教學(xué)培訓(xùn)課件第三章非均相物系的分離

第三章非均相混合物的分離3.1概述1混合物的分類均相混合物(物系)：物系內(nèi)部各處物料性質(zhì)均勻，無相界面。例：混合氣體、溶液。

非均相混合物(物系)：物系內(nèi)部有隔開的相界面存在，而在相界面兩側(cè)的物料性質(zhì)截然不同的物系。例：含塵氣體、懸浮液、乳濁液、泡沫液。非均相物系◆分散相(分散物質(zhì))：處于分散狀態(tài)的物質(zhì)。氣體中塵粒、懸浮液中的顆粒、乳濁液中的液滴。◆連續(xù)相(分散介質(zhì))：包圍著分散相，處于連續(xù)狀態(tài)的物質(zhì)。含塵氣體中的氣體、懸浮液中的液體。2021/7/91第三章非均相混合物的分離2021/7/91均相混合物的分離：吸收、蒸餾。2非均相混合物的分離方法非均相混合物的分離：利用分散相、連續(xù)相物理性質(zhì)不同(ρ不同)→機(jī)械方法沉降、過濾。①顆粒相對流體（靜止或運(yùn)動）運(yùn)動而實(shí)現(xiàn)懸浮液物系的分離的過程稱為沉降分離。②流體相對于固體顆粒床層運(yùn)動而實(shí)現(xiàn)固液分離的過程稱為過濾。（分離液、固混合物）2021/7/92均相混合物的分離：吸收、蒸餾。2021/7/922021/7/932021/7/932021/7/942021/7/943非均相混合物分離的目的：①回收分散物質(zhì)（氣流干燥器，催化反應(yīng)器）②凈制分散介質(zhì)（催化反應(yīng)保證催化劑的活性）③勞動保護(hù)和環(huán)保的需要。

3.2顆粒及顆粒床層的特性3.2.1顆粒的特性1單一顆粒特性1）球形顆粒（通常用直徑（粒徑）表示大小。）體積表面積比表面積2021/7/953非均相混合物分離的目的：體積表面積比表面積2021/7/2）非球形顆粒（1）體積當(dāng)量直徑（令實(shí)際顆粒的體積等于當(dāng)量球形顆粒的體積）（2）形狀系數(shù)（球形度）表征顆粒的形狀與球形的差異程度。Φs——顆粒的球形度，無因次；S——與實(shí)際顆粒體積相等的球形顆粒的表面積，m2；Sp——實(shí)際顆粒的表面積，m2。

對于球形顆粒，Φs=1。顆粒形狀與球形的差異越大，球形度Φs越小。

2021/7/962）非球形顆粒（2）形狀系數(shù)（球形度）Φs——顆粒的球形度，3.2.2顆粒床層的特性1床層空隙率影響空隙率的因素有顆粒的大小，形狀和粒徑分布等。球形度越小，空隙率越大。振動也可改變空隙率?？障堵蚀?，則流體通過床層的壓降小。2床層的比表面積（單位床層體積具有的顆粒表面積）3.3沉降分離沉降：在某種力(重力、離心力)作用下，利用連續(xù)相與分散相的密度差異，使之發(fā)生相對運(yùn)動而分離的操作。（分離氣、固混合物）a-顆粒的比表面積2021/7/973.2.2顆粒床層的特性影響空隙率的因素有顆粒的大小，形狀3.3.1重力沉降重力沉降：由地球引力(重力)作用而發(fā)生的沉降過程。1

沉降速度1)

球形顆粒的自由沉降

(重力，向下)(浮力，向上)

(阻力，向上)2021/7/983.3.1重力沉降1沉降速度(重力，向下)(浮力，向當(dāng)u增加到某一定數(shù)值時，F(xiàn)g、Fb、Fd達(dá)平衡，即∑F=0，a=0，顆粒開始作勻速沉降運(yùn)動，此時顆粒相對于流體的運(yùn)動速度稱為顆粒的自由沉降速度，用ut表示。

①

層流區(qū)或斯托克斯區(qū)

②

過渡區(qū)或艾倫區(qū)

③

湍流區(qū)或牛頓區(qū)

2）阻力系數(shù)2021/7/99當(dāng)u增加到某一定數(shù)值時，F(xiàn)g、Fb、Fd達(dá)平衡，即∑F=0，（1）層流區(qū)：

