第三章非均相混和物的分离

过滤：以某种多孔性物质为介质，在外力作用下，使悬浮
液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，
从而实现悬浮液中固液分离的操作。
过滤介质：过滤操作采用
的多孔物质。
滤浆或料浆：所处理的悬浮液
滤液：通过介质孔道的液体
滤饼或滤渣：被介质截留的固体颗粒层
1. 过滤方式 过滤可分为饼层过滤（也称表面过滤）和深床过滤。 饼层过滤：悬浮液置于过滤介质的一侧， 固体物沉积于介质表面形成滤饼层。 会发生“架桥”现象。滤饼是有效的过滤介质 深床过滤：采用砂子等堆积介质作为过滤介质 颗粒靠静电与表面力附着其上。 深床过滤常用于颗粒浓度小（体积分率<0.1%）的场合。 2. 过滤介质 过滤介质：滤饼的支承物，有足够的机械强度，稳定的物 理化学 性质，相应的耐腐蚀性和耐热性。 （1）织物介质（2）堆积介质（3）多孔固体介质
3. 滤饼的压缩性和助滤剂
不可压缩性滤饼：悬浮液中的颗粒具有一定的刚性，所形
成的滤饼不受操作压差的增大而变形。
可压缩性滤饼：悬浮液中颗粒比较软，所形成的滤饼在压
差的作用下变形，使滤饼中流动通道变小，阻力增大。
助滤剂：是一些不可压缩的粒状或纤维状固体 。
助滤剂的作用：改变滤饼结构，提高刚性，增加空隙，减
总效率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。 4 旋液分离器 旋液分离器又称水力旋流器，是利用离心沉降原理从 悬浮液中分离固体颗粒的设备，它的结构与操作原理与旋 风分离器类似。
3.4 过滤
3.4.1 过滤操作的基本概念
2 重力沉降设备
1）降尘室：
降尘室利用重力沉降从含尘气体中分离出尘粒的设备。
降尘室的作用：用作预分离器，分离粒径大于75μ m的 颗粒。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
降尘室的长为L，宽度为b，高度为H，含尘气体通过 降尘室的体积流量（降尘室的生产能力）为Vs 颗粒在降尘室中沉降到底所需时间 颗粒在降尘室中的停留时间为
VS u Hb
保证气体流动处于层流区，以免干扰颗粒沉降
若在各种颗粒中，有一种颗粒刚好满足=t的条件，
此粒径称为降尘室能100％除去的最小粒径，称为临 界粒径，用dmin表示。
VS Lbut
当沉降处于层流区时
d min
VS 18 ( s ) g lb
例3-2 ：在底面积为40m2的降尘室中回收气流中的固体 颗粒，气体流量为3600m3/h、固体密度为2650 kg/m3、 气流为40℃的空气，试求理论上能被完全除去的最小 颗粒直径。40℃时空气的密度为1.128kg/m3,粘度为
（1）层流区：
ut
gd ( s )
2
（非常重要）
称斯托克斯公式 又称艾伦 公式 又称牛顿 公式
18

（2）过渡区： u t 0.27 （3）湍流区：
d ( s ) g Re t0.6
u t 1.74
d ( s )g

由于沉降操作涉及的颗粒直径都较小，沉降通常 处于层流区，因此斯托克斯公式应用较多。
过程称为过滤。（分离液、固混合物）
3 非均相混合物分离的目的： ①回收分散物质（气流干燥器，催化反应器） ②净制分散介质（催化反应保证催化剂的活性） ③劳动保护和环保的需要。
3.2
颗粒及颗粒床层的特性
3.2.1 颗粒的特性 1 单一颗粒特性 1）球形颗粒
体积
V

（通常用直径（粒径）表示大小。）
表面积
(重力，向下)
(浮力，向上)
u 2
2


4
d
2
u 2
2
(阻力，向上)
F F
g
Fb Fd ma
当u增加到某一定数值时，Fg、Fb、Fd达平衡，即 ∑F=0，颗粒开始作匀速沉降运动，此时颗粒相对于 流体的运动速度称为颗粒的自由沉降速度，用ut表示。
ut
4d ( s ) g 3
3.3 沉降分离
沉降：在某种力(重力、离心力)作用下，利用连续相 与分散相的密度差异，使之发生相对运动而分离的操
作。
3.3.1 重力沉降
重力沉降：由地球引力(重力)作用而发生的沉降过程。
1 沉降速度
1) 球形颗粒的自由沉降
1 3 Fg d s g 6 1 3 Fb d g 6
Fd A
第三章
1 混合物的分类
非均相混合物的分离
3.1 概述
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、溶液。 非均相混合物(物系)：物系内部有隔开的相界面存在，而 在相界面两侧的物料性质截然不同的物系。 例：含尘气体、悬浮液、乳浊液、泡沫液。
非均相物系 ◆分散相(分散物质)：处于分散状态的物质。 气体中尘粒、悬浮液中的颗粒、乳浊液中的液滴。
特点：过滤速度慢，仅适用于小规模、大颗粒、含量少的悬浮液。
颗粒浓度高的悬浮液。
压差过滤：人为地在滤饼上游和滤液出口间造成压力差， 并以此压力差为推动力。
减压过滤（真空过滤） 加压过滤
过滤操作周期：过滤、洗涤、卸渣、复原等基本环节组成。

Fd

4
d
2
u r
2
径向向内
ur——距中心r处的颗粒在径向上相对 于流体的运动速度
当Fc、Fb、Fd三力达到平衡，有

6
d s r
3 2

6
d r
3 2

4
d
2
u
2
2 r
0
ur
2 4d ( s ) u T
3
R
ut
4d ( s ) g 3
9.81 0.4
102
表明颗粒在上述条件下的离心沉降速度是重力沉降速 度的102倍 离心沉降一般处理直径小于50μ m的颗粒。 Kc <3000（一般为600~1200）常速离心机 Kc=3000~50000 高速离心机 Kc>50000 超高速离心机 最新式的离心机其Kc值可高达500000以上，用来分离 胶体物料及破坏乳状液。
1.91×10-5Pa· S。
例3-3
降尘室总高4m、宽1.7m、长4.55m，中间等高
水平安装39块隔板，每小时通过降尘室的含尘气体为
2000 m3，气体的密度为1.6kg/m3（均标况），气体温
度为400℃，压力为101.3kPa，此时粘度为3×10-5Pa· s，
粉尘的密度为3700kg/m3。试求：（1）此降尘室能分 离的最小尘粒的直径；（2）除去6μm颗粒的百分率。 P151例3-3
2 旋风分离器的操作原理 旋风分离器：利用惯性离心力作用，净制气体的设备. 结构与操作原理
结构：各部分尺寸均与圆筒直径
成比例。 操作原理 外旋流：下行的螺旋形气流。 外旋流的上部是主要除尘区
内旋流：上行的螺旋形气流。
内、外旋流气体的旋转方向相同。 旋风分离器应用：用于除去5μm 以上的颗粒。
操作特点： ①入口速度15～20m/s ②除去直径5μm以上的颗粒（200μm以上先除去） ③不适于处理粘性大、含湿量高、腐蚀性强的粉尘。 3 旋风分离器的性能 1）临界粒径
◆连续相(分散介质)：包围着分散相，处于连
续状态的物质。含尘气体中的气体、悬浮液
中的液体。 均相混合物的分离：吸收、蒸馏。 2 非均相混合物的分离方法
非均相混合物的分离：利用分散相、连续相物
理性质不同(ρ不同)→机械方法 (沉降、过滤)。 ① 颗粒相对流体（静止或运动）运动而实现悬浮物 系的分离的过程称为沉降分离。 ② 流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的
临界粒径即是指理论上能够完全被旋风分离器分离
下来的最小颗粒直径。临界粒径越小，旋风分离器的分
离性能越好。
2）压力降
Pf
u
2
2 i
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。
3）分离效率
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
lHb VS
颗粒被分离的条件为

l u lHb H t 或 VS u t
H t ut
VS lbut 降尘室的生产能力Vs仅与其底面积Lb
及颗粒的沉降速度ut有关 ，而与降尘 室的高度H无关。
若降尘室内设置n层水平隔板， 则层数为N=n+1，生产能力为
VS NLbut
P145图3-2
4）沉降速度ut 的计算（步骤）：
（1）假设沉降属于某一流型（例如层流区） ；
（2）选用相应公式计算ut ；
（3）用ut计算Ret，检验是否在原假设的流型区域内。
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
6
d3
S d
2 比表面积
6 a d
2）非球形颗粒
（1）体积当量直径（令实际颗粒的体积等于当量球 形颗粒的体积）
VP

6
d
3 e
de 3
6V P

S S SP
（2）形状系数（球形度）
表征颗粒的形状与球形的差异程度。
Φs——颗粒的球形度，无因次；
S—与实际颗粒体积相等的球形颗粒的表面积，m2； Sp——实际颗粒的表面积，m2。 对于球形颗粒，Φ s=1。颗粒形状与球形的差异越大， 球形度Φ s越小。