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第六章 其他单元操作技术

第六章 其他单元操作技术. 知识目标： ●了解非均相物系分离、膜分离及冷冻操作技术的设备结构、特点及应用 ●理解非均相物系分离、膜分离及冷冻操作技术的工作原理及流程 ●掌握其过程计算 能力目标： ●了解主要设备的操作. 第一节 非均相物系分离技术. 一、非均相物系分离的分类及应用 非均相混合物 ：物系内部存在相界面，且界面两侧的物料性质截然不同 分散物质（分散相）： 非均相物系中，处于分散状态的物质 。 分散介质（连续相） ： 包围分散物质而处于连续状态的流体. 非均相物系分类：. 1 ．气态非均相物系 如含尘气体，含雾气体等。

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第六章 其他单元操作技术

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  1. 第六章 其他单元操作技术 知识目标： ●了解非均相物系分离、膜分离及冷冻操作技术的设备结构、特点及应用 ●理解非均相物系分离、膜分离及冷冻操作技术的工作原理及流程 ●掌握其过程计算 能力目标： ●了解主要设备的操作

  2. 第一节 非均相物系分离技术 一、非均相物系分离的分类及应用 非均相混合物 ：物系内部存在相界面，且界面两侧的物料性质截然不同 分散物质（分散相）： 非均相物系中，处于分散状态的物质 。 分散介质（连续相） ： 包围分散物质而处于连续状态的流体

  3. 非均相物系分类： 1．气态非均相物系 如含尘气体，含雾气体等。 2．液态非均相物系 如乳浊液、悬浮液、泡沫液等。

  4. 非均相物系分离方法： • 沉降 • 过滤 • 湿法分离 • 静电分离 非均相物系分离在化工生产中的应用： 1．满足对连续相或分散相进一步加工的需要。 2．收集分散物质。 3．净化分散介质。 4．环境保护

  5. 二、重力沉降 沉降操作是靠重力的作用，利用分离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，在重力的作用下，发生的沉降过程称为重力沉降。 重力沉降可分为自由沉降和干扰沉降。

  6. 自由沉降：颗粒在沉降过程中不受流体及其它粒子的影响的沉降过程。颗粒的自由沉降过程分析:自由沉降：颗粒在沉降过程中不受流体及其它粒子的影响的沉降过程。颗粒的自由沉降过程分析: • 颗粒在静止流体中的沉降过程可分为两个阶段，第一阶段为加速运动，第二阶段为匀速运动。 • 颗粒沉降时加速运动阶段时间很短，在整个沉降过程中往往可以忽略。整个沉降过程可视为匀速运动过程。匀速阶段中颗粒相对于流体的运动速度ut称为沉降速度。

  7. 重力沉降速度: 阻力系数: 滞流区或斯托克斯（Stokes）定律区（10－4< Ret <1） ζ= 过渡区或艾仑(Allen)定律区 (1< Ret<103) ζ= 湍流区或牛顿(Newton)定律区（103< Ret<2×105） ζ=0.44

  8. 重力沉降速度: 滞流区 过渡区 湍流区

  9. 沉降速度的计算: 1．试差法 2．用无因次数群K值判断流型 说明： ①沉降可视为自由沉降。②颗粒可视为球形粒子。若实际颗粒为非球形颗粒时，应先以实际颗粒的当量直径de计算，后确定实际颗粒的沉降速度ut。③连续相流体在沉降方向上不发生运动。

  10. 其它因素对沉降速度的影响 (1) 干扰沉降(颗粒含量) (2)颗粒大小 (3)流体性质 阅读课文，回答问题 (4) 非球形(颗粒形状) (5)流体流动 (6)器壁

  11. 重力沉降设备 1.基本要求与性能 2.降尘室 （1）结构 （2）操作 （3）降尘条件 （4）生产能力

  12. 降尘室的容积一般较大，气体在其中的流速<1m/s。实际上为避免沉下的尘粒重新被扬起，往往采用更低的气速。通常它可捕获大于50μm 的粗颗粒。 颗粒在降尘室内的运动情况如图所示。设有流量为 V(m3/s)的含尘气体进入降尘室，降尘室的底面积为 A，高度为 H。若气流在整个流动截面上均匀分布，则任一流体质点进入至离开降尘室的时间间隔(停留时间) θ为

