第三章非均相物系的分离
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非均相物系的分离
整理可得到球形颗粒在相应各区的沉降速度公式，即
第一节 沉 降 分 离
式（3-11）、式（3-12）及式（3-13）分别称为斯托克斯公式、 艾仑公式和牛顿公式。球形颗粒在流体中的沉降速度可根据不同流型， 分别选用上述三式进行计算。由于沉降操作中涉及的颗粒直径都较小， 操作通常处于层流区，因此，斯托克斯公式应用较多。计算沉降速度 ut首先要选择相应的计算公式，判断流动类型，因此需先知道Re。然 而，由于ut不知，Re不能预先算出，所以计算ut需采用试差法，即先 假设沉降属于层流区，用斯托克斯计算ut，然后将ut代入式（3-7） 中计算Re，若Re>1，便根据其大小改用相应的公式另行计算ut，所 算出的ut也要核验，直至确认所用的公式适合为止。同理，已知沉降 速度，也可计算沉降颗粒的直径。
容器的壁面和底面会对沉降的颗粒 产生曳力，使颗粒的实际沉降速度低于 自由沉降速度。当容器尺寸远远大于颗 粒尺寸时（如大100倍以上），器壁效 应可以忽略，否则，则应考虑器壁效应 对沉降速度的影响。
第一节 沉 降 分 离
3. 粒形状的影响
同一种固体物质，球形或近球形颗粒比同体积的非球形
颗粒的沉降要快一些。非球形颗粒的形状及其投影面积A均对
第一节 沉 降 分 离
第一节 沉 降 分 离
（三）重力沉降设备
1. 降尘室
降尘室是依靠重力沉降从气流中分离出尘粒的设备。最
常见的降尘室如图3-3所示。
图3-3 降尘室
第一节 沉 降 分 离
含尘气体进入降尘室后，颗粒随气流有一水平向前的运 动速度u，同时，在重力作用下，以沉降速度ut向下沉降。
只要颗粒能够在气体通过降尘室的时候降至室底，便可从气
所以
第一节 沉 降 分 离
3.1 第三章 非均相系分离
F = ζA d
ρu2
2
对球形颗粒 = A
π
4
d2
∴Fd = ζ ⋅ d 2 ⋅ 4 2
π
ρu2
Fg − Fb − Fd = ma
π
d ρs g − d ρg −ζ d 6 6 4
3 3
π
π
ρu2 2
2
=
π
6
d 3ρsa
(a)
颗粒开始沉降的瞬间，速度 颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力 d=0，a→max ，因此阻力F ， 颗粒开始沉降后， 颗粒开始沉降后，u ↑ →Fd ↑；u →ut 时，a=0 。 ； 等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度u 称为沉降速度。 等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度 t 称为沉降速度。 当a=0时，u=ut，代入（a）式 代入（ ） 时
µ Ret d= ρut
无因次数群K也可以判别流型 无因次数群 也可以判别流型 也可以
d ( ρs − ρ)g ut = 18µ
2
d 3(ρs − ρ)ρg K3 Ret = = 2 18µ 18
当Ret=1时K=2.62，此值即为斯托克斯区的上限 时 ，此值即为斯托克斯区的上限 牛顿定律区的下限K值为 牛顿定律区的下限 值为69.1 值为 试计算直径为95µm， 密度为 例 ： 试计算直径为 ， 密度为3000kg/m3 的固体颗粒 分别在20℃的空气和水中的自由沉降速度。 分别在 ℃的空气和水中的自由沉降速度。 解：1）在20℃水中的沉降。 ） ℃水中的沉降。 用试差法计算 先假设颗粒在滞流区内沉降 ，
Ret = dut ρ 95×10−6 ×9.797 ×10−3 ×998.2
µ
=
1.005×10
第三章 非均相
2.器壁效应
当容器尺寸远远大于颗粒尺寸时，器壁效应可忽略， 否则需加以考虑
3.颗粒形状的影响
同一种固体物质，球形或近球形颗粒比同体积非球形 颗粒的沉降快一些。
沉降速度的计算
试差法
由于在计算出ut之前Ret的大小未知，因此要通过试 差确定应该选取的计算公式。即：先假设沉降属于 某一流型，则可直接选用与该流型相应的沉降速度 公式计算，然后按求出的ut检验Ret值是否在原假设 的流型范围内。
滞流区
d 2 ( s ) g ut 18
ut 0.27 d ( s ) g Re t0.6
过渡区
湍流区
ut 1.74
d ( s ) g
1.颗粒的体积浓度
影响沉降速度的因素
当颗粒的体积浓度小于0.2%时，理论计算值的偏差在1% 以内，当颗粒浓度较高时便发生干扰沉降
（四）离心沉降设备－旋液分离器
旋液分离器也称水力旋流器，其
结构和工作原理均与旋风分离器 类似，用于悬浮液的分离。
（五）离心沉降设备－沉降离心机
沉降离心机是利用机械带动液体旋转， 分离非均相混合物的常用设备。 主要特点：主体设备（转鼓）与混合物 共同共同旋转，通过转速调节，可以大 幅度 改变离心分离因数。 分类： 据操作方式：间歇式、连续式。 据设备主轴的方位：立式、卧式 据卸料方式：人工卸料式、螺旋卸料式、 刮刀卸料式。
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，若颗粒的密度大于流体的密度，则颗粒 将在流体中降落 根据牛顿第二运动定律，颗粒所受三个力的合 力应等于颗粒的质量与加速度的乘积，即 Fg-Fb-Fd= ma
du d ( s ) g d ( ) d s 或 6 4 2 6 d
化工原理第3章 非均相物系的分离
第2节
离心沉降
离心沉降速度
仿照重力沉降速度的推导方法，可得到颗粒在径向 上相对于流体的运动速度
