1、 非均相物系的分離第一節(jié) 概述非均相物系包括氣固系統(tǒng)(空氣中的塵埃)、液固系統(tǒng)(液體中的固體顆粒)、氣液系統(tǒng)(氣體中的液滴)、液液系統(tǒng)(乳濁液中的微滴)等。其中塵埃、固體顆粒、氣泡和微滴等統(tǒng)稱為分散物質(zhì)(或稱分散相)，而非均相物系中的氣體、液體稱為分散介質(zhì)(或稱連續(xù)相)。非均相物系分離的依據(jù)是連續(xù)相與分散相具有不同的物理性質(zhì)(兩相的密度不同)，故可用機(jī)械方法將兩相分離。利用兩相密度差進(jìn)行分離時(shí)，必須使分散相與連續(xù)相間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故分離非均相物系的單元操作遵循流體流動(dòng)的基本規(guī)律。非均相物系的分離主要用于：1 回收有用物質(zhì)；2 凈化分散介質(zhì)；3 除去廢液、廢氣中的有害物質(zhì)，滿足環(huán)境保護(hù)的要求。第

2、二節(jié) 重力沉降一、沉降速度在重力場(chǎng)中，借連續(xù)相與分散相的密度差異使兩相分離的過(guò)程，稱為重力沉降。1、球形顆粒的自由沉降若固體顆粒在沉降過(guò)程中，不因流體中其它顆粒的存在而受到干擾的沉降過(guò)程，稱為自由沉降。表面光滑的球形顆粒在靜止流體中沉降時(shí)，由于顆粒的密度s大于流體的密度，所以顆粒受重力作用向下沉降，即與顆粒與流體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在沉降中，顆粒所受到的作用力有重力、浮力和阻力。開(kāi)始時(shí)，顆粒為加速運(yùn)動(dòng)，隨著顆粒沉降速度的增大，阻力亦增大，當(dāng)顆粒受力達(dá)平衡時(shí)，顆粒即開(kāi)始作勻速沉降，對(duì)應(yīng)的沉降速度為一定值，稱該速度為沉降速度或終端速度，以u(píng)t表示，其計(jì)算式為2、阻力系數(shù)阻力系數(shù)是流體與顆粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的雷

3、諾數(shù)準(zhǔn)Ret的函數(shù)，即=f(Re)阻力系數(shù)與Ret的關(guān)系由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，結(jié)果如圖3-2所示。圖中曲線按Ret值可分成四個(gè)區(qū)，即(1) 層流區(qū)，Ret2(又稱斯托克斯區(qū)) (2) 過(guò)渡區(qū)，2 Ret 103 (3) 湍流區(qū)，103 Ret 2105 =0.44對(duì)應(yīng)各區(qū)沉降速度ui的計(jì)算公式如下：(1) 層流區(qū)(2) 過(guò)渡區(qū)(3) 湍流區(qū)3、沉降速度的計(jì)算計(jì)算沉降速度ui時(shí)，為選用計(jì)算公式，應(yīng)先判斷流動(dòng)類型，即先算出Ret值，計(jì)算Ret時(shí)需已知ui，而ui是待求量，故需用試差法求解。試差過(guò)程為：先假設(shè)流動(dòng)類型(層流、過(guò)渡流或湍流)，選用相應(yīng)的ui計(jì)算式計(jì)算出ui，用此ui計(jì)算Ret，再檢驗(yàn)假設(shè)的流型是

