非均相混合物的分离
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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物理化学中常用的分离技术，用于分离混合物中的各个组分。
除了常见的沉淀、过滤、蒸馏等方法外，还有许多其他非均相物系分离方法，本文将重点介绍一些常见的非均相物系分离方法。
1. 吸附分离法吸附分离法是利用吸附剂对混合物中的某些组分具有选择性吸附的特性进行分离的方法。
常见的吸附剂有活性炭、硅胶、膨润土等。
该方法适用于分离液体和气体中的溶质，通过控制吸附剂的选择和条件，可以实现不同组分的分离。
2. 萃取分离法萃取分离法是利用溶液中各组分在两种互不溶解的溶剂中的溶解度差异进行分离的方法。
通常，一种溶剂被称为萃取剂，用于选择性地溶解混合物中的某个组分。
常见的萃取剂有乙酸乙酯、苯、四氯化碳等。
萃取分离法广泛应用于有机合成、环境监测等领域。
3. 离心分离法离心分离法是利用离心力将混合物中的不同组分分离的方法。
由于不同组分的密度、尺寸等特性不同，它们在离心力的作用下会产生不同的沉降速度，从而实现分离。
离心分离法广泛应用于生物化学、生命科学等领域，可以分离细胞、细胞器、蛋白质等。
4. 气相色谱（GC）气相色谱是一种基于物质在固定相与流动相间分配平衡的方法，通过分离和定量混合物中的不同组分。
在气相色谱中，混合物中的组分首先通过装有吸附剂的柱子，然后通过加热柱子使组分逐个挥发，最后被流动相带出，通过检测器进行检测和定量。
气相色谱广泛应用于分析化学、环境检测、食品安全等领域。
5. 气液色谱（GLC）气液色谱是利用不同组分在液态固定相和气相间分配平衡的方法进行分离的。
在气液色谱中，混合物首先通过液态固定相，然后通过加热使其逐个挥发，最后被气相带出，通过检测器进行检测和定量。
气液色谱广泛应用于分析化学、食品安全、医药生物等领域。
6. 膜分离法膜分离法是利用特殊的分离膜对混合物中的组分进行分离的方法。
根据分离机理和应用需求的不同，膜分离可以分为微滤、超滤、纳滤、逆渗透等。
例如，超滤膜可以通过分子大小的差异来分离溶液中的大分子和小分子。
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。
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。
考研必备《化工原理》第三章：非均相混合物
33
(五) 助滤剂
当悬浮液中的颗粒很细时，过滤时 很容易堵死过滤介质的孔隙，或所形成 的滤饼在过滤的压力差作用下，孔隙很 小，阻力很大，使过滤困难。一般加入 助滤剂解决。 常用的助滤剂：硅藻土、珍珠岩、 石棉、炭粉、纸浆粉
34
二、过滤设备
( 一 ) 板框压滤机
35
板框压滤机是间歇式压滤机中应 用最广泛的一种。 此机是由多块滤板和滤框交替排 列而组成。板和框都用一对支耳 架在一对横梁上，可用压紧装置 压紧或拉开。 为了组装时便于区分，在板和框 的边上作不同的标记，非洗涤板 以一钮记，框以两钮记，洗涤板 以三钮记。
15
3. 过滤时当颗粒尺寸比 过滤介质孔径小时， 过滤开始会有部分颗 粒进入过滤介质孔道 里，迅速发生“架桥” 现象 4. 典型设备：板框压滤机 叶滤机 真空转筒过滤机 密闭加耙过滤机
16
五、筛分
1．筛分分析：用一组泰勒制标准筛 分析出混合颗粒的粒径分布。 每英寸长度上的孔数为筛子的目数 相临筛号的筛孔的直径比 2
rm 称为过滤介质的比阻，是单位厚度过滤介 质的阻力，其数值等于粘度为1Pa· s的滤液以 1m/s的平均速度穿过厚度为1m的过滤介质所 需的压力降。 52
p 为滤液通过滤饼层的压力降 为滤液的粘度
Lm 过滤介质的厚度
为单位体积滤液可得滤饼体积
de 为毛细孔道的平均直径 Rm 为过滤介质阻力，是过滤介质比