ur
2 4d s uT
3 R
ut2 R
是离心场的离心加速度。
离心沉降速度
如果是层流
则离心沉降速度为
而重力沉降速度是：
离心加速度与重力加速度之比叫离心分离因数， 用 kc表示。它是离心分离设备的重要性能指标。其 定义式为
自由沉降速度
ut
4d s g 3
Fg>Fb
速度u 加速度a
颗粒向下运动
F
b
阻力Fd a=0，恒速运动
Fd
Fg
加速运动：减加速运动，忽略； 等速阶段：沉降速度ut（恒速）
根据牛顿第二运动定律，颗粒所受三个力的合 力应等于颗粒的质量与加速度的乘积，即
Fg-Fb-Fd= ma
第3章 非均相物系的分离
第1节
重力沉降
非均相混合物的特点是体系内包含一个以上的相，相界 面两侧物质的性质完全不同，如由固体颗粒与液体构成的悬 浮液、由固体颗粒与气体构成的含尘气体等。这类混合物的 分离就是将不同的相分开，通常采用机械的方法。
沉降：悬浮在流体中的固体颗粒借助于外场作用力产生定向 运动，从而实现与流体相分离，或者使颗粒相增稠、流体相 澄清的一类操作。
过滤设备
非洗涤板 悬浮液
洗涤板
非洗涤板
滤液 板 框 板 框 板
过滤操作：过滤阶段悬浮液从通道进入滤框，滤液在压力下 穿过滤框两边的滤布、沿滤布与滤板凹凸表面之间形成的沟 道流下，既可单独由每块滤板上设置的出液旋塞排出，称为 明流式；也可汇总后排出，称为暗
第3节
过滤
【学习】第三章非均相物系的分离
d
ut
① 层流区或斯托克斯区（104 Ret 1)
24 R et
② 过渡区或艾伦区（1Ret 103)
18.5 R e t 0.6
③ 湍流区或牛顿区（ 103Ret 2105) 0.44
整理课件
（1）层流区： ut
gd2(s ) 18
（非常重要） 称斯托克斯公式
（2）过渡区：
ut
0.2
u t d s 2 (1 s 8 )g ( 3 1 0 6 1 ) 0 2 1 ( 8 2 .8 6 1 6 1 .5 1 0 0 ) 6 0 9 .8 5 0 1 .0m 6 /s8
校核 R e td su t 3 0 1 0 1 6 . 8 6 0 .0 1 整6 0 理8 5 课5 件1 .1 6 5 0 .1 3 1
例 3-1 已 知 固 体 颗 粒 的 密 度 为 2600kg/m3 ， 大 气 压 强 为 1.013×105Pa，试求直径为30μm的球形颗粒在30℃大气中的自 由沉降速度。解 由附录查取，30℃，1atm下空气的物性参数
密度 ρ=1.165kg/m3；粘度 μ=1.86×10-5Pa·s
假设沉降处于层流区
2）压力降
气体通过旋风分离器而引起的磨擦损失
称为气体通过旋风分离器的压力降。
整理课件
Pf
ui2
2
3）分离效率
旋风分离器的分离效率有两种表示方法，
一是总效率，以ηo表示；二是粒级效率， 以ηi表示。P157 总效率是指进入旋风分离器的全部颗粒中
被分离下来的颗粒的质量分率
粒级效率是指进入旋风分离器的直径为di 的颗粒被分离下来的颗粒的质量分率
当Fc、Fb、Fd三力达到平衡，有
d3
第三章 非均相物系分离
B B
含尘气体
用途：适用于含颗粒浓度为 0.01 ～ 500g/m3、粒度不小于5μm的气体净 化与颗粒回收操作，尤其是各种气固流态化装置的尾气处理。
排尘
结构和工作原理：含尘气体以较高的线速度切向进入器内， 在外筒与排气管之间形成旋转向下的外螺旋流场，到达锥底 后以相同的旋向折转向上形成内螺旋流场直至达到上部排气 管流出。颗粒在内、外旋转流场中均会受离心力作用向器壁 方向抛出，在重力作用下沿壁面下落到排灰口被排出。
2 gd p ( p )
18ut 0.153Pa s
9.81 (1.25103 ) 2 (7900 880) 18 0.039
校核雷诺数 R ep 上述计算有效
d put
1.25103 0.039 880 0.28 2 0.153
三、重力沉降设备－降尘室 降尘室：分离含尘气体中颗粒的重力沉降设备。
2 P
比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积
S 6 a V dP
2、非球形颗粒
（1）当量直径 A：体积当量直径 B：面积当量直径：
d ev
3
6V
S
d es
C：比表面当量直径： d 6 6 ea a S /V （2）形状因数 常用球形度 Ψ 表示，即与颗粒等体积的一个球的表面积 与颗粒的表面积之比 2 2 d ev d ev 2 2 d es d es
CD为阻力系数，与颗粒的雷诺数Rep有关。对球形颗粒 24 d p u A：Rep＜2，层流区 Rep 此时 CD Rep 2 gd p ( p ) 由此推出 u －斯托克斯公式 t 18
适用范围10－4＜Rep＜2
第三章 非均相物系的分离
在操作中是确定所能完全分离最小颗粒直径的判据。当 Stoches定律适用时，颗粒在降尘室中作自由沉降，处理量为
Vs时能分离出的颗粒的最小直径dmin为：
2 gdmin ( s ) Vs ut 18 A0
降尘室底面积
d min
Vs 18 g( s ) A0
(2) 沉降槽（增稠器）
利用重力沉降分离悬浮液的设备。 分类：间歇式和连续式
沉降过程： 第一阶段：沉降槽上部，颗粒浓度低，近似自由沉降； 第二阶段：沉降槽下部，颗粒浓度大，属于干扰沉降。
沉降速度：通常由实验来确定。
悬浮液的沉聚过程
悬浮液的沉聚过程一般出现：清液区、等浓度区、变浓 度区和沉聚区。若颗粒不均匀，则不出现等浓度区。
颗粒存在，改变了流体的表观密度和表观粘度。
表观粘度： m
校正因子：
表观密度：
1 101.82 (1 )
m (1 ) s
