非均相混合物的分離

1、第三章 非均相混合物的分離自然界的大多數(shù)物質(zhì)是混合物。若物系內(nèi)部各處均勻且不存在相界面，則稱為均相混合物或均相物系，溶液及混合氣體都是均相混合物。由具有不同物理性質(zhì)(如密度差別)的分散物質(zhì)和連續(xù)介質(zhì)所組成的物系稱為非均相混合物或非均相物系。在非均相物系中，處于分散狀態(tài)的物質(zhì)，如分散于流體中的固體顆粒、液滴或氣泡，稱為分散物質(zhì)或分散相；包圍分散物質(zhì)且處于連續(xù)狀態(tài)的物質(zhì)稱為分散介質(zhì)或連續(xù)相。根據(jù)連續(xù)相的狀態(tài)，非均相物系分為兩種類型:    (1)氣態(tài)非均相物系，如含塵氣體、含霧氣體等；    (2)液態(tài)非均相物系，如懸浮液、乳濁液及泡沫液

2、等。非均相混合物分離的目的:回收有價值的分散物質(zhì)凈化分散介質(zhì)環(huán)境保護和安全生產(chǎn)非均相混合物的分離方法主要有以下幾種：依據(jù)連續(xù)相和分散相的密度差異，在重力場或離心場中進行分離（氣固、液固或液液系統(tǒng)的重力沉降、離心沉降、慣性分離依據(jù)兩相對固體多孔介質(zhì)透過性的差異，在重力、壓強或離心力的作用下，流體通過介質(zhì)而分散的固體顆粒受到阻擋被分離出來依據(jù)兩相電性質(zhì)的差異，在電場力的作用下進行分離第一節(jié)沉降在外力作用下，使密度不同的兩相發(fā)生相對運動而實現(xiàn)分離的操作稱為沉降。根據(jù)外力的不同，沉降分為重力沉降和離心沉降。一、重力沉降重力沉降是分散相顆粒在重力作用下，與周圍流體發(fā)生相對運動，并實現(xiàn)分離的過程。顆粒的重

3、力沉降速度是指顆粒相對于周圍流體的沉降運動速度。影響重力沉降速度的因素很多，有顆粒的形狀、大小、密度，流體的種類、密度、粘度等。（一）球形顆粒的自由沉降將表面光滑的剛性球形顆粒置于靜止的流體介質(zhì)中，如果顆粒的密度大于流體的密度，則顆粒將在流體中降落。此時，顆粒受到三個力的作用，即重力、浮力和阻力。令顆粒的密度為，直徑為，流體的密度為，則重力 浮力 阻力 ,式中阻力系數(shù)，無因次；顆粒在某瞬間受到的合力為勻速運動時，可得此式為自由沉降速度計算式（二）阻力系數(shù)通過因次分析可知，是顆粒與流體相對運動時雷諾準數(shù)Ret的函數(shù)，即，式中-流體的粘度，Pa.s由實驗測得的綜合結(jié)果示于圖3-1中。由圖看出，球形

4、顆粒的曲線(1)按Ret值大致分為三個區(qū)，各區(qū)內(nèi)的曲線可分別用相應(yīng)的關(guān)系式表達。(1)層流區(qū)或斯托克斯(Stokes)定律區(qū)()            (2)過渡區(qū)()(3)湍流區(qū)() （三）沉降速度的計算各沉降區(qū)域的沉降速度計算如下：（1） 層流區(qū)，此式為斯托克斯公式（2） 過渡區(qū)（3） 湍流區(qū)（四）實際重力沉降速度（1） 顆粒形狀當量直徑的計算，采用等體積當量直徑，即顆粒的體積與直徑為的球形顆粒體積相同，則有：（2） 干擾沉降（3） 絕對速度二、離心沉降利用離心力的作用使固體顆粒迅