可测得混合颗粒大小的粒度分布 进行筛分时，将若干个一系列的筛按筛孔大 小的次序从上到下叠起来，筛孔尺寸最大的 放在最上面，筛孔最小的筛放在最下面，它 的底下放一无孔的底盘。 把要进行筛分的混合颗粒放在最上面的一个筛 中，将整叠筛均衡地摇动，较小的颗粒通过各 17 个筛的筛孔依次往下落。
(五) 助滤剂
当悬浮液中的颗粒很细时，过滤时 很容易堵死过滤介质的孔隙，或所形成 的滤饼在过滤的压力差作用下，孔隙很 小，阻力很大，使过滤困难。一般加入 助滤剂解决。 常用的助滤剂：硅藻土、珍珠岩、 石棉、炭粉、纸浆粉
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二、过滤设备
( 一 ) 板框压滤机
35
板框压滤机是间歇式压滤机中应 用最广泛的一种。 此机是由多块滤板和滤框交替排 列而组成。板和框都用一对支耳 架在一对横梁上，可用压紧装置 压紧或拉开。 为了组装时便于区分，在板和框 的边上作不同的标记，非洗涤板 以一钮记，框以两钮记，洗涤板 以三钮记。
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3. 过滤时当颗粒尺寸比 过滤介质孔径小时， 过滤开始会有部分颗 粒进入过滤介质孔道 里，迅速发生“架桥” 现象 4. 典型设备：板框压滤机 叶滤机 真空转筒过滤机 密闭加耙过滤机
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五、筛分
1．筛分分析：用一组泰勒制标准筛 分析出混合颗粒的粒径分布。 每英寸长度上的孔数为筛子的目数 相临筛号的筛孔的直径比 2
rm 称为过滤介质的比阻，是单位厚度过滤介 质的阻力，其数值等于粘度为1Pa· s的滤液以 1m/s的平均速度穿过厚度为1m的过滤介质所 需的压力降。 52
p 为滤液通过滤饼层的压力降 为滤液的粘度
Lm 过滤介质的厚度
为单位体积滤液可得滤饼体积
de 为毛细孔道的平均直径 Rm 为过滤介质阻力，是过滤介质比
可测得混合颗粒大小的粒度分布 进行筛分时，将若干个一系列的筛按筛孔大 小的次序从上到下叠起来，筛孔尺寸最大的 放在最上面，筛孔最小的筛放在最下面，它 的底下放一无孔的底盘。 把要进行筛分的混合颗粒放在最上面的一个筛 中，将整叠筛均衡地摇动，较小的颗粒通过各 17 个筛的筛孔依次往下落。
非均相混合物的分离
T
洗涤速率 终了过滤速率 4
3600 V
W D
真空过滤，推动力较小； 转筒(滤网、 连续化生产，自动化程 适于粒度中 转鼓真空 滤布)、分 过滤、洗涤、度高，推动力小，滤饼湿 等，粘度不 过滤机 配头、滤浆 吹干、卸渣 度大，设备投资高 太大的物料 槽
Q 60nV 60 KA2 (60n e n 2 ) Ve n
通常将原悬浮液称为滤浆，滤浆中的固体颗粒称为滤渣， 过滤时积聚在过滤介质上的滤渣层称为滤饼，通过过滤 介质的液体称为滤液。
（二）过滤介质
过滤介质的作用是支承滤饼，故除有孔隙外，还应具有足 够的机械强度及尽可能小的阻力。
工业上常用的过滤介质有：
织物介质：天然纤维、化学纤维、玻璃丝、金属丝织成的 滤网。
几种过滤设备的比较
设备名称 主要结构 工作过程 特点、 适用性 生产能力计算
加压过滤，推动力较大 结构简单，造价低； 滤板、滤框、 装合、过滤、过滤面积大，能耗少； 板框压滤 夹紧机构、 洗涤、卸渣、读为间歇操作，推动力 机 机架 整理 较大； 洗涤时间长，生产效率 低。
应用范围广。 对原料的适 3600 V 应性强 Q
滤浆槽。
工作过程
g槽
h槽
11 10 9
12
13 14
15 16 17
定盘
f槽
8
7 6 5 4 3 2
18
1
动盘
18格分成6个工作区
1区(1~7格)：过滤区； 2区(8~10格)：滤液吸干区； 3区(12~13格)：洗涤区；
4区(14格)：洗后吸干区；
5区(16格)：吹松卸渣区； 6区(17格)：滤布再生区。
第三章
学习要点：
洗涤速率 终了过滤速率 4
3600 V
W D
真空过滤，推动力较小； 转筒(滤网、 连续化生产，自动化程 适于粒度中 转鼓真空 滤布)、分 过滤、洗涤、度高，推动力小，滤饼湿 等，粘度不 过滤机 配头、滤浆 吹干、卸渣 度大，设备投资高 太大的物料 槽
