化工原理-非均相物系的分离（沉降与过滤）

化工原理-非均相物系的分离（沉降与过滤）笔记，包括沉降、过滤、固体流化态与气力输送三部分内容。

非均相物系的分离

• 沉降
  • 目的：分离流体与固体颗粒
  • 原理：利用固体与流体之间的密度差
  • 分类
    • 重力沉降
      • 分离较大的颗粒固体
      • 自由沉降
        • 球形颗粒在流体的自由沉降速度
          • 层流区：Rep≤1
          • 过渡区：1<Rep<100
          • 湍流区：100<Rep<2×10^5
        • 影响沉降速度的因素
          • 颗粒直径：颗粒直径越大，速度越大
          • 流体密度：流体密度越大，速度越小
          • 颗粒密度：颗粒密度越大，速度越大
      • 干扰沉降
        • 沉降速度
        • 影响沉降速度的因素
          • 当颗粒为非球形时，表面积增加，表面曳力和形体曳力越大，沉降速度越小
          • 流体的分子运动：当颗粒直径小于2~3um以下，与流体分子自由程接近，由于受流体分子运动的影响，难以用重力沉降除去
          • 液滴或气泡变形：液滴或气泡变形产生内循环流动时，影响颗粒沉降速度计算的准确性
          • 壁效应和端效应：当dP/D>0.01时，颗粒沉降受壁效应影响，使沉降速度降低
      • 设备
        • 降尘室：分离气体中尘粒
        • 沉降槽：分离悬浮液或乳状液
    • 离心沉降
      • 分离尺寸较小的颗粒
      • 沉降速度：离心沉降的颗粒直径小，处于层流区
      • 离心分离因素：离心加速度与重力加速度的比值
      • 设备
        • 旋风分离设备：分离气体中的尘粒
        • 旋液分离设备（水流旋流器）：分离液体中的固体颗粒
        • 结构，原理，特点
        • 离心沉降机
          • 特点：液体非均相混合物分离，转速可调，适用于分离困难的体系
          • 分类
            • 转鼓式离心机
            • 碟片式离心机
• 过滤
  • 基本概念：原理，滤液，滤浆，滤渣（滤饼）
  • 过滤方式
    • 滤饼过滤：真正发挥作用的使滤饼，而非过滤介质，会出现架桥现象，适合处理颗粒含量较高的悬浮液
    • 深层过滤：在介质内部过滤，介质表面无颗粒层形成，适用与颗粒尺寸小，含量低的情况
  • 过滤介质
    • 要求：具有多孔性，足够的机械强度
    • 分类
      • 织物：棉，麻，合纤，金属网
      • 多孔性固体介质：多孔塑料
      • 堆积介质：砂，木炭，石棉粉
      • 多孔膜：无极/有机膜
  • 助滤剂
    • 目的：防止过滤介质孔道的堵塞，降低压缩滤饼的过滤阻力
    • 要求：较好的悬浮与料液中，颗粒大小合适，不含有可溶于滤液的物质
    • 注意：滤饼是产品时不能使用助滤剂
  • 工艺计算
    • 物料衡算—确定滤液与滤饼的定量关系
    • 过滤速率
      • 计算前提
        • 过滤过程可视为流体通过固定床的流动
        • 滤液通过滤布和滤饼的流动处于层流区
      • 过滤速率方程
    • 过滤时的操作方式
      • 恒压过滤
      • 恒速过滤
      • 先恒速，后恒压的组合操作
    • 滤饼的洗涤：为了回收滤饼中的滤液，或除去滤饼中可溶性杂质；用恒压洗涤法
  • 过滤设备
    • 以压力差为推动力
      • 板框式过滤机—间歇操作
      • 叶滤机—间歇操作，置换法
      • 回转真空过滤机—实现连续生产
    • 以离心力为推动力
• 固体流化态与气力输送
  • 床层的流化态过程
    • 固定床
    • 起始流化床状态
    • 流化床
    • 气力输送
    • 特点，定义
  • 流化床
    • 特点：流化床类似液体的特性
    • 类型
      • 散式流化态：颗粒分布均匀，波动很小，两相密度差很小的体系呈次态，液—固流化体
      • 聚式流化态：颗粒在床层分布不均匀，成两相结构（乳化相、气泡相），密度差较大的体系，气—固流化床
    • 异常现象
      • 腾涌
        • 定义：气体分布不均匀的气—固流床中，小气泡形成大气泡，当气泡直径与床径相等时，形成相互分开的气泡与颗粒层
        • 危害：造成床层阻力波动大，颗粒磨损，设备振动
      • 沟流
        • 定义：大量气体未与固体颗粒较好接触就穿过沟道上升，形成短路
        • 特点：气固接触不良，不利于气固间的传热传质，床层的压降比正常值小
  • 气力输送
    • 定义：利用气体进行颗粒输送的过程
    • 常用介质：空气，惰性气体
    • 优缺点
    • 类型
      • 稀相输送：固气比R<25，输送距离一般为100m以下
      • 密相输送：固气比R>25，用高压气体压送物料
      • 固气比：单位质量气体所输送的固体质量