化工原理 第三章 非均相物系的分离
化工原理(非均相分离)
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。
化工原理 第三章非均相物系分离 第一节重力沉降 课件
无因次数群K也可以判别流型
d ( ρs − ρ)g ut = 18µ
2
2011-11-9
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 牛顿定律区的下限K值为69.1 例：试计算直径为95µm，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。 解：1）在20℃水中的沉降。 用试差法计算 先假设颗粒在滞流区内沉降 ，
2011-11-9
ξ=
4dg( ρs − ρ) 3ρut
2
QReet2 =
4d 3 ρ(ρs − ρ)g 3µ 2
2
令 k = d3 ρ( ρs − ρ)g 2
µ
4 3 ξ Re t = k 3
因ξ是Ret的已知函数，ξRet2必然也是Ret的已知函数， ξ～Ret曲线便可转化成 ξRet2～Ret曲线。 计算ut 时，先由已知数据算出ξRet2 的值，再由ξRet2～Ret 曲线查得Ret值，最后由Ret反算ut 。
——艾伦公式
c) 滞流区或牛顿定律区（Nuton）（103＜Ret ＜ 2×105） 滞流区或牛顿定律区（ ） ×
ξ = 0.44
ut =1.74 d( ρs − ρ)g
ρ
——牛顿公式
2011-11-9
3、影响沉降速度的因素 、
1）颗粒的体积浓度 ） 在前面介绍的各种沉降速度关系式中，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，但当颗粒浓 度较高时，由于颗粒间相互作用明显，便发生干扰沉降， 自由沉降的公式不再适用。 2）器壁效应 ） 当器壁尺寸远远大于颗粒尺寸时，（例如在100倍以上） 容器效应可忽略，否则需加以考虑。
化工原理教案03非均相物系的分离
第三章 非均相物系的分离第一节 概 述一、 化工生产中常遇到的混合物可分为两大类：第一类是均相物系—如混合气体、溶液，特征：物系内各处性质相同，无分界面。
须用吸收、蒸馏等方法分离。
第二类是非均相体系— 1．液态非均相物系固体颗粒与液体构成的悬浮液； 不互溶液体构成的乳浊液；2．气态非均相物系固体颗粒（或液体雾滴）与气体构成的含尘气体（或含雾气体）； 气泡与液体所组成的泡沫液等。
特征：物系内有相间的界面，界面两侧的物性截然不同。
（1）分散相：往往是液滴、雾滴、气泡，固体颗粒，µm 。
（2）连续相：连续相若为气体，则为气相非均相物系。
连续相若为液体，则为液相非均相物系。
二、 非均相物系分离的目的：1）净制参与工艺过程的原料气或原料液。
2）回收母液中的固体成品或半成品。
3）分离生产中的废气和废液中所含的有害物质。
4）回收烟道气中的固体燃料及回收反应气中的固体触媒等。
总之：以满足工艺要求，提高产品质量，改善劳动条件，保护环境，节约能源及提高经济效益。
常用分离方法：1）重力沉降：微粒借本身的重力在介质中沉降而获得分离。
2）离心分离：利用微粒所受离心力的作用将其从介质中分离。
亦称离心沉降。
此法适用于较细的微粒悬浮体系。
3）过滤：使悬浮体系通过过滤介质，将微粒截留在过滤介质上而获得分离。
4）湿法净制：使气相中含有的微粒与水充分接触而将微粒除去。
5）电除尘：使悬浮在气相中的微粒在高压电场内沉降。
本章主要讨论：利用机械方法分离非均相物系，按其涉及的流动方式不同，可大致分为沉降和过滤两种操作方式。
