非均相物系分离讲解
非均相物系的分离全课件
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• 非均相物系分离概述 • 非均相物系分离原理 • 非均相物系分离技术及应用 • 非均相物系分离设备 • 非均相物系分离实验与案例分析
01
CATALOGUE
非均相物系分离概述
定义与分类
定义
非均相物系是指由固体颗粒、液体或 气体等不同相态物质组成的混合物。 分离是指将非均相物系中的各相态物 质进行分离、提纯或富集的过程。
萃取设备
总结词
利用两种不相溶溶剂的溶质分配原理，实现溶质由一种溶剂向另一种溶剂转移 的设备。
详细描述
萃取设备包括萃取塔、混合器、分液漏斗和离心萃取器等，适用于处理难以用 一般分离方法分离的混合物。通过选择合适的萃取剂，将目标物质从一种溶剂 转移到另一种溶剂中，达到分离和提纯的目的。
05
CATALOGUE
浮选分离原理
泡沫浮选
利用气泡将目的物质吸附并浮至液面形成泡沫层，从而实现 物质的分离。
沉淀浮选
将目的物质在溶液中先沉淀，再通过浮选的方法将其与其他 物质分离。
萃取分离原理
分配系数
物质在两种不混溶液体中的溶解度之比。
萃取过程
将待分离的物质加入两种不混溶液体的混合物中，经过一定时间后，利用两种液体的密度差异进行分 离。
应用
在石油、化工、制药、食品、环保等领域广泛应用，主 要用于固-液分离。
离心分离技术及应用
离心分离技术
利用离心力场的作用，使不同密度的物 质在离心场中受到不同的离心力，从而 实现物质分离的技术。
VS
应用
在化工、制药、环保、食品等领域广泛应 用，主要用于固-液分离和液-液分离。
浮选分离技术及应用
浮选分离技术
第四章 非均相物系的分离
2．净化连续相
3．环境保护和安全生产
二、非均相混合物的分离方法
利用机械方法分离非均相物系，按其所涉及的流动方式不同，可分为过滤和沉降两种操作。
• 一、过滤的基本概念 1.过滤及过滤推动力
第二节 过滤
滤 浆 滤 饼 过滤介质
0.44
•
（3）沉降速度的计算 将上式分别代入，可得各区域的沉降速度公式为 层流区 10-4〈 Ret〈1
d g(s ) ut s 18
2
称为斯托克斯公式
过渡区 1〈 Ret 〈103
ut 0.27
d s (s )g
Ret
0.6
称为艾仑公式
湍流区 103〈 Ret 〈2×105
的流动通道小，阻力增大。
（2）助滤剂 助滤剂—具有一定刚性的颗粒或纤维状的固体。加入助滤剂可减少可压缩滤饼的流动阻力
助滤剂加入方法：
预涂法：用助滤剂配成悬浮液，在正式过滤前用它进行过滤，并在过滤介质上形成一层 由助滤剂组成的滤饼。 掺滤法：将助滤剂混在滤浆中一起过滤。 二、过滤操作过程
工业上过滤操作过程一般是由过滤、洗涤、去湿和卸料四个阶段组成的。
qv max BLut
•
二、离心沉降 1.离心沉降速度和离心分离因数
（1）离心沉降速度
ur
2 4d p ( p ) u T ( ) 3 R
颗粒处于层流区，则阻力因数
ξ=24/ Ret
代入公式得
ur
2 2 d p ( p )uT
（2）离心分离因数
18R
离心沉降速度 u r 与重力沉降速度
非均相物系的分离
非均相物系的分离第一节概述非均相物系包括气固系统(空气中的尘埃)、液固系统(液体中的固体颗粒)、气液系统(气体中的液滴)、液液系统(乳浊液中的微滴)等。
其中尘埃、固体颗粒、气泡和微滴等统称为分散物质(或称分散相)，而非均相物系中的气体、液体称为分散介质(或称连续相)。
非均相物系分离的依据是连续相与分散相具有不同的物理性质(两相的密度不同)，故可用机械方法将两相分离。
利用两相密度差进行分离时，必须使分散相与连续相间产生相对运动，故分离非均相物系的单元操作遵循流体流动的基本规律。