5、速沉降實現(xiàn)分離的操作，稱為離心沉降。（1）離心加速度（2）離心沉降速度（3）離心分離因數(shù)稱為離心分離因數(shù)，它是反映離心沉降設(shè)備工作性能的主要參數(shù)。(4)顆粒運動的絕對速度三、沉降分離設(shè)備（一）對沉降分離設(shè)備的要求（1）基本要求(2) 分離性能指標（二）重力沉降設(shè)備（1）降塵室為便于計算，將降沉室簡化為高H、長L、寬B的長方體，氣體停留時間為：，- 氣體在降塵室內(nèi)的平均流速顆粒沉降時間為應(yīng)滿足：，含塵氣體的體積流量應(yīng)滿足：若規(guī)定待分離顆粒的臨界直徑，其自由沉降速度為，即規(guī)定了含塵氣體的最大處理量，得降塵室結(jié)構(gòu)簡單，流動阻力小，但體積龐大，分離效率低，通常只適用于分離粒度大于50m的粗顆

6、粒，一般作為預(yù)除塵使用。多層降塵室雖能分離較細的顆粒且節(jié)省地面，但清灰比較麻煩。（三）離心分離設(shè)備（1）旋風分離器旋風分離器是利用慣性離心力的作用從氣流中分離出塵粒的設(shè)備。圖37所示是具有代表性的結(jié)構(gòu)型式，稱為標準旋風分離器。主體的上部為圓筒形，下部為圓錐形。各部件的尺寸比例均標注于圖中。含塵氣體由圓筒上部的進氣管切向進入，受器壁的約束向下作螺旋運動。在慣性離心力作用下，顆粒被拋向器壁而與氣流分離，再沿壁面落至錐底的排灰口。凈化后的氣體在中心軸附近由下而上作螺旋運動，最后由頂部排氣管排出。圖3-5  標準旋風分離器 旋風分離器的性能臨界粒徑一般而言，旋風分離器的離心分離因素

7、約為，一般可分離氣體中直徑的粒子。壓降旋風分離器壓降的大小是決定分離過程能耗和合理選擇見機的依據(jù)。旋風分離器的壓降包含氣流進入旋風分離器時，由于突然擴大引起的損失；與器壁摩擦的損失；氣流旋轉(zhuǎn)導致的動能損失；在排氣管中的摩擦和旋轉(zhuǎn)運動的損失等。旋風分離器壓降可由下式計算：式中的為比例系數(shù)，亦即阻力系數(shù)。對于同一結(jié)構(gòu)型式及尺寸比例的旋風分離器，為常數(shù)，不因尺寸大小而變。圖35所示的標準旋風分離器，其阻力系數(shù)=8.0。旋風分離器的壓強降一般為5002000Pa。影響旋風分離器性能的因素多而復雜，物系情況及操作條件是其中的重要方面。一般說來，顆粒密度大、粒徑大、進口氣速高及粉塵濃度高等情況均有利于分離

8、。譬如，含塵濃度高則有利于顆粒的聚結(jié)，可以提高效率，而且顆粒濃度增大可以抑制氣體渦流，從而使阻力下降，所以較高的含塵濃度對壓強降與效率兩個方面都是有利的。但有些因素則對這兩個方面有相互矛盾的影響，譬如進口氣速稍高有利于分離，但過高則導致渦流加劇，反而不利于分離，徒然增大壓強降。因此，旋風分離器的進口氣速保持在1025ms范圍內(nèi)為宜。第二節(jié)  過    濾一、概述(一)濾餅過濾與深層過濾過濾是以某種多孔物質(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，從而實現(xiàn)固、液分離的操作。過濾操作采用的多孔物質(zhì)稱為過濾介質(zhì)，所處理的懸

9、浮液稱為濾漿或料漿，通過多孔通道的液體稱為濾液，被截留的固體物質(zhì)稱為濾餅或濾渣。(二)過濾介質(zhì)過濾操作中使流體（液體或氣體）透過而截留固體的可滲透材料稱為過濾介質(zhì)。過濾介質(zhì)是濾餅的支承物，它應(yīng)具有足夠的機械強度和盡可能小的流動阻力，同時，還應(yīng)具有相應(yīng)的耐腐蝕性和耐熱性。工業(yè)上常用的過濾介質(zhì)主要有下面三類。1)織物介質(zhì)(又稱濾布)  包括由棉、毛、絲、麻等天然纖維及合成纖維制成的織物，以及由玻璃絲、金屬絲等織成的網(wǎng)。這類介質(zhì)能截留顆粒的最小直徑為565mm?？椢锝橘|(zhì)在工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛。2)堆積介質(zhì)  此類介質(zhì)由各種固體顆粒(細砂、木炭、石棉、硅藻土)或非編織纖維等堆積而成，

