化工原理(非均相分离)

1第3章非均相物系的分离和固体流态化3．1概述本章介绍利用流体力学原理(颗粒与流体之间相对运动)实现非均相物系的分离流态化及固体颗粒的气力输送等工业过程。1．混合物的分类自然界的大多数物质是混合物。若物系内部各处组成均匀且不存在相界面，则称为均相混合物或均相物系，溶液及混合气体都是均相混合物。由具有不同物理性质(如密度差别)的分散物质和连续介质所组成的物系称为非均相混合物或非均相物系。在非均相物系中，处于分散状态的物质，如分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡，称为分散物质或分散相；包围分散物质且处于连续状态的物质称为分散介质或连续相。根据连续相的状态，非均相物系分为两种类型：①气态非均相物系，如含尘气体、含雾气体等；②液态非均相物系，如悬浮液、乳浊液及泡沫液等。2．非均相混合物的分离方法由于非均相物系中分散相和连续相具有不同的物理性质，故工业上一般都采用机械方法将两相进行分离。要实现这种分离，必须使分散相与连续相之间发生相对运动。根据两相运动方式的不同，机械分离可按下面两种操作方式进行。①颗粒相对于流体(静止或运动)运动而实现悬浮物系分离的过程称为沉降分离。实现沉降操作的作用力可以是重力，也可以是惯性离心力，因此，沉降过程有重力沉降与离心沉降之分。②流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程称为过滤。实现过滤操作的外力可以是重力、压强差或惯性离心力。因此，过滤操作又可分为重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤。气态非均相混合物的分离，工业上主要采用重力沉降和离心沉降方法。在某些场合，根据颗粒的粒径和分离程度要求，也可采用惯性分离器、袋滤器、静电除尘器或湿法除尘设备等，如表3—1所示。┘此外，还可采用其他措施．预先增大微细粒子的有效尺寸而后加以机械分离。例如，使含尘或含雾气体与过饱和蒸汽接触，发生以粒子为核心的冷凝；又如，将气体引入超声场内，使细粒碰撞并凝聚。这样，可使微细颗粒附聚成较大颗粒，然后在旋风分离器中除去。对于液态非均相物系，根据工艺过程要求可采用不同的分离操作。若要求悬浮液在一定程度上增浓，可采用重力增稠器或离心沉降设备；若要求固液较彻底地分离，则要通过过滤操作达到目的；乳浊液的分离可在离心分离机中进行。3．非均相混合物分离的目的(1)收集分散物质例如收取从气流干燥器或喷雾干燥器出来的气体以及从结晶器出来的晶浆中带有的固体颗粒，这些悬浮的颗粒作为产品必须回收；又如回收从催化反应器出来的气体中夹带的催化剂颗粒以循环使用。(2)净化分散介质某些催化反应，原料气中夹带有杂质会影响触媒的效能，必须在气体进反应器之前清除催化反应原料气中的杂质，以保证触媒的活性。(3)环境保护与安全生产为了保护人类生态环境，消除工业污染，要求对排放的废气、废液中的有害物质加以处理，使其达到规定的排放标准；很多含碳物质或金属细粉与空气混合会形成爆炸物，必须除去这些物质以消除爆炸的隐2患。机械分离操作涉及颗粒相对于流体以及流体相对于颗粒床层的流动。同时，在许多单元操作和化学反应中经常采用的流态化技术同样涉及两相间的流动，它们都遵循流体力学的基本规律。本章重点讨论沉降和过滤两种机械分离操作的原理、过程计算、典型设备的结构、特性和选型，同时简要介绍流态化技术的基本概念。3．2颗粒及颗粒床层的特性颗粒与流体之间的相对运动特性与颗粒本身的特性密切相关，因而首先介绍颗粒的有关性能。3．2．1颗粒的特性表述颗粒特性的主要参数为颗粒的形状、大小(体积)和表面积。1．单一颗粒特性1)球形颗粒球形粒子通常用直径(粒径)表示其大小。球形颗粒的各有关特性均可用单一的参数即直径d全面表示。诸如：式中d--颗粒直径，m；V--球形颗粒的体积，m3；S--球形颗粒的表面积，m2；a—比表面积(单位体积颗粒具有的表面积)，m2/m3。