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。

混合物分为两类：1．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。

如溶液及混合气体属于此类。

均相混合物组分的分离采用传质分离方法。

2．非均相混合物由具有不同物理性质（如尺寸、密度差别）的分散物质（分散相）和连续介质（连续相）所组成的物系称为非均相物系或非均相混合物。

显然，非均相物系中存在相界面，且界面两侧物料的性质不同。

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。

二．非均相混合物分离方法的分类根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。

三．非均相混合物分离的目的（1）收集分散物质。

例如收取从气流干燥器或喷雾干燥器出来的气体以及从结晶器出来的晶浆中带有的固体颗粒，这些悬浮的颗粒作为产品必须回收；又如回收从催化反应器出来的气体中夹带的催化剂颗粒以循环使用。

再如某些金属冶炼过程中，有大量的金属化合物或冷凝的金属烟尘悬浮在烟道气中，收集这些烟尘不仅能提高该种金属的收率，而且是提炼其它金属的重要途径。

（2）净化分散介质。

某些催化反应，原料气中夹带有杂志会影响触媒的效能，必须在气体进反应器之前清除催化反应原料气中的杂质，以保证触媒的活性。

（3）环境保护与安全生产。

为了保护人类生态环境，消除工业污染，要求对排放的废气、废液中的有害物质加以处理，使其达到规定的排放标准；很多含碳物质与金属细粉及空气混合会形成爆炸物，必须除去这些物质以消除爆炸的隐患。

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，因此本章还介绍流态化技术的基本概念。

3.2 颗粒及颗粒床层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. 单一颗粒的特性表述颗粒特性的主要参数为颗粒的形状、大小（体积）及表面积。

（一）球形颗粒不言而喻，球形颗粒的形状为球形，其尺寸由直径d来确定，其它有关参数均可表示为直径d的函数，诸如体积（3-1）表面积（3-2）比表面积（单位颗粒体积具有的表面积）（3-3）式中d――球形颗粒的直径，m；S――球形颗粒的表面积，m2；V――球形颗粒的体积，m3；a――颗粒的比表面积，m2/m3。

（二）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。

1．球形度φS颗粒的球形度又称形状系数，它表示颗粒形状与球形的差异，定义为与该颗粒体积相等的球体的表面积除以颗粒的表面积，即φS＝（3－4）式中φS――颗粒的球形度或形状系数，无因次；S――与该颗粒体积相等地球体的表面积，m2；S P――颗粒的表面积，m2。

由于同体积不同形状的颗粒中，球形颗粒的表面积最小，因此对非球形颗粒，总有φS ﹤1，颗粒的形状越接近球形，φS越接近1；对球形颗粒，φS＝1。

2．颗粒的当量直径工程中，经常将非球形颗粒以某种“当量”的球形颗粒来代替，以使非球形颗粒的某种特性与球形颗粒等效，这一球粒的直径为当量直径。

当量直径表示非球形颗粒的大小。

根据不同方面的等效性，通常有两种表示方法；（1）等体积当量直径颗粒的等体积当量直径为与该颗粒体积相等的直径，即d=（3-5）e式中d e――颗粒的等体积当量直径，m；V P――颗粒的体积，m3。

（2）等比表面积当量直径即与非球形颗粒比表面积相等的直径为该颗粒的等比表面积当量直径。

根据此定义并结合式（3-3）得(3-6)式中――颗粒的等比表面积当量直径，m；依据式（3-5）和式（3-6）可以得出颗粒的等体积当量直径和等比表面积当量直径之间的关系：φs d e (3-7)所以说，非球形颗粒的等比表面积当量直径一定小于其等体积当量直径。

用上述的形状系数及当量直径便可表述非球形颗粒的特性，即（3-1a）（3-2a）（3-3a）工业中遇到的颗粒群可分为两类：若颗粒群是由大小不同的粒子组成的集合体，称为非均一性粒子或多分散性粒子；而将具有同一粒径的颗粒群称为单一性或单分散性粒子。

