第3章 非均相物系的分离

1、2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离1 第十周第十周作业作业 课本课本177页第页第2、611题题 本周应掌握的内容本周应掌握的内容 u熟练掌握颗粒的基本特性；熟练掌握颗粒的基本特性； u沉降（重力、离心）的基本原理；沉降（重力、离心）的基本原理； u沉降速度的计算（重点）；沉降速度的计算（重点）； u降尘室的计算（重点）；降尘室的计算（重点）； u了解离心沉降及旋风分离器的基本结构和计算了解离心沉降及旋风分离器的基本结构和计算。 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离2 第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离 3.1 概述概述 3.2 沉降

2、沉降 3.3 过滤过滤 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离3 3.1 概述概述 3.1.1 混合物的定义混合物的定义 3.1.2 混合物的分类混合物的分类 3.1.3 颗粒的特性颗粒的特性 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离4 3.1.1 混合物的定混合物的定 义义 由两种或两种以上物质或由不同物化性质的由两种或两种以上物质或由不同物化性质的 相同物质构成的物系称为混合物。相同物质构成的物系称为混合物。 3.1.2 混合物的分类混合物的分类 均相混合物均相混合物 非均相混合物非均相混合物 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系

3、的分离5 均相混合物均相混合物 定义定义 若混合物处于同一相中，则称为均相混合物，均相混合物在物系若混合物处于同一相中，则称为均相混合物，均相混合物在物系 整体物理化学性质相同。整体物理化学性质相同。 物系内部各处均匀，不存在物系内部各处均匀，不存在相界面如相界面如：溶液、混合气体、均匀合：溶液、混合气体、均匀合 金金 分离分离 方法方法 蒸馏：蒸馏： 分离苯甲苯溶液分离苯甲苯溶液 吸收：吸收： 分离含氨的混合空气分离含氨的混合空气 萃取：萃取： 丙酮水溶液的分离丙酮水溶液的分离 结晶：结晶： 盐水中提取固体盐盐水中提取固体盐 膜分离：从空气中分离氧气和氮气膜分离：从空气中分离氧气和氮气 干燥

4、：干燥： 从固态物料中分离水蒸气从固态物料中分离水蒸气 非均相混合物非均相混合物 u定义定义 由由两种或两种以上两种或两种以上物质构成物质构成的、不同时处于同一相中的物系称的、不同时处于同一相中的物系称 为非均相混合物为非均相混合物。 分散相分散相 连续相连续相 物系中处于分散状态的物系中处于分散状态的物质物质 固固粒、液滴、气泡等。粒、液滴、气泡等。 有多个相界面。有多个相界面。 包围分散物质且处于连续状态的物质，又称为分散介质。包围分散物质且处于连续状态的物质，又称为分散介质。 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离6 气态非均相物系：气态非均相物系： 含尘气体，含雾

5、气体；含尘气体，含雾气体； 液态非均相物系：液态非均相物系： 悬浮液，乳浊液，泡沫悬浮液，乳浊液，泡沫液液 固态非均相混合物：直径不一或形状不同的固固态非均相混合物：直径不一或形状不同的固粒粒。 非均相混合非均相混合 物物 根据连续根据连续 相的状态相的状态 u分类：分类： u分离方法：分离方法： 沉降：沉降： 过滤：过滤： 颗粒相对于流体运动颗粒相对于流体运动：重力沉降：重力沉降、离心沉降；、离心沉降； 流体相对于固体流体相对于固体颗粒运动：重力颗粒运动：重力、加压、真空、离心过滤等。、加压、真空、离心过滤等。 筛分、沉降、过滤、离心分离筛分、沉降、过滤、离心分离 得到合格的产品：得到合格的

6、产品：柴油冷冻脱蜡获得低标号柴油柴油冷冻脱蜡获得低标号柴油； 净化分散介质：原油脱水净化分散介质：原油脱水、污水除油、污水除油； 回收分散的颗粒物料：回收催化剂颗粒；回收分散的颗粒物料：回收催化剂颗粒； 环境保护和安全生产：烟尘回收。环境保护和安全生产：烟尘回收。 u分离目的：分离目的： 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离7 3.1.3 颗粒及颗粒床层的特性颗粒及颗粒床层的特性 一一 单颗粒的特性单颗粒的特性 二二 颗粒群的特性颗粒群的特性 三三 颗粒床层的特性颗粒床层的特性 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离8 一一 单颗粒的特性单颗粒的特

7、性 33 6 mdV p 22 mdS p （一）球形颗粒（一）球形颗粒 体积：体积： 表面积：表面积： 比表面积：比表面积：单位体积颗粒具有的表面积单位体积颗粒具有的表面积 32 6 mm dV S a p 大小大小 形状形状 大小大小-直径直径 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离9 （二）非球形颗粒（二）非球形颗粒 3 3 6 6 V ddV eVeV S ddS eSeS 2 体积当量直径体积当量直径d deV eV：体积等 ：体积等 表面积当量直径表面积当量直径d deS eS：表面积同 ：表面积同 比表面积当量直径比表面积当量直径d dea ea：比表面积等

8、 ：比表面积等 a d d a ea ea 6 6 大小大小 形状形状 形状形状形状因数形状因数：球形度：球形度 定义：与颗粒定义：与颗粒等体积等体积的球表面积的球表面积与颗粒的表面积之比与颗粒的表面积之比 2 2 2 2 2 2 2 2 eSeS eVeV eSeS eVeV p p d d d d d d d d S S S S 说明：说明：1 1，对于球形颗粒：，对于球形颗粒：=1=1； 值越大，颗粒形状越接近于球形；值越大，颗粒形状越接近于球形； 非球形颗粒用当量直径及球形度表示其特征：非球形颗粒用当量直径及球形度表示其特征： eVeV eV eV eS eV dd d V S a d