（非常重要）稱斯托克斯公式

（2）過渡區(qū)：

又稱艾倫公式

（3）湍流區(qū)：

又稱牛頓公式

由于沉降操作涉及的顆粒直徑都較小，沉降通常處于層流區(qū)，因此斯托克斯公式應(yīng)用較多。

2021/7/910（1）層流區(qū)：（非常重要）（2）過渡區(qū)：又稱艾倫公式（3）影響沉降速度的因素

（1）干擾沉降當(dāng)流體中顆粒濃度較大時，顆粒沉降時彼此影響，這種沉降稱為干擾沉降。干擾沉降的速度比自由沉降要小。（2）壁面效應(yīng)當(dāng)顆粒在靠近器壁的位置沉降時，由于器壁的影響，其沉降速度較自由沉降速度小，這種影響稱為壁面效應(yīng)。（3）顆粒形狀的影響顆粒的球形度越小，同一雷諾數(shù)下的阻力系數(shù)越大。P145圖3-22021/7/9113）影響沉降速度的因素2021/7/9114）沉降速度ut的計算（步驟）：（1）假設(shè)沉降屬于某一流型（例如層流區(qū)）；（2）選用相應(yīng)公式計算ut；（3）用ut計算Ret，檢驗是否在原假設(shè)的流型區(qū)域內(nèi)。

例3-1

已知固體顆粒的密度為2600kg/m3，大氣壓強(qiáng)為1.013×105Pa，試求直徑為30μm的球形顆粒在30℃大氣中的自由沉降速度。解由附錄查取，30℃，1atm下空氣的物性參數(shù)密度ρ=1.165kg/m3；粘度μ=1.86×10-5Pa·s假設(shè)沉降處于層流區(qū)

校核

與假設(shè)相符，計算結(jié)果有效

2021/7/9124）沉降速度ut的計算（步驟）：例3-1已知固體顆粒的2重力沉降設(shè)備1）降塵室：

降塵室利用重力沉降從含塵氣體中分離出塵粒的設(shè)備。降塵室的作用：用作預(yù)分離器，分離粒徑大于75μm的顆粒。2021/7/9132重力沉降設(shè)備2021/7/913降塵室的長為L，寬度為b，高度為H，含塵氣體通過降塵室的體積流量（降塵室的生產(chǎn)能力）為Vs

顆粒在降塵室中沉降到底所需時間顆粒在降塵室中的停留時間為顆粒被分離的條件為

或降塵室的生產(chǎn)能力Vs僅與其底面積Lb及顆粒的沉降速度ut有關(guān)，而與降塵室的高度H無關(guān)。

2021/7/914降塵室的長為L，寬度為b，高度為H，含塵氣體通過降塵室的體積若降塵室內(nèi)設(shè)置n層水平隔板，則層數(shù)為N=n+1，生產(chǎn)能力為保證氣體流動處于層流區(qū)，以免干擾顆粒沉降2021/7/915若降塵室內(nèi)設(shè)置n層水平隔板，則層數(shù)為N=n+1，生產(chǎn)能力為保若在各種顆粒中，有一種顆粒剛好滿足

=

t的條件，此粒徑稱為降塵室能100％除去的最小粒徑，稱為臨界粒徑，用dpc表示。當(dāng)沉降處于層流區(qū)時

例3-2

：在底面積為40m2的降塵室中回收氣流中的固體顆粒，氣體流量為3600m3/h、固體密度為2650kg/m3、氣流為40℃的空氣，試求理論上能被完全除去的最小顆粒直徑。40℃時空氣的密度為1.128kg/m3,粘度為1.91×10-5Pa·S。2021/7/916若在各種顆粒中，有一種顆粒剛好滿足=t的條件，此粒徑稱為例3-3