4、否正確，如果計(jì)算結(jié)果與假設(shè)不符，則應(yīng)重新假設(shè)、計(jì)算，直至計(jì)算結(jié)果與假設(shè)一致為止。二、影響沉降速度的其它因素1.顆粒形狀顆粒形狀與流動(dòng)阻力密切相關(guān)。由于生產(chǎn)中所遇到的顆粒形狀各異，至目前為止尚沒(méi)有可用于計(jì)算各種形狀顆粒的沉降速度計(jì)算式，故仍采用球形顆粒的沉降速度計(jì)算式，但應(yīng)將式中及Ret中的顆粒d直徑用當(dāng)量直徑de代替，2.壁面效應(yīng) 是指容器的壁對(duì)顆粒沉降的阻滯作用，使顆粒沉降速度小于自由沉降時(shí)的沉降速度。3.干擾沉降是指由于沉降系統(tǒng)中的顆粒數(shù)量較多，在沉降過(guò)程中顆粒之間相互影響，而使顆粒不能正常沉降，稱為干擾沉降。三、重力沉降設(shè)備（一）降塵室借重力沉降的設(shè)備稱為降塵室。降塵室的長(zhǎng)、高、寬分別為

5、L、H、b，氣體的速度為u，顆粒的沉降速度為ut。氣體在降塵室內(nèi)的停留時(shí)間為顆粒沉降所需時(shí)間為保證顆粒能被沉降下來(lái)，需則降塵室的生產(chǎn)能力為Vs =uHbutLb含塵氣體中的固體顆粒，凡是能滿足ut=Hu/L式的條件可被100%除去。用上式計(jì)算出的顆粒直徑稱為臨界直徑，以dpc表示。與臨界直徑dpc相對(duì)應(yīng)的沉降速度稱為臨界沉降速度，或當(dāng)upc和dpc一定時(shí)，降塵室的生產(chǎn)能力Vs與降塵室的底面積A成正比，與高度H無(wú)關(guān)，故降塵室多制成扁平形。為提高其生產(chǎn)能力，可制成多層降塵室。降塵室適于分離粒徑大于75m的塵粒，亦可作為預(yù)分離設(shè)備。（二）沉降槽借重力沉降分離懸浮液的設(shè)備稱為沉降槽或增稠器。懸浮液通過(guò)

6、沉降槽后可分離成清液和沉渣。沉降槽適于處理顆粒不太小、濃度不高，但處理量較大的懸浮液的分離。這種設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可連續(xù)操作且增稠物濃度較均勻等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是設(shè)備龐大、占地面積大、分離效率較低等。學(xué)習(xí)重力沉降時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：(1) 沉降速度是當(dāng)顆粒在流體中沉降時(shí)所受到的重力與浮力和阻力之和為零時(shí)，顆粒作勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度，其值與流體、顆粒的密度、顆粒直徑及流體流動(dòng)型態(tài)等因素有關(guān)，可見(jiàn)，沉降速度不是操作特性，而是一綜合特性。(2) 流體的流速u與顆粒沉降速度ut不同：當(dāng)uut時(shí)，顆粒向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)顆粒被流體帶出；當(dāng)uut時(shí)，顆粒靜止懸浮于流體中(如轉(zhuǎn)子流量計(jì)在操作時(shí)，轉(zhuǎn)子懸浮在某一位置)；當(dāng)

7、uut時(shí)，顆粒向下運(yùn)動(dòng)?？梢?jiàn)，沉降過(guò)程是在uut的條件下進(jìn)行。(3) 溫度對(duì)沉降速度ut的影響，由式(3-8)可見(jiàn)，粘度增大，沉降速度ut減小，否則反之。氣體的粘度隨著溫度升高而增大，故溫度高的氣體除塵較溫度低的氣體除塵困難。第三節(jié) 離心沉降一、概述顆粒受到離心力的作用而沉降的過(guò)程稱為離心沉降。顆粒在離心力場(chǎng)中所受到的離心力大小為對(duì)一定質(zhì)量的物體，F(xiàn)c隨所在位置及轉(zhuǎn)速而改變。減小r或提高轉(zhuǎn)速()均可使離心力增大。離心力的方向是沿回轉(zhuǎn)半徑指向外周。離心分離因數(shù)Kc表示離心力與重力的比值，即。二、離心沉降速度離心力場(chǎng)中的顆粒在徑向與流體間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，同樣受到三個(gè)作用力，即離心力、向心力和阻力。

