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(共45张PPT)
《化工单元操作》
项目四 非均相物系的分离
1、均相混合物:物系内部各处性质完全相同且无相界面；
非均相混合物
2、非均相物系包括气固系统(空气中的尘埃)、液固系统(液体中的固体颗粒,即悬浮液 )、气液系统(气体中的液滴,即泡沫或雾沫 )、液液系统(乳浊液中的微滴)等。
其中尘埃、固体颗粒、气泡和微滴等统称为分散物质(或称分散相)，而非均相物系中的气体、液体称为分散介质(或称连续相)。
任务一 了解非均相物系的分离过程及其应用
一、常见非均相物系分离的方法
①沉降:依据连续相和分散相的密度不同，有重力沉降、离心沉降和惯性沉降 。
②过滤:依据两相在固体多孔介质透过性的差异，有重力过滤、加压（或真空）过滤和离心过滤 。
③湿法分离：依据两相在增湿剂或洗涤剂中接触阻留情况不同，如文氏洗涤器、泡沫除尘器 。
④静电分离：依据两相带电性的差异。
二、非均相物系分离在化工生产中的应用
① 满足后序生产工艺的要求
② 回收有价值的物质
③ 分离非均相混合物，得到所要求的产品
④ 使某些单元操作正常、高效地进行
⑤ 减少环境污染，保证生产安全
任务二 认知非均相物系的分离设备
强化沉降槽操作的方法是提高颗粒沉降速度。为加速分离常加入聚凝剂或絮凝剂，使小颗粒相互结合成大颗粒。
沉降槽构造简单，生产能力大，劳动条件好；但设备庞大、占地面积大，稠浆的处理量大。一般用于大流量、低浓度、较粗颗粒悬浮液的处理。
一、沉降设备
（一） 重力沉降设备
1.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称为沉降槽。
2. 多层降尘室
结构简单、操作成本低廉、对气流的阻力小、动力消耗少等优点；缺点是体积及占地面积较为庞大、分离效率低。
适于分离重相颗粒直径在75μm以上的气体非均相混合物。
多层降沉室
清洁气流
含尘气流
挡板
隔板
3. 降尘气道
气道中折流挡板的作用有二个：第一增加了气体在气道中的行程，从而延长气体在设备中的停留时间；第二对气流形成干扰，使部分尘粒与挡板发生碰撞后失去动能，直接落入器底或集尘头内。
构造简单，可直接安装在气体管道上，所以无需专门的操作，但分离效率不高。
(二)离心沉降设备
旋风分离器
工作原理 ：含尘气体以20～30m/s的流速从进气管沿切向进入旋风分离器，受圆筒壁的约束旋转，做向下的螺旋运动（外旋流），到底部后，由于底部没有出口、且直径较小，使气流以较小的旋转直径向上作螺旋运动（内旋流），最终从顶部排出。
含尘气体作螺旋运动的过程中，在离心力的作用下，尘粒被甩向壁面，碰壁以后，沿壁滑落，直接进入灰斗。
结构简单，操作不受温度和压力的限制，分离效率可以高达70％～90％，可以分离出小到5μm的颗粒；其缺点是气体在器内的流动阻力较大，对器壁的磨损较严重，分离效率对气体流量的变化较为敏感等。
多级旋风分离器
2. 旋液分离器
旋液分离器是离心沉降悬浮液的设备，其结构和工作原理与旋风分离器类似。
由于悬浮液中液相密度大，固、液两相的密度差比气固间的密度差小，所以旋液分离器的直径比旋风分离器的直径小，而圆锥部分长，这样的结构既可增大离心力，又可加长停留时间。由于液体进口速度较大，故流体阻力也较大，磨损也较严重。
