非均相混合物分离

第三章 非均相混合物分离主讲 教师童 汉 清均相混合物和非均相混合物1、均 相混 合 物：物 料 内部 各 处性 质均 匀 一致而不 存 在 相 界面 。 如溶 液 、混 合气体 。均相混合物的常用分离方法有吸收、精馏、萃 取等2、非 均相 混合物 ：物 系内 部有 相界面 存在 ，且 界 面 两 侧 物 料 性 质 截 然 不 同 。 如 含 尘 气 体 、悬 浮 液 等 。1）分散 物 质（ 分散 相 ） 非均相物系中处于分散状态的物质。2）分散 介 质（ 连续 相 ） 非均相物系中处于连续状态的物质。非 均 相 混 合 物 的 常 用 分 离 方 法 有 ：筛 分 、沉 降 、 过滤等。1 沉 降一、概述1、沉降操作的分类 重力沉降：颗粒在重力场中受重力作用与连续相发生 相对运动而沉降。离心沉降：颗粒离心力的作用与连续相发生相对运动 而沉降。2、沉降操作在食品工业中的应用1）以澄清为目的2）以增稠为目的3）以分级分离为目的4）以净化为目的、重力沉降1、球形颗粒的自由沉降浮力Fb重力：mgvd八阻力Fd浮力：Fb6d g阻力：Fdp A=-重力重力浮力Fb +阻力F2g沉降速度公式2、曳力系数1）表面曳力与形体曳力表面曳力（摩擦阻力）：流体与颗粒表面间的摩擦力在流动方向上的分力。形体曳力（涡流阻力）：因边界层脱体产生颗粒上下端的压差。2）对曳力系数.的因次分析曳力的影响因素：d p； u-;曳力的函数关系：Fd二f dp.u.：丄因次分析的结果：,Rep3、- Re关系曲线图该图分四个区1）层流区： 10 Re 124Re则有公式：Uod2 g18此时表面曳力为主，形体曳力可以忽略 该区内斯托克斯（Stokes ）公式所以该区称为斯托克斯区2）过渡区：1 Re 10 3此时形体曳力不可忽略。该区内18.5Re0.6则有公式：uo27,g d - Re6阿仑（Allen）公式所以该区称为阿仑区。3）湍流区：10 3 Re 2 10 5此时形体曳力为主。表面曳力可以忽略该区内二0.44 ,与Re数无关则有公式：牛顿区(Newton )公式所以该区称为牛顿区。54)边界层为湍流区： Re 一 210一般沉降操作达不到此区。该区内 0.1，由于不稳定，因此无法计算 该区的沉降速度。4、沉降速度的计算1) 试差法假定沉降所属区域-用该区公式计算沉降速度u-由 算出的u求出Re-检验Re是否在所设区域-与所设相符, 计算正确；与所设不符，重新计算。例：求下列各种形状及尺寸的固体颗粒在30C常压空气 中的自由沉降速度。已知颗粒密度为2670 kg /m3。(1) 直径为30 m的球形颗粒。(2) 直径为1 mm的球形颗粒。(3) 棱长为1 mm的正方体颗粒。2）变换坐标法ReRe2-Re及Re，-Re关系曲线图因为 uJ 4 J s _ J d g寸 3厂匚所以Redu JRe24 * s _ J d3 g J3卫2Re三、非球形颗粒的当量直径与球形度的概念1、非球形颗粒的当量直径使非球形颗粒与某球形颗粒在某方面具有等效性（相 当），则该虚拟球体的直径即非球形颗粒的当量直径。1）体积当量直径dev非球形颗粒与虚拟球形颗粒在体积方面具有等效性（相当），则该虚拟球体的直径即非球形颗粒的体积当量 直径。非球形颗粒的体积为3ev非球形颗粒的体积当量直径为dev2）表面积当量直径deA非球形颗粒与虚拟球形颗粒在表面积方面具有等效性（相当），则该虚拟球体的直径即非球形颗粒的表面积当量直径。2 非球形颗粒的表面积为 A二二deA非球形颗粒的表面积当量直径为deAJI3）比表面积当量直径des比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积非球形颗粒与虚拟球形颗粒在比表面积方面具有等效性（相当），则该虚拟球体的直径即非球形颗粒的比表面积当量直径。非球形颗粒的比表面积为2c 一 A 一desV T es36非球形颗粒的当量直径为def2、球形度？