化工原理章非均相混合物的分離演示文稿當前1頁，總共67頁。第三章非均相混合物的分離第一節(jié)概述第二節(jié)重力沉降第三節(jié)離心沉降第四節(jié)過濾當前2頁，總共67頁。自然界的混合物

化工生產中，需要將混合物加以分離的情況非常多?？辗窒到y石油蒸餾水過濾裝置當前3頁，總共67頁。第一節(jié)概述混合物均相混合物（均相物系）非均相混合物（非均相物系）物系內部各處物料性質均勻而且不存在相界面的混合物。物系內部有隔開兩相的界面存在且界面兩側的物料性質截然不同的混合物。如：石油、空氣

當前4頁，總共67頁。分散相（分散物質）→分散狀態(tài)的物質連續(xù)相（連續(xù)介質）→連續(xù)狀態(tài)存在，包圍在分散介質周圍物質。例如固體顆粒和氣體構成的含塵氣體固體顆粒和液體構成的懸浮液不互溶液體構成的乳濁液液體顆粒和氣體構成的含霧氣體非均相物系氣液(固)、液固(氣、液)態(tài)非均相物系當前5頁，總共67頁。一、非均相物系的分離在工業(yè)生產中的應用

1、回收有用的分散相2、凈化連續(xù)相3、環(huán)境保護和安全生產回收有用的分散相當前6頁，總共67頁。凈化連續(xù)相中藥液的澄清過濾過濾空氣結晶產品與母液的分離當前7頁，總共67頁。環(huán)境保護和安全生產當前8頁，總共67頁。二、非均相物系的分離方法→機械分離

操作方式：過濾和沉降利用非均相混合物中分散相和連續(xù)相的物理性質(如密度、顆粒形狀、尺寸等)的差異，使兩相之間發(fā)生相對運動而使其分離。除去粗食鹽中少量的泥沙

1.過濾是流體相對于固體顆粒床層運動而實現固液分離的過程。分類：重力過濾、加壓過濾、真空過濾和離心過濾板框壓濾機真空過濾機離心過濾抽濾當前9頁，總共67頁。2.沉降是在外力作用下使顆粒相對于流體(靜止或運動)運動而實現分離的過程。（利用分散相和連續(xù)相的密度不同）重力沉降離心沉降當前10頁，總共67頁。沉降：在外力作用下使顆粒相對于流體運動而實現分離的過程。重力沉降：沉降操作的外力是重力。適用于分離較大的固體顆粒。第二節(jié)重力沉降當前11頁，總共67頁。3.2.1球形顆粒的自由沉降自由沉降：顆粒不受其他顆粒的干擾及器壁的影響，在靜止的流體中的沉降過程。在自由沉降沉降過程中，顆粒受到哪些力的作用：重力Fg↓

、浮力Fb↑阻力Fd↑

設球形顆粒的直徑為,顆粒密度為,流體的密度為,實際狀況：干擾沉降當前12頁，總共67頁。重力Fg浮力Fb阻力Fd牛頓第二定律——沉降阻力系數一點兩過程:A——沉降顆粒沿沉降方向的最大投形面積當前13頁，總共67頁。此時顆粒做勻速沉降，其速度也是最大沉降速度ut

重力、浮力、阻力三者達到平衡，加速度為零代入沉降速度ut:為以顆粒形狀及尺寸為特征量的雷諾數的函數,一般由實驗測定。當前14頁，總共67頁。阻力系數與Ret關系圖當前15頁，總共67頁。阻力系數一般由實驗測定：

當前16頁，總共67頁。相應各區(qū)的顆粒沉降速度為：滯流區(qū)－稱為斯托克斯公式

過渡區(qū)－稱為艾倫公式

或湍流區(qū)-稱為牛頓公式規(guī)律：dS、密度差越大則沉降速度越大；在層流區(qū)由于流體粘性引起的表面摩擦阻力占主要地位，因此層流區(qū)的沉降速度與流體粘度μ成反比。當前17頁，總共67頁?！纠}3-1】：計算直徑為95m，密度為3000kg/m3的固體顆粒分別在20℃的空氣和水中的自由沉降速度。計算Ret，核算流型：假設正確，計算有效。解：在20℃的水中：20℃水的密度為998.2kg/m3，粘度為1.005×10-3Pas

