化工原理非均相物质分离
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化工原理-3非均相物系的分离
滞流离心沉降
02
离心分离因数 ： Kc=(uT2/R)/g Kc值是反映离心分离设备性能的重要指标，一般远大于1，高速离心机K值可达十万以上。
（二）离心沉降设备:旋风分离器 (cyclone separator) 1.结构及工作原理 标准型旋风分离器结构如图。
h =D/2 D1=D/2 B = D/4 H1=2D H2=2D S =D/8 D2=D/4
Newton 公式：
Stokes 公式：
沉降速度的其它影响因素
颗粒浓度：颗粒体积浓度较大时，发生干扰沉降，沉降较慢。
器壁效应：容器壁面、底面处阻力↑→ut↓。
颗粒形状：对非球形颗粒，用到当量直径de，阻力系数与球形度（形状系数）φs 有关,比球形颗粒大，ut减小 。
*
P145 图3-2
01
不同球形度
*
可见，分离条件与沉降面积有关，而与降尘室的高度无关。所以降尘室可设计成扁平形状，或在室内设置多层水平隔板，构成多层降尘室。
颗粒能从气流中分离出来的条件是: θt≤θ 即 VS ≤blut （降尘室的基本公式） VS＝blut所对应的ut为理论上能完全(100%)分离下来的最小颗粒的沉降速度.
单个颗粒
一、颗粒的特性
比表面积a （单位体积颗粒所具有的表面积） a=(πd2)/(πd3/6)=6/d （与颗粒直径成反比）
（1）球形颗粒：直径d
体积当量直径de:与颗粒体积相等的圆球的直径,即令
（2）非球形颗粒
贰
壹
叁
②球形度（或形状系数）φs：反映颗粒形状与球形的差异程度。 φs＝S/Sp
离心沉降:当流体带着颗粒旋转时，若颗粒的密度大于流体的，则颗粒在惯性离心力作用下在径向与流体发生相对运动飞离中心。
02
离心分离因数 ： Kc=(uT2/R)/g Kc值是反映离心分离设备性能的重要指标，一般远大于1，高速离心机K值可达十万以上。
（二）离心沉降设备:旋风分离器 (cyclone separator) 1.结构及工作原理 标准型旋风分离器结构如图。
h =D/2 D1=D/2 B = D/4 H1=2D H2=2D S =D/8 D2=D/4
Newton 公式：
Stokes 公式：
沉降速度的其它影响因素
颗粒浓度：颗粒体积浓度较大时，发生干扰沉降，沉降较慢。
器壁效应：容器壁面、底面处阻力↑→ut↓。
颗粒形状：对非球形颗粒，用到当量直径de，阻力系数与球形度（形状系数）φs 有关,比球形颗粒大，ut减小 。
*
P145 图3-2
01
不同球形度
*
可见，分离条件与沉降面积有关，而与降尘室的高度无关。所以降尘室可设计成扁平形状，或在室内设置多层水平隔板，构成多层降尘室。
颗粒能从气流中分离出来的条件是: θt≤θ 即 VS ≤blut （降尘室的基本公式） VS＝blut所对应的ut为理论上能完全(100%)分离下来的最小颗粒的沉降速度.
单个颗粒
一、颗粒的特性
比表面积a （单位体积颗粒所具有的表面积） a=(πd2)/(πd3/6)=6/d （与颗粒直径成反比）
（1）球形颗粒：直径d
体积当量直径de:与颗粒体积相等的圆球的直径,即令
（2）非球形颗粒
贰
壹
叁
②球形度（或形状系数）φs：反映颗粒形状与球形的差异程度。 φs＝S/Sp
离心沉降:当流体带着颗粒旋转时，若颗粒的密度大于流体的，则颗粒在惯性离心力作用下在径向与流体发生相对运动飞离中心。
《化工原理》四章 非均相物系的分离
第二节 过滤
（a）滤饼过滤 （b）架桥现象 图4-1饼层过滤示意图
图4-2 深层过滤
第二节 过滤
(2)深层过滤 如图4-2所示，过滤介质是较厚的粒状 介质的床层,过滤时悬浮液中的颗粒沉积在床层内部的孔 道壁面上,而不形成滤饼。深层过滤适用于生产量大而悬 浮颗粒粒径小、固含量低或是粘软的絮状物。如自来水厂 的饮水净化、合成纤维纺丝液中除去固体物质、中药生产 中药液的澄清过滤等。 另外，膜过滤作为一种精密分离技术，近年来发展很 快，已应用于许多行业。膜过滤是利用膜孔隙的选择透过 性进行两相分离的技术。以膜两侧的流体压差为推动力， 使溶剂、无机离子、小分子等透过膜，而截留微粒及大分 子。 工业生产中悬浮液固相含量一般较高(体积分数大于 1%),因此本节重点讨论滤饼过滤。
第二节 过滤
4.滤饼的压缩性和助滤剂 (1)滤饼的压缩性 若构成滤饼的颗粒是不易变 形的坚硬固体颗粒,则当滤饼两侧压力差增大时, 颗粒形状和颗粒间空隙不发生明显变化,这类滤饼 称为不可压缩滤饼；有的悬浮颗粒比较软，所形 成的滤饼受压容易变形,当滤饼两侧压力差增大时, 颗粒的形状和颗粒间的空隙有明显改变,这类滤饼 称为可压缩滤饼。滤饼的压缩性对过滤效率及滤 材的可使用时间影响很大,是设计过滤工艺和选择 过滤介质的依据。
一、过滤的基本概念
1． 过滤及过滤推动力 过滤是以某种多孔物质作为介质来处理悬浮液的单元 操作。在外力的作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道 而固体颗粒被截留下来，从而实现非均相物系的固、液分 离。
第二节 过滤
过滤推动力是过滤介质两侧的压力差。压力差产生的 方式有滤液自身重力、离心力和外加压力,过滤设备中常 采用后两种方式产生的压力差作为过滤操作的推动力。 用沉降法（重力、离心力）处理悬浮液，往往需要较 长时间，而且沉渣中液体含量较多，而过滤操作可使悬浮 液得到迅速的分离，滤渣中的液体含量也较低。当被处理 的悬浮液含固体颗粒较少时，应先在增稠器中进行沉降， 然后将沉渣送至过滤机。在某些场合过滤是沉降的后续操 作。