三、 颗粒和流体相对运动时所受到的阻力 流体以一定的速度绕过静止颗粒时或者固体颗粒在静止流体中移动时 流体对颗粒的作用力——ye 力F d22u AF d ρξ= [N]式中，A —颗粒在运动方向上的投影，πd p 2u —相对运动速度ξ—阻力系数， ξ=Φ（Re ）=Φ（d p u ρ/μ）层流区：Re <2， ξ=24/Re ──Stokes 区过渡区：Re=2—500， Re 10=ξ ──Allen 区 湍流区：Re=500--2⨯105， ξ≌0.44 ──Newton 区第二节 重力沉降一、球形颗粒的自由沉降自由沉降──对于单一颗粒在流体中的沉降或者颗粒群充分地分散、颗粒间互不影响，不致引起相互碰撞的沉降过程。
夏清主编的《化工原理》(第2版)上册-配套题库-名校考研真题-第3章 非均相物系的分离和固体流态化【
十万种考研考证电子书、题库视频学习平
台
第 3 章 非均相物系的分离和固体流态化
一、填空题 1．影响颗粒沉降速度的因素如下：颗粒的因素、介质的因素、环境因素、设备因素。 就颗粒的因素而言有以下几方面： 、 、 、 等。[四川大学 2008 研] 【答案】尺寸 形状 密度 是否变形 【解析】影响颗粒沉降速度的因素包括以下几个方面：①颗粒的因素：包括尺寸、形 状、密度、是否变形等；②介质的因素：包括流体的状态（气体还是液体）、密度、粘度等； ③环境因素：包括温度（影响 、 ）、压力、颗粒的浓度（浓度达到一定程度使发生干扰 沉降等）；④设备因素：包括体现为壁效用。
答：由公式： dV KA2 dQ 2(V V )
可知增大压力，K 值增大；提高温度，K 值增大，过滤速度增大。 dV 由压力温度滤 dQ
饼的比阻，过滤饼体积比及过滤面积有关。
2．设计一实验流程（画出其实验流程示意图），并写出简要实验步骤，完成如下实验 内容：
（1）进行恒压过滤常数的测定。 （2）进行滤饼的压缩性指数 s 和物料常数 k 的测定。[天津大学 2002 研] 答：简要实验步骤如下： （1）做好准备工作，启动系统。 （2）进行过滤滤液体积和过滤时间关系曲线的测定。 （3）改变过滤压差，再进行不同压差下过滤滤液体积和过滤时间关系曲线的测定， 至少测定 3 条曲线。 （4）关闭系统，复原装置并清扫卫生。 实验流程示意图如图 3-1 所示。
十万种考研考证电子书、题库视频学习平
台
4．从地下开采出来的原油由油、水、气组成，如图 3-2 所示为一原油连续计量装置
的示意图，其原理是将原油中的油、水、气分离后用各自的流量计分别测定其流量（计量），
然后再将油、水、气汇合一起流向下游。具体工艺如下；原油首先切向进入一旋风分离器，
考研必备《化工原理》第三章：非均相混合物
(五) 助滤剂
当悬浮液中的颗粒很细时，过滤时 很容易堵死过滤介质的孔隙，或所形成 的滤饼在过滤的压力差作用下，孔隙很 小，阻力很大，使过滤困难。一般加入 助滤剂解决。 常用的助滤剂：硅藻土、珍珠岩、 石棉、炭粉、纸浆粉
34
二、过滤设备
( 一 ) 板框压滤机
35
板框压滤机是间歇式压滤机中应 用最广泛的一种。 此机是由多块滤板和滤框交替排 列而组成。板和框都用一对支耳 架在一对横梁上，可用压紧装置 压紧或拉开。 为了组装时便于区分，在板和框 的边上作不同的标记，非洗涤板 以一钮记，框以两钮记，洗涤板 以三钮记。
15
3. 过滤时当颗粒尺寸比 过滤介质孔径小时， 过滤开始会有部分颗 粒进入过滤介质孔道 里，迅速发生“架桥” 现象 4. 典型设备：板框压滤机 叶滤机 真空转筒过滤机 密闭加耙过滤机
16
五、筛分
1．筛分分析：用一组泰勒制标准筛 分析出混合颗粒的粒径分布。 每英寸长度上的孔数为筛子的目数 相临筛号的筛孔的直径比 2
rm 称为过滤介质的比阻，是单位厚度过滤介 质的阻力，其数值等于粘度为1Pa· s的滤液以 1m/s的平均速度穿过厚度为1m的过滤介质所 需的压力降。 52