先設為層流區(qū)。

當前18頁，總共67頁。(1)降塵室

降塵室結構：3.2.2重力沉降設備

利用重力沉降的作用從含塵氣體中除去固體顆粒的設備。見動畫當前19頁，總共67頁。顆粒沉降的同時并隨氣體運動顆粒沉降運動時間<氣體通過沉降室時間分離工作原理：矩形入口截面面積↑→u↓。當前20頁，總共67頁。降塵室的生產能力：降塵室單位時間所處理的含塵氣體的體積流量。符號：qv。顆粒在降塵室的停留時間：顆粒沉降到室底所需的時間：為了滿足除塵要求：當前21頁，總共67頁?！祲m室使顆粒沉降的條件降塵室的生產能力降塵室的生產能力只與降塵室的沉降面積BL和顆粒的沉降速度ut有關，而與降塵室的高度無關

當前22頁，總共67頁。

處理懸浮液的重力沉降設備，稱為沉降器或增濃器。沉降器可分間歇式、半連續(xù)式和連續(xù)式三種。沉降槽有澄清液體和增稠懸浮液的雙重作用功能，與降塵室類似，沉降槽的生產能力與高度無關，只與底面積及顆粒的沉降速度有關，故沉降槽一般均制造成大截面、低高度。

（2）沉降槽當前23頁，總共67頁。大的沉降槽直徑可達10～100m、深2.5～4m。它一般用于大流量、低濃度懸浮液的處理。沉降槽處理后的沉渣中還含有大約50%的液體，必要時再用過濾機等作進一步處理。當前24頁，總共67頁。對于含有顆粒直徑小于1μm的液體，一般稱為溶膠，由于顆粒直徑小較難分離。為使小顆粒增大，常加絮凝劑使小粒子變成大粒子。例如，河水凈化加明礬[KAl(SO4)2·l2H2O],使水中細小污物沉降。常用的電解質，除了明礬還有三氧化鋁、綠礬、三氯化鐵等。一般用量為40～200mg/kg。近年來，已研究出某些高分子絮凝劑。明礬綠礬三氯化鐵聚丙烯酰胺當前25頁，總共67頁。離心沉降速率

其受力為離心力Fc、向心力Fb和阻力Fd

，其值分別為：

第三節(jié)離心沉降離心沉降過程：當流體帶著顆粒旋轉時,如果顆粒的密度大于流體的密度,則慣性離心力將會使顆粒在徑向上與流體發(fā)生相對運動而飛離中心。思考：旋轉過程固體顆粒受到的作用力有哪些？當前26頁，總共67頁。ur離心力Fc阻力Fd向心力Fb顆粒在離心力場中的受力分析當前27頁，總共67頁。當三個力達到平衡時：Fc-

Fb-

Fd=0

顆粒在徑向上相對于流體的運動速度ur便是此位置上的離心沉降速度。若顆粒處于層流區(qū)，則阻力系數——含塵氣體的進口氣速，m/s——顆粒的旋轉半徑，m。

當前28頁，總共67頁。旋風分離器的構造和操作原理3.3.2旋風分離器旋風分離器的操作原理旋風分離器是工業(yè)上應用比較廣泛的氣固離心分離設備之一。標準型的旋風分離器結構形式如圖所示。主體的上部為圓筒形，下部為圓錐形，各部件的尺寸均圓筒直徑成比例。含塵氣體由圓筒上部進氣管切向進入，受器壁的約束而向下作旋轉運動，在慣性離心力作用下顆粒被拋向器壁，與氣流分離，再沿壁而落錐底的排灰口。凈化后的氣體在中心軸附近作由下而上的螺旋運動，最后由頂部排氣管排出。當前29頁，總共67頁。特點：旋風分離器構造簡單，分離效率較高，操作不受溫度、壓強的限制，分離因數約為5～2500，一般可分離氣體中5～75μm直徑的粒子。

