非均相物系的分离

第三章非均相物系的分离
●教学目的:1、掌握重力沉降和离心沉降的操作原理和基本公式
2、沉降室的结构，沉降室的生产能力，旋风分离器的结构和工作原理
●教学重点：1、重力沉降和离心沉降的操作原理。

●教学内容：1、重力沉降；2；重力沉降设备；3、离心沉降；离心沉降设备
系：一个集体。

分散系：一种物质或几种物质的微粒分散到另一种物质里形成的混合物，我们把这种混合物叫做分散系。

包括：分散质和分散剂。

分散质和分散系都可为固、液、气。

根据分散质粒径不同可分为： d<10-9 溶液
10-9<d<10-7胶体
10-7<d 悬浊液、乳浊液
溶液：小分子或离子，质为：固液气，均一稳定，单相，
胶体：大分子或小分子集合，大分子稳定，小分子较稳定，大分子单相，小分子多相
粗分：大分子集合，悬固，乳液，不均一不稳定，多相。

悬浊液：固体小颗粒悬浮于液体里形成的混合物，外形特征：浑浊，不透明，不均一，不稳定，固体小颗粒是由很多分集合而成，由于固体小颗粒的密度比水大，因此悬浊液
相：在同一个系统中具有相同物理性质及化学性质的一类混合物叫作相。

根据分散关系可分为：均相与非均相。

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。

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。

含尘和含雾的气体属于气态非均相混合物。

悬浮液，乳浊液及泡沫液属于液态非均相混合物。

非均相物系中处于分散状态的物质称为分散物质或分散相。

例：气体中的尘粒。

非均相物系中处于连续状态的物质称为分散介质或连续相。

例：气态非均相物系中的气体。

非均相物系分离的目的：1）回收分散物质 2）净制分散介质
3）劳动保护和环境卫生
非均相物系分离的常用方法： 沉降法 过滤法 对于含尘气体： 液体洗涤除尘法 点除尘法
第一节 沉降
一、 固体颗粒在流体中的沉降运动现象 1．颗粒沉降运动中的受力分析
固体颗粒在真空中自由降落时，只受重力的作用。

但是微粒在静止的流体中降落时，不但受重力的作用，同时还受到流体的浮力和阻力作用。

（1）当固体处于流体中时，只要两者的密度有差异，则在重力场中颗粒将在重力方向与流体作相对运动；在离心力场中与流体在离心力方向上作相对运动。

直径为d 的球形颗粒受到的重力为：3()6
s F d g N π
ρ=
；其中s ρ为颗粒密度。

（2）颗粒处于流体中，无论运动与否，都会受到浮力。

当流体处于重力场中，颗粒受到的浮力等于：31()6
F d g N π
ρ=
；
（3）两种阻力：包括表皮阻力和形体阻力。

当颗粒速度很小时，流体对球的运动阻力主要是粘性摩擦或表皮阻力。

若速度增加，便有旋涡出现，即发生边界层分离，表皮阻力让位于形体阻力。

阻力大小的计算仿照管路阻力的计算，即认为阻力与相对运动速度的平方成正比。

对于直径为d 的球形颗粒：
22
0()24
u d R N ρπζ
=
2．沉降速度与阻力系数 二、重力沉降
重力场中，颗粒在流体中受到重力、浮力和阻力，这些力会使颗粒产生一个加速度，根据牛顿第二定律：重力-浮力-阻力=颗粒质量×加速度。

当颗粒在流体中做均速运动时，
g
d s ρπ
3
6
-g d ρπ
3
6
-
42
2
20d u πρζ
=0
事实上，颗粒从静止开始作沉降运动时，分为加速和均速两个阶段。

速度越大阻力越大，加速度越小零；加速度为零时颗粒便作均速运动，其速度称为沉降速度。

一般而言，对小颗粒，加速阶段时间很短，通常忽略，可以认为沉降过程是均速的。

令颗粒所受合力为零，便可解出沉降速度：
解得： ()ρζ
ρρ340g
d u s -=
（1）
其它因素对沉降速度的影响：上述计算沉降速度的方法，是在下列条件下建立的：①颗粒为球形；②颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰；③容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略；④ 颗粒直径不能小到受流体分子运动的影
响。

