单元三 非均相混合物的分离

主讲人 :吕利霞

内蒙古化工职业学院

均相混合物

1、混合物

非均相混合物 :有两种相态

( 有明显的相界面 ,性质不均匀 )

气 -固物系 :含尘气体 ;

2、非均相混合物 液 -液物系 :乳浊液 ;

液 -固物系 :悬浮液 ;

连续相（分散介质）、分散相（分散物质）

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3 、分离目的

（ 1）回收有用物质

（ 2）净化物料

（ 3）环境保护

4 、分离方法 沉降

机械法

过滤

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第一节 沉 降

重力沉降

沉降

离心沉降

一、重力沉降

1 、球形颗粒的自由沉降

（ 1 ）自由沉降：不受其它颗粒和器壁的影响。

（ 2 ）自由沉降速度

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经过受力分析：

根据牛顿第二定律：

浮力 Fb

阻力 Fd

重力 Fg

24

6F

6F

22

3b

3g

udF

gd

gd

d

s

阻力：

浮力：

重力：

adu

dd ss 32

23

624)(

6

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颗粒的沉降过程分为两个阶段

加速阶段： u=0,Fd=0,a=amax

u↑， fd↑， a↓

等速阶段： u=ut时， Fd=Fg-Fb， a=0

3

g)(d4u

2

ud

4)(d

6

st

2t2

s3

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2 、阻力系数 :

实验测得 :

(1) 层流区 (10-4<Ret≤2)

(2) 过渡区 (2<Ret≤103)

(3) 湍流区 (103<Ret≤2×105)

3 、沉降速度的计算

(1) 层流区：斯托克斯公式

tPt

udff Re

18

2 PP

t

gdu

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（ 2）过渡区

（ 3）湍流区

注：计算时先假设沉降所在区域，后利用公式进行计算，最后再进行判断假设是否成立，如成立计算结果有效；如不成立，则重新进行假设重新计算，直到判断成立。

4.1

1

6.043.0

6.1

153.0

PP

t

gdu

gdu PPt

74.1

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4 、实际重力沉降速度

（ 1）颗粒形状

当量直径：

球 形 度 :

（ 2）干扰沉降

（ 3）绝对速度

36

P

e

Vd

PS

S

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二、离心沉降

1 、离心沉降：利用离心力的作用使固体颗粒迅

速沉降的操作。

2、离心加速度

3、离心沉降速度（受力分析）

r

ura t

22

024

)(6

22

23 r

PT

SP

ud

R

ud

R

ud TSP2

r 3

)(4u

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注： ζ 及沉降速度仍可以按重力沉降方法计算。

4、离心分离因数

Kc值一般在 102～ 105之间，其大小反映了离心沉降设备的效能为重力沉降设备的倍数，是离心分离设备性能的一项重要指标。

提高离心分离因数的方法：提高转速、设备直径。

5、颗粒运动的绝对速度 up;

重力沉降速度离心沉降速度

gR

u

u

uK T

t

rC

2

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三、沉降分离设备

1 、沉降分离设备的指标

（ 1）基本要求 :tr ≥ ts

　　　　停留时间　　　沉降时间

（ 2）分离性能指标

总效率：沉降下来的颗粒的重量与颗粒总重量的比值。

粒级分离效率ηi：在一定粒径颗粒的总量中，被分

离的部分所占的质量百分数。

临界直径 dpc: 粒级效率 100% 时的颗粒直径。

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最大生产能力：规定了临界粒径后设备的处理量。

二、重力沉降设备

１、降尘室

含尘气体的处理量

降尘室的处理量与降尘室的高度无关。

u

Ltr

ut

u

ts u

Ht

tu

H

u

L

tBLuBHuV

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2 、连续沉降槽（澄清器，增稠器，浓缩器）

（ 1）结构

（ 2）适用于大流量、低浓度的悬浮液的分离。

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三、离心沉降设备1 、旋风分离器

是判断旋风分离器分离效率高低的重要依据。临界粒径： 5-75μm 的粒子。特点：结构简单， 价格低廉， 性能稳定；

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2 、旋液分离器

旋风分离器相比，旋液分离器的特点是 (1) 形状细长，直径小，圆锥部分长，以利于颗粒的分离； (2) 中心经常有一个处于负压的气柱，有利于提高分离效果。旋液分离器中颗粒沿壁面高速运动，磨损严重，一般采用耐磨材料制造。