非均相物系的分离主要用于：1 回收有用物质；2 净化分散介质；3 除去废液、废气中的有害物质，满足环境保护的要求。
第二节重力沉降一、沉降速度在重力场中，借连续相与分散相的密度差异使两相分离的过程，称为重力沉降。
1、球形颗粒的自由沉降若固体颗粒在沉降过程中，不因流体中其它颗粒的存在而受到干扰的沉降过程，称为自由沉降。
表面光滑的球形颗粒在静止流体中沉降时，由于颗粒的密度ρs大于流体的密度ρ，所以颗粒受重力作用向下沉降，即与颗粒与流体产生相对运动。
在沉降中，颗粒所受到的作用力有重力、浮力和阻力。
开始时，颗粒为加速运动，随着颗粒沉降速度的增大，阻力亦增大，当颗粒受力达平衡时，颗粒即开始作匀速沉降，对应的沉降速度为一定值，称该速度为沉降速度或终端速度，以u t表示，其计算式为ξρρρ34)(dg u s t -=2、阻力系数ζ阻力系数ζ是流体与颗粒相对运动时的雷诺数准Re t 的函数，即ζ=f(Re t )μρi t du Re =阻力系数ζ与Re t 的关系由实验测定，结果如图3-2所示。
图中曲线按Re t 值可分成四个区，即(1) 层流区，Re t ≤2(又称斯托克斯区) tRe 24=ξ (2) 过渡区，2＜ Re t ＜1036.0Re 5.18t =ξ(3) 湍流区，103＜ Re t ＜2×105 ζ=0.44 对应各区沉降速度u i 的计算公式如下： (1) 层流区μρρ18)(2g d u s i -=(2) 过渡区6.0)(27.0ts i Re gd u ρρρ-=(3) 湍流区ρρρgd u s i )(74.1-=3、沉降速度的计算计算沉降速度u i 时，为选用计算公式，应先判断流动类型，即先算出Re t 值，计算Re t 时需已知u i ，而u i 是待求量，故需用试差法求解。
第三章非均相物系分离
第三章非均相物系分离第三章非均相物系分离第一节概述混合物可以分为均相混合物和非均相混合物。
非均相混合物的特点是在物系内部存在两种以上的相态，如悬浮液、乳浊液、含尘气体等。
其中固体颗粒、微滴称为分散相或分散物质；而气体、液体称为连续相或分散介质。
非均相物系可以用机械的方法分离。
操作方式分为两种：（1）沉降分离颗粒相对于流体（静止或运动）运动的过程称沉降分离。
分为重力沉降、离心沉降。
（2）过滤流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程称过滤。
分为重力过滤、离心过滤、加压过滤和真空过滤，也可分为恒压过滤、先恒速后恒压过滤。
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。
对于非均相混合物，工业上一般采用机械分离方法将两相进行分离，即造成分散相和连续相之间的相对运动。
据相态和分散物质尺寸的大小，非均相混合物的分离方法如下表所示：概述机械分离操作涉及到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.非均相分离在工业中的应用一、回收分散相二、净化连续相三、环境保护和安全生产颗粒与颗粒群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特性。
一、颗粒的特性1、球形颗粒体积V=d3表面积S=πd2比表面积a=S/V=6/d2、非球形颗粒非球形颗粒必须有两个参数才能确定其特性，即球形度和当量直径。
工业上遇到的固体颗粒大多是非球形颗粒体积当量直径de=表面积当量直径des=球形度（形状系数）φs＝二、颗粒群的特性由大小不同的颗粒组成的集合体称为颗粒群。
1、颗粒群粒径分布颗粒群的粒度组成情况即粒径分布。
可用筛分分析法测定各种尺寸颗粒所占的分率。
3、颗粒的密度颗粒的真密度：当不包括颗粒之间的空隙时，单位颗粒群体积内颗粒的质量，kg/m3。
