最新化工原理非均相分离

化工原理非均相分离

第3章非均相物系的分离和固体流态化

3．1 概述

本章介绍利用流体力学原理(颗粒与流体之间相对运动)实现非均相物系的分离流态化及固体颗粒的气力输送等工业过程。

1．混合物的分类

自然界的大多数物质是混合物。若物系内部各处组成均匀且不存在相界面，则称为均相混合物或均相物系，溶液及混合气体都是均相混合物。由具有不同物理性质(如密度差别)的分散物质和连续介质所组成的物系称为非均相混合物或非均相物系。在非均相物系中，处于分散状态的物质，如分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡，称为分散物质或分散相；包围分散物质且处于连续状态的物质称为分散介质或连续相。根据连续相的状态，非均相物系分为两种类型：

①气态非均相物系，如含尘气体、含雾气体等；

②液态非均相物系，如悬浮液、乳浊液及泡沫液等。

2．非均相混合物的分离方法

由于非均相物系中分散相和连续相具有不同的物理性质，故工业上一般都采用机械方法将两相进行分离。要实现这种分离，必须使分散相与连续相之间发生相对运动。根据两相运动方式的不同，机械分离可按下面两种操作方式进行。

①颗粒相对于流体(静止或运动)运动而实现悬浮物系分离的过程称为沉降分离。实现沉降操作的作用力可以是重力，也可以是惯性离心力，因此，沉降过程有重力沉降与离心沉降之分。

②流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程称为过滤。实现过滤操作的外力可以是重力、压强差或惯性离心力。因此，过滤操作又可分为重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤。

气态非均相混合物的分离，工业上主要采用重力沉降和离心沉降方法。在某些场合，根据颗粒的粒径和分离程度要求，也可采用惯性分离器、袋滤器、静电除尘器或湿法除尘设备

等，如表3—1所示。

┘

此外，还可采用其他措施．预先增大微细粒子的有效尺寸而后加以机械分离。例如，使含尘或含雾气体与过饱和蒸汽接触，发生以粒子为核心的冷凝；又如，将气体引入超声场内，使细粒碰撞并凝聚。这样，可使微细颗粒附聚成较大颗粒，然后在旋风分离器中除去。

对于液态非均相物系，根据工艺过程要求可采用不同的分离操作。若要求悬浮液在一定程度上增浓，可采用重力增稠器或离心沉降设备；若要求固液较彻底地分离，则要通过过滤操作达到目的；乳浊液的分离可在离心分离机中进行。

3．非均相混合物分离的目的

(1)收集分散物质例如收取从气流干燥器或喷雾干燥器出来的气体以及从结晶器出来的晶浆中带有的固体颗粒，这些悬浮的颗粒作为产品必须回收；又如回收从催化反应器出来的气体中夹带的催化剂颗粒以循环使用。

(2)净化分散介质某些催化反应，原料气中夹带有杂质会影响触媒的效能，必须在气体进反应器之前清除催化反应原料气中的杂质，以保证触媒的活性。

(3)环境保护与安全生产 为了保护人类生态环境，消除工业污染，要求对排放的废气、废液中的有害物质加以处理，使其达到规定的排放标准；很多含碳物质或金属细粉与空气混合会形成爆炸物，必须除去这些物质以消除爆炸的隐患。

机械分离操作涉及颗粒相对于流体以及流体相对于颗粒床层的流动。同时，在许多单元操作和化学反应中经常采用的流态化技术同样涉及两相间的流动，它们都遵循流体力学的基本规律。本章重点讨论沉降和过滤两种机械分离操作的原理、过程计算、典型设备的结构、特性和选型，同时简要介绍流态化技术的基本概念。

3．2颗粒及颗粒床层的特性

颗粒与流体之间的相对运动特性与颗粒本身的特性密切相关，因而首先介绍颗粒的有关性能。

3．2．1颗粒的特性

表述颗粒特性的主要参数为颗粒的形状、大小(体积)和表面积。

1．单一颗粒特性

1)球形颗粒

球形粒子通常用直径(粒径)表示其大小。球形颗粒的各有关特性均可用单一的参数即直径d 全面表示。诸如：

式中 d--颗粒直径，m ；

d a d d /6S 6

V 2

3===ππ

V--球形颗粒的体积，m3；

S--球形颗粒的表面积，m2；

a —比表面积(单位体积颗粒具有的表面积)，m2/m3。

2)非球形颗粒

工业上遇到的固体颗粒大多是非球形的。非球形颗粒可用当量直径及形状系数来表示其特性。

(1)体积当量直径de 当量直径是根据实际颗粒与球体某种等效性而确定的。根据测量方法及在不同方面的等效性，当量直径有不同的表示方法。工程上，体积当量直径应用比较多。

令实际颗粒的体积等于当量球形颗粒的体积，则体积当量直径定义为

33P 66V π

πP e e V d d =

=

式中 de —体积当量直径，m ；

V P —球形颗粒的实际体积，m3。

(2)形状系数 形状系数又称球形度，它表征颗粒的形状与球形的差异程度。 可以写出：

P

s S S =φ 式中 Фs —颗粒的形状系数或球形度；

Sp —颗粒的表面积，m2；

S —与该颗粒体积相等的圆球的表面积，m2。

由于体积相同时球形颗粒的表面积最小，因此，任何非球形颗粒的形状系数皆小于1。

对于球形颗粒，Фs=1。颗粒形状与球形差别愈大，Фs 值愈低。

对于非球形颗粒，必须有两个参数才能确定其特征。通常选用体积当量直径和形状系数来表征颗粒的体积、表面积和比表面积，即 e s P s e P e d a d S d φφππ

/6/6

V 23

P ===

2. 颗粒群的特性

工业中遇到的颗粒大多是由大小不同的粒子组成的集合体，称为非均一性粒子或多分散性粒子；而将具有同一粒径的颗粒称为单一性粒子或单分散性粒子。

1)粒度分布

不同粒径范围内所含粒子的个数或质量，即粒径分布。可采用多种方法测量多分散性粒子的粒度分布。对于大于40μm 的颗粒，通常采用一套标准筛进行测量。这种方法称为筛分分析。泰勒标准筛的目数与对应的孔径如表3—2所示。

当使用某一号筛子时，通过筛孔的颗粒量称为筛过量，截留于筛面上的颗粒量则称为筛余量。称取各号筛面上的颗粒筛余量即得筛分分析的基本数据。目前各种筛制正向国际标准组织ISO 筛系统一。

2)颗粒的平均粒径