降塵室總高4m、寬1.7m、長4.55m，中間等高水平安裝39塊隔板，每小時通過降塵室的含塵氣體為2000m3，氣體的密度為1.6kg/m3（均標(biāo)況），氣體溫度為400℃，壓力為101.3kPa，此時粘度為3×10-5Pa·s，粉塵的密度為3700kg/m3。試求：（1）此降塵室能分離的最小塵粒的直徑；（2）除去6μm顆粒的百分率。P151例3-32）沉降槽沉降槽是利用重力沉降來分離懸浮液，并得到澄清液體的設(shè)備。沉降槽又稱增稠器或澄清槽，可間歇操作也可連續(xù)操作。間歇沉降槽通常是帶有錐底的圓槽，需要處理的懸浮液在槽內(nèi)靜置足夠時間后，增濃的沉渣由槽底排出，清液則由槽上部排出管排出。2021/7/917例3-3降塵室總高4m、寬1.7m、長4.55m，中間等連續(xù)沉降槽的直徑從幾米到數(shù)十米，高度一般2.5米至4米，為了節(jié)省占地面積，可將幾個沉降槽疊在一起構(gòu)成多層沉降槽。2021/7/918連續(xù)沉降槽的直徑從幾米到數(shù)十米，高度一般2.5米至4米，為了3.3.2離心沉降離心沉降：依靠離心力的作用而實(shí)現(xiàn)的沉降過程。1慣性離心力作用下的沉降速度液體：ρ、μ的液體；球形顆粒：ρs、d、m設(shè)顆粒與圓心的距離為r，角速度為ω，切向度為uT

徑向向外徑向向內(nèi)徑向向內(nèi)ur——距中心r處的顆粒在徑向上相對于流體的運(yùn)動速度

2021/7/9193.3.2離心沉降ur——距中心r處的顆粒在徑向上相對于當(dāng)Fc、Fb、Fd三力達(dá)到平衡，有說明：1、ur與旋轉(zhuǎn)半徑R有關(guān)2、ur方向向下3、衡量離心分離性能的指標(biāo)離心分離因數(shù)：2021/7/920當(dāng)Fc、Fb、Fd三力達(dá)到平衡，有說明：1、ur與旋轉(zhuǎn)半Kc是粒子所在位置上的慣性離心力場強(qiáng)度與重力場強(qiáng)度之比。例如旋轉(zhuǎn)半徑R=0.4m，切向速度為uT=20m/s，分離因數(shù)為表明顆粒在上述條件下的離心沉降速度是重力沉降速度的102倍離心沉降一般處理直徑小于50μm的顆粒。

Kc<3000（一般為600~1200）常速離心機(jī)Kc=3000~50000高速離心機(jī)Kc>50000超高速離心機(jī)最新式的離心機(jī)其Kc值可高達(dá)500000以上，用來分離膠體物料及破壞乳狀液。2021/7/921Kc是粒子所在位置上的慣性離心力場強(qiáng)度與重力場強(qiáng)度之比。例2旋風(fēng)分離器的操作原理旋風(fēng)分離器：利用慣性離心力作用，凈制氣體的設(shè)備.結(jié)構(gòu)與操作原理結(jié)構(gòu)：各部分尺寸均與圓筒直徑成比例。操作原理外旋流：下行的螺旋形氣流。外旋流的上部是主要除塵區(qū)內(nèi)旋流：上行的螺旋形氣流。內(nèi)、外旋流氣體的旋轉(zhuǎn)方向相同。旋風(fēng)分離器應(yīng)用：用于除去5μm以上的顆粒。2021/7/9222旋風(fēng)分離器的操作原理結(jié)構(gòu)與操作原理2021/7/9222021/7/9232021/7/923操作特點(diǎn)：①入口速度15～20m/s②除去直徑5μm以上的顆粒，200μm以上的用重力沉降法除去，（減少器壁的磨損），③不適用于處理粘性大、含濕量高、腐蝕性較強(qiáng)的粉塵。3旋風(fēng)分離器的性能1）臨界粒徑臨界粒徑即是指理論上能夠完全被旋風(fēng)分離器分離下來的最小顆粒直徑。臨界粒徑越小，旋風(fēng)分離器的分離性能越好。2）壓力降氣體通過旋風(fēng)分離器而引起的磨擦損失稱為氣體通過旋風(fēng)分離器的壓力降。

2021/7/924操作特點(diǎn)：2021/7/9243）分離效率旋風(fēng)分離器的分離效率有兩種表示方法，一是總效率，以ηo表示；二是粒級效率，以ηi表示。P157總效率是指進(jìn)入旋風(fēng)分離器的全部顆粒中被分離下來的顆粒的質(zhì)量分率