8、當(dāng)三力平衡時(shí)，顆粒在徑向上相對(duì)于流體的速度即為顆粒在此位置上的離心沉降速度，以u(píng)r表示，其計(jì)算式為若顆粒沉降過(guò)程屬于層流，沉降速度為應(yīng)注意的是離心沉降速度ur隨回轉(zhuǎn)半徑r的變化而變化。三、 離心沉降設(shè)備（一）旋風(fēng)分離器1 旋風(fēng)分離器的構(gòu)造和操作原理旋風(fēng)分離器的構(gòu)造見(jiàn)圖3-7。氣體進(jìn)入后形成一個(gè)向下作螺旋運(yùn)動(dòng)的外旋流，其中固體顆粒密度較大，所受離心力也大，被甩向外圍且與器壁碰撞后失去動(dòng)能滑落至錐底，由排灰口排出；外旋流到達(dá)器底后在與旋渦中心的壓力差作用下沿中心折回，并形成自下而上的內(nèi)旋流，凈化后的氣體由中央排氣管排出。2 旋風(fēng)分離器分離性能(1) 臨界直徑臨界直徑是旋風(fēng)分離器能100%除去的最小

9、粒徑，以表示，用下式計(jì)算對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)分離器，取N=5。(2) 分離效率 總效率 粒級(jí)效率 (3) 旋風(fēng)分離器的壓力損失氣體流經(jīng)旋風(fēng)分離器的壓力損失是由氣體流經(jīng)進(jìn)氣管、排氣管和器壁的摩擦阻力、局部阻力及氣流的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而引起的參量損失等，可用下式計(jì)算，即阻力系數(shù)依設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式、各部分尺寸不同而異。對(duì)同一結(jié)構(gòu)及比例尺寸的旋風(fēng)分離器，為常數(shù)。值由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)分離器3 旋風(fēng)分離器的選用選定旋風(fēng)分離器的型式及主要尺寸的依據(jù)是：含塵氣體的性質(zhì)及處理量(體積流量)、要求的分離效率及其允許壓力損失等。旋風(fēng)分離器我國(guó)已有定型產(chǎn)品，型號(hào)有CLT、CLT/A、CLP/A、CLP/B等。其詳細(xì)尺寸及主要性能

10、可查閱有關(guān)資料及手冊(cè)。通常選用旋風(fēng)分離器時(shí)應(yīng)在高效率與低阻力之間進(jìn)行權(quán)衡。一般氣體進(jìn)、出口截面積小、長(zhǎng)徑比大的旋風(fēng)分離器效率高，但阻力大；反之，效率低、阻力小。對(duì)有性能表的旋風(fēng)分離器，可直接根據(jù)氣體處理量選用合適的型號(hào)。旋風(fēng)分離器用于分離粒徑為5200m的塵粒較為合適。（二）旋液分離器旋液分離器是離心沉降懸浮液的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)和工作原理與旋風(fēng)分離器類似。旋液分離器可用于懸浮液的增稠、固體顆粒的分級(jí)等。由于懸浮液中液相密度大，固、液兩相的密度差比氣固間的密度差小，所以旋液分離器的直徑比旋風(fēng)分離器的直徑小，而圓錐部分長(zhǎng)，這樣的結(jié)構(gòu)既可增大離心力，又可加長(zhǎng)停留時(shí)間。由于液體進(jìn)口速度較大，故流體阻力也較