计算干扰沉降速度：
求m、m ut ut
② 流体分子运动的影响
颗粒直径小于 2~3 μ m 以下时，抑制重力沉降。 ③ 液滴或气泡变形
u t2 离心力 m ar m r
离心加速度 颗粒的切线速度 A r1 r C ur u B
旋转半径
若颗粒为球形：
ut2 作用力 (s ) 6 r
颗粒密度
d 3
ut r2
流体密度
颗粒在旋转流体中的运动
阻 力
d 2 ur2
4 2
当作用力等于阻力时，可得离心沉降速度ur
4d ( s )ut2 d 2 ( s ) ut2 ur 相对运动为层流 3r 18 r
降尘室用于分离气体中的固体颗粒 重力沉降 沉降槽用于分离液体中的固体颗粒 离心沉降 旋风分离器用于分离气体中的固体颗粒 旋液分离器用于分离液体中的固体颗粒
Vs时能分离出的颗粒的最小直径dmin为：
2 gdmin ( s ) Vs ut 18 A0
降尘室底面积
d min
Vs 18 g( s ) A0
(2) 沉降槽（增稠器）
利用重力沉降分离悬浮液的设备。 分类：间歇式和连续式
沉降过程： 第一阶段：沉降槽上部，颗粒浓度低，近似自由沉降； 第二阶段：沉降槽下部，颗粒浓度大，属于干扰沉降。
沉降速度：通常由实验来确定。
悬浮液的沉聚过程
悬浮液的沉聚过程一般出现：清液区、等浓度区、变浓 度区和沉聚区。若颗粒不均匀，则不出现等浓度区。
颗粒存在，改变了流体的表观密度和表观粘度。
表观粘度： m
校正因子：
表观密度：
1 101.82 (1 )
m (1 ) s
计算干扰沉降速度：
求m、m ut ut
② 流体分子运动的影响
颗粒直径小于 2~3 μ m 以下时，抑制重力沉降。 ③ 液滴或气泡变形
u t2 离心力 m ar m r
离心加速度 颗粒的切线速度 A r1 r C ur u B
旋转半径
若颗粒为球形：
ut2 作用力 (s ) 6 r
颗粒密度
d 3
ut r2
流体密度
颗粒在旋转流体中的运动
阻 力
d 2 ur2
4 2
当作用力等于阻力时，可得离心沉降速度ur
4d ( s )ut2 d 2 ( s ) ut2 ur 相对运动为层流 3r 18 r
降尘室用于分离气体中的固体颗粒 重力沉降 沉降槽用于分离液体中的固体颗粒 离心沉降 旋风分离器用于分离气体中的固体颗粒 旋液分离器用于分离液体中的固体颗粒
第三章非均相物系的分离
第三章 非均相物系的分离和固 体流态化
2020年4月9日
1
3.1 概述
3.1.1 均相物系和非均相物系
均相物系：物系内部各处物料性质均匀而不存在相界面的混合物系。
非均相物系：物系内部有明显的相界面存在而界面两侧物料的性质不同的 混合物系。
3.1.2 非均相物系的分类
1.按状态分
液态非均相物系：固、液、气分散在液相中。分：
2.非球形颗粒：常用颗粒的当量直径和球形度表示其特性。 (1)体积当量直径de：与实际颗粒体积Vp相等的球形颗粒的直径 定义为非球形颗粒的当量直径。即：
de 3
6Vp
(2)表面积当量直径ds：表面积等于实际颗粒表面积Sp的球形颗 粒的直径定义为非球形颗粒的表面积当量直径。即：
ds
Sp
(3)比表面积当量直径da:比表面积等于实际颗料比表面积ap的球 形颗粒的直径定义为非球形颗粒的比表面积当量直径。即：
4.电子除尘：使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，气体电离产生离子附着于悬浮尘粒或雾滴 上而使之荷电。荷电的尘粒、雾滴在电场力的作用下至电极后 发生中和而恢复中性从而达到分离。
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
3.2.1 颗粒的特性(单颗粒的几何特性参数)
固体颗粒由于其形成的方法和条件不同，致使它们具有不同 的几何形状和尺寸，在工程计算中，常需要知道颗粒的几何特 性参数：即大小(尺寸)、形状和表面积(或比表面积)等。
de和s来表征。
3.颗粒群的特性
工业中碰到的颗粒大多是由大小和形状不同的若干颗粒组成 的集合体，称为颗粒群。但通常认为它们的形状一致，而只考 虑其大小分布，这样就提出了其粒度分布及其平均直径的问题。
(1) 按颗粒尺寸对颗粒群进行排列划分的结果称为粒度分布。根
2020年4月9日
1
3.1 概述
3.1.1 均相物系和非均相物系
均相物系：物系内部各处物料性质均匀而不存在相界面的混合物系。
非均相物系：物系内部有明显的相界面存在而界面两侧物料的性质不同的 混合物系。
3.1.2 非均相物系的分类
1.按状态分
液态非均相物系：固、液、气分散在液相中。分：
2.非球形颗粒：常用颗粒的当量直径和球形度表示其特性。 (1)体积当量直径de：与实际颗粒体积Vp相等的球形颗粒的直径 定义为非球形颗粒的当量直径。即：
de 3
6Vp
(2)表面积当量直径ds：表面积等于实际颗粒表面积Sp的球形颗 粒的直径定义为非球形颗粒的表面积当量直径。即：
ds
Sp
(3)比表面积当量直径da:比表面积等于实际颗料比表面积ap的球 形颗粒的直径定义为非球形颗粒的比表面积当量直径。即：
4.电子除尘：使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，气体电离产生离子附着于悬浮尘粒或雾滴 上而使之荷电。荷电的尘粒、雾滴在电场力的作用下至电极后 发生中和而恢复中性从而达到分离。
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
3.2.1 颗粒的特性(单颗粒的几何特性参数)
