非均相混合物分離

1、第三章 非均相混合物分離主講教師 童漢清均相混合物和非均相混合物1、均相混合物：物料內(nèi)部各處性質(zhì)均勻一致而不存在相界面。 如溶液、混合氣體。 均相混合物的常用分離方法有吸收、精餾、萃取等2、非均相混合物：物系內(nèi)部有相界面存在，且界面兩側(cè)物料性質(zhì)截然不同。 如含塵氣體、懸浮液等。 1）分散物質(zhì)（分散相） 非均相物系中處于分散狀態(tài)的物質(zhì)。 2）分散介質(zhì)（連續(xù)相） 非均相物系中處于連續(xù)狀態(tài)的物質(zhì)。 非均相混合物的常用分離方法有：篩分、沉降、過(guò)濾等。§1 沉降一、概述1、沉降操作的分類 重力沉降：顆粒在重力場(chǎng)中受重力作用與連續(xù)相發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而沉降。 離心沉降：顆粒離心力的作用與連續(xù)相發(fā)生相對(duì)

2、運(yùn)動(dòng)而沉降。2、沉降操作在食品工業(yè)中的應(yīng)用1）以澄清為目的2）以增稠為目的3）以分級(jí)分離為目的4）以凈化為目的二、重力沉降1、球形顆粒的自由沉降重力： 浮力： 阻力： （ 因?yàn)?）重力 Fg = 浮力 Fb + 阻力 Fd得 沉降速度公式 2、曳力系數(shù) 1）表面曳力與形體曳力 表面曳力（摩擦阻力）：流體與顆粒表面間的摩擦力在流動(dòng)方向上的分力。 形體曳力（渦流阻力）：因邊界層脫體產(chǎn)生顆粒上下端的壓差。 2）對(duì)曳力系數(shù)的因次分析曳力的影響因素：曳力的函數(shù)關(guān)系：因次分析的結(jié)果：3、關(guān)系曲線圖 該圖分四個(gè)區(qū)1）層流區(qū)： 此時(shí)表面曳力為主，形體曳力可以忽略。該區(qū)內(nèi) 則有公式：斯托克斯（Stokes）公式

3、所以該區(qū)稱為斯托克斯區(qū)。2）過(guò)渡區(qū)： 此時(shí)形體曳力不可忽略。該區(qū)內(nèi)則有公式： 阿侖（Allen）公式 所以該區(qū)稱為阿侖區(qū)。 3）湍流區(qū)： 此時(shí)形體曳力為主。表面曳力可以忽略。該區(qū)內(nèi)，與Re數(shù)無(wú)關(guān)。則有公式： 牛頓區(qū)（Newton）公式 所以該區(qū)稱為牛頓區(qū)。 4）邊界層為湍流區(qū)： 一般沉降操作達(dá)不到此區(qū)。該區(qū)內(nèi)，由于不穩(wěn)定，因此無(wú)法計(jì)算該區(qū)的沉降速度。4、沉降速度的計(jì)算 1）試差法假定沉降所屬區(qū)域用該區(qū)公式計(jì)算沉降速度u由算出的u求出Re檢驗(yàn)Re是否在所設(shè)區(qū)域與所設(shè)相符，計(jì)算正確；與所設(shè)不符，重新計(jì)算。 例：求下列各種形狀及尺寸的固體顆粒在30oC常壓空氣中的自由沉降速度。已知顆粒密度為2670

4、/m3。（1） 直徑為30的球形顆粒。（2） 直徑為1的球形顆粒。（3） 棱長(zhǎng)為1的正方體顆粒。2）變換坐標(biāo)法 及關(guān)系曲線圖因?yàn)?所以 三、非球形顆粒的當(dāng)量直徑與球形度的概念 1、非球形顆粒的當(dāng)量直徑 使非球形顆粒與某球形顆粒在某方面具有等效性（相當(dāng)），則該虛擬球體的直徑即非球形顆粒的當(dāng)量直徑。 1）體積當(dāng)量直徑dev 非球形顆粒與虛擬球形顆粒在體積方面具有等效性（相當(dāng)），則該虛擬球體的直徑即非球形顆粒的體積當(dāng)量直徑。 非球形顆粒的體積為 非球形顆粒的體積當(dāng)量直徑為 2）表面積當(dāng)量直徑deA 非球形顆粒與虛擬球形顆粒在表面積方面具有等效性（相當(dāng)），則該虛擬球體的直徑即非球形顆粒的表面積當(dāng)量直徑

