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1、2020/9/14,1,学习回顾传热:传热机理三种传热方式传热过程的计算换热器,2020/9/14,2,第三章 非均相物系的分离,3.1 概述,(1).收集分散物质(回收有用物质) 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，或者从某些排污中回收带走的液体等。 (2).净化分散介质(净化物料) 如除去浑浊液中的固相杂质而使其成为清液，或者使压缩后气体中的油滴分离而净化气体等。 (3).环境保护与安全生产(环境保护的需要) 象烟道气的排放、废液的排放都要求其含固量达到一定标准，以防止对大气、河海等环境污染。,混合物的分类 均相物系：物系内部各处物料性质均匀而不存在相界面的混合物系。 非均
2、相物系：物系内部有明显的相界面存在而界面两侧物料的性质不同的混合物系。 非均相机械分离过程涉及固体颗粒,可以把固体看成球形. 流体对固体颗粒的绕行: 固体静止,流体动;流体静止,固体沉降;或相对运动.,2020/9/14,5,悬浮液的形成: 第一,在前置生产工序前因工艺要求加入固体颗粒; 第二,在前置生产工序中从液相中析出固体产品或因反应生成固体及固体杂质. 生产中液固分离有不同的目的:得到含液量比较少的固体产品即低液体损失率,或得到含固体颗粒比较少的清液,即低的固体损失率.,2020/9/14,6,颗粒和颗粒床层特性简述 亦称球形度，用于表征颗粒的形状与球形的差异程度。 定义：体积与实际颗粒
3、相等时球形颗粒表面积与实际颗粒的表面积之比，即： 空隙率：单位体积床层中的空隙体积，m3/m3，,2020/9/14,7,以液相加氢为例 含有催化剂的物料:催化剂要回收,循环使用;料液进入下一步反映. 颗粒大小对分离的难易程度的影响: 根据需要控制粒度大小.,3.2 沉降分离,3.2.1 沉降概述 沉降是指在某种力的作用下，固粒相对于流体产生定向运动而实现分离的操作过程。其依据是利用两相间密度的差异，受力时其运动速度不同从而发生相对运动。进行沉降操作的作用力可以是重力，也可以是惯性离心力，故沉降分为重力沉降和离心沉降。衡量沉降进行的快慢程度通常用沉降速度来表示。 3.2.2 沉降速度 自由沉降
4、：发生在稀疏颗粒的流体中 干扰沉降：多发生在液态非均相物系中，沉降速度低。 以下讨论自由沉降过程。 压缩沉降:,2020/9/14,9,3.2.3 自由沉降 沉降的加速阶段 沉降的恒速阶段 速度加大,阻力也变大,阻力变大加速度变小,小到为0即是恒速阶段. 沉降速度ut-终端速度,用前式计算沉降速度时，需先确定阻力系数值。通过因次分析，是颗粒形状、颗粒与流体相对运动雷诺数Ret=dut/的函数，由实验测得的综合结果在下图中示出。 对于球形颗粒的曲线，从图可看出，按Ret值大致分为三个区，各区内曲线所对应的可分别用相应的数学关系式表示。,2020/9/14,11,1) 场力F 重力场 Fg=mg
5、离心场 Fc=mr2 2) 浮力Fb 重力场 Fgb=mg/b(重力场中颗粒所受的浮力) 离心场 Fb=mr2/b(离心场中颗粒所受的浮力),设直径为d、密度为s的光滑球形颗粒在密度为，粘度为的静止流体中作自由沉降。此时颗粒受到阻力、浮力和重力的作用，其中阻力是由摩擦引起的，随颗粒与流体间的相对运动速度而变，仿照管内流动阻力计算式：,浮力Fb,阻力FD,重力Fg,则，受力情况：,根据牛顿第二运动定律： Fg-Fb-Fd=ma 即：,过程开始的瞬间，u=0,因此Fd=0,故加速度具有最大值。随着颗粒的下落，阻力增加，加速度减小。当u达到某一数值ut后，使得重力与浮力、阻力达到平衡，即合力为零，此
