石油化工技术专业《非均相物系分离操作技术》

非均相物系别离操作技术任务一了解非均相物系别离过程知识目标：●了解非均相物系别离案例及其在化工生产工程中的应用；●掌握非均相别离方法分类能力目标：●会对非均相物系别离方法分类；●知道非均相别离操作技术应掌握知识和技能一、非均相物系别离过程案例〔一〕非均相物系别离过程在化工生产中的应用非均相物系是指存在两个〔或两个以上〕相的混合物，如雾〔气相－液相〕、烟尘〔气相－固相〕、悬浮液〔液相－固相〕、乳浊液〔两种液相〕等等。

非均相物系中，有一相处于分散状态，称为分散相，如雾中的小水滴、烟尘中的尘粒、悬浮液中的固体颗粒；另一相必然处于连续状态，称为连续相〔或分散介质〕，如雾和烟尘中的气相、悬浮液中的液相。

本章将介绍非均相物系的别离，即如何将非均相物系中的分散相和连续相别离开。

化工生产中非均相物系别离的目的：①满足对连续相或分散相进一步加工的需要。

如从悬浮液中别离出碳酸氢氨。

②回收有价值的物质。

如由旋风别离器别离出最终产品。

③除去对下一工序有害的物质。

如气体在进压缩机前，必须除去其中的液滴或固体颗粒，在离开压缩机后也要除去油沫或水沫。

④减少对环境的污染。

在化工生产中，非均相物系的别离操作常常是附属的，但却是非常重要的，有时甚至是关键的。

〔二〕非均相物系别离过程案例1、发泡剂偶氮二甲酰胺AC的生产偶氮二甲酰胺是一种有机化学发泡剂，是热敏性化合物，在CO和CO等，可作为聚氯乙烯、12021度以上会热分解放出2N、2聚乙烯、聚丙烯、橡胶的发泡剂。

其生产流程参见图。

先用尿素与次氯酸钠及氢氧化钠在100℃下反响生成水合肼；将水合肼投入缩合釜内与硫酸形成硫酸肼，再与尿素缩合，然后于氧化罐内在溴化钠存在下通入氯气氯化；再经水洗、离心别离、及旋风别离器别离即得成品。

2、接触法生产硫酸接触法生产硫酸有多种生产方法。

通常硫酸生产工艺流程以炉气净化方法来命名，有水洗、酸洗和干洗三种制酸流程。

图3-5为以硫铁矿为原料的水洗法二转二吸流程。

硫铁矿石经破碎、筛分、配料后，由加料器参加沸腾炉中，空气那么由鼓风机送入炉底。

硫铁矿石在炉内沸腾焙烧，生成的SO炉炉气及细粒矿尘从炉顶排出，粗矿渣那么从炉底渣口排出。

2气依次经过旋风别离器、文氏管洗涤器、泡沫洗涤塔、电除雾器、枯燥塔以净化炉气。

从文、泡、电水洗流程收集的污水集中到解SO吹出，送回系统中去。

解吸塔排出吸塔，利用空气把溶解的2的污水处理后循环使用。

二、非均相物系别离操作分类由于非均相物系中分散相和连续相具有不同的物理性质，故工业生产中多采用机械方法对两相进行别离。

其方法是设法造成分散相和连续相之间的相对运动，其别离规律遵循流体力学根本规律。

常见方法有如下几种，见表1-1。

表1-1 非均相物系的别离方法三、非均相物系别离操作技术应掌握的知识和能力从以上分析可以看出，要解决化工生产过程中的有关非均相物系别离问题，掌握其设备及操作技术，应该具备如下知识能力：1、常见非均相物系别离的别离方法及适用场合；2、沉降、过滤别离的过程原理与影响因素；3、典型分类设备的结构特点、操作与选用。

任务二非均相物系别离过程分析知识目标：●理解沉降及过滤的根本概念，影响沉降、过滤的主要因素，过滤机理；●理解离心沉降和重力沉降的比拟、多层降尘室的原理；●掌握重力沉降和离心沉降速度的计算；恒压过滤根本方程及计算能力目标：●能够根据生产任务合理的选择非均相物系别离的方法；●能够进行降尘室生产能力计算；●能根据生产任务正确选择旋风别离器；●能根据生产任务进行过滤时间的及生产能力的计算；●掌握板块压滤机及离心机的操作及故障处理一、重力沉降在重力作用下使流体与颗粒之间发生相对运动而得以别离的操作，称为重力沉降。

