化工原理第三章 机械分离
化工原理(第三章)
up=u－u0
u = 0，up = u0 流体静止，颗粒向下运动； up = 0，u = u0 ，颗粒静止地悬浮在流体中； u > u0 ， up > 0， 颗粒向上运动； u < u0， up < 0，颗粒向下运动。
4、非球形颗粒的几何特征与阻力系数
一般采用与球形颗粒相对比的当量直径来表征非球形颗粒的 主要几何特征。 等体积当量直径 deV 等表面积当量直径 deA
非均相 混合物 2.悬浮液 3.乳浊液 4.含尘（或雾）气体
第一节 筛分
一、颗粒的特征 颗粒的基本特征是大小（粒径）、形状和表面积。 二、颗粒群的特征 颗粒群的基本特征有料径分布、平均直径 三、筛分 1.筛分原理 2.筛的有效性与生产能力
第二节 沉降分离
一、重力沉降原理 1、自由沉降的定义 单个颗粒在无限大流体（容器直径大于颗粒直径的 100倍以上）中的降落过程。它的特点是颗粒间没有干扰。 2、颗粒的流体中的受力分析 在重力场中，颗粒自由沉降时共 受三个力的作用，即重力(Fg)、浮力 (Fb)和阻力(Ff)。 Fg= π d 3 ρs g Fb= π d 3 ρ g 6 6 π d 2 ρu2 Ff= ζ 4 2
例3－2 尘料的直径为30μm，密度为2000kg/m3，求它在空 气中做自由沉降时的沉降速度。空气的密度为1.2kg/m3，粘 度为0.0185Pa.s。 解：先假设沉降在层流区，由斯托克斯公式有： d2 (ρs－ ρ) g u0 = 18μ (30×10－6)2 (2000－1.2) ×9.81 = = 0.053(m/s) －3 18×0.0185×10 核验 30×10－6 ×0.053×1.2 du0ρ Re0 = = 0.103＜2 = －3 μ 0.0185×10
化工原理第三章
第三章机械分离概述一、机械分离的应用在工业生产中，有很多情况需要将混和物分离，原料需要经过提纯或净化之后才符合加工要求，产品或中间产品也需要提纯净化才能出售，废气、废液、废渣也需要提纯分离才符合排放标准。
混和物分离有均相混和物分离和非均相混和物分离。
本章介绍非均相混和物的沉降、过滤的基本单元操作。
以碳酸氢铵的生产为例，如图是它的流程示意图。
氨水与二氧化碳在碳化塔1内进行碳化反应之后，生成的是含有碳酸氢铵晶体的悬浮液，即为一种液体与固体微粒的混合物，然后通过离心机或过滤机2将固体和液体分离开。
但分离后的晶体中仍然含有少量的水分，因此，还要将分离后的晶体经气流干燥器4干燥，即使物料在热气流的带动下迅速通过气流干燥器，使晶体中所含有的水分汽化并除去。
由于这时的固体粒子分散在气相之中，又要通过旋风分离器6等装置将其与气相分离开，以得到最后的产品。
在这个过程中，包含着流体与固体粒子的分离、混合与输送等不同的操作，而这些操作中又有一个共同的特点，即流体与固体粒子之间具有相相对运动，同时还往往伴随有热量和质量的传递。
主要应用有：1）对固体粒子或流体作进一步加工；2）回收有价值的物质；3）除去对下一工序有害的物质；4）减少对环境的危害。
二、常见分离方法1）沉降分离法，利用两相密度差；2）过滤分离法，利用两个相对多孔介质穿透性的差异；3）静电分离法，利用两相带电性差异；4）湿洗分离法，气固穿过液体，固体黏附于液体而分离。
三、均相物系与非均相物系不同成分的物质以相同的相态均匀混合组成的稳定系统为均相物系，各种气体总能够均匀地混合成均一的相，如空气。
墨水、乙醇+水、汽油+柴油、盐水、糖水等等也是均相物系。
含有不同相态的物质系统组成的混和物系为非均相物系，如云雾（气相+液相）、烟尘（气相+固相）、乳浊液（两种液相）就是非均相物系。
水+苯、水+砂子，沙尘暴等都是非均相系的例子。
非均相物系是指物质系统中存在着两相或更多的相。
化工原理(第四版)谭天恩 第三章 机械分离与固体流态化
《化工原理》电子教案/第三章
二、沉降设备
气 固 体 系---用于除去>75m以上颗粒 降 尘 室 重 力 沉 降 设 备 液 固 体 系 沉 降 槽
液固体系 旋液分离器
离 心 沉 降 设 备 旋风分离器 气固体系 ---用于除去>5～10m 颗粒
4d s g u0 3
如图3-2中的实线所示。
Re0=du0/ 1或2
24 层流区 Re0
u0
d 2 s g 18
----斯托克斯定律
作业：
10/69
《化工原理》电子教案/第三章
1、自由沉降
离心沉降速度 离心加速度ar=2r=ut2/r不是常量 颗粒受力：
加料 清液溢流 清液
耙 稠浆
除尘原理：与降尘室相同
连续式沉降槽
19/69
《化工原理》电子教案/第三章
增稠器（沉降槽） 特点：
属于干扰沉降 愈往下沉降速度愈慢-----愈往下颗粒浓度愈高，其表观粘 度愈大，对沉降的干扰、阻力便愈大； 沉降很快的大颗粒又会把沉降慢的小颗粒向下拉，结果小颗 粒被加速而大颗粒则变慢。 有时颗粒又会相互聚结成棉絮状整团往下沉，这称为絮凝现 象，使沉降加快。
