非均相物系的分離

第三章：非均相物系的分離本章學(xué)習(xí)指導(dǎo)1本章學(xué)習(xí)目的通過本章的學(xué)習(xí)，要重點(diǎn)掌握沉降和過濾這兩種機(jī)械分離操作的原理、過程計(jì)算、典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)與特性，能夠根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，合理選擇設(shè)備類型和尺寸。2

本章應(yīng)掌握的內(nèi)容

a

沉降分離（包括重力沉降和離心沉降）的原理、過程計(jì)算、旋風(fēng)分離器的選型。

b

過濾操作的原理、過濾基本方程式推導(dǎo)的思路，恒壓過濾的計(jì)算、過濾常數(shù)的測定。1）重力沉降：微粒借本身的重力在介質(zhì)中沉降而獲得分離。2）離心分離：利用微粒所受離心力的作用將其從介質(zhì)中分離。亦稱離心沉降。此法適用于較細(xì)的微粒懸浮體系。3）過濾：使懸浮體系通過過濾介質(zhì)，將微粒截留在過濾介質(zhì)上而獲得分離。4）濕法凈制：使氣相中含有的微粒與水充分接觸而將微粒除去。5）電除塵：使懸浮在氣相中的微粒在高壓電場內(nèi)沉降。概述

常用分離方法：

重力沉降一、顆粒的特性1．直徑（大?。?1)

球形顆粒

—比表面積，（2）非球形顆粒令

則—（體積）當(dāng)量直徑1．形狀系數(shù)（形狀）(1)

定義形狀系數(shù)（球形度）：顆粒當(dāng)量表面積與其實(shí)際表面積之比，即(1)

球形顆粒(2)

非球形顆粒二、顆粒群的特性1．粒度分布（粒徑分布）(1)

定義：不同粒徑范圍內(nèi)所含粒子的個(gè)數(shù)或質(zhì)量測定方法標(biāo)準(zhǔn)篩法，透射電鏡法，2．平均粒徑以球形顆粒為例，則

流體以一定的速度繞過靜止顆粒時(shí)，或者固體顆粒在靜止流體中移動時(shí)，流體對顆粒的作用力——阻力Fd

A—顆粒在運(yùn)動方向上的投影，dp2u—相對運(yùn)動速度—阻力系數(shù)，=（Re）=（dpu/）（實(shí)驗(yàn)測定）層流區(qū)：Re2， =24/Re ──Stokes區(qū)過渡區(qū)：Re=2—500，

──Allen區(qū)湍流區(qū)：Re=500--2105， ≌0.44 ──Newton區(qū)沉降

顆粒和流體相對運(yùn)動時(shí)所受到的阻力

：重力沉降球形顆粒的自由沉降

：自由沉降──對于單一顆粒在流體中的沉降或者顆粒群充分地分散、顆粒間互不影響，不致引起相互碰撞的沉降過程。1．加速階段——沉降開始時(shí)，顆粒初速度為零， 顆粒受重力和浮力的作用，合力不為零， 產(chǎn)生加速度。2．勻速階段——隨著速度加快，阻力增加，當(dāng)合力為零時(shí)，顆粒將發(fā)生勻速運(yùn)動，勻速階段中顆粒相對于流體的運(yùn)動速度稱為沉降速度ut.重力沉降球形顆粒的自由沉降

：重力：浮力：阻力：

整理后得：在du/dt=0，u=ut

由牛頓第二定理F=ma

Fg-Fb-Fd=mdu/dt

FbFdFg重力沉降球形顆粒的自由沉降

：=（Re），將不同的帶入ut，可得各種流動狀態(tài)下的ut的計(jì)算式：

層流區(qū)：Re2，過渡區(qū)：Re=2—500，湍流區(qū)：Re=500--2105，可見： ut=f（dp，p，），dp，p↑，ut↑

↑，ut↓（層流區(qū)，過渡區(qū)）重力沉降球形顆粒的自由沉降

：適合范圍：光滑的球形顆粒。影響沉降速度ut的因素：1〉顆粒形狀，偏離球形約大，阻力越大；通過沉降速度用沉降速度計(jì)算公式來求出當(dāng)量球徑;2〉顆粒濃度不太高<0.2%，假設(shè)自由沉降<1%.3〉壁面效應(yīng)，沉降速度較自由沉降速度??；4〉分子運(yùn)動，d<2~3μm5〉液滴和氣泡的變形6〉其它，如顆粒p不均勻。重力沉降氣體降塵設(shè)備：用于分離大顆粒塵LHWutuVs在降塵室中，顆粒停留時(shí)間=L/u

沉降時(shí)間=H/ut

分離條件——L/u≥H/ut由于塵粒中，顆粒粒徑不相同，故定義一種粒子，其停留時(shí)間=沉降時(shí)間，即可以100%除去的最小粒徑——臨界粒徑dpc與臨界粒徑dpc相對應(yīng)的臨界沉降速度（又稱表面負(fù)荷qo）當(dāng)塵粒沉降速度處于層流區(qū)時(shí)，