重力沉降既可别离含尘气体，也可别离悬浮液。

〔一〕重力沉降速度1、自由沉降与自由沉降速度根据颗粒在沉降过程中是否受到其它粒子、流体运动及器壁的影响，可将沉降分为自由沉降和干扰沉降。

颗粒在沉降过程中不受周围颗粒、流体及器壁影响的沉降称为自由沉降，否那么称为干扰沉降。

颗粒的沉降可分为两个阶段：加速沉降阶段和恒速沉降阶段。

对于细小颗粒，沉降的加速阶段很短，加速沉降阶段沉降的距离也很短。

因此，加速沉降阶段可以忽略，近似认为颗粒始终以ut恒速沉降，此速度称为颗粒的沉降速度，对于自由沉降，那么称为自由沉降速度。

将直径为d，密度为ρs的光滑球形颗粒置于密度为ρ的静止流体中，由于所受重力的差异，颗粒将在流体中降落。

在垂直方向上，颗粒将受到3个力的作用，即向下的重力F g，向上的浮力F b和与颗粒运动方向相反的阻力F d。

对于一定的颗粒与流体，重力、浮力恒定不变，阻力那么随颗粒的降落速度而变。

当降落速度增至某一值时，三力到达平衡，即合力为零。

此时，加速度等于零，颗粒便以恒定速度u t继续下降，那么式中u t——自由沉降速度，m/s。

在上式中，阻力系数是颗粒与流体相对运动时的雷诺数的函数，即：ζ＝fRe t。

沉降速度不仅与雷诺数有关，还与颗粒的球形度有关。

人们通过大量的实验找到了各种情况时ζ与Re t的经验公式，对于球形颗粒有层流区10-4<Re t≤2过渡区2< Re t≤103湍流区103≤Re t<2×105要计算沉降速度u t，必须先确定沉降区域，但由于u t待求，那么Re t未知，沉降区域无法确定。

为此，需采用试差法，先假设颗粒处于某一沉降区域，按该区公式求得u t，然后算出Re t，如果在所设范围内，那么计算结果有效；否那么，需另选一区域重新计算，直至算得Re t与所设范围相符为止。

由于沉降操作中所处理的颗粒一般粒径较小，沉降过程大多属于层流区，因此，进行试差时，通常先假设在层流区。

2、实际沉降及其影响因素颗粒在沉降过程中将受到周围颗粒、流体、器壁等因素的影响，一般来说，实际沉降速度小于自由沉降速度。

实际沉降速度的主要影响以下几个方面，见表1-1。

表1-1 实际沉降速度的影响因素因素对实际沉降速度的影响颗粒含量颗粒含量较大，周围颗粒的存在和运动将改变原来单个颗粒的沉降，使颗粒的沉降速度较自由沉降时小颗粒形状对于同种颗粒，球形颗粒的沉降速度要大于非球形颗粒的沉降速度颗粒大小粒径越大，沉降速度越大，越容易别离。

如果颗粒大小不一，大颗粒将对小颗粒产生撞击，其结果是大颗粒的沉降速度减小而对沉降起控制作用的小颗粒的沉降速度加快，甚至因撞击导致颗粒聚集而进一步加快沉降流体性质流体与颗粒的密度差越大，沉降速度越大；流体粘度越大，沉降速度越小，对于高温含尘气体的沉降，通常需先散热降温，以便获得更好的沉降效果流体流动对颗粒的沉降产生干扰，为了减少干扰，进行沉降时要尽可能控制流体流动处于稳定的低速器壁器壁的干扰主要有两个方面：一是摩擦干扰，使颗粒的沉降速度下降；二是吸附干扰，使颗粒的沉降距离缩短需要指出的是，为简化计算，实际沉降可近似按自由沉降处理，由此引起的误差在工程上是可以接受的。