9 B dc Nu i s
含尘 气体 A
B
净化气体
N值与进口气速有关，对常用形式的旋风分离器，风速 1225 ms-1范围内，一般可取N =34.5，风速愈大，N也 愈大。 思考：从上式可见，气体 ，入口B ，气旋圈数N ，进口气速ui ，临界粒径越小，why？
D
结论：旋风分离器越细、越长，dc越小
这种过程中的沉降速度难以进行理论计算，通常要由实验决 定。
化工原理 机械分离 过滤分离
40 1773 + 1267 = 1.51(h ) θC = θF + θ W + θR = + 60 3600 0.76 Q= = 0.5(m 3 / h ) 1.51
化工原理（上） 化工原理（
第三章 机械分离 —— 过滤分离过程
3.2 过 滤 一 过滤基本原理
1 过滤
滤 浆 滤 饼 过滤介质
滤 液
固液混合，外力驱动，多孔介质，颗粒截留， 固液混合，外力驱动，多孔介质，颗粒截留，液体通过
名词： 名词： 1过滤介质；滤浆；滤渣(饼)；滤液 2过程推动力：重力；压力(差)；离心力 3滤饼过滤与深层过滤 4操作目的：固体或清净的液体 5洗涤——回收滤饼中残存的滤液或除去其杂质
一个周期中全部面积经历过滤时间 一个周期中全部面积经历过滤时间 全部面积
θ F = φθ C = φ / n θ F = φθ C
部分面积，全部时间 →全部面积， 部分面积，全部时间—→全部面积，部分时间
φA
θC
A
（2）生产能力
Qh = 3600qA / θ c = 3600nqA 2 q + 2qqe = Kθ F = Kφ / n
模型简化
细管)当量直径 ③孔道(细管 当量直径 e： 孔道 细管 当量直径d
4 × 流通截面积 l 4 × 空隙体积 4 × 床层体积 × 空隙率 de = = = 润湿周边长 l 颗粒表面积 比表面积 × 颗粒体积 4 × 床层体积 × 空隙率 4ε = = 比表面积 × 床层体积 × (1 − 空隙率 ) a (1 − ε )
2．转筒过滤机 ． （1）结构与工作原理 ）
四 过滤计算
1．间歇过滤机的计算 卸渣、清理、装合 卸渣、清理、
化工原理上册 第3章 流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离
τm
AP
(a)
(b)
(c)
图3-5 物体的不同形状和位向对曳力的影响 （a）-平板平行于流向；（b）-平板垂直于流向；（c）-流线型物体
水平方向，颗粒所受曳力：
颗粒微元： dFD p cosdA w sindA
总曳力：FD p cosdA w sindA
A
A
Pcosa dA PdA
τwdA
aB
A VB
V
A a(1 ) (1 )
aB a
3.3 流体和颗粒的相对运动
流体和颗粒相对运动的情况：
① 颗粒静止，流体绕过颗粒流动； ② 流体静止，颗粒流动； ③ 颗粒和流体都运动，维持一定相对速度。
3.3.1 流体绕过颗粒的流动
(1) 曳力 阻力：颗粒对流体的作用力 曳力：流体对颗粒的作用力
② 非球形颗粒的曳力系数 计算方法： ◇ 近似用球形颗粒公式，ds→da 或 dv ◇ 实测ξ-Rep 关系（书P168 图3.3.2）
3.3.2 颗粒在流体中的流动
(1) 颗粒在力场中的受力分析
Fb
① 质量力 Fe mae Vs sae
②
浮力
Fb
m
s
ae
Vs ae
③
曳力
FD
AP
1 2
u 2
1
)3
( 6dV2 / a )1/3 ( 6dV2 )1/3
a
因此， dV
6
a
2）等比表面积当量直径 da 指：与非球形颗粒比表面积相等的球形颗粒的直径
a
as
d
2 s
6
d
3 s
6/ ds
da
因此，da 6 / a
化工原理第三章机械分离与固体流态化.ppt
在过滤过程中，滤液通过过滤介质和 滤饼层流动时需克服流动阻力，因此， 过滤过程必须施加外力。外力可以是重 力、压力差，也可以是离心力，其中以 压力差和离心力为推动力的过滤过程在 工业生产中应用较为广泛。
3.1.2 过滤基本方程
令颗粒比表面积a=颗粒表面积/颗粒体积，则：
de4 a 1
将上述几式式代入式3-1，整理得：
dV 3
p1
Ad 2Ca212 L
（3－2）
r2C2a 12 3
r称为滤饼的比阻，与滤饼的结构有关。r r0ps
可压缩滤饼的s大约为0.20.8。不可压缩滤饼s=0。于是
式3-2可写成：
若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为：
V2 KA2
q2 K
3.1.2 过滤基本方程
• 2．恒速过滤
若过滤时保持过滤速度不变，则过滤过程为恒速过滤。
对恒速过滤，有 dV V 常数
Ad A
代入式3-5中得：
V2
VVe
K 2
A2
或
q2
qqe
K
2
若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为：
V 2 K A2
第三章 机械分离与固体流态化