6、时加速度为零。 因此，颗粒的沉降过程分为两个阶段： 加速阶段：u=0,Fd=0,a=amax u，fd，a 等速阶段：u=ut时，Fd=Fg-Fb，a=0,将、Ret计算式代入沉降速度基本方程式中，得各区域内沉降速度公式：,说明 上式满足条件(1)容器相对颗粒直径大得多(100倍以上) (2)颗粒不可过细，否则出现布朗运动(d2m) 适用条件(1)颗粒静止，流体运动 (2)颗粒运动，流体静止 (3)颗粒流体作相反方向运动 (4)颗粒、流体作相同方向运动，但速度不同,2020/9/14,15,例3-1,3-2见教材111页 斯托克斯定律的含义:FD=3dpu 临界直径：指理论上能够完全分离出来的
7、最小颗粒直径.,2020/9/14,16,3.2.4 干扰沉降 颗粒群的运动; 干扰沉降的成因; 干扰沉降的速度.,3.2.5 重力沉降设备,重力沉降是最简单的沉降分离方法，它既可用于分离气固非均相物系，也可用于分离液固非均相物系；既可用于将混合物系中的颗粒与流体分开，也可用来使不同大小或密度不同的颗粒分开。依据重力沉降原理进行操作的装置称为重力沉降设备.,1). 降尘室 利用重力沉降从气流中分离出尘粒的设备称为降尘室，常见的如图所示。,操作原理：含尘气体进入降尘室后，因流动截面积的扩大而使颗粒与气体间产生相对运动，颗粒向室底作沉降运动。只要在气流通过降尘室的时间内颗粒能够降至室底，尘粒便可从
8、气流中分离出来。,颗粒降至室底所需时间为t： 当t时，尘粒便从气流中分离出来，即有： H/utlbH/qv qvutlb,降尘室一般为矩形方体设备，其长、宽和高分别用l、b、H表示，两端分别为含尘气体进口和净化气出口，气体流量为Vs,m3/s。 设气体通过降尘室的时间为：,球形颗粒沉降速度的计算 假设沉降处在滞流区，则选用Stokes公式： 例3-3见113页,增稠器,利用重力沉降从悬浮液中分离固相的设备称为增稠器，它可从悬浮液中分出清液而得到稠厚的沉渣，又称为增稠器。按操作方式分为间歇式和连续式，一般化工生产中均采用连续增稠器。,连续沉降槽是底部略成锥状的大直径浅槽，如图。悬浮液经中央进料管
9、送到液面以下0.31.0m处，分散到槽的整个横截面上。因截面积的扩大颗粒下沉，清液向上流动，经由槽顶四周设置的溢流堰排出，沉到槽底的沉渣由缓缓转动的耙拨向底部中心的排渣口排出。连续沉降槽的操作属于稳定操作状态，上部为清液区，下部为增稠区，增稠区内颗粒的浓度自上而下逐步增高，而且各部位区内的粒子浓度、沉降速度等不随时间而变化。,连续沉降槽直径大，大者可达百米以上，高度为24米。为节省占地面积，有时将数个沉降槽叠在一起构成多层沉降槽，共用一根共同的轴带动各槽的耙。耙的转速很低，一般在0.11rpm之内，以防将已沉积的固粒重新搅起。 连续沉降槽适于处理量大而颗粒浓度不高的悬浮液，对于颗粒细微的料浆，
10、常需加入高分子量的絮凝剂，使细粒之间发生凝聚而促进沉降作用，以提高其生产能力和得到符合要求的清液，其底部排出的沉渣还含有约50%的液体。,2020/9/14,22,分级器 利用重力沉降可将悬浮液中不同粒度的颗粒进行粗略的分离,或将两种密度不同密度的颗粒进行分类,这样的过程称为分级.实现分级操作的设备称为分级器.,2020/9/14,23,2 分级器,利用重力沉降可将悬浮液中不同粒度的颗粒进行粗略的分级，或将两 种不同密度的物质进行分类。图3-7为分级器示意图。,2020/9/14,24,3.2.6 沉降过程的强化 凝聚或絮凝 离心沉降,2020/9/14,25,3.2.7 离心沉降设备 转鼓式