p 为滤液通过滤饼层的压力降 为滤液的粘度
Lm 过滤介质的厚度
为单位体积滤液可得滤饼体积
de 为毛细孔道的平均直径 Rm 为过滤介质阻力，是过滤介质比
可测得混合颗粒大小的粒度分布 进行筛分时，将若干个一系列的筛按筛孔大 小的次序从上到下叠起来，筛孔尺寸最大的 放在最上面，筛孔最小的筛放在最下面，它 的底下放一无孔的底盘。 把要进行筛分的混合颗粒放在最上面的一个筛 中，将整叠筛均衡地摇动，较小的颗粒通过各 17 个筛的筛孔依次往下落。
化工原理：(含答案)第三章 非均相物系的分离
第三章 非均相物系的分离一、填空题：1．⑴一球形石英颗粒，在空气中按斯托克斯定律沉降，若空气温度由20°C 升至50°C ，则其沉降速度将 。
⑵降尘室的生产能力只与降尘室的 和 有关，而与 无关。
解⑴下降 ⑵长度 宽度 高度2．①在除去某粒径的颗粒时，若降尘室的高度增加一倍，则沉降时间 ，气流速度 ，生产能力 。
②在滞流（层流）区，颗粒的沉降速度与颗粒直径的 次方成正比；在湍流区，颗粒的沉降速度与颗粒直径的 次方成正比。
解①增加一倍 ， 减少一倍 ， 不变 ②2 ， 1/2沉降操作是指在某种 中利用分散相和连续相之间的 差异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。
沉降过程有 沉降和 沉降两种方式。
答案：力场；密度；重力；离心3．已知q 为单位过滤面积所得滤液体积V/S ，e e e S V q V /，为为过滤介质的当量滤液体积（滤液体积为e V 时所形成的滤饼层的阻力等于过滤介质的阻力），在恒定过滤时，测得2003740/+=∆∆q q τ，过滤常数K ＝ ，e q = 。
解0.000535 ， 0.05354．⑴间歇过滤机的生产能力可写为Q ＝V/∑τ，此外V 为 ，∑τ表示一个操作循环所需的 ，∑τ等于一个操作循环中 ， 和 三项之和。
一个操作循环中得到的滤液体积 ，总时间 ，过滤时间τ ，洗涤时间τw ， 辅助时间τD⑵．一个过滤操作周期中，“过滤时间越长，生产能力越大”的看法是 ，“过滤时间越短，生产能力越大”的看法是 。
过滤时间有一个 值，此时过滤机生产能力为 。
不正确的 ，不正确的 ， 最适宜 ， 最大⑶．过滤机操作循环中，如辅助时间τ越长则最宜的过滤时间将 。
⑶ 越长(4). 实现过滤操作的外力可以是 、 或 。
答案：重力；压强差；惯性离心力5．⑴在过滤的大部分时间中， 起到了主要过滤介质的作用。
⑵最常见的间歇式过滤机有 和 连续式过滤机有 。
⑶在一套板框过滤机中，板有 种构造，框有 种构造。
【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
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
化工原理第三章沉降3-1
由此可知：
一定粒径的颗粒，沉降室的生产能力只与与底面积WL和 utc 有关，而与H无关。
故沉降室应做成扁平形，或在室内均匀设置多层隔板。
气速u不能太大，以免干扰颗粒沉降，或把沉下来的尘粒重新 卷起。一般u不超过3m/s。
降尘室
结构：入口截面为矩形气体
进口
思考1：为什么气体进入降尘 室后，流通截面积要扩大？
2.停留时间与沉降时间
L W
气体出口
降尘室底面积：A0＝W×L
气体入口
H
含尘气流通截面积：S＝ W×H 颗粒因沉降被除去的条件： 停留时间＞沉降时间 停留时间：t ＝L/u 沉降时间：0＝H/ut
集尘斗 净 化 气 体
颗粒
含 尘 气 体 降尘室操作示意图
L H u ut
3.临界粒径dpc（critical particle diameter）： 临界粒径:能100％除去的最小粒径。
