化工原理 第三章 非均相物系的分离

第三章非均相物系的分离第一节概述※非均相物系：物系内部存在相界面，且界面两侧的物理性质完全不同，如：气态非均相物系：含尘气体，含雾气体。

液态非均相物系：悬浮汽、乳浊汽、泡沫汽。

※分散质（分散相）：非均相物系中，处于分散状态的物质，如悬浮汽中的固体颗粒。

※分散介质（连续相）：包围分散质的处于连续状态的流体，如悬浮汽中的液体。

※非均相物系的分离依据：分散质与分散介质之间物性的差异，如密度，颗粒粒径等。

※分离方法——机械法，使分散质与分散介质之间发生相对运动实现分离。

本章讨论通过机械方法分离非均相物系的单元操作。

※非均相物系分离的目的1．收取分散质：如从气固催化反应器的空气中收集催化剂颗粒。

2．净化分散介质：如原料气中颗粒杂质的去除以净化反应原料气。

环保方面，烟道气中煤灰粉粒的去除。

另外，非均相物系的分离在环境保护方面也具有重要的作用。

下面介绍沉降和过滤操作。

第二节重力沉降沉降操作是借助某种力的作用，利用分散物质与分散介质的密度差异使之发生相对运动而分离的过程。

§3 .2.1 沉降速度一、球形颗粒的自由沉降自由沉降：任一颗粒的沉降不因流体中存在其它颗粒而受干扰。

即颗粒彼此间相互独立，互不影响。

它发生在流体中颗粒稀疏的情况中。

1. 颗粒的受力分析光滑球粒直径，密度流体密度为颗粒作下沉运动时，受力为①重力↓②浮力↑③曳力流体对颗粒下沉的阻力（拖曳力）↑对光滑圆球因次分析令，则，∴∴由则下沉加速段：下沉开始瞬间，之后，分速阶段：当此时颗粒相对于流体的运动速度叫做沉降速度。

也是加速阶段终了时颗粒相对于流体的速度，亦称“终端速度”。

由于∴2．曳力系数，由实验测定，标绘于坐标中（双对数）对于球形颗粒，分为三个区stocks区，，直线AB段Allen区，，直线BC段Newton区，CD段3．沉降速度由于存在上述关系，所以为stocks公式Allen公式Newton公式由计算式可知，对于确定的流体——颗粒系统，都为定值，只与有关，一一对应。

的计算式适用于计算多种情况下颗粒与流体在重力方向上的相对运动速度，不仅适用静止流体中的运动颗粒，而且适用于运动流体中的静止颗粒，或者逆向，或者是同向运动着的流体与颗粒。

二、非球形颗粒的自由沉降1．球形度球形颗粒的特征用直径就可以表达了，而非球颗粒的特征需用二个参数来表征。

其一是球形度，另一是体积当量直径（或其它当量直径）定义：球形愈小，则颗粒形状与球差异愈大。

2．颗粒的体积当量直径定义：对于非球形颗粒，有关。

其中三、沉降速度的计算欲求，所以要试差求得对于小颗粒，假设第三节离心沉降离心沉降——依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程叫离心沉降。

惯性离心力：任何质量为m的物体在与转轴的距离为R，切向速度为的位置上的为：方向沿旋转半径从中心指向外周，从而能更快更好地将分散质与分散介质分离出来。

若§3.3.1 惯性离心力作用下的沉降速度当流体带着颗粒旋转时，如果颗粒的密度大于流体的，则颗粒在惯性离心力作用下在径向与流体发生相对运动向飞离中心。

一、离心力场中颗粒在径向的受力情况：1．惯性离心力方向如图示2．向心力（颗粒周围的流体对颗粒的作用力），方向如图示与重力场中的浮力相当相对径向运动速度，方向如图示类似于重力沉降，即二、离心沉降速度与比较，式中的g改用方向向下，是恒值，而方向沿径向由中心指向外，并随R的不同而不同，值是变化的。

