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1、1,第3章 非均相物系的分离和固体流态化,2,主要内容,3.1 概述 3.2 颗粒及颗粒床层的特性 3.3 沉降分离 3.4 过滤 3.5 离心机（自学） 3.6 固体流态化,3,基本要求,掌握单个颗粒、颗粒群、颗粒床层特性的表示方法； 掌握重力沉降和离心沉降的基本原理、沉降速度的定义和基本表示方法； 了解并熟悉降尘室、旋风分离器的结构特点、工作原理及其性能参数； 掌握过滤的基本操作过程、典型的设备，熟练掌握恒压过滤的操作及计算； 了解流化床的主要特征和操作范围； 掌握数学模型法。,4,概述,混合物的分类,无相界面，采用传质方法分离,有相界面，采用传质方法分离,如悬浮液、乳浊液、泡沫液等。,如
2、含尘气体、含雾气体,5,概述,非均相物系中处于分散状态的物质。如悬浮液中的固体颗粒。,包围分散质的处于连续状态的流体。如悬浮液中的液体。,非均相物系分离的依据：分散相与连续相之间的物理性质的差异。如密度、颗粒外径等。,非均相物系的分离方法：机械法，使分散质与分散相之间发生相对运动，实现分离。,6,7,概述,非均相混合物分离的目的,回收分散质，如从气固催化反应器的尾气中收集催化剂颗粒； 净化分散介质，如原料气中颗粒杂质的去除以净化反应原料，环保方面烟道气中煤炭粉粒的除去。 环境保护与安全生产,8,3.2.1 颗粒的特性 3.2.2 颗粒床层的特性 3.2.3 流体通过床层流动的压降,3.2 颗粒
3、及颗粒床层的特性,9,1. 单一颗粒的特性,1）球形颗粒,用粒径d（球形颗粒的直径）表示。,m2/m3。,m2,m3,单位体积颗粒具有的表面积,10,1. 单一颗粒的特性,2）非球形颗粒,用当量直径和形状系数表示。,与非球形颗粒体积相等的球形颗粒的直径。,非球形颗粒体积,表示颗粒形状与球形的差异,该颗粒体积相等的圆球的表面积，m2；,颗粒的表面积，m2；,S1,11,1. 单一颗粒的特性,2）非球形颗粒,12,2. 颗粒群的特性,1）粒度分布,不同粒径范围内所含粒子的个数或质量。,可采用泰勒标准筛通过筛分分析得到。,料被截留在筛面上的尺寸大于筛孔尺寸的物料的量,通过筛孔的尺寸小于筛孔尺寸的物料
4、的量,13,2. 颗粒群的特性,2）颗粒的平均粒径,平均比表面积直径，m,i层筛网的筛余量,筛分直径：i-1和i层筛网的平均孔径,颗粒总质量,质量分数,14,3.2 颗粒及颗粒床层的特性,3.2.1 颗粒的特性 3.2.2 颗粒床层的特性,15,1. 床层空隙率e,影响因素： 颗粒大小、形状、粒度分布、充填方式等。 一般非均匀、非球形颗粒的乱堆床层：0.470.7。均匀的球体最松排列时: 0.48，最紧密排列时:0.26。,16,2. 床层的比表面积ab,单位体积床层中具有的颗粒表面积（即颗粒与流体接触的表面积）。,如忽略床层中颗粒间相互重叠的接触面积）：,aba(1-),真实密度，kg/m3
5、,堆积密度，kg/m3,17,3. 床层的自由截面积,定义：床层截面上未被颗粒占据的、流体可以 自由通过的面积,对乱堆床层，各向同性，床层自由截面积与床层截面积之比等于空隙率； 受壁效应影响，壁面附近床层空隙率大于床层内部。改善壁效应的方法通常是限制床层直径与颗粒直径之比不得小于某极限值。若床层的直径比颗粒的直径大得多，则壁效应可忽略。,18,3.3 沉降分离,3.3.1 重力沉降 3.3.2 离心沉降,19,概述,沉降：悬浮在流体中的固体颗粒借助于外场作用力产生定向运动，从而实现与流体相分离，或者使颗粒相增稠、流体相澄清的一类操作。,主要讨论刚性颗粒的自由沉降。,受其它颗粒或壁面影响,沉降不