11、大，磨損也較嚴(yán)重。第四節(jié) 過(guò) 濾一、過(guò)濾的基本概念1、過(guò)濾就是在推動(dòng)力(重力或人為壓差)作用下，使懸浮液中的液體通過(guò)多孔介質(zhì)，將固體截留，從而使懸浮液得以分離的單元操作。懸浮液(濾漿)懸浮液(濾漿)濾餅過(guò)濾介質(zhì)濾液濾漿需要分離的液體非均相物系；過(guò)濾介質(zhì)在過(guò)濾操作中起隔層作用的物質(zhì)濾渣被截留在過(guò)濾介質(zhì)上的固體顆粒；濾液過(guò)濾后的液體。二、過(guò)濾操作的分類1、按過(guò)濾推動(dòng)力分重力過(guò)濾、離心力過(guò)濾、壓力差（加壓、真空）過(guò)濾2、按過(guò)濾機(jī)理分深層過(guò)濾固體顆粒不形成濾餅，而是沉積在過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)部的過(guò)濾求和稱為深層過(guò)濾。其特點(diǎn)是過(guò)濾過(guò)程中阻力不變。濾餅過(guò)濾懸浮液中的固體顆粒沉積在過(guò)濾介質(zhì)表面上形成濾餅層，渡液穿過(guò)濾

12、餅層中空隙的過(guò)濾過(guò)程稱為濾餅過(guò)濾，又稱為表面過(guò)濾。其特點(diǎn)是隨著過(guò)濾時(shí)間的增長(zhǎng)，濾餅層增厚，過(guò)濾阻力也隨之增大。過(guò)濾周期：過(guò)濾、洗滌、卸渣、復(fù)原 “架橋”現(xiàn)象：如圖，由于“架橋”現(xiàn)象的出現(xiàn)，才使過(guò)濾操作真正開(kāi)始，故實(shí)際起過(guò)濾作用的是濾渣而非過(guò)濾介質(zhì)。3、按過(guò)濾過(guò)程中阻力的變化分(1) 恒速過(guò)濾過(guò)濾過(guò)程中過(guò)濾速率恒定。深層過(guò)濾即屬過(guò)濾操作。(2) 變速過(guò)濾過(guò)濾求和中過(guò)濾速率不恒定，濾餅過(guò)濾即屬變速過(guò)濾操作。三、過(guò)濾介質(zhì)過(guò)濾介質(zhì)的作用是使濾液通過(guò)、截留固體顆粒及支承濾餅。要求過(guò)濾介質(zhì)具有多孔性、碉腐蝕性及足夠的機(jī)械強(qiáng)度等。工業(yè)上常用的過(guò)濾介質(zhì)有織物介質(zhì)、堆積的粒狀介質(zhì)及多孔性固體介質(zhì)等。 織物介質(zhì)（

13、濾布）由棉、毛、絲、麻及合成纖維制成的織物，由玻璃絲、金屬絲織成的網(wǎng) 堆積介質(zhì)細(xì)砂、無(wú)煙煤、活性炭、石棉、硅藻土等細(xì)小堅(jiān)硬的顆粒狀物質(zhì)。多孔固體介質(zhì) 具有很多微細(xì)孔道的固體材料，能耐腐蝕，適用于處理含少量細(xì)小顆粒的 懸浮液及有腐蝕性的懸浮液。四、助濾劑濾餅可分為可壓縮性濾餅（如膠體）和不可壓縮性濾餅（如硅藻土、碳酸鈣）兩種。對(duì)于不可壓縮性濾餅，為了減小過(guò)濾阻力，可加入某些助濾劑，如硅藻土、石棉、碳粉。由此它不宜用于濾餅需回收的過(guò)濾操作。助濾劑是一種堅(jiān)硬且形狀不規(guī)則的小固體顆粒，其作用是改變?yōu)V餅的結(jié)構(gòu)，使濾餅結(jié)構(gòu)松散，且具有一定的剛性，從而可避免濾布的早期堵塞和過(guò)濾阻力過(guò)大。助濾劑的使用方法視具

