1 马秋林化机1031学习情境一 非均相物系分离方案及设备选择学习目的v 1、了解非均相物系分离在化工生产中的重要性，化工生产过程中常见的非均相物系分离的主要方法、分离过程、主要特点与工业应用；v 2、熟悉各种类型的气-固非均相物系分离设备的结构、工作原理、性能及应用场合，使用注意事项，能根据分离任务选择合适的气-固分离方案及设备并做到正确操作v 3、掌握旋风分离器的操作规程、了解其他气-固分离设备的操作要点v 4、熟悉各种类型的液-固非均相物系分离设备的结构、工作原理、性能及应用场合，使用注意事项，能正确操作各种液-固分离设备v 5、掌握框过滤机、离心过滤机的操作规程引 言化工生产中所处理的原料、中间产物和粗产品等几乎都是由若干组分组成的混合物，在化工生产中，原料、半成品以及排放物等大多为混合物为了使生产顺利的进行，以得到较高纯度的原料、产品或者满足环境保护的需要，常常需要对混合物进行分离工程任务v 某硫酸厂SO2炉气除尘方案的制定v 本任务的主要目的就是除去SO2气体中含有的粉尘（固体） 砷和硒（固体） 酸雾、水分（液体）、 氟化物（气体），可见是一典型的混合物的分离任务。
1、分离任务的性质v 混合物可以分为均相混合物和非均相混合物两大类v 均相混合物是指由不同组分的物质混合在一起形成单一相的物系如酒精水溶液、空气等；v 非均相物系是指物系中至少存在着两相或更多的相，其中有气-固、气-液、液-固和液-液等多种形式v 就含有两相的非均相物系而言其中一相为分散物质或称为分散内相，以细微的分散状态存在v 包围在分散物质各个粒子的周围的另一相称为连续相v 根据连续相的物理状态不同，非均相物系可分为两类：v （1）气态非均相物系，连续相为气体，如含尘气体和含雾气体；v （2）液态非均相物系，连续相为液体，例如悬浮液、乳浊液以及含有气泡的液体，即泡沫液等v 对照上述混合物的分类方法，可见这是一个以气-固分离任务为主，其中又包含气-液分离和气-气分离任务的较复杂的工作任务任务中，要求分离的对象为气态非均相物系，连续相为气体，非连续相（分散相）为粉尘和液滴，2、分离任务中需要解决的问题v 由前面分析已知这是一个如何从气态非均相混合物系除去分散相粉尘和液滴的问题，应该选择气态非均相物系的分离方法和设备。
由于用于气态非均相物系的分离方法和设备较多，需要依次解决如下问题：v （1）可采用哪些分离方法？怎样选择合适的方法？v （2）可采用哪些分离设备？怎样选择合适的设备？模块一 气态非均相物系的分离方法和设备的选择v 引言工程任务中的从气体中除去悬浮的固体粒子或液滴的操作过程，是化工生产常见的单元操作过程，不仅用于反应前原料气体的净化过程，而且也是化工厂废气放空前为了保护环境净化废气必须采用的操作气态分离操作的主要目的是：v 1、净制气体，以满足后续生产工艺的要求；v 2、回收生产中有价值的物料，例如贵重的固体催化剂等；v 3、环境保护和安全生产很多含碳物质及金属的细粉与空气形成爆炸物，必须除去这些物质，消除爆炸的危险v 由于生产中气体的处理量、粒子大小与特性、允许的压强降以及要求达到的分离效率等都并不相同，因此分离方法和设备必然有差异任务中主要涉及到矿尘的清除，要正确选用合适的分离方法、设备、正确操作方法等先了解一下常见的气-固相分离方法和设备一、气-固分离方法和设备的认识v 目前，气-固分离设备的种类繁多，根据在除尘过程中是否采用液体除尘和清水，可分为干式和湿式气-固分离设备两大类。
v 按捕集粉尘的机理不同，可将各种气-固分离设备分为机械式气-固分离设备(机械力)、过滤式气-固分离设备、洗涤式除尘器和静电气-固分离设备(静电力)四类一） 机械式气-固分离设备（二） 机械式气-固分离设备是一类利用重力、惯性力或者离心力的作用将尘粒从气体中分离的装置三） 这类气-固分离设备主要包括重力分离设备、惯性分离设备和旋风分离器四） 这类气-固分离设备的特点是结构简单、造价比较低、维护管理方便、耐高温湿烟气、耐腐蚀性气体对粒径在5µm以下的尘粒去除率较低当气体含尘浓度高时，这类气-固分离设备往往用作多级除尘系统中的前级预除尘，以减轻二级除尘的负荷1、重力沉降式气-固分离设备v 重力气-固分离设备又称重力沉降室，它是利用尘粒与气体的密度不同，通过重力作用使尘粒从气流中自然沉降分离的除尘设备v 最简单的设备形式有降尘气道如图2-1所示降尘气道具有相当大的横截面积和一定的长度当含尘气体进入气道后，其流通面积增大，流速降低，使得灰尘在气体离开气道以前，有足够的停留时间沉到室底而被除去。