Q 60nV 60 KA2 (60n e n 2 ) Ve n
通常将原悬浮液称为滤浆，滤浆中的固体颗粒称为滤渣， 过滤时积聚在过滤介质上的滤渣层称为滤饼，通过过滤 介质的液体称为滤液。
（二）过滤介质
过滤介质的作用是支承滤饼，故除有孔隙外，还应具有足 够的机械强度及尽可能小的阻力。
工业上常用的过滤介质有：
织物介质：天然纤维、化学纤维、玻璃丝、金属丝织成的 滤网。
几种过滤设备的比较
设备名称 主要结构 工作过程 特点、 适用性 生产能力计算
加压过滤，推动力较大 结构简单，造价低； 滤板、滤框、 装合、过滤、过滤面积大，能耗少； 板框压滤 夹紧机构、 洗涤、卸渣、读为间歇操作，推动力 机 机架 整理 较大； 洗涤时间长，生产效率 低。
应用范围广。 对原料的适 3600 V 应性强 Q
滤浆槽。
工作过程
g槽
h槽
11 10 9
12
13 14
15 16 17
定盘
f槽
8
7 6 5 4 3 2
18
1
动盘
18格分成6个工作区
1区(1~7格)：过滤区； 2区(8~10格)：滤液吸干区； 3区(12~13格)：洗涤区；
4区(14格)：洗后吸干区；
5区(16格)：吹松卸渣区； 6区(17格)：滤布再生区。
第三章
学习要点：
非均相混合物的分离讲解
气液系统（如气体中的液滴）；
液液系统（如乳浊液中的微滴）等。
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（如密度），故可用机械方法进行 分离。利用密度差进行分离时，必须使分散相与连 续相产生相对运动，因此，分离非均相物系的单元 操作遵循流体力学的基本规律，按两相运动方式的 不同分为沉降和过滤。 非均相物系的分离主要用于： 1、回收有用物质，如颗粒状催化剂的回收； 2、净化气体，如除尘、废液、废气中有害物质的清 除等。
.6 gd1 p ( p ) ut= 0.153 0.4 0.6 1/ 1.4
艾伦公式
湍流区
ut=
1.74
d p ( p )g
牛顿公式
计算ut需用试差法，即先假设流动类型（层流、过渡流、湍 流）后选用相应的ut计算式算出ut，用ut计算Re，再检验假设 的流型是否正确。
通常将原悬浮液称为滤浆，滤浆中的固体颗粒称为滤渣， 过滤时积聚在过滤介质上的滤渣层称为滤饼，通过过滤 介质的液体称为滤液。
（二）过滤介质
过滤介质的作用是支承滤饼，故除有孔隙外，还应具有足 够的机械强度及尽可能小的阻力。
工业上常用的过滤介质有：
织物介质：天然纤维、化学纤维、玻璃丝、金属丝织成的 滤网。
（四）实际重力沉降速度 自由沉降：固体颗粒在沉降过程中不因流体中其他颗 粒的存在而受到干扰的沉降。 干扰沉降：固体颗粒在沉降过程中，因颗粒之间的相 互影响，而使颗粒不能正常沉降。
二、 离心沉降 颗粒在离心力场作用下，受到离心力的作用而沉降的过程 称为离心沉降。
悬浮在流体中的微粒，利用离心力比利用重力可以使微粒 的沉降速度增大很多，这是因为离心力由旋转而产生，旋 转的速度愈大则离心力也愈大；而微粒在重力场中所受的 重力作用是一个定值。因此，将微粒从悬浮物系中分离时， 利用离心力比利用重力有效的多。同时，利用离心力作用 的分离设备不仅可以分离较小的微粒，而且设备的体积可 以缩小。
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
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一种将混合物中的组分分离开来的方法，其中混合物的组分一般无法通过物理或化学性质的差异来实现分离。
以下是一些常见的非均相物系分离方法：1. 沉淀法沉淀法是通过添加一种特定的药剂，使混合物中的某些组分产生沉淀，从而实现分离。
常见的沉淀法包括乙酸纤维素沉淀法、硫酸亚铁沉淀法等。
2. 萃取法萃取法是利用溶液中不同溶剂的亲和度差异，将混合物中的组分分离出来。
常见的萃取法有液-液萃取法、固-液萃取法等。