ut非球<ut球
。
对于细微颗粒(d<0.5m)，应考虑分子热运动的影响，不能用 沉降公式计算ut；
沉降公式可用于沉降和上浮等情况。
(2) 壁效应 (wall effect) ： 当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，其沉 降速度较自由沉降速度小，这种影响称为壁效应。
（3）干扰沉降（hindered settling）：
第三章 沉降与过滤
重点：过滤和沉降的基本理论、基本方程
难点：过滤基本方程的应用、过滤设备
概 述
一、非均相物系的分离 混合物有： 均相混合物(物系)：物系内部各处物料性质均匀，无相界面。 例：混合气体（天然气）、 溶液（石油）
非均相混合物(物系)：物系内部有隔开的相界面存在，而在相
化工原理——非均相物系的分离习题及答案
化工原理——非均相物系的分离习题及答案第三章非均相物系的分离一、选择与填空1、在滞流区，颗粒的沉降速度与颗粒直径的＿＿次方成正比，在湍流区颗粒的沉降速度与颗粒直径的＿＿次方成正比。
2、在恒压过滤时，如介质阻力不计，过滤压差增大一倍时同一时刻所得滤液量__________。
A 增大至原来的2倍B 增大至原来的4倍C 增大至原来的2倍 D增大至原来的1.5倍3、过滤基本方程式是基于＿＿＿＿推导出来的。
A 滤液在介质中呈湍流流动B 滤液在滤渣中呈湍流流动C 滤液在介质中呈层流流动D 滤液在滤渣中呈层流流动4、颗粒的沉降速度不是指（）。
A等速运动段的颗粒降落的速度 B加速运动段任一时刻颗粒的降落速度C加速运动段结束时颗粒的降落速度 D净重力(重力减去浮力)与流体阻力平衡时颗粒的降落速度5、叶滤机洗涤速率与最终过滤速率的比值为（）。
A 1/2B 1/4C 1/3D 16、过滤介质阻力忽略不计，滤饼不可压缩进行恒速过滤，如滤液量增大一倍，则（）。
CA操作压差增大至原来的倍 B操作压差增大至原来的4倍C操作压差增大至原来的2倍 D操作压差保持不变7、在降尘室中除去某粒径的颗粒时，若降尘室高度增加一倍，则颗粒的沉降时间____，气流速度____，生产能力____。
8、沉降雷诺准数Ret越大，流体粘性对沉降速度的影响____。
9、一球形石英粒子在空气中作滞流自由沉降。
若空气温度由20℃提高至50℃，则其沉降速度将____。
10、含尘气体通过长4m、宽3m、高1m的降尘室，颗粒的沉降速度为0.03m/s，则降尘室的最大生产能力为____m3/s。
11、根据过滤基本方程式（说明提高过滤机生产能力的措施是（最少写出三条）____、____、____。
12、以下说法中正确的是（）A． B. C. D.13、在板框压滤机中，若过滤压力差增加一倍，则过滤速率变为原来的___倍，生产能力为___倍。
（过滤介质阻力忽略不计，滤饼不可压缩）14、恒压过滤某种悬浮液（介质阻力可忽略，滤饼不可压缩），已知10min单位过滤面积上得滤液0.1m3。
化工原理下册第三章 非均相物系分离
制作者：黄德春 《化工原理》课件 ——第三章 非均相物系的分离
第一节 重力沉降 《化工原理》课件—— 第一章 流体流动 一、沉降速度
Fg Fb Fd ma
①刚开始沉降： u 0
Fb Fg 不变
Fd 0
a最大
②开始沉降
u
Fd
Fg Fb Fd
a
制作者：黄德春 《化工原理》课件 ——第三章 非均相物系的分离
概述
一．混合物的分类 1.相:体系中具有相同组成、物理性质、化学性质 的均匀物质。 2．均相混合物 若物系内各处组成均匀且不存在相界面，则 称为均相混合物。
制作者：黄德春
3．非均相混合物
物系中存在相界面，且界面两侧物料的性质不同。
分散状态物质——（分散相） 连续状态物质——（连续相） 根据连续相状态的不同，非均相混合物又可分为两种类型： （1）气态非均相混合物，如含尘气体、含雾气体等；