(2)旋風分離器的主要性能參數臨界直徑、分離效率、壓力降和氣體處理量是旋風分離器的主要性能參數，是選型和操作控制的依據，也是評價旋風分離器性能好壞的主要指標。①臨界粒徑即旋風分離器能夠分離出最小顆粒的直徑。臨界粒徑的大小是判斷旋風分離器分離效率高低的重要依據。臨界粒徑的計算式為

ui——含塵氣體的進口氣速，m/s;B——旋風分離器的進口寬度，m;N——氣流的旋轉圈數，對標準旋風分離器，可取N=5；

——顆粒的密度，kg/m3;μ——流體的黏度，Pa·s。當前30頁，總共67頁。②分離效率旋風分離器的分離效率通常有兩種表示方法，即總效率粒級效率

C1、C2—旋風分離器進出口氣體含塵的濃度，g/m3；

C1i、C2i—進出口氣體含塵的粒徑在段范圍內顆粒的濃度，g/m3；xi——第i段粒徑范圍內顆粒占全部顆粒的質量分數。當前31頁，總共67頁。③壓力降旋風分離器的壓力降是評價其性能的重要指標。壓力降產生的主要原因，是由于氣體經過器內時的膨脹、壓縮、旋轉、轉向及對器壁的摩擦而消耗大量的能量。氣體通過旋風分離器的壓力降應盡可能小，分離設備壓力降的大小是決定分離過程能耗和合理選擇風機的依據。一般來說，短粗形的旋風分離器壓降較小，處理量大，但分離效率低；細長形的則壓降較大，處理量不大，分離效率高。ζ——阻力系數，對標準旋風分離器,ξ=8.0當前32頁，總共67頁。旋風分離器構造簡單緊湊、無運動件，操作不受溫度、壓強的限制，價格低廉、性能穩(wěn)定，分離因數約為5～2500，分離效率較高，一般可分離氣體中5～75μm直徑的粒子。故廣泛應用于多種工業(yè)部門。當前33頁，總共67頁。3.3.3旋液分離器

又稱水力旋流器

是利用離心沉降原理分離液固混合物的設備，其結構和操作原理與旋風分離器類似。當前34頁，總共67頁。3.3.4離心沉降機

轉鼓上無孔，混懸液或乳濁液被轉鼓帶動高速旋轉時,密度較大的物相向轉鼓內壁沉降,密度較小的物相趨向旋轉中心而使兩相分離。離心機：用于離心分離的設備。適于離心分離的液態(tài)非均相物系包括液-固混合物系(混懸液)和液-液混合物系(乳濁液)。油脂離心機實驗用離心機轉鼓當前35頁，總共67頁。第四節(jié)過濾3.4.1過濾的基本概念一、過濾及過濾推動力過濾：利用能讓液體通過而截留固體顆粒的多孔介質（過濾介質），使懸浮液中固液得到分離的單元操作。名詞：過濾介質；混懸液（濾漿）；濾渣(餅)；濾液懸浮液沉降法過濾操作哪種處理方法好？：需要較長時間，而且沉渣中液體含量較多沉降法可使懸浮液得到迅速的分離，濾渣中的液體含量也較低過濾操作：絮凝劑在某些場合過濾是沉降的后續(xù)操作當前36頁，總共67頁。真空過濾機水環(huán)真空泵當前37頁，總共67頁。思考：過濾推動力：適用于：處理固體含量較高的混懸液。

作用原理：過濾過程變化：初期中期末期思考：如何保持過濾速度？方法：a.不斷的將濾餅移出過濾介質兩側的壓力差。篩子二、過濾方式（1）餅層過濾：過濾過程中在過濾介質表面會形成固體顆粒的濾餅層（固體沉積物堆積、架橋）。方法：b.增加推動力當前38頁，總共67頁。適用于：生產量大而懸浮顆粒粒徑小或是粘軟的絮狀物。（2）深層過濾：過濾介質是較厚的粒狀介質的床層,過濾時懸浮液中的顆粒沉積在床層內部的孔道壁面上,而不形成濾餅。中藥液的澄清過濾合成纖維飲水過濾紡絲液的處理設備當前39頁，總共67頁。

Kitagawa.S.J.Am.Chem.Soc,2007,129,2607.