5、。 非球形顆粒的表面積為 非球形顆粒的表面積當(dāng)量直徑為 3）比表面積當(dāng)量直徑des 比表面積：?jiǎn)挝惑w積顆粒所具有的表面積。 非球形顆粒與虛擬球形顆粒在比表面積方面具有等效性（相當(dāng)），則該虛擬球體的直徑即非球形顆粒的比表面積當(dāng)量直徑。 非球形顆粒的比表面積為 非球形顆粒的當(dāng)量直徑為 2、球形度 不同形狀的顆粒體積相同時(shí)，以球體的表面積為最小。 所以，對(duì)于一定體積（dev不變）的非球形顆粒，與球的形狀相差越大，則S越大；deA越大。球形度的意義：如邊長(zhǎng)為a正方體顆粒： ； 四、重力沉降分離設(shè)備 1、降塵室 利用重力沉降除去氣流中塵粒的設(shè)備。 除塵條件 ：顆粒以u(píng)速度水平通過(guò)降塵室的時(shí)間大于或等于顆

6、粒以u(píng)o速度從室頂降到室底所需的時(shí)間。 即： 而 ， 所以 結(jié)論：降塵室的生產(chǎn)能力（含塵氣體通過(guò)降塵室的體積流量）只與室底面積及顆粒的沉降速度有關(guān)，與降塵室高度無(wú)關(guān)。 例1：欲用降塵室凈化溫度為20oC流量為2500m3/h的常壓空氣?？諝庵兴覊m的密度為1800/m3，要求凈化后空氣中不含有直徑大于10的塵粒，試求所需沉降面積為多大？若降塵室的底面寬2m，長(zhǎng)5m，室內(nèi)需要設(shè)多少塊隔板？例2：某降塵室寬1.5m，長(zhǎng)2m，在常壓、100oC下處理2700m3/h的含塵氣，設(shè)塵粒為球形，密度為2400/m3，氣體的物理性質(zhì)與空氣相同。求：1）可被100%除去的最小顆粒直徑。2）直徑為0.05mm

7、的顆粒有百分之幾能被除去？ 2、沉降槽直徑：10100m深度：2.54m加料深度：0.31m 3、分級(jí)器1）適當(dāng)安排各級(jí)沉降柱截面積的大小。2）適當(dāng)選擇流體的密度與粘度。3）控制流量。§2過(guò)濾一、過(guò)濾概述1、概念2、床層在多孔板架上堆積固體顆粒物料。 1）、分類 固定床流體流速較低，顆粒層處?kù)o止?fàn)顟B(tài)，床層高度不變。 流化床 流體流速較低，顆粒全部浮在向上流動(dòng)的流體中做隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)。床層高度隨流體流速增加而升高。 稀相輸送床 流體流速很大，流化床上界面消失。顆粒分散懸浮于流體中，被氣體帶走。2）、床層的特性（固定床） 床層的空隙率 ：床層中空隙的體積占床層總體積的比率。 單位：m3/m3

8、 的影響因素顆粒粒徑的均勻性。 粒徑越均勻，越大。顆粒表面的光滑性。 顆粒表面越光滑，越小。顆粒的大小。 顆粒粒徑越大，越大。非球形顆粒的球形度。 球形度越小，越小。床層的堆積方式， 亂堆床層大。床層的堆積速度。 堆積越快，越大。 床層的平均自由截面積A 流體流過(guò)床層截面時(shí)的有效流動(dòng)截面積在高度范圍的平均值。 則 床層的比表面積S 單位體積床層所具有的顆粒的表面積。 SP 為顆粒群的平均比表面積。 床層流道的當(dāng)量直徑de 對(duì)床層流道作下列簡(jiǎn)化：將床層中的不規(guī)則通道簡(jiǎn)化為長(zhǎng)度為的一組平行細(xì)管。細(xì)管的內(nèi)表面積等于床層顆粒的全部表面積。細(xì)管的全部流動(dòng)空間等于床層的空隙體積。 所以有 流體在床層流道中