非均相物系分离
4．滤饼的压缩性。分为不可压缩滤饼和可压缩滤饼）。 5．过滤机的生产能力。过滤机的生产能力用单位时间 内所得滤液量表示。
（二）典型过滤设备 1．板框压滤机 主要由机头、滤框、滤板、尾板和压紧装置构成。板框压滤机工作 过程
二、过滤 （一）过滤基本概念
过滤是在推动力作用下，使悬浮液中的液体通过多孔
介质、而固体粒子被截留的液固分离的单元操作。过滤操 作所处理的悬浮液称为滤浆，通过多孔介质的液体为滤液， 被截留的固体粒子为滤饼或滤渣。
1．过滤介质。过滤操作中用于截留浮液中固体粒子的 多孔介质称为过滤介质。
2．滤饼过滤和深层过滤。按照固体颗粒被截留的情况， 过滤可分为滤饼过滤和深层过滤两类。
间为t
t
H ut
若要使直径为的颗粒在气体离开设备之前降到设备底 部，气流的停留时间至少等于颗粒的沉降时间，即
整理后，可得
t
BLH H
Vs
ut
Vs BLut
降尘室的生产能力只取决于降尘室的底面积BL和颗粒 的沉降速度ut，与降尘室的高度无关。因此，降尘室一般 设计成扁平形状，或设置多层水平隔板成多层降尘室。
在重力作用下使颗粒与流体之间发生相对运动而实现
分离的过程称为重力沉降。降尘室工作状况。
（一）球形颗粒沉降速度
颗粒在降尘室内沉降时的受力分析
浮力
重力为 浮力为 阻力为
Fg
6
d
3 p
s
g
Fb
6
d
3 p
g
u2
Fd A 2
阻力
阻力
重力
根据牛顿第二定律，可得 Fg -Fb - Fd = ma 对于小颗粒沉降加速阶段很短，可忽略，认为颗粒始终
常见非均相物系的分离
常见非均相物系的分离非均相物系是指由两种或两种以上物质组成的混合物，不同物质之间具有明显的物理和/或化学性质差异。
在很多情况下，需要将非均相物系进行分离，以便单独利用或处理每种物质。
下面是常见的非均相物系分离方法。
1. 溶液蒸馏法溶液蒸馏法是将一个液体从另一个液体中分离出来的一种方法。
它利用了两种液体在不同温度下的沸点差异。
将混合液体加热到其中一种液体的沸点，这种液体汽化，经过冷凝后分离出来。
例如，水和酒精的混合物可以用溶液蒸馏法分离成单独的水和酒精。
2. 磁性分离法磁性分离法是一种利用物质磁性差异进行分离的方法。
这种方法通常适用于含有磁性物质和非磁性物质的混合物。
通过加磁场，磁性物质会被吸附到磁性物质收集器中，而非磁性物质则会保留在原始混合物中。
例如，铁粉可以用磁性分离法从混合物中分离出来。
3. 过滤法过滤法是将一个物质从另一个物质中分离出来的一种方法，适用于固体和液体的混合物。
该方法利用了物质间的粒度差异。
将混合物过滤，固体颗粒被滤出，而液体则通过筛网留在容器中。
例如，沉积在水中的泥土、砂和碎石可以通过过滤法分离。
4. 蒸发结晶法蒸发结晶法是将溶解在溶液中的固体物质分离出来的一种方法。
通过控制温度和压力来使溶液蒸发并结晶，溶解物会被分离出来。
例如，从海水中提取盐分就是利用蒸发结晶法实现的。
5. 萃取法萃取法是一种利用溶剂对混合物进行分离的方法。
尽管在分离混合物时溶剂的选择很重要，但萃取法的基本步骤是将萃取剂与混合物混合，使其中一种物质溶解在萃取剂中，另一种物质留在原混合物中。
例如，从生物体中提取化合物通常需要利用萃取法。
6. 离心法离心法是一种利用离心机对液体混合物进行分离的方法。
该方法依靠液体中不同物质之间的密度差异。
将混合物放入离心机中，并在高速旋转下，物质会向不同方向移动。
例如，从牛奶中分离脂肪可以使用离心法。
7. 气体吸附法气体吸附法是一种将气态物质从混合物中分离出来的方法。
这种方法利用了不同气体之间的吸附性差异。
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
非均相物系分离之概念.