化工原理教案03非均相物系的分离
第三章 非均相物系的分离第一节 概 述一、 化工生产中常遇到的混合物可分为两大类：第一类是均相物系—如混合气体、溶液，特征：物系内各处性质相同，无分界面。
须用吸收、蒸馏等方法分离。
第二类是非均相体系— 1．液态非均相物系固体颗粒与液体构成的悬浮液； 不互溶液体构成的乳浊液；2．气态非均相物系固体颗粒（或液体雾滴）与气体构成的含尘气体（或含雾气体）； 气泡与液体所组成的泡沫液等。
特征：物系内有相间的界面，界面两侧的物性截然不同。
（1）分散相：往往是液滴、雾滴、气泡，固体颗粒，µm 。
（2）连续相：连续相若为气体，则为气相非均相物系。
连续相若为液体，则为液相非均相物系。
二、 非均相物系分离的目的：1）净制参与工艺过程的原料气或原料液。
2）回收母液中的固体成品或半成品。
3）分离生产中的废气和废液中所含的有害物质。
4）回收烟道气中的固体燃料及回收反应气中的固体触媒等。
总之：以满足工艺要求，提高产品质量，改善劳动条件，保护环境，节约能源及提高经济效益。
常用分离方法：1）重力沉降：微粒借本身的重力在介质中沉降而获得分离。
2）离心分离：利用微粒所受离心力的作用将其从介质中分离。
亦称离心沉降。
此法适用于较细的微粒悬浮体系。
3）过滤：使悬浮体系通过过滤介质，将微粒截留在过滤介质上而获得分离。
4）湿法净制：使气相中含有的微粒与水充分接触而将微粒除去。
5）电除尘：使悬浮在气相中的微粒在高压电场内沉降。
本章主要讨论：利用机械方法分离非均相物系，按其涉及的流动方式不同，可大致分为沉降和过滤两种操作方式。
三、 颗粒和流体相对运动时所受到的阻力 流体以一定的速度绕过静止颗粒时或者固体颗粒在静止流体中移动时 流体对颗粒的作用力——ye 力F d22u AF d ρξ= [N]式中，A —颗粒在运动方向上的投影，πd p 2u —相对运动速度ξ—阻力系数， ξ=Φ（Re ）=Φ（d p u ρ/μ）层流区：Re <2， ξ=24/Re ──Stokes 区过渡区：Re=2—500， Re 10=ξ ──Allen 区 湍流区：Re=500--2⨯105， ξ≌0.44 ──Newton 区第二节 重力沉降一、球形颗粒的自由沉降自由沉降──对于单一颗粒在流体中的沉降或者颗粒群充分地分散、颗粒间互不影响，不致引起相互碰撞的沉降过程。
化工原理-3章非均相混合物的分离解读
膜过滤
Kitagawa. S. J. Am. Chem. Soc, 2007, 129, 2607.
调控 宏观 微观
工业生产中悬浮液固相含量一般较高(体积分数大于1%), 因此本节重点讨论滤饼过滤。
三、过滤介质
过滤介质：多孔性介质
其作用：a.截留颗粒，使滤液通过
b.支撑滤饼 过滤介质应具有下列条件： a）多孔性，孔道适当的小，并减少流体的阻力，又能 截住要分离的颗粒。 b)物理化学性质稳定，耐热，耐化学腐蚀。 c)足够的机械强度，使用寿命长。 d) 价格便宜。
间歇式、半连续式和连续式三种。
沉降槽有澄清液体和增稠悬浮液的双重作用功能，与降尘室类似，沉 降槽的生产能力与高度无关，只与底面积及颗粒的沉降速度有关，故 沉降槽一般均制造成大截面、低高度。
大的沉降槽直径可达10～100m、深2.5～4m。它一般 用于大流量、低浓度悬浮液的处理。沉降槽处理后 的沉渣中还含有大约50%的液体，必要时再用过滤机 等作进一步处理。
9.797 10 3 m / s
计算Ret，核算流型：
dsut 95106 9.797103 998.2 Re 0.9244 1 1.00510 3
假设正确，计算有效。
3.2.2 重力沉降设备
(1)降尘室
利用重力沉降的作用从含尘 气体中除去固体颗粒的设备。
实验用离心机
油脂离心机
第四节
过滤
3.4.1 过滤的基本概念
一、过滤及过滤推动力
过滤：利用能让液体通过而截留固体颗 粒的多孔介质（过滤介质），使悬浮液 中固液得到分离的单元操作。 名词：过滤介质；混悬液（滤浆）；滤渣(饼)；滤液 悬浮液 沉降法 哪种处理方法好？
絮凝剂
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
《化工原理》第3章 非均相物系的分离
图3-14 外滤式转筒真空过滤机操作简图
20
第3章 非均相物系的分离
图3-15表示分配头的结构。此分配头由一随转鼓转动的 转动盘和一固定盘所组成。
1.转动盘 2.固定盘 3.与真空管路相通的孔隙 4.与洗涤液贮槽相通的孔隙 5、6.与压缩空气管路相通的孔隙 7.转动盘上的小孔 图3-15 分配头
21
图3-17 气体在旋风分离器中的运动情况
25
第3章 非均相物系的分离
2.旋液分离器 旋液分离器是一种利用 离心力的作用分离悬浮液的 设备。其结构和原理和旋风 分离器相似。如图3-18所示， 设备主体是由圆筒和圆锥两 部分构成。
1.悬浮液入口管 2.圆筒 3.锥形筒 4.底流出口 5.中心溢流管 6.溢流出口管 图3-18 旋液分离器
我们从过滤速率式出发，求出过滤的推动力和阻力，然后 对上式进行积分即可得到滤液量V与过滤时间τ之间的关 系，即过滤基本方程式。
13
第3章 非均相物系的分离
2.恒压过滤方程式 过滤操作可以在恒压、恒速，先恒速后恒压等不同条件 下进行，其中恒压过滤是最常见的过滤方式。连续过滤机上 进行的过滤都是恒压过滤，间歇过滤机上进行的过滤也多为 恒压过滤，因此，我们重点讨论恒压过滤方程式。 恒压过滤时滤液体积与 过滤时间的关系为一抛物线 方程，如图3-8所示。
第3章 非均相物系的分离
3.1 概述 3.2 重力沉降 3.3 过滤 3.4 离心分离
第3章 非均相物系的分离