14、體情況而定，可直接加進(jìn)懸浮液中，亦可將助濾劑配成懸浮液先行過(guò)濾，待形成一層助濾劑濾餅層后，再進(jìn)行懸浮液的過(guò)濾。二、過(guò)濾基本方程式（一）過(guò)濾速率和過(guò)濾速度過(guò)濾速率是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的濾液體積。過(guò)濾速度是指單位時(shí)間、單位面積上通過(guò)的濾液體積。（二）過(guò)濾基本方程式過(guò)濾基本方程式表示過(guò)濾過(guò)程中某一瞬間的過(guò)濾速率與各有關(guān)因素的關(guān)系。對(duì)不可壓縮性濾餅，過(guò)濾基本方程式為或?yàn)V餅的比阻r由濾餅的特性決定，表示濾餅的結(jié)構(gòu)對(duì)過(guò)濾過(guò)程的影響，故r值的大小可反映濾液通過(guò)濾餅層的難易程度。過(guò)濾速率與過(guò)濾推動(dòng)力成正比，與過(guò)濾阻力成反比，即過(guò)濾的推動(dòng)力p為濾餅和過(guò)濾介質(zhì)兩側(cè)的壓力差。過(guò)濾操作中，可采用在一側(cè)加壓，或在另一側(cè)抽

15、真空的方法來(lái)提高p，過(guò)濾過(guò)程的阻力rc（q+qe）則與濾液量(q)及其性質(zhì)()、濾餅及過(guò)濾介質(zhì)的結(jié)構(gòu)(r、qe)等因素有關(guān)。對(duì)可壓縮性濾餅和不可壓縮性濾餅皆適用的過(guò)濾基本方程式為r=r0ps對(duì)不可壓縮性濾餅，s=0。（三）恒壓過(guò)濾恒壓過(guò)濾的特點(diǎn)是，過(guò)濾操作的總壓力恒定，隨著過(guò)濾時(shí)間的增長(zhǎng)，濾餅層厚度增大，過(guò)濾阻力增加，過(guò)濾速率降低。恒壓過(guò)濾方程式為V2+2VVe=KA2或q2+2qqe=K恒壓過(guò)濾方程式表示恒壓條件下濾液量和過(guò)濾時(shí)間的關(guān)系?？捎迷摲匠淌接?jì)算為獲得一定的濾液量V(或?yàn)V餅)所需的過(guò)濾時(shí)間。用恒壓過(guò)濾方程式計(jì)算時(shí)，過(guò)濾常數(shù)K和qe應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。（四）過(guò)濾常數(shù)的測(cè)定過(guò)濾方程式中K、q

16、e稱為過(guò)濾常數(shù)。工業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，過(guò)濾常數(shù)需由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。過(guò)濾常數(shù)一般均在恒壓條件下測(cè)定。依式 實(shí)驗(yàn)時(shí)，在已知過(guò)濾面積為A的過(guò)濾設(shè)備上，用待測(cè)懸浮液在恒壓條件下進(jìn)行。五、過(guò)濾設(shè)備（一）板框壓濾機(jī)通過(guò)直接給懸浮液加壓，迫使其穿過(guò)過(guò)濾介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)濾的目的。1.結(jié)構(gòu)由交替排列的濾板、濾框與夾于板框之間的濾布疊合組裝壓緊而成。板框數(shù)視工藝要求在機(jī)座長(zhǎng)度范圍內(nèi)可靈活調(diào)節(jié)。組裝后，在板框的四角位置形成連通的流道，由機(jī)頭上的閥門控制懸浮液、濾液及洗液的進(jìn)出。2.過(guò)濾操作過(guò)濾階段懸浮液從通道進(jìn)入濾框，濾液在壓力下穿過(guò)濾框兩邊的濾布、沿濾布與濾板凹凸表面之間形成的溝道流下，既可單獨(dú)由每塊濾板上設(shè)置的出液旋塞排出，稱為明

