第三章非均相机械分离

化工原理第三章 非均相物系的机械分离 第一节 概 述混合物据各组分的分散度可划分为均相和非均相混合物两大类。其中非均相混合物由分散相和连续相两部分组成：前者指 处于分散状态的物质；后者指包围着分散相物质且处于连续状态的流体 ,如气态非均相物系中的气体，液态非均相物系中的连续液体等。 本章主要探讨非均相混合物的机械分离。一、非均相混合物的分离在工业中的应用1.回收有用的分散相 如收集粉碎机、沸腾及喷雾干燥器等设备出口气流中夹带的物料；收集蒸发设备出口气流中带出的药液雾滴；回收结晶器中晶浆夹带的颗粒；回收催化反应器中气体夹带的催化剂等。2.净化连续相除去药液中无用的混悬颗粒以便得到澄清药液；将结晶产品与母液分开；除去空气中的尘粒以便得到洁净空气；除去催化反应原料气中的杂质，以保证催化剂的活性等。3.环境保护和安全生产 近年来 ,工业污染对环境的危害愈来愈明显，利用机械分离的方法处理工厂排出的废气、废液，使其浓度符合规定的排放标准，以保护环境；去除容易构成危险隐患的漂浮粉尘以保证安全生产。 第一节 概 述二、非均相混合物的分离方法非均相混合物通常采用机械的方法分离，即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。根据两相运动方式的不同，机械分离可有两种操作方式，沉降和过滤。1.沉降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。沉降操作的外力可以是重力 (称为重力沉降 ),也可以是惯性离心力 (称为离心沉降 )。此外对于含尘气体的分离还有过滤净制、湿法及电净制等方法。 2.过滤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。过滤操作的外力可以是重力、压差或惯性离心力。因此过滤操作又分为重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤等。详见下表：第一节 概 述第二节 沉 降 沉降是指 在某种力场中利用分散相和连续相之间的密度差异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程， 分为重力沉降和离心沉降两大类。 一、重力沉降重力沉降是依据 重力作用 而发生的沉降过程。一般用于气、固混合物和混悬液的分离。 它是利用混悬液中的 分散相即 固体颗粒的密度大于 连续相即 浸提液的密度而使颗粒沉降达到分离。1.自由沉降和沉降速度以固体颗粒在流体中的沉降为例进行分析，颗粒的沉降速度与颗粒的形状有很大关系，为了便于理论推导，先分析光滑球形颗粒的自由沉降速度。1.1球形颗粒的自由沉降速度颗粒在静止流体中沉降时，不受其它颗粒的干扰及器壁的影响，称为 自由沉降 。较稀的混悬液或含尘气体中固体颗粒的沉降可视为自由沉降。第二节 沉 降如图 3-1所示。一个表面光滑的刚性球形颗粒置于静止流体中，当颗粒密度大于流体密度时，颗粒将下沉，若颗粒作自由沉降运动，在沉降过程中，颗粒受到三个力的作用：重力，方向垂直向下；浮力，方向向上；阻力，方向向上。设球形颗粒的直径为 ,颗粒密度为 ,流体的密度为 ,则重力 、浮力 和阻力 分别为 : 图 3-1静止流体中颗粒受力示意图第二节 沉 降（ 3-1）（ 3-2）（ 3-3）式中 为沉 降颗粒沿沉降方向的最大投形面积，对于球形颗粒， ， m2； 为颗粒相对于流体的降落速度， m/s； 为沉降阻力 系 数。对于一定的颗粒与流体，重力与浮力的大小一定，而阻力随沉降速度而变。根据牛顿第二定律有：当颗粒开始沉降的瞬间， u为零 ,阻力也为零 ,加速度 a为其最大值；颗粒开始沉降后，随着 u逐渐增大，阻力也随着增大，直到速度增大到一定值 后，重力、浮力、阻力三者达到平衡，加速度 a为零；此时颗粒做匀速运动的速度即称为 沉降速度 ，用 表示，单位为 m/s。 