化工原理第三章

第三章机械分离

概述

一、机械分离的应用

在工业生产中，有很多情况需要将混和物分离，原料需要经过提纯或净化之后才符合加工要求，产品或中间产品也需要提纯净化才能出售，废气、废液、废渣也需要提纯分离才符合排放标准。混和物分离有均相混和物分离和非均相混和物分离。本章介绍非均相混和物的沉降、过滤的基本单元操作。

以碳酸氢铵的生产为例，如图是它的流程示意图。氨水与二氧化碳在碳化塔1内进行碳化反应之后，生成的是含有碳酸氢铵晶体的悬浮液，即为一种液体与固体微粒的混合物，然后通过离心机或过滤机2将固体和液体分离开。但分离后的晶体中仍然含有少量的水分，因此，还要将分离后的晶体经气流干燥器4干燥，即使物料在热气流的带动下迅速通过气流干燥器，使晶体中所含有的水分汽化并除去。由于这时的固体粒子分散在气相之中，又要通过旋风分离器6等装置将其与气相分离开，以得到最后的产品。在这个过程中，包含着流体与固体粒子的分离、混合与输送等不同的操作，而这些操作中又有一个共同的特点，即流体与固体粒子之间具有相相对运动，同时还往往伴随有热量和质量的传递。

主要应用有：

1）对固体粒子或流体作进一步加工；2）回收有价值的物质；3）除去对下一工序有害的物质；4）减少对环境的危害。

二、常见分离方法

1）沉降分离法，利用两相密度差；2）过滤分离法，利用两个相对多孔介质穿透性的差异；3）静电分离法，利用两相带电性差异；4）湿洗分离法，气固穿过液体，固体黏附于液体而分离。

三、均相物系与非均相物系

不同成分的物质以相同的相态均匀混合组成的稳定系统为均相物系，各种气体总能够均匀地混合成均一的相，如空气。墨水、乙醇+水、汽油+柴油、盐水、糖水等等也是均相物系。

含有不同相态的物质系统组成的混和物系为非均相物系，如云雾（气相+液相）、烟尘（气相+固相）、乳浊液（两种液相）就是非均相物系。水+苯、水+砂子，沙尘暴等都是非

均相系的例子。

非均相物系是指物质系统中存在着两相或更多的相。就含有两相的非均相物系来说，其中—相为分散物质，以微细的分散状态存在，是一个分散相，而另一相为分散介质，包围在分散物质的周围，是一个连续相。本章只讨论固体微粒从气体和液体介质中分离出来的操作，称作沉降与过滤。

应该指出，流体与固体微粒之间的相对运动是一个异常复杂的问题。它的复杂性并不完全在于这一过程的本身，而首先在于化工设备中复杂的几何形状、以及过程中千变万化的物性，例如固体粒子在流体的重力沉积过程，是一个固体粒子相对于流体的相对运动过程，运动本身是非常简单的，但是随着颗粒的不断沉积，流体中粒子浓度愈益增大，粒子间的相互影响也越来越大，要想对这样的流动问题作出如实的数学描述，这几乎是不可能的。因此，在本章中，我们不准备详细地去介绍与这些操作有关的计算问题，而着重说明它们的基本概念、作用原理、以及实现这些操作所用的设备等。

第一节沉降

沉降操作是使悬浮在流体中的固体微粒，在重力或离心力的作用下，沿着受力方向发生运动而沉积，从而与流体分离的过程。利用悬浮固体微粒本身的重力完成分离的操作，称为重力沉降，利用悬浮的固体微粒的离心力作用而获得分离的操作称为离心沉降。在化工生产过程的原料预处理中，常用沉降操作将悬浮在气体或液体中密度大、微粒粗的固体微粒除去，以达初步净制的目的。此外，也应用于液体产物中少数固体杂质和不溶性液滴的分离等方面。

一、沉降与沉降方式

将混合物置于某个力场的作用下，利用不同物质的密度差异、使之发生相对运动而分离的过程，称为沉降。例如在如图容器内，将含有固体微粒的某种液固混合物通入，由于重力的作用，其中的固体微粒沉积在槽底，经过澄清的液体则浮在上层，两相之间有一个明显介面，从而实现了液—固混合物的分离，这就是一个简单的沉降橾作。

沉降有两种方式：一种叫作自由沉降；一种叫做干扰沉降。所谓自由沉降，是指任一固体颗粒在沉降过程中不受到流体中其他粒子影响的操作；干扰沉降则是指一个粒子的运动要受到其它粒子影响的橾作。实际生产中的沉降操作几乎全部是干扰沉降，不过，自由沉降是—种理想状态，一些有关的理论公式就是在这一理想状态下导出来的。实践证明当流体中固体粒子浓度很小的情况下，可以按照自由沉降的方式来对待。

二、重力沉降

1．重力沉降原理

1）球形颗粒的自由沉降

重力场内，当颗粒在静止的流体中自由沉降时，共受到三个力作用：重力、浮力和阻力。重力 F g=m s g=ρs V s g=1/6πd3ρs g

浮力 F b=m f g=ρV s g=1/6πd3ρg

阻力 F d=1/2ζAρu20=1/2ζ1/4πd2ρu20

ζ-沉降阻力系数；d-颗粒直径；V s-颗粒体积；ρs-颗粒密度；ρ-流体密度；u-颗粒速度。

刚开始时，阻力较小，颗粒作加速运动，随速度提高，阻力增大，最后达到平衡时的速度叫作沉降速度u0。

2）沉降速度

F g -F b -F d =0

得

ρζ

ρ−ρ=3g )(4d u s 0 式中阻力系数ζ随流态而变，ζ=f(Re 0),Re 0=du 0ρ/µ。

（1）层流区 Re 0≤2

µ

ρ−ρ=18g )(d u s 20 （2）过渡区 2

ρ

ρ−ρ=0.6

0s 0gRe )(d 269.0u （3）湍流区 500

ρ−ρ=g )(d 74.1u s 0 2.降尘室

降尘室是利用重力沉降作用以分离气体非均相物系的装置。它的种类很多，比较常见的是如图所示的降尘气道，其外形呈扁平状，其中还装有若干块挡板，其所以采用这样的结构，是因为当颗粒的沉降速度很小时，（例如空气中的尘埃，其粒径以及粒子相对于气体的密度差都小），要使其沉降下来，设备的长度尺寸就必须很大，为了加速沉降过程，便有意识地在其间加若干块挡板，这样就迫使流体流动的路程加长，从而延长了流体通过降尘室所需要的时间，以便使尘埃从气流中分离出来。此外，加设挡板还可以使一部分固体粒子与挡板相撞，流动速度为零，从而可以降落到器底或集尘斗内。

下图所示为多层降尘室，是根据含尘气体的处理量与沉降室的高度无关这一原理设计的。其中以隔板把降尘空间分成若干层，每层的高度一般只有40-100mm 。它适用于分离细小粒子的场合。