第3章非均相系分离
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3.1 第三章 非均相系分离
F = ζA d
ρu2
2
对球形颗粒 = A
π
4
d2
∴Fd = ζ ⋅ d 2 ⋅ 4 2
π
ρu2
Fg − Fb − Fd = ma
π
d ρs g − d ρg −ζ d 6 6 4
3 3
π
π
ρu2 2
2
=
π
6
d 3ρsa
(a)
颗粒开始沉降的瞬间，速度 颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力 d=0，a→max ，因此阻力F ， 颗粒开始沉降后， 颗粒开始沉降后，u ↑ →Fd ↑；u →ut 时，a=0 。 ； 等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度u 称为沉降速度。 等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度 t 称为沉降速度。 当a=0时，u=ut，代入（a）式 代入（ ） 时
µ Ret d= ρut
无因次数群K也可以判别流型 无因次数群 也可以判别流型 也可以
d ( ρs − ρ)g ut = 18µ
2
d 3(ρs − ρ)ρg K3 Ret = = 2 18µ 18
当Ret=1时K=2.62，此值即为斯托克斯区的上限 时 ，此值即为斯托克斯区的上限 牛顿定律区的下限K值为 牛顿定律区的下限 值为69.1 值为 试计算直径为95µm， 密度为 例 ： 试计算直径为 ， 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。 分别在 ℃的空气和水中的自由沉降速度。 解：1）在20℃水中的沉降。 ） ℃水中的沉降。 用试差法计算 先假设颗粒在滞流区内沉降 ，
Ret = dut ρ 95×10−6 ×9.797 ×10−3 ×998.2
µ
=
1.005×10
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。
非均相物系分离
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。
与重力沉降速度相比，只是将重力场改为离心场。
三、沉降分离设备 1、重力沉降设备 降尘室、连续沉降槽 2、离心分离设备 旋风分离器、旋液分离器、离心沉降机
第二节 过滤
一、概述
（一）滤饼过滤与深层过滤
滤饼过滤 悬浮液中的颗粒沉积在过滤介质表面形成滤饼 层，滤液穿过滤饼层中的空隙流动叫做滤饼过滤。
深层过滤 固体颗粒不形成滤饼，而是沉积在过滤介质内 部叫做深层过滤。
第三章 非均相混合物的分离
学习要点： 重力沉降与离心沉降的基本公式； 过滤机理和过滤基本参数； 恒压过滤方程及过滤常数的测定
均相物系：指物系内部各处均匀且无相界面，包括 溶液、气体混合物等。
非均相物系：指物系内部有隔不同相的界面且界面 两侧的物料性质有差异。
包括： 气固系统（如空气中的尘埃）；
液固系统（如液体中的固体颗粒）；
（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。
（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。
与重力沉降速度相比，只是将重力场改为离心场。
三、沉降分离设备 1、重力沉降设备 降尘室、连续沉降槽 2、离心分离设备 旋风分离器、旋液分离器、离心沉降机
第二节 过滤
一、概述
（一）滤饼过滤与深层过滤
滤饼过滤 悬浮液中的颗粒沉积在过滤介质表面形成滤饼 层，滤液穿过滤饼层中的空隙流动叫做滤饼过滤。
深层过滤 固体颗粒不形成滤饼，而是沉积在过滤介质内 部叫做深层过滤。
第三章 非均相混合物的分离
学习要点： 重力沉降与离心沉降的基本公式； 过滤机理和过滤基本参数； 恒压过滤方程及过滤常数的测定
均相物系：指物系内部各处均匀且无相界面，包括 溶液、气体混合物等。
非均相物系：指物系内部有隔不同相的界面且界面 两侧的物料性质有差异。
包括： 气固系统（如空气中的尘埃）；
