第三章非均相物系的分离课件

2024/7/151学习回顾传热:传热机理三种传热方式传热过程的计算换热器2024/7/152第三章 非均相物系的分离3.1 概述概述 (1)(1).收集分散物质收集分散物质(回收有用物质回收有用物质)如如从从气气流流干干燥燥器器排排出出尾尾气气中中回回收收带带出出的的固固体体颗颗粒粒作作为为产产品，或者从某些排污中回收带走的液体等。品，或者从某些排污中回收带走的液体等。(2)(2).净化分散介质净化分散介质(净化物料净化物料)如如除除去去浑浑浊浊液液中中的的固固相相杂杂质质而而使使其其成成为为清清液液，或或者者使使压压缩后气体中的油滴分离而净化气体等。缩后气体中的油滴分离而净化气体等。(3)(3).环境保护与安全生产环境保护与安全生产(环境保护的需要环境保护的需要)象象烟烟道道气气的的排排放放、废废液液的的排排放放都都要要求求其其含含固固量量达达到到一一定定标准，以防止对大气、河海等环境污染。标准，以防止对大气、河海等环境污染。混合物的分类混合物的分类 均相物系：物系内部各处物料性质均匀而不存在相界面的混合物系。均相物系：物系内部各处物料性质均匀而不存在相界面的混合物系。非非均均相相物物系系：物物系系内内部部有有明明显显的的相相界界面面存存在在而而界界面面两两侧侧物物料料的的性性质质不不同同的混合物系。的混合物系。非均相机械分离过程涉及固体颗粒非均相机械分离过程涉及固体颗粒,可以把固体看成球形可以把固体看成球形.流体对固体颗粒的绕行流体对固体颗粒的绕行:固体静止固体静止,流体动流体动;流体静止流体静止,固体沉降固体沉降;或相对运动或相对运动.2024/7/155悬浮液的形成:第一,在前置生产工序前因工艺要求加入固体颗粒;第二,在前置生产工序中从液相中析出固体产品或因反应生成固体及固体杂质.生产中液固分离有不同的目的:得到含液量比较少的固体产品即低液体损失率,或得到含固体颗粒比较少的清液,即低的固体损失率.2024/7/156颗粒和颗粒床层特性简述 亦称球形度，用于表征颗粒的形状与球形的差异程度。亦称球形度，用于表征颗粒的形状与球形的差异程度。定定义义：体体积积与与实实际际颗颗粒粒相相等等时时球球形形颗颗粒粒表表面面积积与与实实际际颗颗粒粒的表面积之比，即：的表面积之比，即：空隙率空隙率：单位体积床层中的空隙体积，单位体积床层中的空隙体积，m m3 3/m/m3 3，2024/7/157以液相加氢为例含有催化剂的物料:催化剂要回收,循环使用;料液进入下一步反映.颗粒大小对分离的难易程度的影响:根据需要控制粒度大小.3.2 沉降分离 3.2.1 沉降概述 沉沉降降是是指指在在某某种种力力的的作作用用下下，固固粒粒相相对对于于流流体体产产生生定定向向运运动动而而实实现现分分离离的的操操作作过过程程。其其依依据据是是利利用用两两相相间间密密度度的的差差异异，受受力力时时其其运运动动速速度度不不同同从从而而发发生生相相对对运运动动。进进行行沉沉降降操操作作的的作作用用力力可可以以是是重重力力，也也可可以以是是惯惯性性离离心心力力，故故沉沉降降分分为为重重力力沉沉降降和和离离心心沉沉降降。衡衡量量沉沉降降进进行行的的快快慢慢程程度度通通常常用用沉沉降降速速度来表示。度来表示。3.23.2.2 2 沉降速度沉降速度 自由沉降：发生在稀疏颗粒的流体中自由沉降：发生在稀疏颗粒的流体中 干扰沉降：多发生在液态非均相物系中，沉降速度低。干扰沉降：多发生在液态非均相物系中，沉降速度低。以下讨论自由沉降过程。以下讨论自由沉降过程。压缩沉降压缩沉降:2024/7/1593.2.3 3.2.3 自由沉降自由沉降 沉降的加速阶段沉降的加速阶段 沉降的恒速阶段沉降的恒速阶段速速度度加加大大,阻阻力力也也变变大大,阻阻力力变变大大加加速速度度变变小小,小到为小到为0 0即是恒速阶段即是恒速阶段.沉降速度沉降速度u ut t-终端速度终端速度 用用前前式式计计算算沉沉降降速速度度时时，需需先先确确定定阻阻力力系系数数值值。