6、受影响,重力作用下沉降,离心力作用下沉降,20,1. 沉降速度,加速段极短，通常可以忽略,等速段的颗粒运动速度称为沉降速度，用ut表示。,21,2. 阻力系数,22,2. 阻力系数,23,3. 影响沉降速度的因素,流体的粘度,颗粒的体积分数,器壁效应,颗粒形状,体积分数大，发生干扰沉降，ut。,由于器壁存在，ut，当容器尺寸大于颗粒尺寸100倍以上时，可忽略。,非球形颗粒比等体积球形颗粒沉降速度小，s ，ut，,24,2. 重力沉降设备,25,2. 重力沉降设备,1）降尘室,则表明，该颗粒能在降尘室中除去。,思考1： 为什么气体进入降尘室后，流通截面积要扩大？,思考2：为什么降尘室要做成扁平的
7、？,26,27,28,1）降尘室,2. 重力沉降设备,29,2）沉降槽,2. 重力沉降设备,利用颗粒的自然沉降实现分离，但由于分离效果差，一般得到含固体颗粒50的增稠液，所以也叫增稠器。,30,生产能力：一般以澄清液溢出量（清液流量Q0)表示,为了提高沉降槽的生产能力，可以采用向槽内添加絮凝剂的方法。常用的絮凝剂主要有： 无机絮凝剂：石灰、硫酸、明矾、硫酸亚铁、苛性钠、盐酸和氯化锌等； 天然高分子絮凝剂：有淀粉和含淀粉的蛋白质物质，如马铃薯、玉米粉、红薯粉及动物胶等； 合成高分子絮凝剂：有离子和非离子型高分子聚合物，如聚丙烯酰胺、羰基纤维素和聚乙烯基乙醇等。,2）沉降槽,2. 重力沉降设备,3
8、1,3.3 沉降分离,3.3.1 重力沉降 3.3.2 离心沉降,32,1. 惯性离心力作用下的沉降速度,惯性离心力,向心力,阻力,对处于离心力场半径为r处的粒子受力分析,加速段极短，通常可以忽略,等速段的颗粒运动速度称为离心沉降速度，用ur表示。,33,1. 惯性离心力作用下的沉降速度,方向：沿半径向外；,随位置而变，不是恒定值。,对照重力场,表示粒子所在位置的惯性离心力场强度与重力场强度之比，是离心分离设备的重要指标。,颗粒实际运动速度在径向上的分量；,34,1. 惯性离心力作用下的沉降速度,一般，如果颗粒与流体的相对运动属于层流 (10-4Ret= dur/ 1) ，,35,2. 旋风分
9、离器的操作原理,用途：适用于含颗粒浓度为0.01500g/m3、粒度不小于5m的气体净化与颗粒回收操作，尤其是各种气-固流态化装置的尾气处理。,操作原理：含尘气体切向进入，向下螺旋运动，颗粒抛向气壁，由出灰口排出；气流形成外旋流和内旋流（气芯）由排气管排出。,36,3. 旋风分离器的性能,几点假设： a假设气体速度恒定，且等于进口气速ui； b假设颗粒沉降过程中所穿过的气流的最大厚度等于进气口宽度B； c假设颗粒沉降服从斯托克斯公式。,能够从分离器内100%分离出来的最小颗粒的直径，用dc表示。其满足：,1）临界粒径：,37,3. 旋风分离器的性能,平均旋转半径,有效旋转圈数,38,3. 旋风
10、分离器的性能,旋风分离器的尺寸越小，进口流速越高，能完全除尽的颗粒直径就越小，分离效率越高。 当气体处理量很大时，常将若干小型旋风分离器并联使用，以维持较好的除尘效果。,1）临界粒径：,Ne：有效旋转圈数，与进口气速有关，风速越大，Ne也越大，对常用形式的旋风分离器，风速在1225m/s,一般可取Ne34.5。,旋风分离器结构和操作参数对分离效率的影响:,39,3. 旋风分离器的性能,2）分离效率：,二者的关系：,40,3. 旋风分离器的性能,3）压力降：,越小越好，压力降一般 介于5002000Pa。 对于同一结构型式及尺寸比例的旋风分离器为常数，不因尺寸大小而变。 提高入口气速可提高分离效
11、率，但阻力却成平方地增加，不经济。一般控制压降在 0.52kPa 左右（入口气速 1525m/s），而采取缩小直径、多台并联的方式以综合满足分离效率与处理大气量的要求。,41,4. 旋风分离器的结构形式,旋风分离器分类繁多，分类方法也各有不同。 按结构形式可分为：长锥体、圆筒体、扩散式以及旁通式。 我国已定型了多种旋风分离器，制定了标准系列，常用的有CLT、CLT/A、CLP/A、CLP/B 以及 CLK 型等。 对各种型号的旋风分离器一般以圆筒直径 D 来表示其各部分的比例尺寸，详细尺寸及性能指标可查阅有关资料手册。,42,4. 旋风分离器的结构形式,CLP型,A型,B型,旁路,进气口位置降