沉
降 分散相相对连续相运动
离心沉降：由离心力引起的两相运动 滤 连续相相对分散相运动
过
重力沉降：由重力引起的两相运动
离心沉降：由离心力引起的两相运动 过 滤 连续相相对分散相运动
非均相物系分离的意义：收集分散相；提纯净化物质；环境保护。
本章章节
第一节 概 述
非均相物系：具有不同物理性质的分散相和连续介质组成的物质。 分离的条件：分散相和连续相两相作相对运动。 根据两相相对运动可分为： 重力沉降：由重力引起的两相运动
非均相物系分离
本章章节
第一节 概述 第二节 重力沉降 第三节 离心沉降
第四节 过滤（重点）
概
概 念
述
非均相物系：具有不同物理性质的分散相和连续介质组成的物质。 根据连续相的不同可分为：
液态非均相物系： 液固、液液、液气混合物
气态非均相物系： 气固、气液混合物
概
概 念
述
分离的条件：分散相和连续相两相作相对运动。 根据两相相对运动可分为： 沉 降 分散相相对连续相运动
化工原理 第三章 非均相物系的分离PPT课件
层流
24
u
d2( s
)g
R et
t
18
试差法：假设 流型
选择 公式
计算
ut
计算
Re t
验算 Ret＜1 ?
例：求直径40μm球形颗粒在30℃大气中的自由沉降 速度。已知ρ颗粒为2600kg/m3,大气压为0.1MPa。
解： 查30℃、0.1MPa空气： 1.16k5gm3
设为Байду номын сангаас流，则：
1.8 61 0 5Pa s
9 28/ 0.295 0.01
筛孔尺寸 d， μm
1.981（9号） 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） 0（无孔底盘）
筛过量质 量分数F
100 0.96 0.9 0.66 0.44 0.19 0.03 0.01
多层降尘室
清洁气流
挡板
隔板
含尘气流
降尘室的生产能力：VsNbLut
例:降尘室高2m,宽2m,长5m。气体流量为4m3/s, ρ为0.75kg/m3,μ为0.026cp。(1)求除尘的dc； (2)粒径 为40um的颗粒的回收百分率？(3)如欲回收直径为 15um的尘粒，降尘室应隔成多少层？
解:(1) V bLu
表面积 s=πd2
m2
比表面积 a=s/v=6/d 1/m
（2）非球形颗粒
①的体球积的当直量径直。径de：与非球形颗粒体积相等 de=(6vp/π)1/3
②的形表状面系积数与ψ该s ：颗与粒非表球面形积颗之粒比体。积相等的球 ψs=s/sp
式中：vp为非球形颗粒的体积。 Sp为非球形颗粒的表面积。
常见非均相物系的分离
常见非均相物系的分离
由于非均相物系中分散相和连续相具备不同的物理性质，故工业生产中多采用机械方法对两相进行分离。
其方法是设法造成分散相和连续相之间的相对运动其分离规律遵循流体力学基本规律。
常见有如下几种。
(1)沉降分离沉降分离是利用连续相与分散相的密度差异，借助某机械力
的作用，使颗粒和流体发生相对运动而得以分离。
根据机械力的不同，可分为重力沉降、离心沉降和惯性沉降。
(2)过滤分离过滤分离是利用两相对多孔介质穿透性的差异，在某种推进力的作用下，使非均相物系得以分离。
根据推进力的不同，可分为重力过滤、加压(或真空)过滤和离心过滤。
(3)静电分离静电分离是利用两相带电性的差异，借助于电场的作用，使两相得以分离。
属于此类的操作有电除尘、电除雾等。
(4)湿洗分离湿洗分离是使气固混合物穿过液体、固体颗粒粘附于液体而被分离出来。
工业上常用的此类分离设备有泡沫除尘器、湍球塔、文氏管洗涤器等。
此外，还有音波除尘和热除尘等方法。
音波除尘法是利用音波使含尘气流产生振动，细小的颗粒相互碰撞而团聚变大，再由离心分离等方法加以分离。