（2）液态非均相混合物，如悬浮液、乳浊液、泡沫液等。
制作者：黄德春 《化工原理》课件 ——第三章 非均相物系的分离
二．非均相混合物分离方法的分类
制作者：黄德春 《化工原理》课件 ——第三章 非均相物系的分离
燃煤烟气湿法除尘脱硫一体化技术
制作者：黄德春 《化工原理》课件 ——第三章 非均相物系的分离
Re
d s ut
٭球形度
Sp 与颗粒体积相等的圆球的表面积 s = S 颗粒的表面积
Hale Waihona Puke 1制作者：黄德春 《化工原理》课件 ——第三章 非均相物系的分离
第一节 重力沉降 《化工原理》课件—— 第一章 流体流动 四、阻力系数
ut
4 gd( s ) 3
化工原理第3章课后习题参考答案
第三章非均相物系的分离和固体流态化3. 在底面积为40m²的除尘室内回收气体中的球形固体颗粒。
气体的处理量为3600m³/h，固体的密度ρs=3600kg/m³，操作条件下气体的密度ρ=1.06kg/m³，粘度为3.4×10-5Pa•s。
试求理论上完全除去的最小颗粒直径。
解：理论上完全除去的最小颗粒直径与沉降速度有关。
需根据沉降速度求。
1）沉降速度可根据生产能力计算ut = Vs/A= (3600/3600)/40 = 0.025m/s （注意单位换算）2）根据沉降速度计算理论上完全除去的最小颗粒直径。
沉降速度的计算公式与沉降雷诺数有关。
（参考教材P148）。
假设气体流处在滞流区则可以按ut = d2（ρs- ρ）g/18μ进行计算∴dmin2 = 18μ/（ρs- ρ）g ·ut可以得到dmin= 0.175×10-4 m=17.53）核算Ret = dminutρ/μ< 1 ，符合假设的滞流区∴能完全除去的颗粒的最小直径d = 0.175×10-4 m = 17.5 μm5. 含尘气体中尘粒的密度为2300kg/m³，气体流量为1000m³/h，粘度为3.6×10-5Pa•s密度为0.674kg/m³，采用如图3-8所示的标准型旋风分离器进行除尘。
若分离器圆筒直径为0.4m，试估算其临界直径，分割粒径及压强降。
解：P158图3-7可知，对标准旋风分离器有：Ne = 5 ，ξ= 8.0 B = D/4 ，h = D/2(1) 临界直径根据dc = [9μB/(πNeρsui )]1/2 计算颗粒的临界直径其中：μ=3.6×10-5Pa•s；B = D/4=0.1m；Ne = 5；ρs=2300kg/m³；将以上各参数代入，可得dc = *9μB/(πNeρsui )+1/2 = *9×3.6×10×0.25×0.4/(3.14×5×2300×13.89)+1/2= 8.04×10-6 m = 8.04 μm（2）分割粒径根据d50 = 0.27[μD/ut（ρs- ρ）]1/2 计算颗粒的分割粒径∴d50 = 0.27[3.6×10-5×0.4/(13.889×2300)]1/2= 0.00573×10-3m = 5.73μm（3）压强降根据△P = ξ·ρui2/2 计算压强降∴△P = 8.0×0.674×13.8892/2 = 520 Pa7、实验室用一片过滤面积为0.1m2的滤叶对某种颗粒在水中的悬浮液进行实验，滤叶内部真空读为500mmHg，过滤5min的滤液1L，又过滤5min的滤液0.6L，若再过滤5min得滤液多少？已知：恒压过滤，△P =500mmHg ，A=0.1m，θ1=5min时，V1=1L；θ2=5min+5min=10min 时，V2=1L+0.6L=1.6L求：△θ3=5min时，△V3=？解：分析：此题关键是要得到虚拟滤液体积，这就需要充分利用已知条件，列方程求解思路：V2 + 2VVe= KA2θ（式中V和θ是累计滤液体积和累计过滤时间），要求△V3，需求θ3=15min时的累计滤液体积V3=？则需先求Ve和K。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第三章非均相物系的分离第一节概述※非均相物系：物系内部存在相界面，且界面两侧的物理性质完全不同，如：气态非均相物系：含尘气体，含雾气体。
