非均相物系分离

非均相物系分离 第三章 非均相物系分离 1(本章学习目的 通过本章学习能够利用流体力学原理实现非均相物系分离(包括沉降分离和过滤分离)，掌握过程的基本原理、过程和设备的计算及分离设备的选型。 建立固体流态化的基本概念。 2(本章重点掌握的内容 (1)沉降分离(包括重力沉降和离心沉降)的原理、过程计算和旋风分离器的选型。 (2)过滤操作的原理、过滤基本方程式推导的思路，恒压过滤的计算、过滤常数的测定。 (3)用数学模型法规划实验的研究方法。 3(本章应掌握的内容 (1)颗粒及颗粒床层特性 (2)悬浮液的沉降分离设备 4(本章一般了解的内容 (1)离心机的类型与应用场合 (2)固体流态化现象(包括气力输送) 5(本章学习中应注意的问 本章从理论上讨论颗粒与流体间相对运动问题，其中包括颗粒相对于流体的运动(沉降和流态化)、流体通过颗粒床层的流动(过滤)，并借此实现非均相物系分离、固体流态化技术及固体颗粒的气力输送等工业过程。学习过程中要能够将流体力学的基本原理用于处理绕流和流体通过颗粒床层流动等复杂工程问题，即注意学习对复杂的工程问题进行简化处理的思路和方法。 1 概述: 在化工生产过程中，从原料输入到产品产出，中间由许多单元操作完成，而其中大部分操作是对混合物的分离: 1(均相混合物 2(非均相混合物 对于均相混合物，分离的思想是使其产生第二相，利用组份间某种物性不同，使其进入两相的量不同，这样分离。 ,例:一杯水 ， 盐混合液 蒸发后去水存盐 , 造酒:水 ， 乙醇混合液 精馏操作提纯酒精 , 烟道气中的SO的除去 吸收操作，以上统称为分离过程。 2 而对于非均相混合物，由于分散相和连续相具有不同的物性(例如密度)，故一般可用机械方法将它们分离，即使分散相和连续相间发生相对运动，分为沉降和过滤。 非均相物系包括:,,,，,,,，,,,，,,,混合物，分离非均相混合物的主要目的有: (1) 收集分散物质 (2)净化分散介质 (3) 环境保护 第一节 沉降 沉降操作是指在某种力场中利用分散相和连续相之间的密度差异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。作用力可以是重力，也可以是惯性离心力，因此，沉降过程有重力沉降和离心沉降两种方式。 一(重力沉降 受地球引力场作用而发生的沉降过程称为重力沉降。 (一)静止流体中光滑面球形颗粒的自由沉降 这个标题即是三个理想状况:?静止流体 ?光滑表面刚性球形 ?自由沉降 这样就将实际生产中的复杂问题简化了。 , 当(球) 〉 (流体) 颗粒将在流体中降落 ,,, 1.颗粒的受力分析 ,,33F,F 重力=d 浮力=d g,ggsb66 2,u,S,F又颗粒与流体之间相对运动产生的阻力= ,d2 ,式中: ——阻力系数，无因次。 2 ——颗粒在垂直运动方向截面积投影，对于球型 颗粒 ,22=d， mS4 m——颗粒相对于流体的降落速度， s a,0，加速段,FFFmama据牛顿第二定律:= 即 ,,= ,F,,gbda,0,匀速段, Fu 颗粒刚开始沉降时，随，，但时间很短，即达到某一定值，此时,,dt阻力、浮力、重力达到平衡，即开始做匀速沉降。 所以，颗粒在静止流体中的沉降分成两个阶段:起初为加速段(很短)，后来进入匀速段。 u等速段颗粒相对于流体的运动速度称为沉降速度，该速度又称为加速段终t 端速度。 u2(表达式 t uma ==0时 = ,F,t 2,u,,,233t,,,d则: ,,=0 dd,g,gs4266 ,,4(,)gdsu= t3,, ,3(阻力系数的确定 ,,dtRe,经因次分析知:,=f(Re)， tt, ud, ——颗粒的直径和流速;，——流体的密度和粘度; ,,t 见上P149——图3-2(由实验测得的综合结果) 由图可知，对(球 ,形度=1)球形颗粒s Re的曲线，按值大致t 分成三个区，各区内的 曲线可分别用相应的 关系式表达。 3 ,424,,Re ? <<1, = 称为层流区(爬流)，或斯托克斯区 10tRet 318.5,,Re ? 1<<, = 过渡区(Allen区) 100.6tRet 35,Re, ? <<2×，=0.44 湍流区(Newton区) 1010t ,u将表达式分别代入表达式中 t 2,,d,g()su,层流区: t18, 0.6,,d(,)g,Rse过渡区: u,0.27t, 0.6,,d(,)g,Rse湍流区: u,0.27t, 表3—1 球形颗粒阻力系数在各区内表达式 R范围，阻力系数, 流型 定律 计算公式 e 224,,d,g()s,R,0.3;, u, 层流 Stokes式(斯托克斯) etR18,e 18.530.60.310;,,R,,,,ed(,)g,R0.6seR过渡状态 Allen式(阿伦) u,0.27et, ,,d(,)gNewton式 3sR,10;,,0.44 u,1.74湍流 et(牛顿) , 阻力产生的根本原因:(1)表皮阻力(粘性力) (2)形体阻力(边界层分离) (参阅P147——最下面) ? 