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第三章 非均相混合物的分离

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第三章 非均相混合物的分离. 学习要点: 重力沉降与离心沉降的基本公式; 过滤机理和过滤基本参数; 恒压过滤方程及过滤常数的测定. 均相物系 :指物系内部各处均匀且无相界面,包括溶液、气体混合物等。 非均相物系 :指物系内部有隔不同相的界面且界面两侧的物料性质有差异。 包括: 气固系统(如空气中的尘埃); 液固系统(如液体中的固体颗粒); 气液系统(如气体中的液滴); 液液系统(如乳浊液中的微滴)等。.

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第三章 非均相混合物的分离

学习要点:

重力沉降与离心沉降的基本公式;

过滤机理和过滤基本参数;

恒压过滤方程及过滤常数的测定

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均相物系:指物系内部各处均匀且无相界面,包括溶液、气体混合物等。均相物系:指物系内部各处均匀且无相界面,包括溶液、气体混合物等。

非均相物系:指物系内部有隔不同相的界面且界面两侧的物料性质有差异。

包括: 气固系统(如空气中的尘埃);

液固系统(如液体中的固体颗粒);

气液系统(如气体中的液滴);

液液系统(如乳浊液中的微滴)等。

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非均相物系分离的依据是连续相与分散相具有不同的物理性质(如密度),故可用机械方法进行分离。利用密度差进行分离时,必须使分散相与连续相产生相对运动,因此,分离非均相物系的单元操作遵循流体力学的基本规律,按两相运动方式的不同分为沉降和过滤。非均相物系分离的依据是连续相与分散相具有不同的物理性质(如密度),故可用机械方法进行分离。利用密度差进行分离时,必须使分散相与连续相产生相对运动,因此,分离非均相物系的单元操作遵循流体力学的基本规律,按两相运动方式的不同分为沉降和过滤。

非均相物系的分离主要用于:

1、回收有用物质,如颗粒状催化剂的回收;

2、净化气体,如除尘、废液、废气中有害物质的清除等。

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第一节 沉降

沉降操作是使悬浮在流体中的固体颗粒,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。

重力沉降:利用悬浮固体颗粒本身的重力完成分离的操作。

离心沉降:利用悬浮的固体颗粒的离心力作用而获得分离的操作。

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一、 重力沉降

(一 )球形颗粒的自由沉降

自由沉降速率:

(二)阻力系数

介质阻力系数=f(Rt),如图3-2

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(三)沉降速度的计算

对一定的颗粒与介质而言,重力与浮力值不变,而阻力则随下降速度增加而增大。沉降开始阶段,颗粒作加速运动,经过一段时间后,当重力等于浮力与阻力之和时,加速度为零,颗粒即作等速沉降运动,此时颗粒的沉降速度称为沉降速度或终端速度。

层流区ut= 斯托克斯公式

过渡区ut= 艾伦公式

湍流区ut= 牛顿公式

计算ut需用试差法,即先假设流动类型(层流、过渡流、湍流)后选用相应的ut计算式算出ut,用ut计算Re,再检验假设的流型是否正确。

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(四)实际重力沉降速度

自由沉降:固体颗粒在沉降过程中不因流体中其他颗粒的存在而受到干扰的沉降。

干扰沉降:固体颗粒在沉降过程中,因颗粒之间的相互影响,而使颗粒不能正常沉降。

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二、离心沉降

颗粒在离心力场作用下,受到离心力的作用而沉降的过程称为离心沉降。

悬浮在流体中的微粒,利用离心力比利用重力可以使微粒的沉降速度增大很多,这是因为离心力由旋转而产生,旋转的速度愈大则离心力也愈大;而微粒在重力场中所受的重力作用是一个定值。因此,将微粒从悬浮物系中分离时,利用离心力比利用重力有效的多。同时,利用离心力作用的分离设备不仅可以分离较小的微粒,而且设备的体积可以缩小。

与重力沉降速度相比,只是将重力场改为离心场。

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三、沉降分离设备

1、重力沉降设备

降尘室、连续沉降槽

2、离心分离设备

旋风分离器、旋液分离器、离心沉降机

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第二节 过滤

一、概述

(一)滤饼过滤与深层过滤

滤饼过滤 悬浮液中的颗粒沉积在过滤介质表面形成滤饼层,滤液穿过滤饼层中的空隙流动叫做滤饼过滤。

深层过滤 固体颗粒不形成滤饼,而是沉积在过滤介质内部叫做深层过滤。

通常将原悬浮液称为滤浆,滤浆中的固体颗粒称为滤渣,过滤时积聚在过滤介质上的滤渣层称为滤饼,通过过滤介质的液体称为滤液。

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(二)过滤介质

过滤介质的作用是支承滤饼,故除有孔隙外,还应具有足够的机械强度及尽可能小的阻力。

工业上常用的过滤介质有:

织物介质:天然纤维、化学纤维、玻璃丝、金属丝织成的滤网。

多孔性固体介质:多孔性陶瓷板,多孔性塑料板,多孔性金属陶瓷板等,此类介质能截留小至1-3m的固体颗粒。

堆积介质:细沙、石、炭屑等堆积的颗粒床层及非编织纤维玻璃棉等的堆积层。一般用于处理含固体微粒少的悬浮液,如水的净化。

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(三)过滤推动力

过滤推动力是指滤饼和过滤介质两侧的压力差。此压力差可以是重力或人为压差。增加过滤推动力的方法有:

1、增加悬浮液本身的液柱压力,一般不超过50KN/m2,称为重力过滤。

2、增加悬浮液液面的压力,一般可达500KN/m2称为加压过滤。

3、在过滤介质下面抽真空,通常不超过真空度86.6KN/m2,称为真空过滤。

此外,过滤推动力还可以用离心力来增大,称为离心过滤。

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(四)过滤基本参数

处理量、生产能力、生产率、过滤面积、悬浮液固相浓度、滤饼含液量、滤饼与滤液的体积比、过滤速率、过滤速度

(五)滤饼的可压缩性

不可压缩滤饼:由刚性颗粒形成的滤饼,在过滤过程中颗粒形状和颗粒间的空隙率保持不变。

可压缩滤饼:由非刚性颗粒形成的滤饼,在压强差作用下会变形。

(六)滤饼的洗涤

目的:回收滤液或得到较纯净的固体颗粒

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二、恒压过滤

(一)过滤的基本方程

(二)恒压过滤方程

V2+2VeV=KA2t

q2+2qeq=Kt

(三)过滤常数K、Ve、qe的测定

根据恒压过滤方程,测两个时间t1、t2的滤液体积V1、 V2,联立方程组即可估算其值。

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三、过滤设备

(一)板框压滤机1、2、3

(二)转鼓真空过滤机

(三)离心过滤机