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文檔簡介

1、.,化工原理principles of chemical engineering,第三章 非均相混合物的分離,延安大學化學與化工學院,.,第三章 非均相混合物的分離,第一節(jié) 概述 第二節(jié) 重力沉降 第三節(jié) 離心沉降 第四節(jié) 過濾,.,自然界的混合物,化工生產(chǎn)中,需要將混合物加以分離的情況非常多。,空分系統(tǒng),石油蒸餾,水過濾裝置,.,第一節(jié) 概述,混合物,均相混合物 (均相物系),非均相混合物 (非均相物系),物系內(nèi)部各處物料性質(zhì)均勻而且不存在相界面的混合物。,物系內(nèi)部有隔開兩相的界面存在且界面兩側(cè)的物料性質(zhì)截然不同的混合物。,如:石油、空氣,.,分散相(分散物質(zhì)) 分散狀態(tài)的物質(zhì),連續(xù)相(連續(xù)

2、介質(zhì)) 連續(xù)狀態(tài)存在, 包圍在分散介質(zhì)周圍物質(zhì)。,固體顆粒和氣體 構(gòu)成的含塵氣體,固體顆粒和液體 構(gòu)成的懸浮液,不互溶液體構(gòu)成的乳濁液,液體顆粒和氣體構(gòu)成 的含霧氣體,非均相物系,氣液(固)、液固(氣、液)態(tài)非均相物系,.,一、非均相物系的分離在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用,1、回收有用的分散相 2、凈化連續(xù)相 3、環(huán)境保護和安全生產(chǎn),回收有用的分散相,.,凈化連續(xù)相,中藥液的澄清過濾,過濾空氣,結(jié)晶產(chǎn)品與母液的分離,.,環(huán)境保護和安全生產(chǎn),.,二、非均相物系的分離方法機械分離,操作方式:過濾和沉降,利用非均相混合物中分散相和連續(xù)相的物理性質(zhì)(如密度、顆粒形狀、尺寸等)的差異,使兩相之間發(fā)生相對運動而使其

3、分離。,除去粗食鹽 中少量的泥沙,1.過濾是流體相對于固體顆粒床層運動而實現(xiàn)固液分離的過程。,分類:重力過濾、加壓過濾、真空過濾和離心過濾,板框壓濾機,真空過濾機,離心過濾,抽濾,.,2.沉降是在外力作用下使顆粒相對于流體(靜止或運動)運動而實現(xiàn)分離的過程。,(利用分散相和連續(xù)相的密度不同),重力沉降,離心沉降,.,沉降:在外力作用下使顆粒相對于流體運動而實現(xiàn)分離的過程。,重力沉降:,沉降操作的外力是重力。,適用于分離較大的固體顆粒。,第二節(jié) 重力沉降,.,3.2.1 球形顆粒的自由沉降 自由沉降:顆粒不受其他顆粒的干擾及器壁的影響,在靜止的流體中的沉降過程。,在自由沉降沉降過程中, 顆粒受到

4、哪些力的作用:,重力Fg 、浮力Fb 阻力Fd,設(shè)球形顆粒的直徑為 ,顆粒密度為 ,流體的密度為 ,實際狀況:干擾沉降,.,重力Fg,浮力Fb,阻力Fd,牛頓第二定律,沉降阻力系數(shù),一點兩過程:,A沉降顆粒沿沉降方向的最大投形面積,.,此時顆粒做勻速沉降,其速度也是最大沉降速度ut,重力、浮力、阻力三者達到平衡,加速度為零,代入,沉降速度ut:為,以顆粒形狀及尺寸為特征量的雷諾數(shù)的函數(shù),一般由實驗測定。,.,阻力系數(shù)與Ret 關(guān)系圖,.,阻力系數(shù)一般由實驗測定 :,.,相應(yīng)各區(qū)的顆粒沉降速度為: 滯流區(qū)稱為斯托克斯公式 過渡區(qū)稱為艾倫公式 或 湍流區(qū)-稱為牛頓公式,規(guī)律:dS 、密度差越大則沉

5、降速度越大;在層流區(qū)由于流體粘性引起的表面摩擦阻力占主要地位,因此層流區(qū)的沉降速度與流體粘度成反比。,.,【例題3-1】:計算直徑為95m,密度為3000kg/m3的固體顆粒分別在20 的空氣和水中的自由沉降速度。,計算Ret,核算流型:,假設(shè)正確,計算有效。,解:在20 的水中: 20 水的密度為998.2kg/m3,粘度為1.00510-3 Pas,先設(shè)為層流區(qū)。,.,(1)降塵室,降塵室結(jié)構(gòu):,3.2.2 重力沉降設(shè)備,利用重力沉降的作用從含塵 氣體中除去固體顆粒的設(shè)備。,見動畫,.,顆粒沉降的同時并隨氣體運動,顆粒沉降運動時間氣體通過沉降室時間分離,工作原理:,矩形入口截面 面積 u。