在滞流层时，由流体粘性而引起的表面摩擦力(表皮阻力)占主要地位。 ? 在湍流区时，流体粘性对沉降速度已无影响，由流体在颗粒后半部出现 的边界层分离所引起的形体阻力占主要地位。 ? 在过渡区，表面摩擦阻力和形体阻力均不可忽略。 Re 即在整个范围内，随雷诺数的增大，表皮阻力逐渐减弱，而形体阻力的t 作用逐渐增长。 u4(的计算 t 4 uRe 1)试差法:由于待求，无法确定采用试差 ,tt uReuu先假设 计算直到与吻合为止 ,,,t0ttt0 2)摩擦数群法 ,,,,4)gd(,4d()g,2ss,u由 表达式== u,,tt23,,3,ut 2223,,,,dud,g4()22ts,又 =?= ReRe,tt22,3, 2,,uRe消去了，又因是的已知函数， ?Re=f(Re) 因此可将图3-2,,tttt 2,Re转化成图3-3的?Re——曲线。 tt 2,,,,Reu步骤:先计算?Re查图3-3得见书上P143图3-3 ttt 同样方法可求颗粒直径d。 5.分级沉降 ,, 有a、b两固体物质，且> ba 22,,,,d(,)gd(,)gaabauu层流时，=，= tbta18,18, ,,2,d,bauu[]设 = = ,tbtad,,,ba (二)非球形颗粒的自由沉降 自由沉降是指在沉降过程中，颗粒之间的距离足够大，任意颗粒的沉降 因其它颗粒的存在而受干扰，以及可以忽略容器壁面的影响。 ,1(几何形状的影响―球形度表征 s s, =(1) ,ssp 2式中 ——表示一个球形颗粒的表面积，m; S 2S ——表示一个颗粒(非球形)的表面积，m。 (前提是体积相等) P ,值越小，说明颗粒形状与球形相差越大。(见图P140,图3-2) s d对于非球形颗粒，直径要采用当量直径 e 5 6Vp d,3e, 3V式中:——指非球形颗粒的体积，m。 p ,,Re由图3-2可见，越小，对于同一的越大，在层流区影响较小。 st 2. 一些特殊形状颗粒 ,例如:针形物注意沉降方位的影响。(横放阻力大) (三) 影响重力沉降的其它因素 u1(干扰沉降:致使速度<自由沉降速度 t 原因: ?若颗粒的体积分率高，改变周围流场，颗粒间影响较大。 ?表现密度，粘度大于纯流体的密度、粘度 ?沉降过快会引起涡流，阻力增大。 2(壁效应:容器壁面对颗粒的影响 当D/d>100, 器壁影响不明显。 当D/d<100, 器壁影响明显。 3(分子运动(可能发生布朗运动) ,4Re但> 不必考虑布朗运动。 10,t 4(引申 以上讨论的是针对颗粒是分散相、流体是连续相的系统。 若现在液相是连续相，气相是分散相 则液体中有气泡，反之为气体中有液, 滴的分离，以上两种分离原理与固体分散相同，但也有区别，?气泡或液滴变形 ?曳力变化 二、降尘室(分离气固混合物的重力分离设备) 例:烟道气中含烟灰等颗粒，为环保而应除去颗粒，则为气固分离。 m(一) 分离条件:(一般气速<1) s ,L/u,气体在降尘室内最长停留时间: 停 ,,H/u颗粒在降尘室内最长沉降时间: t沉 6 u可进行沉降分离的前提条件: H/ L/u,t 3-1V(二)生产能力(即含尘气体处理量)(m.h) s 即单位时间通过降尘室的气体流量。 3-1，V=气体流通截面气速= (m.s) B，H，us H/u,L/Lu,H,u令u 则有 代入上式中，则 tt ，V,B，L，u,A，u =沉降面积沉降速度 stt 说明:降尘室的理论最大生产能力与颗粒沉降速度u降尘室的降尘面积有、t关，而与降尘室的高度无关，所以工业上多采用多层隔板型降尘室(见书P145 图 3-5)。一般来说，降尘室可分离50 um以上的颗粒。 (三)最小颗粒直径d min 即能被全部沉降下来的颗粒的最小直径。 u?应根据能够完全分离下来的颗粒最小尺寸计算。 t ,du?气体流速u不应过大，应使气体在通过降尘室时流动处于层流<2000 , d 理论上: d> 100%分离 min d d< 不能分离 min d 实际上 :d 也不能全部分离 ,min d d< 也能部分分离 min 原因: ? 干扰沉降的发生，大颗粒给小颗粒加速 ? 产生涡流，将小颗粒卷起来 dddd对于<的颗粒，其分离效率=分离出的质量/的全质量 iiimin ,,h,u,Bh所以，分离效率==(颗粒的沉降高度/降尘室高度) H,,H,u,B (四)型计算 根据生产任务的要求，分离要求及操作条件来设计设备，即决定设备的主要 工艺尺寸(B、L、H) Vd 生产任务: ，分离要求: smin ,u操作条件:流体的，，颗粒，沉降速度 ,,st降尘室的特点:设备庞大，效率低 ，可分离50~75颗粒 ,m 7 (五)操作型问题 当降尘室底面积一定时，可根据物系性质及要求全部除去的最小颗粒直径，核算降尘室的处理能力;或根据物性及气体处理量，计算能全部除去的最小颗粒直径。 