12、低,细微粒随一小部分气体在顶部旋转聚集形成灰环，被迫进入旁室后由旁路旋转向下并沿壁面落下。 对5m 以上细粉的分离较高。阻力系数一般为 4.8-5.8。,43,4. 旋风分离器的结构形式,有效防止了上升的净化气体重新把粉尘卷起带出，从而提高了除尘效率。 适用于捕集粒度在 5-10m 的干燥的非纤维颗粒粉尘。阻力系数在 7.5-9 之间。,CLK 型（倒锥体旋风分离器）,反射屏 (挡灰盘),44,PV型粗旋风分离器,PV型外置旋风分离器,PV型单级旋风分离器,PV型一、二级 旋风分离器,45,为长岭炼油化工有限公司制造的旋风分离器在预组装,为九江石油化工厂制造的旋风分离器在预组装,为上海氯碱股份
13、有限公司制造的氧氯化反应旋风分离器在预组装,46,应用一：旋转薄膜光催化反应器,紫外灯,空气,流量计,废水进,废水出,47,应用二：液体喷射气体旋流器脱氨氮,air,脱除氨氮后的废水,air+NH3,氨氮废水,泵,外管,内管,气升管,48,3.4 过滤,3.4.1 过滤操作的基本概念 3.4.2 过滤基本方程式 3.4.3 恒压过滤 3.4.4 恒速过滤与先恒速后恒压过滤 3.4.5 过滤常数的测定 3.4.6 过滤设备 3.4.7 滤饼的洗涤,49,过滤：利用重力或压差等使悬浮液通过多孔性过滤介质，将固体颗粒截留在介质上，从而实现固-液分离操作。,概述,滤浆,滤饼,过滤介质,滤液,50,1.
14、 过滤方式,推动力：重力、压力、离心力,饼层过滤：粒子漏过、粒子的架桥、滤饼形成、过滤。,深床过滤：颗粒尺寸比介质孔道小的多，颗粒进入孔道后在静电力和表面张力作用下被截留，紧附在孔道的壁面上。介质表面无滤饼形成，过滤在介质内部进行。,51,2. 过滤介质,织物介质，如棉、麻、丝、毛、合成纤维、金属丝等编织成的滤布，5-65m，工业应用广泛； 堆积介质，细纱、木炭、石棉、硅藻土等细小坚硬的颗粒状物质堆积而成，多用于深床过滤。 多孔性固体介质，如多孔陶瓷，多孔塑料及多孔金属制成的板式管。 1-3m。,多孔性介质、耐腐蚀、耐热并具有足够的机械强度。常用的有：,52,3. 滤饼的压缩性和助滤剂,可压缩
15、性滤饼,不可压缩性滤饼,构成滤饼的颗粒是不易变形的坚硬固体颗粒p ，颗粒形状及e都无显著变化，因此其单位厚度床层的流动阻力可以认为是恒定的，如硅藻土和碳酸钙等。,该滤饼由胶体构成， p ，颗粒形状、e及阻力发生显著变化，如Al(OH)3等。,解决办法：加入助滤剂，使滤饼疏松而坚硬。常用作助滤剂的物质有：硅藻土、珍珠岩、炭粉、石棉粉等。,助滤剂的加法：掺滤、预涂,53,3.4 过滤,3.4.1 过滤操作的基本概念 3.4.2 过滤基本方程式,54,1.床层的简化模型,流体流过固定床层的特点：,流体在固定床中同一截面上的流速分布很不均匀,产生压降的主要原因：,55,1.床层的简化模型,(1)细管长
16、度=床层高度L (2)细管的内表面积等于全部颗粒的表面积， 流体的流动空间等于床层中颗粒之间的全部空隙体积。,假定：,床层体积,56,2. 流体通过床层压降的数学描述,由质量守恒得：,床层截面积,将deb、u1表达式代入（1）式得：,(1),l,：模型参数，固定床的流动摩擦系数，须由实验检验和测定。,57,3. 模型参数的实验测定,（1）康采尼实验结果：,流速较低，床层雷诺数Reb2时：,康采尼方程,康采尼常数，l=5,58,3. 模型参数的实验测定,（2）欧根实验结果：,当Reb0.17330时，,59,Reb1000时，湍流流动，上式右边第一项可忽略。,3. 模型参数的实验测定,（2）欧根实验结果：,60,1. 滤液通过饼层的流动,饼层过滤,1）滤液通过饼层流动的特点,属于流体流经固定床的情况；