不同形状的颗粒体积相同时，以球体的表面积为最小。所以，对于一定体积（dev不变）的非球形颗粒，与 球的形状相差越大，则S越大；deA越大。球形度？的意义:口兀dev非球形颗粒的表面积 0.806四、重力沉降分离设备1、降尘室利用重力沉降除去气流中尘粒的设备除尘条件：颗粒以U速 度水平通过降尘室的时间1大 于或等于颗粒以Uo速度从室顶 降到室底所需的时间2。与非球形颗粒体积相当 的球的表面积r =H deA2非球形颗粒的表面积如边长为a正方体颗粒：3 6VevJIL与非球形颗粒体力相当的球的表面积所以UoUo结论：降尘室的生产能力（含尘气体通过降尘室的 体积流量）只与室底面积及颗粒的沉降速度有关， 与降尘室高度无关。例1 :欲用降尘室净化温度为20C流量为2500m 3/h的 常压空气。空气中所含灰尘的密度为1800 kg /m3,要求 净化后空气中不含有直径大于10 m的尘粒，试求所需 沉降面积为多大？若降尘室的底面宽2m ,长5m ,室内 需要设多少块隔板？例2:某降尘室宽15m ,长2m ,在常压、100C下处理 2700m 3/h的含尘气，设尘粒为球形，密度为2400 kk /m 3, 气体的物理性质与空气相同。求：1）可被100%除去的最小颗粒直径。2）直径为0.05mm的颗粒有百分之几能被除去？2、沉降槽3、分级器1）适当安排各级沉降柱截面积的大小2）适当选择流体的密度与粘度3）控制流量。2过滤、过滤概述1、概念2、床层在多孔板架上堆积固体颗粒物料。1 ）、分类 固定床流体流速较低，颗粒层处静止状态，床层高度不变。 流化床流体流速较低，颗粒全部浮在向上流动的流体中做 随机的运动。床层高度随流体流速增加而升高。 稀相输送床流体流速很大，流化床上界面消失。颗粒分散悬 浮于流体中，被气体带走。2）、床层的特性（固定床） 床层的空隙率；:床层中空隙的体积占床层总体积的比率。床层空隙体积_床层体积-颗粒总体积床层总体积一床层总体积单位：m3/m3；的影响因素颗粒粒径的均匀性。 粒径越均匀，；越大。(D颗粒表面的光滑性。颗粒表面越光滑，；越小(颗粒的大小。颗粒粒径越大，；越大。(非球形颗粒的球形度。球形度越小，；越小。(床层的堆积方式，乱堆床层；大。床层的堆积速度。堆积越快，；越大。 床层的平均自由截面积A流体流过床层截面时的有效流动截面积在高度范围的平均值A L A 空隙体积A床L A床床层体积 床层的比表面积S单位体积床层所具有的颗粒的表面积颗粒表面积颗粒体积颗粒表面积颗粒体积床层体积床层体积床层体积-空隙体积0；床层体积PSp为颗粒群的平均比表面积 床层流道的当量直径de对床层流道作下列简化:QA将床层中的不规则通道简化为长度为l e的一 组平行细管。细管的内表面积等于床层颗粒的全部表面积。(细管的全部流动空间等于床层的空隙体积。 所以有4流道截面积润湿周边4流道截面积le润湿周边le4床层的流动空间_ 4床层空隙总体积细管的全部内表面积床层颗粒总表面积4；床层总体积4 ；床层颗粒总表面积_床层颗粒总表面积床层总体积4 ；4 ； 流体在床层流道中的流速uV = u空A床则 u二一u空 流体流过床层的压降流体在管内作层流流动时的阻力压降由哈根-泊谡叶公式：，P32lu则流体在滤饼层内流动的压降为 P / le Ud?_k (1 )2 Sp2于4卫八)spk 1 - ；2 Sp2二3，贝y厶P = r U常数r称为滤饼床层的比阻。深层过滤和滤饼过滤深层过滤浆料中的固体颗粒沉积在较厚的过滤 介质内部而不形成滤饼。表面过滤滤液流过过滤介质后，浆料中的固体颗 粒呈饼状沉积在过滤介质的上游。又称 滤饼过滤。表面过滤主要作用是液固分离；深层过滤主要作用是澄清。2、过滤介质粒状介质织状介质多孔性固体介质3、助滤剂1）助滤剂的种类：硅藻土；活性炭；石棉；锯屑等。2）助滤剂的作用：防止过滤介质孔道阻塞，增加滤饼空隙率，提高过滤速度。3）助滤剂的应用：滤液是产品而不需回收滤渣4、过滤种类1）常压过滤过滤推动力为悬浮液液柱压差，小于 5x 104N/m 2。2）加压过滤过滤推动力源于悬浮液表面加压,小于 5x 105N/m 2。3）真空过滤过滤推动力源于过滤介质下方减压,小于 5x 105N/m 2。4）离心过滤过滤推动力源于离心力三、过滤设备板框压滤机1、板框压滤机的构造淹浆趣道Si非框框诜框洗淺水通道2、板框压滤机的操作流程1）组装S手动压紧；Y 液压压紧；D 电动压紧2）过滤明流式板框压滤机和暗流式板框压滤机3）滤饼洗涤1贯通洗涤法：洗涤速率=丁最终过滤速率44）卸渣整理3、特点优点：结构简单；造价低；过滤面积大；辅助设备少；动力消耗低。过滤推动力一般为3x 1055 x 105N/m 2，最大可达1 x 106 N/m 2。缺点：间歇操作；组装和卸渣需要繁重的体力劳动， 洗涤时间长；不易清洗；效率较低。板框材料：铸铁；钢；铝；铜；木材；塑料等4、板框压滤机的系列代号BMS20/63525B :板框压滤机M:明流式 （A表示暗流式）S：手动压紧20:过滤面积20m2635 :框内边边长 635mm25:框厚 25 mm四、过滤计算1、过滤速度与过滤速率1）过滤速度定义：单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积dVA d，-dqd单位:m3/m2 q为单位面积上收集的滤液量。 单位：m3/m 22）过滤速率定义：单位时间内获得的滤液体积u A单位：m3/s2、过滤的基本方程1）滤饼阻力p = r u l.V C厂滤渣体积=v l A ,所以I二二q c A.dq 也P 过滤推动力 过滤速度u二需二厂卞二滤饼阻力V滤饼阻力为 r * 汀* cq2）过滤介质阻力将过滤介质视为le厚的滤饼，由以上推导得V过滤介质阻力为r= r v cqe所以，过滤总阻力为rc q qe3）过滤的基本方程过程的速过程总推动力过程总推动力过程总阻力滤饼阻十;过滤介质阻力dq= Pu -d日r 卩 c、（q + qe）dVA 仏 Pu 二A rc V VedVA? P小 c V Ve过滤的基本方程3、恒压过滤对于恒压过滤,常数dq k 心 q qeq qe eqeq qe dq夬 a得恒压过滤的基本方程：q2 2q qe = 2k j 设 K = 2k 贝y2q 2q qe 二 K rV2 2V Ve 二 K A2 v4、恒压过滤的过滤常数K及当量滤液量qe的测定q2 2q q K 二2= q + 2qeq K K日12q与q成直线关系。斜率为百，截距为于qKK例：在恒压下对某种滤浆进行过滤实验，测得如下数据:滤液量（m3）0.100.200.30040过滤时间（S）38115228380已知过滤面积为1 m2，求过滤常数K及当量滤液量5、洗涤时间恒压过滤速度计算公式：dV A k乔-V VeA k A K qqe2 q qe最终过滤速度计算公式A K2q 终qe1a K洗涤速度计算公式：V终二48 (q终 + qe洗涤时间的计算公式：VwAwG wG wG wA滤1 11、/u终A滤u终 V终2 244u w6、板框压滤机的生产能力 例 ：某 板 框 压 滤 机 在 恒 压 条 件 下 过 滤 含 硅 藻 土 的 悬 浮 液 ，过滤机的滤框内边尺寸为810 X 810 x 25mm （长X宽X 厚），共有40个框，已知过滤常数K =1 X 10- 4 m2/s，当量 滤 液 量 qe=0.01m 3/m2， 滤 框 内 充满滤 渣后 为 不可压缩 滤 饼， 其空隙率为 0.01 。滤 浆的 浓度为 100kg 硅藻土/ m3 滤液， 硅藻土的 比重为 2， 试求：1）过滤 到框中充满滤 渣时所需的 时间。2）过滤后用滤液量的 1/10 的 清水洗涤滤饼，（贯穿洗涤 法 ）， 求 洗 涤 时 间 。3）洗涤后， 辅助时间共 需 20 分钟， 求该板框 压滤 机的 生 产能 力。