液态非均相物系：悬浮汽、乳浊汽、泡沫汽。
※分散质（分散相）：非均相物系中，处于分散状态的物质，如悬浮汽中的固体颗粒。
※分散介质（连续相）：包围分散质的处于连续状态的流体，如悬浮汽中的液体。
※非均相物系的分离依据：分散质与分散介质之间物性的差异，如密度，颗粒粒径等。
※分离方法——机械法，使分散质与分散介质之间发生相对运动实现分离。
本章讨论通过机械方法分离非均相物系的单元操作。
※非均相物系分离的目的1．收取分散质：如从气固催化反应器的空气中收集催化剂颗粒。
2．净化分散介质：如原料气中颗粒杂质的去除以净化反应原料气。
环保方面，烟道气中煤灰粉粒的去除。
另外，非均相物系的分离在环境保护方面也具有重要的作用。
下面介绍沉降和过滤操作。
第二节重力沉降沉降操作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。
§3 .2.1 沉降速度一、球形颗粒的自由沉降自由沉降：任一颗粒的沉降不因流体中存在其它颗粒而受干扰。
即颗粒彼此间相互独立，互不影响。
它发生在流体中颗粒稀疏的情况中。
1. 颗粒的受力分析光滑球粒直径，密度流体密度为颗粒作下沉运动时，受力为①重力↓②浮力↑③曳力流体对颗粒下沉的阻力（拖曳力）↑对光滑圆球因次分析令，则，∴∴由则下沉加速段：下沉开始瞬间，之后，分速阶段：当此时颗粒相对于流体的运动速度叫做沉降速度。
也是加速阶段终了时颗粒相对于流体的速度，亦称“终端速度”。
由于∴2．曳力系数，由实验测定，标绘于坐标中（双对数）对于球形颗粒，分为三个区stocks区，，直线AB段Allen区，，直线BC段Newton区，CD段3．沉降速度由于存在上述关系，所以为stocks公式Allen公式Newton公式由计算式可知，对于确定的流体——颗粒系统，都为定值，只与有关，一一对应。
的计算式适用于计算多种情况下颗粒与流体在重力方向上的相对运动速度，不仅适用静止流体中的运动颗粒，而且适用于运动流体中的静止颗粒，或者逆向，或者是同向运动着的流体与颗粒。
二、非球形颗粒的自由沉降1．球形度球形颗粒的特征用直径就可以表达了，而非球颗粒的特征需用二个参数来表征。
其一是球形度，另一是体积当量直径（或其它当量直径）定义：球形愈小，则颗粒形状与球差异愈大。
2．颗粒的体积当量直径定义：对于非球形颗粒，有关。
其中三、沉降速度的计算欲求，所以要试差求得对于小颗粒，假设第三节离心沉降离心沉降——依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程叫离心沉降。
惯性离心力：任何质量为m的物体在与转轴的距离为R，切向速度为的位置上的为：方向沿旋转半径从中心指向外周，从而能更快更好地将分散质与分散介质分离出来。
若§3.3.1 惯性离心力作用下的沉降速度当流体带着颗粒旋转时，如果颗粒的密度大于流体的，则颗粒在惯性离心力作用下在径向与流体发生相对运动向飞离中心。
一、离心力场中颗粒在径向的受力情况：1．惯性离心力方向如图示2．向心力（颗粒周围的流体对颗粒的作用力），方向如图示与重力场中的浮力相当相对径向运动速度，方向如图示类似于重力沉降，即二、离心沉降速度与比较，式中的g改用方向向下，是恒值，而方向沿径向由中心指向外，并随R的不同而不同，值是变化的。
