化工原理第三章

第三章机械分离概述一、机械分离的应用在工业生产中，有很多情况需要将混和物分离，原料需要经过提纯或净化之后才符合加工要求，产品或中间产品也需要提纯净化才能出售，废气、废液、废渣也需要提纯分离才符合排放标准。

混和物分离有均相混和物分离和非均相混和物分离。

本章介绍非均相混和物的沉降、过滤的基本单元操作。

以碳酸氢铵的生产为例，如图是它的流程示意图。

氨水与二氧化碳在碳化塔1内进行碳化反应之后，生成的是含有碳酸氢铵晶体的悬浮液，即为一种液体与固体微粒的混合物，然后通过离心机或过滤机2将固体和液体分离开。

但分离后的晶体中仍然含有少量的水分，因此，还要将分离后的晶体经气流干燥器4干燥，即使物料在热气流的带动下迅速通过气流干燥器，使晶体中所含有的水分汽化并除去。

由于这时的固体粒子分散在气相之中，又要通过旋风分离器6等装置将其与气相分离开，以得到最后的产品。

在这个过程中，包含着流体与固体粒子的分离、混合与输送等不同的操作，而这些操作中又有一个共同的特点，即流体与固体粒子之间具有相相对运动，同时还往往伴随有热量和质量的传递。

主要应用有：1）对固体粒子或流体作进一步加工；2）回收有价值的物质；3）除去对下一工序有害的物质；4）减少对环境的危害。

二、常见分离方法1）沉降分离法，利用两相密度差；2）过滤分离法，利用两个相对多孔介质穿透性的差异；3）静电分离法，利用两相带电性差异；4）湿洗分离法，气固穿过液体，固体黏附于液体而分离。

三、均相物系与非均相物系不同成分的物质以相同的相态均匀混合组成的稳定系统为均相物系，各种气体总能够均匀地混合成均一的相，如空气。

墨水、乙醇+水、汽油+柴油、盐水、糖水等等也是均相物系。

含有不同相态的物质系统组成的混和物系为非均相物系，如云雾（气相+液相）、烟尘（气相+固相）、乳浊液（两种液相）就是非均相物系。

水+苯、水+砂子，沙尘暴等都是非均相系的例子。

非均相物系是指物质系统中存在着两相或更多的相。

就含有两相的非均相物系来说，其中—相为分散物质，以微细的分散状态存在，是一个分散相，而另一相为分散介质，包围在分散物质的周围，是一个连续相。

本章只讨论固体微粒从气体和液体介质中分离出来的操作，称作沉降与过滤。

应该指出，流体与固体微粒之间的相对运动是一个异常复杂的问题。

它的复杂性并不完全在于这一过程的本身，而首先在于化工设备中复杂的几何形状、以及过程中千变万化的物性，例如固体粒子在流体的重力沉积过程，是一个固体粒子相对于流体的相对运动过程，运动本身是非常简单的，但是随着颗粒的不断沉积，流体中粒子浓度愈益增大，粒子间的相互影响也越来越大，要想对这样的流动问题作出如实的数学描述，这几乎是不可能的。

因此，在本章中，我们不准备详细地去介绍与这些操作有关的计算问题，而着重说明它们的基本概念、作用原理、以及实现这些操作所用的设备等。

第一节沉降沉降操作是使悬浮在流体中的固体微粒，在重力或离心力的作用下，沿着受力方向发生运动而沉积，从而与流体分离的过程。

利用悬浮固体微粒本身的重力完成分离的操作，称为重力沉降，利用悬浮的固体微粒的离心力作用而获得分离的操作称为离心沉降。

在化工生产过程的原料预处理中，常用沉降操作将悬浮在气体或液体中密度大、微粒粗的固体微粒除去，以达初步净制的目的。

此外，也应用于液体产物中少数固体杂质和不溶性液滴的分离等方面。

一、沉降与沉降方式将混合物置于某个力场的作用下，利用不同物质的密度差异、使之发生相对运动而分离的过程，称为沉降。

例如在如图容器内，将含有固体微粒的某种液固混合物通入，由于重力的作用，其中的固体微粒沉积在槽底，经过澄清的液体则浮在上层，两相之间有一个明显介面，从而实现了液—固混合物的分离，这就是一个简单的沉降橾作。

