非均相混合物的分离.ppt

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1、内容纲要,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,3.1 概述,3.1.1 混合物分类,混合物,均相混合物,非均相混合物,溶液：,混合气体：,精馏、萃取,吸收、吸附,气态非均相,液态非均相,含尘气体,含雾气体,悬浮液,乳浊液,气泡液,物系内部存在相界面且界面两侧的物理性质完全不同。,化工原理课件第四章 沉降与过滤,分散相：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。连续相：包围分散质的处于连续状态的流体。如悬浮液中的液体。,3.1 概述,3.1.2 非均相混合物的分离方法依据：分散相与连续相之间的物理性质的差异。如密度、颗粒外径等方法：连续相与分散相之间

2、发生相对运动而分离.,3.1 概述,3.1.3 机械分离方法的推动力3.1.4 分离目的回收有价值的物质 净化分散介质保护环境和安全生产,3.1 概述,3.2.1 颗粒的特性 3.2.1.1 单一颗粒的特性（1）球形颗粒 体积 表面积 比表面积（2）非球形颗粒 非球形颗粒可用当量直径及形状系数来表示其特性。,3.2 颗粒及颗粒床层的特性,体积当量直径de 表面积当量直径des 比表面积当量直径dea 形状系数 形状系数表征颗粒的形状与球形的差异程度 球形颗粒，=1，颗粒形状与球形差别愈大，值愈低。,3.2 颗粒及颗粒床层的特性,非球形颗粒通常以体积当量直径和形状系数来表征颗粒的体积、表面积和比

3、表面积。,3.2 颗粒及颗粒床层的特性,3.2.1.2 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即粒径分布。标准筛:泰勒制，日本制，德国制及原苏联制等。我 国用泰勒制。,3.2 颗粒及颗粒床层的特性,2、颗粒的平均粒径平均比表面积直径,3.2 颗粒及颗粒床层的特性,3.2.2 颗粒床层的特性3.2.2.1 床层空隙率 固定床：众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒层。,3.2 颗粒及颗粒床层的特性,3.2.2.2 床层的比表面积单位床层体积具有的颗粒表面积称为床层的比表面积。若忽略颗粒之间接触面积的影响床层比表面积也可根据堆积密度估算,3.2 颗粒及颗粒床层的特性,3.2.3

4、流体通过床层流动的压降（3.4 过滤）,3.2 颗粒及颗粒床层的特性,沉降分离是借助某种力的作用，利用分散物质与分散介质的密度差异使之发生相对运动而分离的过程。沉降:重力沉降 作用力是重力 离心沉降 作用力是惯性离心力,3.3 沉降分离,3.3.1 重力沉降 受地球吸引力的作用而发生的沉降。3.3.1.1 沉降速度 假设：,3.3 沉降分离,颗粒为球形；,颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰,容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略,颗粒直径不能小到受流体分子运动的影响,1.球形颗粒的自由沉降：,重力：,浮力：,阻力：,颗粒密度,流体密度,受力分析,3.3 沉降分离,化工原理课件第四章 沉降与过滤,刚开始沉

5、降：,不变,a最大,开始沉降,a,3.3 沉降分离,a0,u增加至一定值时,自由沉降速度,匀速沉降,自由沉降速度公式,3.3 沉降分离,2.阻力系数 的计算,因次分析,球形度,=,与颗粒体积相等的圆球的表面积,颗粒的表面积,3.3 沉降分离,3.3 沉降分离,层流区(Stokes区),Stokes公式,表面摩擦阻力占主导地位,不发生边界层分离,3.3 沉降分离,过渡区(Allen区),开始发生边界层分离,颗粒后部形成旋涡尾流,尾流区压强低形体阻力增大,3.3 沉降分离,湍流区(牛顿区),形体阻力占主导地位，表面摩擦阻力可以忽略,阻力u2,阻力系数与Ret无关,3.3 沉降分离,Ret2105,

6、阻力系数骤然下降,层流边界层湍流边界层,分离点后移，尾流区收缩，形体阻力突然下降,近似取=0.1,3.3 沉降分离,自由沉降速度的公式不适用于非常微细颗粒（如d10-4时，可不考虑布朗运动的影响。,沉降速度关系式适用于颗粒与流体在重力方向上的相对运动的计算。例如:颗粒密度大于流体密度的沉降操作；颗粒密度小于流体密度的颗粒浮升运动；在静止流体中颗粒的沉降，流体相对于静止颗粒的运动；颗粒与流体逆向运动的情况；颗粒与流体同向运动但具有不同的相对速度的计算。,3.3 沉降分离,3.ut的计算：,试差法：,摩擦数群法无因次判据法,非试差法：,3.3 沉降分离,试差法：,假设流型,选择公式,计算,计算,验

