第三章非均相物系的分离

第三章非均相物系的分离

【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。

【基本要求】

掌握单个颗粒、颗粒群、颗粒床层特性的表示方法；

掌握重力沉降和离心沉降的基本原理、沉降速度的定义和基本表示方法；

了解并熟悉降尘室、旋风分离器的结构特点、工作原理及其性能参数；

掌握过滤的基本操作过程、典型的设备，熟练掌握恒压过滤的操作及计算；

了解流化床的主要特征和操作范围；

掌握数学模型法。

【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。

3.1 概述

一、混合物的分类

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（非均相混合物）

物系内部存在相界面且界面两侧的物理性质完全不同。

根据连续相的状态，非均相混合物又分为：

（1）气态非均相混合物，如含尘气体、含雾气体

（2）液态非均相混合物，如悬浮液、乳浊液、泡沫液等。

（二）非均相混合物分离的方法

（三）非均相混合物分离的目的

1、回收分散质，如从气固催化反应器的尾气中收集催化剂颗粒；

2、净化分散介质，如原料气中颗粒杂质的去除以净化反应原料，环保方面烟道气中煤炭粉粒的除去。

3、环境保护与安全生产。

3.2 颗粒及颗粒床层的特性

3.2.1 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

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

工程中，经常将非球形颗粒以某种“当量”的球形颗粒来代替，以使非球形颗粒的某种特性与球形颗粒等效，这一球粒的直径为当量直径。当量直径表示非球形颗粒的大小。根据不同方面的等效性，通常有两种表示方法；

（1）等体积当量直径颗粒的等体积当量直径为与该颗粒体积相等的直径，即

d e= （3-5）

式中

d e――颗粒的等体积当量直径，m；

V P――颗粒的体积，m3。

（2）等比表面积当量直径即与非球形颗粒比表面积相等的直径为该颗粒的等比表面积当量直径。根据此定义并结合式（3-3）得

(3-6)

式中

――颗粒的等比表面积当量直径，m；

依据式（3-5）和式（3-6）可以得出颗粒的等体积当量直径和等比表面积当量直径之间的关系：

φs d e (3-7)

所以说，非球形颗粒的等比表面积当量直径一定小于其等体积当量直径。

用上述的形状系数及当量直径便可表述非球形颗粒的特性，即

（3-1a）

（3-2a）

（3-3a）

二、颗粒群的特性

工业中遇到的颗粒群可分为两类：若颗粒群是由大小不同的粒子组成的集合体，称为非均一性粒子或多分散性粒子；而将具有同一粒径的颗粒群称为单一性或单分散性粒子。显然，多分散性粒子才需讨论其粒度分布和平均参数。

1．颗粒群的粒度分布

不同粒径范围内所含粒子的个数或质量称为粒度分布。颗粒粒度的测量方法有筛分法、显微镜法、沉降法、电感应法、激光衍射、动态光散射法等，这里介绍筛分法。筛分是用单层或多层筛面将松散的物料按颗粒粒度分成两个或多个不同粒级产品的过程。它是机械分离方法分离固－固混合物的操作。筛分时，筛面上有筛孔，尺寸小于筛孔尺寸的物料通过筛孔，称为筛下产品，其质量称为筛过量；尺寸大于筛孔尺寸的物料被截留在筛面上，称为筛上产品，其质量称为筛余量。若用n层筛面，可得n+1种产品。

筛分分析是在一套标准筛中进行的，标准筛的筛网为金属丝网，各国标准筛的规格不尽相同，常用的泰勒制是以每英寸边长的孔数为筛号，称为目。例如100目的筛子表示每英寸筛网上有100个筛孔。表3-2是泰勒标准筛的目数和对应孔径的节录。

用标准筛测粒度分布时，将一套标准筛按筛孔上大下小的顺序叠在一起，若从上向下筛子的序号分别为1、2...i-1及i，相应筛孔的直径分别为d1>、d2...d i-1及d i>。将称重后的颗粒样品放在最上面的筛子上，整套筛子用振荡器振动过筛，不同粒度的颗粒分别被截留于各号筛网面上。第i号筛网上的颗粒的尺寸应在d i-1>和d i>之间，分别称取各号筛网上的颗粒筛余量，即可得到样品的粒度分布数据。

目前各种筛制正向国际标准组织ISO筛统一。

表3-2 泰勒标准筛