液固系统（如液体中的固体颗粒）；
（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。
第三章非均相物系分离ppt
根据三力达平衡时，同样可导出球形颗粒 离心沉降速度的计算是为
uc
4d p (p ) uT2
3
R
（3-11）
上式与式（3-1）比较可知，颗粒的离心沉
降速度uc与重力沉降速度ut有相似的关系式 ，只是将式(3-1)中重力加速度g改为离心加
第三章 非均相物系分离
基本概念
非均相物系是指物系中存在着两相或更多相的 混合物，如含尘气体、悬浮液等。
分散相或称分散物质：以微细的分散状态存在 ，如含尘气体中的尘粒，悬浮液中的固粒。
连续相或称分散介质，包围在分散物质各个粒 子的周围，如含尘气体中的气体，悬浮液中的 液体。
根据连续相的物理状态，将非均相物系分为气 态非均相物系和液态非均相物系。含尘气体与 含雾气体属于气态非均相物系，而悬浮液、乳 浊液以及含有气泡的液体，即泡沫液，则属于 液态非均相物系。
1.离心沉降速度 当固体颗粒随着流体一起快速旋转时，如果颗
粒的密度大于流体的密度，离心力会使颗粒穿 过运动的流体而甩出，沿径向方向沉降。此时 颗粒在径向上受到三个力的作用，即从旋转中 心指向外周的离心力、沿半径指向旋转中心的 向心力（相当于重力场中的浮力）和与颗粒运 动方向相反，沿半径指向旋转中心的阻力。 同重力沉降相似，当颗粒在径向沉降方向上， 所受上述三力达平衡时，颗粒则作等速运动， 此时颗粒在径向上相对于流体的速度便是颗粒 在此位置上的离心沉降速度。
现结合图3-3分析水平流动的降尘室性能。
设 l——降尘室的长度，m； Ｈ——降尘室的高度，m； B——降尘室的宽度，m； ut——颗粒的重力沉降速度，m／s； u——气体在降尘室内水平通过的流速,m／ s； qv——降尘室所处理的含尘气体的体积
流量，m3／s（又称降尘室的生产能力）。
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。
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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 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
第三章 非均相物系分离
4
故属于过渡区，与假设相符。
沉降室的设计计算
已知含尘气体的流量，粉尘的排放标准，气固两相的物 理参数。 1) 计算ut：
ut
gd p 2 ( p ) 18
2) 确定低面积和b,l：
Vs≤ blut
bl
Vs ut
3) 确定沉降距离H
l u
H ut
相物系的分离原理：
根据两相物理性质(如密度等)的不同而进行的分离。
非均相物系分离的理论基础：
要实现分离，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。
非均相物系的分离方法：
由于非均相物的两相间的密度等物理特性差异较 大，因此常采用机械方法进行分离。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。
1) 颗粒运动时的阻力
当流体相对于静止的固体颗粒流动时，或者固体颗粒在静止 流体中移动时，由于流体的粘性，两者之间会产生作用力，这 种作用力通常称为曳力（drag force)或阻力。
Fd
Fd与颗粒运动的方向相反 只要颗粒与流体之间有相 对运动，就会产生阻力。 对于一定的颗粒和流体， 只要相对运动速度相同，流 体对颗粒的阻力就一样。
非均相物系(non-honogeneous
system): 非均相混合物。
物系内部有隔开不同相的界面存在，且界面两侧的物料性质有 显著差异。如：悬浮液、乳浊液、泡沫液属于液态非均相物系， 含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。
非均相物系由分散相和连续相组成
分散相： 分散物质。在非均相物系中，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。