9、 dS dV 66 6 3 2 2 2 3 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离10 借助筛网孔径大小将物料进行分离的方法。借助筛网孔径大小将物料进行分离的方法。 操作简单、经济且分级精度高，最广泛的分级操作操作简单、经济且分级精度高，最广泛的分级操作 筛分目的：为获得较均匀的粒子群。筛分目的：为获得较均匀的粒子群。 筛分设备：冲眼筛和编织筛。筛分设备：冲眼筛和编织筛。 二二 颗粒群的特性颗粒群的特性 （一）、粒度分布（一）、粒度分布 不同粒径范围内所含粒子的个数或质量分率不同粒径范围内所含粒子的个数或质量分率 测粒度有筛分法、光学法、电化学法、流体力学法等。测粒度有筛

10、分法、光学法、电化学法、流体力学法等。 常见常见固定床的混合颗粒，固定床的混合颗粒，粒度大于粒度大于70m，常用常用筛分分析颗粒群的粒度分布。筛分分析颗粒群的粒度分布。 筛分法筛分法(sieving method) ： 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离11 由一系列递增（由一系列递增（0.0454.0mm）的，）的， 筛孔为正方形的金属丝网筛组成，筛孔为正方形的金属丝网筛组成， 相邻两筛号筛孔尺寸之比约为相邻两筛号筛孔尺寸之比约为20.5， 故面积按故面积按2倍递变。倍递变。 筛孔孔径大小是以目数表示：筛网筛孔孔径大小是以目数表示：筛网 上每英寸长度的筛孔数上每英寸

11、长度的筛孔数。见。见课本课本 137页表页表3-1 标准筛标准筛： 图解：图解： 若筛孔直径为若筛孔直径为d di-1 i-1 和 和d di i 相邻两 相邻两 筛的筛留质量分率为筛的筛留质量分率为x xi i，则有，则有 粒度粒度d dp pi i 的颗粒占全部颗粒的质量分率 的颗粒占全部颗粒的质量分率 混合颗粒粒度分布函数混合颗粒粒度分布函数 颗粒分布曲线颗粒分布曲线 累计分布曲线累计分布曲线 )( 2 1 1iipi ddd ii i i dd x f 1 pi d ppi dddfF 0 )()( 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离12 （二）（二） 颗粒群

12、的平均直径颗粒群的平均直径 颗粒比表面对流体通过固定床的流动影响最大，通常以比表面积相等原则颗粒比表面对流体通过固定床的流动影响最大，通常以比表面积相等原则 定义混合颗粒的平均直径定义混合颗粒的平均直径 d dpm pm。 。 若堆积密度若堆积密度 p p的单位质量混合球形颗粒中，粒径为的单位质量混合球形颗粒中，粒径为d dp pi i的颗粒的质量分率为的颗粒的质量分率为x xi i， 则混合颗粒的比表面为则混合颗粒的比表面为 比表面相等比表面相等 称比表面积（邵特）平均直径。称比表面积（邵特）平均直径。 长度、表面积、体积平均直径等见谭天恩长度、表面积、体积平均直径等见谭天恩化工原理化工原理

13、上册上册124125页。页。 pi i p i p i d x a x a 6 1 pi i pm d x a d 16 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离13 三三 颗粒床层的特性颗粒床层的特性 固定床固定床（Fixed bed）：固定不动的固体颗粒层：固定不动的固体颗粒层 例：固定床催化反应器、吸附分离器、离子交换器等。流体在固定床中例：固定床催化反应器、吸附分离器、离子交换器等。流体在固定床中 的流动状态直接影响到传热、传质与化学反应。的流动状态直接影响到传热、传质与化学反应。 （一）、床层的空隙率（一）、床层的空隙率 定义：定义：颗粒床层中空隙体积与床层总体积

14、之比。颗粒床层中空隙体积与床层总体积之比。 0bp bb VVV VV （二）、床层的平均自由截面积（二）、床层的平均自由截面积 单位单位床层截面上未被颗粒占据的面积，床层截面上未被颗粒占据的面积， 即：即：颗粒床层截面可供流体流通的面积颗粒床层截面可供流体流通的面积。 （三）、床层的比表面积（三）、床层的比表面积 定义：定义：单位体积床层中所具有的颗粒物料表面积。单位体积床层中所具有的颗粒物料表面积。 1 b a a 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离14 说明：说明： 影响因素：影响因素：形状、粒度分布、直径、床层直径，填充方法；形状、粒度分布、直径、床层直径，填

15、充方法； 均匀的球形颗粒：均匀的球形颗粒： 粒度不均粒度不均，提高颗粒的均匀性，提高颗粒的均匀性； 球形度球形度； 填充受震动填充受震动； 湿法填充湿法填充； 器壁效应：器壁效应： 截面截面不均，壁面大，流体趋壁，流体沿床层分布不均；不均，壁面大，流体趋壁，流体沿床层分布不均； 措施：减小颗粒直径；措施：减小颗粒直径； 一般乱堆床层一般乱堆床层： =0.470.70；最松排列；最松排列:=0.8；最紧排列；最紧排列:=0.26。 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离15 3.2 沉沉 降降 3.2.1 重力沉降重力沉降 3.2.2 重力沉降设备重力沉降设备 3.2.3