通通过过因因次次分分析析，是是颗颗粒粒形形状状、颗颗粒粒与与流流体体相相对对运运动动雷雷诺诺数数ReRet t=du=dut t/的的函函数数，由由实实验测得的综合结果在下图中示出。验测得的综合结果在下图中示出。对对于于球球形形颗颗粒粒的的曲曲线线，从从图图可可看看出出，按按ReRet t值值大大致致分分为为三三个个区区，各各区区内曲线所对应的内曲线所对应的可分别用相应的数学关系式表示。可分别用相应的数学关系式表示。1.1.滞流区滞流区(斯托克斯定律区斯托克斯定律区)10)10-4-4 ReRet t 2 22.2.过渡区过渡区(艾伦定律区艾伦定律区)1)1ReRet t10103 33.3.湍流区湍流区(牛顿定律区牛顿定律区)10)103 3 ReRet t22m)d2m)适用条件适用条件(1)(1)颗粒静止，流体运动颗粒静止，流体运动 (2)(2)颗粒运动，流体静止颗粒运动，流体静止 (3)(3)颗粒流体作相反方向运动颗粒流体作相反方向运动 (4)(4)颗粒、流体作相同方向运动，但速度不同颗粒、流体作相同方向运动，但速度不同 2024/7/1515例3-1,3-2见教材111页斯托克斯定律的含义:FD=3dpu临界直径临界直径：指理论上能够完全分离出来的指理论上能够完全分离出来的最小颗粒直径最小颗粒直径.2024/7/15163.2.4 干扰沉降颗粒群的运动;干扰沉降的成因;干扰沉降的速度.3.2.5 重力沉降设备 重重力力沉沉降降是是最最简简单单的的沉沉降降分分离离方方法法，它它既既可可用用于于分分离离气气固固非非均均相相物物系系，也也可可用用于于分分离离液液固固非非均均相相物物系系；既既可可用用于于将将混混合合物物系系中中的的颗颗粒粒与与流流体体分分开开，也也可可用用来来使使不不同同大大小小或或密密度度不不同同的的颗颗粒粒分分开开。依依据据重重力力沉沉降降原原理理进进行行操操作作的的装装置置称称为为重重力力沉沉降降设备设备.1).1).降尘室降尘室 利利用用重重力力沉沉降降从从气气流流中中分分离离出出尘尘粒粒的的设设备备称称为为降降尘尘室室，常常见见的如图所示。的如图所示。操操作作原原理理：含含尘尘气气体体进进入入降降尘尘室室后后，因因流流动动截截面面积积的的扩扩大大而而使使颗颗粒粒与与气气体体间间产产生生相相对对运运动动，颗颗粒粒向向室室底底作作沉沉降降运运动动。只只要要在在气气流流通通过过降降尘尘室室的的时时间间内内颗颗粒粒能能够够降降至至室室底底，尘尘粒粒便便可可从从气气流流中中分离出来。分离出来。utu颗粒降至室底所需时间为颗粒降至室底所需时间为t t：当当t t时，尘粒便从气流中分离出来，即有：时，尘粒便从气流中分离出来，即有：H/u H/ut tlbH/lbH/q qv v q qv vuut tlb lb 降降尘尘室室一一般般为为矩矩形形方方体体设设备备，其其长长、宽宽和和高高分分别别用用l l、b b、H H表表示示，两两端端分分别别为为含含尘尘气气体体进进口口和和净净化化气气出出口口，气气体体流流量量为为Vs,mVs,m3 3/s/s。设气体通过降尘室的时间为设气体通过降尘室的时间为：球形颗粒沉降速度的计算 假设沉降处在滞流区，则选用假设沉降处在滞流区，则选用StokesStokes公式：公式：例例3-33-3见见113113页页增稠器 利利用用重重力力沉沉降降从从悬悬浮浮液液中中分分离离固固相相的的设设备备称称为为增增稠稠器器，它它可可从从悬悬浮浮液液中中分分出出清清液液而而得得到到稠稠厚厚的的沉沉渣渣，又又称称为为增增稠稠器器。按按操操作作方方式式分分为为间间歇歇式式和和连连续续式式，一一般般化化工工生生产产中中均均采采用用连连续续增增稠稠器。器。连连续续沉沉降降槽槽是是底底部部略略成成锥锥状状的的大大直直径径浅浅槽槽，如如图图。悬悬浮浮液液经经中中央央进进料料管管送送到到液液面面以以下下0.30.31.01.0m m处处，分分散散到到槽槽的的整整个个横横截截面面上上。