膜過濾宏觀微觀調控工業(yè)生產中懸浮液固相含量一般較高(體積分數大于1%),因此本節(jié)重點討論濾餅過濾。

膜過濾是利用膜孔隙的選擇透過性進行兩相分離的技術。以膜兩側的流體壓差為推動力，使溶劑、無機離子、小分子等透過膜，而截留微粒及大分子。當前40頁，總共67頁。

過濾介質：多孔性介質其作用：a.截留顆粒，使濾液通過

b.支撐濾餅三、過濾介質過濾介質應具有下列條件：

a）多孔性，孔道適當的小，并減少流體的阻力，又能截住要分離的顆粒。

b)物理化學性質穩(wěn)定，耐熱，耐化學腐蝕。

c)足夠的機械強度，使用壽命長。

d)價格便宜。當前41頁，總共67頁。工業(yè)常用過濾介質種類：織物介質、多孔性固體介質、顆粒狀介質和微孔濾膜等。①織物介質—濾布、篩網，截留的粒徑5μm以上，工業(yè)應用廣泛濾布篩網過濾機當前42頁，總共67頁。②多孔固體介質—具有微細孔道的固體，截留粒徑1～3μm的微細粒子素瓷多孔燒結玻璃③顆粒狀介質—固體顆粒（砂石、木炭、石棉）或纖維（玻璃棉）等堆積，適用于深層過濾。砂石木炭石棉鵝卵石玻璃棉當前43頁，總共67頁。④微孔濾膜：由高分子材料制成的薄膜狀多孔介質。適用于濾除0.02～10μm的混懸微粒。精濾當前44頁，總共67頁。（1）濾餅的壓縮性濾餅不可壓縮濾餅:

可壓縮濾餅:顆粒有一定的剛性，所形成的濾餅并不因所受的壓力差而變形。顆粒比較軟，所形成的濾餅在壓差的作用下變形，使濾餅中的流動通道變小，阻力增大。四、濾餅的壓縮性和助濾劑濾餅的壓縮性對過濾效率及濾材的可使用時間影響很大,是設計過濾工藝和選擇過濾介質的依據。當前45頁，總共67頁。（2）助濾劑助濾劑—具有一定剛性的顆粒或纖維狀的固體。加入助濾劑可減少可壓縮濾餅的流動阻力，提高濾餅的剛性和孔隙率硅藻土活性炭纖維粉珍珠巖粉助濾劑的要求：a.應具有化學穩(wěn)定性;b.不溶于液相中;c.在過濾操作的壓力差范圍內具有不可壓縮性當前46頁，總共67頁。加入方法預涂：用助濾劑配成懸浮液，在正式過濾前用它進行過濾，在過濾介質上形成一層由助濾劑組成的濾餅。

摻濾：將助濾劑混在濾漿中一起過濾助濾劑的使用方法：懸浮液+當前47頁，總共67頁。用洗滌液（通常為清水）進行濾餅洗滌，以回收濾餅中殘存的濾液或除去其雜質。6、過濾速率及影響因素過濾速率—單位時間內得到的濾液體積。主要影響因素：過濾面積、懸浮液的性質、操作壓力。5、濾餅的洗滌當前48頁，總共67頁。實際流速u∝過濾速度dV/(A·dτ)，流道長l∝濾餅厚度L，孔道的平均直徑d難以測量，故引入比例系數r，將這些因素統統并入比例系數r內，則：層流流動：Hagon-Poiseuille3.4.2過濾基本方程式一、濾液通過濾餅的流動當前49頁，總共67頁。說明：濾液性質：μ過濾面積：A濾餅性質：L、r當前50頁，總共67頁。二、濾餅的比阻r：單位：物義：說明：當粘度為1Pa·s的濾液以1m3/(m2·s)的過濾速度通過厚度為1m的濾餅層的壓力損失。濾餅不可壓縮：r’－單位壓力差下的濾餅比阻，1/m2；s－濾餅的壓縮性指數，s≤1。r=f（濾餅結構特性）；濾餅可壓縮：當前51頁，總共67頁。過濾介質層：認為介質產生的阻力與厚度為Le的濾餅層產生的阻力相等，引入過濾介質的當量濾餅厚度Le，則過濾介質的阻力=rμLe/A濾餅可壓縮：當前52頁，總共67頁。定義餅液比：則：C＝濾餅體積/濾液體積V，m3餅/m3液過濾基本方程式當前53頁，總共67頁。恒壓過濾：一般由保持恒壓的壓縮氣體提供推動力恒速過濾：一般由容積式泵提供推動力變壓變速過濾：一般由離心泵提供推動力，隨過濾阻力增加流量下降。過濾的操作類型：當前54頁，總共67頁。懸浮液一定，μ、r’、C可視為常數令：表示懸浮液物性的常數k----濾餅常數3.4.3恒壓過濾

當前55頁，總共67頁。恒壓過濾，Δp1-s為常數

當前56頁，總共67頁。令q=V/A，qe=Ve/A，令─恒壓過濾方程式過濾常數

當前57頁，總共67頁。─恒壓過濾方程式令當