沉降有两种方式：一种叫作自由沉降；一种叫做干扰沉降。

所谓自由沉降，是指任一固体颗粒在沉降过程中不受到流体中其他粒子影响的操作；干扰沉降则是指一个粒子的运动要受到其它粒子影响的橾作。

实际生产中的沉降操作几乎全部是干扰沉降，不过，自由沉降是—种理想状态，一些有关的理论公式就是在这一理想状态下导出来的。

实践证明当流体中固体粒子浓度很小的情况下，可以按照自由沉降的方式来对待。

二、重力沉降1．重力沉降原理1）球形颗粒的自由沉降重力场内，当颗粒在静止的流体中自由沉降时，共受到三个力作用：重力、浮力和阻力。

重力 F g=m s g=ρs V s g=1/6πd3ρs g浮力 F b=m f g=ρV s g=1/6πd3ρg阻力 F d=1/2ζAρu20=1/2ζ1/4πd2ρu20ζ-沉降阻力系数；d-颗粒直径；V s-颗粒体积；ρs-颗粒密度；ρ-流体密度；u-颗粒速度。

刚开始时，阻力较小，颗粒作加速运动，随速度提高，阻力增大，最后达到平衡时的速度叫作沉降速度u0。

2）沉降速度F g -F b -F d =0得ρζρ−ρ=3g )(4d u s 0 式中阻力系数ζ随流态而变，ζ=f(Re 0),Re 0=du 0ρ/µ。

（1）层流区 Re 0≤2µρ−ρ=18g )(d u s 20 （2）过渡区 2<Re 0≤500ρρ−ρ=0.60s 0gRe )(d 269.0u （3）湍流区 500<Re 0≤2×105 ρρ−ρ=g )(d 74.1u s 0 2.降尘室降尘室是利用重力沉降作用以分离气体非均相物系的装置。

它的种类很多，比较常见的是如图所示的降尘气道，其外形呈扁平状，其中还装有若干块挡板，其所以采用这样的结构，是因为当颗粒的沉降速度很小时，（例如空气中的尘埃，其粒径以及粒子相对于气体的密度差都小），要使其沉降下来，设备的长度尺寸就必须很大，为了加速沉降过程，便有意识地在其间加若干块挡板，这样就迫使流体流动的路程加长，从而延长了流体通过降尘室所需要的时间，以便使尘埃从气流中分离出来。

此外，加设挡板还可以使一部分固体粒子与挡板相撞，流动速度为零，从而可以降落到器底或集尘斗内。

下图所示为多层降尘室，是根据含尘气体的处理量与沉降室的高度无关这一原理设计的。

其中以隔板把降尘空间分成若干层，每层的高度一般只有40-100mm 。

它适用于分离细小粒子的场合。

降尘室的结构比较简单，对流体的阻力比较小，但通常体积比较大，分离效率也不高，一般是作为预处理用。

1)生产能力降尘室长L ，气流横向流速为u ，则停留时间u /L t =θ降尘室高H,颗粒沉降速度u 0，颗粒降到室底的时间00u /H =θ必须θ0<θt ，才能除去颗粒。

单位时间流过降尘室的气体混和物为其生产能力。

00s Au BLu BuH V =≤=2)沉降的最小颗粒同样的降尘室，处理的气相混和物量大，则很多颗粒没有沉降就排出了，处理的量小，则混和物在降尘室停留的时间就较长，小颗粒也可沉降。

以小颗粒处于斯托克斯流态考虑，则有µρ−ρ==⇒=18g )(d BL /V u BLu V s 2min s 00s 0s s min gA )(V 18d ρ−ρµ=2．沉降槽从悬浮液中分离出清液而留下稠厚沉渣的重力沉降设备成为沉降槽。

