非均相物系分离
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
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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
02 非均相物系的分离和固体流态化.
• 受到的浮力为
Fb=(π/6)d3ρg
• 颗粒受到向下的净力为
Fg—Fb=(π/6)d3(ρs-ρ)g
Fd
Fg
(a) (b) (c)
根据牛顿第二定律，颗粒就会在此净力的作用下
产生向下运动的加速度 ，a=du/dθ
• Fg—Fb= ma = m (du/dθ) (d)
• 这样颗粒与流体就产生一个相对运动，一旦产生相 对运动，颗粒又会受到流体对颗粒的运动阻力，Fd
称为沉聚区（D）。
A
B
C
D
a
b
AA C DD
cd
• 随着沉降过程的进行，B、C逐渐缩小并消失，C区 刚刚消失这一时刻称为“临界沉降点”(critical sedimentation point)，此时清液区与沉聚区有一清晰
)
g
.Re0t.6
1.74 d (s )g
1<Ret <103 (2-8) 103 <Ret <2×105
• 根据上式，我们就知道沉降速度与各种因素的大小， 对于一定的物系，μ、ρs、ρ是一定的，ut只与d有关， 可算出不同d颗粒的沉降速度。同样，也可根据测 定的ut，求颗粒的直径，如果在层流区，已知 d、 ρs、ρ，则可用此式来测定流体的粘度。
• 实现沉降操作的作用力可以是重力或惯性离心力， 沉降过程又分为重力沉降和离心沉降两种方式。
一、描述颗粒的几何特征参数（大小、形状、面积）
1、颗粒的当量直径（equivalent diameter）
对于规则形状的颗粒，其大小可用它的某一主要线 性尺度来表示，其它尺寸可以用此长度的比例来 表示。如常见球形，可以用它的直径来表示大小， 而体积和表面积可分别表示为：
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。
非均相分离
1
第三章 非 均 相 分 离
§1 概述
非均相分离的分类
均相物系——传质操作（如蒸馏、吸收、萃取、干燥等）
非均相物系——机械操作（如沉降、过滤等）
1、非均相物系：存在相界面。对悬浮物有分分散相与连续相。
2、常见非均相物系分离操作有：
1）沉降物系置于力场，两相沿受力方向产生相对运动而分离，即沉降。 2）过滤：利用多孔的介质，将颗粒截留于介质上方达到液体与固体分离 3）湿法净制：“洗涤”气体 4）静电除尘：高压直流电场中，带电粒子定向运动，聚集分离。
………………（Ⅳ）牛顿定律
(三)沉降速度计算：
试差步骤：假设流型→采用对应公式计算 u t →校核 Ret 及流型
5
二、重力沉降计算举例
【例3-1】 有一玉米淀粉水悬浮液，温度20℃，淀粉颗粒平均直径为 15μm，淀粉颗粒吸水后的密度为1020kg m3 ，试求颗粒的沉降速度。
解：先假定沉降在层流区进行，故可以用式（Ⅱ）计算:
Pa
12
三、旋风分离计算举例
【例3-4】 某含尘空气中微粒的密度为1500 kg m3，温度70℃，常 压下流量1200 m3 h1。现采用筒体直径400mm的标准旋风分离器
进行除尘，试求能分离出尘粒的最小直径。
解：应用式（Ⅷ）求取 d c ，即：
dc
查图得： B D 0.4 0.1m, Ne 5 44
二、过滤基本方程式
dV P A
Ad r(V Ve)
…………………（Ⅸ）
即为滤饼不可压缩的过滤基本方程式。为过滤过程中任一瞬间的速度 dV ~ V 的关系。
d
15
三、恒压过滤