固体颗粒由于其形成的方法和条件不同，致使它们具有不同 的几何形状和尺寸，在工程计算中，常需要知道颗粒的几何特 性参数：即大小(尺寸)、形状和表面积(或比表面积)等。
de和s来表征。
3.颗粒群的特性
工业中碰到的颗粒大多是由大小和形状不同的若干颗粒组成 的集合体，称为颗粒群。但通常认为它们的形状一致，而只考 虑其大小分布，这样就提出了其粒度分布及其平均直径的问题。
(1) 按颗粒尺寸对颗粒群进行排列划分的结果称为粒度分布。根
第三章 非均相物系的分离
第三章 非均相物系的分离3.1引言化工生产中，需要将混合物加以分离的情况很多，例如：生产中所用原料通常含有杂质，必须经过分离提纯或净化后才能符合加工要求。
从反应器中送出的反应产物通常含有未反应掉的反应物及副产物，也须进行分离处理。
液相反应如果有沉淀产生将形成悬浮液，必须将固体颗粒和液体加以分离(实验室通常用布氏漏斗过滤）。
此外，生产中形成的废气、废液和废渣（简称三废）在排放以前，须采用一定的分离手段将其中的有害物质除去。
随着国际上环境保护的呼声日渐高涨，三废处理越来越引起重视。
由于分离处理应用的普遍性和重要性，现在形成了一个专门学科—分离工程。
下面简述混合物的分类。
按相态分类，混合物可分为均相物系(即均相混合物)与非均相物系(即非均相混合物)。
均相物系是指分散得十分均匀，达到分子分散水平的物系。
非均相物系是指含有二个或二个以上的相的混合物，包括：●固体混合物：二种或二种以上不同固体物质的混合物，如各种矿石。
●固液混合物：如液相反应产生固体沉淀形成的悬浮液，泥浆等。
●固气混合物；如烟。
●液液混合物：如乳浊液（油水混合物）。
●液气混合物：如雾。
非均相混合物的特点是体系包括一个以上的相，一般可用机械方法加以分离，故又称机械分离。
本章讨论非均相混合物的分离 ，关于均相混合物的分离将在蒸发、吸收、蒸馏各章中加以介绍。
第一节 筛分用筛将固体颗粒分成不同大小的各个部分的单元操作称为筛分，每一部分称为一个粒级。
下面先讨论有关固体颗粒的一些属性。
3-2固体颗粒属性一.球形颗粒大小的量度—颗粒平均直径球形颗粒群中含有不同直径的颗粒，可用某一数值来表示其平均直径，平均直径的表示方法有多种，随使用目的而异，简介如下。
1. 长度平均直径若所考虑的颗粒主要性质与其直径大小有关，则用长度平均直径表示颗粒的平均直径，用d Lm （L 代表长度length ，m 代表平均mean ）表示，按此定义，有下述关系KK 2211K 21Lm d n d n d n )n n n (d +++=+++ （3-2-1）上式中d i 表示第i 种颗粒的直径，单位为mm 或μm ，n i 表示直径为d i 的颗粒的数目。
第三章非均相物系的分离
K ' 0 . 0556 湍流区： Re du t 1 . 74 u t
3 2
t
( s )g
1 . 74 K ' 10
3
K ' 3027 . 6 过渡区： K' 0 . 0556 ~ 3027.6
计算步骤：
1 .计算 K' u t
3 2
( s )g d： 滞流区： d 18 u t ( s )g
湍流区：
3.摩擦数群法
• (1)已知d求ut
ut 4 d ( s )g 3 du t
2 t
4 d ( s )g 3 u t
2 2 2
Re
t
Re
2
2 t
2
d ut
2 3
2
Re
4 d ( s )g d u t 2 2 3 u t
3.1.2 颗粒床层的特性
3.1.2.1.床层空隙率ε • 床层堆积的疏密程度用空隙率表示，指单位体 积床层所具有的空隙体积(m3/m3)。即： • ε=(床层体积-颗粒体积)/床层体积 • ε的大小与颗粒的大小、形状、粒度分布、填 充方式等有关，其值由实验测定。 • [说明] • 非球形颗粒的球形度愈小，床层的空隙率愈大； • 大小愈不均匀的颗粒，空隙率愈小； • 颗粒愈光滑，空隙率愈小； • 愈靠近壁面，空隙率愈大。
0.6 t
K 2.62 ~ 69.1
过渡区：
u t 0 . 27
K 69 . 1
湍流区：
u t 1 . 74
(2)已知ut求d
令 K' u t
第三章 非均相混合物的分离
1 Re t 1000
18.5 0 .6 Re t
ut 0.27
gd s Re
0.6 t
第三章 非均相物系的分离
3.3 沉降分离
③湍流区(牛顿区)
1000 Re t 200000
形体阻力占主导地位，表面摩擦阻力可以忽略
阻力u2 阻力系数与Ret无关
b (1 ) s
第三章 非均相物系的分离
3.2 颗粒及颗粒床层的特性 3.2.3 流体通过床层流动的压降（3.4 过滤）
第三章 非均相物系的分离
3.3 沉降分离 沉降分离是借助某种力的作用，利用分散 物质与分散介质的密度差异使之发生相对运动 而分离的过程。 沉降: 重力沉降 作用力是重力 离心沉降 作用力是惯性离心力
第三章 非均相物系的分离
3.3 沉降分离 3.3.1.2 重力沉降分离设备
◇气体沉降设备 利用重力沉降除去气流中颗粒的设备。 ◇液体沉降设备 用于浓缩、澄清
单层沉降槽 间歇式沉降槽又分为 沉降槽： 多层沉降槽 连续式
第三章 非均相物系的分离
3.3 沉降分离
一、降尘室 1.用途：分离气流中的尘粒
分离条件：
L H t u ut
第三章 非均相物系的分离
3.3 沉降分离
说明： ①某一粒径的粒子，只要满足
t
，
则该粒径的粒子可以100％被分离 ②某一粒径的粒子，如果不满足 t ， 则该粒径的粒子不能被100％分离 ③对于一降尘室,存在一能100％被除去的最小粒子, 用 d sc 表示；其沉降速度最小，用 utc 表示， 称为临界沉降速度。
第三章 非均相物系的分离
3.3 沉降分离
化工原理 第三章 非均相物系的分离和固体流态化.
