化工原理-3章非均相混合物的分离

明矾
绿矾
三氯化铁
聚丙烯酰胺
第三节 离心沉降
3.3.1离心沉降速率
离心沉降过程：
当流体带着颗粒旋转时,如果颗粒的密度大于流体的密度, 则惯性离心力将会使颗粒在径向上与流体发生相对运动而飞离中心。
思考：旋转过程固体颗粒受到的作用力有哪些？ 其受力为离心力Fc、向心力Fb和阻力Fd ， 其值分别为：
Fc Vs s
在某些场合过滤是沉降的后续操作
真空过滤机
水环真空泵
思考：过滤推动力： 过滤介质两侧的压力差。
二、过滤方式
（1）饼层过滤 ： 过滤过程中在过滤介质表面会形成固体颗粒的 滤饼层（固体沉积物堆积、架桥）。
作用原理：
过滤过程变化：
初期
中期
末期 筛子
思考：如何保持过滤速度？
方法：a.不断的将滤饼移出 方法：b.增加推动力
环境保护和安全生产
二、非均相物系的分离方法→机械分离
利用非均相混合物中分散相和连续相的物理性质(如密度、颗粒 形状、尺寸等)的差异，使两相之间发生相对运动而使其分离。
操作方式：过滤和沉降 1.过滤是流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程。
分类：重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤 抽滤
d s ( s )uT ur wenku.baidu.com8R
2
2
24 Re t
3.3.2 旋风分离器
旋风分离器的构造和操作原理
旋风分离器的操作原理 旋风分离器是工业上应用比较广泛 的气固离心分离设备之一。标准型的旋 风分离器结构形式如图所示。主体的上 部为圆筒形，下部为圆锥形，各部件的 尺寸均圆筒直径成比例。含尘气体由圆 筒上部进气管切向进入，受器壁的约束 而向下作旋转运动，在惯性离心力作用 下颗粒被抛向器壁，与气流分离，再沿 壁而落锥底的排灰口。净化后的气体在 中心轴附近作由下而上的螺旋运动，最 后由顶部排气管排出。
气液(固)、液固(气、液)态非均相物系
固体颗粒和气体 构成的含尘气体 固体颗粒和液体 构成的悬浮液
液体颗粒和气体构成 的含雾气体
例如
不互溶液体构 成的乳浊液
一、非均相物系的分离在工业生产中的应用 1、回收有用的分散相 2、净化连续相 3、环境保护和安全生产
回收有用的分散相
净化连续相
过滤空气
中药液的 澄清过滤 结晶产品 与母液的 分离
化工原理
principles of chemical engineering
第三章 非均相混合物的分离
延安大学化学与化工学院
第三章 非均相混合物的分离
第一节 概述
第二节 重力沉降
第三节 离心沉降
第四节 过滤
自然界的混合物
化工生产中，需要将混合物加以分离的情况非常多。
石油蒸馏
水过滤装置
空分系统
第一节
•适用于：处理固体含量较高的混悬液。
（2）深层过滤： 过滤介质是较厚的粒状介质的床层,过滤时 悬浮液中的颗粒沉积在床层内部的孔道壁面 上,而不形成滤饼。
饮水过滤
合成纤维
纺丝液的处理设备
中药液的澄清过滤
适用于：生产量大而悬浮颗粒粒径小或是粘软的絮状物。
膜过滤是利用膜孔隙的选择透过性进行两相分离的技术。以膜两侧的 流体压差为推动力，使溶剂、无机离子、小分子等透过膜，而截留微 粒及大分子。
Fg

6 3 Fb d s g 6 u 2 Fd A
2
ds s g
3
A——沉降颗粒沿沉降方向的最大投形面积

——沉降阻力系数
牛顿第二定律 一点两过程:
Fg Fb Fd ma
重力、浮力、阻力三者达到平衡，加速度为零
Fg Fb Fd 0
此时颗粒做匀速沉降，其速度也是最大沉降速度ut 代入
膜过滤
Kitagawa. S. J. Am. Chem. Soc, 2007, 129, 2607.
调控 宏观 微观
工业生产中悬浮液固相含量一般较高(体积分数大于1%), 因此本节重点讨论滤饼过滤。
三、过滤介质
过滤介质：多孔性介质
其作用：a.截留颗粒，使滤液通过
b.支撑滤饼 过滤介质应具有下列条件： a）多孔性，孔道适当的小，并减少流体的阻力，又能 截住要分离的颗粒。 b)物理化学性质稳定，耐热，耐化学腐蚀。 c)足够的机械强度，使用寿命长。 d) 价格便宜。
对于含有颗粒直径小于1μm的液体，一般称为溶胶，由于颗粒直径小较难分离。 为使小颗粒增大，常加絮凝剂使小粒子变成大粒子。例如，河水净化加明矾 [KAl(SO4)2· l2H2O],使水中细小污物沉降。常用的电解质，除了明矾还有三氧化 铝、绿矾、三氯化铁等。一般用量为40～200mg/kg。近年来，已研究出某些高分 子絮凝剂。
2


