第二章--非均相物系分离.

第二章非均相物系分离第一节概述混合物可以分为均相混合物和非均相混合物。非均相混合物的特点是在物系内部存在两种以上的相态，如悬浮液、乳浊液、含尘气体等。其中固体颗粒、微滴称为分散相或分散物质；而气体、液体称为连续相或分散介质。非均相物系分离的依据是连续相与分散相具有不同的物理性质，因此可以用机械的方法将两相分离。操作方式分为两种：（1）沉降分离颗粒相对于流体（静止或运动）运动的过程称沉降分离。分为重力沉降、离心沉降。（2）过滤流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程称过滤。分为重力过滤、离心过滤、加压过滤和真空过滤，也可分为恒压过滤、先恒速后恒压过滤。2-1-1非均相分离在工业中的应用一、回收分散相二、净化连续相三、环境保护和安全生产2-1-2颗粒与颗粒群的特性颗粒的特性1、球形颗粒体积V=d3表面积S=πd2比表面积S/V=6/d2、非球形颗粒工业上遇到的固体颗粒大多是非球形颗粒体积当量直径dede=表面积当量直径desdes=球形度（形状系数）φs＝颗粒群的特性由大小不同的颗粒组成的集合体称为颗粒群。1、颗粒群粒径分布颗粒群的粒度组成情况即粒径分布。可用筛分分析法测定各种尺寸颗粒所占的分率。2、颗粒的平均粒径xi＝3、颗粒的密度颗粒的真密度：当不包括颗粒之间的空隙时，单位颗粒群体积内颗粒的质量，kg/m3。堆积密度（表观密度）：当包括颗粒之间的空隙时，单位颗粒群体积内颗粒的质量，kg/m3。4、颗粒的粘附性和散粒性第二节颗粒沉降2-2-1颗粒在流体中的沉降过程颗粒与流体在力场中作相对运动时，受到三个力的作用：质量力F、浮力Fb、、曳力Fd。对于一定的颗粒和流体，重力Fg、浮力Fb一定，但曳力Fd却随着颗粒运动速度而变化。当颗粒运动速度u等于某一数值后达到匀速运动，这时颗粒所受的诸力之和为零2-2-2重力沉降及设备球形颗粒的自由沉降颗粒在重力沉降过程中不受周围颗粒和器壁的影响，称为自由沉降。固体颗粒在重力沉降过程中，因颗粒之间的相互影响而使颗粒不能正常沉降的过程称为干扰沉降。球形颗粒在静止流体中沉降时，颗粒受到的作用力有重力、浮力和阻力。当合力为零时，颗粒相对于流体的运动速度u=ut，ut称为沉降速度，又称为“终端速度”。ut=其中是颗粒沉降时的阻力系数。并且是颗粒对流体作相对运动时的雷诺数Ret的函数=f(Ret)=f()与Ret的关系可由实验测定，如图2-2所示。图中将球形颗粒（φs=1）的曲线分为三个区域，即（1）滞流区（10-4Ret≤2）=（2）过渡区（2Ret103）=（3）湍流区（103≤Ret2×105）=0.44对应各区的沉降速度ut的计算式为：（1）滞流区ut=(2)过渡区ut=0.27（3）湍流区ut＝1.74在计算沉降速度ut时，可使用试差法，即先假设颗粒沉降所属那个区域，选择相对应的计算公式进行计算，然后再将计算结果进行Ret校核。影响重力沉降速度的因素（1）颗粒形状同一性质的固体颗粒，非球形颗粒的沉降阻力比球形颗粒的大的多，因此其沉降速度较球形颗粒的要小一些。（2）干扰沉降当颗粒的体积浓度0.2%时，干扰沉降不容忽视。（3）器壁效应当容器较小时，容器的壁面和底面均能增加颗粒沉降时的曳力，使颗粒的实际沉降速度较自由沉降速度低。重力沉降设备1、降尘室籍重力沉降从气流中除去尘粒的设备称为降尘室。