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1、第三章 非均相物系的分离,混合物,均相混合物,非均相混合物,溶液：,混合气体：,精馏、萃取,吸收、吸附,气态非均相,液态非均相,含尘气体,含雾气体,悬浮液,乳浊液,泡沫液,沉降过滤,分散相(被分散物质),连续相(分散介质),一、混合物的分类,第一节 概述,二.非均相物系的分离依据：,按运动方式的不同,沉降settling,过滤filtration,分散相运动,连续相静止,分散相静止,连续相运动,利用连续相和分散相物理性质上的差异，在外力的作用下使两者发生相对运动，实现分离机械分离操作,1)回收有用物质(分散物质) 如从气流干燥器排出尾气中回收带出的固体颗粒作为产品，或者从某些排泥中回收带走的液
2、体等。,2)净化物料及分散介质 如除去催化反应中原料气中尘粒等杂质，以保证催化剂的活性。,3)环境保护 烟道气的排放、废液的排放都要求其固含量达到一定标准，以防止对大气、河海等环境污染,三、分离目的：,第二节颗粒及颗粒床层的特性,1、单一颗粒特性（1）球形颗粒若d为球形颗粒的直径 m 体积 v=(/6)d3 m3 表面积 s=d2 m2 比表面积 a=s/v=6/d 1/m,一、颗粒的特性（形状，体积和表面积）,体积当量直径de：与非球形颗粒体积相等的球的直径。 de=(6vp/)1/3 形状系数s ：与非球形颗粒体积相等的球的表面积与该颗粒表面积之比。 s=s/sp 式中：vp为非球形颗粒的
3、体积。 Sp为非球形颗粒的表面积。,（2）非球形颗粒,1）粒度分布（粒径分布） 定义：不同粒径范围内所含粒子的个数或质量。 测定方法： 筛分分析,2、颗粒群的特性,常用名词1.标准筛:一般使用的筛。有泰勒制，日本制，德国制及原苏联制等。我国用泰勒制。2.筛号:指沿丝线走向1英寸长具有的孔数。3.筛余量:截留在该筛面上的颗粒质量。4.筛过量:通过该号筛的颗粒质量。,表1 ：石英砂的筛分数据,2）平均粒径以球形颗粒为例，,二、颗粒床层的特性,固定床：众多固体颗粒堆积而成的颗粒静止的颗粒层。1、床层空隙率：单位体积床层所具有的空隙体积。 =（床层体积-颗粒体积）/床层体积 床层空隙率一般在0.47至
4、0.7之间波动。,讨论：,1-：床层中固体颗粒所占的体积,操作时，也为滤饼中的液体分率,d越大，越大；d越小，越小,2、床层的比表面积ab ：单位体积床层所具有的颗粒表面积。 ab=(1-)a堆积密度：单位体积床层内固体颗粒的质量,真实密度：颗粒的密度。,3、床层各向同性: 对于乱堆的床层，因各部位颗粒的大小、方向是随机的，当床层足够大或者颗粒足够小时，可以认为床层是均匀的，各局部区域的空隙率相等，床层是各向同性的。,* 床层内任一截面上空隙面积与截面总面积之比成为自由截面率推论：自由截面率在数值上等于空隙率。（各向同性床层）,第三节 沉降分离,沉降分离：借助某种外力的作用，利用分散物质与 分
5、散介质的密度差异使之发生相对运动而分离的过程。,沉降方式: 重力沉降 作用力是重力 离心沉降 作用力是惯性离心力,1.球形颗粒的自由沉降：,一、重力沉降速度,重力：,浮力：,颗粒密度,流体密度,受力分析,阻力(drag force)：,颗粒的重力沉降运动基本方程式:,-牛顿第二定律,刚开始沉降：,不变,a最大,开始沉降,a,匀速沉降,a0,u增加至一定值时,自由沉降速度terminal velocity,自由沉降速度公式,2) 阻力系数,ut-沉降速度,m/sds-颗粒的粒径,m流体的密度流体的粘度,球形颗粒：,层流区,Stokes定律区,过渡区,Allen定律区,湍流区,Newton定律区,