显然，多分散性粒子才需讨论其粒度分布和平均参数。

1．颗粒群的粒度分布不同粒径范围内所含粒子的个数或质量称为粒度分布。

颗粒粒度的测量方法有筛分法、显微镜法、沉降法、电感应法、激光衍射、动态光散射法等，这里介绍筛分法。

筛分是用单层或多层筛面将松散的物料按颗粒粒度分成两个或多个不同粒级产品的过程。

它是机械分离方法分离固－固混合物的操作。

筛分时，筛面上有筛孔，尺寸小于筛孔尺寸的物料通过筛孔，称为筛下产品，其质量称为筛过量；尺寸大于筛孔尺寸的物料被截留在筛面上，称为筛上产品，其质量称为筛余量。

若用n层筛面，可得n+1种产品。

筛分分析是在一套标准筛中进行的，标准筛的筛网为金属丝网，各国标准筛的规格不尽相同，常用的泰勒制是以每英寸边长的孔数为筛号，称为目。

例如100目的筛子表示每英寸筛网上有100个筛孔。

表3-2是泰勒标准筛的目数和对应孔径的节录。

用标准筛测粒度分布时，将一套标准筛按筛孔上大下小的顺序叠在一起，若从上向下筛子的序号分别为1、2...i-1及i ，相应筛孔的直径分别为d 1>、d 2...d i-1及d i >。

将称重后的颗粒样品放在最上面的筛子上，整套筛子用振荡器振动过筛，不同粒度的颗粒分别被截留于各号筛网面上。

第i 号筛网上的颗粒的尺寸应在d i-1>和d i >之间，分别称取各号筛网上的颗粒筛余量，即可得到样品的粒度分布数据。

目前各种筛制正向国际标准组织ISO 筛统一。

表3-2 泰勒标准筛2．粒群的平均直径停留在第i 层筛网上的颗粒的平均直径d pi >值可按d i-1>和d i >的算术平均值计算，即(3-8)根据各号筛网上截留的颗粒质量，可以计算出直径为d pi >的颗粒占全部样品的质量分率x i >，再根据实测的各层筛网上的颗粒质量分率，按下式可计算出颗粒群的平均直径为(3-9)式中――颗粒群的平均直径，m ； ――粒径段内颗粒的质量分率；>――被截留在第i 层筛网上的颗粒的平均直径,m 。

3．颗粒的密度单位体积内粒子的质量称为密度，其单位为kg/m 3。

若粒子的体积不包括颗粒之间空隙，则称为粒子的真密度，用ρS >表示；若粒子所占体积包括颗粒之间空隙，则称为堆积密度或表观密度，用ρb >表示。

设计颗粒贮存设备时，应以堆积密度为准。

三．颗粒床层的特性大量固体颗粒堆积在一起便形成颗粒床层。

静止的颗粒床层又称为固定床。

对流体通过床层流动产生重要影响的床层特性有如下几项：（一）床层的空隙率床层中颗粒之间的空隙体积与整个床层体积之比称为空隙率（或称空隙度），以ε表示，即式中ε－床层的空隙率，m3/m3；空隙率的大小与颗粒形状、粒度分布、颗粒直径与床层直径的比值、床层的填充方式等因素有关。

对颗粒形状和直径均一的非球形颗粒床层，其空隙率主要取决于颗粒的球形度和床层的填充方法。

非球形颗粒的球形度越小，则床层的空隙率越大。

由大小不均匀的颗粒所填充成的床层，小颗粒可以嵌入大颗粒之间的空隙中，因此床层空隙率比均匀颗粒填充的床层小。

粒度分布越不均匀，床层的空隙率就越小；颗粒表面愈光滑，床层的空隙率亦愈小。

因此，采用大小均匀的颗粒是提高固定床空隙率的一个方法。

空隙率在床层同一截面上的分布是不均匀的，在容器壁面附近，空隙率较大；而在床层中心处，空隙率较小。

器壁对空隙率的这种影响称为壁效应。

壁效应使得流体通过床层的速度不均匀，流动阻力较小的近壁处流速较床层内部大。

改善壁效应的方法通常是限制床层直径与颗粒直径之比不得小于某极限值。

若床层的直径比颗粒的直径大得多，则壁效应可忽略。

床层的空隙率可通过实验测定。

一般非均匀、非球形颗粒的乱堆床层的空隙率大致在0.47～0.7之间。

均匀的球体最松排列时的空隙率为0.48，最紧密排列时的空隙率为0.26。

（二）床层的自由截面积床层截面上未被颗粒占据的流体可以自由通过的面积，称为床层的自由截面积。

小颗粒乱堆床层可认为是各向同性的。

各向同性床层的重要特性之一是其自由截面积与床层截面积之比在数值上与床层空隙率相等。

同床层空隙率一样，由于壁效应的影响，壁面附近的自由截面积较大。