第三章非均相机械分离华南理工大学化工原理

化工原理第三章非均相物系的机械分离第一节概述混合物依据各组分之间的分散度可划分为均相混合物和非均相混合物两大类。其中非均相混合物由分散相和连续相两部分组成：前者指处于分散状态的物质,如分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡等；后者指包围着分散相物质且处于连续状态的流体,如气态非均相物系中的气体，液态非均相物系中的连续液体等。本章主要探讨非均相混合物的机械分离。一、非均相混合物的分离在工业中的应用非均相混合物的分离在工业生产中主要应用于以下几点：1.回收有用的分散相如收集粉碎机、沸腾及喷雾干燥器等设备出口气流中夹带的物料；收集蒸发设备出口气流中带出的药液雾滴；回收结晶器中晶浆中夹带的颗粒；回收催化反应器中气体夹带的催化剂,以循环应用等。2.净化连续相除去药液中无用的混悬颗粒以便得到澄清药液；将结晶产品与母液分开；除去空气中的尘粒以便得到洁净空气；除去催化反应原料气中的杂质，以保证催化剂的活性等。3.环境保护和安全生产近年来,工业污染对环境的危害愈来愈明显，利用机械分离的方法处理工厂排出的废气、废液，使其浓度符合规定的排放标准，以保护环境；去除容易构成危险隐患的漂浮粉尘以保证安全生产。第一节概述二、非均相混合物的分离方法非均相混合物通常采用机械的方法分离，即利用非均相混合物中分散相和连续相的物理性质(如密度、颗粒形状、尺寸等)的差异，使两相之间发生相对运动而使其分离。根据两相运动方式的不同，机械分离可有两种操作方式，沉降和过滤。1.沉降沉降是在外力作用下使颗粒相对于流体(静止或运动)运动而实现分离的过程。沉降操作的外力可以是重力(称为重力沉降),也可以是惯性离心力(称为离心沉降)。此外对于含尘气体的分离还有过滤净制、湿法及电净制等方法。2.过滤过滤是流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程。过滤操作的外力可以是重力、压差或惯性离心力。因此过滤操作又分为重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤等。详见下表：第一节概述第二节沉降沉降是指在某种力场中利用分散相和连续相之间的密度差异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程，分为重力沉降和离心沉降两大类。一、重力沉降重力沉降是依据重力作用而发生的沉降过程。一般用于气、固混合物和混悬液的分离。它是利用混悬液中的分散相即固体颗粒的密度大于连续相即浸提液的密度而使颗粒沉降达到分离。1.自由沉降和沉降速度以固体颗粒在流体中的沉降为例进行分析，颗粒的沉降速度与颗粒的形状有很大关系，为了便于理论推导，先分析光滑球形颗粒的自由沉降速度。1.1球形颗粒的自由沉降速度颗粒在静止流体中沉降时，不受其它颗粒的干扰及器壁的影响，称为自由沉降。较稀的混悬液或含尘气体中固体颗粒的沉降可视为自由沉降。第二节沉降如图3-1所示。一个表面光滑的刚性球形颗粒置于静止流体中，当颗粒密度大于流体密度时，颗粒将下沉，若颗粒作自由沉降运动，在沉降过程中，颗粒受到三个力的作用：重力，方向垂直向下；浮力，方向向上；阻力，方向向上。设球形颗粒的直径为,颗粒密度为,流体的密度为,则重力、浮力和阻力分别为:pd图3-1静止流体中颗粒受力示意图ppdgFbFdF第二节沉降（3-1）（3-2）（3-3）式中为沉降颗粒沿沉降方向的最大投形面积，对于球形颗粒，，m2；为颗粒相对于流体的降落速度，m/s；为沉降阻力系数。对于一定的颗粒与流体，重力与浮力的大小一定，而阻力随沉降速度而变。根据牛顿第二定律有：当颗粒开始沉降的瞬间，u为零,阻力也为零,加速度a为其最大值；颗粒开始沉降后，随着u逐渐增大，阻力也随着增大，直到速度增大到一定值后，重力、浮力、阻力三者达到平衡，加速度a为零；此时颗粒做匀速运动的速度即称为沉降速度，用表示，单位为m/s。