非均相体系的分离.ppt
第四章 非均相物系的分离 制药单元操作技术(教学课件)
(2)阻力系数的确定
层流区或斯托克斯定律区(10-4〈 R et 〈1）
24 R et
,
过渡区或艾仑定律区（1〈 R et〈103 ）
18 .5 R 0.6
et
,
湍流区或牛顿定律区（103〈 R e〈t 2×105） 0.44
9
• （3）沉降速度的计算 将上式分别代入，可得各区域的沉降速度公式为
12
• 二、离心沉降
1.离心沉降速度和离心分离因数
(1)离心沉降速度
ur
4dp(p )(uT2) 3 R
颗粒处于层流区，则阻力因数 ξ=24/ R et 代入公式得
(2)离心分离因数
ur
dp 2( p )uT 2 18R
u 离心沉降速度 u r 与重力沉降速度 t 之比为
ur ut
uT 2 Rg
6
• 四、影响过滤操作的因素
过滤操作要求有尽可能高的过滤速率。过滤速率是单位时间内得到的滤液体积。过滤
过程中影响过滤操作的因素很多，主要表现在以下几个方面：
1．悬浮液的性质
2．过滤的推动力
3．过滤介质与滤饼的性质
一、重力沉降
第三节 沉 降
重力沉降：粒子在重力作用下，沿重力方向的沉积运动的过程。
离心沉降：粒子在离心力作用下，沿离心力方向的沉积运动的过程 1．自由沉降和沉降速度
降尘室分离的必要条件：气体通过沉降室的时间tr必须大于等于颗粒沉降至底部所用时间ts。
设：u—气体在降尘室内的平均流速m/s
L—降尘室的长度
B—降尘室的宽度
H—降尘室的高度
则：
tr
L u
ts
H ut
∴
LH u ut
化工原理-3非均相物系的分离
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。
非均相物系的分离
非均相物系的分离第一节概述非均相物系包括气固系统(空气中的尘埃)、液固系统(液体中的固体颗粒)、气液系统(气体中的液滴)、液液系统(乳浊液中的微滴)等。
其中尘埃、固体颗粒、气泡和微滴等统称为分散物质(或称分散相)，而非均相物系中的气体、液体称为分散介质(或称连续相)。
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(两相的密度不同)，故可用机械方法将两相分离。
利用两相密度差进行分离时，必须使分散相与连续相间产生相对运动，故分离非均相物系的单元操作遵循流体流动的基本规律。
非均相物系的分离主要用于：1 回收有用物质；2 净化分散介质；3 除去废液、废气中的有害物质，满足环境保护的要求。
第二节重力沉降一、沉降速度在重力场中，借连续相与分散相的密度差异使两相分离的过程，称为重力沉降。
1、球形颗粒的自由沉降若固体颗粒在沉降过程中，不因流体中其它颗粒的存在而受到干扰的沉降过程，称为自由沉降。
表面光滑的球形颗粒在静止流体中沉降时，由于颗粒的密度ρs大于流体的密度ρ，所以颗粒受重力作用向下沉降，即与颗粒与流体产生相对运动。
在沉降中，颗粒所受到的作用力有重力、浮力和阻力。
开始时，颗粒为加速运动，随着颗粒沉降速度的增大，阻力亦增大，当颗粒受力达平衡时，颗粒即开始作匀速沉降，对应的沉降速度为一定值，称该速度为沉降速度或终端速度，以u t表示，其计算式为ξρρρ34)(dg u s t -=2、阻力系数ζ阻力系数ζ是流体与颗粒相对运动时的雷诺数准Re t 的函数，即ζ=f(Re t )μρi t du Re =阻力系数ζ与Re t 的关系由实验测定，结果如图3-2所示。
