第三章 非均相物系的分离 第一节 概 述 化工生产中常遇到的混合物可分为两大类： 第一类是均相物系—如混合气体、溶液， 特征：物系内各处性质相同，无分界面。须用吸收、蒸馏等方法分离。 第二类是非均相体系— 液态非均相物系 固体颗粒与液体构成的悬浮液； 不互溶液体构成的乳浊液； 气态非均相物系 固体颗粒（或液体雾滴）与气体构成的含尘气体（或含雾气体）； 气泡与液体所组成的泡沫液等。 特征：物系内有相间的界面，界面两侧的物性截然不同。 （1）分散相：往往是液滴、雾滴、气泡，固体颗粒，μm。 （2）连续相：连续相若为气体，则为气相非均相物系。 连续相若为液体，则为液相非均相物系。 非均相物系分离的目的： 净制参与工艺过程的原料气或原料液。 回收母液中的固体成品或半成品。 分离生产中的废气和废液中所含的有害物质。 回收烟道气中的固体燃料及回收反应气中的固体触媒等。 总之：以满足工艺要求，提高产品质量，改善劳动条件，保护环境，节约能源及提高经济效益。 常用分离方法： 重力沉降：微粒借本身的重力在介质中沉降而获得分离。 离心分离：利用微粒所受离心力的作用将其从介质中分离。亦称离心沉降。此法适用于较细的微粒悬浮体系。 过滤：使悬浮体系通过过滤介质，将微粒截留在过滤介质上而获得分离。 湿法净制：使气相中含有的微粒与水充分接触而将微粒除去。 电除尘：使悬浮在气相中的微粒在高压电场内沉降。 本章主要讨论：利用机械方法分离非均相物系，按其涉及的流动方式不同，可大致分为沉降和过滤两种操作方式。 颗粒和流体相对运动时所受到的阻力 流体以一定的速度绕过静止颗粒时 或者固体颗粒在静止流体中移动时 流体对颗粒的作用力——ye力Fd  [N] 式中，A—颗粒在运动方向上的投影，(dp2 u—相对运动速度 (—阻力系数， (=(（Re）=(（dpu(/(） 层流区：Re(2， (=24/Re ──Stokes区 过渡区：Re=2—500，  ──Allen区 湍流区：Re=500--2(105， (≌0.44 ──Newton区 第二节 重力沉降 球形颗粒的自由沉降 自由沉降──对于单一颗粒在流体中的沉降或者颗粒群充分地分散、颗粒间互不影响，不致引起相互碰撞的沉降过程。 1．加速阶段—— 沉降开始时，颗粒初速度为零， 颗粒受重力和浮力的作用，合力不为零， 产生加速度。 2．匀速阶段—— 随着速度加快，阻力增加，当合力为零时， 颗粒将发生匀速运动─是沉降速度ut. 重力： 浮力： 阻力： 由牛顿第二定理F=ma Fg-Fb-Fd=mdu/dt 整理后得： 在du/dt=0，u=ut  (=(（Re），将不同的(带入ut，可得各种流动状态下的ut的计算式： 层流区：Re(2， ──Stokes公式 过渡区：Re=2—500， ?  湍流区：Re=500--2(105，  ut=f（dp，(p，(）， dp，(p↑，ut↑ (↑，ut↓（层流区，过渡区） 适合范围：光滑的球形颗粒。 举例： 影响沉降速度ut的因素： 1〉颗粒形状，当量球径，（如当量直径），偏离球形约大，阻力越大； 2〉颗粒浓度不太高<0.2%，假设自由沉降<1%. 3〉壁面效应 4〉分子运动，d<2~3μm 5〉液滴和气泡的变形 6〉其它，如颗粒(p不均匀。 二、沉降器设计计算——气体降尘设备 用于分离大颗粒尘 在降尘室中，颗粒停留时间=L/u 沉降时间=H/ut 分离条件——L/u≥H/ut 由于尘粒中，颗粒粒径不相同，故定义一种粒子。其停留时间=沉降时间，即可以100%除去的最小粒径——临界粒径dpc ∵  ∴  与临界粒径dpc相对应的临界沉降速度 （又称表面负荷qo） 当尘粒沉降速度处于层流区时， 表明：1。大于dpc的尘粒能100%除去。 2．降尘室的处理能力只取决于降尘室的底面积，与高度H无关。 第三节 离心沉降 依靠离心力的作用，使流体中颗粒产生沉降运动——称离心沉降。 重力使小颗粒的沉降速度小，但离心力比重力大千、万倍。 一、离心分离因数： 一圆筒旋转，角速度( [rad/s] =2(N/60 N——转数/min 被分离液体，密度(、(；颗粒密度(p、dp 颗粒的旋转半径为r 忽略重力时，离心力Fc = m a= mr( 2≌ mrN2/100 可见，N↑，Fc↑ 设离心分离因数Kc= r(2/g ≌ rN2/900 离心分离因数Kc是表示离心力大小的指标，离心设备分离性能的基本参数。 离心沉降速度 当颗粒在离心场中沉降时，径向上所受的力： 离心力  浮力（指向中心） 阻力（指向中心） 在三力达到平衡时，离心力－浮力－阻力=0 离心沉降速度 与重力沉降速度公式相比，只是将g换成r(2。 不同的是：在一定的条件下重力沉降速度ut是定值， 而离心沉降速度ur随径向位置的不同而变化。 一般而言，离心沉降用于小颗粒。小颗粒所受的阻力处于层流区，即(=24/Re，   可见，在层流区离心沉降速度ur与r成正比，在离心沉降过程中，ur随r增大 而增大。 旋风分离器（cyclone separator） ——利用离心力作用净制气体的设备 构造与操作 临界粒径——指能100%分离除去的最小颗粒粒径。 