3. 蒸馏法蒸馏法是通过控制混合物中各组分的沸点差异，将其分离出来。
常见的蒸馏法有常压蒸馏法、减压蒸馏法等。
4. 结晶法结晶法是通过控制混合物中不同组分的溶解度，使一部分组分结晶出来，从而实现分离。
常见的结晶法有溶剂结晶法、冷却结晶法等。
5. 绝热升华法绝热升华法是利用混合物中某些组分的升华性质，通过加热使其升华出来，从而实现分离。
常见的绝热升华法有淋滤干燥法、干燥剂吸附法等。
6. 离心法离心法是利用混合物中各组分的密度差异，通过离心操作使其分离出来。
常见的离心法有常规离心法、密度梯度离心法等。
7. 色谱法色谱法是利用混合物中各组分在固定相和流动相之间的分配系数差异，通过在固定相上移动的速度差异来实现分离。
常见的色谱法有气相色谱法、液相色谱法等。
8. 电泳法电泳法是利用混合物中各组分在电场下的迁移速度差异，通过在带电介质中的迁移来实现分离。
常见的电泳法有毛细管电泳法、凝胶电泳法等。
总结起来，非均相物系分离方法包括沉淀法、萃取法、蒸馏法、结晶法、绝热升华法、离心法、色谱法和电泳法等。
每种方法在不同的实际应用场景中都有其独特的优势和适用性，通过合理选择和组合这些方法，可以实现对混合物中组分的有效分离和提纯。
化工原理1非均相混合物的分离
4.52
2.61＜K<69.1，沉降在过渡区。用艾伦公式计算沉降速度。
ut
1 .6 1 1 . 4 0.154 g d 1.4
s
1.4
1 1.4
0 .4
1 .4
0.6
0.619m / s
二、重靠重力沉降从气流中分离出固体颗 粒的设备
令
例：试计算直径为95μm，密度为3000kg/m3的固体颗粒 分别在20℃的空气和水中的自由沉降速度。 解：1）在20℃水中的沉降。 用试差法计算 先假设颗粒在滞流区内沉降 ，
d 2 s g ut 18
附录查得，20℃时水的密度为998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s
XLK型(扩散式)
14
二、离心沉降设备
（4）旋风分离器的选用
首先应根据系统的物性，结合各型设备的 特点，选定旋风分离器的类型； 然后依据含尘气的体积流量，要求达到的 分离效率，允许的压力降计算决定旋风分离器 的型号与个数。
15
二、离心沉降设备
2. 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 构与操作原理和旋风分离器类似。
旋风分离器的 进口气速 气流的有效旋 转圈数
临界粒径是判断旋风分离器分离效率高低的重要依据。 临界粒径越小，说明旋风分离器的分离性能越好 。 6
二、离心沉降设备
②分离效率
总效率η0
0
C1 C2
C1
粒级效率ηpi
pi
C 1i C2i C 1i
7
二、离心沉降设备
粒级效率曲线 通过实测旋风分离器进、出气流中所含尘粒 的浓度及粒度分布，可得粒级效率与颗粒直径di 的对应关系曲线，该曲线称为粒级效率曲线。 分割粒径 d50 粒级效率恰为50%的颗粒直径，称为分割粒 径。 D
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试差法：
非试差法：
摩擦数群法 无因次判据法
3.3 沉降分离
试差法：
假设 流型
选择 公式
计算
ut
验算
计算
Ret
3.3 沉降分离
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： 1.165kg m3
计算有效
3.3 沉降分离
(2)隔成10层：
若dc不变
utc不变
Vs ' blutc N
若流量不变
1
仍为层流沉降 dsc ' N dsc
d
' sc
7.97 105
1 2.52105 m 10
Vs’=10Vs
或 dsc '
18 utc ' (s )g
18 Vs 2.52105 m (s )g blN
离心沉降 作用力是惯性离心力
3.3 沉降分离
3.3.1 重力沉降 受地球吸引力的作用而发生的沉降。
3.3.1.1 沉降速度 假设：