7、算,3.3 沉降分离,例：求直径40m球形颗粒在30大气中的自由沉降速度。已知颗粒为2600kg/m3,大气压为0.1MPa。,解：,设为层流，则：,查30、0.1MPa空气：,校核：,(正确),3.3 沉降分离,4.影响沉降速度的因素,流体的粘度、密度,颗粒的体积浓度,器壁效应,颗粒形状的影响,颗粒的最小尺寸,3.3 沉降分离,雷诺数公式,层流区Stokes定律区,小 结,3.3.1.2 重力沉降分离设备气体沉降设备利用重力沉降除去气流中颗粒的设备。液体沉降设备用于浓缩、澄清沉降槽：,3.3 沉降分离,一、降尘室 1.用途：分离气流中的尘粒,3.3 沉降分离,2.工作原理,3.3 沉降分离,

8、气体入室减速,颗粒的沉降运动随气体运动,沉降运动时间气体停留时间分离,说明,:d，容易除去,气量V，容易除去,3.3 沉降分离,沉降时间：,停留时间：,分离条件：,3.3 沉降分离,说明：,某一粒径的粒子，只要满足，,则该粒径的粒子可以100被分离,某一粒径的粒子，如果不满足，,则该粒径的粒子不能被100分离,对于一降尘室,存在一能100被除去的最小粒子,用 表示；其沉降速度最小，用,表示，,称为临界沉降速度。,3.3 沉降分离,3.常见的降尘室结构,3.3 沉降分离,4.降尘室的生产能力,说明：,一定时,(),只与沉降面积,与H无关,当,有关，,3.3 沉降分离,对设备而言，生产能力,只与沉

9、降面积 和,有关，与H无关。,最小颗粒的沉降速度,所以设计降尘室时，应作成扁平形。,气体在降尘室的流速u,一般应保证处于层流区,不宜过高，,化工原理课件第四章 沉降与过滤,3.3 沉降分离,5.多层降尘室：,N层,单层,3.3 沉降分离,N层,单层,多层降尘室：,3.3 沉降分离,例:降尘室高2m,宽2m,长5m。气体流量为4m3/s,为0.75kg/m3,为0.026cp。(1)求除尘的dc；(2)将降尘室隔成10层,若dc不变,则流量？若流量不变,则dc？已知尘粒为3000kg/m3。(3)粒径为40m的颗粒的回收百分率？(4)如欲回收直径为15 m的尘粒，降尘室应隔成多少层？,解:(1)

10、,3.3 沉降分离,校核,计算有效,设为层流沉降：,3.3 沉降分离,若流量不变,仍为层流沉降,或,(2)隔成10层：,若dc不变,utc不变,Vs=10Vs,3.3 沉降分离,(3)由以上计算知，粒径为40m的颗粒必定在滞流区,气体在降尘室的停留时间,3.3 沉降分离,40um的颗粒在5s内的沉降高度,回收率,或,3.3 沉降分离,(4)如欲回收直径为15um的尘粒，,3.3 沉降分离,例：已测得密度为=1630kg/m3的塑料珠在20的CCl4液体中的沉降速度为1.7010-3m/s，20时CCl4的密度=1590kg/m3，粘度=1.0310-3 Pas，求此塑料珠的直径。,3.3 沉降

11、分离,解：设小珠沉降在斯托克斯定律区，按式,可得,校验Re，,1,计算有效,3.3 沉降分离,例：质量流量为2.50kg/s、温度为20的常压含尘空气在进入反应器之前必须除尘并预热至150，所含尘粒密度为1800kg/m3。现有一台总面积为130m3的多层降尘器，试求在下列两种情况时此降尘器可全部除去的最小颗粒直径：,（1）先除尘后预热；（2）先预热后除尘。,3.3 沉降分离,解：（1）查表可知，=18.110-6 Pas=1.20kg/m3,体积流量,3.3 沉降分离,假定颗粒沉降处于斯托克斯定律区，则,校核,计算有效,3.3 沉降分离,（2）,=24.110-6 Pas,3.3 沉降分离,

12、假定颗粒沉降处于斯托克斯定律区，则,校核,计算有效,说明：先除尘后预热的顺序较好，可以全部除去的最小颗粒直径较小,3.3 沉降分离,二、沉降槽用途：分离悬浮液,处理量大 大颗粒悬浮液,化工原理课件第四章 沉降与过滤,3.3 沉降分离,3.3.2 离心沉降 依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程。气固离心设备：旋风分离器 液固离心设备：旋液分离器，沉降离心机3.3.2.1 惯性离心力作用下的沉降速度,3.3 沉降分离,1.惯性离心力作用下的沉降速度,惯性离心力=,向心力=,阻力=,3.3 沉降分离,3.3 沉降分离,离心沉降速度和重力沉降速度比较,ur：颗粒绝对运动速度在径向上的分量，方向沿径向向