即有：（3-4）2/4pAd36gppFdg36bpFdg22duFAAumaFFFdbgtutu0dbgFFF第二节沉降联立（3-1）、（3-2）、（3-3）和（3-4）整理得（3-5）4()3pptgdu式（3-5）称为沉降速度表达式（参见教材P135式3-26）。对于微小颗粒，由于沉降的加速阶段时间很短，可忽略，因此，整个沉降过程可以视为加速度为零的匀速沉降过程。在这种情况下可直接将该式用于重力沉降速率的计算。的确定较为复杂，该值与雷诺数有关，但二者间数学函数式目前理论上还难以确定，一般通过经验关联式和实验数据来确定，见图3-2。pepduR第二节沉降图3-2所示阻力曲线可依据不同运动状态范围划分为三个区域：a)滞流区：2,又称斯托斯克斯(stokes)定律区(3-6）b)过渡区：2500,又称艾伦（Allen）定律区(3-7)c)湍流区：5002×105,又称牛顿（Newton）定律区(3-8)epRepRepR图3-2沉降阻力系数关系曲线图-1p=24Re0.618.5Rep0.442()18pptgdu0.6()0.269pptepgduR()1.74pptgdu第二节沉降1.2非球形颗粒的自由沉降非球形颗粒的几何形状及投影面积A对沉降速度都有影响。颗粒向沉降方向的投影面积A愈大，沉降阻力愈大，沉降速度愈慢。一般地,相同密度的颗粒，球形或近球形颗粒的沉降速度大于同体积非球形颗粒的沉降速度。非球形颗粒几何形状与球形的差异程度，用球形度表示，即一个任意几何形体的球形度，等于体积与之相同的一个球形颗粒的表面积与这个任意形状颗粒的表面积之比。当体积相同时，球形颗粒的表面积最小，因此，球形度值越小，颗粒形状与球形的差异越大，阻力系数ζ愈大，当颗粒为球形时，球形度为1。在计算沉降速率时，非球形颗粒的大小可用当量直径表示，所谓当量直径即就是与颗粒等体积球形颗粒的直径。spSS第二节沉降2.重力沉降设备及其生产能力2.1降尘室:就是利用重力沉降的作用从含尘气体中除去固体颗粒的设备，其结构如3-3所示。含尘气体进入降尘室后，流通截面积扩大，速度降低，使气体在降尘室内有一定的停留时间。若在这个时间内颗粒沉到了室底，则颗粒就能从气体中除去。要保证尘粒从气体中分离出来，则颗粒沉降至底部所用时间必须小于等于气体通过沉降室的时间。气体气体进口出口集灰斗图3-3降尘室LB气体uHut颗粒在降尘室中的运动第二节沉降设为降尘室所处理的含尘气体的体积流量，即降尘室的生产能力，颗粒运动的水平速度同于气体用u表示，颗粒的沉降速度为ut，则颗粒水平通过沉降室的停留时间为L/u，垂直沉降时间为H/ut，那么颗粒能沉降分离出来的条件为：（3-9）又由于u=qv/A=qv/BH,故有H/ut≤BLH/qv，即有：（3-10）式（3-10）就是降尘室生产能力的计算公示。该式表明：降尘室生产能力只与降尘室的底面积及颗粒的沉降速度有关，而与降尘室高度H无关。所以降尘室一般采用扁平的几何形状，或在室内添加多层隔板,形成多层降尘室如图3-4所示,以提高其生产能力和除尘效率。降尘室结构简单，但设备庞大、效率低，只适用于分离粗颗粒（一般指直径75μm以上的颗粒），或作为预分离设备。tHLuuvqvtqBLu第二节沉降图3-4多层隔板降尘室1-隔板；2，3-调节阀门；4-除灰口加料清液溢流水平清液挡板耙稠浆图3-5连续式沉降槽第二节沉降2.2沉降槽：属于处理悬浮液的重力沉降设备，也称增稠器，分间歇式、半连续式和连续式三种。在化工生产中常用连续操作的沉降槽如图3-5所示，它是一个带锥形底的圆池，悬浮液由位于中央的进料口加至液面以下，经一水平挡板折流后沿径向扩展，随着颗粒的沉降，液体缓慢向上流动，经溢流堰流出得到清液，颗粒则下沉至底部形成沉淀层，由缓慢转动的耙将沉渣移至中心，从底部出口排出。间歇沉降槽的操作过程是将装入的料浆静止足够时间后，上部清液使用虹吸管或泵抽出，下部沉渣从低口排出。