①颗粒为球形； ②颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰 ③容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略 ④颗粒直径不能小到受流体分子运动的影响
3.3 沉降分离
1.球形颗粒的自由沉降：
受力分析
da
di G
di
或da
1 xi
di
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
3.2.2 颗粒床层的特性
3.2.2.1 床层空隙率 固定床：众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒层。
床层体积 颗粒体积 床层体积
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
• 3.2.2.2 床层的比表面积 • 单位床层体积具有的颗粒表面积称为床层的比表面积。若忽略颗粒之间接触面积的影响
Vp
6
de3,
Sp
d e 2 s
ap
6
sde
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
3.2.1.2 颗粒群的特性
1、粒度分布 不同粒径范围内所含粒子的个数或质量即粒径分布。 标准筛: 泰勒制，日本制，德国制及原苏联制等。
我 国用泰勒制。
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
2、 颗粒的平均粒径
平均比表面积直径
1 1 Gi xi
3.3 沉降分离
②对设备而言，生产能力 Vs 只与沉降面积 bL 和
最小颗粒的沉降速度 utc有关，与H无关。 所以设计降尘室时，应作成扁平形。 ③气体在降尘室的流速u 不宜过高，
一般应保证处于层流区
dsc
18 ut c (s )g
18 V s
( )gbL s
3.3 沉降分离
5.多层降尘室：
3.3 沉降分离
(3)由以上计算知，粒径为40μm的颗粒必定在 滞流区
ut
d2(s )g 18
(40106 )2 (3000 0.75) 9.81 18 0.026103
0.1006m/
s
气体在降尘室的停留时间 H 2 5s
utc 0.4
3.3 沉降分离
40um的颗粒在5s内的沉降高度
小结
▪雷诺数公式
d u
Re s t
▪层流区—Stokes定律区 104 Re 1
24
d2( )g
u
s
Re
t
18
3.3 沉降分离
3.3.1.2 重力沉降分离设备
◇气体沉降设备 利用重力沉降除去气流中颗粒的设备。 ◇液体沉降设备 用于浓缩、澄清
沉降槽： 间歇式沉降槽又分为多单层层沉沉降降槽槽
单层
Vs
u Vs Hb
ut
N层 Vs ' Vs N
Vs u' N u
bH N
ut' ut
3.3 沉降分离
单层
L
u
t
H ut
V u s
t c bL
N层
' L
u'
t '
H N
ut '
t
N
V
u '
s
N
u tc
tc bL N
d sc
dsc '
18 utc' (s )g
18 utc (s )g N
开始发生边界层分离
颗粒后部形成旋涡——尾流 尾流区压强低形体阻力增大
18.5
Re
0.6 t
ut 0.27
gd
s
Re
0.6 t
3.3 沉降分离
③湍流区(牛顿区) 1000 Ret 200000
形体阻力占主导地位，表面摩擦阻力可以忽略
阻力u2 阻力系数与Ret无关
0.44
ut 1.74
gd s
设为层流，则：
1.86 105 Pa s
ut
d2(s )g 18
(40106 )2 9.81 (2600 1.165) 18 1.86 105
0.12m s
校核： Re dut 0.3 1 (正确)
3.3 沉降分离
4.影响沉降速度的因素
▪流体的粘度、密度 ▪颗粒的体积浓度 ▪器壁效应 ▪颗粒形状的影响 ▪颗粒的最小尺寸
降尘室应隔成多少层？
解:(1) V bLu
s
tc
4
u V
tc
s
(bL)