13、外，随R方向及大小而变化，不是恒值。ut：恒值，方向向下 ur，uT方向均在变化，颗粒运动轨迹为绝对速度方向分离因数Kc=(uT2/R)/g K为分离因数Kc值大小是反映离心分离设备性能的重要指标。,2.旋风分离器,气固分离,除5m20m尘粒,缺点：不适于分离粘性，高湿性、腐蚀性粉尘,3.3 沉降分离,3.3 沉降分离,3.旋风分离器的性能指标,细而长,(1)临界粒径,(2)分离效率,总效率,粒级效率,分割粒径,3.3 沉降分离,(3)压强降,3.3 沉降分离,某气流干燥器送出的含尘空气量为10000m3h-1，空气温度为80oC。直径为1m的标准型旋风分离器收集粉尘，粉尘密度1500kgm-

14、3，(1)分割粒径；(2)直径为15m的颗粒的粒级效率；(3)压强降。,解：,查80,(1),进口横截面积,进口气速,3.3 沉降分离,(2),由图查得 p=0.83=83%,(3),3.3 沉降分离,4.存在问题及改进,上部易形成涡流,尘粒易带走,倾斜式、旁路,扩散式,3.3 沉降分离,旋液分离器,3.3 沉降分离,滤浆(料浆)悬浮液,滤液,滤饼(滤渣),过滤介质,过滤操作推动力,重力,压强差,离心力,3.4 过滤,一、基本概念,1.过滤方式,饼层过滤,深床过滤,架桥现象,深床过滤,d粒d孔,滤饼:过滤作用,过滤介质:支承作用,3.4 过滤,2.过滤介质：,特性：,多孔,流阻小,机械强度高,

15、耐热、耐腐蚀,分类：,织物介质(滤布),多孔固体介质,粒状介质,5-65um,1-3um,3.4 过滤,奔驰汽油过滤纸,3.4 过滤,3.4 过滤,BUICK车用空气过滤纸,3.滤饼种类：,不可压缩滤饼：,当p时,流阻/滤饼厚度const,可压缩滤饼：,当p时,流阻/滤饼厚度,3.4 过滤,4.助滤剂,3.4 过滤,助滤剂的作用 吸附液体，增大床层孔隙率，防止滤孔堵塞对助滤剂的要求 有一定刚性，具有不可压缩性，可增大孔隙率，流动阻力小；化学性质稳定，不溶于流动相。,3.4 过滤,二、床层特性分析,1.床层的简化模型建立物理模型:对该过程进行合理的物理的抽象和简化.简化模型是将复杂的不规则的网状

16、通道简化为许多管径为de，长度为L的平行细管。细管中的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积细管的内表面积等于颗粒床层的全部表面积,3.4 过滤,合理的简化细管的当量直径可表示为,3.4 过滤,2.流体通过床层的数学描述在物理模型的基础上进行数学的抽象与简化，用数学的方式来反映物理模型的本质。u1:流体在床层内的实际流速，m/su:按整个床层截面计算的空床流速,3.4 过滤,上式即流体通过固定床层压降的数学模型:模型参数,3.4 过滤,3.模型参数的确定 模型参数的确定通过实验来测定,模型的有效性必须通过实验检验 康采尼实验结果（流动属于层流）=5.0/Re，Re=deu1/=u/(1-),3.4

17、 过滤,1.过滤速度(u)：,单位时间通过单位过滤面积的滤液体积,m3/(m2s),3.4 过滤,三、过滤速度和过滤速率,2.过滤速率()：,单位时间获取的滤液体积,m3/s,过滤速率,3.4 过滤,3.滤饼阻力,令,滤饼比阻,(单位厚度滤饼的阻力,1/m2),滤饼阻力,1/m,3.4 过滤,4.过滤介质阻力：,过滤速度,滤饼处：,过滤介质处：,总速度：,令,虚拟滤饼厚度,过滤压强差,(当量),3.4 过滤,1.不可压缩滤饼过滤基本方程式,虚拟(当量)滤液体积,同理：,(过滤速度),(过滤速率),3.4 过滤,四、过滤基本方程式,滤饼面积,：,：料浆的物性,说明：,3.4 过滤,单位压强差下的