表明：1、大于dpc的塵粒能100%除去；2．降塵室的處理能力只取決于降塵室的底面積，與高度H無關(guān)。重力沉降懸浮液的沉聚過程：懸浮液的沉聚過程；屬重力沉降，在沉降槽中進(jìn)行。固體顆粒在液體中的沉降過程，大多屬于干擾沉降。比固體顆粒在氣體中自由沉降阻力大。隨著沉聚過程的進(jìn)行，Ａ，Ｄ兩區(qū)逐漸擴(kuò)大，Ｂ區(qū)這時(shí)逐漸縮小至消失。在沉降開始后的一段時(shí)間內(nèi)，Ａ，Ｂ兩區(qū)之間的界面以等速向下移動，直至Ｂ區(qū)消失時(shí)與Ｃ區(qū)的上界面重合為止。此階段中ＡＢ界面向下移動的速度即為該濃度懸浮液中顆粒的表觀沉降速度。表觀沉降速度不同于顆粒的沉降速度，因?yàn)樗穷w粒相對于器壁的速度，而不是顆粒相對于流體的速度。等濃度Ｂ區(qū)消失后，ＡＣ界面以逐漸變小的速度下降，直至Ｃ區(qū)消失，此時(shí)在清液區(qū)與沉聚區(qū)之間形成一層清晰的界面，即達(dá)到“臨界沉降點(diǎn)”,此后便屬于沉聚區(qū)的壓緊過程。Ｄ區(qū)又稱為壓緊區(qū)，壓緊過程所需時(shí)間往往占沉聚過程的絕大部分。

重力沉降懸浮液的沉聚過程：間歇式；需處理的懸浮液料漿送入槽內(nèi)，靜置足夠時(shí)間后，即由上部抽出清液而由底口排出稠厚的沉渣。連續(xù)式：（沉降槽的直徑幾米至幾百米）。底流：排出的稠漿稱為底流。

懸浮液的沉降 連續(xù)沉降離心沉降離心分離因數(shù)：依靠離心力的作用，使流體中顆粒產(chǎn)生沉降運(yùn)動——稱離心沉降。重力使小顆粒的沉降速度小，但離心力比重力大千、萬倍。懸浮液旋轉(zhuǎn)軸角速度圓筒旋轉(zhuǎn)時(shí)角速度

=2N/60

N—轉(zhuǎn)數(shù)/min忽略重力時(shí)，離心力Fc=ma=mr

2≌mrN2/100可見，N↑，F(xiàn)c↑離心分離因數(shù)Kc=r2/g≌rN2/900離心分離因數(shù)Kc是表示離心力大小的指標(biāo)，離心設(shè)備分離性能的基本參數(shù)。離心沉降離心沉降速度：當(dāng)顆粒在離心場中沉降時(shí)，徑向上所受的力：離心力

浮力（指向中心）

阻力（指向中心）

在三力達(dá)到平衡時(shí)，離心力－浮力－阻力=0離心沉降速度離心沉降離心沉降速度：離心沉降速度重力沉降速度與重力沉降速度公式相比，只是將g換成r2。不同的是：在一定的條件下重力沉降速度ut是定值，而離心沉降速度ur隨徑向位置的不同而變化。一般而言，離心沉降用于小顆粒。小顆粒所受的阻力處于層流區(qū)，即=24/Re，可見，在層流區(qū)離心沉降速度ur與r成正比，在離心沉降過程中，ur隨r增大而增大。分離因數(shù)Kc:同一顆粒在同種介質(zhì)中的離心沉降速度與重力沉降速度的比值。分因數(shù)是離心設(shè)備的重要指標(biāo)

離心沉降旋風(fēng)分離器：構(gòu)造與操作臨界粒徑——指能100%分離除去的最小顆粒粒徑。推導(dǎo)臨界粒徑時(shí)的三個(gè)假設(shè)條件下：（1）進(jìn)氣嚴(yán)格作螺旋形等速運(yùn)動，有效旋轉(zhuǎn)圈數(shù)n=5，切向速度等于進(jìn)口速度ui；（2）顆粒向壁沉降，必須穿約厚為b的氣流層，方能到達(dá)壁面；（b為入口之寬度）

（3）顆粒的沉降運(yùn)動服從stokes定律。

離心沉降旋風(fēng)分離器：壓力損失（1）旋風(fēng)分離器的尺寸都是D的倍數(shù)，所以為常數(shù)，與D無關(guān)。只要進(jìn)口氣速ui相同，不管多大的旋風(fēng)分離器，其p都相同。（2）小型分離器的b小，dpc小，所以工業(yè)上，用若干個(gè)小型分離器組來代替一個(gè)大的分離器，可提高分離效率。（3）旋風(fēng)分離器的壓力損失一般為1~2kPa。過濾