0.4 m s
25
3.3 沉降分离
设为层流沉降：
utc
d
2 c
(
s
)g
18
dc
18utc (s )g
18 0.026103 0.4 (3000 0.75) 9.81
7.97105 m
校核
du
Re c tc 0.92 1
机械
分离
沉 降 方 法
分 离 离 重 心 力 沉 沉 降 降
重 力 过 滤
过 滤 真 加 空 压
过滤 过滤
离 心 过 滤
3.1 概述
3.1.3 机械分离方法的推动力
重力沉降推动力:以重力为主, 速度慢 离心沉降推动力:以惯性离心力为主,还有重力, 速度快 过滤推动力:以压力差为主, 还包括重力, 惯性离心力
体积当量直径de de
3
6Vp
表面积当量直径des de s
Sp
比表面积当量直径dea 形状系数
dea
6 ap
形状系数表征颗粒的形状与球形的差异程度
s
S Sp
球形颗粒，
值
s
=1，颗粒形状与球形差别愈大，s
愈低。
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
非球形颗粒通常以体积当量直径和形 状系数来表征颗粒的体积、表面积和比表面积。
重力：Fg
π 6
d 3s g
s
颗流
浮力：Fb
π 6
d 3 ρg
粒 体
密
密
阻力：Fd
(π d2)
4
ρu2 2
度
度
《化工原理》课件——第四章 沉降与过滤
3.3 沉降分离
Fg Fb Fd ma
①刚开始沉降： u 0
Fg Fb 不变
a最大
Fd 0
②开始沉降
u
Fd
Fg Fb Fd a
（1 ）先除尘后预热；（2） 先预热后除尘。
3.3 沉降分离
解：（1）查表可知，μ=18.1×10-6 Pa·s ρ=1.20kg/m
3
体积流量 Vs 2.50 2.08m3 / s 1.20
Vs
bLNutc
utc
Vs NbL
2.08 130
0.016m /
s
3.3 沉降分离
假定颗粒沉降处于斯托克斯定律区，则
➢沉降速度关系式适用于颗粒与流体在重力方向上的 相对运动的计算。例如: 颗粒密度大于流体密度的 沉降操作；颗粒密度小于流体密度的颗粒浮升运动 ；在静止流体中颗粒的沉降，流体相对于静止颗粒 的运动；颗粒与流体逆向运动的情况；颗粒与流体 同向运动但具有不同的相对速度的计算。
3.3 沉降分离
3.ut的计算：
内容纲要
• 3.1 概述 • 3.2 颗粒及颗粒床层的特性 • 3.3 沉降分离 • 3.4 过滤
3.1 概述
• 3.1.1 混合物分类
溶液：精馏、萃取 均相混合物
混合气体：吸收、吸附
混合物
含雾气体
气态非均相
非均相
含尘气体
混合物
悬浮液
物系内部存在相界面且界 面两侧的物理性质完全不 同。
液态非均相 乳浊液 气泡液
dc
校核
18utc
3.3 沉降分离
u增加至一定值时 Fg Fb Fd a＝0 匀速沉降
u ut 自由沉降速度
1 6
d
3
s
g
1 d 3g
6
1 4
d
2
ut2
2
ut
4gd(s ) m / s 3
自由沉降速度公式
3.3 沉降分离
2.阻力系数 的计算
因次分析 f(, Re) d u
Re s t
٭球形度
3.3 沉降分离
④ Ret>2105 阻力系数骤然下降 层流边界层湍流边界层 分离点后移，尾流区收缩，形体阻力突然下降
Ret (3 ~ 10) 105 近似取=0.1
3.3 沉降分离
➢自由沉降速度的公式不适用于非常微细颗粒（如d <0.5μm ) 的沉降计算，这是由于流体分子热运动 使得颗粒发生布朗运动。当Ret>10-4时，可不考虑布 朗运动的影响。
《化工原理》课件——第四章 沉降与过滤
非试差法：
摩擦数群法 无因次判据法
3.3 沉降分离
试差法：
假设 流型
选择 公式
计算
ut
验算
计算
Ret
3.3 沉降分离
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： 1.165kg m3
计算有效
3.3 沉降分离
(2)隔成10层：
若dc不变
utc不变
Vs ' blutc N