dmin 三、悬浮液的沉聚过程(分离固液混合物) 悬浮液中固体的浓度对于颗粒的沉降速度有明显影响 低浓度悬浮液(颗粒体积浓度<0.2%) 自由沉降 , 高浓度悬浮液则属于干扰沉降 颗粒的降落过程 沉聚过程 ,, 两者有明显区别: ? 大颗粒相对于小颗粒沉降介质的有效，>纯流体的,沉降速度 ,,,,,,? 因颗粒体积分率高，颗粒沉降改变周围力场使阻力加大 , ? 小颗粒有被大颗粒向下拖曳的趋势 综上所述，在浓悬浮液中，大颗粒的沉降受阻，而小颗粒的沉降速度加快,所有颗粒以大体相同的速度沉降。悬浮液在任何设备内的静置都可构成重力沉降器。 即其中固体颗粒在重力作用下沉降而与液体分离，工业上对大量悬浮液的分离常采用连续式沉降器或称增稠器。 (l)+(s)分离过程可通过间歇实验来考察。 图: A——清液区 B——等浓区 C ——变浓区 D——沉积区 再过一段时间 图 再过一段时间 图 D区称为压紧区，压紧过程耗时长。 说明:?有时不出现C区 ?干扰沉降(絮凝现象)，应加絮凝剂 ?刚开始出现A、D间的清晰界面，即达到临界沉降点。 [注] :增稠器通常是一个带锥形底的圆池，悬浮液于增稠器中心距液面下0.3~1.0m处连续加入，然后在整个增稠器的横截面上散开，液体向上流动，清液由四周溢出。固体颗粒在器内逐渐沉降至底部，器底设有缓慢旋转的齿耙将沉渣慢慢移至中心，并用泥浆泵从底部出口管连续排出。 四、重力沉降槽 (连续式沉降器) 8 (一)结构与操作(适用于处理量大而浓度不高且颗粒不很细微的悬浮料浆) 1(间歇沉降槽:一批批间歇沉降 2(连续沉降槽:d:10~100m;H:2.5~4m (二)连续沉降槽的设计型计算 图: 主要设计参数:截面积A和高度H 因为:1)为获得清液，沉降槽必须具有足够大 的面积，以保证任何瞬间液体向上的速度<颗粒 的沉降速度 沉降 , 2) 为使沉渣增浓，颗粒在槽中必须有足够的停 留时间，所以进料口以下的增浓段必须有足够的 高度H。 第二节 离心沉降 依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程称为离心沉降。 处理对象:两相密度差小且颗粒粒度较小的非均相物系。 (s+g) 混合物分离 旋风分离器 , (s+l) 混合物分离 旋液分离器或沉降离心机。 , ,,一(离心沉降速度 (<) sl u如图所示:这里颗粒的径向速度是沉降速r 度。 颗粒在流体中运动受三个力的作用: 2,u3T,d,离心力 : (方向是沿着半径向外) s6r 2,u3T,d,向心力:(方向是沿着半径向里，周围6r 液体对颗粒的作用) 22,u,u,2rr,,,,,Ad阻力: (方向是沿着半径向里) ,,242 当 离心力,向心力,阻力=0(动态平衡时) , 2,,4d(,)usTu,, (离心沉降速度) r3,,r 9 ,,4(,)gdsu= (重力沉降速度) t3,, 同一颗粒在同种介质中的离心沉降速度与重力沉降速度之比为: 22,,ud(,)gTs,u,Kuu/=(前提是颗粒在流体中运动处于滞流， Cttr18,gr 22,,d(,)usTu,,) r18,r K——离心分离因数，是离心分离设备性能的重要指标。 C 但离心沉降速度与重力沉降速度两者也有很大区别: 22u，，,r2T? 离心加速度a===，随颗粒所处位置及旋转角速度而变r,rrr 化，不同于重力加速度g 。 a? 离心力场中不同点处的不同，但g=const。 r ? 离心沉降速度u不是颗粒的真实速度，是绝对速度在径向上的分量。 r u? 虽然随半径和转速增大而增大，但实际上一般采用小直径和高转速r 的离心器。 K旋风分离器:S——g =5~2500 ,C 旋液分离器:S——l K离心机: g——l :10万 ,C 二、旋风分离器(又称旋风除尘器) 因结构简单，造价低且效率较 高而被广泛应用 (一) 旋风分离器的结构与操 作 旋风分离器是利用离心力的作 用从气流中分离出尘粒的设备。 上图为旋风分离器 DDDDH=，=，=，=，B2Dh11242 DHD=，= 2D224 上行的螺旋形气流称为内旋流 10 (又称气芯)， 下行的螺旋形气流称为外旋流。 内外旋流的旋转方向相同，而外旋流的上部是主要除尘区。 对于的颗粒，应先用重力沉降，再用旋风分离器。 d,200,m (二) 旋风分离器内部气流速度和压降分布 (理论尚不透彻，只靠实验方法测定) u1( 切线速度 t 11峰值出现在( ~) D 之间 图 23 2( 轴向速度u(是颗粒的沉降速度) r 外旋流时向下，内旋流时向上(气芯) ru3(uu，随变化不大，可认为在层流区。 〈〈trr 4(压强(出口应密封) 气芯处于低压区。 ]旋风分离器内的静压强在器壁附近最高，仅次于气体进口处的P，往中心处 则逐渐降低，在气芯处可降至低于气体出口压强。 ,PPPP即 ， 而< 进出口壁气芯 旋风分离器的低压气芯由排气管入口一直延伸到底部出灰口，因此出灰口 和积灰槽必须密封良好，否则易漏入气体，把已收集在锥底的粉尘卷起而严重影 响分离效果。 (三)旋风分离器的性能估计 d1. 临界直径 c 理论上能全部除去的最小颗粒直径。 推导前提:气流严格按螺旋型通道做等速运动 uuu ?==， ——入口气体流速 constiiT ?沉降距离(径向)等于B u ?层流区 r ,,,, ?>>,即, ,,sss 11 22222,,,,,d()udu,4d(,)u24sTsisT，层流: ,u,,,u,,,rrRe3,,r18,r18,rtmmm B :沉降时间: t1ur rN2,m t:停留时间: 2ut r ——气流平均旋转半径，——气流的有效旋转圈数 Nm 分离原则: tt ,,21 d上式取等号时被分离的颗粒正好是临界直径 c ,B9rN2,Bmd分离最小颗粒= d,,,ccuurt,N,uesi 其中:=0.5~3(一般值)，(=5，标准形) NN ？d 当分离器直径增大时，则临界直径增大分离效果不好 B,D,,c ? 为了提高分离效率，工业上一般采用小直径的旋风分离器。 ? 为了提高含尘气体处理量，可将若干分离器并联，以形成分离器组 d2.分割直径:，即被分离下来50%的颗粒直径。 50 ,D经验公式: (指标准旋风分离器) d,0.2750u(,,,)is (四)分离效率(两种表示法) 1.总效率 (C,C)进出 ,,0C进 ,3g(s).m(g，s)式中: C——指气体含尘浓度，。 总效率是工程中最常用的，也是最易于测定的分离效率，但它不能表明旋风分离器对各种尺寸颗粒的不同分离效果。 ,2(粒级效率(分离率) (因含尘气流中的颗粒通常是大小不均的) i C,C()i，进i,出,, iCi,进 即按各种粒度分别表明其被分离下来的质量分率。 ,d粒级效率 与颗粒直径的对应关系可用曲线表ii 示，称为粒级效率曲线。 12 由图可见: d,d,能全部分离ic,理论上: d,d,不能分离ic d,d,不能全分离ic,实际上: d,d,能分离一些ic d原因:1)<颗粒中，有些在入口处已很靠近壁面，在停留时间内能到达壁dc 面上，或在器内聚结成了大颗粒，因而具有较大的沉降速度。 d 2)>颗粒中，受气体涡流的影响未能达到壁面或沉降后又被气流重dc 新卷起而带走。 ,,3(与的关系 0i d 例75~80，80~85，85~90，90~95，95~100 (分成几个小段) ,mi dddddd (每段的平均粒径) i35124 xxxxxx i35124 ,,,,,, i35124 n x,, = ,,ii0i,1 即总效率不仅与各种尺寸颗粒的颗粒级效率有关，还与气流中所含尘粒的粒 度分布有关。 x式中:——粒径在第i小段范围内的颗粒占全部颗粒的质量分率 i , ——第i小段粒径范围内颗粒的粒级效率。 i (五)阻力损失 器壁的摩擦阻力，流动时局部阻力以及气体旋转运动所产生的动能损失，造成气体的压强降。 2,ui,,,P ,2 ,,,8.0式中: ——阻力系数，可由实验测定，标准旋风分离器 旋风分离器的压降一般为50~200mmHO(500~2000Pa)，实验测量时可在入2 口和出口之间接两个测压点，用U型管压差计测压降。 13 (六)旋风分离器的结构、类型。见书上P169 (七)旋风分离器的选用 ,1)根据具体的生产任务及物系物性和分离要求选型 2)计算决定尺寸和个数，计算时有以下三点依据: ?含尘气的体积流量 ?要求达到的分离要求 ?允许的压强降 [注] 1) 选型时若选直径小的分离器，效率较高，但可能需要数台并 联才能满足生产能力的要求;若选直径大的，则台数少但效 率低。 2) 采用多台旋风分离器并联使用时，需特别注意解决气流的 均匀分配及排除出灰口的窜漏问题，以保证气体处理量的 前提下兼顾分离效率与气体压降的要求。 (八)环流式旋风除尘器 环流式旋风除尘器与液固分离器是青岛化工学院开发 的新一代高效、节能型气固或液固分离设备。如图所示，该 类设备的外型与旋风除尘器或旋液分离器相似，但器内增设 了强化分离效率的内件。启用时，流体介质从直筒段下部以 切向方式进入器内，在直筒段进行一次分离，达到要求的流 体介质直接从顶部溢流口排出，部分流体连同固体颗粒由顶 部特设旁路引入锥体，在锥体内得到二次分离。分离后的流 体在锥部沿轴向返回一次分离区，固体颗粒在锥体底部富集 并从底流口排入砂包或排向器外。 此新型分离器压降低、放大效应小，且由于特殊的流路 设计，防止了流体的短路及锥体内颗粒的卷扬，使分离效率 大幅度提高、且具有操作弹性大、操作稳定性好的特点。 (八)旋液分离器(锥部比较长) 旋液分离器又称水力旋流器，是一种利用离心力从液流中分离出固体颗粒的分离设备，其工作原理、结构和操作特性与旋风分离器十分相似。 旋液分离器的主体由圆筒和圆锥两部分构成，悬浮液经入口管切向进入圆筒，形成螺旋状向下运动的旋流，固体颗粒受惯性离心力作用被甩向器壁，并随旋流降至锥底的出口，由底部排出的增浓液称为底流，清液或含有微细颗粒的液体则为上升的内旋流，从顶部的中心管排出，称为顶流。 