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1、化工原理principles of chemical engineering,第三章 非均相混合物的分离,延安大学化学与化工学院,第三章 非均相混合物的分离,第一节 概述第二节 重力沉降第三节 离心沉降第四节 过滤,自然界的混合物,化工生产中，需要将混合物加以分离的情况非常多。,空分系统,石油蒸馏,水过滤装置,第一节 概述,混合物,均相混合物（均相物系）,非均相混合物（非均相物系）,物系内部各处物料性质均匀而且不存在相界面的混合物。,物系内部有隔开两相的界面存在且界面两侧的物料性质截然不同的混合物。,如：石油、空气,分散相（分散物质）分散状态的物质,连续相（连续介质）连续状态存在，包围在分散介
2、质周围物质。,固体颗粒和气体构成的含尘气体,固体颗粒和液体构成的悬浮液,不互溶液体构成的乳浊液,液体颗粒和气体构成的含雾气体,非均相物系,气液(固)、液固(气、液)态非均相物系,一、非均相物系的分离在工业生产中的应用,1、回收有用的分散相2、净化连续相3、环境保护和安全生产,回收有用的分散相,净化连续相,中药液的澄清过滤,过滤空气,结晶产品与母液的分离,环境保护和安全生产,二、非均相物系的分离方法机械分离,操作方式：过滤和沉降,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。,除去粗食盐中少量的泥沙,1.过滤是流体相对于固体颗粒床
3、层运动而实现固液分离的过程。,分类：重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤,板框压滤机,真空过滤机,离心过滤,抽滤,2.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。,（利用分散相和连续相的密度不同）,重力沉降,离心沉降,沉降：在外力作用下使颗粒相对于流体运动而实现分离的过程。,重力沉降：,沉降操作的外力是重力。,适用于分离较大的固体颗粒。,第二节 重力沉降,3.2.1 球形颗粒的自由沉降 自由沉降：颗粒不受其他颗粒的干扰及器壁的影响，在静止的流体中的沉降过程。,在自由沉降沉降过程中，颗粒受到哪些力的作用：,重力Fg、浮力Fb 阻力Fd,设球形颗粒的直径为,颗粒密度为,
4、流体的密度为,实际状况：干扰沉降,重力Fg,浮力Fb,阻力Fd,牛顿第二定律,沉降阻力系数,一点两过程:,A沉降颗粒沿沉降方向的最大投形面积,此时颗粒做匀速沉降，其速度也是最大沉降速度ut,重力、浮力、阻力三者达到平衡，加速度为零,代入,沉降速度ut:为,以颗粒形状及尺寸为特征量的雷诺数的函数,一般由实验测定。,阻力系数与Ret 关系图,阻力系数一般由实验测定：,相应各区的颗粒沉降速度为：滞流区称为斯托克斯公式 过渡区称为艾伦公式 或湍流区-称为牛顿公式,规律：dS、密度差越大则沉降速度越大；在层流区由于流体粘性引起的表面摩擦阻力占主要地位，因此层流区的沉降速度与流体粘度成反比。,【例题3-1
5、】：计算直径为95m，密度为3000kg/m3的固体颗粒分别在20 的空气和水中的自由沉降速度。,计算Ret，核算流型：,假设正确，计算有效。,解：在20 的水中：20 水的密度为998.2kg/m3，粘度为1.00510-3 Pas,先设为层流区。,(1)降尘室,降尘室结构：,3.2.2 重力沉降设备,利用重力沉降的作用从含尘气体中除去固体颗粒的设备。,见动画,颗粒沉降的同时并随气体运动,颗粒沉降运动时间气体通过沉降室时间分离,工作原理：,矩形入口截面面积 u。,降尘室的生产能力：降尘室单位时间所处理的含尘气体的体积流量。符号：qv。,颗粒在降尘室的停留时间：,颗粒沉降到室底所需的时间：,为
