Transcript 第三章非均相物系的分离

单元三 非均相混合物的分离
主讲人:吕利霞
均相混合物
1、混合物
非均相混合物:有两种相态
(有明显的相界面,性质不均匀)
气-固物系:含尘气体;
2、非均相混合物 液-液物系:乳浊液;
液-固物系:悬浮液;
连续相（分散介质）、分散相（分散物质）
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3、分离目的
（1）回收有用物质
（2）净化物料
（3）环境保护
4、分离方法
沉降
机械法
过滤
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第一节
沉
降
重力沉降
沉降
离心沉降
一、重力沉降
1、球形颗粒的自由沉降
（1）自由沉降：不受其它颗粒和器壁的影响。
（2）自由沉降速度
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经过受力分析：
重力： Fg 
浮力： Fb 

6

6
d 3  sg
阻力Fd
d 3 g
阻力： Fd   

4
浮力Fb
d2 
u 2
2
根据牛顿第二定律：

6
d ( s  )   
3

4
d 
2
u 2
2


6
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d 3  s a 重力Fg
颗粒的沉降过程分为两个阶段

加速阶段：u=0,Fd=0,a=amax
u↑，fd↑，a↓

等速阶段：u=ut时，Fd=Fg-Fb，a=0
 3
 2 u 2t
d (s )    d 
6
4
2
4d(s  )g
ut 
3
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2、阻力系数:
 d P ut  

  f Re t   f 
  
实验测得:
(1)层流区(10-4<Ret≤2)
(2)过渡区(2<Ret≤103)
(3)湍流区(103<Ret≤2×105)
3、沉降速度的计算
(1)层流区：斯托克斯公式
gdP2  P   
ut 
18
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（2）过渡区
 gdP1.6  P   
ut  0.153

0.43 0.6
  

1
1.4
（3）湍流区
ut  1.74
d P  P   g

注：计算时先假设沉降所在区域，后利用公式进行
计算，最后再进行判断假设是否成立，如成立计
算结果有效；如不成立，则重新进行假设重新计
算，直到判断成立。
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4、实际重力沉降速度
（1）颗粒形状
当量直径： d  3 6VP
e

球 形 度:
S

SP
（2）干扰沉降
（3）绝对速度
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二、离心沉降
1、离心沉降：利用离心力的作用使固体颗粒迅
速沉降的操作。
2、离心加速度
2
u
a   2r  t
r
3、离心沉降速度（受力分析）
2
2
u

u

3
2
r
d P ( S   ) T   d P
0
6
R
4
2

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ur 
4d P (  S   ) u T2

3
R
注：ζ及沉降速度仍可以按重力沉降方法计算。
4、离心分离因数
u r uT2 离心沉降速度
KC 


ut gR 重力沉降速度
Kc值一般在102～105之间，其大小反映了离心沉降
设备的效能为重力沉降设备的倍数，是离心分离
设备性能的一项重要指标。
提高离心分离因数的方法：提高转速、设备直径。
5、颗粒运动的绝对速度up;
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三、沉降分离设备
1、沉降分离设备的指标
（1）基本要求:tr ≥ ts
停留时间
沉降时间
（2）分离性能指标
总效率：沉降下来的颗粒的重量与颗粒总重量的比值。
粒级分离效率ηi：在一定粒径颗粒的总量中，被分
离的部分所占的质量百分数。
临界直径dpc:粒级效率100%时的颗粒直径。
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最大生产能力：规定了临界粒径后设备的处理量。
二、重力沉降设备
u
１、降尘室
ut
含尘气体的处理量
L
tr 
u
H
ts 
ut
L H

u ut
V  BHu  BLut
降尘室的处理量与降尘室的高度无关。
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2、连续沉降槽（澄清器，增稠器，浓缩器）
（1）结构
（2）适用于大流量、低浓度的悬浮液的分离。
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三、离心沉降设备
1、旋风分离器
是判断旋风分离器分离效率高低的重要依据。
临界粒径： 5-75μm的粒子。
特点：结构简单，
价格低廉，
性能稳定；
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2、旋液分离器
旋风分离器相比，旋液分
离器的特点是(1)形状细长，
直径小，圆锥部分长，以利
于颗粒的分离；(2)中心经常
有一个处于负压的气柱，有
利于提高分离效果。旋液分
离器中颗粒沿壁面高速运动，
磨损严重，一般采用耐磨材
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3、沉降离心机
（1）工作原理：利用机械带动液体旋转，分离非
均相混合物的设备。
（2）种类：立式、卧式；间歇式、连续式；
人工卸料式、螺旋卸料式、刮刀卸料式。
（3）管式分离机、螺旋卸料沉降离心机
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第二节
过
滤
过滤：在推动力的作用下，使液-固或气-固混合物
中的流体通过多孔性介质，固体颗粒被截留，
实现固体与流体分离的操作。
一、概述
1、滤饼过滤与深层过滤
2、过滤介质：使流体透过而截留固体的可渗透性材料。
（1）砂粒、无烟煤、活性炭、金属网、滤布
深层过滤
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饼层过滤
（2）选择过滤介质的依据：