若流量不变
1
仍为层流沉降 dsc ' N dsc
d
' sc
7.97 105
1 2.52105 m 10
Vs’=10Vs
或 dsc '
18 utc ' (s )g
18 Vs 2.52105 m (s )g blN
离心沉降 作用力是惯性离心力
3.3 沉降分离
3.3.1 重力沉降 受地球吸引力的作用而发生的沉降。
3.3.1.1 沉降速度 假设：
①颗粒为球形； ②颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰 ③容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略 ④颗粒直径不能小到受流体分子运动的影响
3.3 沉降分离
1.球形颗粒的自由沉降：
受力分析
da
di G
di
或da
1 xi
di
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
3.2.2 颗粒床层的特性
3.2.2.1 床层空隙率 固定床：众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒层。
床层体积 颗粒体积 床层体积
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
• 3.2.2.2 床层的比表面积 • 单位床层体积具有的颗粒表面积称为床层的比表面积。若忽略颗粒之间接触面积的影响
Vp
6
de3,
Sp
d e 2 s
ap
6
sde
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
3.2.1.2 颗粒群的特性
1、粒度分布 不同粒径范围内所含粒子的个数或质量即粒径分布。 标准筛: 泰勒制，日本制，德国制及原苏联制等。
我 国用泰勒制。
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
2、 颗粒的平均粒径
平均比表面积直径
1 1 Gi xi
3.3 沉降分离
②对设备而言，生产能力 Vs 只与沉降面积 bL 和
最小颗粒的沉降速度 utc有关，与H无关。 所以设计降尘室时，应作成扁平形。 ③气体在降尘室的流速u 不宜过高，
一般应保证处于层流区
dsc
18 ut c (s )g
18 V s
( )gbL s
3.3 沉降分离
5.多层降尘室：
3.3 沉降分离
(3)由以上计算知，粒径为40μm的颗粒必定在 滞流区
ut
d2(s )g 18
(40106 )2 (3000 0.75) 9.81 18 0.026103
0.1006m/
s
气体在降尘室的停留时间 H 2 5s
utc 0.4
3.3 沉降分离
40um的颗粒在5s内的沉降高度
小结
▪雷诺数公式
d u
Re s t
▪层流区—Stokes定律区 104 Re 1
24
d2( )g
u
s
Re
t
18
3.3 沉降分离
3.3.1.2 重力沉降分离设备
◇气体沉降设备 利用重力沉降除去气流中颗粒的设备。 ◇液体沉降设备 用于浓缩、澄清
沉降槽： 间歇式沉降槽又分为多单层层沉沉降降槽槽
单层
Vs
u Vs Hb
ut
N层 Vs ' Vs N
Vs u' N u
bH N
ut' ut
3.3 沉降分离
单层
L
u
t
H ut
V u s
t c bL
N层
' L
u'
t '
H N
ut '
t
N
V
u '
s
N
u tc
tc bL N
d sc
dsc '
18 utc' (s )g
18 utc (s )g N
开始发生边界层分离
颗粒后部形成旋涡——尾流 尾流区压强低形体阻力增大
18.5
Re
0.6 t
ut 0.27
gd
s
Re
0.6 t
3.3 沉降分离
③湍流区(牛顿区) 1000 Ret 200000
形体阻力占主导地位，表面摩擦阻力可以忽略
阻力u2 阻力系数与Ret无关
0.44
ut 1.74
gd s
设为层流，则：
1.86 105 Pa s
ut