目的是沉渣时又叫增稠器，目的是清液时又叫澄清器。

它的结构如图所示。

它通常是一个底部微带有锥形的圆槽，悬浮液连续地从上方中央的进料料口进入到液面以下0.3-1m处，然后在整个截面上散开，固体粒子逐渐向底部沉降，清液经上部的溢出口流出，呈稠浆状的浓稠沉渣由缓慢转动的齿耙带动，聚集到底部的中央，经卸出口由泵排出。

颗粒在增稠器内的沉降过程大致可以分为两个阶段：在槽的上部分，颗粒的浓度很小，可以认为是自由沉降，槽的下部随着颗粒浓度的逐渐增加，颗粒作干扰沉降，沉降速度越来越慢。

增稠器具有澄清液体和增稠悬浮液的双重功能。

为了获得澄清的液体，应当使容器内液体向上流动的速度小于颗粒的沉降速度。

由于在处理量一定的情况下，液体向上流动速度的大小与容器直径的平方成正比。

故增稠器通常都做成一个直径较大的浅槽。

增稠器的优点是结构简单，操作连续，处理量，沉淀物的浓度均匀。

缺点是设备比较庞大，占地面积大，分离效率不高等。

它一般用来分离固体粒子浓度低，而处理量大的悬浮液，当固体粒子的浓度小于1%时，可以使用该设备作预处理，使其浓度增大至50%左右，然后再送到过滤设备中作进一步的处理。

三、离心沉降1.离心沉降原理1）沉降速度颗粒受力：离心力、浮力、阻力离心力 F c=m s a=ρs V s a r=1/6πd3ρs u t2/r 浮力 F b=m f a=ρV s a r=1/6πd3ρu t2/r阻力 F d=ζA 1/2 ρu2r=ζ1/4πd21/2ρu2r B r下角标r 表示半径方向，t 表示切向方向。

在三者平衡时的速度为离心沉降速度，可得r3u )(4d u 2t s r ρζρ−ρ= 工程上为表示离心沉降与重力沉降的差别，定义离心分离因数KcKc=a r /g=u t 2/rg2）最小分离颗粒直径-临界直径最小颗粒处于层流区，因此阻力系数与重力沉降时一样。

r18u )(d 18a )(d u 2t s 2r s 2r µρ−ρ=µρ−ρ= 停留时间t t u /rN 2π=θ，沉降所需时间r 0u /B =θ，可得t s cmin Nu B 9d πρµ=3）压降2u p 2t ρζ=∆ 2.离心沉降设备1）旋风分离器旋风分离器是一种主要用来处理气体非均相系的分离设备，化工生产中应用极广，它的结构和作用原理如图所示。

其主体的上部为圆筒形，下部呈锥形，含尘气体在圆筒上侧的矩形管中，以大约20m/s 的速度沿切线方向进入，由于圆筒形器壁的作用而形成自上而下的旋转运动，气体中的尘粒由于密度比较大，所受离心力也较大，被甩向外围与器壁碰撞后失去动能而沉降下来，从器底的除尘管排出。

内层的气流则转向中心，并形成自下而上的螺旋运动，最后从顶部排出。

分离器所采用的动力可以为加压，也可以为减压。

旋风分离器的结构简单，没有运动部件，操作不受温度和压力的限制，分离效率达到70-90%，可以分离出小到5微米的粒子。

其缺点是气体在器内的流动阻力较大，引起器壁的磨损比较严重，对气体流量的变化比较敏感等。

旋风分离器的性质通常以它们所能分离的最小粒子直径表示。

但由于气体和固体粒子在旋风分离器中的运动状况极为复杂，在器内的任何一点都存在切向、径向和轴向三个方向的速度，而且随着在沉降过程中旋转半径的变化，粒子的圆周切线速度、离心加速度、以及相应的沉降速度速度都在不断变化，因此，至今也没有得出一个比较完善的计算公式。

2）旋液分离器旋液分离器是一种利利用惯性离心力的作用，分离以液体为主的悬浮液或乳浊液的设备。

它的构造和工作原理都与旋风分离器类似。