在一定条件下，上述各种因素都可能会对沉降过程产生影响，详情参见教材。

（4）阻力系数：使用式（1）或（2）计算沉降速度首先要知道阻力系数，通过因次分析法可知它是颗粒与流体相对运动雷诺数的函数：)(Re 0f =ζ，而
μ
ρ
00Re du =。

计算0Re 时d 应为足
以表征颗粒大小的长度，对球形颗粒而言，自然是它的直径。

根据实验结果作出的阻力系数与雷诺的关系如图所示，其变化规律可以分成四段，用不同的公式表示。

第一段的表达式是准确的，其它几段是近似的。

①层流区——3.0Re 0<——
0Re 24=
ζ——()1820g
d u s ρρ-=
；可以近似用到2Re 0=。

——Stokes 定律，沉降操作中所涉及的颗粒一般都很小，0Re 通常在0.3以内，故该式很常用。

②过渡区（Allen 区）——500Re 20<<——6
.00Re 5
.18=
ζ——
()ρ
ρρ6
.00
0Re 269
.0-=s gd u ③湍流区（牛顿区）
——200000Re 5000<<——44.0=ζ——()
ρ
ρρ-=s gd u 74
.10
④
5
0102Re ⨯>后，ζ骤然下降，在5010)10~3(Re ⨯=范围内可近似取1.0=ζ。

（5）公式使用方法
①如果事前能够上确认沉降动处在哪个区，则直接就用该区的公式进行计算。

②如果不能确定流动处在哪个区，则应采用试法：即先假定流动处于层流区，用Stokes 公式求出沉降速度0u ，然后再计算雷诺数0Re ；如果2Re 0>，便改用相应的公式计算0u ，新算出的0u 也要检验，直到确认所用的公式正确为止。

③通过实验整理数据得到：
Ar Ar 6.018Re 0+=
（3）
其中Ar 称为阿基米德准数，()2
3μρρρg
d Ar s -=。

计算时先根据已知条件计算Ar ，然后由式（3）计算0Re ，最后
根据0Re 反算出沉降速度0u
④上述公式，若将重力加速度改为离心加速度，则都可用于离心力场中沉降速度的计算。

二、重力沉降设备 降尘室
（1）工作原理：
如图所示，气体入室后，因流通截面扩大而速度减慢。

气流中的尘粒一方面随气流沿水平方向运动，其速度与气流速度u 相同；另一方面在重力作用下以沉降速度0u 垂直向下运动。

只要气体室内所经历时间大于尘粒从室顶沉降到室底所用时间，尘粒便可分离出来。

（2）能被除去的最小颗粒直径：显然，粒子直径越大，越容易被除去。

下面考虑如何确定能被作去的最小颗粒直径。

前已述及，某一粒径的粒子能100%被除去的条件是其从室顶沉降到室底所需要时间小于气流在室内的停留时间，前者可用该粒子的室高除以沉降速度而得；而后者由室长除以气流速度而得：
u L
u H ≤
0，即 00A V LB HBu L Hu u s ==≥ （4）
其中s V 为以气体体积流量表示的处理量，m 3
/s ；0A 为降尘室的底面积，㎡。

该式给出了颗粒能被除去的条件，即
其沉降速度要大于处理量与底面积之商。

显然，该式取等号式时对应着能被除去的最小颗粒（因为考虑的是最小颗粒直径，所以可以认为沉降运动处于层流区）。

()0
2
min
018A V gd u s s =
-=μρρ，
()0
min 18A V g d s s ρρμ
-=
（5）
说明：显然，能被（100%）除去的最小颗粒尺寸不仅与颗粒和气体的性质有关，还与处理量和降尘室底面积有关。

（3）最大处理量：
由式（4）可知，00u A V s ≤，由此可以计算含尘气体的最大处理量。

说明①含尘气体的最大处理量与某一粒径对应的，是指这一粒径及大于该粒径的颗粒都能100%被除去时的最大气体量；
②最大的气体处理量不仅与粒径相对应，还与降尘室底面积有关，底面积越大处理量越大，但处理量与高度无关。