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。
化工基础概论 第二章 非均相物系的分离
2.3.2过滤设备
1、板框压滤机
2、叶滤机 3、转鼓真空过滤机 4、离心过滤机
1、板框压滤机
板框压滤机是由许多块滤板和滤框交替排列组装而成，如图 2-11（a）所示。滤 板和滤框的构造如图 2-11（b）所示。滤板具有棱状的表面，形成了许多沟槽的 通道，板与框之间隔有滤布，装合时用压紧装置将一组板与框压紧。压紧后， 滤框与其两侧的滤板所形成的空间便构成了一个过滤空间。由于一台板框压滤 机由若干块板和框组成，故有数个过滤空间。每一块滤板和滤框的角上皆有孔， 当板、框叠合后即形成料液和洗涤液的通道。 过滤时，悬浮液在压力作用下经料液通道进入滤框内，滤液通过，滤渣被滞留 覆盖在滤板上，过滤结束后，松开板框，取出滤渣，再将滤板、滤框和滤布洗 净后重新装合，即可进行下次过滤。
2、旋液分离器
如使大直径微粒从底流中排出，小直径微粒从溢流中排出的操作，称为分级， 还可以通过对底流量与溢流量之比的调节，控制两部分中微粒大小的范围。 旋液分离器的直径与长度之比通常比较小，这样有利于增大分离作用力，同时 增大了液流的行程，从而延长了停留时间，锥形段的斜度一般为 10~20o。由于 旋液分离器较重力沉降设备构造简单，无运动部分，占地面积小，处理能力大， 设备费用低，有利于实现工艺连续化、自动化，故近年来在工业生产上应用日 广，旋液分离器往往是很多个串联起来使用，它可以从液流中分出直径为几 μm 的小微粒，通常是作为分级设备来使用,由于圆筒直径小（常见的范围是 50~300mm） ，液体进口速度大（可达到 10m/s） ，故流体阻力很大，磨损也较严 重。
4、离心过滤机
当待分离的悬浮液中固体颗粒较大，且含量也较多时，可在过滤式离心机中进 行分离，如图 2-15 所示。这种离心机的转鼓壁上开有若干小孔，若固体颗粒较 大时，可在转鼓的内壁上覆盖一层金属网作为过滤介质，若颗粒较小时，可在 金属网上再盖上一层滤布。悬浮液加在高速旋转的转鼓内，悬浮液中的液体受 到离心力的作用穿过滤布及转鼓上的小孔流出，而固体颗粒则被截留在转鼓内， 即完成了两相的分离任务。与过滤相比，离心过滤不仅过滤速率快、时间短， 而且所得的滤饼含液量较少。
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
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
其他非均相物系分离方法
其他非均相物系分离方法非均相物系分离方法是指将多组分混合物中的不同组分分离出来的方法。
与均相物系分离方法（如蒸馏、结晶等）不同的是，非均相物系分离方法常常需要使用物理或化学性质差异较大的分离方式。
以下是一些常见的非均相物系分离方法：1. 重力分离重力分离是一种简单且常用的分离方法，它基于不同组分的密度差异。
在一个装有混合物的容器中，密度较大的组分会沉淀到底部，而密度较小的组分会浮在上部。
通过倾斜容器或者使用漏斗可以将两者分离。
2. 沉降分离沉降分离是一种基于组分的离心沉降速率差异的分离方法。
离心机通过迅速旋转容器，使混合物中的组分向离心力最大的位置移动。
随着时间的推移，不同组分会分层并可以通过离心机分离开来。
3. 水分解法水分解法是一种将混合物中的水与其他组分分离的方法。
这种方法适用于混合物中含有极性和非极性组分的情况。
在该方法中，混合物首先与水混合，然后通过不同的化学反应，将水与其他组分分离。
4. 溶剂萃取溶剂萃取是一种基于组分在不同溶剂中的溶解度差异来分离的方法。
通过选择适当的溶剂，可以将混合物中的组分分离到不同溶液中。