11、离心机 离心沉降所处理的非均相物系中固粒直径通常很小，沉降一般在滞流区进行，故其沉降速度可表示为： 碟式分离机 管式高速离心机,2020/9/14,26,1 转鼓式离心机,与重力沉降器的原理相同，在沉降式离心机中，凡沉降所需时间t小于流体在设备内的停留时间r的颗粒均可被沉降而除去。颗粒在离心力场中的运动方程可写为,2020/9/14,27,2 碟式分离机,生产能力,碟式分离机的转鼓内装有许多倒锥形碟片，碟片直径一般为0.20.6m，碟片数目约为50100片。转鼓以47008500rmin的转速旋转，分离因数可达400010000。,用于乳浊液的分离,碟片上开孔,用于澄清时 碟片上不开孔,202
12、0/9/14,28,3 管式高速离心机,3.3 过滤,过滤是分离悬浮液最普遍和最有效的单元操作之一。与沉降相比，过滤可使悬浮液的分离更迅速更彻底，特别是对于粒径很小，很难分离的悬浮液，沉降方法均难实现，这时需采用过滤操作。 过滤：以某种多孔物质为介质，在外力作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而使固体颗粒被截留在介质上，从而实现固、液分离的单元操作。 过滤操作所处理的悬浮液称为滤浆或料浆 所用的多孔性介质称为过滤介质 通过过滤介质的液体称为滤液 被截留下来的颗粒层称为滤饼或滤渣 实现过滤操作的外力有重力，压强差或惯性 离心力，在化工生产中应用最多的是过滤介质 上、下游两侧的压强差。,1.
13、过滤方式,过滤操作分两类： 1.饼层过滤：固体颗粒呈饼层状沉积于过滤介质的上游一侧。适于处理固体含量较高(固体体积分率在1以上)的悬浮液。 真正发挥分离作用的是滤饼层，而不是过滤介质。 因为颗粒在介质表面发生“架桥”现象，可以截留小颗粒，开始滤液混浊需重新处理。 2.深床过滤：固体颗粒的沉积发生在 较厚的粒状过滤介质床层内部。适于 处理颗粒小、含量少(固体体积分率在 0.1以下)的悬浮液。 真正发挥作用的是过滤介质。 化工中所处理的悬浮液浓度往往较 高。故本章只讨论饼层过滤。,过滤介质,过滤介质的作用是使清液通过，截留和支承滤饼。对其要求是： 1.具有多孔性，孔道大小合适； 2.具有足够的机械
14、强度和尽可能小的流动阻力； 3.具有相应的耐腐蚀性、耐热性、抗老化性等。 工业上常用的过滤介质种类主要有： (1)织物介质(滤布)：由棉、毛、丝、麻等天然纤维或尼纶、聚氯乙烯纤维等合成纤维及玻璃丝、金属丝(Cu、Ni、不锈钢)等材料制成的网。被截留的最小颗粒直径565m，应用最广； (2)粒状介质(粒状介质)：由细而硬的粒状物质(砂、木碳、硅藻土、石绵、纤维球、碎石等)堆积而成。用于深床过滤; (3)多孔固体介质：多孔陶瓷、多孔塑料等具有细微孔道固体材料。被截留的最小颗粒直径13m，适于处理含量少、颗粒小的腐蚀性悬浮液或其它特殊场合。,为了克服可压缩滤饼被压缩后难于进行过滤，可在其中加入一种质
15、地坚硬的固体颗粒或预涂于过滤介质上，以形成稀松的饼层，以改变滤饼结构，提高刚性，减少阻力。 这种预涂或预混的粒状物质称为助滤剂。对助滤剂的要求： 应是能形成多孔饼层的刚性颗粒 具有化学稳定性和不溶于液相中 过滤操作的压强差范围内，具有不可压缩性 常用作助滤剂的物质有： 硅藻土：单细胞水生植物的沉积化石，经过干燥或焙烧，含85 以上的SiO2； 珍珠岩：将一种玻璃状的火山岩熔融后倾入水中，得到中空的 小球，再打碎而成； 其它：炭粉、石绵粉、纸浆粉等。,3. 滤饼的压缩性和助滤剂,2020/9/14,33,过滤过程的特点: 液体通过过滤介质和滤饼空隙的流动可视为流体流经颗粒层的流动的一种具体情况. 非定态的; 过滤过程的推动力:重力或离心力或压强差; ;,