' 4.17 0.29
Reb
pf L
1 2 a2u
4.17
3
1 au2
0.29 3
6 a
sde
pf L
1 2 u 150 3 sde 2
1 u2
1.75
3 sde
Reb
3
pf L
1 2 u 150 3 sde 2
Reb
100
pf L
1 u2 1.75 3 sde
第三章 非均相物系分离和固体流态化
目的→基于流体 力学（颗粒与流 体间的相对运 动），掌握非均 相物系的机械分 离方法、过程计 算及其典型设备 的结构、特性和 选型。
非均相物系 概念
颗粒和颗粒床层特性
非均相物系的
沉降
分离和固体流 机械分离
态化
过滤
固体流态化
概念－非均相物系
1. 非均相物系 ① 非均相物系
均相混合物 （均相物系）
溶液与混合气体
混合物
分散物质 固体颗粒、液滴或气泡
非均相混合物 （分散相）
（非均相物系） 分散介质 气态非均相物系（含尘气体）
（连续相） 液态非均相物系（悬浮液）
概念－非均相物系
② 非均相物系的分离方法 沉降→颗粒相对于流体(静止或运动)运动而实现悬 浮物系分离，作用力是重力或离心力。
1/100 0.0042 0.0058 in或147 μm
概念－颗粒
② 颗粒群的平均粒径 颗粒群的平均粒径→常用平均比表面积直径，即Sauter直径。
k
da2
6
da3
ni di2
i 1
k i 1
ni
6
di3
xi K nisdi3
第三章非均相物系分离
s
与实际颗粒体积相等的 球形颗粒的表面积 实际颗粒的表面积
(3-3)
非球形颗粒的雷诺数在用式（3-2）计算时，应以实际颗粒的当量直径 （即与实际颗粒具有相同体积的球形颗粒直径）计算：
de
3
6V p
(3-4)
式中 Vp为颗粒的体积，m3。 如图3-2所示，为实验测定的不同球形度系数颗粒的阻力系数与雷诺 数关系曲线。
假设成立。所以，为使石英粒子能全部被水流带出以获得纯方铅矿 粒，上升水流速度应不小于0.1032m/s。 (2)所得的纯方铅矿粒中尺寸最小者应是其沉降速度恰好等于0.1032m/s的 粒子。根据以上求解可知，其沉降一定处于过渡区。由阿伦定律有：
u t 1.4 0.4 0.6 d p 0.153 g ( p )
第一节 重力沉降及设备
重力沉降是利用分散相与连续相所受地心引力的差异使分散相与连 续相发生相对运动，从而使非均相物系得以分离的操作。
根据颗粒在重力沉降过程中是否受到流体和其它粒子的影响，可将沉 降过程分为自由沉降和干扰沉降。对颗粒在沉降过程中不受流体和其它粒 子影响的沉降过程，称为自由沉降，反之则称为干扰沉降。自由沉降是一 种理想的沉降状态，实际沉降几乎都是干扰沉降。但由于自由沉降的影响 因素少，研究相对简单，故对重力沉降的探讨常从自由沉降入手。
一、自由沉降
综合颗粒在沉降过程中可能出现的干扰情况，自由沉降应满足下述 条件： 1、分散相颗粒为表面光洁度、颗粒直径和密度同一的球形颗粒，不会 因颗粒沉降速度的差异引起撞击干扰。 2、物系中分散相颗粒的浓度较稀，沉降过程中不会发生颗粒与颗粒间 的碰撞干扰。 3、沉降设备的尺寸相对较大，器壁对颗粒的沉降无吸附和阻滞干扰。 4、连续相的流动稳定、低速，连续相的流动对颗粒的沉降无干扰。 在满足上述条件的基础上，颗粒的沉降可视为自由沉降。
与实际颗粒体积相等的 球形颗粒的表面积 实际颗粒的表面积
(3-3)
非球形颗粒的雷诺数在用式（3-2）计算时，应以实际颗粒的当量直径 （即与实际颗粒具有相同体积的球形颗粒直径）计算：
de
3
6V p
(3-4)
式中 Vp为颗粒的体积，m3。 如图3-2所示，为实验测定的不同球形度系数颗粒的阻力系数与雷诺 数关系曲线。
假设成立。所以，为使石英粒子能全部被水流带出以获得纯方铅矿 粒，上升水流速度应不小于0.1032m/s。 (2)所得的纯方铅矿粒中尺寸最小者应是其沉降速度恰好等于0.1032m/s的 粒子。根据以上求解可知，其沉降一定处于过渡区。由阿伦定律有：
u t 1.4 0.4 0.6 d p 0.153 g ( p )
第一节 重力沉降及设备
重力沉降是利用分散相与连续相所受地心引力的差异使分散相与连 续相发生相对运动，从而使非均相物系得以分离的操作。