16、离心沉降离心沉降 3.2.4 离心沉降设备离心沉降设备 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离16 概概 述述 悬浮流体中的固粒悬浮流体中的固粒(液滴液滴)借助场作用力产生定向运动，实现与借助场作用力产生定向运动，实现与 流体分离，或使颗粒增稠、流体澄清的操作。流体分离，或使颗粒增稠、流体澄清的操作。 按外场按外场力不同分类力不同分类 定义：定义： 重力沉降：原油脱水、油水分离器、除尘器重力沉降：原油脱水、油水分离器、除尘器 离心沉降：旋风分离器离心沉降：旋风分离器 3.2.1 重力沉降重力沉降ut 是颗粒与流体间的相对速度，是颗粒与流体间的相对速度， 取决于流固取决于流

17、固(液）二相性质，与流体的流动无关。液）二相性质，与流体的流动无关。 颗粒在流体中的绝对速度颗粒在流体中的绝对速度up与流体流动状态直接相关。与流体流动状态直接相关。 当流体以流速当流体以流速 u 向上流动时，三个速度的关系为：向上流动时，三个速度的关系为： u = 0，up = ut 流体静止，颗粒向下运动；流体静止，颗粒向下运动； up= 0，u = ut ，颗粒静止地悬浮在流体中；，颗粒静止地悬浮在流体中； u ut，up 0， 颗粒向上运动；颗粒向上运动； u ut，up dDdp p） d dp p 流体分子直径，流体分子直径，沉降不受分沉降不受分 子运动的影响。子运动的影响。 设颗

18、粒直径为设颗粒直径为d dp p、密度为、密度为p p，流体，流体 密度为密度为，由，由受力分析，可以推出受力分析，可以推出 颗粒的重力沉降速度：颗粒的重力沉降速度： ma u dgdgd t s 2466 2 233 3 )(4gd u s t 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离18 书上书上144 144页图 页图3-6 3-6 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离19 阻力系数阻力系数 ep R 24 18 )( 2 gd u sp t 颗粒颗粒-流体一定，流体一定，ut一定，与之对应的一定，与之对应的Rep 也一定。根据对应的也一定。根

19、据对应的 Rep，可得不，可得不 同同Rep范围内范围内 ut 的计算式：的计算式： Rep2，层流区，层流区(斯托克斯公式斯托克斯公式)： Rep=dput/ 3 )(4gd u s t 阻力系数的计算阻力系数的计算 所处区所处区雷雷 诺诺 数数阻力系数阻力系数沉沉 降降 速速 度度公式名称公式名称 层流区层流区 2斯托克斯斯托克斯 过渡流过渡流2500阿仑公式阿仑公式 湍流区湍流区5002105牛顿公式牛顿公式 Re 24 18 )( 2 gd u s t 6 . 0 5 .18 e R 4 . 1 1 6 . 04 . 0 6 . 1 )( 781. 0 s t d u 44. 0 )(

20、 74. 1 s t gd u 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离20 密度为密度为2500 kgm-3的玻璃球在的玻璃球在20水和空气中以相同速度沉降。求在两种介水和空气中以相同速度沉降。求在两种介 质中沉降的颗粒直径比（沉降处于层流区）质中沉降的颗粒直径比（沉降处于层流区） 解：层流沉降适用解：层流沉降适用Stokes公式：公式： 18 )( 18 )( 2 2 2 2 2 1 1 2 1 1 gd u gd u s t s t 设在水中和空气中沉降设在水中和空气中沉降的的 玻璃玻璃球直径分别为球直径分别为d1和和d2则：则： 整理得：整理得： 18 )( 2 g

21、d u sp t 612. 9 1018.1998.2)-(2500 101.0051.205)-(2500 )( )( 18 )( 18 )( 6- 3- 21 12 11 1 22 2 2 1 s s t s t s u g u g d d 1040. 0 1 2 d d 讨论：讨论： 运用运用上述原理还上述原理还可根据可根据颗粒在流体中沉降速度的实验颗粒在流体中沉降速度的实验数据计算数据计算 颗粒颗粒的粒度的粒度d dp p 或 或流体黏度；流体黏度； 令令Rep=2，可推出，可推出ut= 2/（dp），代入斯托克斯公式可以），代入斯托克斯公式可以 计算层流时的最大颗粒直径：计算层流时的

22、最大颗粒直径： 3/1 2 max, )( 3 . 3 p p d 落球法测定落球法测定流体黏度流体黏度 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离21 沉降速度沉降速度ut(settling velocity)的计算的计算 u已知颗粒直径和流体物性，计算沉降速度；已知颗粒直径和流体物性，计算沉降速度； u已知颗粒直径和沉降速度，计算流体物性；已知颗粒直径和沉降速度，计算流体物性； u已知流体物性和沉降速度，计算颗粒直径。已知流体物性和沉降速度，计算颗粒直径。 试差法：试差法：u因因Rep中包含中包含 ut，故计算沉降速度时常需用试差法：，故计算沉降速度时常需用试差法： 假设

23、流型假设流型相应相应公式公式求求ut计算计算雷诺数雷诺数Rep 检验检验Rep与设与设 定范围相符定范围相符 输出输出ut Yes No 摩擦数群法：摩擦数群法： 3 1 2 3 1 2 4 3 )(g dRK p pep 取取K为判据：为判据： 层流区：取层流区：取Rep=2，=24/Rep，则，则K=3.3 故：故：K3.3，按照斯托克斯公式求，按照斯托克斯公式求ut； 过渡区：过渡区：K=3.343.6，阿仑公式；，阿仑公式； 湍流区：湍流区：K43.6，牛顿公式，牛顿公式 优点在计算沉降速度时可优点在计算沉降速度时可避免试差避免试差 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物