三、分离因数若将离心沉降速度计算式与重力沉降速度相除则可得分离因数值大小是反映离心分离设备性对于一定的悬浮系，当采用离心沉降时，可加快沉降过程。

能的重要指标。

高速离心机的值可达1万以上。

§3.3.2 旋风分离器一、旋风分离器的结构及工作原理旋风分离器是常用的气固系离心分离设备。

标准型旋风分离器的结构为：工作原理：含尘气体自进风口切向引入，在分离器内作以上向下，再由下向上的螺旋运动，然后从中心管引出。

在上、下螺旋运动过程中，尘粒与气体发生相对运动被甩向器壁后顺壁石掉落至灰斗，这样尘粒得以与气体分离。

二、旋风分离器的临界粒径旋风分离器的临界粒径是指能被旋风分离器完全去除的最小颗粒的粒径。

旋风分离器的临界粒径是判断分离效率高低的重要依据。

计算临界粒径的简化条件1）进入旋风分离器的气流严格按螺旋形路线作等带运动，其切向速度等于进口气速；2）颗粒向器壁沉降时，必须穿过厚度等于整个进气口宽度B的气温层，方能达到气壁面被分离。

3）颗粒在stocks区，作自由沉降，其径向沉降速度可用计算，式中∵，∴，R取平均值，则颗粒到达器壁所需的沉降时间为含气流的有效旋转圈数为，即内外旋转的旋转围数等效值，所以气流在器内的所需时间为当且仅当时，该颗粒就是理论上能被空气分离下来的最小颗粒，其直径为临界粒径，以表示，即标准型一般～3.0可见，随B，分离效率随分离器尺寸，所以当气体处理量大时，常将若干个小型的旋风筒并联使用，以维持较高的除尘效率。

，细长形有利；;三、分离效率总分离效率——进口气体含尘浓度，——出口气体含尘浓度，的大小是旋风分离器数分离性能的另一指标。

缺点是不能反映旋风筒对各尺寸粒子的不同分离效果。

粒级效率～的关系曲线（粒级效率曲线）一般由实验测定。

一般如下图：由实测粒级效率曲线可知，对于直径小于的颗粒，其不为零，有较可观的分离效果；而直径大于的颗粒，还有部分末被分离下来。

这主要是因为直径小于的颗粒中，有些在旋风分离器进口处已很靠近壁石，因而只需较小的沉降时间，有些小颗粒在器内聚结成为大颗粒，因而肯有较大的沉降速度；直径大于的颗粒中，有些受气体涡流的影响未能到达壁石，或者沉降后又被气流重新卷起而带走。

有时也把标绘成的函数曲线，其中是粒级效率为50%的颗粒直径，称之为分割粒径。

对于标准型旋风分离器：D——筒径，m标准型旋风分离器的——曲线如下图所示：与的关系：四、压强降气体流经旋风分离器时，由于进气管，排气管及主体器壁所引起的摩擦阻力，气体流动时的局部阻力及气体旋转运动时所产生的动能损失等等，造成了气体的压强降，一般表示为与进口气体动能成正比。

ξ——阻力系数，标准型一般介于500~2000Pa。

是表征旋风分离器性能的另一项指标。

对于同一结构型式及尺寸比例的旋风分离器为常数，不因尺寸大小而变。

综上所述，影响旋风分离器性能（分离性能及压降）的重要因素为物系性质及操作条件。

一般地，大，大，高及粉尘浓度高等有利于分离，但过高的进口气体会加刷气体涡流，不利于分离且增大压强降。

（两项指标是互为矛盾的），为此，对于旋风分离的进口气速宜为10～25m/s。

§3.3.3 旋风分离器的类型与选用一、旋风分离的类型CLT型（标准型）CLT/A型（切向进口改为倾斜螺旋面进口）CLP型（）CLK型（扩散型）二、旋风分离器的选用选用的依据：处理气量（体积流量）要求达到的分离效率（往往规定某值某值）容许的压强降选用步骤为：1．据处理量及容许压强降，要求的分离效率确定类型。

2．类型确定后，查阅其性能表，确定型号。

（性能表中有不同尺寸的该型旋风分离器在若干个压降下的处理气量，依性能型号，表中所列的为下的数值，当不同需校正）。

3．按照规定的压强降和分离效率确定旋风分离器并串联的台数。

在旋风分离器的实际操作中，还需特别注意防止“窜漏”。

若排灰口密封不好而发生漏气，即外面空气窜入旋风分离器内，则上升气流会将已沉降下来的尘粒重新扬起，大大降低收尘效果。

第四节过滤§3.4.1 概述过滤是指以某种多孔物质作为介质，在外力的作用下，使流体通过介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固体颗粒与流体分离目的的操作，过滤可去除气固系中的颗粒，也可去除液固系中的固体颗粒，化工生产中过滤大多用于悬浮液中固液分离，本节只介绍悬浮液的过滤操作。