溶剂萃取常用于有机化学中，用于分离有机物混合物中的不同组分。
5. 气体吸附法气体吸附法是一种将混合物中的气体组分分离的方法。
该方法适用于有机化合物或金属材料中的气体组分。
它通过将混合物与具有特定吸附性能的固体接触，使气体组分被吸附在固体上，从而实现分离。
6. 磁力分离磁力分离是一种将具有磁性的组分从混合物中分离出来的方法。
通过使用磁性材料或通过给混合物中加入磁性粒子，可以将具有磁性的组分分离出来。
这种方法在矿石提取、废物处理等领域有广泛的应用。
7. 膜分离膜分离是一种使用特殊膜将混合物中的不同组分分离开来的方法。
膜可以选择适当的大小、形状和分子亲疏水性，以选择性地通过不同组分。
常见的膜分离方法包括蒸发、渗透、过滤等。
8. 色谱法色谱法是一种常用的分析和分离技术，用于从复杂混合物中分离和检测组分。
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。
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V悬φ＝LA(1 − ε )
L=
φ
1− ε
q
V q= A
为获得滤液量V并形成厚度为L的滤饼时所消耗的悬浮液总量（ V悬：为获得滤液量V并形成厚度为L的滤饼时所消耗的悬浮液总量（m3）； ε：为滤饼空隙率（m3）；L：滤饼厚度（m）； ：滤液量 3)； 为滤饼空隙率（ ）；L 滤饼厚度（ ）；V：滤液量(m ； 悬浮液固体体积分数（ 固体/m 悬浮液） q：通过单位面积的滤液总量(m3/m2)；Φ :悬浮液固体体积分数（m3固体/m3悬浮液） 通过单位面积的滤液总量(m 悬浮液固体质量分数（Kg固体/Kg悬浮液 固体/Kg悬浮液）； w :悬浮液固体质量分数（Kg固体/Kg悬浮液）；
2.器壁效应 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 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Rep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。
③ 应用
增稠器既可用于间歇操作或连续操作， 增稠器既可用于间歇操作或连续操作，具有澄清液体和增 稠悬浮液双重功能。适用于量大、 稠悬浮液双重功能。适用于量大、浓度不高且颗粒不太细微的 悬浮料浆，如污水、煤泥水处理等。工业上处理大量悬浮液时， 悬浮料浆，如污水、煤泥水处理等。工业上处理大量悬浮液时， 一般采用连续式增稠器。 一般采用连续式增稠器。
2、过滤介质
织物介质 最常用的过滤介质，工业上称为滤布(网)，由天然纤维、 最常用的过滤介质，工业上称为滤布( 由天然纤维、 玻璃纤维、合成纤维或者金属丝编织而成。 玻璃纤维、合成纤维或者金属丝编织而成。可截留的最小颗粒的直 径为5 65微米 微米。 径为5-65微米。 具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶瓷、 多孔固体介质 具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶瓷、多孔 金属及多孔性塑料制成的管或板，能截留1 的微小颗粒。 金属及多孔性塑料制成的管或板，能截留1-3μm的微小颗粒。 由沙、木炭之类的固体颗粒堆积而成的床层，称作滤床， 堆积介质 由沙、木炭之类的固体颗粒堆积而成的床层，称作滤床， 用作过滤介质使含少量悬浮物的液体澄清。 用作过滤介质使含少量悬浮物的液体澄清。 用于膜过滤的各种有机分子膜和无机材料膜。 多孔膜 用于膜过滤的各种有机分子膜和无机材料膜。
