(zhì)--濾布、濾紙。濾漿或料漿：處理的懸浮液。濾液：通過多孔通道的液體。可壓縮濾餅濾餅：被截留的固體物質(zhì)。不可壓縮濾餅過濾(guòl(fā)ǜ)操作的外力：重力、壓強(qiáng)差、慣性離心力。精品資料1.過濾方式餅層過濾：架橋現(xiàn)象(xiànxiàng)（固相含量高,固相體積分?jǐn)?shù)1%以上）深床過濾：污水砂層過濾（固相含量低,固相體積分?jǐn)?shù)0.1%以下）膜過濾:精密分離技術(shù)(微孔過濾和超濾).2.過濾介質(zhì)織物介質(zhì):濾布過濾介質(zhì)堆積介質(zhì):細(xì)砂、石棉、硅藻土深床過濾多孔固體介質(zhì)：陶瓷、多孔型料。精品資料3.濾餅的壓縮(yāsuō)性和助濾劑可壓縮(yāsuō)濾餅濾餅的壓縮(yāsuō)性不可壓縮(yāsuō)濾餅剛性顆粒助濾劑：預(yù)混或預(yù)涂的粒狀物質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性不可壓縮(yāsuō)性篩孔的三種排列(páiliè)方式精品資料兩種過濾(guòl(fā)ǜ)方式精品資料3.4.2過濾(guòl(fā)ǜ)基本方程式過濾基本方程式描述過濾速率(或過濾速度)與過濾推動力、過濾面積、料漿性質(zhì)、介質(zhì)特性及濾餅厚度等相互關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式.分析濾液(lǜyè)通過濾餅層流動的特點(diǎn);數(shù)學(xué)方程式描述濾液(lǜyè)的流動;本節(jié)要點(diǎn):分析強(qiáng)化過濾操作的途徑;過濾計(jì)算.1.濾液(lǜyè)通過餅層的流動（1）濾液(lǜyè)通過餅層流動的特點(diǎn)①濾液(lǜyè)通道細(xì)小曲折，形成不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；②過濾進(jìn)行，濾餅厚度增加，流動阻力加大，過濾屬非穩(wěn)態(tài)操作；③液固接觸面大，濾液(lǜyè)的流動大都在層流區(qū)．（2）濾液(lǜyè)通過餅層流動的數(shù)學(xué)描述－－康采尼方程式

精品資料2.過濾(guòl(fā)ǜ)速率和過濾(guòl(fā)ǜ)速度單位時(shí)間通過單位過濾(guòl(fā)ǜ)面積的濾液體積－－過濾(guòl(fā)ǜ)速度m/s單位時(shí)間獲得的濾液體積－－過濾(guòl(fā)ǜ)速率[m3/s]過濾(guòl(fā)ǜ)速度是單位過濾(guòl(fā)ǜ)面積上的過濾(guòl(fā)ǜ)速率。任一瞬時(shí)過濾(guòl(fā)ǜ)速度過濾(guòl(fā)ǜ)速率為

式中Ｖ－濾液量，m3Ａ－過濾(guòl(fā)ǜ)面積，m2θ－過濾(guòl(fā)ǜ)時(shí)間，s

康采尼方程式精品資料3.濾餅的阻力不可壓縮濾餅，ε為常數(shù)；顆粒的形狀與尺寸不變，a為常數(shù)．

r—反應(yīng)顆粒的特性－比阻，[1/m2]

r比阻反映(fǎnyìng)顆粒形狀、尺寸及床層空隙率對濾液流動的影響。精品資料4.過濾(guòl(fā)ǜ)介質(zhì)的阻力精品資料5.過濾(guòl(fā)ǜ)的基本方程式—濾餅(lǜbǐnɡ)體積與相應(yīng)的濾液體積之比，[m3/m3]精品資料不可壓縮濾餅(lǜbǐnɡ)s=0,恒壓過濾過濾操作是在恒定壓強(qiáng)下進(jìn)行。過濾恒速過濾精品資料3.4.3恒壓過濾(guòl(fā)ǜ)①ΔP恒定，濾餅變厚，阻力增加,過濾速率降低(jiàngdī);恒壓過濾②若為常數(shù)，—表現(xiàn)過濾物料特性的常數(shù)，m4/N.s或m2/Pa.s③恒壓過濾k、A、s、Ve常數(shù)精品資料兩式相加恒壓過濾(guòl(fā)ǜ)方程式精品資料討論：①θe為虛擬過濾時(shí)間，θe與虛擬過濾體積Ve之間的關(guān)系；②過濾介質(zhì)(jièzhì)阻力可忽略，Ve=0，θe=0；③令

精品資料④過濾(guòl(fā)ǜ)常數(shù)⑤介質(zhì)(jièzhì)阻力忽略，精品資料3.4.