a) 颗粒直径dp: 应用：
第三章 非均相物系的分离
第三章 非均相物系的分离3.1引言化工生产中，需要将混合物加以分离的情况很多，例如：生产中所用原料通常含有杂质，必须经过分离提纯或净化后才能符合加工要求。
从反应器中送出的反应产物通常含有未反应掉的反应物及副产物，也须进行分离处理。
液相反应如果有沉淀产生将形成悬浮液，必须将固体颗粒和液体加以分离(实验室通常用布氏漏斗过滤）。
此外，生产中形成的废气、废液和废渣（简称三废）在排放以前，须采用一定的分离手段将其中的有害物质除去。
随着国际上环境保护的呼声日渐高涨，三废处理越来越引起重视。
由于分离处理应用的普遍性和重要性，现在形成了一个专门学科—分离工程。
下面简述混合物的分类。
按相态分类，混合物可分为均相物系(即均相混合物)与非均相物系(即非均相混合物)。
均相物系是指分散得十分均匀，达到分子分散水平的物系。
非均相物系是指含有二个或二个以上的相的混合物，包括：●固体混合物：二种或二种以上不同固体物质的混合物，如各种矿石。
●固液混合物：如液相反应产生固体沉淀形成的悬浮液，泥浆等。
●固气混合物；如烟。
●液液混合物：如乳浊液（油水混合物）。
●液气混合物：如雾。
非均相混合物的特点是体系包括一个以上的相，一般可用机械方法加以分离，故又称机械分离。
本章讨论非均相混合物的分离 ，关于均相混合物的分离将在蒸发、吸收、蒸馏各章中加以介绍。
第一节 筛分用筛将固体颗粒分成不同大小的各个部分的单元操作称为筛分，每一部分称为一个粒级。
下面先讨论有关固体颗粒的一些属性。
3-2固体颗粒属性一.球形颗粒大小的量度—颗粒平均直径球形颗粒群中含有不同直径的颗粒，可用某一数值来表示其平均直径，平均直径的表示方法有多种，随使用目的而异，简介如下。
1. 长度平均直径若所考虑的颗粒主要性质与其直径大小有关，则用长度平均直径表示颗粒的平均直径，用d Lm （L 代表长度length ，m 代表平均mean ）表示，按此定义，有下述关系KK 2211K 21Lm d n d n d n )n n n (d +++=+++ （3-2-1）上式中d i 表示第i 种颗粒的直径，单位为mm 或μm ，n i 表示直径为d i 的颗粒的数目。
第三章非均相物系的分离
K ' 0 . 0556 湍流区： Re du t 1 . 74 u t
3 2
t
( s )g
1 . 74 K ' 10
3
K ' 3027 . 6 过渡区： K' 0 . 0556 ~ 3027.6
计算步骤：
1 .计算 K' u t
3 2
( s )g d： 滞流区： d 18 u t ( s )g
湍流区：
3.摩擦数群法
• (1)已知d求ut
ut 4 d ( s )g 3 du t
2 t
4 d ( s )g 3 u t
2 2 2
Re
t
Re
2
2 t
2
d ut
2 3
2
Re
4 d ( s )g d u t 2 2 3 u t
3.1.2 颗粒床层的特性
3.1.2.1.床层空隙率ε • 床层堆积的疏密程度用空隙率表示，指单位体 积床层所具有的空隙体积(m3/m3)。即： • ε=(床层体积-颗粒体积)/床层体积 • ε的大小与颗粒的大小、形状、粒度分布、填 充方式等有关，其值由实验测定。 • [说明] • 非球形颗粒的球形度愈小，床层的空隙率愈大； • 大小愈不均匀的颗粒，空隙率愈小； • 颗粒愈光滑，空隙率愈小； • 愈靠近壁面，空隙率愈大。
0.6 t
K 2.62 ~ 69.1
过渡区：
u t 0 . 27
K 69 . 1
湍流区：
u t 1 . 74
(2)已知ut求d
令 K' u t
第三章非均相物系分离
s
与实际颗粒体积相等的 球形颗粒的表面积 实际颗粒的表面积
(3-3)
非球形颗粒的雷诺数在用式（3-2）计算时，应以实际颗粒的当量直径 （即与实际颗粒具有相同体积的球形颗粒直径）计算：
de
3
6V p
(3-4)
式中 Vp为颗粒的体积，m3。 如图3-2所示，为实验测定的不同球形度系数颗粒的阻力系数与雷诺 数关系曲线。