三、分离因数若将离心沉降速度计算式与重力沉降速度相除则可得分离因数值大小是反映离心分离设备性对于一定的悬浮系，当采用离心沉降时，可加快沉降过程。
能的重要指标。
高速离心机的值可达1万以上。
§3.3.2 旋风分离器一、旋风分离器的结构及工作原理旋风分离器是常用的气固系离心分离设备。
标准型旋风分离器的结构为：工作原理：含尘气体自进风口切向引入，在分离器内作以上向下，再由下向上的螺旋运动，然后从中心管引出。
在上、下螺旋运动过程中，尘粒与气体发生相对运动被甩向器壁后顺壁石掉落至灰斗，这样尘粒得以与气体分离。
二、旋风分离器的临界粒径旋风分离器的临界粒径是指能被旋风分离器完全去除的最小颗粒的粒径。
旋风分离器的临界粒径是判断分离效率高低的重要依据。
计算临界粒径的简化条件1）进入旋风分离器的气流严格按螺旋形路线作等带运动，其切向速度等于进口气速；2）颗粒向器壁沉降时，必须穿过厚度等于整个进气口宽度B的气温层，方能达到气壁面被分离。
3）颗粒在stocks区，作自由沉降，其径向沉降速度可用计算，式中∵，∴，R取平均值，则颗粒到达器壁所需的沉降时间为含气流的有效旋转圈数为，即内外旋转的旋转围数等效值，所以气流在器内的所需时间为当且仅当时，该颗粒就是理论上能被空气分离下来的最小颗粒，其直径为临界粒径，以表示，即标准型一般～3.0可见，随B，分离效率随分离器尺寸，所以当气体处理量大时，常将若干个小型的旋风筒并联使用，以维持较高的除尘效率。
，细长形有利；;三、分离效率总分离效率——进口气体含尘浓度，——出口气体含尘浓度，的大小是旋风分离器数分离性能的另一指标。
缺点是不能反映旋风筒对各尺寸粒子的不同分离效果。
粒级效率～的关系曲线（粒级效率曲线）一般由实验测定。
一般如下图：由实测粒级效率曲线可知，对于直径小于的颗粒，其不为零，有较可观的分离效果；而直径大于的颗粒，还有部分末被分离下来。
这主要是因为直径小于的颗粒中，有些在旋风分离器进口处已很靠近壁石，因而只需较小的沉降时间，有些小颗粒在器内聚结成为大颗粒，因而肯有较大的沉降速度；直径大于的颗粒中，有些受气体涡流的影响未能到达壁石，或者沉降后又被气流重新卷起而带走。
有时也把标绘成的函数曲线，其中是粒级效率为50%的颗粒直径，称之为分割粒径。
对于标准型旋风分离器：D——筒径，m标准型旋风分离器的——曲线如下图所示：与的关系：四、压强降气体流经旋风分离器时，由于进气管，排气管及主体器壁所引起的摩擦阻力，气体流动时的局部阻力及气体旋转运动时所产生的动能损失等等，造成了气体的压强降，一般表示为与进口气体动能成正比。
ξ——阻力系数，标准型一般介于500~2000Pa。
是表征旋风分离器性能的另一项指标。
对于同一结构型式及尺寸比例的旋风分离器为常数，不因尺寸大小而变。
综上所述，影响旋风分离器性能（分离性能及压降）的重要因素为物系性质及操作条件。
一般地，大，大，高及粉尘浓度高等有利于分离，但过高的进口气体会加刷气体涡流，不利于分离且增大压强降。
（两项指标是互为矛盾的），为此，对于旋风分离的进口气速宜为10～25m/s。
§3.3.3 旋风分离器的类型与选用一、旋风分离的类型CLT型（标准型）CLT/A型（切向进口改为倾斜螺旋面进口）CLP型（）CLK型（扩散型）二、旋风分离器的选用选用的依据：处理气量（体积流量）要求达到的分离效率（往往规定某值某值）容许的压强降选用步骤为：1．据处理量及容许压强降，要求的分离效率确定类型。
2．类型确定后，查阅其性能表，确定型号。
（性能表中有不同尺寸的该型旋风分离器在若干个压降下的处理气量，依性能型号，表中所列的为下的数值，当不同需校正）。
3．按照规定的压强降和分离效率确定旋风分离器并串联的台数。
在旋风分离器的实际操作中，还需特别注意防止“窜漏”。