热除尘是使含尘气体处于一个温度场(其中存在温度差)中，颗粒在热致迁移力的作用下从高温处迁移至低温处而被分离。
在实验室内，应用此原理已制成热沉降器来采样分析，但尚未运用到工业生产中。
非均相物系的分离
实验数据处理
采用Δ/Δq代替d/dq，在过滤面积一定时，记录 下时间和累计的滤液量V，并由此计算一系列q值，
饼则被压紧，使单位厚度滤饼的流动阻力增大，此类滤饼称 为可压缩滤饼。
助滤剂：对于可压缩滤饼，为了使过滤顺利进行，可以将
质地坚硬而能形成疏松滤饼的另一种固体颗粒混入悬浮液或 预涂于过滤介质上，以形成疏松饼层，使得滤液畅流，该种 颗粒状物质就称为助滤剂。
助滤剂的基本要求：
1、能形成多孔饼层的刚性颗粒，使滤饼有良好的渗透性及 较低的流体阻力。 2、具有化学稳定性。
k
1
r'v
r'rp1s
5a2(1)2
r
3
七、过滤常数的测定
测定时采用恒压试验，恒压过滤方程为：
(q+qe )2=K (+e ) d/dt
微分上式得 2(q+qe )dq=Kd
d
dq
2 q K
2 Kqe
2qe/K
q
上式表明：d/dq与q成直线关系，直线斜率为2/K，截距为2qe/K
➢由斜率=2/K，求出K; ➢由截距=2qe/K ，求出qe； ➢由q2+2qqe=K， =0，q=0，求出e= qe2/K。
➢ 所以，在滤饼过滤时真正起过滤作用的是滤饼本 身，而非过滤介质。
架桥现象
注意：所选过滤介质的孔道尺寸一定要使“架桥现象”能够
过发生。
饼层过滤适于处理固体含量较高的悬浮液。
2.2 深层过滤(deep bed filtration)：深床过滤
➢特点：颗粒(粒子)沉积于介质内部。
➢过滤对象：悬浮液中的固体颗粒小而少。
➢比阻反映了颗粒特性(形状、尺寸及床层空隙率)对滤液流 动的影响；
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
非均相物系分离
❖ 非均相物系是指物系中存在着两相或更多相的混合 物，如含尘气体、悬浮液等。
❖ 分散相或称分散物质：以微细的分散状态存在，如 含尘气体中的尘粒，悬浮液中的固粒。
❖ 连续相或称分散介质，包围在分散物质各个粒子的 周围，如含尘气体中的气体，悬浮液中的液体。
❖ 根据连续相的物理状态，将非均相物系分为气态非 均相物系和液态非均相物系。含尘气体与含雾气体 属于气态非均相物系，而悬浮液、乳浊液以及含有 气泡的液体，即泡沫液，则属于液态非均相物系。
❖ 1.离心沉降速度 ❖ 当固体颗粒随着流体一起快速旋转时，如果颗粒
的密度大于流体的密度，离心力会使颗粒穿过运 动的流体而甩出，沿径向方向沉降。此时颗粒在 径向上受到三个力的作用，即从旋转中心指向外 周的离心力、沿半径指向旋转中心的向心力（相 当于重力场中的浮力）和与颗粒运动方向相反， 沿半径指向旋转中心的阻力。 ❖ 同重力沉降相似，当颗粒在径向沉降方向上，所 受上述三力达平衡时，颗粒则作等速运动，此时 颗粒在径向上相对于流体的速度便是颗粒在此位 置上的离心沉降速度。
流量，m3／s（又称降尘室的生产能力）。
❖ 气体通过降尘室的时间θ为
l
u
❖ 颗粒沉降至室底所需要的时间为
t
H ut
❖ 颗粒能除去的条件为 θ≥θt
即
≥
l （3-8）HΒιβλιοθήκη uut❖又
u （bqH3v-9）
❖ 将式(3-9)代入式(3-8)并整理可得
qv≤blut
（3-10）
❖ 降尘室的生产能力仅与其沉降面积bl及颗粒的沉 降速度ut有关,而与降尘室的高度无关,故降尘室以 取扁平的几何形状为佳，可将降尘室作成多层，
❖ 设颗粒是表面光滑的球形；沉降的颗粒相 距较远，互不干扰；容器壁对颗粒的阻滞 作用可以忽略，此时容器的尺寸应远远大 于颗粒的尺寸；颗粒直径不能过分细微，。 根据三个力达平衡时其代数和等于零，可 导出重力沉降速度的计算式为