粒級效率是指進(jìn)入旋風(fēng)分離器的直徑為di的顆粒被分離下來的顆粒的質(zhì)量分率

4旋液分離器

旋液分離器又稱水力旋流器，是利用離心沉降原理從懸浮液中分離固體顆粒的設(shè)備，它的結(jié)構(gòu)與操作原理與旋風(fēng)分離器類似。2021/7/9253）分離效率2021/7/9253.4過濾3.4.1過濾操作的基本概念過濾：以某種多孔性物質(zhì)為介質(zhì)，在外力作用下，使懸浮液中的液體通過介質(zhì)的孔道，而固體顆粒被截留在介質(zhì)上，從而實(shí)現(xiàn)懸浮液中固液分離的操作。過濾介質(zhì)：過濾操作采用的多孔物質(zhì)濾漿或料漿：所處理的懸浮液濾液：通過介質(zhì)孔道的液體濾餅或濾渣：被介質(zhì)截留的固體顆粒層2021/7/9263.4過濾2021/7/9261.過濾方式過濾可分為餅層過濾（也稱表面過濾）和深床過濾。餅層過濾：懸浮液置于過濾介質(zhì)的一側(cè)，過濾介質(zhì)常采用的是多孔性織物，

會發(fā)生“架橋”現(xiàn)象

濾餅是有效的過濾介質(zhì)深床過濾：采用砂子等堆積介質(zhì)作為過濾介質(zhì)顆粒靠靜電與表面力附著其上。深床過濾常用于顆粒濃度小（體積分率<0.1%）的場合。

2.過濾介質(zhì)過濾介質(zhì)：濾餅的支承物，有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，相應(yīng)的耐腐蝕性和耐熱性。（1）織物介質(zhì)（2）堆積介質(zhì)（3）多孔固體介質(zhì)2021/7/9271.過濾方式2021/7/9273.濾餅的壓縮性和助濾劑不可壓縮性濾餅：懸浮液中的顆粒具有一定的剛性，所形成的濾餅不受操作壓差的增大而變形。可壓縮性濾餅：懸浮液中顆粒比較軟，所形成的濾餅在壓差的作用下變形，使濾餅中流動通道變小，阻力增大。助濾劑：是一些不可壓縮的粒狀或纖維狀固體。助濾劑的作用：改變?yōu)V餅結(jié)構(gòu)，提高剛性，增加空隙，減少流動阻力。加入助濾劑方法，（1)用助濾劑配成懸浮液，在正式過濾前用它進(jìn)行過濾。（2）將助濾劑混在濾漿中一起過濾。2021/7/9283.濾餅的壓縮性和助濾劑2021/7/9284.過濾過程的推動力過濾過程的推動力可以是重力、離心力或壓力差。重力過濾：依靠重力為推動力的過濾稱為重力過濾。過濾速度慢，僅適用于小規(guī)模、大顆粒、含量少的懸浮液。離心過濾：以離心力作為推動力。過濾速度快，但設(shè)備投資、動力消耗相對較大，多用于顆粒濃度高的懸浮液。壓差過濾：人為地在濾餅上游和濾液出口間造成壓力差，并以此壓力差為推動力減壓過濾（真空過濾）加壓過濾過濾操作周期：過濾、洗滌、卸渣、復(fù)原等基本環(huán)節(jié)組成。2021/7/9294.過濾過程的推動力2021/7/9293.4.2過濾基本方程式過濾速率：單位時間內(nèi)獲得的濾液體積，m3/s。dV/d

過濾速度：單位時間內(nèi)單位過濾面積上獲得的濾液體積，m/s。dV/Ad

過濾基本方程式：描述濾液量V隨著過濾時間

的變化關(guān)系，用來計算一定過濾時間所獲得濾液或濾餅量。

過濾操作特點(diǎn)：濾餅厚度↑，阻力↑若ΔP=constdV/d

↓。如果使dV/d

=const，ΔP必須↑以克服逐漸增大的過濾阻力。

過濾推動力就是壓力差ΔP=ΔPc+ΔPm2021/7/9303.4.2過濾基本方程式過濾操作特點(diǎn)：濾餅厚度↑，阻力↑2r——比例系數(shù)，稱為濾餅的比阻，1/m2；其大小隨著濾漿的性質(zhì)、操作條件等而改變，反映了濾餅的結(jié)構(gòu)特征，一般由實(shí)驗測定。v——濾餅體積與相應(yīng)的濾液體積之比，m3/m3。Ve——過濾介質(zhì)當(dāng)量濾液體積，或稱虛擬濾液體積，m3

3.4.3恒壓過濾1．恒壓過濾方程式ΔP＝const，隨著濾餅的增厚，過濾阻力↑，過濾速率↓

——過濾基本方程式s：壓縮指數(shù)不可壓縮濾餅s=0可壓縮濾餅s≠0(0-1)2021/7/931——過濾基本方程式s：壓縮指數(shù)不可壓縮濾餅s=0對于一定的懸浮液，若濾餅不可壓縮，＝const

