四重力沉降设备

第三章 非均相混合物的分离

一、前言：(本章:本质上讲:属于流体流动过程,从方法或手段上讲:属于非均相分离过程,下册讲的

蒸馏、吸收、萃取等单元操作都是均相分离过程)。

1、相：体系中具有相同组成，相同物理性质和相同化学性质的均匀物质。相与相之间有明确的

界面。

例如：气、液、固称为三态，每一态又称为一相。再例如：空气（或溶液）虽是混合物，但

由于内部完全均匀，所以是一个相。水和冰共存时，其组成虽同是O H 2，但因有不同的物理性质，所以是两个相；水、冰和蒸汽共存时是三个相。两块晶体相同的硫磺是一个相，两块晶体不同的硫磺（如 斜方硫和单斜硫）是两个相。

2、均相：凡物系内部各处物理料质均匀而不存在相界面者，称为均相混合物或均相物系。溶

液及混合气都是均相混合物。

3、非均相：凡物系内部有隔开两相的界面存在，而界面两侧的物料性质截然不同者，称为非

均相混合物或非均相物系。

非均相⎪⎪⎩

⎪⎪

⎨⎧ 属于气体非均相间煤气中夹杂煤渣子）合成氨厂造气车（如尘气体气体与固体微粒组成含

沫液）（含有气泡的液体即泡液态非均相

）（如碎木屑放在水面上浮液液体与固体离子组成悬

,:,,,

非均相物系里，处于分散状态的物质称为分散物质（或分散相），包围着分散物质而处于

连续状态的流体，称为分散介质（或连续相）。如:浮悬液中的固体颗粒，称为分散物质，液体是分散介质。

4、非均相物系的分离：通过机械方法分离非均相物系的单元操作。具体点讲机械方法:沉降和过滤。

二、工业上非均相物系分离的目的

1、 收取分散物质：如从催化反应器出来的气体中，往往带有催化剂颗粒，必须把这些有

价值的颗粒回收利用。

2、 净化分散介质：合成氨生产，半水煤气中含有2CO 、S H 2灰尘等杂质，为了防止合成触媒中毒，必须将这些杂质一一去除，以保证触媒的活性。

3、 环境保护：对三废：废气、废液、废渣的处理，地球由于被污染加剧,环保越来越受

到人们的重视。综上所述,非均相物系分离的目的是除害收益。

第一节 沉降

沉降：依靠某种力的作用，利用分散物质与分散介质密度差异使之发生相对运动而分离的过程。

3.1.1 重力沉降

一、球形颗粒的自由沉降

工业上沉降操作所处理的颗粒甚小，因而颗粒与流体间的接触表面相对甚大，故阻力速度增长很快,可在短暂时间内与颗粒所受到的净重力达到平衡，所以重力沉降过程中，加速度阶段常可忽略不计。

ma F F F d b g =-- 2

2

u A

F d ρζ=

或a d u d g d g d s s ρπρπ

ζρπ

ρπ

3

22

3

3

6

2466=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-- 阻力

浮力

重力

重力沉降示意图

当颗粒开始沉降的瞬间：0=u 因为0=d F a 最大

↑u ↑d F ↓a

当0=a

t u u =——沉降速度“终端速度”

推导得 ()ρζρρ34-=s t gd u 0=a ()ρρπρπζ-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛s g d u d 3

226

24 式中：

t u ——球形颗粒的自由沉降速度，[]s m ;

d

——颗粒直径，[]m ; s ρ——颗粒密度，[]3m kg ;

ρ——流体密度，[]3m kg ;

g ——重力加速度[]

2s m ;

ζ——阻力系数，无因次， ()et s R f .φζ= s φ——球形度 p

s s s

=φ

综合实验结果，上式为表面光滑的球形颗粒在流体中的自由沉降公式。 滞留区 1Re 10

4

<<-t

Re

24=ζ ()μρρ182g d u s t -= 斯托克斯公式

过渡区 3

10Re 1<

.0Re

5.18=ζ ()27.0

6.0Re t s t

g d u ρρρ-= 艾仑公式 湍流区 53

102Re 10

⨯<

ρρg

d u s t -=74.1 牛顿公式

μ

ρ

t t du =

Re

该计算公式（自由沉降公式）有两个条件：

1.容器的尺寸要远远大于颗粒尺寸（譬如100倍以上）否则器壁会对颗粒的沉降有显著的阻滞作用，（自由沉降—是指任一颗粒的沉降不因流体中存在其他颗粒而受到干扰。自由沉降发生在流体中颗粒稀松的情况下，否则颗粒之间便会发生相互影响，使沉降的速度不同于自由沉降速度，这时的沉降称为干扰沉降。干扰沉降多发生在液态非均相系的沉降过程中。）

2.颗粒不可过分细微，否则由于流体分子的碰撞将使颗粒发生布朗运动。 二、非球形颗粒的自由沉降

p

s s s =

φ 球面积公式2

4R S π=球 R —半径;

S —与颗粒体积相等的一个圆球的表面积; p S —颗粒的表面积[]2

m

。

p e V d =3

6

π

p V -颗粒体积[]

3m ;

p

V de π

6

3

=

de —颗粒当量直径[]m 。

三、沉降速度的计算

1、试差法见讲义例题,计算t u

t t e R u →以判断流型后选计算式，先确定流型→求出t u →计算出f e R →检验t e R 是否符

合假设。

2、摩擦数群法

使ζ及t e R 坐标之一变成t u 的已知数群