为此，降尘室都做成扁平形；为提高气体处理量，室内以水平隔板将降尘室分割居若干层，称为多层降尘室。

隔板的间距应考虑出灰的方便。

（4）补充说明：①气体在降尘室内流通截面上的均布非常重要，分布不均必须有部分气体在室内停留时间过短，其中所含颗粒来不及沉降而被带出室外。

为使气体均布，降尘室进出口通常都做成锥形；②为防止操作过程中已被除下的尘粒又被气流重新卷起，降尘室的操作气速往往很低；另外，为保证分离效率，室底面积也必须较大。

因此，降尘室是一种庞大而低效的设备，通常只能捕获大于50m μ的粗颗粒。

要将更细小的颗粒分离出来，就必须
采用更高效的除尘设备。

离心分离
一、离心作用下的沉降速度
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重力是一个定值。

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。

与重力沉降速度相比，只是将重力场改为离心场。

颗粒做圆周运动时，使其方向不断改变的力称为向心力。

颗粒的惯性却促使它脱离轨道而沿切线方向飞出，此惯性力称为离心力。

离心力与向心力大小相等，方向相反。

离心力2
/r t C ma mu r ==
m ——颗粒质量 r a ——离心加速度 t u ——颗粒的切线速度 r ——旋转半径
颗粒在沉降方向上所受的力有：
1）惯性离心力 2
3
6t s u c d r
π
ρ=
2）浮力 2
3
16t u F d r
π
ρ=
3）阻力 2
22
2
4
2
u u R A
d
ρρπ
ξξ
==
ρ——分散介质的密度 s ρ——悬浮在介质中球形微粒的密度
d ——颗粒直径 0u ——沉降速度 t u ——切线速度 当颗粒作等速沉降时 10c F R --=
这时
0u =当e R 〈2时，沉降属于层流区域，这时 02424e R du μ
ξρ
=
= 这时 22
0()18s t d u u r
ρρμ-= (/)m s
二、 离心沉降设备
颗粒在重力或离心力场中都可发生沉降过程。

利用离心力比利用重力要有效得多，因为颗粒的离心力由旋转而产生，转速越大，则离心力越大；而颗粒所受的重力却是固定的。

因此，利用离心力作用的分离设备不仅可以分离出比较小的颗粒，而且设备的体积也可缩小很多。

1．旋风分离器
（1）构造与工作原理：旋风分离器是利用离心沉降原理从气流中分离出颗粒的设备。

如图所示，上部为圆筒形、下部为圆锥形；含尘气体从圆筒上侧的矩形进气管以切线方向进入，藉此来获得器内的旋转运动。

气体在器内按螺旋形路线向器底旋转，到达底部后折而向上，成为内层的上旋的气流，称为气芯，然后从顶部的中央排气管排出。

气体中所夹带的尘粒在随气流旋转的过程中，由于密度较
大，受离心力的作用逐渐沉降到器壁，碰到器壁后落下，滑向出灰口。

旋风分离器各部分的尺寸都有一定的比例，只要规定出其中一个主要尺寸，如
圆筒直径D 或进气口宽度B ，则其它各部分的尺寸亦确定。

（2）分离性能估计
能被分离出的最小颗粒直径——临界直径c d ： 要时间小于等于气体在器内的有效停留时间，即
i
m i s m r u N
r u d B r u B πρμ21822≤
=；s i Nu B d ρπμ9≥
上式如果取等号，就是恰好能100%被分离出来的颗粒直径，以c d 表示。