過濾──是以某種多孔物質(zhì)為介質(zhì)來處理懸浮液的操作：在外力的作用下，懸浮液中的液體通過介質(zhì)的孔道而固體顆粒被截留下來，從而實(shí)現(xiàn)固、液分離。濾漿濾餅，濾渣過濾介質(zhì)濾液p1p2過濾方式：（1）深層過濾——又稱澄清過濾。條件：懸浮液含顆粒小，而含量少（液體中顆粒的體積0.1%）時(shí)，可用床層較厚的過濾介質(zhì)進(jìn)行過濾。由于dp介質(zhì)孔隙直徑，當(dāng)懸浮顆粒進(jìn)入床層間細(xì)長而彎曲的孔道時(shí)，靠靜電及分子力的作用而附在孔道壁上，過濾介質(zhì)床層上面沒有濾餅形成。

（2）濾餅過濾條件：dp介質(zhì)孔隙直徑，床層上形成濾餅；dp介質(zhì)孔隙直徑，但床層內(nèi)有“架橋現(xiàn)象”；在濾餅層沒有完全形成之前，部分顆粒會隨濾液一起流走。在濾餅層形成成為有效的過濾介質(zhì)后，得到澄清液。適用于顆粒含量較多（液體中顆粒的體積0.1%）時(shí)架橋現(xiàn)象 過濾示意圖過濾過濾介質(zhì)：作用——使液體通過而截留固體顆粒。選擇——根據(jù)液體的性質(zhì)（酸、堿性），顆粒含量及粒度，操作p，T，介質(zhì)機(jī)械強(qiáng)度等（1）織布介質(zhì)——棉、麻、絲、毛制的濾布，金屬絲網(wǎng)濾布；可截留5~65m的顆粒。（2）堆積的粒狀介質(zhì)——砂、木炭等，用于深層過濾，（3）多孔性介質(zhì)——陶瓷、塑料、金屬等粉末燒結(jié)成型的多孔性板狀、管狀介質(zhì)，可截留1~3m的微細(xì)顆粒。助濾劑：使用前提——顆粒細(xì)，容易堵死過濾介質(zhì)的孔隙；所形成的濾餅在壓差的作用下，孔隙變小，阻力增大，使過濾困難。作用——將某種質(zhì)地堅(jiān)硬的另一種固體混入懸浮液或予涂于過濾介質(zhì)上，以形成疏松餅層，使濾液暢流。這種固體稱助濾劑。常用助濾劑——硅藻土，珍珠巖，石棉，炭粉等；添加量為顆粒量的0.5%以下。

過濾固體量、濾液量與濾渣量的關(guān)系：固體量為1（質(zhì)量），密度p

濕濾渣為C（質(zhì)量），密度c

濕濾渣中含液量為C-1（質(zhì)量），密度

濕濾渣體積=固體體積+液體體積

X—單位質(zhì)量懸浮液中所含固體質(zhì)量；CX—單位質(zhì)量懸浮液可得濾渣量；1-CX—單位質(zhì)量懸浮液可得濾液量；單位體積濾液相對應(yīng)的固體質(zhì)量：

過濾過濾基本方程：描述濾液量隨時(shí)間的變化關(guān)系

：過濾速率（dV/dθ）：單位時(shí)間內(nèi)濾過的濾液體積，[m3/s]；過濾速度（dV/Adθ

）：單位時(shí)間內(nèi)通過單位過濾面積的濾液體積，[m/s]。過濾操作的特點(diǎn)——隨過濾操作的進(jìn)行，濾餅厚度↑，阻力↑。恒壓過濾：若維持過濾在一定的壓差下操作，則過濾速率必定不斷下降；恒速過濾：若要保持一定的濾速，則必須增加壓差，以克服過濾阻力；一般情況下，間歇操作的過濾機(jī)，先非恒壓恒速后恒壓下操作； 連續(xù)操作的過濾機(jī)，都在恒壓下操作。過濾1．濾餅層阻力：濾液流過濾餅孔道流速較小，屬層流，其流速表達(dá)式如下：由于濾餅層中孔道的平均長度l∝濾餅厚度L，∝單位面積上濾餅質(zhì)量V/A；設(shè)毛細(xì)孔平均直徑d，對一定性質(zhì)的濾餅應(yīng)是定值，歸入常數(shù)項(xiàng)。對不可壓縮濾餅可寫成：

濾餅阻力：Rc=rV/A

指獲得V體積濾液所形成單位面積上干濾餅質(zhì)量為V/A時(shí)的濾餅阻力。r——濾餅的比阻，[m/kg]；表示單位過濾面積的干濾餅質(zhì)量為1kg/m2時(shí)的阻力。過濾2．介質(zhì)阻力：Rm=rVe/A

：過濾介質(zhì)阻力看成獲得當(dāng)量體積Ve的濾液所形成的濾餅層阻力。3．過程總阻力：R=Rc+Rm=r（V+Ve）/A

過濾速率 必須積分才能找出V~

關(guān)系。

恒壓過濾 1．濾液體積與過濾時(shí)間的關(guān)系（V~）

過濾恒壓過濾：令：K=2p/r

qe=Ve/A

q=V/A

則：q2+2qqe=K

過濾常數(shù)K、qe由實(shí)驗(yàn)測定2．過濾常數(shù)K、qe的測定由于各種懸浮液的性質(zhì)、濃度不同，其過濾常