第二章 非均相物系的分离
高的悬浊液。 颗粒的体积 分数大于1%。
第四节 过滤操作与设备
2.深层过滤 过滤时悬浮液中的颗粒沉积在床层内部 的孔道壁面上,而不形成滤饼。
深层过滤:适于处理固体 含量较少的悬浮液。
固相体积分率小于1%。
第四节 过滤操作与设备
二、过滤介质： 使流体透过而截留固体的可渗透性材料。
1.过滤介质的特性
非均相物系分离
第一节 概述
均相混合物：物质各处物理、化学性 1.混合物 质相同且无相界面；
非均相混合物:有两种相态(有明显的
相界面,物系各处性质不均匀) 气-固物系:含尘气体; 2.非均相混合物 液-液物系:乳浊液; 液-固物系:悬浮液;
第一节 概述
连续相（分散介质）； 分散相（分散物质）
思考：悬浮液、乳浊液及含尘 气体的连续相和分散相？
颗粒的沉降过程分为两个阶段
加速阶段：u=0,Fd=0,a=amax
u↑,fd↑,a↓
等速阶段：u=ut 时，Fd=Fg-Fb , a=0
3 2 u 2 t d (s ) d 6 4 2 4d (s )g ut 3
为阻力系数
第二节 重力沉降与设备
2 gdP P ut 18
（2）过渡区
1 gdP.6 P ut 0.153 0.43 0.6
1 1.4
（3）湍流区
ut 1.74 d P P g
注：计算时沉降速度ut时，可使用试差法。
第二节 重力沉降与设备
第二节 重力沉降与设备
2.连续沉降槽（澄清器，增稠器，浓缩器）
（1）结构 （2）适用于大流量、 低浓度的悬浮液的分
离，如污水处理。
非均相物系分离.
依靠离心力的作用，使流体中颗粒产生沉降运动——称离心沉 降。重力下小颗粒的沉降速度小，利用离心力使颗粒的沉降速度 加快。
圆筒旋转时角速度 =2N/60 N—转数/min
忽略重力时，离心力Fc = ma= mr 2≌ mrN2/100
可见，N↑，Fc↑ 离心分离因数Kc= r2/g ≌ rN2/900
悬浮液
角速度
离心分离因数Kc是表示离心力大小的指 标，离心设备分离性能的基本参数。
旋转轴
离心沉降速度 ：
当颗粒在离心场中沉降时，径向上所受的力：
离心力
Fc
6
d
3 p
p
r
浮力（指向中心） 阻力（指向中心）
Ff
6
d
3 p
r
2
向心力
Fd
4
d
2 p
2
( dr )
d
在三力达到平衡时，离心力－浮力－阻力=0
过滤示意图
过滤介质
作用——使液体通过而截留固体颗粒。 选择——根据液体的性质（酸、碱性），颗粒含量及粒度， 操作p，T，介质机械强度等 （1）织布介质——棉、麻、丝、毛制的滤布，金属丝网 滤布；可截留5~65m的颗粒。 （2）堆积的粒状介质——砂、木炭等，用于深层过滤， （3）多孔性介质——陶瓷、塑料、金属等粉末烧结成型 的多孔性板状、管状介质，可截留1~3m的微细颗粒。
由牛顿第二定理F=ma
Fg-Fb-Fd=mdu/dt
整理后得：
du
(p
)g
3
u2
dt
p
4d p p
在du/dt=0，u=ut
3非均相物系分离解析
Particles and fluid 3.0 概述 3.1 颗粒及颗粒床层的特性 3.2 沉降分离原理及方法 3.3 过滤分离原理及设备 本章总结 工程案例
2018年10月10日 第三章 颗粒与流体之间的相对运动
2018年10月10日 第三章 颗粒与流体之间的相对运动
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3.0.3 连续相与分散相
分散相(分散物质)：处于分散状态的物质 连续相 (分散介质)：包围着分散物质而处于连续状 态的物质 由于非均相物系中连续相与分散相之间具有不同的 物理性质(如密度、粒子的大小与另一相分子尺寸等)， 受到外力作用时运动状态就不同，因而可应用机械方 法将它们分开。