根据颗粒在重力沉降过程中是否受到流体和其它粒子的影响，可将沉 降过程分为自由沉降和干扰沉降。对颗粒在沉降过程中不受流体和其它粒 子影响的沉降过程，称为自由沉降，反之则称为干扰沉降。自由沉降是一 种理想的沉降状态，实际沉降几乎都是干扰沉降。但由于自由沉降的影响 因素少，研究相对简单，故对重力沉降的探讨常从自由沉降入手。
一、自由沉降
综合颗粒在沉降过程中可能出现的干扰情况，自由沉降应满足下述 条件： 1、分散相颗粒为表面光洁度、颗粒直径和密度同一的球形颗粒，不会 因颗粒沉降速度的差异引起撞击干扰。 2、物系中分散相颗粒的浓度较稀，沉降过程中不会发生颗粒与颗粒间 的碰撞干扰。 3、沉降设备的尺寸相对较大，器壁对颗粒的沉降无吸附和阻滞干扰。 4、连续相的流动稳定、低速，连续相的流动对颗粒的沉降无干扰。 在满足上述条件的基础上，颗粒的沉降可视为自由沉降。
化工原理第三章非均相物系的分离ppt课件
6 ds
精选ppt
5
2）非球形颗粒
(1) 描述颗粒形状
球形颗粒 非球形颗粒
① 颗粒的形状系数（球形度φ）
球 形 度 与 颗 粒 等 体 颗 积 粒 的 的 球 表 形 面 颗 积 粒 的 表 面 积
公式表示 ： As A
1
表明：颗粒形状接近于球形的程度；φ↑，则颗粒
越接近于球形。球形颗粒：
1
精选ppt
ai — ………………………比表面积；
dai —混合颗粒中各种尺寸颗粒的等比
表面积当量直径。
精选ppt
13
3.2 沉 降
目的：流体与固体颗粒分离
原理：利用颗粒与流体之间的密度差，
将固体颗粒从流体中分离出来。
常用方法：
(1) 重力沉降(分离较大的颗粒），例：选矿
(2) 离心沉降 (分离尺寸小的颗粒），例：气体
• 对于非球形颗粒物，这种关非常复杂。
精选ppt
15
对于球形颗粒，流体阻力的计算方程：
牛顿阻力公式：
FD
d42
u02
2
FD
CDAP
u2
2
颗粒的投影面积
:阻力系数，通过因次分析法得知，ξ值是颗粒
与流体相对运动时的雷诺数的函数。
f(Roe)
Re0
duo
颗粒的雷诺数
精选ppt
16
层流区
过渡区
3. 非均相物系分离的目的
1）、回收分散物质，如从母液中分离出晶粒 （如海盐生产） ；从催化反应器出来的气体， 常带有催化剂颗粒，必须把这些有价值的颗粒 回收利用。
2）、劳动保护和环境卫生，对三废：废气、废 液、废渣的处理（环保），非均相物系分离的 目的是除害收益。
03 非均相物系的分离
0.44 （球形）
3.2 重力沉降
一、重力沉降速度 1. 球形颗粒的自由沉降
自由沉降：颗粒浓度低，分散好，沉降过程中
互不碰撞、互不影响。
干扰沉降：若颗粒数量较多，相互间距离较近，
沉降时相互干扰，称为干扰沉降。
颗粒受力分析：以球形颗粒为研究对象 重力： Fg
6
3 d pp g
Fb Fd
流体对颗粒的浮力： Fb
6
3 d p g
颗粒运动后流体对颗粒的阻力：
Fd Ap
u2
2
4
d p2
u2
2
Fg
由动量定理： F Fg Fb Fd m
du d
6
d pg
3 p
6
d g
3 p
4
d
2 p
u2
du d p 2 6 d
dp↑→ut↑↑
啤酒生产，采用絮状酵母，dp↑→ut↑↑，易于分离和澄清 均质乳化， dp↓→ut↓ ↓ ，使饮料不易分层 加絮凝剂，如水中加明矾
（2）连续相的粘度
应用：
加酶：清饮料中添加果胶酶，使 ↓→ut↑，易于分离 增稠：浓饮料中添加增稠剂，使 ↑→ut ↓，不易分层
加热：
刚开始：有细小颗粒通过孔道，滤液混浊 开始后：迅速发生“架桥现象”，颗粒被拦 截，滤液逐渐澄清，直至完全澄清 滤饼过滤时真正起过滤作用的是滤饼本身， 而非过滤介质 适用于固体含量较高的悬浮液（ 1%以上）
（2）深层过滤
特点：颗粒沉积于介质内部
过滤对象：悬浮液中的固体颗粒小且少
过滤介质：堆积较厚的粒状床层，砂子等 过滤原理：颗粒尺寸 介质通道尺寸，颗粒通过细长而弯 曲的孔道，靠惯性碰撞、扩散沉积、重力沉积、静电效应及 分子间作用力附着在介质孔道上 应用：适于处理生产能力大而悬浮液中颗粒小而且含量 少的场合，如水处理和酒的过滤
第3章 非均相物系的分离.