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3 、沉降离心机

（ 1）工作原理：利用机械带动液体旋转，分离非

均相混合物的设备。

（ 2）种类：立式、卧式；间歇式、连续式；

人工卸料式、螺旋卸料式、刮刀卸料式。

（ 3）管式分离机、螺旋卸料沉降离心机

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第二节 过 滤

过滤：在推动力的作用下，使液 -固或气 -固混合物

中的流体通过多孔性介质，固体颗粒被截留，

实现固体与流体分离的操作。

一、概述1 、滤饼过滤与深层过滤

2、过滤介质：使流体透过而截留固体的可渗透性材料。

（ 1）砂粒、无烟煤、活性炭、金属网、滤布

深层过滤 饼层过滤

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（ 2）选择过滤介质的依据：

分离要求； 悬浮液特性； 操作条件； 过滤设备的类型；

3 、过滤的推动力 重力、离心力和压强差。

加压过滤和真空过滤；恒速过滤与恒压过滤；

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4 、过滤基本参数

（ 1）处理量

（ 2）生产能力：单位时间内得到的滤液的体积，

m3滤液 /h；

（ 3）生产率 G：单位时间、单位面积内过滤出的干

固体质量， kg 干固体 /(m2.s) ；

（ 4）过滤面积 A

（ 5）悬浮液固相浓度 c:单位体积悬浮液中含有的

固体颗粒的总体积。

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（ 6）滤饼含液量 ω: 滤饼中所含液体的质量分数。

（ 7）滤饼与滤液的体积比 ν ： m3滤饼 /m3滤液；

（ 8）过滤速率 : 单位时间内获得的滤液的体

积， m3滤液 /s;

（ 9）过滤速度 ：单位时间内单位过滤面积上

得到的滤液的体积， m3滤液 /(m2.s);

dt

dV

Adt

dV

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5 、滤饼的可压缩性

可压缩滤饼 : 助滤剂滤饼 不可压缩滤饼

6、滤饼的洗涤

例题： P112 。

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二、恒压过滤

1 、过滤的基本方程

流动模型：液体在圆管内的层（滞）流流动。

哈根·泊谡叶公式：

（ 1）空隙率 ε：单位体积床层中的空隙体积，

m3/m3；

（ 2）滤液的流速：

2

32

d

lup f

A

A0床层体积空隙体积

dt

dV

Au

0

1

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（ 3）滤液通过滤饼的流动可看成是液体以速度 u通过长度为 L（滤饼厚度） 、直径为 d0 的并联管

路的流动。

（ 4）滤液通过过滤介质的流动阻力可折合为以流速 u流过厚度为 Le （当量滤饼厚度）的滤饼的阻力。

20

32

d

uLLp ef

ef

LL

dp

dtA

dV

dtA

dVu

32

20

0

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其中：　　　　　　滤饼的比阻，１／ m2；

由于滤饼厚度随时间变化，则：

　　　　　　　　　　　　　过滤基本方程

20

32

dr

阻力推动力

e

f

e

f

LLr

p

LL

dp

Adt

dV

32

20

VAL A

VL

A

VL ee

ef

VVr

pA

Adt

dV

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对于可压缩滤饼：　　　　　　

s ：滤饼的压缩性指数，０－１间；（对于不可压缩滤饼， s＝ 0 ）

r0：单位压强差下滤饼的比阻，１／ m2;

２、恒压过滤方程

sfprr 0

t

fV

e

dtr

pAdVVV

0

2

0

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令：

　　　　　　——　恒压过滤方程

其中：Ｋ、 qe由实验测定。

rp

K f

2

tAr

pVVV fe

222

2

A

Vq

A

Vq ee

tKAVVV e22 2

Ktqqq e 22

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当滤饼阻力远大于过滤介质的阻力时，Ｖ e 、 qe 可

被忽略。

３、过滤常数Ｋ、Ｖ e、 qe的测定（略）

　　　　　例题：Ｐ 115 。

tKAV 22 Ktq 2

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三、过滤设备

1 、板框压滤机

（ 1）结构：机头、滤框、滤板、尾板和压紧装置。

（ 2）工作原理：

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（ 3）生产能力：单位时间得到的滤液量。

（ 4）排液方式：明流、暗流；

DW tttt

t

VVt

2

8

KA

VVV

d

dV

Vt eW

W

WW

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（ 5）特点：

优点：构造简单，过滤面积大，过滤压力高，操作

灵活；

缺点：间歇操作，劳动强度大，效率低；

（ 6）例题（略）

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2 、转筒真空过滤机

（ 1）结构：转鼓、分配头；

（ 2）工作原理：

（ 3）生产能力：

浸没度 ψ：转鼓浸入液面以下面积占整个

转鼓面积的百分率。

过滤时间： （注： n为转鼓每分钟转数）

nt

60

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m3/h ；

若过滤介质阻力可忽略，则：

（ 4）特点：连续操作，处理量大，成本高，过滤

速度低

ee qqKtq 2

eet qq

n

KnAnAqV 260

6060

nBKnAVt '6060

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3 、过滤离心机

（ 1）种类：三足式、卧式刮刀卸料式、离心卸料

式等；

（ 2）操作过程：过滤、洗涤、甩干、卸料、洗网

（ 3）操作特点：

操作时间可随意控制，分离 1μm 以上的颗粒，

生产能力大，但不易保持颗粒形状的完整。

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第三节 分离设备的选择

一、气—固分离

降尘室： 50 μm 以上；用于含尘气体的预分离；

旋风分离器： 5 μm 以上；非粘性、非纤维状固体；

湿式除尘器： 1μm 以上；除粉尘，非水硬性固体；

袋滤器： 0.1 μm 以上；气体的净化或干粉的回收；

电除尘器： 0.01μm 以上；效率高，处理能力大；

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二、液—固分离

1 、获得固体产品：

增浓：沉降槽，旋液分离器，沉降离心机；

过滤：过滤离心机，板框压滤机；

2、澄清液体

普通要求：连续沉降槽、过滤机；

澄清要求高：深层过滤；