3.1 概述
在化工生产中，经常遇到混合物的分离过程。混合物可 分为两大类，即均相混合物（或均相物系）和非均相混合物 （或非均相物系）。 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（或均相物系）。如溶液及混合气体都属于均相物系。 均相物系的分离可采用蒸发、精馏、吸收等方法。若物系内 有相界面存在且界面两侧的物质的性质截然不同，这类物系 称为非均相混合物（或非均相物系）。如含尘气体和含雾气 体属于气态非均相物系；悬浮液、乳浊液、泡沫液等属于液 态非均相物系。
20
第3章 非均相物系的分离
图3-15表示分配头的结构。此分配头由一随转鼓转动的 转动盘和一固定盘所组成。
1.转动盘 2.固定盘 3.与真空管路相通的孔隙 4.与洗涤液贮槽相通的孔隙 5、6.与压缩空气管路相通的孔隙 7.转动盘上的小孔 图3-15 分配头
21
图3-17 气体在旋风分离器中的运动情况
25
第3章 非均相物系的分离
2.旋液分离器 旋液分离器是一种利用 离心力的作用分离悬浮液的 设备。其结构和原理和旋风 分离器相似。如图3-18所示， 设备主体是由圆筒和圆锥两 部分构成。
1.悬浮液入口管 2.圆筒 3.锥形筒 4.底流出口 5.中心溢流管 6.溢流出口管 图3-18 旋液分离器
我们从过滤速率式出发，求出过滤的推动力和阻力，然后 对上式进行积分即可得到滤液量V与过滤时间τ之间的关 系，即过滤基本方程式。
13
第3章 非均相物系的分离
2.恒压过滤方程式 过滤操作可以在恒压、恒速，先恒速后恒压等不同条件 下进行，其中恒压过滤是最常见的过滤方式。连续过滤机上 进行的过滤都是恒压过滤，间歇过滤机上进行的过滤也多为 恒压过滤，因此，我们重点讨论恒压过滤方程式。 恒压过滤时滤液体积与 过滤时间的关系为一抛物线 方程，如图3-8所示。
第3章 非均相物系的分离
3.1 概述 3.2 重力沉降 3.3 过滤 3.4 离心分离
第3章 非均相物系的分离
3.1 概述
在化工生产中，经常遇到混合物的分离过程。混合物可 分为两大类，即均相混合物（或均相物系）和非均相混合物 （或非均相物系）。 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（或均相物系）。如溶液及混合气体都属于均相物系。 均相物系的分离可采用蒸发、精馏、吸收等方法。若物系内 有相界面存在且界面两侧的物质的性质截然不同，这类物系 称为非均相混合物（或非均相物系）。如含尘气体和含雾气 体属于气态非均相物系；悬浮液、乳浊液、泡沫液等属于液 态非均相物系。
化工原理 非均相物系的分离
de,V
(6V )3
(6de2,V/a)1/3(6de2,V)1/3 a
因此d， e,V
6 a
② 等比表面积当量直径 de,a 与非球形颗粒比表面积相等的球形颗粒的直径
aas
As V
ds2 6ds3
6/ds
de,a
因此 de,a， 6/a
比较d： e,V
6 a
得d： e,Vde,a/
de,a de,V
解出： d2.1 31 0 4m R e0d 0 u2.1 0 3 .1 8 4 0 9 0 1 3 .0 3 0 7 1 99 2 7 .37
重设正确
3、非球形颗粒的沉降速度
同样条件下 非球球
因此： u0,非球 u0,球
处理方法：可先假定为颗粒球形，然后校正。 4、不均匀颗粒的沉降速度 粒径不同时，大颗粒沉降速度快，小颗粒沉降速度慢。
的常压空气中的自由沉降速度。已知 20℃，常压状态下空气密度为 1.205 kg/m3，黏度为 1.81×10-5Pa·s。 解：（1）试差法
假设颗粒的沉降处于层流区，并且由于 P ?>> ，所以由式
（6.2.6）得：
ut
P
gd
2 P
18
2700 9.81 40106 18 1.81105
2
0.13 m/s
Fg
颗粒受力分析
颗粒做匀速运动， 合力为：
F6d3sg6d3gu 20 2d42
m a0
球形颗粒的自由沉降速度
u0
4gds
3
通过实验得到阻力系数与雷诺数的关系绘成算 图，将他们回归成关联式为：
① 层流区（Stokes区，Re0< 2或0.3）
化工原理 第三章 非均相物系的分离
集尘斗
降尘室
含尘气体
净化气体
ut
u
降尘室工作原理:
H 沉降时间： t ut L 停留时间： u
分离条件：
L H t u ut
——降尘室使颗粒沉降条件
降尘室的生产能力:
L H u ut
u Vs
HbL H Vs ut ( Hb)
Vs bLut
沉降分离：借助某种外力的作用，利用分散物质与 分散介质的密度差异使之发生相对运动而分离的 过程。
沉降方式:
重力沉降
作用力是重力
离心沉降
作用力是惯性离心力
一、重力沉降速度
1.球形颗粒的自由沉降： 受力分析
π 3 重力：Fg d s g 6 π 3 浮力：Fb d ρg 6
Fb
Fg
s
3）影响沉降速度的因素(以层流区为例)
1) 颗粒直径d:
水净化，加入絮凝剂（明矾）。
d 2 (s )g ut 18
啤酒生产，采用絮状酵母，d↑→ut↑，易于分离和澄清。
2) 连续相的粘度：
加酶：清饮料中添加果胶酶，使 ↓→ut↑，易于分离。 增稠：浓饮料中添加增稠剂，使 ↑→ut↓，不易分层。
已知ut 求d
ut3 2 令K' (s ) g 滞流区：Re t dut
18ut3 2 18 K ' 1 (s ) g ut3 2 K' 1000 2 2 1.74 ( s ) g 1.74
K ' 0.0556 湍流区：Re t dut
第二节颗粒及颗粒床层的特性
一、颗粒的特性（形状，体积和表面积） 1、单一颗粒特性 （1）球形颗粒
化工原理14.非均相物系的分离-沉降
