化工原理(非均相分離)

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1、第3章非均相物系的分離和固體流態(tài)化3．1概述本章介紹利用流體力學(xué)原理(顆粒與流體之間相對運(yùn)動)實(shí)現(xiàn)非均相物系的分離流態(tài)化及固體顆粒的氣力輸送等工業(yè)過程。1．混合物的分類自然界的大多數(shù)物質(zhì)是混合物。若物系內(nèi)部各處組成均勻且不存在相界面，則稱為均相混合物或均相物系，溶液及混合氣體都是均相混合物。由具有不同物理性質(zhì)(如密度差別)的分散物質(zhì)和連續(xù)介質(zhì)所組成的物系稱為非均相混合物或非均相物系。在非均相物系中，處于分散狀態(tài)的物質(zhì)，如分散于流體中的固體顆粒、液滴或氣泡，稱為分散物質(zhì)或分散相；包圍分散物質(zhì)且處于連續(xù)狀態(tài)的物質(zhì)稱為分散介質(zhì)或連續(xù)相。根據(jù)連續(xù)相的狀態(tài)，非均相物系分為兩種類型：①氣態(tài)非均相物系

2、，如含塵氣體、含霧氣體等；②液態(tài)非均相物系，如懸浮液、乳濁液及泡沫液等。2．非均相混合物的分離方法由于非均相物系中分散相和連續(xù)相具有不同的物理性質(zhì)，故工業(yè)上一般都采用機(jī)械方法將兩相進(jìn)行分離。要實(shí)現(xiàn)這種分離，必須使分散相與連續(xù)相之間發(fā)生相對運(yùn)動。根據(jù)兩相運(yùn)動方式的不同，機(jī)械分離可按下面兩種操作方式進(jìn)行。①顆粒相對于流體(靜止或運(yùn)動)運(yùn)動而實(shí)現(xiàn)懸浮物系分離的過程稱為沉降分離。實(shí)現(xiàn)沉降操作的作用力可以是重力，也可以是慣性離心力，因此，沉降過程有重力沉降與離心沉降之分。②流體相對于固體顆粒床層運(yùn)動而實(shí)現(xiàn)固液分離的過程稱為過濾。實(shí)現(xiàn)過濾操作的外力可以是重力、壓強(qiáng)差或慣性離心力。因此，過濾操作又可分

3、為重力過濾、加壓過濾、真空過濾和離心過濾。氣態(tài)非均相混合物的分離，工業(yè)上主要采用重力沉降和離心沉降方法。在某些場合，根據(jù)顆粒的粒徑和分離程度要求，也可采用慣性分離器、袋濾器、靜電除塵器或濕法除塵設(shè)備等，如表3—1所示。┘此外，還可采用其他措施．預(yù)先增大微細(xì)粒子的有效尺寸而后加以機(jī)械分離。例如，使含塵或含霧氣體與過飽和蒸汽接觸，發(fā)生以粒子為核心的冷凝；又如，將氣體引入超聲場內(nèi)，使細(xì)粒碰撞并凝聚。這樣，可使微細(xì)顆粒附聚成較大顆粒，然后在旋風(fēng)分離器中除去。對于液態(tài)非均相物系，根據(jù)工藝過程要求可采用不同的分離操作。若要求懸浮液在一定程度上增濃，可采用重力增稠器或離心沉降設(shè)備；若要求固液較徹底地分

4、離，則要通過過濾操作達(dá)到目的；乳濁液的分離可在離心分離機(jī)中進(jìn)行。3．非均相混合物分離的目的(1)收集分散物質(zhì)例如收取從氣流干燥器或噴霧干燥器出來的氣體以及從結(jié)晶器出來的晶漿中帶有的固體顆粒，這些懸浮的顆粒作為產(chǎn)品必須回收；又如回收從催化反應(yīng)器出來的氣體中夾帶的催化劑顆粒以循環(huán)使用。(2)凈化分散介質(zhì)某些催化反應(yīng)，原料氣中夾帶有雜質(zhì)會影響觸媒的效能，必須在氣體進(jìn)反應(yīng)器之前清除催化反應(yīng)原料氣中的雜質(zhì)，以保證觸媒的活性。(3)環(huán)境保護(hù)與安全生產(chǎn)為了保護(hù)人類生態(tài)環(huán)境，消除工業(yè)污染，要求對排放的廢氣、廢液中的有害物質(zhì)加以處理，使其達(dá)到規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)；很多含碳物質(zhì)或金屬細(xì)粉與空氣混合會形成爆炸物，必

5、須除去這些物質(zhì)以消除爆炸的隱患。44機(jī)械分離操作涉及顆粒相對于流體以及流體相對于顆粒床層的流動。同時，在許多單元操作和化學(xué)反應(yīng)中經(jīng)常采用的流態(tài)化技術(shù)同樣涉及兩相間的流動，它們都遵循流體力學(xué)的基本規(guī)律。本章重點(diǎn)討論沉降和過濾兩種機(jī)械分離操作的原理、過程計(jì)算、典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)、特性和選型，同時簡要介紹流態(tài)化技術(shù)的基本概念。3．2顆粒及顆粒床層的特性顆粒與流體之間的相對運(yùn)動特性與顆粒本身的特性密切相關(guān)，因而首先介紹顆粒的有關(guān)性能。3．2．1顆粒的特性表述顆粒特性的主要參數(shù)為顆粒的形狀、大小(體積)和表面積。1．單一顆粒特性1)球形顆粒球形粒子通常用直徑(粒徑)表示其大小。球形顆粒的各有關(guān)特性均可

6、用單一的參數(shù)即直徑d全面表示。諸如：式中d--顆粒直徑，m；V--球形顆粒的體積，m3；S--球形顆粒的表面積，m2；a—比表面積(單位體積顆粒具有的表面積)，m2/m3。2)非球形顆粒工業(yè)上遇到的固體顆粒大多是非球形的。非球形顆?？捎卯?dāng)量直徑及形狀系數(shù)來表示其特性。(1)體積當(dāng)量直徑de當(dāng)量直徑是根據(jù)實(shí)際顆粒與球體某種等效性而確定的。根據(jù)測量方法及在不同方面的等效性，當(dāng)量直徑有不同的表示方法。工程上，體積當(dāng)量直徑應(yīng)用比較多。令實(shí)際顆粒的體積等于當(dāng)量球形顆粒的體積，則體積當(dāng)量直徑定義為式中de—體積當(dāng)量直徑，m；VP—球形顆粒的實(shí)際體積，m3。(2)形狀系數(shù)形狀系數(shù)又稱球形度，它表征顆粒

7、的形狀與球形的差異程度。44可以寫出：式中Фs—顆粒的形狀系數(shù)或球形度；Sp—顆粒的表面積，m2；S—與該顆粒體積相等的圓球的表面積，m2。由于體積相同時球形顆粒的表面積最小，因此，任何非球形顆粒的形狀系數(shù)皆小于1。對于球形顆粒，Фs=1。顆粒形狀與球形差別愈大，Фs值愈低。對于非球形顆粒，必須有兩個參數(shù)才能確定其特征。通常選用體積當(dāng)量直徑和形狀系數(shù)來表征顆粒的體積、表面積和比表面積，即2.顆粒群的特性工業(yè)中遇到的顆粒大多是由大小不