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

10-7

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