图中曲线按Re t 值可分成四个区，即(1) 层流区，Re t ≤2(又称斯托克斯区) tRe 24=ξ (2) 过渡区，2＜ Re t ＜1036.0Re 5.18t =ξ(3) 湍流区，103＜ Re t ＜2×105 ζ=0.44 对应各区沉降速度u i 的计算公式如下： (1) 层流区μρρ18)(2g d u s i -=(2) 过渡区6.0)(27.0ts i Re gd u ρρρ-=(3) 湍流区ρρρgd u s i )(74.1-=3、沉降速度的计算计算沉降速度u i 时，为选用计算公式，应先判断流动类型，即先算出Re t 值，计算Re t 时需已知u i ，而u i 是待求量，故需用试差法求解。
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
非均相液体体系及其稳定性分解课件
利用非均相液体体系的特性，实现油 气高效分离，提高分离效率和产品质 量。
油品运输与储存
在油品运输和储存过程中，非均相液 体体系可用于防止油品分层、乳化和 沉积，保持油品质量。
化学工业中的应用
化学反应
非均相液体体系在化学反应中作 为反应介质，能够促进反应进行
并提高产物收率。
萃取分离
非均相液体体系用于萃取分离， 能够实现高效、低能耗的物质分
稳定性增强技术与方法
表面活性剂技术
01
利用表面活性剂降低界面张力，提高非均相液体体系的稳定性
。
纳米颗粒稳定技术
02
通过添加纳米颗粒，利用其物理阻挡作用提高体系的稳定性。
生物表面活性剂技术
03
利用生物表面活性剂的特性和作用机理，提高非均相液体体系
的稳定性。
非均相液体体系应用拓展
能源领域应用
探索非均相液体体系在能源领域的应用，如油水分离、油砂开采 等。
稳定性与相分离
稳定性
非均相液体体系的稳定性是指体系在一定时间内保持其相态和组成不变的能力。 稳定性取决于物质间的相互作用和溶解度差异，以及外部条件如温度、压力和搅 拌等。
相分离
当非均相液体体系的稳定性被破坏时，会发生相分离现象。相分离是指一种或多 种非液体物质从液体体系中析出、聚集或溶解，导致体系相态和组成发生变化。 相分离的机制和影响因素是非均相液体体系研究的重要内容。
03
CATALOGUE
非均相液体体系分解过程
分解反应机制
01
02
03
化学反应
非均相液体体系中的物质 通过化学反应进行分解， 产生新的物质。
热力学条件
分解反应的进行需要满足 一定的热力学条件，如温 度、压力和组分浓度等。
hgyl四非均相物系的分离PPT课件
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2、阻力系数
阻力系数反映颗粒运动时
流体对颗粒的曳力，所以又称
曳力系数。
Re t
dut
式中通：过d量—纲颗分粒析的可直推径导；出，
阻动201及9/力时9/20粘系雷度，数诺；是准—流数流体的体与函的颗数密粒，度相即对运 21
与Ret的具体关系式也 很难得到，将大量的实验结
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§4－2－1 重力沉降速度
一、重力沉降 1、概念 重力沉降：在重力沉降。
即借地球引力场的作用而实现的沉降就是重力 沉降。
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2、分类
重力沉降分为自由沉降和干 扰沉降。
自由沉降：非均相物系中的固
（3） 湍流区（Newton
区）：103<Ret<2×105
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（1）滞流区（Stokes 区）：1u0t － 4d<2(R1e8s t<)1g
计各 算区
（2）过渡区（Allen 区):ut 01.2<7 Rde(t<s10)3Ret0.6
公沉 式降
速
（3） 湍流区（Newton