假设成立。所以，为使石英粒子能全部被水流带出以获得纯方铅矿 粒，上升水流速度应不小于0.1032m/s。 (2)所得的纯方铅矿粒中尺寸最小者应是其沉降速度恰好等于0.1032m/s的 粒子。根据以上求解可知，其沉降一定处于过渡区。由阿伦定律有：
u t 1.4 0.4 0.6 d p 0.153 g ( p )
第一节 重力沉降及设备
重力沉降是利用分散相与连续相所受地心引力的差异使分散相与连 续相发生相对运动，从而使非均相物系得以分离的操作。
根据颗粒在重力沉降过程中是否受到流体和其它粒子的影响，可将沉 降过程分为自由沉降和干扰沉降。对颗粒在沉降过程中不受流体和其它粒 子影响的沉降过程，称为自由沉降，反之则称为干扰沉降。自由沉降是一 种理想的沉降状态，实际沉降几乎都是干扰沉降。但由于自由沉降的影响 因素少，研究相对简单，故对重力沉降的探讨常从自由沉降入手。
一、自由沉降
综合颗粒在沉降过程中可能出现的干扰情况，自由沉降应满足下述 条件： 1、分散相颗粒为表面光洁度、颗粒直径和密度同一的球形颗粒，不会 因颗粒沉降速度的差异引起撞击干扰。 2、物系中分散相颗粒的浓度较稀，沉降过程中不会发生颗粒与颗粒间 的碰撞干扰。 3、沉降设备的尺寸相对较大，器壁对颗粒的沉降无吸附和阻滞干扰。 4、连续相的流动稳定、低速，连续相的流动对颗粒的沉降无干扰。 在满足上述条件的基础上，颗粒的沉降可视为自由沉降。
与实际颗粒体积相等的 球形颗粒的表面积 实际颗粒的表面积
(3-3)
非球形颗粒的雷诺数在用式（3-2）计算时，应以实际颗粒的当量直径 （即与实际颗粒具有相同体积的球形颗粒直径）计算：
de
3
6V p
(3-4)
式中 Vp为颗粒的体积，m3。 如图3-2所示，为实验测定的不同球形度系数颗粒的阻力系数与雷诺 数关系曲线。
假设成立。所以，为使石英粒子能全部被水流带出以获得纯方铅矿 粒，上升水流速度应不小于0.1032m/s。 (2)所得的纯方铅矿粒中尺寸最小者应是其沉降速度恰好等于0.1032m/s的 粒子。根据以上求解可知，其沉降一定处于过渡区。由阿伦定律有：
u t 1.4 0.4 0.6 d p 0.153 g ( p )
第一节 重力沉降及设备
重力沉降是利用分散相与连续相所受地心引力的差异使分散相与连 续相发生相对运动，从而使非均相物系得以分离的操作。
根据颗粒在重力沉降过程中是否受到流体和其它粒子的影响，可将沉 降过程分为自由沉降和干扰沉降。对颗粒在沉降过程中不受流体和其它粒 子影响的沉降过程，称为自由沉降，反之则称为干扰沉降。自由沉降是一 种理想的沉降状态，实际沉降几乎都是干扰沉降。但由于自由沉降的影响 因素少，研究相对简单，故对重力沉降的探讨常从自由沉降入手。
一、自由沉降
综合颗粒在沉降过程中可能出现的干扰情况，自由沉降应满足下述 条件： 1、分散相颗粒为表面光洁度、颗粒直径和密度同一的球形颗粒，不会 因颗粒沉降速度的差异引起撞击干扰。 2、物系中分散相颗粒的浓度较稀，沉降过程中不会发生颗粒与颗粒间 的碰撞干扰。 3、沉降设备的尺寸相对较大，器壁对颗粒的沉降无吸附和阻滞干扰。 4、连续相的流动稳定、低速，连续相的流动对颗粒的沉降无干扰。 在满足上述条件的基础上，颗粒的沉降可视为自由沉降。
化工原理第三章非均相物系的分离ppt课件
6 ds
精选ppt
5
2）非球形颗粒
(1) 描述颗粒形状
球形颗粒 非球形颗粒
① 颗粒的形状系数（球形度φ）
球 形 度 与 颗 粒 等 体 颗 积 粒 的 的 球 表 形 面 颗 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
精选ppt
ai — ………………………比表面积；
dai —混合颗粒中各种尺寸颗粒的等比
表面积当量直径。
精选ppt
13
3.2 沉 降
目的：流体与固体颗粒分离
原理：利用颗粒与流体之间的密度差，
将固体颗粒从流体中分离出来。
常用方法：
(1) 重力沉降(分离较大的颗粒），例：选矿
(2) 离心沉降 (分离尺寸小的颗粒），例：气体
• 对于非球形颗粒物，这种关非常复杂。
精选ppt
15
对于球形颗粒，流体阻力的计算方程：
牛顿阻力公式：
FD
d42
u02
2
FD
CDAP
u2
2
颗粒的投影面积
:阻力系数，通过因次分析法得知，ξ值是颗粒
与流体相对运动时的雷诺数的函数。
f(Roe)
Re0
duo
颗粒的雷诺数