旋液分离器可用于悬浮液的增稠、固体颗粒的分级等。
二、过滤设备
（一）板框压滤机
通过直接给悬浮液加压，迫使其穿过过滤介质来实现过滤的目的。
1.结构
板框压滤机由交替排列的滤板、滤框与夹于板框之间的滤布叠合组装压紧而成。板框数视工艺要求在机座长度范围内可灵活调节。组装后，在板框的四角位置形成连通的流道，由机头上的阀门控制悬浮液、滤液及洗液的进出。
2、板框压滤机为间歇操作，每个操作循环由装合、过滤、洗涤、卸饼、清理5个阶段组成。
优点是结构简单，过滤面积大且占地面积小，操作压强高，滤饼含水少，对各种物料的适应能力强。缺点在于操作不是连续的、自动的，所费的劳动力多且劳动强度大。
板框式压滤机主要用于含固量较多的悬浮液过滤。
3.转筒真空过滤机
(1)结构与原理：
转筒的多孔表面上覆盖滤布，内部分隔成互不相通的若干扇形过滤室。转动盘与机架上的固定盘紧密贴合构成分配头，转筒回转时各过滤室通过分配头依次与真空抽滤系统、洗水抽吸回收系统和压缩空气反吹系统相通。
为了不使这些系统彼此串通，在固定盘上设有不与任何通道相通的非开孔区。
（2）过滤操作：
转筒旋转一周，每一个扇形过滤室依次完成真空过滤、洗涤、脱水、吸干滤饼和压缩空气吹松、刮刀卸料、反吹清洗表面等全部操作，相应分为过滤区、洗涤脱水区、卸料区和表面再生区等几个工作区域。
转筒转速多在0.1～3 r/min，浸入悬浮液中的吸滤面积约占总表面的30～40%。
（3）特点：
具有操作连续化、自动化、允许料液浓度变化大等特点，因此节省人力，生产能力大，适应性强。但结构复杂，过滤面积不大，洗涤不充分，滤饼含液量较高（10％～30％），能耗高，不适宜处理高温悬浮液。
3. 转筒真空过滤机
三、离心机
了解离心机(三足式离心机、刮刀卸料式离心机)的结构、工作原理、操作特点及应用范围。
四、气体的其它净制方法及设备
1. 惯性除尘器
是利用夹带气流中的颗粒或液滴的惯性而实现分离的设备。在气体的通道上设置挡板，气体绕过挡板时流动方向改变，而夹带在气流中的固体颗粒或液滴撞击挡板后则落入底部被扑集下来。
操作时，要控制气流的速度，使之既能进行有效地分离，又不致将沉下来的颗粒重新卷起。
2. 湿法分离法
（1）文丘里除尘器
含尘气体以50--100m/s的高速通过喉部时把液体喷成很细的雾滴，促使灰尘润湿而聚集长大，随后将气流引入旋风分离器，达到分离的目的。
文丘里除尘器的结构（视频）简单紧凑、价格低廉、操作简便；不过阻力较大，压力降在2000—5000Pa范围内。
（2）泡沫除尘器
气体中的尘粒一部分（较大尘粒）被从筛板泄漏下来的液体带出并由器底排出，另一部分（微小尘粒）则在通过筛板后被泡沫层所截留，并随泡沫液经溢流板流出。
具有分离效率高、构造简单、阻力较小等优点，当气体中所含的微粒大于5μm时，分离效率可高达99%，而压力降仅为4~23KPa。但对设备的安装要求严格，特别是筛板的水平度对操作影响很大。
（3）湍球塔
湍球塔是一种高效除尘设备，其主要构造是在塔内栅板间放置一定量的轻质空心塑料球。
由于受到经栅板上升的气流冲击和液体喷淋，以及自身重力等多种力的作用，轻质空心塑料球悬浮起来，剧烈翻腾旋转，并互相碰撞，使气液得到充分接触，除尘效率很高。空心塑料球常用聚乙烯或聚丙烯等材料制成。
3.袋滤器