6、了满足除尘要求：,降尘室使颗粒 沉降的条件,降尘室的生产能力,降尘室的生产能力只与降尘室的沉降面积BL和颗粒的沉降速度ut有关，而与降尘室的高度无关,处理悬浮液的重力沉降设备，称为沉降器或增浓器。沉降器可分间歇式、半连续式和连续式三种。,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度有关，故沉降槽一般均制造成大截面、低高度。,（2）沉降槽,大的沉降槽直径可达10100m、深2.54m。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作进一步处理。,对于含有颗粒直径小于1m的液体
7、，一般称为溶胶，由于颗粒直径小较难分离。为使小颗粒增大，常加絮凝剂使小粒子变成大粒子。例如，河水净化加明矾KAl(SO4)2l2H2O,使水中细小污物沉降。常用的电解质，除了明矾还有三氧化铝、绿矾、三氯化铁等。一般用量为40200mg/kg。近年来，已研究出某些高分子絮凝剂。,明矾,绿矾,三氯化铁,聚丙烯酰胺,离心沉降速率,其受力为离心力Fc、向心力Fb和阻力Fd，其值分别为：,第三节 离心沉降,离心沉降过程：,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。,思考：旋转过程固体颗粒受到的作用力有哪些？,当三个力达到平衡时：Fc-
8、Fb-Fd=0 颗粒在径向上相对于流体的运动速度ur便是此位置上的离心沉降速度。,若颗粒处于层流区，则阻力系数,含尘气体的进口气速，m/s颗粒的旋转半径，m。,旋风分离器的构造和操作原理,3.3.2 旋风分离器,旋风分离器的操作原理 旋风分离器是工业上应用比较广泛的气固离心分离设备之一。标准型的旋风分离器结构形式如图所示。主体的上部为圆筒形，下部为圆锥形，各部件的尺寸均圆筒直径成比例。含尘气体由圆筒上部进气管切向进入，受器壁的约束而向下作旋转运动，在惯性离心力作用下颗粒被抛向器壁，与气流分离，再沿壁而落锥底的排灰口。净化后的气体在中心轴附近作由下而上的螺旋运动，最后由顶部排气管排出。,特点：旋
9、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，分离因数约为52500，一般可分离气体中575m直径的粒子。(2)旋风分离器的主要性能参数 临界直径、分离效率、压力降和气体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，也是评价旋 风分离器性能好坏的主要指标。临界粒径 即旋风分离器能够分离出最小颗粒的直径。临界粒径的大小是判断旋风分离器分离效率高低的重要依据。临界粒径的计算式为,ui含尘气体的进口气速，m/s;B旋风分离器的进口宽度，m;N气流的旋转圈数，对标准旋风分离器，可取N=5；颗粒的密度，kg/m3;流体的黏度，Pas。,分离效率 旋风分离器的分离效率通常有两种表示
10、方法，即总效率粒级效率 C1、C2旋风分离器进出口气体含尘的浓度，g/m3；C1i、C2i进出口气体含尘的粒径在段范围内颗粒的浓度，g/m3；xi第i段粒径范围内颗粒占全部颗粒的质量分数。,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，是由于气体经过器内时的膨胀、压缩、旋转、转向及对器壁的摩擦而消耗大量的能量。气体通过旋风分离器的压力降应尽可能小，分离设备压力降的大小是决定分离过程能耗和合理选择风机的依据。,一般来说，短粗形的旋风分离器压降较小，处理量大，但分离效率低；细长形的则压降较大，处理量不大，分离效率高。,阻力系数，对标准旋风分离器,=8.0,旋风分离器构造简