因因截截面面积积的的扩扩大大颗颗粒粒下下沉沉，清清液液向向上上流流动动，经经由由槽槽顶顶四四周周设设置置的的溢溢流流堰堰排排出出，沉沉到到槽槽底底的的沉沉渣渣由由缓缓缓缓转转动动的的耙耙拨拨向向底底部部中中心心的的排排渣渣口口排排出出。连连续续沉沉降降槽槽的的操操作作属属于于稳稳定定操操作作状状态态，上上部部为为清清液液区区，下下部部为为增增稠稠区区，增增稠稠区区内内颗颗粒粒的的浓浓度度自自上上而而下下逐逐步步增增高高，而而且且各各部部位位区区内内的的粒粒子子浓浓度度、沉沉降降速速度度等等不不随时间而变化。随时间而变化。连连续续沉沉降降槽槽直直径径大大，大大者者可可达达百百米米以以上上，高高度度为为2 24 4米米。为为节节省省占占地地面面积积，有有时时将将数数个个沉沉降降槽槽叠叠在在一一起起构构成成多多层层沉沉降降槽槽，共共用用一一根根共共同同的的轴轴带带动动各各槽槽的的耙耙。耙耙的的转转速速很很低低，一一般般在在0.10.11 1rpmrpm之内，以防将已沉积的固粒重新搅起。之内，以防将已沉积的固粒重新搅起。连连续续沉沉降降槽槽适适于于处处理理量量大大而而颗颗粒粒浓浓度度不不高高的的悬悬浮浮液液，对对于于颗颗粒粒细细微微的的料料浆浆，常常需需加加入入高高分分子子量量的的絮絮凝凝剂剂，使使细细粒粒之之间间发发生生凝凝聚聚而而促促进进沉沉降降作作用用，以以提提高高其其生生产产能能力力和和得得到到符符合合要要求求的的清液，其底部排出的沉渣还含有约清液，其底部排出的沉渣还含有约50%50%的液体。的液体。2024/7/1522分级器利用重力沉降可将悬浮液中不同粒度的颗粒进行粗略的分离,或将两种密度不同密度的颗粒进行分类,这样的过程称为分级.实现分级操作的设备称为分级器.2024/7/15232 分级器分级器 利用重力沉降可将悬浮液中不同粒度的颗粒进行粗略的分级，或将两种不同密度的物质进行分类。图3-7为分级器示意图。2024/7/15243.2.6 沉降过程的强化凝聚或絮凝离心沉降2024/7/15253.2.7 离心沉降设备转鼓式离心机转鼓式离心机离离心心沉沉降降所所处处理理的的非非均均相相物物系系中中固固粒粒直直径径通通常常很很小小，沉沉降降一般在滞流区进行，故其沉降速度可表示为：一般在滞流区进行，故其沉降速度可表示为：碟式分离机碟式分离机管式高速离心机管式高速离心机 2024/7/15261 转鼓式离心机转鼓式离心机与重力沉降器的原理相同，在沉降式离心机中，凡沉降所需时间t小于流体在设备内的停留时间r的颗粒均可被沉降而除去。颗粒在离心力场中的运动方程可写为2024/7/15272 碟式分离机碟式分离机生产能力碟式分离机的转鼓内装有许多倒锥形碟片，碟片直径一般为0.20.6m，碟片数目约为50100片。转鼓以47008500rmin的转速旋转，分离因数可达400010000。用于乳浊液的分离碟片上开孔用于澄清时碟片上不开孔2024/7/15283 管式高速离心机管式高速离心机3.3 过滤 过过滤滤是是分分离离悬悬浮浮液液最最普普遍遍和和最最有有效效的的单单元元操操作作之之一一。与与沉沉降降相相比比，过过滤滤可可使使悬悬浮浮液液的的分分离离更更迅迅速速更更彻彻底底，特特别别是是对对于于粒粒径径很很小小，很很难难分分离离的悬浮液，沉降方法均难实现，这时需采用过滤操作。的悬浮液，沉降方法均难实现，这时需采用过滤操作。过过滤滤：以以某某种种多多孔孔物物质质为为介介质质，在在外外力力作作用用下下，使使悬悬浮浮液液中中的的液液体体通通过过介介质质的的孔孔道道，而而使使固固体体颗颗粒粒被被截截留留在在介介质质上上，从从而而实实现现固固、液液分分离离的单元操作。的单元操作。过滤操作所处理的悬浮液称为过滤操作所处理的悬浮液称为滤浆或料浆滤浆或料浆所用的多孔性介质称为所用的多孔性介质称为过滤介质过滤介质通过过滤介质的液体称为通过过滤介质的液体称为滤液滤液被截留下来的颗粒层称为被截留下来的颗粒层称为滤饼或滤渣滤饼或滤渣 实现过滤操作的外力实现过滤操作的外力有重力，压强差或惯性有重力，压强差或惯性离心力，在化工生产中应用最多的是过滤介质离心力，在化工生产中应用最多的是过滤介质上、下游两侧的压强差。