• 3.1 过 滤 • 3.2 沉 降 • 3.3 固体流态化
3.1 过 滤
• 3.1.1 概述 • 3.1.2 过滤基本方程 • 3.1.3 过滤常数的测定 • 3.1.4 滤饼洗涤 • 3.1.5 过滤设备及过滤计算
3.1.1 概 述
• 滤饼过滤其基本原理是在外力（重力、压力、离心 力）作用下，使悬浮液中的液体通过多孔性介质，而 固体颗粒被截留，从而使液、固两相得以分离，如图 3-1所示。
南工大化工原理第三章颗粒流体力学基础与机械分离
过滤基本方程式
可压缩滤饼 压缩性指数 s= 0
～
r r0 (p)
1
s
不可压缩滤饼：s=0
过滤基本方程式
dq p d r0 (q qe )
1 s
过滤基本方程
令：
2(p) K r0
1 s
（ 恒压过滤常数）
dq K d 2(q qe )
过滤设备
2
2 1 u 1.75 3 dm
欧根方程的误差约为±25%
Re’ ﹤20/6时 右第二项可略 Re’ ﹥1000/6时 右第一项可略
*** 颗粒床层简化模型常用的有一维、二维和三维模型， 这些模型都是将流体通过固定床层的流动进行了大量的 简化，因此所得到的数学模型只能在一定范围内反映事 物的规律。随着科学技术的发展，特别是数学理论的发 展，一些新的在更大程度上能反映流动规律的模型相继 问世。如流体流过一个颗粒表面，当流速较小时颗粒后 面的流体运动是定常的，当流速大到一定程度会发生边 界层分离现象，颗粒后面的流体运动变为湍流运动， 这就属于数学中的混沌现象， 由此建立的混沌模型就 比较复杂。又如固定床层中的颗粒通常看成球形，对于 非球形颗粒通常用平均半径来表示，当考虑颗粒的具体 的不规则形状时，就可能出现非整数维数，由此建立的 数学模型也就很复杂了。但在工程上使用最广、最成熟 的是一维模型。介绍床层的一维简化模型。
1.表格式：表1 石英砂的筛分数据
编号 筛号范围 平均粒径dp， 质量分数 mm x 9/10 10/12 12/14 14/16 16/20 20/24 24/28 1.816 1.524
筛上粒子的 d
筛孔尺寸 d， mm 1.651（10号） 1.397 （12号） 1.168 （14号） 0.991 （16号） 0.833 （20号） 0.701 （24号） 0.589 （28号）
江苏师范大学《化工原理》教学PPT第3章机械分离
26
降尘室是一个大空箱， 含尘气体从一端进入，以流
气体入口
速u水平通过降尘室，尘埃以
自由沉降速度ut 向室底沉降，
3.1.1 流体绕过颗粒的流动
当流体以一定速度绕过颗粒流动时，流体与颗粒之间产生一对大小 相等、方向相反的作用力，将流体作用于颗粒上的力称为曳力，而将 颗粒作用于流体上的力称为阻力。 一、颗粒的特性 描述一个颗粒至少要有3个参数:密度、大小、形状。 1.球形颗粒
密度 m
V
体积
V
d3
6
表面积 S d 2
的作用下沿重力方向作沉降运动，此时颗粒受到哪些力的作用呢？
Fg
mg
6
d
3s g
d
Fb
6
d
3
g
Fd
AP
1 2
u 2
4
d
2
1 2
u 2
17
根据牛顿第二定律得：
F
Fg
Fb
Fd
ma
6
d 3s g
6
d 3g
4
d
2
1 2
u 2
6
d
3s
du
d
整理得 ：
du ( s )g 3 u2
d
s
4d s
开始瞬间，u 0，du 最大，颗粒作加速运动。
13
可查P108图3-3,也可用公式计算(φ=1)
• Ret<2, 称斯托克斯区 ζ=24/Ret Fd∝u λ=64/Re Hf∝u
化工原理课件第三章机械分离和固体流态化
川 理 工
§3.1.1 颗粒的特性 一 、单一颗粒的大小和形状
学 1、球形颗粒
院
材 化
体积 :V d 3
6
系
化 学
直径 : d
表面积 : s d 2
工 程
比表面积 : a 6
教
d
研
室
化工原理
机械分离和固体流态化
第五页，编辑于星期六：十八点 十分。
四 2、非球形颗粒
川 以某种特性相当的球形颗粒代表，相应的球的直径称当量直径。 理
工 数值上等于空隙率，即床层中自由截面的大小与床层的轴向高度无关。
程
床层直径
教 研
壁效应
颗粒直径
室
化工原理
机械分离和固体流态化
12 第十二页，编辑于星期六：十八点 十分。
四 §3.2 沉降过程
川 沉降操作：在某中力的作用下，利用分散相与连续相间的密度差异，使 理 之发生相对运动而实现分离的操作过程。分为：重力沉降、离心沉降。
化
L
学
u
B
工
气体
程 教
ut
H
研
多层降尘室
室
颗粒在降尘室中的运动
化工原理
机械分离和固体流态化
20 第二十页，编辑于星期六：十八点 十分。
四 思考 2：要想使某一粒度的颗粒在降尘室中
川 被 100%除去，必须满足什么条件？
理 工 学
t
H ut
ut
d
2 p
p 18
g
院 思考 3：能够被 100%除去的最小颗粒，必须满足什么条件？
于 1.7μm，则简单表示为 d50 =1.7μm。