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三、非均相物系分离的目的
主要有三个的目的：
1、回收有用物质：主要回
收物系中的分散相。
如颗粒催化剂的回收。从
催化反应器出来的气体中，往
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比如硫酸的生产过程中，
原料气（炉气）中含有大量
灰尘，在SO2的催化氧化工序 之前，必须把大量灰尘除去，
否则除降低催化剂的活性外，
第二阶段为等速运动。
第3章非均相物系的分离-过滤详解
深层过滤：
过滤介质一般为介质层较厚的滤床类（如沙层、硅藻 土等）； 小于介质孔隙的颗粒可进入到介质内部，在长而曲折 的孔道中被截留并附着于介质之上； 深层过滤无滤饼形成，主要用于净化含固量很少 （<0.1%）的流体，如水的净化、烟气除尘等。
二、过滤介质
滤饼支撑物，应有足够的机械强度和较小的流动阻力、相 应的耐腐蚀性和耐热性；多孔、理化性质稳定、耐用和可 反复使用。
推动力：
压差△P = 滤饼两侧的压差△P1＋过滤介质两侧的压差△P2
阻力： 滤浆引入管道的阻力；
滤液通过滤饼的阻力； 滤液通过过滤介质的阻力； 滤液引出管道的阻力。
主要阻力
过滤速度：
对各种过滤操作方式与设备均可表示为：
u dV A dt
式中：dV —— dt 时间内通过过滤面的滤液量； A —— 过滤面积； u —— 单位时间内通过单位过滤面积的滤液量。
多孔固体介质：
用多孔陶瓷、塑料、金属等粉末烧结成型而制得的多孔 性片状、板状或管状的各种多孔性固体材料； 此类介质较厚，孔道细，能截留1～3mm的微小颗粒。
多孔膜：
由特殊工艺合成的聚合物薄膜，最常见的是醋酸纤维膜 与聚酰胺膜； 膜过滤属精密过滤或超滤 (ultrafiltration) ，可以分 离5nm的微粒。
一、过滤方式
滤饼过滤(表面过滤)：
过滤介质为织物、多孔材料或膜等， 孔径可大于最小颗粒的粒径。过滤初 期，部分小颗粒可以进入或穿过介质 的小孔，后因颗粒的架桥作用使介质 的孔径缩小形成有效的阻挡。 被截留在介质表面的颗粒形成滤渣层（滤饼），透过滤 饼层的则是被净化了的滤液。 随滤饼的形成，真正起过滤介质作用的是滤饼，而非过 滤介质本身，故称作滤饼过滤。 滤饼过滤主要用于含固量较大（>1%）的场合。
中山大学-化工分离新技术-7--非均相体系的分离
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7.3.9 旋液分离器
离心力分离液固非均相混和物
同旋风分离器不能完全分开 →分级
直径较小 不能完全分开
31
32
33
7.3.9 离心机
离心分离原理
离心机是一种在离心力场内进行固－液、液－液或液－液 －固相分离的机械。离心机的主要部件为安装在竖直或水平轴 上的高速旋转的转鼓，料浆送入转鼓内并随之旋转，在离心惯 性力的作用下实现分离。
此外还有液体洗涤除尘法、电除尘法即湿法净制：“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。
4
7.2 颗粒与流体相对运动时所受的阻力
曳力(drag force)介质阻力——相对运动时，流体对微粒的作用力 对比分析：
沉降
流体流动
定律 介质阻力---牛顿阻力定律 内摩擦力---牛顿粘性定律
23
•〖特点〗：结构简单，造价低廉，无运动部
件，操作范围广，可用多种材料制造，是化 工、轻工、冶金等部门常用的分离和除尘设 备。
•〖说明〗旋风分离器一般用来除去气流中粒
径5μm以上的尘粒，对颗粒含量高于200g/m3 的气体，由于颗粒的聚集作用，它甚至能除 去3μm以下的颗粒。