第三章 非均相物系的分离1.混合煤粉颗粒群的筛分数据如下表计算煤粉的体积当量及面积当量直径。
解：由已知条件分别计算各粒度颗粒直径及质量分率，列于下表：取单位质量的粒子，设其总数目为n ，每种粒径下的颗粒数目为n i ，颗粒的体积当量直径为d eV ，则有：∑∑∑⋅=⇒⋅=⇒⋅⋅=⋅=⇒⋅⋅==3,3,3,336661661ip i s i i p i si s i p i i eV ss eV i d a n d a n d n a d n d n n n πρπρρππρρπ∑=⇒=∴mm d d a d eV ip i eV 0853.013,3 同理，按表面积相等的原则，设颗粒的表面积当量直径为d eS ，则有：∑∑⋅⋅=⋅⋅⇒⋅=⋅2,3,232,266i p ip s i eS eV s i p i eS d d a d d d n d n ππρππρππ ∑=⇒=∴mm d d a d eS ip ieS 0775.00853.0,322.计算尺寸为10×l0×l.5mm(高×外径×壁厚)瓷环的当量直径和球形度。
解：设瓷环外径为d 1=10mm ，内径为d 2=7mm ，瓷环高度为h=10mm ，则：体积当量直径：mm d d h d d V eV eV 146.964432221=⇒=⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛-=πππ面积当量直径：mm d d d d h d h d S eS eS 982.134422222121=⇒=⎪⎭⎫ ⎝⎛-++=πππππ球形度：428.022==eSeVd d ψ3.把上题的瓷环堆放在直径为lm ，床高为6m 的床层内，床层的空隙率为0.7，床层上方压强为1.013×l05(绝)，20℃的空气从下部通入，流量为3000m 3/h ，计算空气通过此床层的压力降。
解：20℃空气的物性参数：由上题知：ΔP=3166Pamm A V d SV913.32.6146.40066=×==3232eV mm 1533146.998.136d 6a =⨯=⋅ϕ=s Pa 18.1 ,m /kg 205.13∙μ=μ=ρ222m 7854.014d 4A =⨯π=π=1-s m 061.17854.036003000A V u ∙=⨯==3232eV m m 1533146.998.136d 6a =⨯=⋅ϕ=3-5m kg 205.1)10026.2p1(∙⨯⨯∆+=ρ26.1531018.10.7)-1(205.1061.1)-1(u Re 5-'>=⨯⨯⨯=μερ=2743.0)(Re 4.0Re 51.0'''=+=λPa2995061.1205.17.06)7.0-1(15332743.0u L )-1(a p 323'=⨯⨯⨯⨯⨯=ρεελ=∆4.空气通过直径100mm 的钢管中瓷环(15×15×2mm)填料层流动，填料层高度为0.8m ，床层空隙率为0.56，测得压力降为11kPa ，空气温度为20℃，大气压强为100kPa ，试计算空气的流量。
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【例3-2】
《化工原理》教案
已知：bl=14m2，气体的粘度为2.6×10-5Pa.s
0.75kg / m
3
Vs=2.0m3/s
求：理论上能完全捕集下来的最小颗粒直径。
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解：
Vs 2.0 u0 0.14(m / s ) bl 14
《化工原理》教案
18u0 18 2.6 105 0.14 d min 4.71105 m (s ) g (3000 0.75) 9.81 47.1m m
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《化工原理》教案
降尘室多用扁平形状或多层 (层高40～100mm)。 对设置了n层水平隔板的降尘室，其生产能力为：
Vs (n 1)blu0
清洁气流 隔板
（3-11a）
含尘气流
挡板
多层降沉室
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降尘室的优缺点
《化工原理》教案
降尘室结构简单，流动阻力小，但体积庞大， 分离效率低，通常只适用于分离粒度大于50 m 的粗粒，一般作为预除尘使用。多层降尘室虽能 分离较细的颗粒且节省占地面积，但清灰比较麻 烦。
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《化工原理》教案
dV P P2 P 1 U Ad ( R1 R2 ) ( rV rVe ) A A
不可压缩滤饼过滤基本方程式
（3-14）
dV A P d r (V Ve )
2
过滤介质的当 量滤液体积， 虚拟滤液体积
滤饼的比阻
滤饼体积与相 应的滤液体积 之比，m3/m3
沉降过程： 第一阶段：沉降槽上部，颗粒浓度低，近似自由沉降； 第二阶段：沉降槽下部，颗粒浓度大，属于干扰沉降。 沉降速度：通常由实验来确定。
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思考题
《化工原理》教案
根据颗粒沉降原理，设计一个简单的装置来测定液 体的黏度。
作业题: 1、2、6
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3.3 过滤
《化工原理》教案
3.3.1 基本概念
10 Re 2 10
3
5
湍流区或牛顿（Newton）定律区
0.44
d (s )g
（3-6）
u0 1.74
（3-22）
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3、沉降速度的计算
《化工原理》教案
要计算沉降速度u0 ，首先要判断流型，即需要计算 Re的值；而Re又与u0有关， 想一想 u0应该怎么计算？
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● 影响过滤速率的因素：
《化工原理》教案
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《化工原理》教案
第三章 非均相物系的分离
学习目的 与要求 通过本章学习，掌握重力沉降、过滤、离心 沉降等过程的基本原理、计算方法、典型设备的 结构特性，能够根据生产工艺的要求，合理选择 设备。
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3.1 概述
《化工原理》教案
物系中各处组成均匀且不存在相界面的混合物 就是均相混合物 （均相体系）
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3.2 重力沉降
《化工原理》教案
重力沉降：利用分散物质本身的重力，使其在分 散介质中沉降而获分离的操作。 实现条件：分散相与连续相之间存在密度差 重力沉降：可分离100m以上颗粒。例：选矿 离心沉降：可分离5～10m以上颗粒。例：气体除尘
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3.2.1 重力沉降速度
《化工原理》教案
（2）在悬浮液上面加压，一般可达500KPa，称为加
压过滤