工 程 教
2.在该批颗粒的最大直径 d pmax
化工原理(天大版)---(上册)第三章 机械分离与固体流态化
（V VR）与( R )分别为转如恒压阶段后 得到的滤液体积和所用 时间
3-3-5 过滤常数的测定
过滤常数：K、qe、e
K 2kP1s
qe2 Ke
k 1 r
3-3-5 过滤常数的测定
一 恒压下K、qe、e的测定
恒压过滤方程： (q qe )2 K( e ) q2 2qeq K
2(q qe )dq Kd
t
18RmB dc2sui2
2RmNe ui
dc
9B Nesui
三旋风分离器的性能
2. 分离效率
总效率o 粒级效率p
C1 C2 C1
P,i
C1,i C2,i C1,i
粒级效率p与粒径比dd50 的曲线：
d50：粒级效率为50%的颗粒直径
n
0
i 1
xi
p
i
xi：粒径在第i段内的颗粒占 全部颗粒的质量分率
(
dV d
)w
与(
dV d
)E的关系
假设
i. 洗涤压强差与过滤终了时的压强差相同
ii. 洗水粘度与滤液粘度相同
3-3-7 滤饼的洗涤
叶滤机
置换洗涤法：（L+Le）W=（L+Le）E；A洗=A
(
dV d
)w
(
dV d
)E
KA2 2(V Ve )
板框压滤机
横穿洗涤法： （L+Le）W=2（L+Le）E；A洗=0.5A
r(
P V
Ve
)
AP r(V
Ve
)
A
dV A2P d r(V Ve )
过滤基本方程
3-3-2 过滤的基本方程式
化工原理：第三章 机械分离
(非均相混合物的分离)
1
返回
3-1 引言
一、机械分离 通过机械力（重力、离心力或压差）分离
非均相混合物的单元操作。 二、机械分离的目的及重要性 1. 使原料得到提纯和净化 2. 获得中间产品或成品 3. 回收有用物质 4. 机械分离在环境保护方面具有重要的作用 三、机械分离的常用方法 1. 筛分 2. 沉降 3. 过滤
因为沉降依据的有重力或离心力，
重力沉降 所以沉降又可分为
离心沉降
3
返回
（一）重力沉降原理—沉降速度
一 固体颗粒在流体中的沉降运动
1．颗粒沉降运动中的受力分析
d，s的球形颗粒
(1) 作用力
重力
6
d3sg
离心力
6
d
3 s ar
6
d 3s
ut2 r
4
返回
(2) 浮力 重力场 d 3g
6
(3)阻力
离心力场 d 3 ut2
都能提高除尘室的分离效率
对气体p
pM RT
,Vs
ms
21
返回
三 离心沉降设备
重力沉降的不足与离心沉降的优势
设备体积小而分离效率高
3-9．旋风分离器
一、构造与工作原理
圆筒、圆锥、矩形切线入口
气流获得旋转 向下锥口 向上，气芯
顶部中央排气口
22
返回
颗粒器壁滑落 各部分尺寸——按比例 (见教材) 二、旋风分离器的主要性能 1、分离性能——评价分离性能的两种不同方式有
② 作用力的方向不同 重力沉降 方向指向地心
离心沉降 方向沿旋转半径从中
心指向 ur 的方向
③ 重力沉降速度是颗粒运动的绝对速度
考研 化工原理 必备课件第三章 机械分离与固体流态化
考研化工原理必备课件第三章机械分离与固体流态化.txt25爱是一盏灯，黑暗中照亮前行的远方；爱是一首诗，冰冷中温暖渴求的心房；爱是夏日的风，是冬日的阳，是春日的雨，是秋日的果。
本文由821240550贡献ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。
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第三章机械分离与固体流态化3.1 颗粒及颗粒床层的特性 3.2 3.3 3.4 3.5 沉降过程过滤离心机固体流态化3.1颗粒及颗粒床层的特性（1）床层空隙率ε固定床层中颗粒堆积的疏密程度可用空隙率来表示，其定义如下：ε=空隙体积床层体积V ? 颗粒所占体积v v = = 1? 床层体积床层体积V Vε的大小反映了床层颗粒的紧密程度，ε对流体流动的阻力有极大的影响ε↓, ∑ h f ↑。
ε < 1。
3.1颗粒及颗粒床层的特性（2）床层自由截面积分率AA0 =。
A 流动截面积床层截面积A-颗粒所占的平均截面积A P = = 1? P 床层截面积床层截面积A A空降率与床层自由截面积分率之间有何关系？假设床层颗粒是均匀堆积（即认为床层是各向同性的)。
想象用力从床层四周往中间均匀压紧，把颗粒都压到中间直径为长为L的圆柱中（圆柱内设有空隙）。
ε = 1?v ?D ? = 1? 4 = 1? ? 1 ? π 2 V ?D? D L 4πD1 L222 D12 AP ? D1 ? 4 A0 = 1 ? = 1? = 1? ? ? π 2 A ?D? D 4π所以对颗粒均匀堆积的床层(各向同性床层），在数值上ε = A03.1颗粒及颗粒床层的特性(3)床层比表面aB = 颗粒表面积S 床层体积V颗粒比表面S aB ， = 1a=颗粒表面积S 颗粒体积V取V =的床层考虑， 1m3a=S S = v 1? εaB = a(1 ? ε ) * 所以此式是近似的，在忽略床层中固颗粒相互接触而彼此覆盖使裸露的颗粒表面积减少时成立。