6 d s g
3
6
d g
3
u0 d 2
2
0
2
4d s g 3
4
u0
◆
影响沉降速度的因素 ① 颗粒直径
d s ，则 u t
其它条件相同时，小颗粒后沉降。
② 流体密度
，则 u t
其它条件相同时，颗粒在空气较在水中易沉降。
③ 颗粒密度
非球形颗粒：常用颗粒的当量直径和球形度表示其特性。 2.非球形颗粒-形状的描述 ① 颗粒的球形度φ
球形颗粒 非球形颗粒
球形度
与颗粒等体积的球形颗 颗粒的表面积
粒的表面积
公式表示：
As A
1
表明：颗粒形状接近于球形的程度； φ ↑，则颗粒越接近于球形。
球形颗粒： 1
(2) 描述颗粒大小
混合颗粒的特性参数
(1) 颗粒的筛分尺寸
标准筛：有不同的系列，常用泰勒标准筛。
筛号(目数)：每英寸长度筛网上的筛孔数目； 筛过量：通过筛孔的颗粒量； 筛余量：截留于筛面上的颗粒量。
颗粒的筛分尺寸
算术平均：
几何平均：
d pi
d pi
d i 1 d i 2
d i 1 d i
di-1 di
1.3 颗粒群的特性
(1).粒度分布 按颗粒尺寸对颗粒群进行排列划分的结果称为粒度分 布。根据颗粒大小的范围不同，采用不同的方法测量 颗粒群的粒度分布，对工业上常见的尺寸大于40μm的 颗粒群，一般采用标准筛进行测量，称为筛分。 a.筛分：标准筛由一系列筛孔大小不同的筛组成，筛 的筛网由金属丝网制成，筛孔呈正方形。一套标准筛 的各个筛的网孔大小按标准规定制成，通用的是泰勒 (Tyler)标准筛系列。 筛网上每英寸长度上的孔数作为筛号，也称为目，且每个筛 的筛网金属丝的直径也有规定，因此一定目数的筛孔尺寸一 定。如100号筛，1英寸长有筛孔100个，它的筛网的金属丝 直径规定为0.0042in，故筛孔的净宽度为：(1/1000.0042)=0.0058in=0.147mm，因而筛号愈大，筛孔愈小，相 邻筛号的筛孔尺寸之比为20.5(即筛孔面积按2的倍数递增)。
化工原理课件非均相物系分离全优秀课件
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。实际计算时非球形颗粒的大小可用当量直径表示。
④ 颗粒大小的影响 颗粒直径＜0.5um时，沉降受到流体分子布朗运动的影响。
3.3.2 1、降尘室
H L ut u
工作原理 气体入室 流道面积扩大
减速
颗粒的沉降运动 & 随气体运动，合速度：抛物线
（3）能(100%)被除去的最小颗粒直径
ut
gdm 2 insVs
18
A0
最低沉降速度~能被分离的最小粒径
dm in
18 Vs
gs A0
（4）最大处理量（生产能力）
Vmax≤ut·Lb = utA0
①Vmax为某一粒径能100%被去除的最大处理量，即沉
降速度ut应按需要完全分离下来的最小颗粒计算；
自由沉降: 颗粒在流体中沉降时，不受其它颗 粒或器壁的影响。
干扰沉降 以下讨论自由沉降过程。
2、球形颗粒的自由沉降速度
设直径为dp、密度为ρp的光滑球形颗粒在 密度为ρ，粘度为μ的静止流体中作自由沉
降。颗粒受力：
Fd
重力 Fg mg6dp3pg
Fb
浮力
Fb
6
dp3g
阻力
Fd
Ap
u2
2
d4p22u2
化工原理课件非均 相物系分离全
3.1 概述
3.1.1 混合物的分类
均相混合物 （均相物系）
混合物
物系内部各处组成均匀且 不存在相界面
例如：溶液及混合气体
物系内部有隔开两相的界 非均相混合物 面存在且界面两侧的物料 （非均相物系） 性质截然不同
例如：含尘气体、悬浮液等
④ 颗粒大小的影响 颗粒直径＜0.5um时，沉降受到流体分子布朗运动的影响。
3.3.2 1、降尘室
H L ut u
工作原理 气体入室 流道面积扩大
减速
颗粒的沉降运动 & 随气体运动，合速度：抛物线
（3）能(100%)被除去的最小颗粒直径
ut
gdm 2 insVs
18
A0
最低沉降速度~能被分离的最小粒径
dm in
18 Vs
gs A0
（4）最大处理量（生产能力）
Vmax≤ut·Lb = utA0
①Vmax为某一粒径能100%被去除的最大处理量，即沉
降速度ut应按需要完全分离下来的最小颗粒计算；
自由沉降: 颗粒在流体中沉降时，不受其它颗 粒或器壁的影响。
干扰沉降 以下讨论自由沉降过程。
2、球形颗粒的自由沉降速度
设直径为dp、密度为ρp的光滑球形颗粒在 密度为ρ，粘度为μ的静止流体中作自由沉
降。颗粒受力：
Fd
重力 Fg mg6dp3pg
Fb
浮力
Fb
6
dp3g
阻力
Fd
Ap
u2
2
d4p22u2
化工原理课件非均 相物系分离全
3.1 概述
3.1.1 混合物的分类
均相混合物 （均相物系）
混合物
物系内部各处组成均匀且 不存在相界面
例如：溶液及混合气体
物系内部有隔开两相的界 非均相混合物 面存在且界面两侧的物料 （非均相物系） 性质截然不同
例如：含尘气体、悬浮液等
化工原理课件非均相物系分离
吸附热
物理吸附过程中放出的热量较小，接近于相应 气体的液化热。
可逆性
物理吸附在一定条件下是可逆的，即被吸附的物质在一定条件下可以解吸。
化学吸附
吸附热
化学吸附过程中放出的热量较大，接近于化 学反应热。
吸附力
化学吸附涉及电子的转移或共有，形成化学 键。
不可逆性
化学吸附通常是不可逆的，需要特定的条件 才能解吸。
06
其他分离方法
电泳分离
电泳分离原理
利用物质在电场作用下的电泳行为差异进行分离。
电泳设备
主要包括电泳槽、电极、电源和检测系统等。
电泳分离应用
广泛应用于生物大分子如蛋白质、核酸的分离纯化，也可用于小 分子和离子的分离。
膜分离技术
膜分离原理
利用膜的选择透过性，使混合物中的不同组分在 膜两侧产生浓度差，从而实现分离。