18、比阻,压缩性指数(s=01),过滤基本方程,适用,可压缩滤饼,不可压缩滤饼,(s=0),2.可压缩滤饼过滤基本方程式,3.4 过滤,例：已知某悬浮液中固相的质量分率为0.139，固相密度为2200kg/m3，液相为水，每1m3滤饼中含500kg水，其余全为固相。求滤饼体积与滤液体积之比。,(1)以1m3滤饼为基准。,解：,1m3滤饼中,水：500kg,固体：,体积0.5m3,需要滤浆的质量为,质量1100kg，,3.4 过滤,生成的滤液质量为,7913.7-500-11006313.7kg,(2)以1kg悬浮液为基准,1kg悬浮液中,水：0.861kg,固体：0.139kg,颗粒体积：,3.4

19、 过滤,每1m3滤饼中含500kg水，即固相体积分率为0.5。,滤饼体积：,滤饼中含水：,则1kg悬浮液生成的滤液质量为,0.861-0.06320.798kg,3.4 过滤,(3)设得到1m3滤液可得到x m3滤饼,解得：,3.4 过滤,强化过滤的途径:改变悬浮液中颗粒的聚集状态.比如加絮凝剂等改变滤饼结构.比如加助滤剂.采用机械的水力或人为地干扰滤饼厚度适当提高 悬浮液温度以降低滤液黏度.选用阻力小的滤布,3.4 过滤,特点：,p不变,1.恒压过滤方程式,以,作为变量,3.4 过滤,五、恒压过滤,过滤时间,滤液体积,边界条件：,3.4 过滤,以,作为变量,过滤时间,滤液体积,边界条件：,3

20、.4 过滤,若介质阻力可忽略，即,3.4 过滤,3.4 过滤,2.过滤常数,物料特性及过滤压强差决定，,过滤常数,同一滤浆：,反映了过滤介质阻力大小,介质常数,3.4 过滤,例：已知，p=9.81l03Pa，水=1.010-3Pas，滤饼不可压缩，过滤介质阻力可忽略。求(1)q=1.5m3/m2时的；(2)=2 时，可再得多少滤液?,解：,(1),(2),3.4 过滤,解：,滤液体积,例：在过滤压强差为0.3MPa条件下，利用板框压滤机对某药物悬浮液进行恒压过滤，过滤面积21m2,得到不可压缩滤饼，且滤饼体积与滤液体积之比为0.018。已知当过滤压强差为0.1 MPa而其它操作条件相同时，该压

21、滤机的过滤常数qe=0.0217 m3/m2，e=2.81 s。试求当所得滤饼体积为0.26m3时，所获得的滤液体积及所需的过滤时间。,3.4 过滤,P0.1 MPa时,P0.3 MPa时,3.4 过滤,例：有一板框过滤机，p1.5atm下恒压过滤某一种悬浮液，2小时后得滤液40m3，过滤介质阻力可忽略不计。(1)其它条件不变，过滤面积加倍，可得滤液多少？(2)p加倍，滤饼可压缩，压缩指数0.25，2小时后可得滤液多少？(3)其它条件不变，操作时间缩短1小时，可得滤液多少？,解：,(1)恒压过滤，阻力忽略不计,料浆定，k为定值,(2),变，K改变,(3)操作时间缩短1小时，K不变,1.恒压下

22、的测定：,3.4 过滤,六、过滤常数的测定,3.4 过滤,3.4 过滤,3.4 过滤,2.的测定：,画图,3.4 过滤,按照操作方式可分为间歇式和连续式,在同一部分、不同时间进行称为间歇过滤 板框过滤机、叶滤机在同一时间、不同部分进行称为连续过滤 转筒真空过滤机,过滤过程,洗涤,过滤,七、过滤设备,3.4 过滤,1.板框压滤机,间歇式,3.4 过滤,滤浆,1-滤浆通道；2、3、4-滤液通道,板框结构,3.4 过滤,过滤阶段,洗涤阶段,3.4 过滤,3.4 过滤,3.4 过滤,排列方式,滤液排出方式,洗涤：横穿洗涤法,3.4 过滤,型号：,B M S 20/635-25,板框压滤机,明流式,(A暗流式),手动压紧,(Y液压压紧),框厚25mm,框内每边长635mm,过滤面积20m2,3.4 过滤,2.加压叶滤机,3.4 过滤,洗涤：置换洗涤法,3.4 过滤,3.转筒真空过滤机,连续式,结构,3.4 过滤,转筒及分配头：,工作原理,1-7,过滤区,8-10 吸干区,f槽,滤液通路,11 不工作区,不与任何凹槽相连,12-13,洗涤区,14 吸干区,g槽,洗液通路,15 不工作区,16-17吹松区、卸料区,h槽,压缩空气,18 不工作区,与真空管相连,3.4 过滤,3.4 过滤,4、袋式过滤机,3.4 过滤,5、三足式离心过滤机叶滤机,3.4 过滤,