過濾時間濾液體積

2021/7/932對于一定的懸浮液，若濾餅不可壓縮，①②③④⑤⑥稱為恒壓過濾方程式，它表明恒壓過濾時濾液體積與過濾時間的關(guān)系為拋物線方程。過濾常數(shù)：

e（s）：當(dāng)量過濾時間Ve（m3）：當(dāng)量濾液量qe（m3/m2）：當(dāng)量濾液量

K（m2/s）：過濾常數(shù)①②③④⑤⑥2021/7/933①②③④⑤⑥稱為恒壓過濾方程式，它表明恒壓過濾時濾液體積與例3-3

實(shí)驗室用葉濾機(jī)對某種懸浮液進(jìn)行恒壓過濾，已測得過濾面積為0.2m2，操作壓差為0.15MPa。現(xiàn)測得，當(dāng)過濾進(jìn)行到10min時，共得到濾液0.002m3，又過濾10min，再得到濾液0.001m3。試求：（1）恒壓過濾的基本方程式；（2）再過濾10min，又能得到多少m3的濾液？2021/7/9342021/7/934

3.4.5過濾常數(shù)測定1、過濾常數(shù)

e、Ve、qe、K實(shí)驗測定在小型實(shí)驗設(shè)備上，在相同條件下，用一種物料進(jìn)行測定，這樣，就可以應(yīng)用到工業(yè)過濾過程的計算。

2021/7/9352021/7/935問題：Δp與過濾常數(shù)K的關(guān)系不可壓縮濾餅可壓縮濾餅：2、實(shí)驗測s2021/7/936問題：Δp與過濾常數(shù)K的關(guān)系不可壓縮濾餅可壓縮濾餅：3.4.6過濾設(shè)備按操作方式：連續(xù)式和間歇式兩大類按照產(chǎn)生壓差的方式不同：壓濾機(jī)、吸濾機(jī)、離心過濾機(jī)。1.板框壓濾機(jī)由多塊帶有凸凹紋路的濾板和濾框交替排列而成，用支架架在橫梁上，用壓緊裝置壓緊。過濾板為一鈕，框為二鈕，洗滌板為三鈕。明流：若濾液經(jīng)由每塊濾板底部側(cè)管直接排出暗流：將各板流出的濾液匯集于總管排出2021/7/9373.4.6過濾設(shè)備2021/7/937過濾時，濾漿在操作壓力下由濾漿通道由濾框角端的暗孔進(jìn)入框內(nèi)濾液分別橫穿過2021/7/938過濾時，濾漿在操作壓力下由濾漿通道由濾框角端的暗孔進(jìn)入框內(nèi)濾如果濾餅需要洗滌，將洗滌水壓入到洗水通道，經(jīng)由洗滌板角端的暗孔進(jìn)入板面與濾布之間。P1792021/7/939如果濾餅需要洗滌，將洗滌水壓入到洗水通道，經(jīng)由洗滌板角端的暗主要部件：濾框、濾板--洗滌板37

排列方式：濾板和濾框交替排列，個數(shù)可調(diào)。

操作方式：間歇操作

操作周期：裝合→過濾→洗滌→卸渣→整理

洗滌方式：橫穿洗滌法優(yōu)點(diǎn)：操作靈活，過濾面積大，可承受較大壓力；

缺點(diǎn)：勞動強(qiáng)度大，操作不連續(xù)。2021/7/940主要部件：濾框、濾板--洗滌板372.加壓葉濾機(jī)

葉濾機(jī)屬于間歇式過濾機(jī)。由長方形或圓形的濾葉組成。濾葉由金屬絲網(wǎng)制成，覆以濾布，插入盛濾漿的密閉機(jī)殼內(nèi)，以便進(jìn)行加壓過濾。洗滌：洗滌時洗滌水所通過的路徑與過濾時濾液的路徑相同。洗滌后打開機(jī)殼上蓋，拔出濾葉卸除濾餅。濾漿2021/7/9412.加壓葉濾機(jī)濾漿2021/7/941主要部件：機(jī)殼，濾葉

操作方式：間歇操作

操作周期：過濾→洗滌→卸渣

洗滌方式：置換法

3轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)P1801、結(jié)構(gòu)和工作原理主要部件