05
吸附分离
吸附分离原理
吸附作用
利用吸附剂对混合物中各组分的选择性吸附作用，使 混合物得以分离。
吸附平衡
在一定温度和压力下，混合物中的各组分在吸附剂上 的吸附量达到平衡。
吸附等温线
描述在一定温度下，吸附量与混合物组成之间的关系 曲线。
物理吸附
吸附力
物理吸附主要依靠分子间作用力（范德华力） 进行吸附。
化工原理课件非均相物系分离
汇报人：XX
目录
• 非均相物系概述 • 沉降分离 • 过滤分离 • 萃取分离 • 吸附分离 • 其他分离方法
01
非均相物系概述
定义与分类
定义
非均相物系是指物系内部存在两种或 两种以上不同相态的物质，且这些物 质之间具有明显的界面。
分类
根据相态的不同，非均相物系可分为 液-固、气-固、气-液等类型。
化工原理非均相物系分离
m
Fb
m 离心力： Fb r 2 1 2 Fd A u 3、曳力： 2
s
g
Fd
s
F
2.2.1 颗粒在流体中的沉降过程
曳力(Drag)—表面曳力和形体曳力 （补充内容） 流体沿固体壁面流过的阻力分为两类：表面阻力（即 表面摩擦阻力）和形体阻力（边界层分离产生旋涡）， 绕流时颗粒受到流体的总曳力 ，即：
103 Ret 2 105 湍流区 ， ，牛顿(Newton)定律区 ， 0.44
注意： Re t 定义与第1章不同，判别流型 Re 值亦不同！
2.2.2 重力沉降及设备
分散相颗粒在重力作用下与周围连续相流体
发生相对运动而实现分离的过程，称为重力沉
降（gravity settling）。
2.1 概述
均相混合物：不存在相界面
混合物 遵循流体力学基本规律进行分离 气态非均相物系 非均相混合物：存在相界面 机械分离方法 沉降分离 机械分离 重力沉降 液态非均相物系
离心沉降 重力过滤 过滤 离心过滤 加压过滤和真空过滤
2.1 概述
2.1.1非均相物系分离在工业中的应用
（1）回收分散相
（2）净化连续相
2.2.2 重力沉降及设备
室大：降尘室的容积一般较大，气体在其中
的流速<1m/s。避免沉下的尘粒重新被扬起，往
往采用更低的气速。
锥形出口：为使气流均匀分布 分离条件：
t
2.2.2 重力沉降及设备
过程数学描述 降尘室：底面积A=lb，高 为h。 含尘气：在流动载面上均 匀分布，qv m3/s
前提：
s
1、重力沉降速度 概念：是指颗粒相对于周围流体的沉降运动速 度。
化工原理1非均相混合物的分离
ut
95 10 3000 998.2 9.81
6 2
18 1.005 10 3
9.797 10 3 m / s
核算流型
6 3 95 10 9 . 797 10 998.2 Re t 0.9244＜1 3 1.005 10
29
二、重力沉降设备
气流水平通过 降尘室速度
图3-4 降尘室示意图
沉降速度
30
二、重力沉降设备
H t ut
气体通过降尘室的时间为
降尘室高 沉降速度
位于降尘室最高点的颗粒沉降到室底所需的时间为
l u
降尘室长 气流水平通过 降尘室速度
欲使颗粒被分离出来，则 l H t 或
u
ut
1
3.3.2 离心沉降
离心沉降： 依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程 适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。 惯性离心力场与重力场的区别
重力场 力场强度 方向 重力加速度g 指向地心 离心力场 uT2/R （可变）
沿旋转半径从中心指向外周
作用力
Fg=mg
uT FC m R
2
1、离心沉降速度ur
uT Kc 102 gR
一般离心设备 Kc 在 5～2500 之间，高速离心机 Kc 可 达几万～数十万。
二、离心沉降设备
1. 旋风分离 器 （1）旋风分 离器的结构 与操作原理
5
二、离心沉降设备
（2）旋风分离器的性能 ①临界粒径 9 B dc Nesui
旋风分离器的 进气口宽度
31
二、重力沉降设备
根据降尘室的生产能力，气体在降尘室内的水平通 过速度为
化工原理09-非均相
恒压过滤方程
V2+2VVe=KA2 q2+2qqe=K
33
4、过滤常数的测定：
方法之一： 方法之二：将衡压过滤方程微分得： 2（q+qe）dq=Kd
2 qe d 2 q dq K K 2 2 导数用增量代替： q qe q K K
为一直线方程，表明：在恒压过滤下， ~ q是直线关系， q 直线的斜率2 / K , 截距2qe / K。
重力 浮力
6
d 3s g d 3 g
2 d 2 u0
6
阻力
沉降速度：
4
2
u0
4d ( s ) g 3
为粒子与流体相对运动的阻力系数(用量纲分析的方 法得到): ＝f〔Re0〕 Re0=du0/
5
6
层流区，Re0≤０.３(工程10－4< Re0 ≤ 2 ) =24/Re0 过渡区，2<Re0 ≤ 500 =18.5/Re00.6
机械分离与固体流态化
编制：廖杰
1
生产中常遇的混合物有两大类:
均相混合物：常用的分离方法吸收、蒸馏
非均相混合物：气态非均相物系 液态非均相物系 在非均相物系中，处于分散状态的物系相称为 分散相；包围分散介质的相称为连续相。
2
非均相物系的分离从工作原理上可分为：
筛分： 利用筛网孔径的大小，将不同粒径的颗粒混
离心沉降和重力沉 降的速度式比较: 二者的差异是产生沉降推动力的加速度不一样， 离心沉降为ut2/r，重力沉降为g。
22
旋风分离器：
23
• 分离性能估计： • 分离粒径： • 分离效率：
9B dc Nui s
(d / d c ) 2
化工原理 第三章 非均相物系的分离和固体流态化.