2)非球形颗粒工业上遇到的固体颗粒大多是非球形的。非球形颗粒可用当量直径及形状系数来表示其特性。(1)体积当量直径de当量直径是根据实际颗粒与球体某种等效性而确定的。根据测量方法及在不同方面的等效性，当量直径有不同的表示方法。工程上，体积当量直径应用比较多。令实际颗粒的体积等于当量球形颗粒的体积，则体积当量直径定义为33P66VPeeVdd式中de—体积当量直径，m；VP—球形颗粒的实际体积，m3。dadd/6S6V233(2)形状系数形状系数又称球形度，它表征颗粒的形状与球形的差异程度。可以写出：PsSS式中Фs—颗粒的形状系数或球形度；Sp—颗粒的表面积，m2；S—与该颗粒体积相等的圆球的表面积，m2。由于体积相同时球形颗粒的表面积最小，因此，任何非球形颗粒的形状系数皆小于1。对于球形颗粒，Фs=1。颗粒形状与球形差别愈大，Фs值愈低。对于非球形颗粒，必须有两个参数才能确定其特征。通常选用体积当量直径和形状系数来表征颗粒的体积、表面积和比表面积，即esPsePedadSd/6/6V23P2.颗粒群的特性工业中遇到的颗粒大多是由大小不同的粒子组成的集合体，称为非均一性粒子或多分散性粒子；而将具有同一粒径的颗粒称为单一性粒子或单分散性粒子。1)粒度分布不同粒径范围内所含粒子的个数或质量，即粒径分布。可采用多种方法测量多分散性粒子的粒度分布。对于大于40μm的颗粒，通常采用一套标准筛进行测量。这种方法称为筛分分析。泰勒标准筛的目数与对应的孔径如表3—2所示。当使用某一号筛子时，通过筛孔的颗粒量称为筛过量，截留于筛面上的颗粒量则称为筛余量。称取各号筛面上的颗粒筛余量即得筛分分析的基本数据。目前各种筛制正向国际标准组织ISO筛系统一。2)颗粒的平均粒径颗粒平均直径的计算方法很多，其中最常用的是平均比表面积直径。设有一批大小不等的球形颗粒，其总质量为G，经筛分分析得到相邻两号筛之间的颗粒质量为Gi，筛分直径(两筛号筛孔的算术平均值)为di。根据比表面积相等原则，颗粒群的平均比表面积直径可写为iiaiiiiadxddxGGdd/111或式中da——平均比表面积直径，m;di——筛分直径，m;4xi——di粒径段内颗粒的质量分数。3.2.2颗粒床层的特性1．床层空隙率ε由颗粒群堆积成的床层疏密程度可用空隙率来表示，其定义如下：床层体积颗粒体积床层体积影响空隙率ε值的因素非常复杂，诸如颗粒的大小、形状、粒度分布与充填方式等。实验证明，单分散性球形颗粒作最松排列时的空隙率为0.48，作最紧密排列时为0.26；乱堆的非球形颗粒床层空隙率往往大于球形的，形状系数Фs值愈小，空隙率ε值超过球形ε的可能性愈大；多分散性颗粒所形成的床层空隙率则较小；若充填时设备受到振动，则空隙率必定小，采用湿法充填(即设备内先充以液体)，则空隙率必大。一般乱堆床层的空隙率大致在0.47～0.70之间。2．床层的比表面积ab单位床层体积具有的颗粒表面积称为床层的比表面积ab。若忽略之间接触面积的影响，则床层空隙率。—；颗粒的比表面积，—；床层比表面积，—式中：3232//1mmammaaabbsbsbsbsbbmkgda1,/63用下式表示：之间的近似关系可和密度，分别为堆积密度和真实、式中堆积密度估算，即床层比表面积也可根据3．床层的自由截面积床层截面上未被颗粒占据的、流体可以自由通过的面积即为床层的自由截面积。工业上，小颗粒的床层用乱堆方法堆成，而非球形颗粒的定向是随机的，因而可认为床层是各向同性。各向同性床层的一个重要特点是，床层横截面上可供流体通过的自由截面(即空隙截面)与床层截面之比在数值上等于空隙率ε。实际上，壁面附近床层的空隙率总是大于床层内部的，较多的流体必趋向近壁处流过，使床层截面上流体分布不均匀，这种现象称为壁效应。当床层直径D与颗粒直径d之比D/d较小时，壁效应的影响尤为严重。3.2.3流体通过床层流动的压降5固定床层中颗粒间的空隙形成可供流体通过的细小、曲折、互相交联的复杂通道。