6、,.,降塵室的生產(chǎn)能力:降塵室單位時間所處理的含塵氣體的體積流量。符號:qv 。,顆粒在降塵室的停留時間:,顆粒沉降到室底所需的時間:,為了滿足除塵要求:,.,降塵室使顆粒 沉降的條件,降塵室的生產(chǎn)能力,降塵室的生產(chǎn)能力只與降塵室的沉降面積BL和顆粒的沉降速度ut有關(guān),而與降塵室的高度無關(guān),.,處理懸浮液的重力沉降設(shè)備,稱為沉降器或增濃器。沉降器可分間歇式、半連續(xù)式和連續(xù)式三種。,沉降槽有澄清液體和增稠懸浮液的雙重作用功能,與降塵室類似,沉降槽的生產(chǎn)能力與高度無關(guān),只與底面積及顆粒的沉降速度有關(guān),故沉降槽一般均制造成大截面、低高度。,(2)沉降槽,.,大的沉降槽直徑可達10100m、深2.54

7、m。它一般用于大流量、低濃度懸浮液的處理。沉降槽處理后的沉渣中還含有大約50%的液體,必要時再用過濾機等作進一步處理。,.,對于含有顆粒直徑小于1m的液體,一般稱為溶膠,由于顆粒直徑小較難分離。 為使小顆粒增大,常加絮凝劑使小粒子變成大粒子。例如,河水凈化加明礬 KAl(SO4)2l2H2O,使水中細小污物沉降。常用的電解質(zhì),除了明礬還有三氧化 鋁、綠礬、三氯化鐵等。一般用量為40200mg/kg。近年來,已研究出某些高分 子絮凝劑。,明礬,綠礬,三氯化鐵,聚丙烯酰胺,.,3.3.1離心沉降速率,其受力為離心力Fc、向心力Fb和阻力Fd , 其值分別為:,第三節(jié) 離心沉降,離心沉降過程:,當流

8、體帶著顆粒旋轉(zhuǎn)時,如果顆粒的密度大于流體的密度, 則慣性離心力將會使顆粒在徑向上與流體發(fā)生相對運動而飛離中心。,思考:旋轉(zhuǎn)過程固體顆粒受到的作用力有哪些?,.,.,當三個力達到平衡時: Fc- Fb- Fd=0 顆粒在徑向上相對于流體的運動速度ur便是此位置上的離心沉降速度。,若顆粒處于層流區(qū),則阻力系數(shù),含塵氣體的進口氣速,m/s 顆粒的旋轉(zhuǎn)半徑,m。,.,旋風分離器的構(gòu)造和操作原理,3.3.2 旋風分離器,旋風分離器的操作原理 旋風分離器是工業(yè)上應(yīng)用比較廣泛的氣固離心分離設(shè)備之一。標準型的旋風分離器結(jié)構(gòu)形式如圖所示。主體的上部為圓筒形,下部為圓錐形,各部件的尺寸均圓筒直徑成比例。含塵氣體由

9、圓筒上部進氣管切向進入,受器壁的約束而向下作旋轉(zhuǎn)運動,在慣性離心力作用下顆粒被拋向器壁,與氣流分離,再沿壁而落錐底的排灰口。凈化后的氣體在中心軸附近作由下而上的螺旋運動,最后由頂部排氣管排出。,.,特點:旋風分離器構(gòu)造簡單,分離效率較高,操作不受溫度、壓強的限制,分離因數(shù)約為52500,一般可分離氣體中575m直徑的粒子。 (2)旋風分離器的主要性能參數(shù) 臨界直徑、分離效率、壓力降和氣體處理量是旋風分離器的主要性能參數(shù),是選型和操作控制的依據(jù),也是評價旋 風分離器性能好壞的主要指標。 臨界粒徑 即旋風分離器能夠分離出最小顆粒的直徑。臨界粒徑的大小是判斷旋風分離器分離效率高低的重要依據(jù)。臨界粒徑

10、的計算式為,ui含塵氣體的進口氣速,m/s; B旋風分離器的進口寬度,m; N氣流的旋轉(zhuǎn)圈數(shù),對標準旋風分離器, 可取N=5; 顆粒的密度,kg/m3; 流體的黏度,Pas。,.,分離效率 旋風分離器的分離效率通常有兩種表示方法,即 總效率 粒級效率 C1、C2旋風分離器進出口氣體含塵的濃度, g/m3; C1i、C2i進出口氣體含塵的粒徑在段范圍內(nèi)顆粒的濃度,g/m3; xi第i段粒徑范圍內(nèi)顆粒占全部顆粒的質(zhì)量分數(shù)。,.,壓力降 旋風分離器的壓力降是評價其性能的重要指標。 壓力降產(chǎn)生的主要原因,是由于氣體經(jīng)過器內(nèi)時的膨脹、 壓縮、旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向及對器壁的摩擦而消耗大量的能量。 氣體通過旋風分離器