6、1) 颗粒直径d:,啤酒生产，采用絮状酵母，dut，易于分离和澄清。水净化，加入絮凝剂（明矾）。,2) 连续相的粘度：,加酶：清饮料中添加果胶酶，使 ut，易于分离。增稠：浓饮料中添加增稠剂，使 ut，不易分层。,3) 两相密度差(s-)：,3）影响沉降速度的因素(以层流区为例),4) 颗粒形状,6)干扰沉降（hindered settling）： 当非均相物系中的颗粒较多，颗粒之间相互距离较近时，颗粒沉降会受到其它颗粒的影响，这种沉降称为干扰沉降。干扰沉降速度比自由沉降的小。,5) 壁效应 (wall effect) ： 当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，其沉降速度较自由沉降速度
7、小，这种影响称为壁效应。,4） 沉降速度ut的计算：,试差法：,摩擦数群法无因次判据法,非试差法：,试差法：,假设流型,选择公式,计算,计算,验算,Ret1 ?,层流,例：求直径40m球形颗粒在30大气中的自由沉降速度。已知颗粒为2600kg/m3,大气压为0.1MPa。,解：,设为层流，则：,查30、0.1MPa空气：,校核：,(正确),摩擦数群法：,已知d，求ut,已知ut求d,已知d，求ut,无因次判据法,已知ut 求d,雷诺数公式,层流区Stokes定律区,小结,2、重力沉降设备,1）降尘室：利用重力沉降除去气流中颗粒的设备。,沉降时间：,停留时间：,分离条件：,降尘室使颗粒沉降条件,
8、降尘室工作原理:,降尘室的生产能力:,由此可见，降尘室的生产能力只与沉降面积及沉降速度有关，而与降尘室的高度无关。降尘室应设计成扁平形状，或在室内设置多层水平隔板，叫多层降尘室。,临界粒径dc（critical particle diameter）：在某一Vs下,能100除去的最小颗粒粒径,即： 满足L/uH/ut 条件的粒径,当尘粒的沉降速度小，处于斯托克斯区时，临界粒径为,粒径小于临界dc 被除的百分数为：,说明：,2)某一粒径的粒子，只要满足,则该粒径的粒子可以100被分离,如不能满足该条件，该粒径的粒子只能部分被分离.,1)生产能力Vs只与沉降面积bL和待分离颗粒的沉降速度ut 有关与
9、H无关，所以设计降尘室时，应作成扁平形。,3)气体在降尘室的沉降速度ut不宜过高,一般应保证处于层流区.以免干扰颗粒沉降，或把沉下来的尘粒重新卷起。一般u不超过3m/s.,多层降尘室,清洁气流,含尘气流,挡板,隔板,降尘室的生产能力：,例:降尘室高2m,宽2m,长5m。气体流量为4m3/s,为0.75kg/m3,为0.026cp。(1)求除尘的dc； (2)粒径为40um的颗粒的回收百分率？(3)如欲回收直径为15um的尘粒，降尘室应隔成多少层？,解:(1),校核,计算有效,设为层流沉降：,(2)由以上计算知，粒径为40um的颗粒必定在滞流区,气体在降尘室的停留时间,40um的颗粒在5s内的沉
10、降高度,回收率,(3)如欲回收直径为15um的尘粒，,分类：间歇式和连续式,沉降过程： 第一阶段：沉降槽上部，颗粒浓度低，近似自由沉降；第二阶段：沉降槽下部，颗粒浓度大，属于干扰沉降。沉降速度：通常由实验来确定。,利用重力沉降分离悬浮液的设备。,2) 沉降槽（增稠器）,离心沉降：,依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程 适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。,重力加速度g,uT2/R,指向地心,沿旋转半径从中心指向外周,Fg=mg,二、离心沉降,惯性离心力场与重力场的区别,1、沉降速度,离心分离因素Kc：,同一颗粒同种介质下离心沉降速度与重力重力沉降速度之比,离心分离因数是表示离心力