分离要求；

悬浮液特性；

操作条件；

过滤设备的类型；
3、过滤的推动力
重力、离心力和压强差。
加压过滤和真空过滤；恒速过滤与恒压过滤；
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4、过滤基本参数
（1）处理量
（2）生产能力：单位时间内得到的滤液的体积，
m3滤液/h；
（3）生产率G：单位时间、单位面积内过滤出的干
固体质量，kg干固体/(m2.s)；
（4）过滤面积A
（5）悬浮液固相浓度c:单位体积悬浮液中含有的
固体颗粒的总体积。
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（6）滤饼含液量ω:滤饼中所含液体的质量分数。
（7）滤饼与滤液的体积比ν：m3滤饼/m3滤液；
（8）过滤速率 dV :单位时间内获得的滤液的体
dt
积， m3滤液/s;
（9）过滤速度 dV ：单位时间内单位过滤面积上
Adt
得到的滤液的体积， m3滤液/(m2.s);
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5、滤饼的可压缩性
可压缩滤饼:
助滤剂
滤饼
不可压缩滤饼
6、滤饼的洗涤
例题：P112。
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二、恒压过滤
1、过滤的基本方程
流动模型：液体在圆管内的层（滞）流流动。
哈根·泊谡叶公式：
p f 
32 lu
d2
（1）空隙率ε：单位体积床层中的空隙体积，
空隙体积 A0


床层体积
A
（2）滤液的流速：
u
1 dV

A0 dt
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m3/m3；
（3）滤液通过滤饼的流动可看成是液体以速度u通
过长度为L（滤饼厚度） 、直径为d0的并联管路的
流动。
（4）滤液通过过滤介质的流动阻力可折合为以流
速u流过厚度为Le（当量滤饼厚度）的滤饼的阻力。
32 L  Le u
p f 
d 02
p f d 02
dV
dV
u


A0 dt Adt 32 L  Le 
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p f d 02
p f
dV
推动力



Adt 32 L  Le  r L  Le 
阻力
32
其中： r 
d 02
滤饼的比阻，１／m2；
由于滤饼厚度随时间变化，则：
V
L
AL  V
A
Ve
Le 
A
Ap f
dV
过滤基本方程

Adt r V  Ve 
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r  r0 p
对于可压缩滤饼：
s
f
s：滤饼的压缩性指数，０－１间；（对于不可压缩
滤饼，s＝0）
r0：单位压强差下滤饼的比阻，１／m2;
２、恒压过滤方程
A 2 p f
 V  V dV  r
V
0
e
t
 dt
0
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V  2VeV 
2
令： K 
2p f
r
2p f
r
A2 t
V
q
A
V 2  2VeV  KA2t
q  2qe q  Kt
2
—— 恒压过滤方程
其中：Ｋ、qe由实验测定。
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Ve
qe 
A
当滤饼阻力远大于过滤介质的阻力时，Ｖe、qe可被
忽略。
q  Kt
V  KA t
2
2
2
３、过滤常数Ｋ、Ｖe、qe的测定（略）
例题：Ｐ115。
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三、过滤设备
1、板框压滤机
（1）结构：机头、滤框、滤板、尾板和压
紧装置。
（2）工作原理：
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（3）生产能力：单位时间得到的滤液量。
V
Vt 
t
 t  t  tW  t D
VW
8VW V  Ve 
tW 

KA2
 dV 


 d W
（4）排液方式：明流、暗流；
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（5）特点：
优点：构造简单，过滤面积大，过滤压力高，操作
灵活；
缺点：间歇操作，劳动强度大，效率低；
（6）例题（略）
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2、转筒真空过滤机
（1）结构：转鼓、分配头；
（2）工作原理：
（3）生产能力：
浸没度ψ：转鼓浸入液面以下面积占整个
转鼓面积的百分率。
过滤时间： t  60 （注：n为转鼓每分钟转数）
n
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q  Kt  q  qe
2
e
 60K

2
Vt  60nAq  60nA
 qe  qe 
n


m3/h；
若过滤介质阻力可忽略，则：
Vt  60 A 60Kn  B' n
（4）特点：连续操作，处理量大，成本高，过滤
速度低
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3、过滤离心机
（1）种类：三足式、卧式刮刀卸料式、离心卸料
式等；
（2）操作过程：过滤、洗涤、甩干、卸料、洗网
（3）操作特点：
操作时间可随意控制，分离1μm以上的颗粒，
生产能力大，但不易保持颗粒形状的完整。
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第三节
分离设备的选择
一、气—固分离
降尘室：50 μm以上；用于含尘气体的预分离；
旋风分离器：5 μm以上；非粘性、非纤维状固体；
湿式除尘器：1μm以上；除粉尘，非水硬性固体；
袋滤器：0.1 μm以上；气体的净化或干粉的回收；
电除尘器：0.01μm以上；效率高，处理能力大；
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二、液—固分离
1、获得固体产品：
增浓：沉降槽，旋液分离器，沉降离心机；
过滤：过滤离心机，板框压滤机；
2、澄清液体
普通要求：连续沉降槽、过滤机；
澄清要求高：深层过滤；
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