即有： （ 3-4）第二节 沉 降联立（ 3-1）、（ 3-2）、（ 3-3）和（ 3-4）整理得（ 3-5）式（ 3-5）称为沉降速度表达式（参见教材 P136式 3-26）。对于微小颗粒，由于沉降的加速阶段时间很短，可忽略，因此， 整个沉降过程可以视为加速度为零的匀速沉降过程。 在这种情况下可直接将该式用于重力沉降速率的计算。的确定较为复杂， 该值与雷诺数 有关，但二者间数学函数式目前理论上还难以确定，一般通过经验关联式和实验数据来确定，见图 3-2 。第二节 沉 降图 3-2所示阻力曲线可依据不同运动状态范围划分为三个区域：a)滞流区： 2,又称斯托克斯 (stokes)定律区(3-6）b)过渡区： 2 500,又称艾伦（ Allen） 定律区(3-7)c)湍流区： 500 210 5 ,又称牛顿（ Newton） 定律区(3-8)图 3-2 沉降阻力系数关系曲线图第二节 沉 降1.2非球形颗粒的自由沉降非球形颗粒的几何形状及投影面积 A对沉降速度都有影响。颗粒向沉降方向的投影面积 A愈大，沉降阻力愈大，沉降速度愈慢。一般地 ,相同密度的颗粒，球形或近球形颗粒的沉降速度大于同体积非球形颗粒的沉降速度。非球形颗粒几何形状与球形的差异程度，用 球形度 表示，即一个任意几何形体的球形度，等于体积与之相同的一个球形颗粒的表面积与这个任意形状颗粒的表面积之比。当体积相同时，球形颗粒的表面积最小，因此， 球形度值总是小于 1，且该越小，颗粒形状与球形的差异越大， 阻力系数 愈大。 当颗粒为球形时，球形度为1。在计算沉降速率时，非球形颗粒的大小可用当量直径表示，所谓当量直径即就是与颗粒等体积球形颗粒的直径。非球形颗粒自由沉降的影响因素除球形度（颗粒形状）外，还有壁效应（器壁影响）和干扰沉降（颗粒间的相互干扰）等。第二节 沉 降2.重力沉降设备及其生产能力2.1降尘室 :就是利用重力沉降的作用 从含尘气体中除去固体颗粒的设备，其结构如 3-3所示。含尘气体进入降尘室后，流通截面积扩大，速度降低，使气体在降尘室内有一定的停留时间。若在这个时间内颗粒沉到了室底，则颗粒就能从气体中除去。要保证尘粒从气体中分离出来，则颗粒沉降至底部所用时间必须小于等于气体通过沉降室的时间。第二节 沉 降设 为降尘室所处理的含尘气体的体积流量，即降尘室的生产能力， 颗粒运动的水平速度同于气体用 u表示，颗粒的沉降速度为 ut，则颗粒水平通过沉降室的停留时间为 L/u，垂直沉降时间为 H/ut，那么颗粒能沉降分离出来的条件为： （ 3-9） 又由于 u=qv/A=qv/BH,故有 H/utBLH/qv，即有： （ 3-10）式（ 3-10）就是降尘室生产能力的计算公示。该式表明： 降尘室生产能力只与降尘室的底面积（ BL）及颗粒的沉降速度有关，而与降尘室高度 H无关 。所以降尘室一般采用扁平的几何形状，或在室内添加多层隔板 ,形成多层降尘室如图 3-4所示 ,以提高其生产能力和除尘效率。降尘室结构简单，但设备庞大、效率低，只适用于分离粗颗粒（一般指直径 75m 以上的颗粒），或作为预分离设备。 图 3-4 多层隔板降尘室1-隔板； 2， 3-调节阀门； 4-除灰口第二节 沉 降2.2沉降槽： 属于处理悬浮液的重力沉降设备，也称增稠器，分间歇式、半连续式和连续式三种。化工中常用的沉降槽如图示，是一个带锥形底的圆池，悬浮液由位于中央的进料口加至液面以下，经一水平挡板折流后沿径向扩展，随着颗粒的沉降，液体缓慢向上流动 ,经溢流堰流出得到清液，颗粒则下沉至底部形成沉淀层，由缓慢转动的耙将沉渣移至中心底部排出。