流体通过如此复杂通道的流动阻力很难进行理论推算。本节采用数学模型法进行研究。1．床层的简化模型细小而密集的固体颗粒床层具有很大的比表面积，流体通过这样床层的流动多为滞流，流动阻力基本上为黏性摩擦阻力，从而使整个床层截面速度的分布均匀化。为解决流体通过床层的压降计算问题，在保证单位床层体积表面积相等的前提下，将颗粒床层内实际流动过程加以简化，以便可以用数学方程式加以描述。简化模型是将床层中不规则的通道假设成长度为L，当量直径为de的一组平行细管，并且规定：①细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积；②细管的内表面积等于颗粒床层的全部表面积。在上述简化条件下，以1m3床层体积为基准，细管的当量直径可表示为床层空隙率ε及比表面积ab的函数，即aadbeb1444细管的全部内表面积床层流动空间2．流体通过床层压降的数学描述根据前述简化模型，流体通过一组平行细管流动的压降为23111211./:;P2uaLpuuuusmumdmLapudLpfebfef的关系的空床流速与按整个床层截面计算速，流体在床层内的实际流—；床层流道的当量直径，—床层高度，—流体通过床层的压降，—式3—12即为流体通过固定床压降的数学模型，式中的λ'为流体通过床层流道的摩擦系数，称为模型参数，其值由实验测定。63．模型参数的实验测定模型的有效性需通过实验检验，模型参数需实验测定。3．3沉降分离在外力场作用下，利用分散相和连续相之间的密度差，使之发生相对运动而实现非均相混合物分离的操作称为沉降分离。显然，实现沉降分离的前提条件是分散相和连续相之间存在密度差，并且有外力场的作用。根据外力场的不同，沉降分离分为重力沉降和离心沉降；根据沉降过程中颗粒是否受到其他颗粒或器壁的影响而分为自由沉降和干扰沉降。沉降属于流体相对于颗粒的绕流问题。液一固之间的相对运动有三种情况：流体静止，颗粒相对于流体作沉降或浮升运动；固体颗粒静止，流体对固体作绕流；固体和流体都运动，但二者保持一定相对速度。只要相对速度相同，上述三种情况并没本质区别。本节从最简单的沉降过程——刚性球形颗粒的自由沉降入手，讨论沉降速度的计算，分析影响沉降速度的因素，介绍沉降设备的设计或操作原则3．3.1重力沉降在重力场中进行的沉降过程称为重力沉降。1．沉降速度1)球形颗粒的自由沉降将表面光滑的刚性球形颗粒置于静止的流体介质中，如果颗粒的密度大于流体的密度，则颗粒将在流体中降落。此时，颗粒受到三个力的作用，即重力、浮力和阻力，如图3—1所示。重力向下，浮力向上，阻力与颗粒运动的方向相反(即向上)。对于一定的流体和颗粒，重力与浮力是恒定的，而阻力却随颗粒的降落速度而变。7速度，ｍ／ｓ颗粒相对于流体的降落—ｕ，ｍｄ４，Ａ＝向的平面上的投影面积颗粒在垂直于其运动方—Ａ阻力系数，量纲为１；—式中阻力浮力重力，则，流体密度为，直径为令颗粒的密度为２２2F6F6F233uAgdgdddbsgs.;/;6246F23223gssmakgmddududgdmaFFssdb时间，—加速度，—颗粒的质量，—式中或乘积，即加速度ａ的力应等于颗粒的质量与可知，上面三个力的合根据牛顿第二运动定律颗粒开始沉降的瞬间，速度u为零，因此阻力Fd也为零，故加速度a具有最大值。颗粒开始沉降后，阻力随运动速度u的增加而相应加大，直至u达到某一数值ut后，阻力、浮力与重力达到平衡，即合力为零。质量m不可能为零，故只有加速度a为零。此时，颗粒便开始作匀速沉降运动。由上面分析可见，静止流体中颗粒的沉降过程可分为两个阶段，起初为加速段，后为等速段。由于小颗粒具有相当大的比表面积，使得颗粒与流体间的接触面积很大，故阻力在很短时间内便与颗粒所受的净重力（重力减浮力）接近平衡。因而，经历加速段的时间很短，在整个沉降过程中往往可以忽略。等速阶段中颗粒相对于流体的运动速度ut称为沉降速度。由于这个速度是加速阶段终了时颗粒相对于流体的速度，故又称为“终端速度”。./;//34,023smgmkg