颗粒表面积 a= 颗粒体积
ε=
空隙体积 床层体积 − 颗粒所占体积 = 床层体积 床层体积
床层的空隙率， ε ：床层的空隙率，m3/m3； 颗粒比表面积， a: 颗粒比表面积，m2/m3;
3、过滤基本方程
规定： 规定： 细管的全部流动空间等于床层的空隙容积。 1、细管的全部流动空间等于床层的空隙容积。 细管的内表面积等于床层中颗粒的全部表面积。 2、细管的内表面积等于床层中颗粒的全部表面积。 对于滤液通过平行细管的滞流流动，可用泊谡叶方程加以描述： 对于滤液通过平行细管的滞流流动，可用泊谡叶方程加以描述： 即
08化学专业课程： 08化学专业课程：化工原理 化学专业课程
红河学院
Honghe University
Unit Operation of Chemical Engineering
第三章 非均相物系的分离
化学系 红河学院理学院
本章学习要求： 1本章学习目的 通过本章的学习，要重点掌握沉降和过滤这两种 机械分离操作的原理、过程计算、典型设备的结 构与特性。 2 本章应掌握的内容 a 沉降分离（包括重力沉降和离心沉降）的原理、 过程计算。 b 过滤操作的原理、过滤的计算
3.1 1 2
概述 流体对固体颗粒的绕流 悬浮液的形成
含有固体颗粒的液体称为悬浮液。生产中液固分离的目的： 得到含液量比较少的固体产品，即低的液体损失率；或得 到含固体颗粒比较少的清液，即低的固体损失率。
3.2
沉降分离 沉降概述
沉降分离是常见的液固分离方法。 沉降分离是常见的液固分离方法。 沉降分离：以颗粒和液体间的密度差为基础的分离方法。 密度差为基础的分离方法 沉降分离：以颗粒和液体间的密度差为基础的分离方法。
④ 改变沉降速度的方法
Ⅰ添加絮凝剂： 添加絮凝剂： 一般采用添加少量电解质或表面活性剂的方法， 一般采用添加少量电解质或表面活性剂的方法，使细小 颗粒凝聚或絮聚； 颗粒凝聚或絮聚； Ⅱ改变操作条件： 改变操作条件： 通常采用诸如：加热、冷冻或震动等方法， 通常采用诸如：加热、冷冻或震动等方法，使颗粒的粒度或 相界面积发生变化，从而提高或降低沉降速度。 相界面积发生变化，从而提高或降低沉降速度。
3.4.1.2
过滤基本方程
一、滤液的流动 1、滤液通过滤饼层流动的特点 滤液通道细小曲折，形成不规则的网状结构； a: 滤液通道细小曲折，形成不规则的网状结构； b: 随着过滤进行，滤饼厚度不断增加，流动阻力逐渐增大， 随着过滤进行，滤饼厚度不断增加，流动阻力逐渐增大， 因而过滤属非稳态操作； 因而过滤属非稳态操作； 细小而密集的颗粒层提供了很大的液固接触面， C: 细小而密集的颗粒层提供了很大的液固接触面，滤液的流 动大都在滞流区。 动大都在滞流区。
3.2.1
重力沉降
重力沉降是利用流体中的固体颗粒受地球吸引力场的 作用而发生的沉降过程
球形颗粒的自由沉降 阻力系数ζ 影响沉降速度的因素 沉降速度的计算
3.2.1.1
球形颗粒的自由沉降
颗粒在流体中受到三个力的作用，如下所示： 颗粒在流体中受到三个力的作用，如下所示：
浮力 F b
质量力F 质量力 g
滤液
滤饼 过滤介质
过滤操作方式
过滤操作分为间歇式与连续式。 根据过滤推动力的方式，又有加压过滤、真空过滤和离心过滤
3.4.1
3.4.1.1
过滤过程计算
物料衡算
悬浮液中质量分数与体积分数的关系： 悬浮液中质量分数与体积分数的关系：
φ=
w / ρ p + (1 − w) / ρ
w/ ρp
V悬＝V + LA
3.4
过滤
过滤操作的基本概念 过滤基本方程式，过滤常数的测定 提高过滤生产能力的措施
3.4.1 1、过滤
过滤操作基本概念