与旋风分离器相比，旋液分离器的结构特点是圆筒直径小而圆锥部分长，这 14 是由于液固密度差比气固密度差小的多，在一定的切线进口速度下，较小的旋转半径可使固体颗粒受到较大的离心力，从而提高离心沉降速度，另外，适当地增加圆锥部分的长度，可延长悬浮液在器内的停留时间，有利于液固分离。 旋液分离器结构简单，设备费用低，占地面积小，处理能力大，可用于悬浮液的增浓，分级操作，也可用于不互溶液体的分离、气液分离、传热、传质和雾化等操作中，在化工、石油、冶金、环保、制药等工业部门广泛被采用，但进料泵的动能消耗大，内壁磨损大，进料流量和浓度的变化很容易影响分离性能。 从分离角度看，在Q一定时，选用若干小直径悬液分离器并联运行，效果好于一个大直径的悬液分离器。所以可据各种出厂型号匹配处理。 (九) 其他机械分离技术 1. 静电除尘 前述的重力沉降和离心沉降两种操作方式，虽然能用于含尘气体或含颗粒溶液的分离，但是，前者能够分离的粒子不能小于50-70um,而后者也不能小于1-3um左右，对于更小的颗粒，其常用分离方法之一就是采用静电除尘，即在电力场中，将微小粒子集中起来再除去，自Cottrell(1907年)首先成功地将电除尘用于工业气体净化以来，经过近一个世纪的发展，静电除尘器已成为现代处理微粉分离的主要高效设备之一。 静电除尘过程分为四个阶段――气体电离，粉尘获得离子而荷电，荷电粉尘向电极移动及将电极上的粉尘清除掉。 如 图所示，将放电极作为负极，平板集尘极作为正极而构成电场，一般对电场施加 60vK的高压直流电，提高放电极附近的电场强度，可将电极周围的气体绝缘层破坏，引起电晕放电，于是气体便发生电离，成为负离子和正离子及自由 电子，正离子立即就被吸至放电极而被中和，负离子及自由电子则向集尘极移动 15 并形成负离子屏障。当含尘气体通过这里时，粒子即被荷电成为负的荷电粒子，在库仑力的作用下移向集尘极而被捕集。 大多数的工业气体都有足够的导电性，易于被电离，若气体导电率低，可以加水蒸气，流过电极的气体速度宜低(0.3-2 m/s)，以保证尘粒有足够的时间来沉降。颗粒越细，要求分离的程度越高，气流速度越接近低限。 按收尘极的分类又可分成管式电除尘器和板式电除尘器两种，管式电除尘器的收尘极为直径为200-300 mm的圆管或蜂窝管，其特点是电场强度比较均匀，有较高的电场强度，但粉尘的清理比较困难，一般不宜用于干式除尘，而通常用于湿式除尘;板式电除尘器，具有各种形式的收尘极板，极间距离一般为直径为250-400 mm ，电晕极安放在板的中间，悬挂在框架上，电除尘器的长度根据对除尘效率的要求确定，它是工业中最广泛采用的形式。 在化学工业中，电除尘器常用于硫酸、氯化铵、炭黑、焦油沥青及石油油水分离等生产过程，用于除去粉尘或烟雾。其中使用最多的是硫酸中的干、湿法静电除尘器。电除尘器的设备复杂，价格昂贵，但因能够除去极细小的颗粒，除尘效率很高，所以在工业生产中已得到应用。 2.过滤及袋滤除尘法 对于颗粒细小的悬浮液或乳浊液，则要采用多孔介质构成的障碍物场把它们从流体中除去，这就是一般所指的过滤，而用于气固混合物分离的则常称为袋滤除尘。 被作为障碍物的多孔介质则称为滤材，在重力、离心力、压力的作用下，使含有固体颗粒的流体通过滤材障碍物时，就可以进行过滤和集尘分离。为了提高重力的位能，或是为了形成离心力场，或者为了形成压力场，所有这些都需要对 16 流体做功，因此，机械能是分离所必须的能量。 过滤及袋滤除尘操作能否顺利进行，取决于滤材的开孔和待分离粒子的大小，特别当固体颗粒靠自身架桥形成多孔介质作为滤材时，开孔会因颗粒而变小，使过滤的分离更为彻底，这种情况被特别地称为滤饼过滤或是粉尘除尘。 常见的过滤操作分为饼层过滤和深床过滤两种方式，其中，饼层过滤是指过滤中固体物质沉积于介质表面而形成滤饼层，滤液穿过滤饼层时即被过滤，所以滤饼层是有效过滤介质，现在工业上一般多采用此方法，该法要求悬浮液中固体颗粒体积含量大于,,。而在深床过滤中，固体颗粒并不形成滤饼，而是沉积于较厚的粒状过滤介质的床层内部。这种过滤适用于生产能力大而悬浮液中颗粒小且含量甚微(固相分率小于,.,,)的场合。 过滤介质是滤饼的支撑物，它应具有足够的机械强度和尽可能小的流动阻力，同时，它还应有相应的耐腐蚀性和耐热性。工业上常用的过滤介质有织物、堆积的粒状介质和多孔固体介质。滤饼的压缩性和助滤剂也是应该考虑的问题，因为滤饼是悬浮液中固体颗粒在过滤介质上堆积而成，所以随着过滤的进行而逐渐变厚。若采用正压法过滤，则滤饼可分为可压缩及不可压缩两种，可压缩滤饼有可能将通道堵塞，不利于过滤，而且流动阻力增大。为减少压缩滤饼的阻力，将某种质地坚硬又能形成疏松滤饼层的另一种固体颗粒混入悬浮液或涂于介质上，使滤液畅流，这种粒状物称为助滤剂，例如硅藻土。 一、过滤的基本概念 (一) 过滤的定义 过滤是以某种多孔物质为介质，在外力作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的操作。 