17、流式；也可匯總后排出，稱為暗流式。洗滌操作：洗滌液由洗滌板上的通道進(jìn)入其兩側(cè)與濾布形成的凹凸空間，穿過(guò)濾布、濾餅和濾框另一側(cè)的濾布后排出。洗滌液的行程（包括濾餅和濾布）約為過(guò)濾終了時(shí)濾液行程的2倍，而流通面積卻為其1/2，故洗滌速率約為過(guò)濾終了速率的1/4。洗滌終了，若有必要可引入壓縮空氣使濾餅脫濕后再折開(kāi)過(guò)濾機(jī)卸出濾餅，結(jié)束一次過(guò)濾操作。然后清洗、整理、重新組裝、準(zhǔn)備下一次操作。 常用規(guī)格的板框其厚度為2560mm,邊框長(zhǎng)為0.22.0m，框數(shù)由生產(chǎn)所需定，由數(shù)個(gè)至上百個(gè)不等。板框壓濾機(jī)的操作壓強(qiáng)一般在0.31.0Mpa之間。 3.優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，過(guò)濾面積大并可承受較高的壓差。缺點(diǎn)：間歇

18、式操作，所費(fèi)的裝、折、清洗時(shí)間較長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率較低。板框式壓濾機(jī)主要用于含固量較多的懸浮液過(guò)濾。 （二）轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)1.結(jié)構(gòu)與原理：轉(zhuǎn)筒的多孔表面上覆蓋濾布，內(nèi)部分隔成互不相通的若干扇形過(guò)濾室。轉(zhuǎn)動(dòng)盤與機(jī)架上的固定盤緊密貼合構(gòu)成分配頭，轉(zhuǎn)筒回轉(zhuǎn)時(shí)各過(guò)濾室通過(guò)分配頭依次與真空抽濾系統(tǒng)、洗水抽吸回收系統(tǒng)和壓縮空氣反吹系統(tǒng)相通。為了不使這些系統(tǒng)彼此串通，在固定盤上設(shè)有不與任何通道相通的非開(kāi)孔區(qū)。2.過(guò)濾操作：轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)一周，每一個(gè)扇形過(guò)濾室依次完成真空過(guò)濾、洗滌、脫水、吸干濾餅和壓縮空氣吹松、刮刀卸料、反吹清洗表面等全部操作，相應(yīng)分為過(guò)濾區(qū)、洗滌脫水區(qū)、卸料區(qū)和表面再生區(qū)等幾個(gè)不同的工作區(qū)

19、域。轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速多在0.13 r/min，浸入懸浮液中的吸濾面積約占總表面的3040%。濾餅厚度范圍大約340mm。3.優(yōu)點(diǎn)：連續(xù)進(jìn)料，操作自動(dòng)化，便于在轉(zhuǎn)鼓表面預(yù)涂助濾劑后用于黏、細(xì)物料的過(guò)濾。缺點(diǎn)：過(guò)濾推動(dòng)力有限，濾餅含液量較大，常達(dá)30%。 第五節(jié) 離心分離一、離心分離的基本概念離心分離在離心機(jī)中進(jìn)行，由于物料在離心機(jī)中受到 提高了離心力遠(yuǎn)大于在重力場(chǎng)中所受到的重力(可用離心分離因數(shù)K表示)，所以可分離用過(guò)濾或沉降方法很難分離或無(wú)法分離的懸浮液(如固體顆粒很小、液相粘度很大的懸浮液)、乳濁液等。離心分離因數(shù)K是表示離心設(shè)備分離能力的重要指標(biāo)。二、離心過(guò)濾和離心沉降了解離心過(guò)濾及使用的離心機(jī)(三足式離心機(jī)、刮刀卸料式離心機(jī))的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、操作特點(diǎn)及應(yīng)用范圍。了解離心沉降及使用的離心機(jī)(管式高速離心機(jī)、碟式離心機(jī))的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、操作特點(diǎn)及應(yīng)用范圍。第六節(jié) 氣