' 4.17 0.29
Reb
pf L
1 2 a2u
4.17
3
1 au2
0.29 3
6 a
sde
pf L
1 2 u 150 3 sde 2
1 u2
1.75
3 sde
Reb
3
pf L
1 2 u 150 3 sde 2
Reb
100
pf L
1 u2 1.75 3 sde
第三章 非均相物系分离和固体流态化
目的→基于流体 力学（颗粒与流 体间的相对运 动），掌握非均 相物系的机械分 离方法、过程计 算及其典型设备 的结构、特性和 选型。
非均相物系 概念
颗粒和颗粒床层特性
非均相物系的
沉降
分离和固体流 机械分离
态化
过滤
固体流态化
概念－非均相物系
1. 非均相物系 ① 非均相物系
均相混合物 （均相物系）
溶液与混合气体
混合物
分散物质 固体颗粒、液滴或气泡
非均相混合物 （分散相）
（非均相物系） 分散介质 气态非均相物系（含尘气体）
（连续相） 液态非均相物系（悬浮液）
概念－非均相物系
② 非均相物系的分离方法 沉降→颗粒相对于流体(静止或运动)运动而实现悬 浮物系分离，作用力是重力或离心力。
1/100 0.0042 0.0058 in或147 μm
概念－颗粒
② 颗粒群的平均粒径 颗粒群的平均粒径→常用平均比表面积直径，即Sauter直径。
k
da2
6
da3
ni di2
i 1
k i 1
ni
6
di3
xi K nisdi3
化工原理——非均相物系的分离习题及答案
化工原理——非均相物系的分离习题及答案第三章非均相物系的分离一、选择与填空1、在滞流区，颗粒的沉降速度与颗粒直径的＿＿次方成正比，在湍流区颗粒的沉降速度与颗粒直径的＿＿次方成正比。
2、在恒压过滤时，如介质阻力不计，过滤压差增大一倍时同一时刻所得滤液量__________。
A 增大至原来的2倍B 增大至原来的4倍C 增大至原来的2倍 D增大至原来的1.5倍3、过滤基本方程式是基于＿＿＿＿推导出来的。
A 滤液在介质中呈湍流流动B 滤液在滤渣中呈湍流流动C 滤液在介质中呈层流流动D 滤液在滤渣中呈层流流动4、颗粒的沉降速度不是指（）。
A等速运动段的颗粒降落的速度 B加速运动段任一时刻颗粒的降落速度C加速运动段结束时颗粒的降落速度 D净重力(重力减去浮力)与流体阻力平衡时颗粒的降落速度5、叶滤机洗涤速率与最终过滤速率的比值为（）。
A 1/2B 1/4C 1/3D 16、过滤介质阻力忽略不计，滤饼不可压缩进行恒速过滤，如滤液量增大一倍，则（）。
CA操作压差增大至原来的倍 B操作压差增大至原来的4倍C操作压差增大至原来的2倍 D操作压差保持不变7、在降尘室中除去某粒径的颗粒时，若降尘室高度增加一倍，则颗粒的沉降时间____，气流速度____，生产能力____。
8、沉降雷诺准数Ret越大，流体粘性对沉降速度的影响____。
9、一球形石英粒子在空气中作滞流自由沉降。
若空气温度由20℃提高至50℃，则其沉降速度将____。
10、含尘气体通过长4m、宽3m、高1m的降尘室，颗粒的沉降速度为0.03m/s，则降尘室的最大生产能力为____m3/s。
11、根据过滤基本方程式（说明提高过滤机生产能力的措施是（最少写出三条）____、____、____。
12、以下说法中正确的是（）A． B. C. D.13、在板框压滤机中，若过滤压力差增加一倍，则过滤速率变为原来的___倍，生产能力为___倍。
（过滤介质阻力忽略不计，滤饼不可压缩）14、恒压过滤某种悬浮液（介质阻力可忽略，滤饼不可压缩），已知10min单位过滤面积上得滤液0.1m3。
化工原理之三 非均相物系的分离
第三章：非均相物系的分离自然界里的大多数物质是混合物。
且大致可分为均相混合物和非均相混合物两大类。
由于非均相物系中的连续相和分散相具有不同的物理性质（如密度），故一般可用机械方法将它们分离。
要实现这种分离，必须使分散相和连续相之间发生相对运动，因此，非均相物系的分离操作遵循流体力学的基本规律。
按两相运动方式的不同，机械分离大致分为沉降和过滤两种操作。
分离非均相混合物的主要目的有：(1) 收集分散物质: 例如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都带有大量的固体颗粒，必须收取这些悬浮的颗粒作为产品；又如从催化反应器出来的气体中，往往夹带着催化剂颗粒，必须将这些有价值的颗粒加以回收，循环使用。
(2) 净化分散介质: 例如某些催化剂反应的原料气中若带有灰尘杂质会影响触媒的效能，为此，在气体进入反应器之前必须除净其中的灰尘，以保证触媒的活性。
(3) 环境保护: 近年来，各种工业污染成为国计民生中及待解决的严重问题，因此要求工厂对排出的废气，废液中的有害物质加以处理，时期浓度符合规定的标准，以保护环境。
非均相物系的分离操作在环境保护方面起到一定作用。
重力沉降降尘室籍重力沉降从气流中分离出尘粒的设备称为沉降室，最常见的降尘室如图所示。