利用重力或压差使悬浮液通过多孔性过滤介质，将固体颗粒截留， 利用重力或压差使悬浮液通过多孔性过滤介质，将固体颗粒截留， 从而实现固-液分离的单元操作。 从而实现固-液分离的单元操作。
滞流区或斯托克斯定律区（10-4<Rep<2)
24 ζ = Re
p
ut =
d p (ρs − ρ ) g
2
18µ
一般用于粒径小于50µm的颗粒 的颗粒 一般用于粒径小于
过渡区或艾仑定律区（ 1<Rep<103）
18 . 5 ζ = Re 0p. 6
ut = 0.27 ×
d p (ρs − ρ )g
ρ
沉降运动时间<气体停留时间→ 沉降运动时间<气体停留时间→分离
3.3.2
增稠器（沉降槽）
加料 清液溢流
① 结构
增稠器的构造如右图。主要 增稠器的构造如右图。 是一个底部略成锥形的大直径 水平挡板 数米～百米以上）浅槽（ （数米～百米以上）浅槽（高 2.5～4m）。 度2.5～4m）。
清液
耙 稠浆
② 工作原理
沉降过程
自由沉降:颗粒间相互影响可忽略（稀悬浮液初期沉降） 自由沉降:颗粒间相互影响可忽略（稀悬浮液初期沉降） 干扰沉降:颗粒间相互影响不能忽略（浓悬浮液中期） 干扰沉降:颗粒间相互影响不能忽略（浓悬浮液中期） 压缩沉降:颗粒已沉降在一起， 压缩沉降:颗粒已沉降在一起，靠颗粒自身重量将间隙 中的液体挤出，颗粒层压缩（沉降末期） 中的液体挤出，颗粒层压缩（沉降末期）
Fg=mg （重力），或 重力） Fg=mac（离心力） 离心力） Fb=mρg/ρp
曳力 F d
浮力Fb 浮力Fb 曳力F 曳力Fd
Fd = ζ
π
4
dp (
2
ρu
2
质量力 Fg
2
)
颗粒在沉降过程中的 受力分析
式中ζ 为曳力系数
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
深层过滤
固体颗粒并不形成滤饼， 固体颗粒并不形成滤饼，而是沉积于较厚的粒状对滤介质床层 内部的过滤操作。深床过滤主要用于净化含固量很少（<0.1%） 内部的过滤操作。深床过滤主要用于净化含固量很少（<0.1%）流 如水净化等。 体，如水净化等。
4、过滤的操作
过
悬浮液 (滤浆)
滤 操 作 示 意 图
或
d e ∆pc u1 ∝ µL
2
滤液在床层孔道中的流速， u1 ：滤液在床层孔道中的流速，m/s; 滤液平均流速（ u: 滤液平均流速（按整个床层截面积 计算） 计算）u1= u /ε，m/s ， :床层厚度 床层厚度， L :床层厚度，m； 压强降， △Pc ：压强降，Pa;
摩擦数群法
该法是将ζ与雷诺数的关系曲线加以转换，使其两个坐标轴之 ζ 一变成不包含u 一变成不包含 t的无量纲数群，进而便可得ut
3.3 3.3.1
重力沉降设备 降尘室
L B
气体 进口
气体 出口
气体 ut
u H
集灰斗
降尘室
颗粒在降尘室中的运动
（1）工作原理
气体入室→ 气体入室→减速 颗粒的沉降运动& 颗粒的沉降运动&随气体运动
均相混合物： 均相混合物：物系内部各处物料性质均匀而不存在相界面 如溶液、混合气体等）。 （如溶液、混合气体等）。 非均相混合物： 非均相混合物：物系内部有隔开两相的界面存在而界面两侧 的物料性质截然不同（含尘气体、含雾气体、悬浮液、 的物料性质截然不同（含尘气体、含雾气体、悬浮液、乳 浊液、泡沫液等）。 浊液、泡沫液等）。 沉降操作：依靠某种力的作用，利用分散物质与分散介质的 沉降操作：依靠某种力的作用， 密度差异，使之发生相对运动而分离的过程。 密度差异，使之发生相对运动而分离的过程。 机械分离方法（按流动方式不同）：沉降和过滤。 机械分离方法（按流动方式不同）：沉降和过滤。 ）：沉降和过滤 沉降作用力：重力（重力沉降）和惯性离心力（离心沉降）。 沉降作用力：重力（重力沉降）和惯性离心力（离心沉降）。