沉降槽与降尘室类似，其生产能力与高度无关 ,只与底面积及颗粒的沉降速率有关 ,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 l0 100m、深 2.54m。它一般用于大流量、低浓度悬浮液的处理。另外：工业上对于难以沉降的溶胶，可以加入电解质之类的絮凝剂，以促进细小颗粒絮凝成较大颗粒从而增大沉降速度。第二节 沉 降二、离心沉降在重力沉降中 ,当颗粒小时 ,沉降速率就小 ,需沉降设备就大 ,为了提高其生产能力 ,工业上可使用离心沉降 ,因为离心力比重力大得多，改用离心沉降则可大大提高沉降速度 ,设备尺寸也可缩小很多。1.离心沉降速度和离心分离因数1.1离心沉降速度 :其推导方法和重力沉降速度相似，在离心沉降设备中，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。和颗粒在重力场中受到三个作用力相似，惯性离心力场中颗粒在径向上也受到三个力的作用 ,即惯性离心力、向心力 (相当于重力场中的浮力 ,其方向为沿半径指向旋转中心 )和阻力 (与颗粒的运动方向相反 ,其方向为沿半径指向中心 )。如果球形颗粒的直径为 dp、密度为 ,流体密度为 ,当颗粒与流体一起作等角速度 的圆周运动时，将受上述合力的作用 ,使其由旋转中心向周边运动，在达到动态平衡时，经整理其离心沉降速度为： （ 3-11）第二节 沉 降1.2离心分离因数比较式（ 3-11）及（ 3-5）可知：离心沉降速率的计算式只是把重力沉降速率中的重力加速度用离心加速度 代替而已。工业上常将离心加速度与重力加速度之比称为 离心分离因数，即K是离心分离设备的重要性能指标。工程上， K越高，其离心分离效率越高，相比于重力分离效果越好。离心分离因数的数值一般为几百到几万。因此，同一颗粒在离心场中的沉降速度远远大于其在重力场中的沉降速度，用离心沉降可将更小的颗粒从流体中分离出来。 注意 ： 重力沉降速度基本上为一定值；离心沉降速度为绝对速度在径向上的分量，随颗粒在离心力场中的位置 r而改变。 第二节 沉 降2.离心沉降设备2.1旋风分离器旋风分离器一般进行的是气 -固非均相物系的离心分离。 由于在离心场中可以获得比重力大得多的离心力 ,故对两相密度相差较小或颗粒粒度较细的非均相物系 ,利用离心沉降分离要比重力沉降好。2.1.1构造和原理： 图 3-6所示 ,主体的上部为圆筒形 ,下部为圆锥形，中央有一升气管。含尘气体从侧面的进气管切向进入器内,然后在圆筒内作自上而下的圆周运动。颗粒在随气流旋转过程中被抛向器壁，沿器壁落下 ,自锥底排出。由于操作时旋风分离器底部处于密封状态 ,所以被净化的气体到达底部后折向上 ,沿中心轴旋转着从顶部的中央排气管排出。旋风分离器构造简单 ,分离效率较高，操作不受温度、压强限制。一般入口气速为 10 25ms-1 ,分离因数约为 5 2500,一般可分离气体中 5 75m 直径的粒子。图 3-6 标准型旋风分离器第二节 沉 降第二节 沉 降2.1.2旋风分离器的主要性能参数 临界粒径 (dpc):即旋风分离器能够分离出最小颗粒的直径，其计算式为 (3-12)式中： ui为含尘气体的进口气速， m/s； b为旋风分离器的进口宽度 ,m； n为气流的旋转圈数 ,对标准旋风分离器 ,可取 n=5； 为颗粒的密度，kg/m3； 为流体的黏度， Pas 。 分离效率：通常有两种表示方法，即粒级效率和总效率 （ 3-13）式中 为旋风分离器进出口气体中含尘粒径为 dp,i的颗粒的浓度， g/m3； Ci、 C0为旋风分离器进出口气体中全部颗粒的浓度 , g/m3； 为含尘气体在分离器入口处粒径为 dp,i的颗粒的质量分数。 总效率是工程计算中常用的 ,虽易测定但它却不能准确代表分离器的分离性能 ,要 真正要衡量分离性能的好坏 ,用粒级效率则比用总效率更有意义。 