11、大小的指标,KC越大，分离效能越高，高速离心机的Kc值可达1万以上。,阻力系数 ：层流时,例如；当旋转半径R=0.4m，切向速度uT=20m/s时，求分离因数。,离心沉降设备的分离效果远较重力沉降设备好。,2.旋风分离器,气固分离,含尘气体自进风口切向引入，在分离器内受器壁约束做由上向下，再由下向上的螺旋运动，然后从中心管引出。在上、下螺旋运动过程中，尘粒与气体发生相对运动被甩向器壁后顺壁面掉落至灰斗，这样尘粒得以与气体分离。,旋风分离器的性能指标,细而长,(1)临界粒径,(2)分离效率,总效率,粒级效率,分割粒径,(3)压强降,存在问题及改进,1）上部易形成涡流,倾斜式、旁路,2）尘粒易带走
12、,扩散式,1.过滤定义：以多孔材料为介质，在外力的作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截留，从而实现固、液分离的操作。,2.过滤目的：获得清净的液体或固体产品，常作为沉降、结晶、固液反应等操作的后续过程；,3.过滤特点：属于机械分离操作，与蒸发、干燥等非机械分离操作相比，其分离速度较快，能量消耗较低。,一、基本概念,第四节 过滤,4.用途：分离悬浮液(suspension),5.相关术语：,滤浆(料浆) (slurry),滤液(filtrate),滤饼(滤渣) (filter residue),过滤介质 (filter medium),6.过滤介质：,特性：,多孔,流阻小,机械强
13、度高,耐热、耐腐蚀,分类：,织物介质：棉、毛、丝、麻等天然纤维和各种合成纤维制成的织物以及由玻璃丝、金属丝等织成的网可截留颗粒的最小直径为565m,粒状介质：包括砂、木炭、分子筛等细小而坚硬的颗粒状物质,一般堆积成固定床层,多用于深层过滤。,7.过滤方式,操作推动力,重力,压强差,离心力,有无滤饼,饼层过滤,深床过滤,多孔性固体介质：包括由多孔陶瓷、多孔塑料及多孔金属等制成的管或板,可截留颗粒的最小直径为13m。,多孔膜：在超滤和微滤中以多孔无机膜、有机膜为介质, 可截留颗粒在1m以下的微细颗粒。,1）深床过滤(bed filter):当颗粒随液体进入床层内细长而弯曲的孔道时，在静电及分子间引
14、力的作用下，颗粒将被吸附于孔道壁面上，而在过滤介质床层之上并不形成滤饼层。,深床过滤,深层过滤中真正起过滤作用的是过滤介质。深层过滤适用于颗粒很小、含量很低(固相体积分率0.1%)且处理量较大的悬浮液的分离，如自来水的净化、污水处理、浑浊药液的澄清以及分子筛脱色等。,架桥现象,在饼层过滤中，真正起分离作用的是滤饼层，而不是过滤介质。适用于分离颗粒含量较高(固相体积分率1%)的悬浮液。,2）饼层过滤(cake filter):将悬浮液置于过滤介质的一侧，固体被过滤介质截留形成滤饼层，而液体则通过过滤介质形成滤液。,滤饼种类：,不可压缩滤饼：,当p时,(流阻/滤饼厚度)const,可压缩滤饼：,当
15、p时,(流阻/滤饼厚度),助滤剂(filter aid),用法：,常用：硅藻土、珍珠岩粉、纤维粉末、碳粉和石棉粉使用量一般不超过固体颗粒质量的0.5。一般以回收清净液体为目的的过滤，使用助滤剂是合适的。,防堵、减阻,预涂法,预混法,1.空隙率:,讨论：,1-：床层中固体颗粒所占的体积,操作时，也为滤饼中的液体分率,d越大，越大；d越小，越小,二、床层特性参数,2.比表面积:,3.当量直径（kozeny）:m,三、过滤速度和过滤速率,1.过滤速度(u)：,单位时间通过单位过滤面积的滤液体积,m3/(m2s),实际流速：u1=V/(A)=u/,2.过滤速率：,单位时间获取的滤液体积,m3/s,过滤
16、速率,过滤速度,3.滤饼阻力,令,滤饼比阻,(单位厚度滤饼的阻力,1/m2),滤饼阻力,1/m,4.过滤介质阻力：,过滤速度,滤饼处：,过滤介质处：,总速度：,令,虚拟滤饼厚度,过滤压强差,(当量),四、过滤基本方程式,1.不可压缩滤饼过滤基本方程式,虚拟(当量)滤液体积,同理：,(过滤速度),(过滤速率),滤饼面积,：推动力,：料浆的物性,讨论：,单位压强差下的比阻,压缩性指数(s=01),过滤基本方程,适用,可压缩滤饼,不可压缩滤饼,(s=0),2.可压缩滤饼过滤基本方程式,例：已知某悬浮液中固相的质量分率为0.139，固相密度为2200kg/m3，液相为水，每1m3滤饼中含500kg水，