含尘气体进入降尘室后，因流道截面积扩大而速度减慢，只要颗粒能够在气体通过的时间内降至室底，便可从气流中分离出来。
颗粒在降尘室的运动情况如图所示：令l-降尘室的长度，m;H-降尘室的高度，m；b-降尘室的宽度，m；u-气体在降尘室的水平通过速度，-降尘室的生产能力,；位于降尘室最高点的颗粒沉降至室底需要的时间为：气体通过降尘室内的水平通过速度为满足除尘要求，气体在降尘室内停留时间至少需要等于颗粒的沉降时间，即：或气体在降尘室内的水平通过速度为：将此式代入式上式并整理得：可见，理论上降尘室的生产能力只与沉降面积bl及颗粒的沉降速度有关，而与降尘室高度无关。
故降尘室应设计成扁平形，或在室内均匀设置多层水平隔板，构成多层降尘室，如图所示。
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旋风分离器是利用离心力作用净制气体的设备。
特点： ➢其结构简单，制造方便； ➢分离效率高； ➢可用于高温含尘气体的分离；
当非均相物系中的颗粒较多，颗粒之间相互距离较近时， 颗粒沉降会受到其它颗粒的影响，这种沉降称为干扰沉降。干 扰沉降速度比自由沉降的小。
• 悬浮速度
第二节 沉降
定义： 在某种力场的作用下，利用分散物质与分散介质的
密度差异，使之发生相对运动而分离的单元操作。
沉降力场：重力、离心力。
沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。
18
utc
(p )g
➢dpc与utc一定，沉降室的生1/产N 能力Vs只与与底面积
bl和 utc有关，而与H无关。故沉降室应做成扁平
形，或在室内均匀设置多层隔板。
➢气速u不能太大，以免干扰颗粒沉降，或把沉下 来的尘粒重新卷起。一般u不超过3m/s。
➢Vs一定， dpc与utc与bl有关，与H无关。
Fg
Fb
Fd
m du
d
du
(p
)g
3
u2
d
p
4d p p
上式表明：
➢ 随着颗粒向下沉降，u逐渐增大，du/d 逐渐减少。
➢ 当u增到一定数值ui时，du/d =0。颗粒开始作匀速沉降运动。 颗粒的沉降过程分为两个阶段：
➢加速阶段； ➢匀速阶段。
沉降速度（terminal velocity） ：也称为终端速度，匀速阶段颗
2 离心沉降速度
颗粒在离心力场中沉降时，在径向沉降方向上受力分析。
离心力Fc
6
d p3 p R 2
浮力Fb
6
d p3 R 2
阻力 Fd
d p 2
4
ur 2
特点： ➢其结构简单，制造方便； ➢分离效率高； ➢可用于高温含尘气体的分离；
当非均相物系中的颗粒较多，颗粒之间相互距离较近时， 颗粒沉降会受到其它颗粒的影响，这种沉降称为干扰沉降。干 扰沉降速度比自由沉降的小。
• 悬浮速度
第二节 沉降
定义： 在某种力场的作用下，利用分散物质与分散介质的
密度差异，使之发生相对运动而分离的单元操作。
沉降力场：重力、离心力。
沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。
18
utc
(p )g
➢dpc与utc一定，沉降室的生1/产N 能力Vs只与与底面积
bl和 utc有关，而与H无关。故沉降室应做成扁平
形，或在室内均匀设置多层隔板。
➢气速u不能太大，以免干扰颗粒沉降，或把沉下 来的尘粒重新卷起。一般u不超过3m/s。
➢Vs一定， dpc与utc与bl有关，与H无关。
Fg
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上式表明：
➢ 随着颗粒向下沉降，u逐渐增大，du/d 逐渐减少。
➢ 当u增到一定数值ui时，du/d =0。颗粒开始作匀速沉降运动。 颗粒的沉降过程分为两个阶段：
➢加速阶段； ➢匀速阶段。
沉降速度（terminal velocity） ：也称为终端速度，匀速阶段颗
2 离心沉降速度
颗粒在离心力场中沉降时，在径向沉降方向上受力分析。
离心力Fc
6
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浮力Fb
6
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阻力 Fd
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s 0.874
非球形颗粒
Vp = πde3/6 ［m3］ Sp = πde2/ φs ［m2］ ap = 6/deφs ［ m2/m3］
2.颗粒群的特性
非均一性粒子（多分散性粒子）-- 由大小不同的粒子组成的 集体。 单一性粒子（单分散性粒子）--具有同一粒径的颗粒。 （1）粒度分布
粒度分布---- 不同粒径范围内所含粒子的个数或质量. 筛分分析法: 泰勒标准筛. 筛过量: 通过筛孔的颗粒量. 筛余量: 截留于筛面上的颗粒量.