4
2 dp
u r2
2
当三个力达到平衡时： 离心沉降速度。
Fc- Fb- Fd=0
颗粒在径向上相对于流体的运动速度ur便是此位置上的
ur
4d s ( s ) u T ( ) 3 R
2
uT
——含尘气体的进口气速，m/s R ——颗粒的旋转半径，m。
若颗粒处于层流区，则阻力系数
除去粗食盐 中少量的泥沙
板框压滤机 真空过滤机
离心过滤
2.沉降是在外力作用下使颗粒相对于流体(静止或运动)运动而 实现分离的过程。 （利用分散相和连续相的密度不同）
重力沉降 离心沉降
第二节 重力沉降
沉降：在外力作用下使颗粒相对于流体运动而实现分离的过程。
重力沉降：沉降操作的外力是重力。 适用于分离较大的固体颗粒。
特点：旋风分离器构造简单，分离效率较高，操作不 受温度、压强的限制，分离因数约为 5 ～2500 ，一般可分 离气体中5～75μm直径的粒子。 (2)旋风分离器的主要性能参数 临界直径、分离效率、压力降和气体处理量是旋风分离器 的主要性能参数，是选型和操作控制的依据，也是评价旋 风分离器性能好坏的主要指标。 ①临界粒径 即旋风分离器能够分离出最小颗粒的直 径。临界粒径的大小是判断旋风分离器分离效率高低的重 要依据。临界粒径的计算式为
C1 C 2 0 C1
i
C1i C2i C1i
0 i xi
C1、C2—旋风分离器进出口气体含尘的浓度， g/m3； C1i、C2i—进出口气体含尘的粒径在段范围内颗粒的浓度，g/m3； xi——第i段粒径范围内颗粒占全部颗粒的质量分数。
③压力降 旋风分离器的压力降是评价其性能的重要指标。 压力降产生的主要原因，是由于气体经过器内时的膨胀、 压缩、旋转、转向及对器壁的摩擦而消耗大量的能量。 气体通过旋风分离器的压力降应尽可能小，分离设备压力 降的大小是决定分离过程能耗和合理选择风机的依据。

ui
2
2
ζ——阻力系数， 对标准旋风分离器, ξ=8.0
一般来说，短粗形的旋风分离器压降较小，处理量大，但分离 效率低；细长形的则压降较大，处理量不大，分离效率高。
旋风分离器构造简单紧凑、无运动件，操作不受温度
、压强的限制，价格低廉、性能稳定，分离因数约为5
～2500，分离效率较高，一般可分离气体中5～75μm
间歇式、半连续式和连续式三种。
沉降槽有澄清液体和增稠悬浮液的双重作用功能，与降尘室类似，沉 降槽的生产能力与高度无关，只与底面积及颗粒的沉降速度有关，故 沉降槽一般均制造成大截面、低高度。
大的沉降槽直径可达10～100m、深2.5～4m。它一般 用于大流量、低浓度悬浮液的处理。沉降槽处理后 的沉渣中还含有大约50%的液体，必要时再用过滤机 等作进一步处理。
•降尘室结构：
见动画
工作原理：
矩形入口截面 面积↑→ u↓。
颗粒沉降的同时并随气体运动
颗粒沉降运动时间<气体通过沉降室时间分离
降尘室的生产能力：降尘室单位时间所处理的
含尘气体的体积流量。符号：qv 。
颗粒在降尘室的停留时间：
L u
颗粒沉降到室底所需的时间：
t H ut
为了满足除尘要求：
概述 均相混合物 物系内部各处物料性 （均相物系） 质均匀而且不存在相 界面的混合物。
混合物
如：石油、空气
非均相混合物 物系内部有隔开两相的 界面存在且界面两侧的 （非均相物系） 物料性质截然不同的混 合物。
分散相（分散物质） →分散状态的物质 非均相物系 连续相（连续介质） →连续状态存在， 包围在分散介质周围物质。
直径的粒子。故广泛应用于多种工业部门。
3.3.3 旋液分离器
又称水力旋流器 是利用离心沉降原理分离液固混合物的设备， 其结构和操作原理与旋风分离器类似。
3.3.4 离心沉降机
转鼓上无孔，混悬液或乳浊液被转鼓带动高速旋转 时,密度较大的物相向转鼓内壁沉降,密度较小的物相趋
向旋转中心而使两相分离。
适于离心分离的液态非均相物系包括液-固混合物系 (混悬液)和液-液混合物系(乳浊液)。 离心机： 用于离心分离的设备。 转鼓
9.797 10 3 m / s
计算Ret，核算流型：
dsut 95106 9.797103 998.2 Re 0.9244 1 1.00510 3
假设正确，计算有效。
3.2.2 重力沉降设备
(1)降尘室
利用重力沉降的作用从含尘 气体中除去固体颗粒的设备。
Fg