过滤操作采用的多孔物质称为过滤介质，待处理的悬浮液称为滤液或料浆，通过多孔通道的液体称为滤液，被截的固体物质称为滤饼或滤渣。 (二) 过滤操作的推动力 过滤操作的外力可以是重力，压强差，吸力或离心力。选择推动力的类型，要结合操作过程，设备型式及物系等情况，但在化工中应用最多的还是以压强差为推动力的过滤操作。 (三) 过滤方式的分类 分成饼层过滤和深床过滤两种方式。 ,(饼层过滤 过滤中固体物质沉积于介质表面而形成滤饼层，滤液先穿过饼层时即被过滤，所以滤饼层是有效过滤介质，现在工业上一般多采用此方法。 17 该法要求悬浮液中固体颗粒体积含量大于,,。 ,(深床过滤 在深床过滤中，固体颗粒并不形成滤饼，而是沉积于较厚的粒状过滤介质床层内部。这种过滤适用于生产能力大而悬浮液中颗粒小且含量甚微(固相分率小于,.,,)的场合。 ,(过滤介质 过滤介质是滤饼的支撑物，它应具有足够的机械强度和尽可能小的流动阻力，同时，它还应有相应的耐腐蚀性和耐热性。 工业上常用的过滤介质有织物、堆积的粒状介质和多孔固体介质。 ,(滤饼的压缩性和助滤剂 滤饼是悬浮液中固体颗粒在过滤介质上堆积而成，所以随着过滤的进行而逐渐变厚。若采用正压法过滤，则滤饼可分为可压缩及不可压缩两种，可压缩滤饼有可能将通道堵塞，不利于过滤，而且流动阻力增大。 为减少压缩滤饼的阻力，将某种质地坚硬又能形成疏松饼层的另一种固体颗粒混入悬浮液或涂于介质上，使滤液畅流，这种粒状物称为助滤剂，例如硅藻土。 二、过滤的基本理论 (一) 过滤速度(又称滤液流动的表观流速) -1指单位时间单位面积上得到的滤液体积，单位m.s，即 dVU, Ad, 2式中 ——过滤面积，m; A ——过滤时间，s; , ——在过滤时间内通过的滤液量。 V U是个变量，任何时间内的变化都不同，这就需要找出u,,及u,θ之间的函数关系。 (二) 流体在滤饼区的流动 1.空隙率ε和比表面积α 3-3ε,滤饼床层空隙的体积,床层的体积(m .m) 2-3α,颗粒的表面积,所有颗粒的表面积(m.m) 2. 流体通过滤饼层的简化流动模型(物理模型) 滤液流动的阻力主要来自于滤饼，而过滤介质阻力很小。滤饼层由颗粒堆积而成，颗粒之间存在网状空隙，滤液从中流过，现将滤饼层液体流动模型简化如下: L将上述通道简化成长度为的一组平行细管(即将弯曲的空隙通道拉直e 了)，并规定: 18 (,) 滤饼中空隙体积等于空管的总体积。 (,)全部颗粒的表面积等于细管的表面积。 3. 阻力计算 2lup,,e1 H,,,fgd2g,e d式中 ——滤液通道的当量直径，m; e l ——滤液通道的当量长度，m; e -1 u——流体的真实流速，m .s。 1 上式相当于直管流动的阻力损失计算式。 d其中:,,×流通截面×,e,(润湿周边×,e) e ,,×空隙体积,颗粒表面积， 所以: ,4d , e,(1,,) ,pu4. 流体在通道内真实流速与压降的关系 f1 ,？Uu,1 3 ,pp,,ffU？,,22rL,,，，Ka1L,,, ,,式中 ——比例常数，可取,,; KK-2 r——滤饼的比阻，m。 (三)过滤基本方程 ,pdVf,,U Ad,rL,1. 滤饼比阻r 22,，，5a1,r, 3, 又有: s,r,p r= -2,式中 ——单位压差下滤饼的比阻，m; r s——压缩性指数，值为,,,，对于不可压缩滤饼，s=0; p——过滤压强差，,a。 , 19 2. 滤饼的阻力 V,V由 ,,r,及,,联立得到:,, r,AA 33v式中 ——每获得,滤液所形成的滤饼体积，m。 m 将过滤介质虚拟成,e厚的滤饼层， R,rL即: ,r vVeeeA V式中 ——为形成与过滤介质阻力相等的滤渣层所得到的滤液量，称作过滤e 3介质的当量滤液体积，m。 将r及,代回速率方程式中有: 21,sA(,,p)dVf, ,，，d,rv,V，Ve(四) 恒压过滤方程 即过滤过程中保持压差不变恒压操作，由于滤饼不断增厚，过滤阻力不断增 大，过滤速率不断下降，但对于一定的悬浮液而言，是常数。 ,,r,v 1. 对滤饼而言 1,s21,sA(,,p)dV,,p，，f,由过滤速率方程，设,,，则: ,，，d,rv,V，Ve,r,v VV，,，,ee2 ，，，，，，V，VdV，V,KAd,，,eee,,V,ee则两侧积分后得到: 222V，2VV,2KA,,KA, e 2. 对于过滤介质而言 V,ee2,V，VdV,kAd，，？e,,00 2？V,KA,ee (五) 对于滤饼加上过滤介质同时考虑 由上两式相加有: 22 ，，，，V，V,KA,，,ee或: 2 ，，，，q，q,K,，,ee 3-2Vq,式中 ——为单位过滤面积上所通过的滤液量，m.m; A ——过滤常数，其值由物料特性和过滤压力差决定。 K 上式称为恒压过滤方程式，它表明恒压过滤时滤液体积与过滤时间的关系为 20 一抛物线方程。 