2018年10月10日
第三章 颗粒与流体之间的相对运动
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要实现这种分离，其方法是使分散物质与分散介质 之间发生相对运动，所以非均相物系的分离操作也遵 循流体流动的基本规律。本章主要讨论液固非均相物 系和气固非均相物系分离所依据的基本原理和设备， 即颗粒相对于流体而运动的沉降操作和流体相对于固 粒而运动的过滤操作。
2/143
3.0.2 非均相物系的分类 1.按状态分 2. 按颗粒大小分 液态非均相物系：固、液、气分散在液相中。分： •粗悬浮系统：d>100μm •悬浮液 悬浮系统： 0.1μm>d>100μm (液固物系 )：指液体中含有一部分固体 颗粒 •胶体系统：d<0.1μm 乳浊液(液液物系)：指一种液体分散在与其不 互溶的另一种液体中 泡沫液(液气物系)：指液体中含有气泡的物系 气态非均相物系：固、液分散在气相中。分： 含尘气体(气固物系)：指气体中含有固体颗粒 含雾气体(气液物系)：指气体中含有少量液滴
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颗粒群的特性
由大小不同的颗粒组成的集合体称为颗粒群。
1）颗粒群粒径分布 颗粒群的粒度组成情况即粒径分布。可用筛分分析法测 定各种尺寸颗粒所占的分率。
2）颗粒的平均粒径 常用方法是平均比表面积直径法。
1
da n xi d i1 i
xi＝
Gi G
式中da—平均比表面积直径；di—筛孔平均直径；xi—di粒径范围内颗粒的质量分数
体积当量直径：de
3
6VP
表面积当量直径：des
SP
球形度：表示实际颗粒形状与球形颗粒的差异程度。
s
S
SP
S----与实际颗粒体积相等的圆球的表面积；SP----颗粒的实际表面积
由于体积相同的形状不同的颗粒中，球形颗粒表面积 最小，所以任何非球形颗粒的球形度均小于1，其值越 小，说明颗粒与球形颗粒差别越大
阻力系数ζ
根据阻力随颗粒雷诺数变化的规律，可分为三个区域：
滞流区或斯托克斯定律区（10-4<Ret&l仑定律区（ 2<Ret<103）
18.5
Re
0.6 t
湍流区或牛顿定律区（ 103<Ret<2×105）
0.44
将阻力系数的计算式代入，得到不同颗粒雷诺数范围
合外力 Fg Fd Fb ma
沉降两个阶段：加速段和等速段， 加速段时间很短，整个过程可以忽 略；等速段的颗粒相对于流体的速 度称为沉降速度用ut表示，也称终 端速度。
浮力 Fb 6 d 3g
曳力 FD
D
ut2
2
A
质量力 Fc
6
d
3s
g或
6
d
3 s ac
颗粒在流体中沉降时受力
沉降速度：
在降尘室中除去。
气体
集灰斗 降尘室
L B
u
H
ut
颗粒在降尘室中的运动
沉降室的生产能力
气体通过水平降尘室的速度为 u Vs （2－22）
hb
式（2－21）带入（2－22）得：
生产能力Vs BHu BLut A底ut 气体
可见：降尘室生产能力与底面积、沉降 速度有关，而与降尘室高度无关
L
u
B
ut
一、颗粒的特征
颗粒最基本的特征就是其形状和大小。对于球形颗粒仅用
直径就可以说明颗粒的大小，而对于非球形颗粒，由于难
以用单一参数说明，常将它与球形颗粒相对比来表示其特
征。 1、球形颗粒
体积 :V d 3
6
直径 : d
表面积: s d 2
比表面积 : a 6 d
2、非球形颗粒
工业上遇到的固体颗粒大多是非球形颗粒，它不像球形颗 粒那样容易求出体积、表面积和比表面积，但可用当量直 径和球形度来表示其特征。
实现非均相混
含尘气体、含雾气体
合物的分离。
沉降分离离重心力沉沉降力 （固-液、固-气混合物）