•对直径在200 μm以上的颗粒最好先用重力沉
20
7.3.7 离心分离
离心机——离心力--设备本身旋转产生（快速旋转的转 鼓）
旋风分离器——离心力--混合物以一定速度沿切线方向 进入设备而产生。
离心分离因素——离心力/重力 分离能力——转速，转鼓直径
21
7.3.8 旋风分离器
•1、构造：进气管、上筒体、下锥体和中
非均相物系的分离.课件
01
非均相物系的分离 方法
沉降分离法
总结词
利用颗粒在重力场中的自然下落 实现分离
详细描述
根据颗粒的密度和粒径差异，使 不同组分在沉降过程中分层，从 而实现分离。适用于颗粒密度差 异较大的体系。
过滤分离法
总结词
通过过滤介质截留颗粒实现分离
详细描述
利用过滤介质（如滤布、滤纸等）的孔径大小，将颗粒截留在介质表面或内部，从而实现非均相物系的分离。适 用于颗粒粒径大于过滤介质孔径的体系。
03
分离高度
分离高度影响颗粒在流体 中的运动路径和时间，较 高的分离高度有助于颗粒 的沉降和分离。
分离压力
在某些非均相物系分离过 程中，压力的变化会影响 流体的物理性质和流动状 态，从而影响分离效果。
分离速度
提高分离速度可以增加颗 粒与流体的接触频率和碰 撞机会，有助于提高分离 效率。
01
非均相物系分离过 程的设计与优化
流体的性 质
流体粘度
流体温度
流体的粘度越大，颗粒在流体中的运 动阻力越大，沉降速度减慢，分离效 果降低。
温度影响流体的粘度和密度，进而影 响颗粒在流体中的运动和分离效果。
流体密度
流体的密度与颗粒密度之间的差异影 响颗粒的沉降速度，流体密度与颗粒 密度相差越大，越有利于颗粒的沉降。
操作条件
01
02
浮选分离法
总结词
利用颗粒的浮力性质实现分离
详细描述
通过向混合物中通入气体形成气泡，使颗粒粘附在气泡上浮至液面，从而实现分离。适用于密度小于 水的颗粒。
电泳分离法
总结词
利用电场力对颗粒的分离作用实现分 离
详细描述
在电场作用下，颗粒因带电性质的不 同而受到不同的电场力作用，从而实 现分离。电泳分离法可实现连续操作， 具有较高的分离效率。
第三章 非均相物系分离
B B
含尘气体
用途：适用于含颗粒浓度为 0.01 ～ 500g/m3、粒度不小于5μm的气体净 化与颗粒回收操作，尤其是各种气固流态化装置的尾气处理。
排尘
结构和工作原理：含尘气体以较高的线速度切向进入器内， 在外筒与排气管之间形成旋转向下的外螺旋流场，到达锥底 后以相同的旋向折转向上形成内螺旋流场直至达到上部排气 管流出。颗粒在内、外旋转流场中均会受离心力作用向器壁 方向抛出，在重力作用下沿壁面下落到排灰口被排出。
2 gd p ( p )
18ut 0.153Pa s
9.81 (1.25103 ) 2 (7900 880) 18 0.039
校核雷诺数 R ep 上述计算有效
d put
1.25103 0.039 880 0.28 2 0.153
三、重力沉降设备－降尘室 降尘室：分离含尘气体中颗粒的重力沉降设备。
2 P
比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积
S 6 a V dP
2、非球形颗粒
（1）当量直径 A：体积当量直径 B：面积当量直径：
d ev
3
6V
S
d es
C：比表面当量直径： d 6 6 ea a S /V （2）形状因数 常用球形度 Ψ 表示，即与颗粒等体积的一个球的表面积 与颗粒的表面积之比 2 2 d ev d ev 2 2 d es d es
CD为阻力系数，与颗粒的雷诺数Rep有关。对球形颗粒 24 d p u A：Rep＜2，层流区 Rep 此时 CD Rep 2 gd p ( p ) 由此推出 u －斯托克斯公式 t 18
适用范围10－4＜Rep＜2