  13. 垂直方向上，颗粒在重力作用下以沉降速度向下运动。设大于某直径的颗粒必须除去，该直径的颗粒的沉降速度为 ut。沉降时间θt为 为满足除尘要求，气流的停留时间至少必须与颗粒的沉降时间相等，即应有θ≥ θ t。 则降尘室的生产能力 ： qv≤bl ut

  14. 思考： 1.为什么降尘室通常设计成扁平状？ 2. 将降尘室设计为多层隔板式的原因是什么？ 多层降尘室

  15. 三、离心沉降 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分离的操作。 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 。

  16. 离心沉降速度计算公式： 滞流区ur= 过渡区ur =0.153 湍流区ut =1.74

  17. 离心分离因数Kc Kc = • 离心分离因数是离心分离设备的重要指标。要提高Kc，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Kc。 • 尽管离心分离沉降速度大、分离效率高，但离心分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，对分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分离也不失为一种行之有效的方法。

  18. 旋风分离器： 阅读课文，回答问题 1．旋风分离器的结构与操作原理 2．旋风分离器的性能 思考： 为什么有些时候用几台小旋风分离器并联使用来替代一台大旋风分离器？

  19. 旋风分离器 旋风分离器的离心分离因数约为 5～2500，一般可分离气体中 5～75μm 直径的粒子。 (1) 在分离器内气流形成两个主旋涡 (2) 外旋涡造成的离心力将颗粒抛向器壁 • 旋风分离器性能的评价指标 • 临界粒径 • 气体经过旋风分离器的压降

  20. 提高分离效率的措施 • 缩小旋风分离器的直径 • 采用较大的进口气速 • 延长锥体部分的高度 • 并联操作 • 减少粉粒重新卷起------扩散式旋风分离器 • 移去顶部旋涡造成的粉尘环 选用原则 • 按气体处理量选用

  21. 四、过滤 过滤是一种分离悬浮在液体或气体中固体微粒的操作。是利用一种能将固体微粒截留而让流体通过的多孔介质（过滤介质），将固体微粒从气体或液体中分离出来，以达到流体与固体分离之目的。 • 几个基本概念： • 滤浆或料浆 • 过滤介质 • 滤液 • 滤饼或滤渣

  22. 过滤过程的分类： 1.按固体颗粒被截留的情况分 滤饼过滤 深床过滤 2.按过滤过程的推动力分 重力过滤 压差过滤 离心过滤 3.按操作方式分 恒压过滤 恒速过滤

  23. 滤饼： 滤饼是由过滤介质截留的颗粒垒积而成的固定床层. 滤饼的分类: 不可压缩性滤饼 可压缩性滤饼

  24. 过滤介质： 过滤操作中使流体透过而截留固体颗粒的多孔性介质称为过滤介质。 过滤介质的分类： 1.织物介质 又称滤布用于滤饼过滤过程 .在工业上应用最为广泛 . 2.粒状介质 又称 堆积介质.用于 深层过滤. 3.多孔固体介质 是具有很多微细孔道的固体材料,用于深层过滤.适用于处理只含少量细小的颗粒的及腐蚀性的悬浮液.

  25. 选择过滤介质的主要依据： 1.分离要求 最小粒径 分离效率 处理能力等 2.悬浮液特性 颗粒形状 粒度分布 固体颗粒浓度 滤液的 粘度 腐蚀性等 3.操作条件 温度 压强等 4.过滤设备的类型

  26. 助滤剂： • 助滤剂通常是具有多孔性、形状不规则、不可压缩的细小固体颗粒。 • 助滤剂的作用： • 减小可压缩滤饼的过滤阻力、减少细微颗粒对过滤介质中孔道的堵塞现象，改善饼层结构。 • 助滤剂的添加方法： • 1.预敷 • 2.加入悬浮液

  27. 过滤速率及其影响因素： （1）过滤速率与过滤速度 （2）恒压过滤与恒速过滤 （3）影响过滤速率的因素 ①悬浮液的性质 ②过滤推动力 ③过滤介质与滤饼的性质

  28. 滤饼的洗涤： 在滤饼的颗粒间隙中总会残留一定量 的滤液。过滤终了，通常要用洗涤液（一般为清水）进行滤饼的洗涤，以回收滤液或得到较纯净的固体颗粒。 过滤操作周期: 过滤操作存在一定的周期性。通常由过滤、洗涤、卸渣、复原四个基本环节组成。