机械分离的两 种操作方式
重力过力
过滤分离 真 加空压压过过空
离心过滤
一、非均相物系分离在工业上应用
1 回收有价值的分散物质 2 净化分散介质以满足生产工艺要
求 3 环境保护和安全生产
二：颗粒及颗粒群的特性
3、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
由于壁面效应，实际沉降速度小于自由沉降速度。
在Stokes区，器壁的影响：
ut'
ut 1 2.1
d
D
1 试差法
沉降速度的计算
假设沉降属 于某一流型
计算出Ut
检验Ret是否 满足条件
不一致 一致
按算出的 问题 Ret重选 得解
流型
例：
内ut的计算式：
滞流区 过渡区
ut
d 2(s )g 18
ut 0.27
d
(s
)g
Re
0.6 t
湍流区
ut 1.74
d(s )g
影响沉降的因素
1．颗粒的体积浓度
1、颗粒形状：球形度越小，沉降速度越小。
2、干扰沉降：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，由 于干扰作用，大颗粒的实际沉降速度小于自由沉降速度； 小颗粒的沉降速度增大。
0.145m
/
s
校核流型，Re=dPutρ/μ=10-3×0.145×998.2/0.001005=144 故属于过渡区，与假设相符。 当已知沉降速度，求颗粒直径时，也需要试差计算
重力沉降设备
1、降尘室
停留时间 L
气体 进口
气体 出口
u
沉降时间t h
ut
若
t或
l u
h ut
（2－21）
则表明，该颗粒能
非均相物系分离
1、概述 2、颗粒沉降 3、过滤 4、过程强化与展望
第一节：概述
混合物分类
均相物系 非均相物系
一种物质以分子、离子状态 均匀分散在另一种物质中。
有明显相界面；不同相间有明 显的物理化学性质差异。
通过施加适当 外力使两相间 发生相对运动，
悬浮液（固-液混合物）、 乳浊液（液-液混合物）、
3）颗粒的密度 颗粒的真密度：当不包括颗粒之间的空隙时，单位颗粒群体积 内颗粒的质量，kg/m3。 堆积密度（表观密度）：当包括颗粒之间的空隙时，单位颗粒 群体积内颗粒的质量，
4）颗粒的粘附性和散粒性
第二节：颗粒沉降
一、颗粒在流体中的沉降过程
颗粒与流体在力场中作相对运动时，受到三个力的作用：质
量力F＝ma、浮力Fb=Vp.ρ.a、、曳力Fd=ξ.Aρu2 /2 。
一直径为1.00mm、密度为2500kg/m3的玻璃球在20℃的 水中沉降，试求其沉降速度。
解：由于颗粒直径较大，先假设流型层于过渡区，
ut
0.153
gd
1.6 p
P
0.4 0.6
1/1.4
0.153
9.81 0.0011.6 2500 998.2 1/1.4
998.20.4 (1.005103 )0.6
对于一定的颗粒和流体，重力Fg、浮力Fb一定，但曳力Fd 却随着颗粒运动速度而变化。当颗粒运动速度u等于某一数 值后达到匀速运动，这时颗粒所受的诸力之和为零
F F Fb Fd 0
二：重力沉降及设备
自由沉降：颗粒在重力沉降过程中不受周围颗粒和器 壁的影响，称为自由沉降 。
对单个球形颗粒受力分析：
6
d
3s
g
6
d
3g
ut2 d 2
24
浮力 Fb 6 d 3g
曳力 FD
D
ut2
2
A
ut
4d p g 3
其中ξ是颗粒沉降时的阻力系数。并且ξ 是颗粒对流体作相对运动时的雷诺数
Ret的函数
质量力 Fc
6
d
3s
g或
6
d
3 s ac
颗粒在流体中沉降时受力
f (Ret )
f ( dut )
H
颗粒在降尘室中的运动
注意：降尘室中气速不易过大，应保证气体在滞留区流动， 以防止气体湍流将以沉淀的尘粒重心卷起，一般控制 流速 在1.5-3m/s。