11、的壓力降應(yīng)盡可能小,分離設(shè)備壓力 降的大小是決定分離過程能耗和合理選擇風機的依據(jù)。,一般來說,短粗形的旋風分離器壓降較小,處理量大,但分離 效率低;細長形的則壓降較大,處理量不大,分離效率高。,阻力系數(shù), 對標準旋風分離器, =8.0,.,旋風分離器構(gòu)造簡單緊湊、無運動件,操作不受溫度、壓強的限制,價格低廉、性能穩(wěn)定,分離因數(shù)約為52500,分離效率較高,一般可分離氣體中575m直徑的粒子。故廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)部門。,.,3.3.3 旋液分離器,又稱水力旋流器,是利用離心沉降原理分離液固混合物的設(shè)備, 其結(jié)構(gòu)和操作原理與旋風分離器類似。,.,3.3.4 離心沉降機 轉(zhuǎn)鼓上無孔,混懸液或乳濁液被

12、轉(zhuǎn)鼓帶動高速旋轉(zhuǎn)時,密度較大的物相向轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁沉降,密度較小的物相趨向旋轉(zhuǎn)中心而使兩相分離。,離心機:,用于離心分離的設(shè)備。,適于離心分離的液態(tài)非均相物系包括液-固混合物系 (混懸液)和液-液混合物系(乳濁液)。,油脂離心機,實驗用離心機,轉(zhuǎn)鼓,.,第四節(jié) 過濾,3.4.1 過濾的基本概念 一、過濾及過濾推動力,過濾:利用能讓液體通過而截留固體顆粒的多孔介質(zhì)(過濾介質(zhì)),使懸浮液中固液得到分離的單元操作。,名詞:過濾介質(zhì);混懸液(濾漿);濾渣(餅);濾液,懸浮液,沉降法,過濾操作,哪種處理方法好?,:需要較長時間,而且沉渣中液體含量較多,沉降法,可使懸浮液得到迅速的分離,濾渣中的液體含量也較低,

13、過濾操作:,絮凝劑,在某些場合過濾是沉降的后續(xù)操作,.,真空過濾機,水環(huán)真空泵,.,思考:過濾推動力:,適用于:處理固體含量較高的混懸液。,作用原理:,過濾過程變化:,初期,中期,末期,思考:如何保持過濾速度?,方法:a.不斷的將濾餅移出,過濾介質(zhì)兩側(cè)的壓力差。,篩子,方法:b.增加推動力,.,適用于:生產(chǎn)量大而懸浮顆粒粒徑小或是粘軟的絮狀物。,(2)深層過濾: 過濾介質(zhì)是較厚的粒狀介質(zhì)的床層,過濾時 懸浮液中的顆粒沉積在床層內(nèi)部的孔道壁面 上,而不形成濾餅。,中藥液的澄清過濾,合成纖維,飲水過濾,紡絲液的處理設(shè)備,.,Kitagawa. S. J. Am. Chem. Soc, 2007,

14、129, 2607.,膜過濾,宏觀,微觀,調(diào)控,工業(yè)生產(chǎn)中懸浮液固相含量一般較高(體積分數(shù)大于1%), 因此本節(jié)重點討論濾餅過濾。,膜過濾是利用膜孔隙的選擇透過性進行兩相分離的技術(shù)。以膜兩側(cè)的流體壓差為推動力,使溶劑、無機離子、小分子等透過膜,而截留微粒及大分子。,.,過濾介質(zhì):多孔性介質(zhì) 其作用:a.截留顆粒,使濾液通過 b.支撐濾餅,三、過濾介質(zhì),過濾介質(zhì)應(yīng)具有下列條件: a)多孔性,孔道適當?shù)男?,并減少流體的阻力,又能 截住要分離的顆粒。 b)物理化學性質(zhì)穩(wěn)定,耐熱,耐化學腐蝕。 c)足夠的機械強度,使用壽命長。 d) 價格便宜。,.,工業(yè)常用過濾介質(zhì)種類: 織物介質(zhì)、多孔性固體介質(zhì)、顆