9、的流速u則 流體流過(guò)床層的壓降 流體在管內(nèi)作層流流動(dòng)時(shí)的阻力壓降由哈根-泊謖葉公式：則流體在濾餅層內(nèi)流動(dòng)的壓降為 設(shè)，則 常數(shù)r稱為濾餅床層的比阻。3、深層過(guò)濾和濾餅過(guò)濾 深層過(guò)濾漿料中的固體顆粒沉積在較厚的過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)部而不形成濾餅。 表面過(guò)濾濾液流過(guò)過(guò)濾介質(zhì)后，漿料中的固體顆粒呈餅狀沉積在過(guò)濾介質(zhì)的上游。又稱濾餅過(guò)濾。 表面過(guò)濾主要作用是液固分離； 深層過(guò)濾主要作用是澄清。 2、過(guò)濾介質(zhì)粒狀介質(zhì)織狀介質(zhì)多孔性固體介質(zhì) 3、助濾劑1）助濾劑的種類：硅藻土；活性炭；石棉；鋸屑等。2）助濾劑的作用：防止過(guò)濾介質(zhì)孔道阻塞，增加濾餅空隙率，提高過(guò)濾速度。3）助濾劑的應(yīng)用：濾液是產(chǎn)品而不需回收濾渣。 4

10、、過(guò)濾種類1）常壓過(guò)濾過(guò)濾推動(dòng)力為懸浮液液柱壓差，小于5×104N/m2。2）加壓過(guò)濾過(guò)濾推動(dòng)力源于懸浮液表面加壓，小于5×105N/m2。3）真空過(guò)濾過(guò)濾推動(dòng)力源于過(guò)濾介質(zhì)下方減壓，小于5×105N/m2。4）離心過(guò)濾過(guò)濾推動(dòng)力源于離心力。三、過(guò)濾設(shè)備板框壓濾機(jī) 1、板框壓濾機(jī)的構(gòu)造 2、板框壓濾機(jī)的操作流程 1）組裝S手動(dòng)壓緊；Y液壓壓緊；D電動(dòng)壓緊 2）過(guò)濾明流式板框壓濾機(jī)和暗流式板框壓濾機(jī) 3）濾餅洗滌貫通洗滌法：洗滌速率=最終過(guò)濾速率 4）卸渣整理 3、特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；造價(jià)低；過(guò)濾面積大；輔助設(shè)備少；動(dòng)力消耗低。 過(guò)濾推動(dòng)力一般為3×10

11、55×105N/m2，最大可達(dá)1×106 N/m2。 缺點(diǎn)：間歇操作；組裝和卸渣需要繁重的體力勞動(dòng)，洗滌時(shí)間長(zhǎng)；不易清洗；效率較低。 板框材料：鑄鐵；鋼；鋁；銅；木材；塑料等 4、板框壓濾機(jī)的系列代號(hào) BMS20/63525 B：板框壓濾機(jī)M：明流式 （A表示暗流式）S：手動(dòng)壓緊20：過(guò)濾面積20m2635：框內(nèi)邊邊長(zhǎng) 635mm25：框厚25 mm 四、過(guò)濾計(jì)算 1、過(guò)濾速度與過(guò)濾速率 1）過(guò)濾速度 定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)單位過(guò)濾面積的濾液體積。 單位：m3/m2·s q為單位面積上收集的濾液量。 單位：m3/m2 2）過(guò)濾速率 定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)獲得的濾液體積。

12、單位：m3/s2、過(guò)濾的基本方程 1）濾餅阻力 濾渣體積=，所以 過(guò)濾速度 濾餅阻力為 2）過(guò)濾介質(zhì)阻力 將過(guò)濾介質(zhì)視為厚的濾餅，由以上推導(dǎo)得過(guò)濾介質(zhì)阻力為 所以，過(guò)濾總阻力為 3）過(guò)濾的基本方程 過(guò)濾的基本方程 3、恒壓過(guò)濾對(duì)于恒壓過(guò)濾，為一常數(shù)。設(shè) ，得恒壓過(guò)濾的基本方程： 設(shè) 則 4、恒壓過(guò)濾的過(guò)濾常數(shù)及當(dāng)量濾液量的測(cè)定與成直線關(guān)系。斜率為，截距為 例：在恒壓下對(duì)某種濾漿進(jìn)行過(guò)濾實(shí)驗(yàn)，測(cè)得如下數(shù)據(jù)：濾液量（m3） 0.10 0.20 0.30 0.40過(guò)濾時(shí)間（s） 38 115 228 380 已知過(guò)濾面積為1 m2，求過(guò)濾常數(shù)及當(dāng)量濾液量。 5、洗滌時(shí)間恒壓過(guò)濾速度計(jì)算公式：最終過(guò)濾速度計(jì)算公式：洗滌速度計(jì)算公式：洗滌時(shí)間的計(jì)算公式： 6、板框壓濾機(jī)的生產(chǎn)能力例：某板框壓濾機(jī)在恒壓條件下過(guò)濾含硅藻土的懸浮液，過(guò)濾機(jī)的濾框內(nèi)邊尺寸為810×810×25mm (長(zhǎng)×寬