第3章 非均相物系的分离 3.1 概述
清水沉降池
什么叫沉降？什么是过滤？在我国广大西部农村，农民不仅喝不上矿泉水、自来水 ，连大河的水也喝不上。水中含有许多泥沙，只好澄清后，才可用作饮用水和生活用水
。泥沙在水中的澄清就是沉降。农民家里都有一个水缸，水缸就是一个沉降槽。
滤药渣
一般家庭里，吃中药是传统而有效的治病方法。熬完中药之后， 总要将药渣滤去，才可以喝。滤药渣，就是一个过滤操作。这就 是我们生活中的沉降和过滤。
自来水厂沉降池
这是沉降池。图为絮凝之后的水，是从沉降池底部流入，到池子上 部水已很清了。
1.混合物的分类
均相物系（空气，N2、H2、O2…；）（下册讨论）
混合物
气态非均相物系 空气+尘土
非均相物系
液态非均相物系 水+尘土
分散相（分散物质）：处于分散状态的物质。
连续相（分散介质）：包围着分散物质而处于连续状态的流体。
xi- - di粒径段内颗粒的质量分数；
da- - 平均比表面积直径，m 。
3.2.2 颗粒床层的特性
1.床层空隙率: 单位体积床层中的空隙体积
空隙体积 床层体积
床层体积 颗粒体积 床层体积
m3 / m3
（颗粒大小、形状、粒度分布、充填方式等）
一般乱堆床层的空隙率在0 47 : 0 70之间。
机械分离
沉降分离 --- 颗粒相对于流体(静止或运动)运动而实现悬浮 物系分离的过程.在重力场中，颗粒自上而下运动称 为重力沉降。在离心力场中，颗粒自旋转中心向外 沿运动称为离心沉降。
过滤 ---流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过 程.
湿法净制 --- “洗涤”气体. 静电除尘 --- 高压直流电场中，带电粒子定向运动，聚集分离。
(1) 细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙体积；
(2) 细管的内表面积等于颗粒床层的全部表面积。
以1m 3床层体积为基准，床层流动空间为，
细管的全部表面积为（1- ）a
deb
4
床层流动空间 细管的全部表面积
（1-4）a
m
2.流体通过床层压降的数学描述
表明：床层堆积的松散程度；
ε↑，空隙越大，床层越松散；
ε对流体流过床层的阻力影响很大。
② 影响床层空隙率的因素
（a）装填方法：干装
湿装
（b）颗粒特性的影响
颗粒形状： , ;
靠壁面处： 壁效应，使
粒径分布： 颗粒均匀， ； 颗粒光滑，
2.床层的比表面ab :单位床层体积具有的颗粒表面积
3.非均相混合物分离的目的
① 收集分散物质--例如从结晶器排出的母液中分离出晶粒； ② 净化分散介质--例如除去含尘气体中的尘粒； ③ 环境保护与安全生产--因此，非均相物系的分离，在工
业生产中具有重要的意义。
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
3.2.1 颗粒的特性 3.2.2 颗粒床层的特性 3.2.3 流体通过床层流动的压降
在日常生活中，水泥厂上空总是粉尘飞扬，火力发电厂的烟囱时
不时也是黑烟滚滚，这些就是污染环境的含粉尘气体。如何去除排放
气体中的粉尘呢？这就是本章要解决的非均相物系分离的问题。
机械分离 S-S（固相分隔），S-L（悬浮液），S-G（含尘气体） L-L（乳浊液），L-G（含雾气体），S-L-G（三相）
非均相 混合物的 分离操作
❖ 体积当量直径de --- 实际颗粒的体积等于球形颗粒的体积
(Vp = πde3/6 )
形状系数(球形度)φs --表征颗粒的形状与球形的差异程度.
φs = S/Sp
s形状系数（球形度）=
与颗粒体积相等的一个球的表面积 颗粒表面积
S Sp
s 1 球形颗粒s 1 正直立径方与体高度相s 等0的.80圆5柱体 粉碎的物体 s 0.6～0.7
自来水厂的主要流程
自来水厂水的净化分三步，第一步是絮凝过程，也可以叫反应过程。 在流动中使水中的杂质颗粒絮凝长大；第二步是沉降。沉降池是使大颗 粒得以除去。第三步是砂滤。砂滤池，进一步用900mm厚砂层，将小 颗粒杂质滤去。
自来水厂全貌
图中兰色粗管是来自黄浦江的原料水，条形池子是絮凝池，左侧池 是沉降池。
均相
筛分 沉降 过滤
液体蒸馏 气体吸收 液液萃取
传质分离
非均相混合物的分离：如沉降与过滤 等，对物系作功，利用混合物密度、 尺寸等物性差异将其分离
均相混合物的分离：加入热量和溶剂 使其成为两相共存，利用混合物组分 在两相中性质上的差异（如溶解度、 挥发度等）使组分在相间转移，从而 将其分离
2.非均相混合物的分离方法
筛号(目数)：每英寸长度筛网上的筛孔数目。
di-1
di
（2）颗粒的平均粒径
di+1
平均比表面积直径
di+2Biblioteka 1 1 Gi xida
di G
di
da 1 / xi di
G 不同大小球形颗粒的总质量,kg；
Gi 筛分分析得到相邻两号筛之间的颗粒质量，kg；
di 筛分直径（两筛号筛孔的算术平均值）,m ；
3.2.1 颗粒的特性
球形颗粒 非球形颗粒
1.单一颗粒特性
（1）球形颗粒
球形粒子通常用直径(粒径)表示其大小.
球形颗粒的体积 V = πd3/6 ［m3］
球形颗粒的面积 S = πd2
［m2］
比表面积(单位体积颗粒具有的表面积) a =S/V= 6/d ［ m2/m3］
（2）非球形颗粒 当量直径de与形状系数φs
3.床层的自由截面积 （各向同性）
床层截面上未被颗粒占据的,流体可自由通过的面积； 特点:床层截面上可供流体通过的自由截面积(即空隙截面)
与床层截面之比在数值上等于空隙率。
So
S SP S
1
SP S
3.2.3 流体通过床层流动的压降
1.床层的简化模型
简化模型:床层中不规则的通道假设成长度为L,当量直径为 de的一组平行细管,并规定: