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1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22）以增稠为目的3）以分级分离为目的4）以净化为目的二、重力沉降1、球形颗粒的自由沉降重 力 ：Fgmgd 3sg6浮 力 ：Fbd 3g6阻 力 ：Fdp AAu 22（ 因 为pu 2）g2 g重力 F g = 浮 力 F b + 阻 力 Fd4 sdg得u3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3曳 力的 影响因 素： d p ; u ;曳 力的 函数关 系： F df d p .u . .因次分析的结果：Re p3、Re 关 系 曲线图该图分四个区1） 层流 区 ：104Re 1此时表面曳力为主，形体曳力可以忽略。24该 区内Red 2sg则 有公式 ： u o18斯托 克 斯（ Stokes ）公 式所以该区称为斯托克斯区。2）过渡区： 1Re10 3此时形体曳力不可忽略。18 .5该 区内0.6Reuog dsRe0.6则有公式：0.27阿 仑 （ Allen ）公式所以该区称为阿仑区。3） 湍流 区：10 3Re210 5此时形体曳力为主。表面曳力可以忽略。4该 区内0 .44 ， 与 Re 数 无关 。则 有公式 ： uo 1.74sdg牛 顿 区（ Newton ）公式所以该区称为牛顿区。4）边界层为湍流区：Re2 10 5一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 30 oC 常 压 空气中的 自由沉 降速 度 。 已 知颗 粒 密度 为 2670 /m 3 。（ 1 ）直径为 30m 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 。52）变换坐标法Re2 Re及Re 1Re关 系 曲 线图因 为 u4sdg3所 以4sdgdu3u o2ReRe24sd 3g32Re 14s2u 3g3三、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 dev6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Vd ev36非球形颗粒的体积当量直径为6Vd ev32） 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。非球形颗粒的表面积为AdeA 2非球形颗粒的表面积当量直径为Ad eA3） 比表 面积 当 量直 径 de s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。Ades2非球形颗粒的比表面积为SV3des6非球形颗粒的当量直径为d es6S72、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：dev2与非球形颗粒体积相当 的球的表面积deA2非球形颗粒的表面积如边 长为 a 正方 体颗 粒 ：2326V32 6 a 332 62d eva；与非球形颗粒体力相当的球的表面积非球形颗粒的表面积326a21636 a 20.806四、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。8即 ： 12而1LH，2所以uu oL b HL b HA底 uoV u b HL b uo1Huo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 20 oC 流 量 为 2500m 3 /h 的常压 空气 。 空气 中所 含 灰尘 的 密度 为 1800 /m 3 ， 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 1.5m ，长 2m ，在 常压 、 100 o C 下处 理2700m 3 /h 的含 尘气 ，设 尘粒 为 球形 ，密度 为 2400 /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？92、沉降槽直径： 10100m深度： 2.54m加料深 度 ： 0.31m3、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。102 过滤一、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。11床层空隙体积床层体积颗粒总体积床层总体积床层总体积单位 ： m3 /m 3的影响因素颗粒粒径的均匀性。 粒径越均匀， 越大。a颗粒表面的光滑性。 颗粒表面越光滑， 越小。b颗粒的大小。颗粒粒径越大， 越大。c非球形颗粒的球形度。 球形度越小， 越小。d床层的堆积方式， 乱堆床层 大。e床层的堆积速度。 堆积越快， 越大。f 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。ALA空隙体积则 AA床A床LA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。颗粒体积颗粒表面积颗粒表面积颗粒体积S床层体积床层体积床层体积空隙体积SP1SP床层体积SP 为颗粒群的平均比表面积。12床 层流 道 的当 量直 径 de对床层流道作下列简化：A 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。b 细 管的内 表 面积 等于 床 层颗 粒的 全 部表 面积 。c 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4 流道截面积l ed e润湿周边润湿周边l e4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44S1SP流体 在床层 流道 中 的流 速 uVu空A床u空AuA则uu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32lu谡叶公 式 ： p2d13/l e u则流体在滤饼层内流动的压降为pd e2kul ek122ps pl423u1s pk12 s p2p rul设 r3， 则常数 r 称为 滤饼 床 层的 比 阻 。3、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14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 5 10 4 N/m 2 。2）加压过滤过滤推动力源于悬浮液表面加压，小于 5 10 5 N/m 2 。3）真空过滤过滤推动力源于过滤介质下方减压，小于 5 10 5 N/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152、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=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。16过 滤推 动 力一 般 为 3 10 5 5 10 5 N/m 2 ，最 大可 达621 10N/m。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 20m 2635 ： 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。dVdq/m2su单 位： m3A ddq 为单位 面 积上收 集的 滤 液量 。 单位 ： m 3/m 2 2）过滤速率定义：单位时间内获得的滤液体积。17u AdV单 位： m3/sd2、过滤的基本方程1）滤饼阻力p r ul滤渣体积=V CV Cq Cl A ， 所以 lA过滤 速度 udqP过滤推动力drc q滤饼阻力滤饼阻力为rcVc qrA2）过滤介质阻力将 过滤 介质视 为 le 厚的 滤 饼， 由以 上 推导 得过滤介质阻力为rcVerc qeA所以，过滤总阻力为rc q qe3）过滤的基本方程过程总推动力过程总推动力过程的速率过程总阻力滤饼阻力过滤介质阻力dqPurcqqeddVAPurcV VeA ddVA2PdrcVVe过滤的基本方程3、恒压过滤18P对于 恒 压过 滤 ， rc 为 一 常数 。设P， udqkkdq qercq qeqe dqeqkq ee得恒压过滤的基本方程：q 22q qe2 k设 K 2 k则q 22qq eKV 22VVeK A 24、 恒压 过滤的 过滤 常数 K 及当 量 滤液 量 qe 的测定q 22qqeKq 2qeq KK12 qeq 与 q 成直线 关系 。 斜率 为 K ， 截距 为K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）0.100.200.300.40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 qe 。195、洗涤时间恒压过滤速度计算公式：dVA2 kAkA KVV Veqqe2 q qedA K最终过滤速度计算公式：V终2q终qe洗涤 速 度计 算公 式 ： Vw1 V终8A Kqe4q终洗涤时间的计算公式：G wG wG wG wG wwAw u wA滤111VwA滤u 终2u 终4V终246、板框压滤机的生产能力QV过滤W辅助20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 810 810 25mm ( 长 宽 厚 )，共 有 40 个框 ，已 知过滤常数 K =1 10 4 m 2 /s，当 量滤 液 量 qe =0.01m 3 /m 2 ， 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。21