24、系的分离22 二、影响沉降速度的因素二、影响沉降速度的因素 干扰沉降干扰沉降 干扰沉降：流体中颗粒的含量较大时，颗粒沉降时彼此相互影响。液干扰沉降：流体中颗粒的含量较大时，颗粒沉降时彼此相互影响。液-固重力固重力 沉降分离中更为突出沉降分离中更为突出。 器壁效应器壁效应 颗粒与容器壁面间摩擦碰撞对颗粒沉降速度产生影响。颗粒粒径颗粒与容器壁面间摩擦碰撞对颗粒沉降速度产生影响。颗粒粒径dp与容与容 器直径器直径D之比值越大，壁效应影响越大。一般当之比值越大，壁效应影响越大。一般当dp/D0.01时，壁效应影响会时，壁效应影响会 使颗粒的沉降速度减小。使颗粒的沉降速度减小。 层流校正：层流校正： D

25、 d uu p tt 1 . 21/ 引入当量直径引入当量直径d deV eV： ： teV ep ud R 15 15 球形度球形度uut t 颗粒形状的影响颗粒形状的影响 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离 23 3.2.2 重力沉降设备重力沉降设备 一、一、沉降室沉降室 气 体 进 口 气 体 出 口 H B L ut V u V 结构结构 作用：分离气固混合物作用：分离气固混合物 简化假定简化假定 将降尘室简化为高将降尘室简化为高H H、宽、宽b b、 长长L L的矩形方体的矩形方体 入口端气体中的颗粒均匀入口端气体中的颗粒均匀 分布在整个截面上。分布在整个截

26、面上。 气流速度气流速度 沉降速度沉降速度 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离24 降尘室的分离原理降尘室的分离原理 )( tc t t t ufd u H u L 沉降时间沉降时间停留时间停留时间 沉降时间沉降时间 停留时间停留时间降尘室能够完全分离的降尘室能够完全分离的 最小颗粒沉降速度最小颗粒沉降速度 u L u H t t 颗粒颗粒dp在降尘室内全部沉降的条件为在降尘室内全部沉降的条件为=t，即，即 颗粒通过降尘段的时间颗粒通过降尘段的时间(停留时间停留时间)为为 = L/u ； 而粒径为而粒径为dp、沉降速度为、沉降速度为ut 的颗粒从高度为的颗粒从高度为H

27、的顶部降至底部所需时间的顶部降至底部所需时间 为为t = H/ut 。 公式推导：公式推导： 分离条件：分离条件： u L u H t t 2021-7-1 第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离 25 说明：说明： 式取式取=时时ut能能100%分离的最小颗粒沉降速度分离的最小颗粒沉降速度； 气体处理量气体处理量Vs，降尘室底面积，降尘室底面积Ab=Lb，停留时间：，停留时间： 降尘室生产能力理论上降尘室生产能力理论上 颗粒的沉降速度和降颗粒的沉降速度和降 尘室底面积，而尘室底面积，而与沉降与沉降 室的高度无关室的高度无关；降尘室；降尘室 作成扁平作成扁平 bLuuAV u H V A

28、H ttbs ts b t 含 尘 气 体 除 尘 后 气 体 粉 尘 1 2 3 4 含尘气体 除尘后 气体 粉尘 1 2 3 粉尘 5 为使设备紧凑，降尘室做成扁平，设置纵向隔板或水平多层；为使设备紧凑，降尘室做成扁平，设置纵向隔板或水平多层；工业上降尘工业上降尘 设备多为扁平形状或一室多层结构；设备多为扁平形状或一室多层结构； 同气速下装有横向隔板的降沉室除尘效果更好。同气速下装有横向隔板的降沉室除尘效果更好。 因隔板因隔板间流速相同，间流速相同，颗粒达到隔板通道底部的沉降距离更短，一般隔板间距为颗粒达到隔板通道底部的沉降距离更短，一般隔板间距为4040100mm100mm； 为便于清灰

29、，可将隔板装成可翻动或倾斜式。为便于清灰，可将隔板装成可翻动或倾斜式。 u L u H t t 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离26 若为若为n n层隔板：层隔板： 进出口气体湍动，进出口气体湍动，ddmin的颗粒可被卷起；的颗粒可被卷起； ddmin的颗粒靠近降尘室底部，可分离出的颗粒靠近降尘室底部，可分离出； 取取u3m/s；易扬起颗粒取；易扬起颗粒取u1.5m/s。 tbs uA)n(V 1 特点：特点： 结构简单、流动阻力小；结构简单、流动阻力小； 体积庞大、分离效率低，体积庞大、分离效率低， 适用于适用于dp50m的粗颗粒，预除尘用。的粗颗粒，预除尘用。

30、2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离27 二、沉降槽（增浓器、澄清器）二、沉降槽（增浓器、澄清器） 间歇式和连续式；间歇式和连续式； 提高悬浮液浓度，得到澄清液体；提高悬浮液浓度，得到澄清液体； 悬浮液中颗粒浓度较高，沉降多属于干悬浮液中颗粒浓度较高，沉降多属于干 扰沉降扰沉降； 三、分级器三、分级器 利用颗粒粒径利用颗粒粒径或密度不同在或密度不同在流体中流体中u ut t不同的原理不同的原理实现分离实现分离的设备的设备称分级器称分级器。 将将u ut t不同的颗粒放入向上流动水流中，若水流速调整在不同的颗粒放入向上流动水流中，若水流速调整在两两u ut t之间，则之间