  29. 第二节 膜分离技术 膜分离是借助于膜，在某种推动力的作用下，利用流体中各组分对膜的渗透速率的差别而实现组分分离的过程。 （一）膜分离原理 将含有A、B两种组分的原料液置于膜的一侧，然后对该侧施加某种作用力，若A、B两种组分的分子大小、形状或化学结构不同，其中A组分可以透过膜进入到膜的另一侧，而B组分被膜截留于原料液中，则A、B两种组分即可分离开来。

  30. 膜分离原理

  31. （二）膜的分类 膜分为合成膜和生物膜（原生质、细胞膜），合成膜包括液膜和固膜。液膜分为乳状液膜和带支撑层的液膜；固膜分为有机膜和无机膜。 （三）膜材料 用来制备膜的材料主要分为有机高分子材料和无机材料两大类。 1．有机膜材料 目前在工业中应用的有机膜材料主要有醋酸纤维素类、聚砜类、聚酰胺类和聚丙烯腈等。 2．无机膜材料 无机膜的制备多以金属、金属氧化物、陶瓷和多孔玻璃为材料。

  32. 二、膜组件 将膜按一定的技术要求组装在一起即成为膜组件，它是所有膜分离装置的核心部件，其基本要素包括膜、膜的支撑体或连接物、流体通道、密封件、壳体及外接口等。将膜组件与泵、过滤器、阀、仪表及管路等按一定的技术要求装配在一起，即成为膜分离装置。常见的膜组件有板框式、卷绕式、管式和中空纤维膜组件等。

  33. 三、各种膜分离技术简介 （一）反渗透 1．反渗透原理

  34. 反渗透过程就是在压力的推动下，借助于半透膜的截留作用，将溶液中的溶剂与溶质分离开来。显然，反渗透过程也属于压力推动过程。我国工业上用的反渗透膜多为致密膜、非对称膜和复合膜，常用醋酸纤维、聚酰胺等材料制成。反渗透过程就是在压力的推动下，借助于半透膜的截留作用，将溶液中的溶剂与溶质分离开来。显然，反渗透过程也属于压力推动过程。我国工业上用的反渗透膜多为致密膜、非对称膜和复合膜，常用醋酸纤维、聚酰胺等材料制成。 • 2．影响反渗透的因素——浓差极化 • 由于膜的选择透过性因素，在反渗透过程中，溶剂从高压侧透过膜到低压侧，大部分溶质被截留，溶质在膜表面附近积累，造成由膜表面到溶液主体之间的具有浓度梯度的边界层，它将引起溶质从膜表面通过边界层向溶液主体扩散，这种现象称为浓差极化。 • 浓差极化对反渗透过程的不良影响 • 减轻浓差极化的有效途径是提高传质系数A，采取的措施有：提高料液流速、增强料液湍动程度、提高操作温度、对膜面进行定期清洗和采用性能好的膜材料等。

  35. 3．反渗透流程 反渗透装置的基本单元是反渗透膜组件，将反渗透膜组件与泵、过摅器、阀、仪表及管路等按一定的技术要求组装在一起即成为反渗透装置。 根据处理对象和生产规模的不同，反渗透装置主要有连续式、部分循环式和全循环式三种流程。

  36. （1）一级一段连续式 1-料液贮槽；2-泵；3-膜组件

  37. （2）一级多段连续式

  38. （3）一级一段循环式

  39. 3．反渗透在工业中的应用 反渗透技术的大规模应用主要在海水和苦咸水的淡化，此外还应用于纯水制备，生活用水、含油污水、电镀污水处理以及乳品、果汁的浓缩、生化和生物制剂的分离和浓缩等。

  40. （二）电渗析 1．电渗析原理 电渗析是一种专门用来处理溶液中的离子或带电粒子的膜分离技术，其原理是在外加直流电场的作用下，以电位差为推动力，使溶液中的离子作定向迁移，并利用离子交换膜的选择透过性，使带电离子从水溶液中分离出来。 电渗析所用的离子交换膜可分为阳离子交换膜(简称阳膜)和阴离子交换膜(简称阴膜)，其中阳膜只允许水中的阳离子通过而阻挡阴离子，阴膜只允许水中的阴离子通过而阻挡阳离子。

  41. 电渗析原理

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