其中气体在器内旋转圈数N 经常取5。

可见，临界直径不仅与颗粒和气体的性质有关，而且与旋风分离器的结构和处理量有关。

处理量越小（i u 越小）、颗粒密度越大、进口越窄、长径比越大（N 越大），则临界直径越小，或者说越容易分离。

导出该式的假定很勉强，故只属粗略估计。

（3）选型与计算
一般用圆筒直径D 表示其它部分的尺寸比例。

2．旋液分离器
旋液分离器是一种利用离心力从液流中分离固体颗粒的设备。

第三节 过 滤
● 教学目的：1掌握过滤操作的基本概念，恒压过滤的意义，过滤设备的
基本结构。

2离心机的构造、分类和操作原理。

● 教学重点：过滤的基本原理和基本操作
● 教学内容：1、过滤的分类；2、过滤介质；3、过滤设备；4；离心分离；5、气
体的其他净制设备。

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。

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。

多孔性固体介质：多孔性陶瓷板，多孔性塑料板，多孔性金属陶瓷板等，此类介质能截留小至1-3 m的固体颗粒。

堆积介质：细沙、石、炭屑等堆积的颗粒床层及非编织纤维玻璃棉等的堆积层。

一般用于处理含固体微粒少的悬浮液，如水的净化。

三）过滤推动力
过滤推动力是指滤饼和过滤介质两侧的压力差。

此压力差可以是重力或人为压差。

增加过滤推动力的方法有：
1、增加悬浮液本身的液柱压力，一般不超过50KN/m2，称为重力过滤。

2、增加悬浮液液面的压力，一般可达500KN/m2称为加压过滤。

3、在过滤介质下面抽真空，通常不超过真空度86.6KN/m2，称为真空过滤。

此外，过滤推动力还可以用离心力来增大，称为离心过滤。

四）过滤基本参数
处理量、生产能力、生产率、过滤面积、悬浮液固相浓度、滤饼含液量、滤饼与滤液的体积比、过滤速率、过滤速度
五）滤饼的可压缩性
不可压缩滤饼：由刚性颗粒形成的滤饼，在过滤过程中颗粒形状和颗粒间的空隙率保持不变。

如：晶体、碳酸钙、碳酸钠、硅酸钠、硅胶、硅藻土等。

可压缩滤饼：由非刚性颗粒形成的滤饼，在压强差作用下会变形。

例如：胶状的氢氧化铝、氢氧化铬和水化物沉淀。

六）助滤剂当悬浮液中颗粒很细时、很容易堵死过滤介质或所形成的滤饼在过滤的压力差作用下，空隙很小，阻力很大，过滤很难。

这时可用助滤剂，常用的有硅藻土、珍珠岩、石棉等。

七）过滤速度
是指单位时间内、通过单位过滤面积的滤液体积，用符号U 表示。

V U A τ
∆=
∆ 32
(/.)m m s A ——设备过滤面积 τ∆——时间间隔 V ∆——通过过滤面积的滤液量
八）过滤操作阶段 过滤——洗涤——去湿——卸料 九）滤饼的洗涤
目的：回收滤液或得到较纯净的固体颗粒 十）过滤机的生产能力及影响因素
（1）用单位时间内所能得到的滤液量来表示
V
h V
V ττττ
=
=
++∑洗辅
h V ——过滤机的生产能力 /)h 3（m
V ——一个操作周期中所得滤液量 3()m τ∑——一个操作周期的总时间 ()h
τ——过滤时间 ()h τ洗——洗涤时间 ()h τ辅——辅助时间 ()h
（2）影响因素
A ：悬浮液性质
B ：过滤的推动力
C ：过滤介质及旅饼的性质
第三节 离心分离
离心分离式利用离心力分离流体中悬浮的固体微粒或液滴的操作。

一、 影响离心分离的主要因素：
离心分离因数：固体粒子所受的惯性离心力与重力之比，或向心加速度和重力加速度之比称为离心分离因数，用 a 表示
22/t t mu r u c
a mg mg rg
===
a 为离心沉降速度是重力沉降速度的（a ）倍。

离心分离因数是衡量离心机特性的重要因素，a 值越大，离心力越大，离心机的分离能力也越强。

提高a 值
的有效措施是增加转速，但同时适当的减小转鼓的半径，以保证转鼓有足够的机械强度。

二、 离心机：
离心机的分类、构造、操作特性及适用场合。

第四节其它气体净制过程及设备
一、袋滤器
使含尘气体穿过做成袋状而支撑在适当骨架上的滤布，以滤出气体中的尘粒。

它由滤袋、骨架、壳体、清灰装置、灰斗和排灰阀部分组成。

二、文丘里除尘器
是一种湿法除尘设备，主要有收缩管、喉管及扩散管三段连接而成。

液体喷成很细的雾滴，促使尘粒湿润而聚结长大，随后将气流引入旋风分离器或其它分离设备，达到较高净化程度。

三、泡沫除尘器
泡沫除尘器适用于净制含有灰尘或气雾气体的设备。

四、静电除尘器
使含有悬浮尘粒或露滴的气体通过金属板间的高压直流静电场，气体发生电离，生成带正电荷和负电荷离子，离子和尘粒或雾滴相遇而附于其上，使后者带有电荷而被电极所吸引，尘粒便从气体中除去。