在三个假设条件下 （1）进气严格作螺旋形等速运动，有效旋转圈数n=5，切向速度等于进口速度ui； （2）颗粒向壁沉降，必须穿约厚为b的气流层，方能到达壁面；（b为入口之宽度） （3）颗粒的沉降运动服从stokes定律。 可推得： 3．压力损失   （1）旋风分离器的尺寸都是D的倍数，所以(为常数，与D无关。 只要进口气速ui相同，不管多大的旋风分离器，其(p都相同。 （2）小型分离器的b小，dpc小，所以工业上，用若干个小型分离器组来代 替一个大的分离器，可提高分离效率。 （3）旋风分离器的压力损失一般为1~2 kPa。 旋液分离器 五、沉降式离心机 第四节 过滤 过滤──是以某种多孔物质为介质来处理悬浮液的操作。 在外力的作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固、液分离。 一、悬浮液的过滤： 1．过滤方式 （1）深层过滤——又称澄清过滤 条件：悬浮液含颗粒小，而含量少（液体中颗粒的体积(0.1%）时， 可用床层较厚的过滤介质进行过滤。 由于dp(介质孔隙直径，当悬浮颗粒进入床层年细长而弯曲的孔道时， 靠静电及分子力的作用而附在孔道壁上，过滤介质床层上面没有滤饼形成。 例如：自来水净化及污水处理。 （2）滤饼过滤 条件：dp(介质孔隙直径，床层上形成滤饼； dp(介质孔隙直径，但床层内有“架桥现象”； 在滤饼层没有完全形成之前，部分颗粒会随滤液一起流走。 在滤饼层形成成为有效的过滤介质后，得到澄清液。 适用于颗粒含量较多（液体中颗粒的体积(0.1%）时 2．分类： 常压过滤──靠位差 加压过滤──利用泵或压缩空气 真空过滤──介质一方抽真空 离心过滤──利用离心力作推动力 步骤：过滤→洗涤→去湿→卸料 3．过滤介质 作用——使液体通过而截留固体颗粒。 选择——根据液体的性质（酸、碱性），颗粒含量及粒度，操作p，T，介质机械强度等 （1）织布介质——棉、麻、丝、毛制的滤布，金属丝网滤布；可截留5~65(m的颗粒。 （2）堆积的粒状介质——砂、木炭等，用于深层过滤， （3）多孔性介质——陶瓷、塑料、金属等粉末烧结成型的多孔性板状、管状介质，可截留1~3(m的微细颗粒。 4．助滤剂 使用前提——颗粒细，容易堵死过滤介质的孔隙； 所形成的滤饼在压差的作用下，孔隙变小，阻力增大，使过滤困难。 作用——将某种质地坚硬的另一种固体混入悬浮液或予涂于过滤介质上， 以形成疏松饼层，使滤液畅流。这种固体称助滤剂。 常用助滤剂——硅藻土，珍珠岩，石棉，炭粉等； 添加量为颗粒量的0.5%以下。 5．固体量、滤液量与滤渣量的关系 设：固体量为1（质量），密度(p 湿滤渣为C（质量），密度(c 湿滤渣中含液量为C-1（质量），密度( 湿滤渣体积=固体体积+液体体积  设：X——单位质量悬浮液中所含固体质量； CX——单位质量悬浮液可得滤渣量； 1-CX——单位质量悬浮液可得滤液量； 单位体积滤液相对应的固体质量： [kg干渣/m3滤液] 二、过滤基本方程：描述滤液量随时间的变化关系 定义—— 过滤速率（dV/d(）： 单位时间内滤过的滤液体积，[m3/s] 过滤速度（dV/Ad(）：单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积，[m/s]。 过滤操作的特点——随过滤操作的进行，滤饼厚度↑，阻力↑。 恒压过滤：若维持过滤在一定的压差下操作，则过滤速率必定不断下降； 恒速过滤：若要保持一定的滤速，则必须增加压差，以克服过滤阻力； 一般情况下，间歇操作的过滤机，先恒压、恒速或先恒速后恒压下操作； 连续操作的过滤机，都在恒压下操作。  1．滤饼层阻力 滤液流过滤饼孔道流速较小，属层流，所以应用哈根-泊谡叶方程，  由于滤饼层中孔道的平均长度l∝滤饼厚度L，∝单位面积上滤饼质量(V/A； 设毛细孔平均直径d，对一定性质的滤饼应是定值，归入常数项。 对不可压缩滤饼： 滤饼阻力：Rc=r((V/A 指获得V体积滤液所形成单位面积上干滤饼质量为(V/A时的滤饼阻力。 r——滤饼的比阻，[m/kg] 表示单位过滤面积的干滤饼质量为1kg/m2时的阻力。  2．介质阻力：Rm=r((Ve/A 过滤介质阻力看成获得当量体积Ve的滤液所形成的滤饼层阻力。 3．过程总阻力：R=Rc+Rm=r((（V+Ve）/A 过滤速率 或 必须积分才能找出V~(关系。 三、恒压过滤 1．滤液体积与过滤时间的关系（V~(）   令：K=2(p/r(( qe=Ve/A q=V/A 则： q2+2qqe=K( 过滤常数K、qe由实验测定 2．过滤常数K、qe的测定 由于各种悬浮液的性质、浓度不同，其过滤常数亦不同。须由实验测定。 改写上述方程， 表明，在恒压条件下，(/q与q之间有线性关系，斜率为1/K，截距为2qe/K。 注意：因为K=2(p/r((，与悬浮液性质、温度及压差有关，因此只有在相同的实验条件与生产条件下，才能使用实验测定的K、qe值。