若对于过滤介质阻力可忽略不计时，有: 22 V,KA, 或: 2q,K, (六)恒速过滤方程 即过滤操作在恒定速率下进行，因过滤操作中过滤阻力不断增大，所以若保持过滤速率不变，则会造成压力过高而使设备难以承受，且过滤效果也会变差。 恒速过滤方程: K22VVVA ，,,e2 K2 ，,,qqqe2 (七) 先恒速后恒压过滤 过滤设备内部空间的容积是一定的，当料浆充满此空间后，供料的体积流量等于滤液流出的体积流量，即过滤为恒速过滤时，操作压强差随过滤时间成直线增高，这样使得设备难以承受，所以实际生产中通常是先恒速后恒压的复合式操作方法。 三、常见过滤设备 常见的过滤装置有:重力过滤器(袋式过滤器、砂滤器等)、加压过滤器，即在过滤表面上施加操作压力，在滤液排出口的一侧则为常压或稍高于常压，以形成过滤推动力而进行过滤的装置，操作压力一般为0.17~0.5 MPa，包括板框压滤机、厢式压滤机等间歇式和旋叶压滤机等连续式;还可采用真空过滤机，即以滤液一侧低于一个大气压力的条件下操作，而滤液在收集器内必须增至一个大气压后才能排放，一般采用滤液泵或大气腿排液。 21 1. 板框压滤机 ,，,，,(,)板框压滤机操作一周期的时间为,,， FWD 式中 ,——过滤时间，可采用恒压过滤方程求解， F 即: VF2qAF, ,,2FdVK,,1,,A,d,,F ,式中 ——代表洗涤时间，由洗水量和洗涤速率而定。 W 对于板框压滤机，常采用的是横穿洗涤法，洗水穿过的滤饼厚度两倍于过滤终了时滤液所通过的滤饼厚度。而洗涤水流通截面只有滤液流通截面的一半，两者综合，则洗涤速率只有过滤速率的,/,，即: qJqJwF,,,,, wFdqdq,,,,,,,,,,dd,,,,,,wF (,)最佳周期操作 当过滤时间与洗涤时间之和等于装卸、重整时间时，处理一定物料时所需的总时间最少，所以在每个操作周期中应尽量保持: ,，,,, FWD 22 2. 转筒真空过滤机 (,) 一个操作周期就是旋转一周的时间 60 T,n 式中 ——操作周期，s; T -1n ——转筒的每秒转数，r. s。 (,)每周期的过滤时间 0 转筒浸入悬浮液中的分率:φ,浸入角度,360 60,T,,浸入时间: ，s。 ,,n V(,)生产能力 h 23 3-1即每小时获得的滤液量，m.h。 这里恒压过滤方程仍适用，即: 60,222VKAKA， ,,,n 则: 60,KA , Vn 则转n圈， ,60kV,nA,A60,kn minn 则1小时生产能力: V,60A60,kn,465A,knh 袋式过滤器是工业过滤除尘设备中使用最广的一类，它的捕集效率高，一般不难达到99%以上，而且可以捕集不同性质的粉尘，适用性广，处理气体量可由每小时几百立方米到数十万立方米，使用灵活，结构简单，性能稳定，维修也较方便;但其应用范围主要受滤材的耐温、耐腐蚀性的限制，一般用于300?以下，也不适用于粘性很强及吸湿性强的粉尘;设备尺寸及占地面积也很大。 在袋式过滤器中，过滤过程分成两个阶段，首先是含尘气体通过清洁滤材，由于前述的惯性碰撞、拦截、扩散、沉降等各种机理的联合作用而把气体中的粉尘颗粒捕集在滤材上;当这些捕集的粉尘不断增加时，一部分粉尘嵌入或附着在滤材上形成粉尘层。此时的过滤主要是依靠粉尘层的筛滤效应，捕集效率显著提高，但压降也随之增大。由此可见，工业袋式过滤器的除尘性能受滤材上粉尘层的影响很大，所以根据粉尘的性质而合理地选用滤材是保证过滤效率的关键。一般当滤材孔径与粉尘直径之比小于10时，粉尘就易在滤材孔上架桥堆积而形成粉尘层。 3通常滤材上沉积的粉尘负荷量达到0.1~0.3 kg/m, 压降达到1000~2000Pa时，便需进行清灰。应尽量缩短清灰的时间，延长两次清灰的间隔时间，这是当今过滤问题研究中的关键问题之一。 袋式过滤器的结构型式很多，按滤袋形状可分为圆袋及扁袋两种，前者结构简单，清灰容易，应用最广;后者可大大提高单位体积内的过滤面积，有新的发 24 展。更主要的是按清灰方式分为:机械清灰、逆气流清灰、脉冲喷吹清灰及逆气流振动联合清灰等型式。 3. 湿法捕集 湿法捕集是利用液体作为捕集体，将气体内所含颗粒捕集下来的一类方法，所用设备统称湿法洗涤器(wet scrubber)。它与干法捕集比较，有如下特点: (1) 在捕集气体内悬浮物的同时，只要液体选用适当，还可吸收而除去气体 内的有害组分，所以用途更为广泛; (2) 在消耗同样能量的情况下，湿法捕集一般可比干法捕集(如旋风分离器) 的除尘效率为高，而且能处理粘性大的固体颗粒，但不适于处理憎水性和 水硬性颗粒; (3) 洗涤器设备本身较简单，费用也不高，但却还要有一套液体的供给及回 收系统，所以总的造价及操作维修等费用也不低。 湿法洗涤器的捕集机理与过滤捕集机理都是一种流体动力捕集机理，但还有其某些特殊性，主要表现在它的捕集体可分为三种形式，即液滴、液膜及液层。其中液滴的产生基本上有两种方法，一种是使液体通过喷嘴而雾化，一种是用高速气流将液体雾化。