31、，则u ut t较小较小 的那部分颗粒便被漂走。若有密度不同的那部分颗粒便被漂走。若有密度不同a a、b b两种颗粒要分离，且两种颗粒直径两种颗粒要分离，且两种颗粒直径 范围都很大，则由于密度大而直径小的颗粒与密度小而直径大的颗粒，可具有范围都很大，则由于密度大而直径小的颗粒与密度小而直径大的颗粒，可具有 相同的相同的u ut t，因此两者不能完全分离。，因此两者不能完全分离。 2/1 b a a b d d 设计设计连续沉降槽，应据要求和物连续沉降槽，应据要求和物系干扰沉降系干扰沉降性质，性质，恰当确定恰当确定位于位于液面下液面下料料 浆的进口位置以使料浆均匀、缓和地分散到横截面上而不致引起

32、大的扰动。浆的进口位置以使料浆均匀、缓和地分散到横截面上而不致引起大的扰动。 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离28 3.2.3 离心沉降离心沉降 径向（沉降）速度径向（沉降）速度 切向速度切向速度 实际速度实际速度 利用离心力的作用将非均相混合物中的颗粒利用离心力的作用将非均相混合物中的颗粒 分离出来的单元操作称为离心沉降过程。分离出来的单元操作称为离心沉降过程。 r ud u Ts r 2 3 )(4 = 参照重力沉降速度参照重力沉降速度 rg u g a u u K Tr t r C 2 层流沉降层流沉降 离心分离因数离心分离因数KC： 3 )(4gd u s

33、t 可推导出可推导出离心沉降速度离心沉降速度： 物义：物义： 颗粒在离心场中所受离心力为重力的倍数；颗粒在离心场中所受离心力为重力的倍数； 旋风分离器：旋风分离器：Kc=52500。 说明：说明： 颗粒的颗粒的ut(颗粒细小颗粒细小Rep50kg50kgm m-3 -3、 、 固含量固含量10%10%的悬浮液的悬浮液 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离44 卧式螺旋卸料离心机示意图卧式螺旋卸料离心机示意图 1 1螺旋送料器；螺旋送料器；2 2机壳；机壳；3 3转鼓；转鼓；4 4行星差速器行星差速器 12 3 4 悬浮液 溢 流 沉 渣 螺旋卸料沉降离心机螺旋卸料沉降离

34、心机 有卧和立式两种。连续操作悬浮液固体沉降到鼓壁，有卧和立式两种。连续操作悬浮液固体沉降到鼓壁， 转鼓有一定转速差的螺旋向小端输送并排出，清液则由转鼓有一定转速差的螺旋向小端输送并排出，清液则由 转鼓大端溢流而出。分离因数达转鼓大端溢流而出。分离因数达60006000。可处理粒度。可处理粒度 2mm2mm5mm5mm、固含量、固含量10%0.05g0.05gcmcm-3 -3 的 的 悬浮液。悬浮液。 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离45 LW450 x1350LW450 x1350 LW500 x2000LW500 x2000 喷嘴排渣碟式离心机喷嘴排渣碟式离心

35、机 底液 进料 溢流液 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离46 碟式离心机碟式离心机( (薄层分离沉降离心机薄层分离沉降离心机) ) 转鼓内装有一叠随转鼓旋转的倒锥形碟片，碟片转鼓内装有一叠随转鼓旋转的倒锥形碟片，碟片 间隙为间隙为0.50.51.5mm1.5mm，分离因数可达，分离因数可达300030001000010000。 悬浮液由中心管引入转鼓，分配在碟片之间形成悬浮液由中心管引入转鼓，分配在碟片之间形成 薄层流动。在离心力作用下，颗粒沉降到碟片内侧薄层流动。在离心力作用下，颗粒沉降到碟片内侧 表面并向外滑动。清液则沿碟片外侧表面向内流动。表面并向外滑动。清液

36、则沿碟片外侧表面向内流动。 碟片扩展了沉降面，缩短了沉降距离，故具有较碟片扩展了沉降面，缩短了沉降距离，故具有较 大的生产能力和较高的分离效率，适于处理粒径大的生产能力和较高的分离效率，适于处理粒径 0.10.1100mm100mm、固含量小于、固含量小于25%25%的悬浮液。的悬浮液。 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离47 管式离心机管式离心机 转鼓直径小、长度大、转速高、分离效率高，可处转鼓直径小、长度大、转速高、分离效率高，可处 理颗粒理颗粒0.01mm0.01mm的悬浮液或乳浊液。的悬浮液或乳浊液。 连续操作，料液由转鼓下端加入，被转鼓内纵向肋连续操作，料液

37、由转鼓下端加入，被转鼓内纵向肋 板带动达到与转鼓同角速度旋转。在离心力作用下颗板带动达到与转鼓同角速度旋转。在离心力作用下颗 粒或重液层甩向鼓壁由重液出口引出，轻液则从转鼓粒或重液层甩向鼓壁由重液出口引出，轻液则从转鼓 中心部位溢出。中心部位溢出。 离心分离因数达离心分离因数达6500065000，可用于油水分离和分离微生，可用于油水分离和分离微生 物和蛋白质。物和蛋白质。 管式离心机示意图管式离心机示意图 重相 出口 轻相 出口 进 料 连接高压电源 洁净气体出口 不放电的高压电极 收尘极 放电极 含尘气体入口 收尘区 放电区 1 2 3 4 5 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离