化工原理第三章 机械分离
2.564m
2）理论上能完全分离的最小颗粒尺寸
Vs 2.564 u0 0.214m / s BL 2 6
用试差法由u0求dmin。
假设沉降在斯托克斯区
2018/9/20
d min
18u0 18 3.4 10 5 0.214 5.78 10 5 m 4000 0.5 9.807 s g
附录查得，20℃时水的密度为998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s
2018/9/20
u0
95 10 3000 998.2 9.81
6 2
18 1.005 103
9.797 10 3 m / s
核算流型
6 3 95 10 9 . 797 10 998.2 Re0 0.9244＜1 3 1.005 10
Vs BLu0
——降尘室的生产能力
降尘室的生产能力只与降尘室的沉降面积BL和颗粒的沉 降速度u0有关，而与降尘室的高度H无关。
2018/9/20
3、降尘室的计算
设计型 已知气体处理量和除尘要求，求 降尘室的计算 降尘室的大小
操作型 用已知尺寸的降尘室处理一定量 含尘气体时，计算可以完全除掉 的最小颗粒的尺寸，或者计算要 求完全除去直径dp的尘粒时所能处 理的气体流量。
一、沉降速度
第三章 机械分离
第一节 重力沉降
1、球形颗粒的自由沉降 2、阻力系数 3、影响沉降速度的因素 4、沉降速度的计算 5、分级沉降
二、降尘室
1、降尘室的结构 2、降尘室的生产能力
2018/9/20
均相混合物 物系内部各处物料性质均一而且不 存在相界面的混合物。 混合物 例如：互溶溶液及混合气体
化工工艺学第三章机械分离
化⼯⼯艺学第三章机械分离第三章机械分离本章学习指导1．本章学习⽬的通过本章学习能够利⽤流体⼒学原理实现⾮均相物系分离（包括沉降分离和过滤分离），掌握过程的基本原理、过程和设备的计算及分离设备的选型。
建⽴固体流态化的基本概念。
2．本章重点掌握的内容（1）沉降分离（包括重⼒沉降和离⼼沉降）的原理、过程计算和旋风分离器的选型。
（2）过滤操作的原理、过滤基本⽅程式推导的思路，恒压过滤的计算、过滤常数的测定。
（3）⽤数学模型法规划实验的研究⽅法。
本章应掌握的内容（1）颗粒及颗粒床层特性（2）悬浮液的沉降分离设备本章⼀般了解的内容（1）离⼼机的类型与应⽤场合（2）固体流态化现象（包括⽓⼒输送）3．本章学习中应注意的问题本章从理论上讨论颗粒与流体间相对运动问题，其中包括颗粒相对于流体的运动（沉降和流态化）、流体通过颗粒床层的流动（过滤），并借此实现⾮均相物系分离、固体流态化技术及固体颗粒的⽓⼒输送等⼯业过程。
学习过程中要能够将流体⼒学的基本原理⽤于处理绕流和流体通过颗粒床层流动等复杂⼯程问题，即注意学习对复杂的⼯程问题进⾏简化处理的思路和⽅法。
4．本章教学的学时数分配知识点3-1 授课学时数1 ⾃学学时数2知识点3-2 授课学时数3 ⾃学学时数6知识点3-3 授课学时数3 ⾃学学时数6知识点3-4 授课学时数1 ⾃学学时数2参考书籍（1）柴诚敬，张国亮.化⼯流体流动与传热.北京:化学⼯业出版社,2000（2）陈维枢主编.传递过程与单元操作.上册.浙江:浙江⼤学出版社,1993（3）陈敏恒等,化⼯原理(上册).北京:化学⼯业出版社,1999（4）机械⼯程⼿册编辑委员会.机械⼯程⼿册(第⼆版),通⽤设备卷.北京:机械⼯业出版社,1997（5）⼤连理⼯⼤学化⼯原理教研室.化⼯原理,上册.辽宁:⼤连理⼯⼤学出版社,1993 （6）时钧等.化学⼯程⼿册,上卷.2版.北京:化学⼯业出版社,1996（7）McCabe W. L. and Smith. J. C. Unit Operations of Chemical Engineering. 5th. ed. New York: McGraw Hill,1993（8）Foust A. S. and Wenzel. L.3.1本章概述⼀．混合物的分类⾃然界的⼤多数物质为混合物。
化工原理第三章机械分离
三力平衡时，得
所以
— 离心沉降速度
在层流区（10-4<Rer<1）， 所以
而
所以
— 离心分离因数
二、旋风分离器
1. 结构 2．原理：颗粒离心沉降到内壁后，靠重力沿内壁落入灰斗。 3. 临界粒径：能完全分离下来的最小粒径。 假定：
(1) 颗粒平均切向速度等于进口气体平均速度ui (2) 气体入器后仍以入口形状沿园简旋转Ne圈，离心沉降距离为B。
a S 6 Vd
（2）非球形颗粒
令
Vp
6
de3
S4r2d2
— 比表面积，m2 / m3
则
de
3
6V p
— （体积）当量直径
1．形状系数（形状）
(1) 定义
形状系数（球形度）：颗粒当量表面积与其实际表面积之比，即
(1) 球形颗粒 (2) 非球形颗粒