含尘气体由下部进入袋滤器，气体由外向内穿过支撑于骨架上的滤袋，洁净气体汇集于上部由出口管排出，尘粒被截留于滤袋外表面。清灰操作时，开启压缩空气以反吹系统，使尘粒落入灰斗。
具有除尘效率高、适应性强、操作弹性大等优点，可除去1μm以下的尘粒，常用作最后一级的除尘设备。但投资费用高，占用空间较大，容易堵塞，袋滤器磨损较快，除灰较麻烦，受滤布耐温、耐腐蚀的限制，不适宜于高温（>300℃）的气体，也不适宜带电荷的尘粒和粘结性、吸湿性强的尘粒的捕集。
4.静电除尘器
① 工作原理 含有悬浮尘粒或雾滴的气体通过金属电极间的高压直流静电场，使气体发生电离；在电离过程中，产生的离子碰撞并附着于悬浮尘粒或雾滴上使之带电；带电的粒子或液滴在电场力作用下向着与其电性相反的收尘电极运动并吸附于电极而恢复中性。吸附在电极上的尘粒或液滴在震动或冲洗电极时落入灰斗，从而实现对含尘或含雾气的分离。
② 特点 静电除尘器能有效地捕集0.1μm甚至更小的烟尘或雾滴，分离效率可高达99.99%，阻力较小，气体处理量可以很大。低温操作时性能良好，也可用于500℃左右的高温气体除尘。
缺点是设备费和运转费都较高，安装、维护、管理要求严格。
五、分离方法和设备的选用
1. 气-固分离
（1）利用重力沉降除去粒径在50μm以上的粗大颗粒
（2）利用旋风分离器除去5μm以上的颗粒
（3）利用湿法除尘(1μm) 、袋滤器(0.1μm)或电除尘器(0.01μm)除去5μm以下的颗粒
2. 液-固分离
（1）以获得固体颗粒产品为分离目的
固体颗粒的粒径大于50μm：过滤离心机；
粒径小于50μm：压差过滤设备。
固体浓度小于1%：沉降槽、旋液分离器、沉降离心机；
固体浓度为1～10%：板框压滤机；
固体浓度为10%～50%：离心机；
固体浓度在50%以上：真空过滤机。
（2）以澄清液体为分离目的
利用连续沉降槽、过滤机、过滤离心机或沉降离心机。如螺旋沉降离心机可除去10μm以上的颗粒；预涂层的板框式压滤机可除去5μm以上的颗粒；管式分离机可除去1μm左右的颗粒。
作业
简答题：P149页2、3
任务三 获取沉降和过滤知识
一、沉降
（一） 重力沉降
1．球形颗粒的自由沉降
在重力场中，借连续相与分散相的密度差异使两相分离的过程，称为重力沉降。
在自由沉降中，颗粒所受到的作用力有重力、浮力和阻力。开始时，颗粒为加速运动，随着颗粒沉降速度的增大，阻力亦增大，当颗粒受力达平衡时，颗粒即开始作匀速沉降，对应的沉降速度为一定值，称该速度为沉降速度。
2. 实际沉降
影响沉降速度的因素
① 颗粒含量的影响：多或少
② 颗粒形状的影响：非球形颗粒或球形颗粒
③ 颗粒大小的影响：小或大
④ 流体性质的影响。流体与颗粒的密度差越大，流体的粘度越小，沉降速度越大；
⑤ 流体流动的影响：稳定的低速
⑥ 器壁的影响：摩擦干扰 、吸附干扰
3. 降尘室的生产能力的计算
设降尘室的长、高、宽分别为l、h、b，气体的速度为u，颗粒的沉降速度为u0。
气体在降尘室内的停留时间：
颗粒在降尘室中所需的沉降时间 ：
保证颗粒能被沉降下来，需
则降尘室的生产能力为
Vs=uhb≦u0lb
即降尘室的生产能力Vs与降尘室的底面积A=lb成正比，与高度H无关，故降尘室多制成扁平形。为提高其生产能力，可制成多层降尘室。
降尘室适于分离粒径大于75μm的尘粒，亦可作为预分离设备 。
（二） 离心沉降
1、离心沉降速度
颗粒受到离心力的作用而沉降的过程称为离心沉降。