6
ds s g
3
Fb

6
d s g Fd A
3
u 2
2
沉降速度ut:为
ut
4d s g ( s ) 3
以颗粒形状及尺寸为特征量的雷诺数的函数,一般由实验测定。
阻力系数与Ret 关系图
阻力系数一般由实验测定 ：
相应各区的颗粒沉降速度为： 滞流区－称为斯托克斯公式 2 ds (s ) g ut 18 过渡区－称为艾伦公式

6
ds s g
3
Fb VP

6
ds g
3
Fd A
u r 2
2


4
2 dp
u r2
2
ur
阻力 Fd 离心力 Fc
向心力 Fb
颗粒在离心力场中的受力分析
Fc Vs s
Fb VP

6
ds s g
3

6
ds g
3
Fd A
u r 2
9 dc s u i
ui——含尘气体的进口气速，m/s; B——旋风分离器的进口宽度，m; N——气流的旋转圈数，对标准旋风分离器， 可取N=5； s ——颗粒的密度，kg/m3; μ——流体的黏度，Pa· s。
②分离效率 旋风分离器的分离效率通常有两种表示方法，即 总效率 粒级效率
ut 0.27 ds ( s ) g

Ret0.6
s 0.714 ds1.143 或 ut 0.153( g) ( )0.429
湍流区-称为牛顿公式
ut 1.74
ds ( s ) g

规律：dS 、密度差越大则沉 降速度越大；在层流区由于流 体粘性引起的表面摩擦阻力占 主要地位，因此层流区的沉降 速度与流体粘度μ成反比。
【例题3-1】：计算直径为95m，密度为3000kg/m3的固体颗 粒分别在20 ℃的空气和水中的自由沉降速度。
解：在20 ℃的水中： 20 ℃水的密度为998.2kg/m3，粘度为 1.005×10-3 Pas 先设为层流区。
ut
ds 2 ( p ) g 18

( 9810 6 )( 3000 998.2 )9.81 181.00510 3
t
L H u ut
——降尘室使颗粒 沉降的条件
qv u HB
L LHB qv qv Hb
LHB H qv ut
降尘室的生产能力
qv BLu t
降尘室的生产能力只与降尘室的沉降面积BL和颗
粒的沉降速度ut有关，而与降尘室的高度无关
（2）沉降槽
处理悬浮液的重力沉降设备，称为沉降器或增浓器。沉降器可分
3.2.1 球形颗粒的自由沉降
自由沉降：颗粒不受其他颗粒的干扰及器壁的影响， 在静止的流体中的沉降过程。 实际状况：干扰沉降
在自由沉降沉降过程中， 颗粒受到哪些力的作用： 设球形颗粒的直径为 流体的密度为 ,
d s ,颗粒密度为 s
,
重力Fg ↓ 、浮力Fb ↑ 阻力Fd↑
重力Fg 浮力Fb 阻力Fd
实验用离心机
油脂离心机
第四节
过滤
3.4.1 过滤的基本概念
一、过滤及过滤推动力
过滤：利用能让液体通过而截留固体颗 粒的多孔介质（过滤介质），使悬浮液 中固液得到分离的单元操作。 名词：过滤介质；混悬液（滤浆）；滤渣(饼)；滤液 悬浮液 沉降法 哪种处理方法好？
絮凝剂
过滤操作 沉降法 ：需要较长时间，而且沉渣中液体含量较多 过滤操作： 可使悬浮液得到迅速的分离，滤渣中的液体含量也较低