d2(s )g 18
(40106 )2 9.81 (2600 1.165) 18 1.86 105
0.12m s
校核： Re dut 0.3 1 (正确)
3.3 沉降分离
4.影响沉降速度的因素
▪流体的粘度、密度 ▪颗粒的体积浓度 ▪器壁效应 ▪颗粒形状的影响 ▪颗粒的最小尺寸
降尘室应隔成多少层？
解:(1) V bLu
s
tc
4
u V
tc
s
(bL)
0.4 m s
25
3.3 沉降分离
设为层流沉降：
utc
d
2 c
(
s
)g
18
dc
18utc (s )g
18 0.026103 0.4 (3000 0.75) 9.81
7.97105 m
校核
du
Re c tc 0.92 1
机械
分离
沉 降 方 法
分 离 离 重 心 力 沉 沉 降 降
重 力 过 滤
过 滤 真 加 空 压
过滤 过滤
离 心 过 滤
3.1 概述
3.1.3 机械分离方法的推动力
重力沉降推动力:以重力为主, 速度慢 离心沉降推动力:以惯性离心力为主,还有重力, 速度快 过滤推动力:以压力差为主, 还包括重力, 惯性离心力
体积当量直径de de
3
6Vp
表面积当量直径des de s
Sp
比表面积当量直径dea 形状系数
dea
6 ap
形状系数表征颗粒的形状与球形的差异程度
s
S Sp
球形颗粒，
值
s
=1，颗粒形状与球形差别愈大，s
愈低。
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
非球形颗粒通常以体积当量直径和形 状系数来表征颗粒的体积、表面积和比表面积。
重力：Fg
π 6
d 3s g
s
颗流
浮力：Fb
π 6
d 3 ρg
粒 体
密
密
阻力：Fd
(π d2)
4
ρu2 2
度
度
《化工原理》课件——第四章 沉降与过滤
3.3 沉降分离
Fg Fb Fd ma
①刚开始沉降： u 0
Fg Fb 不变
a最大
Fd 0
②开始沉降
u
Fd
Fg Fb Fd a
（1 ）先除尘后预热；（2） 先预热后除尘。
3.3 沉降分离
解：（1）查表可知，μ=18.1×10-6 Pa·s ρ=1.20kg/m
3
体积流量 Vs 2.50 2.08m3 / s 1.20
Vs
bLNutc
utc
Vs NbL
2.08 130
0.016m /
s
3.3 沉降分离
假定颗粒沉降处于斯托克斯定律区，则
➢沉降速度关系式适用于颗粒与流体在重力方向上的 相对运动的计算。例如: 颗粒密度大于流体密度的 沉降操作；颗粒密度小于流体密度的颗粒浮升运动 ；在静止流体中颗粒的沉降，流体相对于静止颗粒 的运动；颗粒与流体逆向运动的情况；颗粒与流体 同向运动但具有不同的相对速度的计算。
3.3 沉降分离
3.ut的计算：
内容纲要
• 3.1 概述 • 3.2 颗粒及颗粒床层的特性 • 3.3 沉降分离 • 3.4 过滤
3.1 概述
• 3.1.1 混合物分类
溶液：精馏、萃取 均相混合物
混合气体：吸收、吸附
混合物
含雾气体
气态非均相
非均相
含尘气体
混合物
悬浮液
物系内部存在相界面且界 面两侧的物理性质完全不 同。
液态非均相 乳浊液 气泡液
dc
校核
18utc
3.3 沉降分离
u增加至一定值时 Fg Fb Fd a＝0 匀速沉降
u ut 自由沉降速度
1 6
d
3
s
g
1 d 3g
6
1 4
d
2
ut2
2
ut
4gd(s ) m / s 3
自由沉降速度公式
3.3 沉降分离
2.阻力系数 的计算
因次分析 f(, Re) d u
Re s t
٭球形度
3.3 沉降分离
④ Ret>2105 阻力系数骤然下降 层流边界层湍流边界层 分离点后移，尾流区收缩，形体阻力突然下降
Ret (3 ~ 10) 105 近似取=0.1
3.3 沉降分离
➢自由沉降速度的公式不适用于非常微细颗粒（如d <0.5μm ) 的沉降计算，这是由于流体分子热运动 使得颗粒发生布朗运动。当Ret>10-4时，可不考虑布 朗运动的影响。
《化工原理》课件——第四章 沉降与过滤