第二节 沉 降 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，该值的大小是决定分离过程能耗和合理选择风机的依据。其计算式如下： （ 3-13）旋风分离器压降一般在 5002000Pa之间。 ui愈小，压降愈低，虽然输送能耗降低，但分离效率也降低，从经济角度考虑可取ui=1525m/s。 不仅如此，旋风分离器的压降还与其形状有关，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；相反长细形分离器则处理量不大，但分离效率却高。旋风分离器一般可分离 5 75m 的非纤维、非粘性干燥粉尘，对 5m 以下的细微颗粒分离效率较低。旋风分离器结构简单紧凑、无运动部件，操作不受温度和压强的限制，价格低廉、性能稳定，可满足中等粉尘集捕要求，故广泛应用于多种工业部门。 第二节 沉 降2.2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 ,类似于旋风分离器构造，图 3-7所示。悬浮液由入口管切向进入 ,并向下作螺旋运动 ,固体颗粒在惯性离心力作用下 ,被甩向器壁后随旋流降至锥底。由底部排出的稠浆称为底流；清液和含有微细颗粒的液体则形成内旋流螺旋上升 ,从顶部中心管排出 ,称为溢流。内旋流中心为处于负压的气柱 ,这些气体可能是由料浆中释放出来 ,或由于溢流管口暴露于大气时将空气吸入器内的 ,但气柱有利于提高分离效果。其结构特点是 直径小而圆锥部分长 ,其进料速度约为 210m/s,可分离的粒径约为 5200 m 。若料浆中含有不同密度或不同粒度的颗粒 ,可令大直径或大密度的颗粒从底流送出 ,通过调节底流量与溢流量比例 ,控制两流股中颗粒大小的差别 ,这种操作称为分级过程。图 3-7 旋液分离器示意图 D第三节 过 滤 过滤是分离悬浮液最常用和最有效的单元操作。过滤与沉降分离相比 ,过滤操作可使悬浮液分离得更迅速、更彻底。一、过滤的基本概念1.过滤及过滤推动力 过滤就是利用重力或压差使悬浮液中的液体通过某种多孔性介质而固体颗粒被截留下来，从而实现非均相物系的固、液分离的单元操作。过滤推动力是过滤介质两侧的压力差。压力差产生的方式有滤液自身重力、离心力和外加压力 ,过滤设备中常采用后两种方式产生的压力差作为过滤操作的推动力。用沉降法（重力、离心力）处理悬浮液，往往需要较长时间，而且沉渣中液体含量较多，而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。当被处理的悬浮液含固体颗粒较少时，应先在增稠器中进行沉降，然后将沉渣送至过滤机。在某些场合过滤是沉降的后续操作。 第三节 过 滤2.过滤方式 工业上的过滤操作主要分为饼层过滤和深层过滤。2.1饼层过滤 ：又名滤饼过滤，图 3-8（ a） 所示，过滤时非均相混合物即滤浆置于过滤介质的一侧 ,固体沉积物在介质表面堆积、架桥而形成滤饼层如图 3-8（ b） 所示。滤饼层是有效过滤层 ,随着操作的进行其厚度逐渐增加。由于滤饼层截留的固体颗粒粒径小于介质孔径 ,因此饼层形成前得到的浑浊初滤液，待滤饼形成后应返回滤浆槽重新过滤 ,饼层形成后收集的滤液为符合要求的滤液。饼层过滤 适用于处理固相含量稍高（固相体积分率在1%以上）的悬浮液。 图 3-8 饼层过滤示意图 第三节 过 滤2.2深层过滤 ：图 3-9所示，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。深层过滤适用于生产量大而悬浮颗粒粒径小、固含量低或是粘软的絮状物。 适用于悬浮液中颗粒甚小且含量甚微（固相体积分率在 0.1%以下）的场合。 