38、非均相物系的分离48 三、电沉三、电沉 降降 分离效率很高分离效率很高、流动、流动阻力很低阻力很低 管式电除尘器管式电除尘器 结构结构：在：在金属圆管中心安放与电源相联的金属丝作金属圆管中心安放与电源相联的金属丝作 放电极，圆管壁面接地作集尘极。在两极间施加放电极，圆管壁面接地作集尘极。在两极间施加1 1 6 6万伏直流电压。万伏直流电压。 工作原理工作原理： 当含尘气体从底部进入管内时，放电极周围当含尘气体从底部进入管内时，放电极周围 形成电晕放电使气体电离产生大量自由电子和负形成电晕放电使气体电离产生大量自由电子和负 离子，附着在颗粒上使颗粒带负电。在电场力的离子，附着在颗粒上使颗粒带负电

39、。在电场力的 作用下带负电的颗粒向正极（集尘极）管壁移动，作用下带负电的颗粒向正极（集尘极）管壁移动， 在集尘极上失去电荷成为中性粒子附于电极表面，在集尘极上失去电荷成为中性粒子附于电极表面， 并借助振动脱落进入灰斗。并借助振动脱落进入灰斗。 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离49 3.3 过过 滤滤 3.3.1 过滤的基本概念过滤的基本概念 3.3.2 过滤的基本方程过滤的基本方程 式式 3.3.3 过滤设备及其操过滤设备及其操 作作 3.3.4 过滤计算过滤计算 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离50 引引 言言 固固-流非均相体系：流非

40、均相体系：结晶过程中的晶浆，浸取过程中结晶过程中的晶浆，浸取过程中 的固态天然产物与溶剂；催化反应过程中的固体催的固态天然产物与溶剂；催化反应过程中的固体催 化剂与反应物。化剂与反应物。 颗粒颗粒-流体非均相分离技术均流体非均相分离技术均基于颗粒与流体两相性基于颗粒与流体两相性 质上的差异质上的差异，如颗粒尺度，如颗粒尺度(过滤过滤)和颗粒与流体的密度和颗粒与流体的密度 差差(沉降沉降)。 液体与气体对颗粒物料分散特性差别很大，故常以液体与气体对颗粒物料分散特性差别很大，故常以 液液-固和气固和气-固体系固体系加以区分。不过从两相流体力学原加以区分。不过从两相流体力学原 理的角度而言都是共通的

41、。理的角度而言都是共通的。 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离51 4 4个术语个术语 u滤浆滤浆液固悬浮液，过滤的原料。液固悬浮液，过滤的原料。 u滤液滤液过滤后得到的液体产品。过滤后得到的液体产品。 u滤饼滤饼过滤后得到的固体产品。过滤后得到的固体产品。 u饼液比饼液比滤浆中固体与液体含量的比值滤浆中固体与液体含量的比值 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离52 3.3.1 3.3.1 过滤的基本概念过滤的基本概念 利用重力或压差使悬浮液通过多孔利用重力或压差使悬浮液通过多孔 性过滤介质，将固体颗粒截留，从性过滤介质，将固体颗粒截留，从 而

42、实现固而实现固- -液分离的单元操作。液分离的单元操作。 悬浮液 (滤浆) 滤饼 过滤介质 滤液 过滤的方式很多，适用的物系也很过滤的方式很多，适用的物系也很 广泛，固广泛，固- -液、固液、固- -气、大、小颗粒气、大、小颗粒 都很常见。都很常见。 用膜过滤用膜过滤( (膜分离膜分离) )可分离可分离nmnm尺度的大分子量蛋白质和尺度的大分子量蛋白质和 病毒粒子等。病毒粒子等。 无论采用何种过滤方式，均需使用过滤介质，在很多无论采用何种过滤方式，均需使用过滤介质，在很多 情况下，情况下，过滤介质是影响过滤操作关键因素过滤介质是影响过滤操作关键因素。 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分

43、离非均相物系的分离53 一、过滤方式一、过滤方式 过滤介质为织物、多孔材料或膜等，孔过滤介质为织物、多孔材料或膜等，孔 径可径可 最小粒径。在最小粒径。在过滤初期，小颗粒可以过滤初期，小颗粒可以 进入或穿过进入或穿过介质的小孔，后因颗粒的架桥介质的小孔，后因颗粒的架桥 作用使介质的孔径缩小形成有效的阻挡。作用使介质的孔径缩小形成有效的阻挡。 被截留在介质表面的颗粒形成滤渣层（滤饼），透被截留在介质表面的颗粒形成滤渣层（滤饼），透 过滤饼层的则是被净化了的滤液。过滤饼层的则是被净化了的滤液。 随滤饼的形成，真正随滤饼的形成，真正起过滤作用的是滤饼起过滤作用的是滤饼，而非过，而非过 滤介质本身，故

44、称作滤饼过滤。滤介质本身，故称作滤饼过滤。 滤饼过滤主要用于含固量较大（滤饼过滤主要用于含固量较大（1%1%）的场合。）的场合。 滤饼过滤滤饼过滤( (表面过滤表面过滤) )： 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离54 深层过滤：深层过滤： 过滤介质为较厚的滤床类过滤介质为较厚的滤床类 （沙层、硅藻土等）；（沙层、硅藻土等）； 小于介质孔隙的颗粒可进小于介质孔隙的颗粒可进 入到介质内部，在长而曲折入到介质内部，在长而曲折 的孔道中被截留并附着于介的孔道中被截留并附着于介 质上；质上； 深层过滤无滤饼形成，主要用于净化含固量很深层过滤无滤饼形成，主要用于净化含固量很 少（