17、其余全为固相。求滤饼体积与滤液体积之比 。,(1)以1m3滤饼为基准。,解：,1m3滤饼中,水：500kg,固体：,需要滤浆的质量为,体积0.5m3,质量1100kg，,生成的滤液质量为,7913.7-500-11006313.7kg,(2)以1kg悬浮液为基准,1kg悬浮液中,水：0.861kg,颗粒体积：,固体：0.139kg,每1m3滤饼中含500kg水，即固相体积分率为0.5。,滤饼体积：,滤液体积：,五、恒压过滤,定义：在恒定压强差下进行的过滤操作。特点：在过滤过程中保持过滤推动力恒定，那么在过滤初始阶段，滤饼还未形成时，过滤阻力小，过滤速率大，随着过滤的进行，滤饼厚度不断增大，过滤
18、阻力增大，过滤速率下降。,积分上式 :,恒压过滤方程式,当过滤介质阻力与滤饼阻力相比较小则可以忽略,，单位过滤面积上所得到的滤液量，m3/m2；,例：过滤一种固体颗体积分数为0.1的悬浮液,滤饼含水的体积分数为0.5,颗粒不可压缩,经实验测定滤饼比阻为1.31011m-2,水的粘度为1.010-3Pa.s。在压强差恒为9.8104Pa的条件下过滤,假设滤布阻力可以忽略,试求：1）每m2过滤面积上获得1.5m3滤液所需的过滤时间。2）如将此过滤时间延长一倍,可再得滤液多少？解：1）过滤时间,滤布阻力可忽略,2)求过滤时间加倍时的滤液量,例2：有一板框过滤机，p1.5atm下恒压过滤某一种悬浮液，
19、2小时后得滤液40m3，过滤介质阻力可忽略不计。(1)其它条件不变，过滤面积加倍，可得滤液多少？(2) p加倍，滤饼可压缩，压缩指数0.25，2小时后可得滤液多少？(3)其它条件不变，操作时间缩短1小时，可得滤液多少？,解：,(1)恒压过滤，阻力忽略不计,料浆定，k为定值,(2),变，K改变,(3)操作时间缩短1小时，K不变,六、恒速过滤若要保证过滤过程的过滤速率恒定，那么在过滤过程中应不断提高过滤的推动力，这种操作方式为恒速过滤（Constant rate filtration ）。,恒压过滤如线（1）所示，压力恒定，速率不断下降； 恒速过滤如线（2）所示，速率恒定，过滤压力不断提高。,七、
20、恒压过滤常数的测定,1.恒压下 的测定：,然后在直角坐标纸上从/q为纵坐标，以q为横坐标进行标绘，可得到一斜率为2/K，截距为2qe/K的直线。,2. 的测定：,画图,1.板框压滤机,间歇式,八、过滤设备,板框压滤机（Plate-and-frame type filter press）,滤浆,过滤板有侧孔,洗涤板两边有侧孔,过滤板有侧孔,排列次序：1-2-3-2-1-2,板框结构,组装顺序,板框压滤机为间歇操作，每个操作循环由装合、过滤、洗涤、卸饼、清理5个阶段组成。,过滤阶段,洗涤阶段,洗涤方式：横穿洗涤法,过滤面积：框面积的2倍,框的个数,板框压滤机特点优点：结构简单，价格低廉，占地面积小
21、而过滤面积大，并可根据需要调节板与框的数量，因而具有很强的适应能力。缺点：间歇操作，劳动强度大，生产能力低。,例,在202.7kPa(2atm) 操作压力下用板框过滤机处理某物料，操作周期为3h，其中过滤1.5h，滤饼不需洗涤。已知每获1m3 滤液得滤饼0.05m3 ，操作条件下过滤常数K=3.3 10-5m2/s，介质阻力可忽略，滤饼不可压缩。试计算：若要求每周期获0.6m3的滤饼，需多大过滤面积？ 若选用板框长宽的规格为1m1m，则框数及框厚分别为多少？,十、过滤机的生产能力,1.间歇过滤机的Q ：,生产能力(Q),单位时间获取的滤液体积，m3/h,操作周期,过滤时间,洗涤时间,辅助时间,