v 图2-2为降尘室的示意图，含尘气体由气体入口进入降尘室后，气体中的尘粒一方面随着气流在水平方向流动，其速度与气流速度u相同，另一方面在重力作用下以沉降速度ut在垂直方向向下运动只要含尘气体从降尘室入口到出口所需的停留时间等于或大于尘粒从降尘室的顶部沉降到底部所需的沉降时间，尘粒即可被分离出来（即尘粒沉降在降尘室内不被带走）v 颗粒在介质中的沉降过程分为两个阶段，开始为加速阶段，而后为等速阶段因为工业所处理的非均相物系中颗粒一般很小，其加速阶段时间极短，故通常可以忽略不计，即认为整个沉降过程均在等速阶段中进行v 在等速阶段里颗粒相对于流体的运动速度称为沉降速度，用ut表示ut的大小与颗粒的大小，颗粒的浓度、流体的物理性质等有关ut求取方法详见拓展部分或查阅有关资料v 颗粒的沉降速度对于我们分析沉降设备的性能和设计沉降设备非常重要v 降尘室的长为L、高为H、宽为b（单位均为m），则气体通过降尘室的时间（气体在降尘室的停留时间）为θ：v v 微粒沉降至室底所需要的时间为θt：v v 当θ≥θt时，微粒便可被分离，即： v v 若取极限条件θ=θt则： （2-2）v 又因为降尘室的含尘气体的最大处理量（又称为降尘室的生产能力为）v v 将 其代入式（2-2）得：v （2-3）v 或 v （2-4）v 式中 为降尘室的底面积v 由公式2-4可见，降尘室的生产能力仅与其沉降速度ut和降尘室的沉降面积A有关，而与降尘室的高度无关。
v 因此也可将降尘室做成多层，如图2-3所示称为多层降尘室室内以隔板均匀分成若干层，隔板间距为40～100mm多层降尘室虽能分离较细小的颗粒并节省地面，但出灰不便 多层降沉室清洁气流含尘气流挡板隔板重力沉降室具有结构简单，造价低，维护管理方便、阻力小(一般约为50～ 150Pa)等优点，一般作为第一级或预处理设备重力沉降室的主要缺点是体积庞大，除尘效率低(一般只有40％一70％)，清灰麻烦鉴于以上特点，重力沉降室主要用以净化那些密度大，颗粒粗的粉尘，特别是磨损性很强的粉尘，它能有效地捕集50μm以上的尘粒，但不宜掳集20μm以下的尘粒思考题1重力沉降室的选用或设计v 沉降分为：自由沉降、干扰沉降v 自由沉降是指单一颗粒或者是经过充分分散的颗粒群，在流体中沉降时颗粒间不相互碰撞或接触的沉降过程v 若沉降系统中颗粒的浓度较大，颗粒间距离很小，颗粒在沉降过程中，因颗粒之间的相互影响不能正常沉降，称为干扰沉降v 实际生产中的沉降几乎都是干扰沉降但由于自由沉降的影响因素少，为了了解沉降过程的规律，通常从自由沉降入手进行研究。
1、沉降速度v 一表面光滑的球形颗粒在静止流体中的自由沉降，设颗粒的密度ρs大于流体的密度ρ，则颗粒在重力作用下即可在介质中沉降，沉降时颗粒与介质间产生相对运动，如图2-4所示颗粒在沉降过程中受到的作用力有重力FG、浮力Fb和阻力FRv 重力方向和颗粒沉降方向一致，其值为v 浮力方向与颗粒沉降方向相反，其值为v v 阻力方向亦与颗粒沉降方向相反，其大小为v 式中： d ──颗粒直径，m；v ρs──颗粒密度，kg/m3；v ρ──流体密度（介质密度），kg/m3；v g ──重力加速度，m/s2；v ζ──介质阻力系数，无因次；v u ──颗粒与流体间的相对速度，m/s；v m ──颗粒质量，kg；v A ──颗粒在运动方向上的投影面积，m2， v 若颗粒及流体已定，则重力FG及浮力Fb为一定值，而阻力FR则随着颗粒下降速度增加而增大当颗粒开始沉降的瞬间，因颗粒处于静止状态，故u＝0，此刻的阻力FR＝0，与之对应的加速度a值为最大，即颗粒作加速运动随着u值的增加，FR亦随之增加，经过一段时间后，当重力、浮力和阻力达到平衡时，即重力等于浮力与阻力之和时加速度a＝0，颗粒开始作匀速沉降运动，此时的颗粒下降速度（颗粒相对于流体的运动速度）称为沉降速度，以符号ut表示，单位为m/s。
v 由上分析可知，颗粒在介质中的沉降过程分为两个阶段，即开始为加速阶段，而后为等速阶段以因为工业所处理的非均相物系中颗粒一般很小，其加速阶段时间极短，故通常可以忽略不计，即认为整个沉降过程均在等速阶段中进行，从而给计算带来方便v 当FG-Fb-FR＝0时，颗粒与流体间的相对速度即为沉降速度ut （2-5）v 整理式（2－5）得沉降速度ut的计算公式为 。