45、少（0.1%0.1%）的流体，如水的净化、烟气除尘等。）的流体，如水的净化、烟气除尘等。 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离55 二、过滤介二、过滤介 质质 滤饼支撑物，足够机械强度和较小流动阻力、耐腐蚀性滤饼支撑物，足够机械强度和较小流动阻力、耐腐蚀性 和耐热性；和耐热性；多孔、理化性质稳定、耐用和可反复使用。多孔、理化性质稳定、耐用和可反复使用。 织物介质：织物介质： 最常用的过滤介质，工业上称为滤布最常用的过滤介质，工业上称为滤布( (网网) )； 由天然纤维、玻璃纤维、合成纤维或者金属丝编织由天然纤维、玻璃纤维、合成纤维或者金属丝编织 而成，如棉花、麻、羊毛、

46、丝、石棉等，以棉织的帆布、而成，如棉花、麻、羊毛、丝、石棉等，以棉织的帆布、 斜纹布及毛织的呢绒应用最广斜纹布及毛织的呢绒应用最广 截留最小颗粒视网孔大小而定，一般截留最小颗粒视网孔大小而定，一般5 56565微米微米 织物介质、织物介质、粒状介质、多孔固体介质、多孔膜粒状介质、多孔固体介质、多孔膜 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离56 粒状介质：粒状介质： 由固粒堆积成称滤床，使含少量悬浮物液体澄清；由固粒堆积成称滤床，使含少量悬浮物液体澄清； 常用于深层过滤。常用于深层过滤。 多孔固体介质：多孔固体介质： 用多孔陶瓷、塑料、金属等粉末烧结成型而制得的用多孔陶瓷、

47、塑料、金属等粉末烧结成型而制得的 片状、板状或管状的多孔性固体材料片状、板状或管状的多孔性固体材料( (烧结板材烧结板材) )； 此介质较厚，孔道细，能截留此介质较厚，孔道细，能截留1 13mm3mm的微小颗粒。的微小颗粒。 多孔膜：多孔膜： 聚合物薄膜，常见的是醋酸纤维膜与聚酰胺膜；聚合物薄膜，常见的是醋酸纤维膜与聚酰胺膜； 膜过滤属精密过滤，可分离膜过滤属精密过滤，可分离5nm5nm的微粒。的微粒。 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离57 三、滤饼的压缩性和助滤剂三、滤饼的压缩性和助滤剂 滤饼的压缩性滤饼的压缩性 过滤时间过滤时间滤饼厚度滤饼厚度，流动阻力，流动阻

48、力 不可压缩性滤饼：不可压缩性滤饼：推动力变化，滤饼特性不变；推动力变化，滤饼特性不变； 可压缩性滤饼：可压缩性滤饼：如氢氧化物的胶体物质。如氢氧化物的胶体物质。 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离58 助滤剂助滤剂 作用：作用：防止胶性微粒堵塞滤孔，滤液流通受阻。防止胶性微粒堵塞滤孔，滤液流通受阻。 能形成能形成疏松疏松多孔饼层的刚性颗粒，多孔饼层的刚性颗粒， 预涂在滤布上或将性质坚硬能形成疏松床层的另一固预涂在滤布上或将性质坚硬能形成疏松床层的另一固 体颗粒作助滤剂混在悬浮液中使滤液畅通。体颗粒作助滤剂混在悬浮液中使滤液畅通。 特性：特性： 提高滤饼渗透性，减小阻

49、力；提高滤饼渗透性，减小阻力； 一定的化学稳定性；一定的化学稳定性； 操作压差的范围内不可压缩性。操作压差的范围内不可压缩性。 缺点：缺点：以获得滤液为目的，要以获得滤液为目的，要回收滤饼时不可用回收滤饼时不可用。 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离59 四、过滤的操作四、过滤的操作 过滤操作周期过滤操作周期 过滤：主要阶段，在过程中滤饼不断增厚、阻力不断上过滤：主要阶段，在过程中滤饼不断增厚、阻力不断上 升，流体的通过能力则不断减小；升，流体的通过能力则不断减小； 洗涤：在卸料之前用清液置换滤饼中存留的滤液并且洗洗涤：在卸料之前用清液置换滤饼中存留的滤液并且洗 涤滤

50、饼；涤滤饼； 脱湿：以滤饼为产品时洗涤后用压缩空气进行脱湿；脱湿：以滤饼为产品时洗涤后用压缩空气进行脱湿； 卸料：将滤饼从过滤介质上移去；卸料：将滤饼从过滤介质上移去； 清洗过滤介质：使被堵塞网孔清洗过滤介质：使被堵塞网孔“再生再生”，重复使用。，重复使用。 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离60 四、过滤的操作四、过滤的操作 过滤操作分为：间歇式、连续式；过滤操作分为：间歇式、连续式； 过滤推动力：重力、加压、真空和离心过滤之分，过滤推动力：重力、加压、真空和离心过滤之分， 其目的都是提供动力、克服过滤阻力。其目的都是提供动力、克服过滤阻力。 操作方式操作方式 20

51、21-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离61 流体在颗粒床层通道中流动，流速的方向与大小时刻流体在颗粒床层通道中流动，流速的方向与大小时刻 变化，一方面使流体在床层截面上的流速分布趋于均变化，一方面使流体在床层截面上的流速分布趋于均 匀，另一方面使流体产生相当大的压降。匀，另一方面使流体产生相当大的压降。 困难：通道的细微几何结构十分复杂，即使是爬流时困难：通道的细微几何结构十分复杂，即使是爬流时 压降的理论计算也是十分困难的，压降的理论计算也是十分困难的， 解决方法：用简化模型通过实验数据关联。解决方法：用简化模型通过实验数据关联。 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分