如自来水厂的饮水净化、合成纤维纺丝液中除去固体物质、中药生产中药液的澄清过滤等。另外膜过滤作为一种精密分离技术，近年来发展很快，已应用于许多行业。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。图 3-9 深层过滤示意图第三节 过 滤3.过滤介质 过滤过程所用的多孔性介质称为过滤介质。性能优良的过滤介质除能够达到所需分离要求外，还应具有足够的机械强度，尽可能小的流过阻力，较高的耐腐蚀性和一定的耐热性，最好表面光滑，滤饼剥离容易。 过滤介质是滤饼的支承物，应具有下列特性： a) 多孔性：即孔径适宜且液体通过的阻力小； b) 稳定性：物理化学性质稳定，耐热，耐化学腐蚀； c)机械强度：有足够的强度，耐压、使用寿命长； d) 价格便宜。工业常用过滤介质主要有织物介质、多孔性固体介质和微孔滤膜等。3.1织物介质：是由天然或合成纤维、金属丝等编织而成的筛网、滤布，适于滤饼过滤，一般可截留的粒径 5m 以上的固体微粒。3.2多孔性固体介质：是素瓷、金属或玻璃的烧结物、塑料细粉粘结而成的多孔性塑料管等 ,适用于含粘软性絮状悬浮颗粒或腐蚀性混悬液的过滤 ,一般可截留粒径 1 3m 的微细粒子。3.3粒状介质 :是由各种固体颗粒 (砂石、木炭、石棉 )或非编织纤维 (玻璃棉等 )堆积而成。适用于深层过滤，如制剂用水的预处理。3.4微孔滤膜，是由高分子材料制成的薄膜状多孔介质。适用于精滤 ,可截留粒径 0.01m 以上的微粒 ,尤其适用于滤除 0.02 10m 的混悬微粒。 第三节 过 滤4.滤饼的压缩性和助滤剂 4.1滤饼的压缩性 :若构成滤饼的颗粒是不易变形的坚硬固体颗粒,则当滤饼两侧压力差增大时 ,颗粒形状和颗粒间空隙不发生明显变化,这类滤饼称为 不可压缩滤饼 ；有的悬浮颗粒比较软，所形成的滤饼受压容易变形 ,当滤饼两侧压力差增大时 ,颗粒的形状和颗粒间的空隙有明显改变 ,这类滤饼称为 可压缩滤饼 。滤饼的压缩性对过滤效率及滤材的可使用时间影响很大 ,是设计过滤工艺和选择过滤介质的依据。4.2助滤剂 :为了减小可压缩滤饼的过滤阻力 ,可采用助滤剂以提高滤饼的刚性和孔隙率。助滤剂是有一定刚性的粒状或纤维状固体 ,常用的有硅藻土、活性炭、珍珠岩粉等。助滤剂应具有化学稳定性 ,不与滤浆发生化学反应 ,不溶于液相 ,在过滤操作的压力差范围内具有不可压缩性。助滤剂的使用方法有 预涂法 和 掺滤法 两种。预涂是把助滤剂先行过滤 ,使其在过滤介质表面形成预涂层 ,然后再过滤滤浆。掺滤是把助滤剂按一定比例直接分散在待过滤的混悬液中一起过滤。注意当滤饼是产品时一般不使用助滤剂。第三节 过 滤5.滤饼的洗涤在滤饼的颗粒间隙中总会残留一定量的滤液。过滤终了 ,通常要用洗涤液 (一般为清水 )进行滤饼的洗涤 ,以回收滤液或得到较纯净固体颗粒。洗涤速率取决于洗涤压强差、洗涤液通过的面积及滤饼厚度。6.过滤速率及影响因素过滤速率是单位时间内得到的滤液体积 ，增大过滤面积可增大过滤速率；加压或减压均可加快过滤速率，但可压缩滤饼会使过滤速率变慢；而悬浮液的性质和操作温度对过滤速率也有影响。提高温度，可降低液体的粘度，从而提高过滤机的过滤速率。但在真空过滤时，提高温度会使真空度下降，从而降低了过滤速率。 经理论和实验的经验关联，过滤速率方程可表示如下： (参见教材 P152式 3-66)（ 3-14）第三节 过 滤二、过滤设备过滤设备称为过滤机。按操作方式可分为间歇过滤机和连续过滤机,按过滤推动力产生的方式可分为压滤机、真空过滤机和离心过滤机。1.板框压滤机 :该机是一种历史较旧 ,但仍沿用不衰的间歇式压滤机。由若干块滤板和滤框间隔排列 ,靠滤板和滤框两侧的支耳架在机架的横梁上 ,用一端的压紧装置压紧