二、颗粒群的特性
1．粒度分布（粒径分布）
(1) 定义：不同粒径范围内所含粒子的个数或质量
6．型式（类型）
标准型，图3-8
CLT/A型，图3-12
CLP/A、CLP/B 型，图3-13
扩散型，图3-14
7. 选择
物性
形式（类型）
生产能力
型号
允许压力降
三、旋液分离器
结构和原理与旋风分离器相似，旋液分离器的结构特点是直径小而圆锥部分长，而且旋液分离 器应采用耐磨材料制造或采用耐磨材料做内衬以延长使用期限。
均匀悬浮液 四区（清液区、等浓区、变浓区、沉聚区） 等浓区消失 变浓区消失 沉 聚区压紧。见图3-7。 五、分级器：利用重力沉降来分离悬浮液中不同密度或不同粒度的粒子的设备。
第三节 离心沉降
一、离心沉降速度 设某个球形颗粒在流体中自由离心沉降，则该颗粒在径向所受力有： 惯性离心力
天津大学版 化工原理 第三章 非均相分离
(2) 颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰
(3) 容器壁对颗粒沉降的阻滞作用可以忽略， 若容器直径不到颗粒直径的100倍左右，这种作 用便显出
(4) 颗粒直径不能小到受流体介质分子热运动 的影响，否则沉降速度要变小，严重时便不能 沉降
例 颗粒大小测定
已测得密度为 ρp = 1630kg/m3 的塑料珠在 20℃ 的 CCl4 液体中的沉降速度为 1.70×10-3m/s，20℃时CCl4 的密度 ρ=1590kg/m3，粘度μ=1.03×10-3Pa/s，求此塑料珠的直径
Fd
Fb
沉降速度
ut
4gd(s ) 3
Fg
注意：沉降速度ut为颗粒与 体的相对运动速度
一、 球形颗粒的自由沉降
Fg-Fb-Fd= ma
Fd
Fb
6
d 3 (s
)g
4
d
2 ( u 2
2
)
6
d 3s
du
d
恒速沉降时，du/dτ＝0，u=ut
由此可得沉降速度
Fg
ut
6
3
(s
)
uT2 R
颗粒在运动中所受的介质阻力： d 2 ur2
42
上面两力达平衡时有：ur
4d (s )uT2 3R
当颗粒与流体介质的相对运动属于层流时， 24 Rer
离心沉降速度为：ur
d
2 (s ) (uT2 18 R
)
颗粒作圆周运 动的切向速度
离心分离因数Kc
• （1）等体积当量直径:
•
de=
• （2）等比表面积当量直径
化工原理第三章习题及答案
第三章 机械分离一、名词解释（每题2分）1. 非均相混合物物系组成不同，分布不均匀，组分之间有相界面2. 斯托克斯式r u d u ts r 2218)(⋅-=μρρ3. 球形度s ϕ非球形粒子体积相同的球形颗粒的面积与球形颗粒总面积的比值4. 离心分离因数离心加速度与重力加速度的比值5. 临界直径dc离心分离器分离颗粒最小直径6．过滤利用多孔性介质使悬浮液中液固得到分离的操作7. 过滤速率单位时间所产生的滤液量8. 过滤周期间歇过滤中过滤、洗涤、拆装、清理完成一次过滤所用时间9. 过滤机生产能力过滤机单位时间产生滤液体积10. 浸没度转筒过滤机浸没角度与圆周角比值二、单选择题（每题2分）1、自由沉降的意思是_______。
Ａ颗粒在沉降过程中受到的流体阻力可忽略不计Ｂ颗粒开始的降落速度为零，没有附加一个初始速度Ｃ颗粒在降落的方向上只受重力作用，没有离心力等的作用Ｄ颗粒间不发生碰撞或接触的情况下的沉降过程D 2、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B3、对于恒压过滤_______。
A 滤液体积增大一倍则过滤时间增大为原来的√2倍B 滤液体积增大一倍则过滤时间增大至原来的2倍C 滤液体积增大一倍则过滤时间增大至原来的4倍D 当介质阻力不计时,滤液体积增大一倍,则过滤时间增大至原来的4倍D4、恒压过滤时，如介质阻力不计，滤饼不可压缩，过滤压差增大一倍时同一过滤时刻所得滤液量___ 。
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C5、以下过滤机是连续式过滤机_______。
Ａ箱式叶滤机Ｂ真空叶滤机Ｃ回转真空过滤机Ｄ板框压滤机 C6、过滤推动力一般是指______。
Ａ过滤介质两边的压差Ｂ过滤介质与滤饼构成的过滤层两边的压差Ｃ滤饼两面的压差Ｄ液体进出过滤机的压差B7、回转真空过滤机中是以下部件使过滤室在不同部位时，能自动地进行相应的不同操作：______。
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2014-5-7
二、降尘室
1、降尘室的结构 2、降尘室的生产能力
降尘室的生产能力是指降尘室所处理的含尘气体的体积流 量，用Vs表示，m3/s。 降尘室内的颗粒运动 以速度u 随气体流动
方向 作用力
重力加速度g
指向地心 Fg=mg
ut2/R
沿旋转半径从中心指向外周
u FC m t R
2