52、离非均相物系的分离62 L u Le u 表观速度 把颗粒床层不规则把颗粒床层不规则 通道虚拟为一组长为通道虚拟为一组长为 L Le e的平行细管，其总的平行细管，其总 的内表面积等于床层的内表面积等于床层 中颗粒的全部表面积。中颗粒的全部表面积。 总的流动空间总的流动空间= =床层的全部空隙体积；床层的全部空隙体积； 流通截面面积流通截面面积= =床层自由流通截面面积。床层自由流通截面面积。 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离63 将流体通过颗粒床层的流动简化为在长为将流体通过颗粒床层的流动简化为在长为L Le e、当量直径、当量直径 d deb eb的管组内流动，

53、床层的压降 的管组内流动，床层的压降 p p表达为表达为 u u 1 2 2 1 u d L p eb e b 该管组（即床层）的当量直径可表达为该管组（即床层）的当量直径可表达为 e e eb L L d / /44 床层颗粒的全部表面积床层颗粒的全部表面积 床层空隙体积床层空隙体积 管组湿润周边管组湿润周边 管组流通截面积管组流通截面积 u u1 1 流体在虚拟细管内的流速，等价于流体在床层颗 流体在虚拟细管内的流速，等价于流体在床层颗 粒空隙间的实际粒空隙间的实际 ( (平均平均) ) 流速。流速。 u u1 1与空床流速与空床流速( (表观流速表观流速) )u u、空隙率、空隙率 的关

54、系的关系 )1( 44 aa d b eb 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离64 2 3 2 3 2 )1()1( 82 1 u a u a L Lu dL p e eb )( eb Rf 工程上为了直观对比的方便而将流体通过颗粒床层的工程上为了直观对比的方便而将流体通过颗粒床层的 阻力损失表达为单位床层高度上的压降阻力损失表达为单位床层高度上的压降 固定床流动摩擦系数固定床流动摩擦系数 床层雷诺数床层雷诺数 )1(4 1 a uud R eb eb 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离65 K = 5.0 康采尼常数康采尼常数 康采尼（康采

55、尼（KozenyKozeny）式：）式：ReReb b 2 2 b K Re 22 3 (1) b pa Ku L 康采尼（康采尼（KozenyKozeny）方程）方程 2 3 )1( u a L p )1( a u Reb 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离66 欧根（欧根（Ergun）关联式：）关联式： Reb=（0.17420） 可用可用 A 与与 deV 的乘积的乘积 ( A deV) 代替代替 dea。 4.17 0.29 bRe 2 33 22 )1 ( 29. 0 )1 ( 17. 4u a u a L pb 2 2 332 11 1501.75 b e

56、aea p uu L dd 0.1 1.0 10 100 0.010.11.010100100010000 bRe 欧根欧根 (Ergun) (Ergun) 方程方程 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离67 当当 Reb 280 (103) 时，方程右侧第一项可略。即流动为时，方程右侧第一项可略。即流动为 湍流时，压降与流速的平方成正比而湍流时，压降与流速的平方成正比而与黏度无关与黏度无关。 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离68 与管内与管内 Re 关系不同的是，关系不同的是， Reb的变化是一条连续的变化是一条连续 光滑曲线，说明流体在颗

57、粒床层中由滞流到湍流是渐变光滑曲线，说明流体在颗粒床层中由滞流到湍流是渐变 过程，这反映了颗粒床层对流体速度分布的均化作用。过程，这反映了颗粒床层对流体速度分布的均化作用。 影响床层压降的因素影响床层压降的因素 操作变量操作变量u、流体物性、流体物性和和及床层特性及床层特性和和a 影响最大的是影响最大的是 0.1 1.0 10 100 0.010.11.010100100010000 bRe 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离69 例例 4-2 空隙率及比表面的测定空隙率及比表面的测定 如图空气通过待测粉体组成的床层，其流量用毛细管流如图空气通过待测粉体组成的床层，其

58、流量用毛细管流 量计测得，床层压降用量计测得，床层压降用 U 形压差计测量。形压差计测量。 今用今用12.2g水泥充填成截面水泥充填成截面5cm2、 厚为厚为1.5cm床层。常压下床层。常压下20的的 空气以空气以4ml/s的流量通过床层，的流量通过床层， 测得床层压降测得床层压降P=1500Pa。已。已 知水泥密度知水泥密度p=3120kg/m3，试计，试计 算此水泥粉的比表面。算此水泥粉的比表面。 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离70 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离71 Re 2 ReV幅度幅度Q。 对恒定过滤每一操作周期中必存在一

59、最佳过滤时间对恒定过滤每一操作周期中必存在一最佳过滤时间 opt使使Q最大。因此存在一个最佳操作周期最大。因此存在一个最佳操作周期 。 最佳过滤时间与最大生产能力最佳过滤时间与最大生产能力 最佳过滤时间最佳过滤时间opt？ 2 V 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离127 由由 令令a = 洗液量洗液量/滤液量滤液量 = VW/V，则，则VW = aV 可以得到：可以得到： 22 2KAVVV e VCVC KA V V KA e 2 2 1 2 2 2 21 2 2 2 1 2 1 KAVC KAC e DDW VaCVaCVCVC VV Q 2 2 12 2 1

60、48 VaCVaC KA aVVV KA VVV eWe W2 2 1 22 48 88 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分离128 D一定，上式微分一定，上式微分dQ/dV=0，对应，对应Qmax，则：，则： 忽略介质阻力：忽略介质阻力： 滤饼不洗涤：滤饼不洗涤： 2 2 2 1 8181 KA V aVCa D () )8+1(=8+1= V V a W D D a0 D VaCVaCVCVC V Q 2 2 12 2 1 48 WD += V VW W 8 = 2 2 2 1 2 1 KAVC KAC e 2021-7-1第第3章章 非均相物系的分离非均相物系的分