15、粒狀介質(zhì)和微孔濾膜等。 織物介質(zhì) 濾布、篩網(wǎng),截留的粒徑5m以上,工業(yè)應(yīng)用廣泛,濾布,篩網(wǎng),過濾機,.,多孔固體介質(zhì)具有微細孔道的固體,截留粒徑13m的微細粒子,素瓷,多孔燒結(jié)玻璃,顆粒狀介質(zhì)固體顆粒(砂石、木炭、石棉)或纖維(玻璃棉)等堆積, 適用于深層過濾。,砂石,木炭,石棉,鵝卵石,玻璃棉,.,微孔濾膜:由高分子材料制成的薄膜狀多孔介質(zhì) 。適用于濾除0.0210m的混懸微粒。,精濾,.,(1)濾餅的壓縮性,濾餅,不可壓縮濾餅:,可壓縮濾餅:,顆粒有一定的剛性,所形成的濾餅并不因所受的壓力差而變形。,顆粒比較軟,所形成的濾餅在壓差的作用下變形,使濾餅中的流動通道變小,阻力增大。,四、濾餅的

16、壓縮性和助濾劑,濾餅的壓縮性對過濾效率及濾材的可使用時間影響很大, 是設(shè)計過濾工藝和選擇過濾介質(zhì)的依據(jù)。,.,(2)助濾劑 助濾劑具有一定剛性的顆粒或纖維狀的固體。 加入助濾劑可減少可壓縮濾餅的流動阻力,提高濾餅的剛性和孔隙率,硅藻土,活性炭,纖維粉,珍珠巖粉,助濾劑的要求:a.應(yīng)具有化學穩(wěn)定性; b.不溶于液相中; c.在過濾操作的壓力差范圍內(nèi)具有不可壓縮性,.,加入方法,預(yù)涂:,用助濾劑配成懸浮液,在正式過濾前用它進行過濾,在過濾介質(zhì)上形成一層由助濾劑組成的濾餅。,摻濾: 將助濾劑混在濾漿中一起過濾,助濾劑的使用方法:,懸浮液,+,.,用洗滌液(通常為清水)進行濾餅洗滌,以回收濾餅中殘存的

17、濾液或除去其雜質(zhì)。,6、過濾速率及影響因素 過濾速率單位時間內(nèi)得到的濾液體積。 主要影響因素:過濾面積、懸浮液的性質(zhì)、操作壓力。,5、濾餅的洗滌,.,實際流速u 過濾速度dV/(Ad) ,流道長l濾餅厚度L,孔道的平均直徑d難以測量,故引入比例系數(shù)r,將這些因素統(tǒng)統(tǒng)并入比例系數(shù)r內(nèi),則:,層流流動:,Hagon-Poiseuille,3.4.2 過濾基本方程式,一、濾液通過濾餅的流動,.,說明:,濾液性質(zhì): 過濾面積:A 濾餅性質(zhì):L、r,.,二、濾餅的比阻r:,單位:,物義:,說明:,當粘度為1Pas的濾液以1m3/(m2 s)的過濾速度通過厚度為1m的濾餅層的壓力損失。,濾餅不可壓縮:,r

18、單位壓力差下的濾餅比阻,1/m2; s濾餅的壓縮性指數(shù),s1。,r = f(濾餅結(jié)構(gòu)特性);,濾餅可壓縮:,.,過濾介質(zhì)層:認為介質(zhì)產(chǎn)生的阻力與厚度為Le的濾餅層產(chǎn)生 的阻力相等,引入過濾介質(zhì)的當量濾餅厚度 Le,則過濾介質(zhì)的阻力 = rLe/A,濾餅可壓縮:,.,定義餅液比:,則:,C濾餅體積/濾液體積V, m3餅/m3液,過濾基本方程式,.,恒壓過濾:一般由保持恒壓的壓縮氣體提供推動力 恒速過濾:一般由容積式泵提供推動力 變壓變速過濾:一般由離心泵提供推動力,隨過濾阻力增加流量下降。,過濾的操作類型:,.,懸浮液一定,、r、C可視為常數(shù),令:,表示懸浮液物性的常數(shù),k-濾餅常數(shù),3.4.3 恒壓過濾,.,恒壓過濾,p1-s為常數(shù),.,令q=V/A, qe=Ve/A,,令,恒壓過濾方程式,過濾常數(shù),.,恒壓過濾方程式,令,.,說明:,(V+Ve)(+e)為一拋物線;,忽略過濾介質(zhì)的阻力:Ve0,qe=0,則過濾基本方程式變?yōu)椋?qe、e稱為介質(zhì)常數(shù),與K都稱為過濾常數(shù)。,.,3.4.4 過濾設(shè)備,過濾混懸液的設(shè)備稱為過濾機。,間歇過濾機 連續(xù)過濾機,操作方式,壓濾機 真空過濾機 離心過濾機,過濾推動力 產(chǎn)生的方式,過濾設(shè)備的生產(chǎn)能力: 過濾機的生產(chǎn)能力通常用單位時間內(nèi)所得到的濾液體積來表示,有時也可用單位時間內(nèi)單位過濾面積上積聚的濾渣量表示。,.

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