只有当颗粒含量很大时，才需要考虑颗粒之间的相互干扰。

二、离心沉降当重相颗粒的直径小于75μm 时，在重力作用下的沉降非常缓慢。

为加速别离，对此情况可采用离心别离。

离心沉降是利用连续相与分散相在离心力场中所受离心力的差异使重相颗粒迅速沉降实现别离的操作。

〔一〕离心沉降速度离心沉降速度是指重相颗粒相对于周围流体的运动速度。

当流体环绕某一中心轴作圆周运动时，那么形成了惯性离心力场。

在旋转半径为r 、切向速度为u T 的位置上，离心加速度为r u T2。

显然，离心加速度不是常数，随位置及切向速度而变，其方向是沿旋转半径从中心指向外周。

当颗粒随着流体旋转时，如颗粒密度大于流体的密度，那么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，此相对速度称为离心沉降速度u r 。

如果球形颗粒的直径为d 、密度为ρS 、旋转半径为r 、流体密度为ρ，那么和颗粒在重力场中受力情况相似，在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、向心力及阻力。

离心力沿半径方向向外，向心力和阻力均是沿半径方向指向旋转中心，与颗粒径向运动方向相反。

颗粒的离心沉降速度可通过对处于离心力场中的球形颗粒的受力分析而获得。

当三个力到达平衡时，可得到颗粒在径向上相对于流体的运动速度u r 〔即颗粒在此位置上的离心沉降速度〕的计算通式u r =r u d Ts 23)(4ρζρρ-和重力沉降一样，在三力作用下，颗粒将沿径向发生沉降，其沉降速度即是颗粒与流体的相对速度u R 。

在三力平衡时，同样可导出其计算式，假设沉降处于斯托克斯区，离心沉降速度的计算式为：离心沉降速度远大于重力沉降速度，其原因是离心力场强度远大于重力场强度。

对于离心别离设备，通常用两者的比值来表示离心别离效果，称为离心别离因数，用K c 表示，即：K c =rg u T2别离因数是离心别离设备的重要指标。

要提高K c ，可通过增大半径和转速来实现，但出于对设备强度、制造、操作等方面的考虑，实际上，通常采用提高转速并适当缩小半径的方法来获得较大的K c 。

尽管离心别离沉降速度大、别离效率高，但离心别离设备较重力沉降设备复杂，投资费用大，且需要消耗能量，操作严格而费用高。

因此，综合考虑，不能认为对任何情况，采用离心沉降都优于重力沉降，例如，对别离要求不高或处理量较大的场合采用重力沉降更为经济合理，有时，先用重力沉降再进行离心别离也不失为一种行之有效的方法。

三、过滤过滤是利用两相对多孔介质穿透性的差异，在某种推动力的作用下，使非均相物系得以别离的操作。

悬浮液的过滤是利用外力使悬浮液通过一种多孔隔层，其中的液相从隔层的小孔中流过，固体颗粒那么被截留下来，从而实现液固别离。

过滤过程的外力〔即过滤推动力〕可以是重力、惯性离心力和压差，其中尤以压差为推动力在化工生产中应用最广。

在过滤操作中，所处理的悬浮液称为滤浆或料浆，被截留下来的固体颗粒称为滤渣或滤饼，透过固体隔层的液体称为滤液，所用固体隔层称为过滤介质。

〔一〕过滤操作分类过滤方式有：滤饼过滤、深层过滤和动态过滤，见表1-2。

表1-2 过滤操作分类在化工生产中得到广泛应用的是滤饼过滤，本节主要讨论滤饼过滤。

〔二〕过滤介质工业生产中，过滤介质必须具有足够的机械强度来支撑越来越厚的滤饼。

此外，还应具有适宜的孔径使液体的流动阻力尽可能小并使颗粒容易被截留，以及相应的耐热性和耐腐蚀性，以满足各种悬浮液的处理。

工业上常用的过滤介质有如下几种。

〔1〕织物介质织物介质又称滤布，用于滤饼过滤操作，在工业上应用最广。

包括由棉、毛、丝、麻等天然纤维和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。

织物介质造价低、清洗、更换方便，可截留的最小颗粒粒径为5～65μm。

〔2〕粒状介质粒状介质又称堆积介质，一般由细砂、石粒、活性炭、硅藻土、玻璃渣等细小坚硬的粒状物堆积成一定厚度的床层构成。