第三章 非均相物系的分离和过滤
第3章 非均相物系分离和固体流态化1.取颗粒试样500g,作筛分分析,所用筛号及筛孔尺寸见本题附表中第1、2列,筛析后称取各号筛面上的颗粒截留量列于本题附表中第3列,试求颗粒群的平均直径。
〔答:d a =0.344mm 〕习题1附表2.密度为2650kg/3的球形石英颗粒在20℃空气中自由沉降,计算服从斯托克斯公式的最大颗粒直径及服从牛顿公式的最小颗粒直径。
〔答:dmax=57.4μm, dmin=15.13μm 〕3.在底面积为402的除尘室内回收气体中的球形固体颗粒。
气体的处理量为3600m 3/h,固体的密度3/3000m kg =ρ,操作条件下气体的密度3/06.1m kg =ρ,黏度为2×10-5Pa ·s 。
试求理论上能完全除去的最小颗粒直径。
〔答:d=17.5m μ〕4.用一多层降尘室除去炉气中的矿尘。
矿尘最小粒径为8m μ阳,密度为4000kg/m 3。
除尘室长4.1m 、宽1.8m 、高4.2m,气体温度为427℃,黏度为3.4x1O -5Pa ·s,密度为0.5kg/m 3。
若每小时的炉气量为2160标准m 3,试确定降尘室内隔板的间距及层数。
〔答:h=82.7mm,n=51〕5.已知含尘气体中尘粒的密度为2300kg/m 3,气体流量为1000m 3/h 、密度为3.6×10-5Pa ·s 、密度为0.674kg/m 3,采用如图3-7所示的标准型旋风分离器进行除尘。
若分离器圆筒直径为0.4m,试估算其临界粒径、分割粒径及压强降。
〔答:d c =8.04m μ,m d μ73.550=，Pa p 520=∆〕6.某旋风分离器出口气体含尘量为0.7×10-3kg/标准m 3,气体流量为5000标准m 3/h,每小时捕集下来的灰尘量为21.5kg 。
出口气体中的灰尘粒度分布及捕集下来的灰尘粒度分布测定结果列于本题附表中。
非均相混合物分离技术—认识非均相物系分离技术及设备
烟道除尘室
沉降除尘室
分离设备的选择
（一）气-固分离 需要处理的固体颗粒直径通常有一个分布，一般可采用如下分离过程： 1）利用重力沉降除去50μm以上的粗大颗粒。 2）利用旋风分离器除去5μm以上的颗粒。 3）5μm以下颗粒的分离可选用电除尘器、袋滤器或湿式除尘器。
（二）液固分离 1）出于获得固体产品的目的，可采用增浓、过滤。 2）澄清液体可采用：利用连续沉降槽、过滤机、过滤离心机或沉降离心 机分离不同大小的颗粒；澄清要求非常高时，可在最后采用深层过滤。
直径D或进气口宽度B，则其它各部分的尺寸也
就确定了。 特点：结构简单，操作不受温度和压力的限
制，分离效率可达70%～90%，最小可以分离 小到5μm的颗粒。但使用中器壁磨损较严重。
化工单元操作技术
② 压力分布
• 器壁附近：最高。 • 中心处 ： 最低。 • 出灰口：密封性能好，不易漏入气体。
非均相物系分离
2）分离性能指标 临界粒径dpc 能够100%分离的颗粒的最小粒径。 粒级分离效率ηi 在一定粒径颗粒的总量中，被分离部分所占的质量百分数。 总效率η0 在有限的停留时间内，能分离下来的部分与颗粒总量之比。
化工单元操作技术
二、沉降设备 1、重力沉降设备 （1）降尘室
即重力沉降从气流中除去尘粒的设备称为降尘室。
由许多块带凸凹纹路的滤板和滤框交替排列而成，板和框的角端均开有小孔 ，合并压紧后构成供滤浆或洗涤水流通的孔道。滤框中间空，框的两侧覆以滤布 ，空框与滤布就围成了容纳滤饼的空间。
化工单元操作技术
非均相物系分离
• 操作是间歇的，每个操作周期都由装合、过滤、洗涤、卸渣、整理五个阶段 组成。
• 特点：结构简单，过滤面积大，过滤压力高，对各种物料的适应能力强，操 作简单，使用可靠。