化工原理之非均相物系的机械分离

第一节 概 述
第二节 沉 降
沉降是指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，分为重力沉降和离心沉降两 大类。
一、重力沉降 重力沉降是依据重力作用而发生的沉降过程。一般用于气、固混 合物和混悬液的分离。它是利用混悬液中的分散相即固体颗粒的密度 大于连续相即浸提液的密度而使颗粒沉降达到分离。 1.自由沉降和沉降速度 以固体颗粒在流体中的沉降为例进行分析，颗粒的沉降速度与颗 粒的形状有很大关系，为了便于理论推导，先分析光滑球形颗粒的自 由沉降速度。 1.1球形颗粒的自由沉降速度 颗粒在静止流体中沉降时，不受其它颗粒的干扰及器壁的影响， 称为自由沉降。较稀的混悬液或含尘气体中固体颗粒的沉降可视为自 由沉降。
图3-1静止流体中颗粒受力示意图
第二节 沉 降
Fg
6
d p3 p
来自百度文库
g
Fb
6
d
3 p
g
Fd
A u2 2
（3-1） （3-2） （3-3）
式中 A 为沉降颗粒沿沉降方向的最大投形面积，对于球形颗
粒，
，m2；u为颗粒相对于流体的降落速度，m/s； 为沉降阻
力系数。
对于一定的颗粒与流体，重力与浮力的大小一定，而阻力随沉 降速度而变。根据牛顿第二定律有：
联立（3-1）、（3-2）、（3-3）和（3-4）整理得
ut
4gd p ( p ) 3
（3-5）
式（3-5）称为沉降速度表达式（参见教材P135式3-
26）。对于微小颗粒，由于沉降的加速阶段时间很短，可
忽略，因此，整个沉降过程可以视为加速度为零的匀速沉
降过程。在这种情况下可直接将该式用于重力沉降速率的
一、非均相混合物的分离在工业中的应用 非均相混合物的分离在工业生产中主要应用于以下几点： 1.回收有用的分散相 如收集粉碎机、沸腾及喷雾干燥器等设备出口气流中夹带的物料；收集 蒸发设备出口气流中带出的药液雾滴；回收结晶器中晶浆中夹带的颗粒；回 收催化反应器中气体夹带的催化剂,以循环应用等。 2.净化连续相 除去药液中无用的混悬颗粒以便得到澄清药液；将结晶产品与母液分开； 除去空气中的尘粒以便得到洁净空气；除去催化反应原料气中的杂质，以保 证催化剂的活性等。 3.环境保护和安全生产 近年来,工业污染对环境的危害愈来愈明显，利用机械分离的方法处理工 厂排出的废气、废液，使其浓度符合规定的排放标准，以保护环境；去除容 易构成危险隐患的漂浮粉尘以保证安全生产。
计算。
的确定较为复杂，该值与雷诺数
有关，但二
者间数学函数式目前理论上还难以确定，一般通过经验关
联式和实验数据来确定，见图3-2 。
第二节
图3-2所示阻力曲线可依据不
同运动状态范围划分为三个区域：
a)滞流区： <2,又称斯托斯克 斯(stokes)定律区 =24Re-p1
ut
gd p2 ( p 18
第一节 概 述
二、非均相混合物的分离方法 非均相混合物通常采用机械的方法分离，即利用非均相混合物中 分散相和连续相的物理性质(如密度、颗粒形状、尺寸等)的差异，使 两相之间发生相对运动而使其分离。根据两相运动方式的不同，机械 分离可有两种操作方式，沉降和过滤。 1.沉降 沉降是在外力作用下使颗粒相对于流体(静止或运动)运动而实现分 离的过程。沉降操作的外力可以是重力(称为重力沉降),也可以是惯性 离心力(称为离心沉降)。 此外对于含尘气体的分离还有过滤净制、湿法及电净制等方法。 2.过滤 过滤是流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程。过 滤操作的外力可以是重力、压差或惯性离心力。因此过滤操作又分为 重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤等。 详见下表：
化工原理
第三章 非均相物系的机械分离
第一节 概 述
混合物依据各组分之间的分散度可划分为均相混合物和非均相混合物两 大类。其中非均相混合物由分散相和连续相两部分组成：前者指处于分散状 态的物质, 如分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡等；后者指包围着分散相 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 的连续液体等。本章主要探讨非均相混合物的机械分离。
)
(3-6）
b)过渡区：2< <500,又称艾
伦（Allen）定律区 18.5 Rep0.6
ut 0.269
gd p ( p
)
Rep 0.6
(3-7)
c)湍流区：500< Rep< 2×105 ,
又称牛顿（Newton）定律区 0.44
ut 1.74
gd p ( p )
(3-8)
沉降
第二节 沉 降
如图3-1所示。一个表面光滑的 刚性球形颗粒置于静止流体中，当 颗粒密度大于流体密度时，颗粒将 下沉，若颗粒作自由沉降运动，在 沉降过程中，颗粒受到三个力的作 用：重力，方向垂直向下；浮力， 方向向上；阻力，方向向上。
设球形颗粒的直径为d p ,颗粒密 度为 ,流体的密度为 ,则重力 、 浮力Fg 和阻力Fb 分别为Fd :
在计算沉降速率时，非球形颗粒的大小可用当量直径表示，所谓 当量直径即就是与颗粒等体积球形颗粒的直径。
第二节
2.重力沉降设备及其生产能力 2.1降尘室:就是利用重力沉降 的作用从含尘气体中除去固体颗粒 的设备，其结构如3-3所示。含尘 气体进入降尘室后，流通截面积扩 大，速度降低，使气体在降尘室内 有一定的停留时间。若在这个时间 内颗粒沉到了室底，则颗粒就能从 气体中除去。要保证尘粒从气体中 分离出来，则颗粒沉降至底部所用 时间必须小于等于气体通过沉降室 的时间。
当颗粒开始沉降的瞬间，u为零,阻力也为零,加速度a为其最大
值；颗粒开始沉降后，随着u逐渐增大，阻力也随着增大，直到速度
增大到一定值 ut后，重力、浮力、阻力三者达到平衡，加速度a为零；
此时颗粒做匀速运动的速度即称为沉降速度，用
m/s。即有：
Fg Fb Fd 0
u表（t3示-4，）单位为
第二节 沉 降
图3-2 沉降阻力系数关系曲线图
第二节 沉 降
1.2非球形颗粒的自由沉降 非球形颗粒的几何形状及投影面积A对沉降速度都有影响。颗粒 向沉降方向的投影面积A愈大，沉降阻力愈大，沉降速度愈慢。一般 地,相同密度的颗粒，球形或近球形颗粒的沉降速度大于同体积非球形 颗粒的沉降速度。
S
即一非个球任形意颗几粒何几形何体形的状球与形球度形，的等差于异体程积度与，之用相球同形的度一个球s 形 颗S表粒p 示的， 表面积与这个任意形状颗粒的表面积之比。当体积相同时，球形颗粒 的表面积最小，因此，球形度值越小，颗粒形状与球形的差异越大， 阻力系数ζ愈大，当颗粒为球形时，球形度为1。