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一、离心沉降速度
1、离心沉降速度ur
u 2t s 惯性离心力 = 6 r d 3 u 2 t 向心力 = 6 r
阻力 =
d 3
d 2 u 2r
4 2
三力达到平衡，则：
u0
d
2
s g
18
110 4000 0.5 9.807 6.4110
5 2
3
18 3.4 10
6
m/ s
VS 2.564 1 32.3 取33层 n 1 3 2 6 6.4 10 BLu0 H 2.564 板间距为 h 0.0754m n 1 33 1
u
2
2
对球形颗粒A
4
d
2
4
d2
u 2
2
Fg Fb Fd ma
6
d s g
3
6
d g
3
4
d
2
u 2
2
6
d 3 s a (a)
颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力Fd=0，a→max 颗粒开始沉降后，u ↑ →Fd ↑；u →u0 时，a=0 。 等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度ut 称为沉降速度。
2．理论上能完全分离下来的最小颗粒尺寸；
3. 粒径为40μm的颗粒的回收百分率；
4. 欲使粒径为10μm的颗粒完全分离下来，需在降降尘室内
设置几层水平隔板？
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解：1）降尘室的总高度H
273 t 273 427 VS V0 1 2.564m3 / s 273 273
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以速度u0
作沉降运动
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颗粒在降尘室的停留时间
L u
0 H u0
颗粒沉降到室底所需的时间 为了满足除尘要求
L H ——降尘室使颗粒沉降的条件 u u0 LHB H L LHB Vs u Vs Vs u0 Vs HB HB
0
比值Kc就是粒子所在位置上的惯性离心力场强度与重力 场强度之比，称为离心分离因数。 (可达几千至几万) 例如；当旋转半径r=0.4m，切向速度ut=20m/s时，求分离 因数。
uT Kc 102 gr
2
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二、旋风分离器的操作原理
2014-5-7
2014-5-7
三、旋风分离器的性能
非均相混合物 物系内部有隔开两相的界面存在且 界面两侧的物料性质截然不同的混
合物。 固体颗粒和气体构成的含尘气体 例如
固体颗粒和液体构成的悬浮液
不互溶液体构成的乳浊液 液体颗粒和气体构成的含雾气体
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分散相 分散质 非均相物系 连续相 分散介质
处于分散状态的物质
如：分散于流体中的固体颗粒、
，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。
u0 u0 d 1 2.1 D
'
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3）颗粒形状的影响 S 球形度 s Sp
对于球形颗粒， φs=1，颗粒形状与球形的差异愈大，球形 度φs值愈低。 对于非球形颗粒，雷诺准数Re0中的直径要用当量直径de代
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例 采用降尘室回收常压炉气中所含球形固 体颗粒。降尘室底面积为10㎡，高1.6m。 操作条件下气体密度为0.5kg/m3，黏度为 210-5Pas，颗粒密度为3000 kg/m3。气体 体积流量为5m3/s。试求： （1）可完全回收的最小颗粒直径； （2）如将降尘室改为多层以完全回收 20m的颗粒，求多层降尘室的层数及板间 距。
一、沉降速度
第三章 机械分离
第一节 重力沉降
1、球形颗粒的自由沉降 2、阻力系数 3、影响沉降速度的因素 4、沉降速度的计算 5、分级沉降
二、降尘室
1、降尘室的结构 2、降尘室的生产能力
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均相混合物 物系内部各处物料性质均一而且不 存在相界面的混合物。 混合物 例如：互溶溶液及混合气体
VS 2.564 H Bu 2 0.5
2.564m
2）理论上能完全分离的最小颗粒尺寸
Vs 2.564 u0 0.214m / s BL 2 6
用试差法由u0求dmin。
假设沉降在斯托克斯区
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d min