沉降槽有澄清液体和增稠悬浮液的双重作用功能,与降尘室类似，沉降槽的生产能力与高度无关,只与底面积及颗粒的沉降速率有关,故沉降槽一般均制造成大截面、低高度。大的沉降槽直径可达l0～100m、深2.5～4m。它一般用于大流量、低浓度悬浮液的处理。沉降槽处理后的沉渣中还含有大约50％的液体,必要时再用过滤机等做进一步处理。第二节沉降二、离心沉降在重力沉降中,当颗粒小时,沉降速率就小,需沉降设备就大,为了提高其生产能力,工业上可使用离心沉降,因为离心力比重力大得多，改用离心沉降则可大大提高沉降速度,设备尺寸也可缩小很多。1.离心沉降速度和离心分离因数1.1离心沉降速度:其推导方法和重力沉降速度相似，在离心沉降设备中，当流体带着颗粒旋转时,如果颗粒的密度大于流体的密度,则惯性离心力将会使颗粒在径向上与流体发生相对运动而飞离中心。和颗粒在重力场中受到三个作用力相似，惯性离心力场中颗粒在径向上也受到三个力的作用,即惯性离心力、向心力(相当于重力场中的浮力,其方向为沿半径指向旋转中心)和阻力(与颗粒的运动方向相反,其方向为沿半径指向中心)。如果球形颗粒的直径为dp、密度为,流体密度为,当颗粒与流体一起作等角速度的圆周运动时，将受上述合力的作用,使其由旋转中心向周边运动，在达到动态平衡时，经整理其离心沉降速度为：（3-11）p243pprdur第二节沉降1.2离心分离因数比较式（3-11）及（3-5）可知：离心沉降速率的计算式只是把重力沉降速率中的重力加速度用离心加速度代替而已。工业上常将离心加速度与重力加速度之比称为离心分离因数，即K是离心分离设备的重要性能指标。工程上，K越高，其离心分离效率越高。离心分离因数的数值一般为几百到几万。因此，同一颗粒在离心场中的沉降速度远远大于其在重力场中的沉降速度，用离心沉降可将更小的颗粒从流体中分离出来。•注意：重力沉降速度基本上为定值；离心沉降速度为绝对速度在径向上的分量，随颗粒在离心力场中的位置r而改变。2r2rKg第二节沉降2.离心沉降设备2.1旋风分离器旋风分离器中一般进行的是气-固非均相物系的离心分离。由于在离心场中颗粒可以获得比重力大得多的离心力,因此,对两相密度相差较小或颗粒粒度较细的非均相物系，利用离心沉降分离要比重力沉降有效得多。2.1.1旋风分离器的构造和操作原理如图3-6所示,主体的上部为圆筒形,下部为圆锥形，中央有一升气管。含尘气体从侧面的圆筒形进气管切向进入器内,然后在圆筒内作自上而下的圆周运动。颗粒在随气流旋转过程中被抛向器壁，沿器壁落下,自锥底排出。由于操作时旋风分离器底部处于密封状态,所以被净化的气体到达底部后折向上,沿中心轴旋转着从顶部的中央排气管排出。旋风分离器构造简单,分离效率较高，操作不受温度、压强的限制。一般入口气速为10～25ms-1,分离因数约为5～2500,一般可分离气体中5～75μm直径的粒子。第二节沉降B净化气体含尘气体AD尘粒标准型旋风分离器图3-6标准型旋风分离器第二节沉降第二节沉降2.1.2旋风分离器的主要性能参数临界直径、分离效率、压力降和处理量是旋风分离器的主要性能参数，是选型和操作控制的依据，也是评价其性能的主要指标。①临界粒径(dpc):即旋风分离器能够分离出最小颗粒的直径，其计算式为(3-12)式中：ui为含尘气体的进口气速，m/s；B为旋风分离器的进口宽度,m；N为气流的旋转圈数,对标准旋风分离器,可取N=5；为颗粒的密度，kg/m3；μ为流体的黏度，Pa·s。②分离效率：通常有两种表示方法，即粒级效率和总效率（3-13）式中为旋风分离器进出口气体中含尘粒径为dp,i的颗粒的浓度，g/m3；Ci、C0为旋风分离器进出口气体中全部颗粒的浓度,g/m3；为含尘气体在分离器入口处粒径为dp,i的颗粒的质量分数。总效率是工程计算中常用的,虽易测定但它却不能准确代表分离器的分离性能,要真正要衡量分离性能的好坏,用粒级效率则比用总效率更有意义。,9pcpidup001niiiiiCCC,,,iiiiCCC进出进,,ii进出C、Ci第二节沉降③压力降旋风分离器的压力降是评价其性能的重要指标。压力降产生的主要原因，是