若排灰口密封不好而发生漏气，即外面空气窜入旋风分离器内，则上升气流会将已沉降下来的尘粒重新扬起，大大降低收尘效果。
第四节过滤§3.4.1 概述过滤是指以某种多孔物质作为介质，在外力的作用下，使流体通过介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固体颗粒与流体分离目的的操作，过滤可去除气固系中的颗粒，也可去除液固系中的固体颗粒，化工生产中过滤大多用于悬浮液中固液分离，本节只介绍悬浮液的过滤操作。
实现过滤操作的外力可以是重力，压强差或惯性离心力，但在化工中应用最多的是以压强差为推动力的过滤操作。
※名词滤浆（料浆）——是指被处理的悬浮液；过滤介质——过滤操作中采用的多孔物质；滤液——是指通过介质孔道的液体；滤饼——是指被截留的固体颗粒。
※目的获得洁净的液体或获得作为产品的固体颗粒。
※过滤操作的分类1、饼层过滤（滤饼过滤）若悬浮液中固体颗粒的体积百分数大于1%，则过滤过程中在过滤介质表面会形成固体颗粒的滤饼层，这种过滤操作称为饼层过滤。
在饼层过滤中，由于悬浮液中的部分固体颗粒的粒径可能会小于介质孔道的孔径，因而过滤之初会有一些细小颗粒穿过介质而使液体浑浊，但颗粒会在孔道内很快发生“架桥”现象，并开始形成滤饼层，滤液由浑浊变为清澈。
此后过滤就能有效进行了。
由此可见，在饼层过滤中，真正起截留颗粒作用的是滤饼层而不是过滤介质，在饼层过滤过程中，滤饼会不断增厚。
过滤的阻力随之增加，在推动力不变的情况下，过滤速度会愈来愈慢。
2、深层过滤（深床过滤）若以细小坚硬的固体颗粒堆积生成的固定床作为过滤介质，将悬浮于液体中的固体颗粒截留在床层内部且过滤介质表面不生成滤饼的过滤称为深层过滤。
深层过滤适用于悬浮液中固体颗粒的体积百分数小于0.1%且固体颗粒粒径较小的场合。
深层过滤中，由于悬浮液的粒子直径小于床层孔道直径，所以粒子随着液体一起流入床层内的曲折通道，在穿过此曲折通道时，因分子间力和静电作用力的作用，使悬浮粒子粘附在孔道壁面上而被截留。
3、动态过滤前已述及，饼层过滤中，饼层不断增厚，阻力亦不断增加，在推动力（如压强差）保持不变时则过滤速率会不断变小。
为了在过滤过程中限制滤饼的增厚，Tiller于1977年提出了被称为动态过滤的新过滤方式。
动态过滤可描述为料浆沿过滤介质表面作高速流动，使得滤饼在剪切力的作用下不会增厚，这样就可维持较高的过滤能力。
如图所示：动态过滤中，滤液与料浆呈错流（交错流动）。
动态过滤需多耗机械能，且不能得到含固量高的滤饼，操作中因料浆粘度不断增加，过大的阻力可能使电机过载，因此使用动态过滤需十分谨慎。
化工生产中使用最多的是饼层过滤，故以后只介绍饼层过滤的基本原理及计算。
一、过滤介质过滤介质是一种多孔物质，它是滤饼的支承物，它应具有足够的机械强度和尽可能小的流动阻力，过滤介质的孔道直径往往会稍大于悬浮液中一部分颗粒的直径。
工业上常用的过滤介质主要有以下几类：1、织物介质，又称滤布，它由棉、毛、丝、麻等天然纤维及由各种合成纤维制成的织物，以及由玻璃丝、金属丝等织成的网。
2、粒状介质：包括细纱、木炭、石棉、硅藻土等细小坚硬的颗粒状物质，多用于深床过滤。
3、多孔道固体介质：它是具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶瓷，多孔塑料及多孔金属制成的板式管。
二、滤饼滤饼是由被截留下来的颗粒垒积而成的固定床层，随着过滤操作的进行，滤饼的厚度与流动阻力都逐渐增加。
三、助滤剂对于可压缩性滤饼，时，饼层颗粒间的孔道会变窄，有时会因颗粒过于细密而将通道堵塞，为了避免此种情况，可将某种质地坚硬且能形成疏松床层的另一种固体颗粒预先涂于过滤介质上，或者混入悬浮液中，以形成较为疏松的滤饼，使滤液得以畅流，这种物质称为助滤剂，如硅藻土等。