18u0 18 3.4 10 5 0.214 5.78 10 5 m 4000 0.5 9.807 s g
d 3
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d 2 u 2r d 3 u 2 t u 2t 0 s 4 2 6 r 6 r
平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度 ur便是此位置
上的离心沉降速度。
4d s ut 2 ur 3 r
2、离心沉降速度与重力沉降速度的比较
表达式：重力沉降速度公式中的重力加速度改为离心加速度
液滴或气泡
包围着分散相物质且处于连续 状态的流体 如：气态非均相物系中的气体 液态非均相物系中的连续液体
连续相与分散相 机械 分散相和连续相 分离 分离 不同的物理性质 发生相对运动的方式
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沉降
过滤
一、重力沉降
沉降 ：在某种力场中利用分散相和连续相之间的密度差 异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。 重力 作用力 重力 沉降
值是颗粒与流体相对运动时
24 Re0
d 2 s u0 18
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——斯托克斯公式
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b) 过渡区或阿仑定律区（Allen）（2＜Ret≤500）
18.5 0.6 Re0
u0 0.269
gd s Re00.6
数值：重力沉降速度基本上为定值
离心沉降速度为绝对速度在径向上的分量，随颗粒在
离心力场中的位置而变。
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阻力系数 ：层流时
24 Re
2 d s ut ur r 18 2
同一颗粒在同一种介质中的离心加速度与重力加速度的
2 u 比值为 ： t K c gr
——艾伦公式
c) 滞流区或牛顿定律区（Nuton）（500＜Ret ≤ 2×105）
0.44
u0 1.74 d s g
——牛顿公式
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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
当a=0时，u=u0，代入（a）式
6
d s g
3
6
d g
3
4
d
2
u0
2
2
0
4dg ( s ) u0 3
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---------沉降速度表达式
2、阻力系数
通过因次分析法得知， 的雷诺数Re0的函数。 对于球形颗粒的曲线，按Re0值大致分为三个区： a) 层流区或托斯克斯(stokes)定律区（Re0≤2）
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例：拟采用降尘室除去常压炉气中的球形尘粒。降尘室的宽 和长分别为2m和6m,气体处理量为1标m3/s，炉气温度为427℃ ，相应的密度 ρ=0.5kg/m3，粘度 μ=3.4×10-5Pa.s，固体密度 ρS=400kg/m3操作条件下，规定气体速度不大于0.5m/s，试求 ：
1．降尘室的总高度H，m；
du0 5.78 105 0.214 0.5 0.182 1 5 3.14 10
核算沉降流型
Re0
∴原假设正确
3、粒径为40μm的颗粒的回收百分率 粒径为40μm的颗粒定在层流区 ，其沉降速度
u0
d
2
s g 40 10
18
6 2
替。
6
de V p
3
de
3
6
VP
颗粒的球形度愈小，对应于同一Re0值的阻力系数 愈大 但φs值对 种影响变大。
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的影响在层流区并不显著，随着Re0的增大，这
4、沉降速度的计算
试差法
方法： 假设沉降属于层流区
d 2 s u0 18
Re0 du0
附录查得，20℃时水的密度为998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s
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u0
95 10 3000 998.2 9.81
6 2
18 1.005 103
9.797 10 3 m / s
核算流型
6 3 95 10 9 . 797 10 998.2 Re0 0.9244＜1 3 1.005 10