气体的停留时间为θ＝颗粒沉降所需沉降时间为沉降分离满足的基本条件为θ≥θt或降尘室的生产能力为多层降尘室的生产能力为2、沉降槽籍重力沉降从悬浮液中分离出固体颗粒的设备称为沉降槽。如用于低浓度悬浮液分离时亦称为澄清器；用于中等浓度悬浮液的浓缩时，常称为浓缩器或增稠器。沉降槽适于处理颗粒不太小、浓度不太高，但处理量较大的悬浮液的分离。这种设备具有结构简单，可连续操作且增稠物浓度较均匀的优点，缺点是设备庞大，占地面积大、分离效率较低。2-2-3离心沉降及设备离心沉降速度与颗粒在重力场中相似，颗粒在离心力场中也受到三个力的作用，即惯性离心力、向心力和阻力。当三力平衡时，颗粒在径向上相对于流体的速度极为颗粒在此位置上的离心沉降速度ur重力沉降速度计算式及所对应的流动区域仍可用于离心沉降，仅需将重力加速度g改为离心加速度uT2/R即可。如颗粒沉降过程属于层流ut=应注意离心沉降速度ur随旋转半径R的变化而变化。离心分离因数Kc是离心分离设备的重要性能指标Kc值愈高，离心沉降效果愈好。离心沉降设备1、旋风分离器构造及工作原理主体的上部为圆柱形筒体，下部为圆锥形。含尘气体切向进入旋风分离器，旋转过程中，颗粒在离心力的作用下被抛向器壁，与器壁撞击失去能量而落入锥底后，由排灰口排出。净化后的气体由顶部排气管排出。性能指标（1）临界粒径dc旋风分离器能够分离出的最小颗粒直径称为临界粒径。标准旋风分离器，可取N=5。（2）分离效率η总效率粒级效率（3）压降Δpf气体流经旋风分离器的压降是由气体流经器内时的膨胀、压缩、旋转、转向及对器壁的摩擦而消耗的能量。对标准旋风分离器，＝8.0。2、旋液分离器旋液分离器是分离悬浮液的离心沉降设备，其构造及工作原理与旋风分离器类似。与后者不同的是直径小而圆锥部分长，这样的构造既可以增大离心力，又可以延长停留时间。由于液体的进口速度大，所以流动阻力也大，对器壁的磨损较严重。第三节过滤2-3-1概述过滤方式深层过滤与饼层过滤过滤介质作用是使滤液通过，截留固体颗粒并支撑滤饼。要求其具有多孔性、耐腐蚀性及足够的机械强度。工业常用的过滤介质有织物介质、多孔性固体介质及堆积的粒状介质等。滤饼与助滤剂滤饼可分为可压缩滤饼和不可压缩滤饼两种。对于不可压缩滤饼，为了减少过滤阻力可加入一些助滤剂。助滤剂是能形成多孔饼层的刚性颗粒，具有良好的物理、化学性质。使用的方法多用预涂法和掺滤法。2-3-2过滤基本方程式过滤速率是指单位时间内通过的滤液体积。过滤基本方程式表示过滤过程中某一瞬间的过滤速率与各有关因素的关系。恒压过滤基本方程式恒压过滤的特点是过滤操作的总压差恒定，随着过滤时间的延长，滤饼厚度增大，过滤阻力增加，过滤速率降低。过滤常数K、qe测定过滤常数一般在恒压条件下测定。在已知过滤面积的过滤设备上，用待测悬浮液在恒压条件下实验测定。2-3-3过滤设备一、板框压滤机生产能力为二、转鼓真空过滤机生产能力为三、过滤离心机第四节过程强化与展望2-4-1沉降过程的强化选择合适的分离设备是达到较高分离效率的关键。对气-固混合物系根据颗粒的粒径分布选择合适的分离设备。对液-固混合物系考虑颗粒粒径分布及其含固量大小。若颗粒粒径很小，则需加入混凝剂或絮凝剂加速沉降。2-4-2过滤过程的强化利用助滤剂改变滤饼结构；利用混凝剂、絮凝剂改变悬浮液中颗粒聚集状态；利用动态过滤等新型过滤方法。动态过滤的典型设备为旋叶压滤机。