离心力场中的颗粒在径向与流体间产生相对运动时，同样受到三个作用力，即离心力、向心力和阻力。当三力平衡时，颗粒在径向上相对于流体的速度即为颗粒在此位置上的离心沉降速度，其计算式为
2.离心分离因数
颗粒在离心力场中所受到的离心力大小为
离心分离因数Kc表示离心力与重力的比值，即
离心分离因数是反映离心沉降设备工作性能的主要参数。对某些高速离心机，分离因数KC值可高达数十万，旋风或旋液分离器的分离因数一般在5~2500之间，可见离心沉降设备的分离效果远较重力沉降设备为高。
二、过滤
（一）基本概念
1. 过滤过程与过滤介质
它是利用重力、离心力或压力差使悬浮液通过多孔性过滤介质，其中固体颗粒被截留，滤液穿过介质流出以达到固液混合物的分离。
待分离的悬浮液称为滤浆或料浆，被截留下来的固体集合称为滤渣或滤饼，透过固体隔层的液体称为滤液，所用多孔性物质称为过滤介质。
过滤介质的作用是使滤液通过、截留固体颗粒及支承滤饼。要求过滤介质具有多孔性、耐腐蚀性及足够的机械强度等。
①织物介质（滤布）
由棉、毛、丝、麻及合成纤维制成的织物，由玻璃丝、金属丝织成的网。
②堆积介质
细砂、无烟煤、活性炭、石棉、硅藻土等细小坚硬的颗粒状物质。
③多孔固体介质
具有很多微细孔道的固体材料，能耐腐蚀，适用于处理含少量细小颗粒的悬浮液及有腐蚀性的悬浮液。
④多孔膜：超滤和微滤
2.过滤操作的分类
②深层过滤
固体颗粒不形成滤饼，而是沉积在过滤介质内部的过滤，称为深层过滤。其特点是过滤过程中阻力不变。
(1)按过滤推动力分
重力过滤、离心力过滤、压力差（加压、真空）过滤
(2)按过滤机理分
①滤饼过滤
悬浮液中的固体颗粒沉积在过滤介质表面上形成滤饼层，渡液穿过滤饼层中空隙的过滤过程称为滤饼过滤，又称为表面过滤。其特点是随着过滤时间的增长，发生“架桥”现象，滤饼层增厚，过滤阻力也随之增大，因此，在过滤中，起主要过滤作用的是滤饼而不是过滤介质。
3.助滤剂
滤饼可分为可压缩性滤饼（如胶体）和不可压缩性滤饼（如硅藻土、碳酸钙）两种。
对于可压缩性滤饼，为了减小过滤阻力，可加入某些助滤剂，如硅藻土、石棉、碳粉、珍珠岩、纤维素等。由此它不宜用于滤饼需回收的过滤操作。
助滤剂是一种坚硬且形状不规则的小固体颗粒，其作用是改变滤饼的结构，使滤饼结构松散，且具有一定的刚性，从而可避免滤布的早期堵塞和过滤阻力过大。
4. 过滤操作周期
过滤操作分连续和间歇两种操作方式，但都存在一个操作周期问题。过滤过程的操作周期主要包括过滤、洗涤、卸渣、清理等步骤。对于板框过滤机等需装拆的过滤设备，还包括组装过程。
(二) 影响过滤速率的因素
1. 悬浮液黏度的影响
黏度越小，过滤速率越快，故应趁热过滤。
2. 过滤推动力的影响
重力过滤设备简单，但推动力小，过滤速率慢。加压过滤过滤速率快，但压差越大，对设备的密封性和强度要求越高。真空过滤也能获得较大的过滤速率，但操作的真空度受到液体沸点等因素的限制。离心过滤的过滤速率快，但设备复杂，投资费用和动力消耗都较大。
3. 滤饼的影响
颗粒越细，滤饼越紧密、越厚，其阻力越大。
4. 过滤介质的影响
过滤介质的孔隙越小，厚度越厚，则产生的阻力越大，过滤速率越小。
作业
简答题：P149页7、8

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