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《化工原理》教案
（3）在过滤介质下面抽真空，抽真空通常不超过
80KPa，称为真空过滤。
（4）利用惯性离心力进行过滤，称为离心过滤 ●过滤阻力
过滤介质阻力和滤饼阻力之和。
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5、恒压过滤和恒速过滤
《化工原理》教案
恒压过滤：
度为1000kg/m3，黏度为1×10-3mPa· s
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解（1）80 m 的颗粒
《化工原理》教案
设该区域为层流，沉降速度可用斯托克斯公式计算
2 d 2 ( s ) g （80 106） (2500 1000) 9.81 u0 5.23 103 m/s 18 18 103
l u
欲使颗粒被分离出来，则
0
或
l h u u0
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《化工原理》教案
根据降尘室的生产能力，气体在降尘室内的水平通 过速度为
Vs u hb
整理得
降尘室生 产能力
Vs blu0
（3-11）
上式表明，理论上降尘室的生产能力只与其沉降 面积及颗粒的沉降速度有关，而与降尘室高度H无关。
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（1）颗粒受力分析：
《化工原理》教案
图3-1 颗粒在静止介质中降落时所受的作用力
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颗粒受到三个力 重力（N） 浮力（N） 阻力（N）
《化工原理》教案
Fg
Fb
6
6
d S g
3
4
d2
u 2
2
d 3 g
Fd A
u 2
2
阻力系数或 曳力系数
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蒸发 均相混合物的分离 精馏 吸收
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《化工原理》教案
物系中存在相界面的混合物就是非均相混合物
分散相或分散物质：处于分散 状态的物质（如分散在流体中 的固体颗粒、液滴、气泡等）
非均相混合物 连续相或分散介质：包围着分散 相而处于连续状态的物质（如气 态非均相混合物中的气体、液态 非均相混合物中的液体）。
1/ 2 du0 ]
0.3
U0 =0.14（m/S) 核验
du0 10 10 0.14 1000 Re0 140 3 10
3
1 Re 10
3
假设正确
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4.影响沉降速度的因素 (1)颗粒形状
《化工原理》教案
(2)壁面效应 当颗粒靠近器壁沉降时，由于器壁的影响，使颗 粒的沉降速度较自由沉降时小，这种现象称为壁面 效应。 (3)干扰沉降 当悬浮系统中颗粒的浓度较大，颗粒之间相距很 近，则颗粒沉降时互相干扰，这种情况称为干扰沉 降。
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《化工原理》教案
试差法：先假设在层流区，计算u0沉降速度， 核 验Re0是否满足层流条件，Re0不满足层流条件时， 重新假设。
假设沉降属 于某一流型
计算沉 降速度
核算 Re
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《化工原理》教案
【例3-1】球形颗粒的直径为80m和1mm，密度为
2500kg/m3，求它在20℃水中的自由沉降速度。水的密
核算沉降流型
Re d minu0
4.71103 0.14 0.75 0.19 1 5 2.6 10
原假设正确
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2．沉降槽
《化工原理》教案
沉降槽是利用重力沉降来提高悬浮液浓度 并同时得到澄清液体的设备。 分类：间歇式和连续式
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《化工原理》教案
《化工原理》教案
整个过滤过程包括：过滤、洗涤、干燥及卸饼。
V V Vh 过 辅
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3.3.2 过滤基本方程式
一、过滤基本方程式 过滤速率
《化工原理》教案
单位时间通过单位过滤面积的滤液体积，单位m/s。
dV 过滤推动力 U Ad 过滤阻力
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过滤的总推动力
核验
Re0
du0
80 106 5.23 103 1000 0.42 1 3 10
假设正确
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（2）1mm 的颗粒
《化工原理》教案
设该区域为过渡区，沉降速度可用艾伦公式计算
u0 0.27
0 d ( s ) gRe0 .6
0.27[
d (s ) g
在恒定压力差下进行的过滤操作，
恒压过滤时，滤饼不断变厚使得阻力逐渐增 但推动力恒定，因而过滤速率逐渐变小。 恒速过滤： 是维持过滤速率恒定的过滤方式。在 这种情况下，由于随着过滤的进行，滤饼不断增
加，
厚，过滤阻力不断增大，要维持过滤速率不变，
必须不断增大过滤的推动力——压力差。
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6、过滤机的生产能力
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《化工原理》教案
机械分离方法，即利用非均相混合物中两相 的物理性质（如密度、颗粒形状、尺寸等）的差 异，使两相之间发生相对运动而使其分离。 沉降 机械分离方法 过滤 离心分离
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非均相混和物分离的应用：
（1）回收分散物质。 （2）净化分散介质。
《化工原理》教案
（3）环境保护与安全生产的要求。
一 球形颗粒的自由沉降： 1. 球形颗粒：球形颗粒的尺寸由直径d确定。 体积 表面积 比表面积
V
d3
6
S d2
S 6 a V d
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2、自由沉降：
《化工原理》教案
单个颗粒或经过充分分散的颗粒群，在流体中沉 降时颗粒间不相互碰撞获接触的降落过程，称为自 由沉降。 自由沉降时，颗粒的沉降速度不受容器壁和其它 颗粒影响。
《化工原理》教案
具有多孔性、耐腐蚀性和耐热性、足够的机械强度 （2）常用过滤介质
◇织物介质：棉、麻、合纤、金属网(滤布、滤纸)；
◇粒状介质：细沙、石砾、木炭、硅藻土
◇多孔性固体介质：多孔性陶瓷板或管、多空塑料板
◇ 滤饼 （可压缩和不可压缩）
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3、 过滤速率
《化工原理》教案
单位时间内、通过单位过滤面积的滤液体积
《化工原理》教案
P P P2 1
过滤的总阻力