上、下游两侧的压强差。1.过滤方式 过滤操作分两类：过滤操作分两类：1.1.饼饼层层过过滤滤：固固体体颗颗粒粒呈呈饼饼层层状状沉沉积积于于过过滤滤介介质质的的上上游游一一侧侧。适于处理固体含量较高适于处理固体含量较高(固体体积分率在固体体积分率在1 1以上以上)的悬浮液。的悬浮液。真正发挥分离作用的是滤饼层，而不是过滤介质。真正发挥分离作用的是滤饼层，而不是过滤介质。因因为为颗颗粒粒在在介介质质表表面面发发生生“架架桥桥”现现象象，可可以以截截留留小小颗颗粒粒，开始滤液混浊需重新处理。开始滤液混浊需重新处理。2.2.深床过滤：固体颗粒的沉积发生在深床过滤：固体颗粒的沉积发生在较厚的粒状过滤介质床层内部。适于较厚的粒状过滤介质床层内部。适于处理颗粒小、含量少处理颗粒小、含量少(固体体积分率在固体体积分率在0.10.1以下以下)的悬浮液。的悬浮液。真正发挥作用的是过滤介质。真正发挥作用的是过滤介质。化工中所处理的悬浮液浓度往往较化工中所处理的悬浮液浓度往往较高。故本章只讨论饼层过滤。高。故本章只讨论饼层过滤。过滤介质 过过滤滤介介质质的的作作用用是是使使清清液液通通过过，截截留留和和支支承承滤滤饼饼。对对其其要求是：要求是：1.1.具有多孔性，孔道大小合适；具有多孔性，孔道大小合适；2.2.具有足够的机械强度和尽可能小的流动阻力；具有足够的机械强度和尽可能小的流动阻力；3.3.具有相应的耐腐蚀性、耐热性、抗老化性等。具有相应的耐腐蚀性、耐热性、抗老化性等。工业上常用的过滤介质种类主要有：工业上常用的过滤介质种类主要有：(1)(1)织织物物介介质质(滤滤布布)：由由棉棉、毛毛、丝丝、麻麻等等天天然然纤纤维维或或尼尼纶纶、聚聚氯氯乙乙烯烯纤纤维维等等合合成成纤纤维维及及玻玻璃璃丝丝、金金属属丝丝(CuCu、NiNi、不不锈锈钢钢)等材料制成的网。被截留的最小颗粒直径等材料制成的网。被截留的最小颗粒直径5 56565mm，应用最广；应用最广；(2)(2)粒粒状状介介质质(粒粒状状介介质质)：由由细细而而硬硬的的粒粒状状物物质质(砂砂、木木碳碳、硅硅藻土、石绵、纤维球、碎石等藻土、石绵、纤维球、碎石等)堆积而成。用于深床过滤堆积而成。用于深床过滤;(3)(3)多多孔孔固固体体介介质质：多多孔孔陶陶瓷瓷、多多孔孔塑塑料料等等具具有有细细微微孔孔道道固固体体材材料料。被被截截留留的的最最小小颗颗粒粒直直径径1 13 3mm，适适于于处处理理含含量量少少、颗颗粒小的腐蚀性悬浮液或其它特殊场合。粒小的腐蚀性悬浮液或其它特殊场合。为为了了克克服服可可压压缩缩滤滤饼饼被被压压缩缩后后难难于于进进行行过过滤滤，可可在在其其中中加加入入一一种种质质地地坚坚硬硬的的固固体体颗颗粒粒或或预预涂涂于于过过滤滤介介质质上上，以以形形成成稀松的饼层，以改变滤饼结构，提高刚性，减少阻力。稀松的饼层，以改变滤饼结构，提高刚性，减少阻力。这种预涂或预混的粒状物质称为助滤剂。对助滤剂的要求：这种预涂或预混的粒状物质称为助滤剂。对助滤剂的要求：应是能形成多孔饼层的刚性颗粒应是能形成多孔饼层的刚性颗粒具有化学稳定性和不溶于液相中具有化学稳定性和不溶于液相中过滤操作的压强差范围内，具有不可压缩性过滤操作的压强差范围内，具有不可压缩性 常用作助滤剂的物质有：常用作助滤剂的物质有：硅硅藻藻土土：单单细细胞胞水水生生植植物物的的沉沉积积化化石石，经经过过干干燥燥或或焙焙烧烧，含含85 85 以上的以上的SiOSiO2 2；珍珍珠珠岩岩：将将一一种种玻玻璃璃状状的的火火山山岩岩熔熔融融后后倾倾入入水水中中，得得到到中中空空的的 小球，再打碎而成；小球，再打碎而成；其它：炭粉、石绵粉、纸浆粉等。其它：炭粉、石绵粉、纸浆粉等。3.滤饼的压缩性和助滤剂滤饼的压缩性和助滤剂2024/7/1533过滤过程的特点:液体通过过滤介质和滤饼空隙的流动可视为流体流经颗粒层的流动的一种具体情况.非定态的;过滤过程的推动力:重力或离心力或压强差;人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。