11、单紧凑、无运动件，操作不受温度、压强的限制，价格低廉、性能稳定，分离因数约为52500，分离效率较高，一般可分离气体中575m直径的粒子。故广泛应用于多种工业部门。,3.3.3 旋液分离器,又称水力旋流器,是利用离心沉降原理分离液固混合物的设备，其结构和操作原理与旋风分离器类似。,3.3.4 离心沉降机 转鼓上无孔，混悬液或乳浊液被转鼓带动高速旋转时,密度较大的物相向转鼓内壁沉降,密度较小的物相趋向旋转中心而使两相分离。,离心机：,用于离心分离的设备。,适于离心分离的液态非均相物系包括液-固混合物系(混悬液)和液-液混合物系(乳浊液)。,油脂离心机,实验用离心机,转鼓,第四节 过滤,3.4.1
12、 过滤的基本概念一、过滤及过滤推动力,过滤：利用能让液体通过而截留固体颗粒的多孔介质（过滤介质），使悬浮液中固液得到分离的单元操作。,名词：过滤介质；混悬液（滤浆）；滤渣(饼)；滤液,悬浮液,沉降法,过滤操作,哪种处理方法好？,：需要较长时间，而且沉渣中液体含量较多,沉降法,可使悬浮液得到迅速的分离，滤渣中的液体含量也较低,过滤操作：,絮凝剂,在某些场合过滤是沉降的后续操作,真空过滤机,水环真空泵,思考：过滤推动力：,适用于：处理固体含量较高的混悬液。,作用原理：,过滤过程变化：,初期,中期,末期,思考：如何保持过滤速度？,方法：a.不断的将滤饼移出,过滤介质两侧的压力差。,筛子,方法：b.增
13、加推动力,适用于：生产量大而悬浮颗粒粒径小或是粘软的絮状物。,（2）深层过滤：过滤介质是较厚的粒状介质的床层,过滤时悬浮液中的颗粒沉积在床层内部的孔道壁面上,而不形成滤饼。,中药液的澄清过滤,合成纤维,饮水过滤,纺丝液的处理设备,Kitagawa.S.J.Am.Chem.Soc,2007,129,2607.,膜过滤,宏观,微观,调控,工业生产中悬浮液固相含量一般较高(体积分数大于1%),因此本节重点讨论滤饼过滤。,膜过滤是利用膜孔隙的选择透过性进行两相分离的技术。以膜两侧的流体压差为推动力，使溶剂、无机离子、小分子等透过膜，而截留微粒及大分子。,过滤介质：多孔性介质 其作用：a.截留颗粒，使滤
14、液通过 b.支撑滤饼,三、过滤介质,过滤介质应具有下列条件：a）多孔性，孔道适当的小，并减少流体的阻力，又能 截住要分离的颗粒。b)物理化学性质稳定，耐热，耐化学腐蚀。c)足够的机械强度，使用寿命长。d)价格便宜。,工业常用过滤介质种类：织物介质、多孔性固体介质、颗粒状介质和微孔滤膜等。织物介质 滤布、筛网，截留的粒径5m以上，工业应用广泛,滤布,筛网,过滤机,多孔固体介质具有微细孔道的固体，截留粒径13m的微细粒子,素瓷,多孔烧结玻璃,颗粒状介质固体颗粒（砂石、木炭、石棉）或纤维（玻璃棉）等堆积，适用于深层过滤。,砂石,木炭,石棉,鹅卵石,玻璃棉,微孔滤膜：由高分子材料制成的薄膜状多孔介质。
15、适用于滤除0.0210m的混悬微粒。,精滤,（1）滤饼的压缩性,滤饼,不可压缩滤饼:,可压缩滤饼:,颗粒有一定的刚性，所形成的滤饼并不因所受的压力差而变形。,颗粒比较软，所形成的滤饼在压差的作用下变形，使滤饼中的流动通道变小，阻力增大。,四、滤饼的压缩性和助滤剂,滤饼的压缩性对过滤效率及滤材的可使用时间影响很大,是设计过滤工艺和选择过滤介质的依据。,（2）助滤剂助滤剂具有一定刚性的颗粒或纤维状的固体。加入助滤剂可减少可压缩滤饼的流动阻力，提高滤饼的刚性和孔隙率,硅藻土,活性炭,纤维粉,珍珠岩粉,助滤剂的要求：a.应具有化学稳定性;b.不溶于液相中;c.在过滤操作的压力差范围内具有不可压缩性,加