精选ppt
16
层流区
过渡区
3. 非均相物系分离的目的
1）、回收分散物质，如从母液中分离出晶粒 （如海盐生产） ；从催化反应器出来的气体， 常带有催化剂颗粒，必须把这些有价值的颗粒 回收利用。
2）、劳动保护和环境卫生，对三废：废气、废 液、废渣的处理（环保），非均相物系分离的 目的是除害收益。
食工原理-第3章非均相物系分离
说明：
①由BC段减小流体速度，压降返回线B’－A’，有
明显转折，且△PAB＜△PA’B’ ；
②ΔP = 单位床层横截面积内固体颗粒的表观重量
（重量-浮力），与速度无关，为定值；
③流化床操作范围：
临界流化速度 umf ＜u＜带出速度ut；
④可由ΔP 数值的变化了解床层是否流化，稳定性
和正常性：
P恒定：流化正常 PP低 波于 动正 剧常 烈值 ：节：涌沟流（聚式流化）
r'L Le
dV d
A P r'Ps (L Le )
A P(1s)
r' L Le
定义饼液比：C＝滤饼体积/滤液体积 V， m3饼/m3液
滤饼体积 CV AL
则：
介质当量滤饼体积 CVe ALe
dV A P1s
A P1s
m2 s m2
物义： 当粘度为1Pa·s的滤液以1m3/(m2 ·s)的过滤
速度通过厚度为1m的滤饼层的压力损失。
说明： 滤饼不可压缩： r = f（滤饼结构特性）；
滤饼可压缩： r r'PS
r’－单位压力差下的滤饼比阻，1/m2； s－滤饼的压缩性指数，s≤1。
(3)滤液通过过滤介质的流动
轻物 浮起
u
u
(a)
(b)
床面 呈水平
L
p
u
u
(c)
(d)
uu
(e)
流动性
连通床面趋 于水平
2.恒定的压降：
P
床层颗粒重量 床层颗粒受到的浮力 流化床的截面积
(s
)g
m
s
A
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流体流动阻力的计算式写为 ：
Fd
A u2
2
对球形A颗 粒 d2
4
Fd
d2
4
u2
2
FgFbFd ma
6d3 sg 6d3 g 4d22 u 2 6d3 sa (a)
颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力Fd=0，a→max 颗粒开始沉降后，u ↑ →Fd ↑；u →ut 时，a=0 。 等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度ut 称为沉降速度。 当a=0时，u=ut，代入（a）式
4、沉降速度的计算
1）试差法
方法：
ut
假设沉降属于层流区
d2s
18
ut为所求
Rtedu
ut
Ret
Ret＜1
公式适 用为止
2) 摩擦数群法
判断 艾伦公式
……
求
Ret＞1
ut
由
ut
4gds 得
3
4d3gust2
Ret2
d2ut22 2
Rt2e4d33s2g
令
k d3
s g
2
Ret2 4k3
1）颗粒的体积浓度 在前面介绍的各种沉降速度关系式中，当颗粒的体积浓
度小于0.2%时，理论计算值的偏差在1%以内，但当颗粒 浓度较高时，由于颗粒间相互作用明显，便发生干扰沉降 ，自由沉降的公式不再适用。 2）器壁效应
当器壁尺寸远远大于颗粒尺寸时，（例如在100倍以上） 容器效应可忽略，否则需加以考虑。
第三章 非均相系的分离
3.1概述
混合物
均相混合物 物系内部各处物料性质均匀而且不 存在相界面的混合物。 例如：互溶溶液及混合气体
非均相混合物 物系内部有隔开两相的界面存在且 界面两侧的物料性质截然不同的混 合物。
固体颗粒和气体构成的含尘气体
例如 固体颗粒和液体构成的悬浮液 不互溶液体构成的乳浊液 液体颗粒和气体构成的含雾气体
以速度u
以速度ut
随气体流动 作沉降运动
降尘室
气体
进口
思考1： 为什么气体进入降尘室
后，流通截面积要扩大？
思考2：为什么降尘室要做成扁平的？
停留时间
L u
沉降时间
t
H ut
气体
若 t 则表明，该颗粒能在
核算流型
Ret
dut
9 51 061 .9 0.70 91 51 7 03 0399.280.924＜41
原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。