液体呈分散相，含有固体颗粒的气体则呈连续相，两相间存在着相对速度，依靠颗粒对于液滴的惯性碰撞、拦截、扩散、重力、静电吸引等效应而把颗粒捕集下来;液膜是将液体淋洒在填料上并在填料表面形成的很薄层液体网络。此时，液体和气体都是连续相，气体在通过这些液体网络时也会产生上述各种捕集效应;而液层的作用是使气体通过液层时，生成气泡，气体变为分散相，液体则为连续相，颗粒在气泡中依靠惯性、扩散和重力等机理而产生沉降，被液体带走。前二者与过滤除尘的原理十分相似，后者则不太一样，在实际的湿 25 法洗涤器中，可能兼有以上两种或三种接触形式。由于它们的接触方式不是固定不变的，而且还可能伴有蒸发或冷凝的过程，所以影响因素较多，捕集机理较为复杂。 湿法洗涤器设计的关键问题是要使含尘 气与液体两者接触，方法很多，可以是将液体 雾化成细小液滴，也可以是使气体鼓泡进入液 体内，还可以是气体与很薄的液膜接触，更可 以是这几种方法的综合应用，所以可形成很多 种湿法洗涤器的型式，如气体雾化接触型的文 氏管洗涤器，它是一种简单而高效的除尘设 备，由三部分组成，即引液器(或喷雾器)、 文氏管及脱液器。含尘气体进入文氏管后逐渐加速，到喉管时速度达到最高，将该处引入的液体雾化成细小的液滴。在喉管处，气体与液滴间的相对速度很高，所以捕集效率也较高。 还有喷雾接触型的喷淋塔、喷射洗涤塔;液膜接触型的填料塔、浮动填料床洗涤器;鼓泡接触型的泡沫洗涤器、冲击式泡沫洗涤器等。 一般的板式塔和填料塔都可用作洗涤器来除去气体中尘粒及有害成分，如泡沫洗涤器，它的典型结构是筛板塔。又分为无溢流式(淋降塔板)及溢流式。作为除尘器，一般以淋降塔板为主。另外一种是湍球塔，在两块开孔率很高的孔板间，放置有直径为φ15~76mm的轻质空心球，含尘气体从下部进入，以较大速度进入床层，将空心球吹起形成流化床。洗涤液从上面喷淋下来，被流化状态下的小球激烈扰动，小球在湍动旋转及相互碰撞中，又使液膜表面不断更新，从而强化了气液两相的接触，可大大提高除尘效率。另外，还有冲击式洗涤器、强化型洗涤器等。 在湿法捕集的各类洗涤器中，净化后气体内难免夹带有许多液雾，都要用某种捕沫设备将这些液雾除去，以免影响气体的品质或下一道工序。从气体中分离雾沫的方法很多，对于直径大于50μm的液滴，可用重力沉降法;5μm以上的液滴可用惯性碰撞及离心分离法;对于小于5μm的细雾则要用纤维过滤或静电除去法。 26 思考题: 1(提出几种测定颗粒床层空隙率ε的方法。 2(影响壁效应的因素都有哪些,如何减小壁效应的影响, 3(直径为50μm的球形石英颗粒(密度为2650kg/m3)，在20?的空气中从静止状态开始作自由沉降，需要多少时间才能完全达到其(终端)沉降速度,需要多少时间便能达到其沉降速度的99,。(θ,0.093s) 4(颗粒在旋风分离器内沿径向沉降的过程中，其沉降速度是否为常数, 5(根据斯托克斯公式回答如下问题 (1)设计一简易装置，用以测定液体的粘度(如落球粘度计); (2)在沉降室中，d,60μm的颗粒理论上能完全除去，则d’,30μm的粒子的分离效率为若干? 6(提高离心分离因数的途径是什么(旋流器和离心机分别讨论), 7(以间歇过滤机处理某种悬浮液，若滤布阻力可以忽略，洗水体积与滤液体积之比为a，试分析洗涤时间与过滤时间的关系(加压叶滤机、板框压滤机分别推出)。 8(当滤布阻力可以忽略时，若要恒压操作的间歇过滤机取得其最大生产能力，在下列两种条件下，各须如何确定过滤时间θ, (1)若已规定每一循环中的辅助操作时间为θD，洗涤时间为θW。 (2)若已规定每一循环中的辅助操作时间为θD，洗水体积与滤液体积之比值为a。 9(机械分离设备的设计(或操作)原则是什么(停留时间必等于或大于分离所需时间),评价分离设备性能的指标是什么, 10(何谓狭义和广义流态化, 11(理想流化床和实际流化床的主要区别是什么, 12(简述气力输送的优缺点和分类。 本章学习资料 1.必读书籍 27 姚玉英.化工原理(上册).天津:天津大学出版社，1999(第三章.机械分离和固体流态化) 2.参考书籍 (1)柴诚敬，张国亮.化工流体流动与传热.北京:化学工业出版社,2000 (2)陈维枢主编.传递过程与单元操作.上册.浙江:浙江大学出版社,1993 (3)陈敏恒等,化工原理(上册).北京:化学工业出版社,1999 (4)机械工程手册编辑委员会.机械工程手册(第二版),通用设备卷.北京:机械工业出版社,1997 (5)大连理工大学化工原理教研室.化工原理,上册.辽宁:大连理工大学出版社,1993 (6)时钧等.化学工程手册,上卷.2版.北京:化学工业出版社,1996 (7)McCabe W. L. and Smith. J. C. Unit Operations of Chemical Engineering. 5th. ed. New York: McGraw Hill,1993 (8)Foust A. S. and Wenzel. L. 28 29