16、入方法,预涂：,用助滤剂配成悬浮液，在正式过滤前用它进行过滤，在过滤介质上形成一层由助滤剂组成的滤饼。,掺滤：将助滤剂混在滤浆中一起过滤,助滤剂的使用方法：,悬浮液,+,用洗涤液（通常为清水）进行滤饼洗涤，以回收滤饼中残存的滤液或除去其杂质。,6、过滤速率及影响因素过滤速率单位时间内得到的滤液体积。主要影响因素：过滤面积、悬浮液的性质、操作压力。,5、滤饼的洗涤,实际流速u 过滤速度dV/(Ad)，流道长l滤饼厚度L，孔道的平均直径d难以测量，故引入比例系数r，将这些因素统统并入比例系数r内，则：,层流流动：,Hagon-Poiseuille,3.4.2 过滤基本方程式,一、滤液通过滤饼的流动
17、,说明：,滤液性质：过滤面积：A滤饼性质：L、r,二、滤饼的比阻r：,单位：,物义：,说明：,当粘度为1Pas的滤液以1m3/(m2 s)的过滤速度通过厚度为1m的滤饼层的压力损失。,滤饼不可压缩：,r单位压力差下的滤饼比阻，1/m2；s滤饼的压缩性指数，s1。,r=f（滤饼结构特性）；,滤饼可压缩：,过滤介质层：认为介质产生的阻力与厚度为Le的滤饼层产生 的阻力相等，引入过滤介质的当量滤饼厚度 Le，则过滤介质的阻力=rLe/A,滤饼可压缩：,定义饼液比：,则：,C滤饼体积/滤液体积V，m3饼/m3液,过滤基本方程式,恒压过滤：一般由保持恒压的压缩气体提供推动力 恒速过滤：一般由容积式泵提供
18、推动力 变压变速过滤：一般由离心泵提供推动力，随过滤阻力增加流量下降。,过滤的操作类型：,悬浮液一定，、r、C可视为常数,令：,表示悬浮液物性的常数,k-滤饼常数,3.4.3 恒压过滤,恒压过滤，p1-s为常数,令q=V/A，qe=Ve/A，,令,恒压过滤方程式,过滤常数,恒压过滤方程式,令,说明：,(V+Ve)(+e)为一抛物线；,忽略过滤介质的阻力：Ve0，qe=0，则过滤基本方程式变为：,qe、e称为介质常数，与K都称为过滤常数。,3.4.4 过滤设备,过滤混悬液的设备称为过滤机。,间歇过滤机连续过滤机,操作方式,压滤机真空过滤机离心过滤机,过滤推动力产生的方式,过滤设备的生产能力：过滤
19、机的生产能力通常用单位时间内所得到的滤液体积来表示，有时也可用单位时间内单位过滤面积上积聚的滤渣量表示。,一、板框过滤机,板框压滤机为间歇操作,每个操作周期由装配、压紧、过滤、洗涤、坼开、卸料、处理等操作组成.,主要工作部件:滤板、滤框、滤布、压紧装置,优点：结构简单，制造容易，设备紧凑，过滤面积大而占地小，操作压强高，滤饼含水少，对各种物料的适应能力强。缺点：间歇操作，劳动强度大，生产效率低,二、转鼓（筒）真空过滤机,转鼓真空过滤机操作及分配头的结构1-滤饼；2-刮刀；3-转鼓；4-转动盘；5-滤浆槽；6-固定盘；7-滤液出口凹槽；8-洗涤水出口凹槽；9-压缩空气进口凹槽,转鼓优点是连续操作
20、,生产能力大,适于处理量大而容易过滤的料浆，它的缺点是附属设备较多,投资费用高,滤饼含液量高(常达30%)。由于是真空操作,料浆温度不能过高。,主要工作部件：滤浆槽、篮式转鼓、分配头、刮刀等部件构成,三、干燥压滤机,思考题,1.何谓均相物系？何谓非均相物系？2.何谓重力沉降？何谓重力沉降速度？3.写出计算重力沉降速度的斯托克斯公式，并说明公式的应用条件。4.在斯托克斯区域内，温度升高后，同一固体颗粒在液体和气体中的沉降速度增大还是减小？为什么？5.怎样理解降尘室的生产能力与降尘室的高度无关？6.离心沉降与重力沉降相比，有什么特点？7.何谓离心沉降速度？与重力沉降速度相比有何不同？8.什么叫滤浆、滤饼、滤液、过滤介质和助滤剂？9.过滤的基本方程式？10.掌握板框压滤机及转筒真空过滤机的计算,