10、多用于深床過濾中。    3)多孔固體介質(zhì)  這類介質(zhì)是具有很多微細孔道的固體材料，如多孔陶瓷、多孔塑料及多孔金屬制成的管或板，能截攔13m的微細顆粒。（三）過濾推動力實現(xiàn)過濾操作的外力可以是重力、壓強差或慣性離心力。在化工中應(yīng)用最多的還是以壓強差為推動力的過濾。在壓強差作用下的壓差過濾，應(yīng)用最廣，分為加壓過濾和真空過濾，操作壓強可按情況調(diào)節(jié)。隨著過濾的進行，被過濾介質(zhì)截留的固體顆粒越來越多，液體的流動阻力逐漸增加。若維持操作壓強差不變，過濾速度將逐漸下降，這種操作稱為恒壓過濾。逐漸加大壓強差以維持過濾速度不變的操作稱為恒速過濾。（四）過濾基本參數(shù) 處理

11、量?？刹捎脩腋∫后w積、濾液體積或濾餅體積 生產(chǎn)能力。過濾機的生產(chǎn)能力通常以m3濾液/h表示 生產(chǎn)率G。過濾機單位過濾面積在單位時間內(nèi)過濾出的干固體質(zhì)量，kg干固體/(m2.s) 過濾面積A。允許濾液通過的過濾介質(zhì)的總面積。 懸浮液固相濃度。單位體積懸浮液中所含固體顆粒的總體積，用體積分數(shù)表示，是選擇過濾設(shè)備的重要參數(shù)。 濾餅含液量。濾餅中所含液體的質(zhì)量分數(shù)。 濾餅與濾液的體積比。獲得單位體積濾液同時形成的濾餅體積，m3濾餅/m3濾液 過濾速率.單位時間得到的濾液體積，m3濾液/s 過濾速度.位時間單位過濾面積上得到的濾液體積，m3濾液/(m2.s)（五）濾餅的可壓縮性由剛性顆粒形成的濾餅，在過

12、濾過程中顆粒形狀和顆粒間的空隙率保持不變，稱為不可壓縮濾餅。而非剛性顆粒形成的濾餅在壓強差作用下會壓縮變形，稱為可壓縮濾餅。為減小可壓縮濾餅的過濾阻力，減少細微顆粒對過濾介質(zhì)中孔道的堵塞，可使用助濾劑改善餅層結(jié)構(gòu)。（六）濾餅的洗滌過濾結(jié)束后，通常用洗滌液（一般為清水）進行濾餅的洗滌，以回收濾液或得到較純凈的固體顆粒。洗滌速率取決于洗滌壓強差，洗滌液通過的面積及濾餅厚度。二、恒壓過濾(一) 過濾基本方程濾液透過濾餅和過濾介質(zhì)的過程，可看作是通過曲折多變孔道的一種特殊管流。由于這類孔道很細小，流動形態(tài)可認為屬于層流。于是，濾液透過濾餅和過濾介質(zhì)的壓強降可表示為：，過濾基本方程，適用于不可壓縮濾餅。

13、（二）恒壓過濾方程，在一定條件下，、均為過濾常數(shù)。K與物料特性及壓強差有關(guān)，單位為m2/s；反映了過濾介質(zhì)阻力的大小，均可由實驗測定.。（三）過濾常數(shù)、 的測定在恒壓差下測得兩個時刻以前的濾液總體積由聯(lián)立方程組：即可估算出、 的值。在實驗室里測定過濾常數(shù)時，為了減小實驗誤差，要求測得多組數(shù)據(jù)，并由轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)。變形為：在縱軸為，橫軸為的直角坐標系下，上式為一直線，其斜率為，截距為，采用作圖法可示出和。要保證測得的、 有足夠的可信度，以便用于工業(yè)過濾裝備，實驗條件必須盡可能與工業(yè)條件相吻合，要求采用相同的懸浮液，相同的操作溫度和壓強。三、過濾設(shè)備各種生產(chǎn)工藝的懸浮液，其性質(zhì)有很大的差異；過濾的目的