2） 20℃的空气中的沉降速度
用摩擦数群法计算
20℃空气：ρ=⒈205 kg/m3，μ=⒈81×10-5 Pa.s
根据无因次数K值判别颗粒沉降的流型
Kd3 s2 g9 51 0 631.20 3 1.5 80 10 1 1.2 0 0 52 0 9 5.81
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 ，
ut
d2s g
18
附录查得，20℃时水的密度为998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s
ut9 5 1 1 0 62 8 1 3.000 0 1 95 0 0 9 3 .2 89.81 9.79 17 0 3m /s
6d3sg 6d3g4d2u 2t20
ut
4dg(s ) 3
——沉降速度表达式
2、阻力系数ζ
通过因次分析法得知，ζ值是颗粒与流体相对运动时的
雷诺数Ret的函数。 对于球形颗粒的曲线，按Ret值大致分为三个区： a) 滞流区或托斯克斯(stokes)定律区（10 –4＜Ret<1）
24 Re t
3
因ζ是Ret的已知函数， ζ Ret2必然也是Ret的已知函数，
ζ ～Ret曲线便可转化成 ζ Ret2～Ret曲线。
计算ut时，先由已知数据算出ζ Ret2的值，再由ζ Ret2～Ret
曲线查得Ret值，最后由Ret反算ut 。
ut
Re t d
ζRet2
Ret
ζRet
计算在一定介质中具有某一沉降速度ut的颗粒的直径，
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 1.6
0.15g41.40d.4
1.4 s 0.6
11.4
0.6
1 m/9 s
1.4 1.4
5. 重力沉降设备
1. 降尘室
1）降尘室的结构
2）降尘室的生产能力
降尘室的生产能力是指降尘室所处理的含尘气体的体积流 量，用Vs表示，m3/s。 降尘室内的颗粒运动
3.3 沉降分离 3.3.1 重力沉降
沉降在某种力场中利用分散相和连续相之间的密度差异
，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。
作用力
重力 惯性离心力
重力 沉降 离心沉降
1、沉降速度
1）球形颗粒的自由沉降
设颗粒的密度为ρs，直径为d，流体的密度为ρ，
重力
Fg
6
d3sg
浮力
Fb
6
d3g
而阻力随着颗粒与流体间的相对运动速度而变，可仿照
ut
d2s
18
——斯托克斯公式
b) 过渡区或艾伦定律区（Allen）（1＜Ret<103）
18 .5
Re
0.6 t
ut
0.269gds
Rte0.6
——艾伦公式
c) 湍流区或牛顿定律区（Nuton）（103＜Ret ＜ 2×105）Biblioteka .44ut1.74
ds g
——牛顿公式
3、影响沉降速度的因素
ut '
1
ut 2.1
d
D
3）颗粒形状的影响
球形度
s
S Sp
对于球形颗粒，φs=1，颗粒形状与球形的差异愈大，球形
度φs值愈低。
对于非球形颗粒，雷诺准数Ret中的直径要用当量直径de代
替。
6
de3
Vp
de
3
6
VP
颗粒的球形度愈小，对应于同一Ret值的阻力系数ζ愈大 但φs值对ζ的影响在滞流区并不显著，随着Ret的增大，这种 影响变大。
非均相物系
分散相 分散物质
处于分散状态的物质 如：分散于流体中的固体颗粒、 液滴或气泡
连续相 连续相介质
包围着分散相物质且处于连续 状态的流体 如：气态非均相物系中的气体 液态非均相物系中的连续液体
分离 连续相与分散相 机械 分散相和连续相 不同的物理性质 分离 发生相对运动的方式
沉降 过滤
3.2 颗粒及颗粒床层的特性 颗粒的特性及描述 ★
令ζ与Ret-1相乘，
R t 1 e 4(s)g32 u t2
ζ Ret-1～Ret关系绘成曲线 ，由ζ Ret-1值查得Ret的值，
再根据沉降速度ut值计算d。 d Re t ut
无因次数群K也可以判别流型
ut
d2s g
18
Ret d31s82g
K3 18
当Ret=1时K=2.62，此值即为斯托克斯区的上限 牛顿定律区的下限K值为69.1