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