14、及料漿的處理量相差也很懸殊，為適應(yīng)各種不同的要求而發(fā)展了多種型式的過濾機。按照操作方式可分為間歇過濾機與連續(xù)過濾機，按照采用的壓強差可分為壓濾、吸濾和離心過濾，工業(yè)應(yīng)用最廣泛的板框過濾機和葉濾機為間歇壓濾型過濾機，轉(zhuǎn)筒真空過濾機則為吸濾型連續(xù)過濾機。(一)、板框壓濾機各種生產(chǎn)工藝的懸浮液，其性質(zhì)有很大的差異；過濾的目的及料漿的處理量相差也很懸殊，為適應(yīng)各種不同的要求而發(fā)展了多種型式的過濾機。按照操作方式可分為間歇過濾機與連續(xù)過濾機，按照采用的壓強差可分為壓濾、吸濾和離心過濾，工業(yè)應(yīng)用最廣泛的板框過濾機和葉濾機為間歇壓濾型過濾機，轉(zhuǎn)筒真空過濾機則為吸濾型連續(xù)過濾機。一、板框壓濾機 &#

15、160;  板框過濾機早為工業(yè)所使用，至今仍沿用不衰。它由多塊帶凹凸紋路的濾板和濾框交替排列組裝于機架而構(gòu)成，如圖3-20所示。圖3-20  板框壓濾機1一壓緊裝置  2一可動頭  3一濾框  4一濾板  5一固定頭  6一濾液出口  7一濾漿進口  8一濾布圖3-21  濾板和濾框    板和框一般制成正方形，如圖3-21所示。板和框的角端均開有圓孔，裝合、壓緊后即構(gòu)成供濾漿、濾液或洗滌液流動的通道?？虻膬蓚?cè)覆以四角開孔的濾布，空框與濾布圍成了容納濾漿及濾餅的空間

16、。濾板又分為洗滌板與過濾板兩種。洗滌板左上角的圓孔內(nèi)還開有與阪面兩側(cè)相通的側(cè)孔道，洗水可由此進入框內(nèi)。為了便于區(qū)別，常在板、框外側(cè)鑄有小鈕或其它標志，通常，過濾板為一鈕，洗滌板為三鈕，而框則為二鈕(如圖321所示)。裝合時即陵鈕數(shù)以123212的順序排列板與框。壓緊裝置的驅(qū)動可用手動、電動或液壓傳動等方式。    過濾時，懸浮液在指定的壓強下經(jīng)濾漿通道由濾框角端的暗孔進入框內(nèi)，濾液分別穿過兩側(cè)濾布，再經(jīng)鄰板板面流至濾液出口排走，固體則被截留于框內(nèi)，如圖322(a)所示，待濾阱充滿濾框后，即停止過濾。濾液的排出方式有明流與暗流之分。若濾液經(jīng)由每塊濾板底部側(cè)管直接排出

17、(如圖3-22所示)，則稱為明流。若濾液不宜暴露于空氣中，則需將各板流出的濾液匯集于總管后送走(如圖3-20所示)，稱為暗流。    若濾餅需要洗滌，可將洗水壓人洗水通道，經(jīng)洗滌板角端的暗進入板面與濾布之間此時，應(yīng)關(guān)閉洗滌板下部的濾液出口，洗水便在壓強差推動下穿過一層濾布及整個厚度的濾餅，然后再橫穿另一層濾布，最后由過濾板下部的濾液出口排出，如圖222(b)所示。這種操作方式稱為橫穿洗滌法，其作用在于提高洗滌效果。圖3-22  板框壓濾機內(nèi)液體流動路徑(a)過濾階段   (b)洗滌階段洗滌結(jié)束后，旋開壓緊裝置并將板框拉開，卸出濾餅，清洗濾布，重新裝合，進入下一個操作循環(huán)。    板框壓濾機的操作表壓，一般在Pa的范圍內(nèi)，有時可高達Pa。    濾板和濾框可由多種金屬材料(如鑄鐵、碳鋼、不銹鋼、鋁等)、塑料及木材制造。我國編制的壓濾機系列標準及規(guī)定代號，如下面圖式所示?？蛎窟呴L為3201000mm，厚度為2550mm。濾板和濾框的數(shù)目，可根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)自行調(diào)節(jié)，一般為1060塊，所提供的過濾面積為280m2。當生產(chǎn)能力小，所需過濾面積較少時，可于板框間插入一塊盲板，以切斷過濾通道，盲板后部即失