实现过滤操作的外力可以是重力，压强差或惯性离心力，但在化工中应用最多的是以压强差为推动力的过滤操作。

※名词滤浆（料浆）——是指被处理的悬浮液；过滤介质——过滤操作中采用的多孔物质；滤液——是指通过介质孔道的液体；滤饼——是指被截留的固体颗粒。

※目的获得洁净的液体或获得作为产品的固体颗粒。

※过滤操作的分类1、饼层过滤（滤饼过滤）若悬浮液中固体颗粒的体积百分数大于1%，则过滤过程中在过滤介质表面会形成固体颗粒的滤饼层，这种过滤操作称为饼层过滤。

在饼层过滤中，由于悬浮液中的部分固体颗粒的粒径可能会小于介质孔道的孔径，因而过滤之初会有一些细小颗粒穿过介质而使液体浑浊，但颗粒会在孔道内很快发生“架桥”现象，并开始形成滤饼层，滤液由浑浊变为清澈。

此后过滤就能有效进行了。

由此可见，在饼层过滤中，真正起截留颗粒作用的是滤饼层而不是过滤介质，在饼层过滤过程中，滤饼会不断增厚。

过滤的阻力随之增加，在推动力不变的情况下，过滤速度会愈来愈慢。

2、深层过滤（深床过滤）若以细小坚硬的固体颗粒堆积生成的固定床作为过滤介质，将悬浮于液体中的固体颗粒截留在床层内部且过滤介质表面不生成滤饼的过滤称为深层过滤。

深层过滤适用于悬浮液中固体颗粒的体积百分数小于0.1%且固体颗粒粒径较小的场合。

深层过滤中，由于悬浮液的粒子直径小于床层孔道直径，所以粒子随着液体一起流入床层内的曲折通道，在穿过此曲折通道时，因分子间力和静电作用力的作用，使悬浮粒子粘附在孔道壁面上而被截留。

3、动态过滤前已述及，饼层过滤中，饼层不断增厚，阻力亦不断增加，在推动力（如压强差）保持不变时则过滤速率会不断变小。

为了在过滤过程中限制滤饼的增厚，Tiller于1977年提出了被称为动态过滤的新过滤方式。

动态过滤可描述为料浆沿过滤介质表面作高速流动，使得滤饼在剪切力的作用下不会增厚，这样就可维持较高的过滤能力。

如图所示：动态过滤中，滤液与料浆呈错流（交错流动）。

动态过滤需多耗机械能，且不能得到含固量高的滤饼，操作中因料浆粘度不断增加，过大的阻力可能使电机过载，因此使用动态过滤需十分谨慎。

化工生产中使用最多的是饼层过滤，故以后只介绍饼层过滤的基本原理及计算。

一、过滤介质过滤介质是一种多孔物质，它是滤饼的支承物，它应具有足够的机械强度和尽可能小的流动阻力，过滤介质的孔道直径往往会稍大于悬浮液中一部分颗粒的直径。

工业上常用的过滤介质主要有以下几类：1、织物介质，又称滤布，它由棉、毛、丝、麻等天然纤维及由各种合成纤维制成的织物，以及由玻璃丝、金属丝等织成的网。

2、粒状介质：包括细纱、木炭、石棉、硅藻土等细小坚硬的颗粒状物质，多用于深床过滤。

3、多孔道固体介质：它是具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶瓷，多孔塑料及多孔金属制成的板式管。

二、滤饼滤饼是由被截留下来的颗粒垒积而成的固定床层，随着过滤操作的进行，滤饼的厚度与流动阻力都逐渐增加。

三、助滤剂对于可压缩性滤饼，时，饼层颗粒间的孔道会变窄，有时会因颗粒过于细密而将通道堵塞，为了避免此种情况，可将某种质地坚硬且能形成疏松床层的另一种固体颗粒预先涂于过滤介质上，或者混入悬浮液中，以形成较为疏松的滤饼，使滤液得以畅流，这种物质称为助滤剂，如硅藻土等。