非均相物系分离课件

第二章非均相物系分离第二章非均相物系分离1第一节概述第一节概述21、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。2、均相：凡物系内部各处物料质均匀而不存在相界面者，称为均相混合物或均相物系。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）。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。概念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3第一类是均相物系—如混合气体、溶液；特征：物系内各处性质相同，无分界面。须用吸收、蒸馏等方法分离。第二类是非均相体系—液态非均相物系：固体颗粒与液体构成的悬浮液；不互溶液体构成的乳浊液；气态非均相物系：固体颗粒（或液体雾滴）与气体构成的含尘气体（或含雾气体）；气泡与液体所组成的泡沫液等。特征：物系内有相间的界面，界面两侧的物性截然不同。（1）分散相：往往是液滴、雾滴、气泡，固体颗粒。（2）连续相：连续相若为气体，则为气相非均相物系。连续相若为液体，则为液相非均相物系化工生产中常遇到的混合物可分为两大类第一类是均相物系—如混合气体、溶液；化工生产中常遇到的混合物4混

合

物均相气态空气、天然气液态乙醇—水、石油非均相气—固烟道气气泡—液体气—液雾滴—气体液—固泥水、硫铵+母液液—液牛奶、油—水固—固煤矸石、金属矿混

合

物均相气态空气、天然气液态乙醇—水、石油非均相气—固51、回收分散物质，如从母液中分离出晶粒；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，如除去含尘气体中的尘粒；合成氨生产，半水煤气中含有、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、劳动保护和环境卫生等；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。

总之：以满足工艺要求，提高产品质量，改善劳动条件，保护环境，节约能源及提高经济效益。

非均相物系分离的目的1、回收分散物质，如从母液中分离出晶粒；如从催化反应器出来的61）重力沉降：微粒借本身的重力在介质中沉降而获得分离。2）离心分离：利用微粒所受离心力的作用将其从介质中分离。亦称离心沉降。此法适用于较细的微粒悬浮体系。3）过滤：使悬浮体系通过过滤介质，将微粒截留在过滤介质上而获得分离。4）湿法净制：使气相中含有的微粒与水充分接触而将微粒除去。5）电除尘：使悬浮在气相中的微粒在高压电场内沉降。常用分离方法1）重力沉降：微粒借本身的重力在介质中沉降而获得分离。常用分7第二节过滤第二节过滤8过滤

过滤──是以某种多孔物质为介质来处理悬浮液的操作：在外力的作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固、液分离。过滤过滤──是以某种多孔物质为介质来处理悬浮液的操9过滤方式（1）深层过滤——又称澄清过滤。条件：悬浮液含颗粒小，而含量少（液体中颗粒的体积0.1%）时，可用床层较厚的过滤介质进行过滤。由于dp介质孔隙直径，当悬浮颗粒进入床层年细长而弯曲的孔道时，靠静电及分子力的作用而附在孔道壁上，过滤介质床层上面没有滤饼形成。悬浮液过滤介质滤液过滤方式悬浮液过滤介质滤液10（2）滤饼过滤条件：dp介质孔隙直径，床层上形成滤饼；dp介质孔隙直径，但床层内有“架桥现象”；在滤饼层没有完全形成之前，部分颗粒会随滤液一起流走。在滤饼层形成成为有效的过滤介质后，得到澄清液。适用于颗粒含量较多（液体中颗粒的体积0.1%）时（2）滤饼过滤11架桥现象

过滤示意图架桥现象 过滤示意图12作用——使液体通过而截留固体颗粒。选择——根据液体的性质（酸、碱性），颗粒含量及粒度，操作p，T，介质机械强度等（1）织布介质——棉、麻、丝、毛制的滤布，金属丝网滤布；可截留5~65m的颗粒。（2）堆积的粒状介质——砂、木炭等，用于深层过滤，（3）多孔性介质——陶瓷、塑料、金属等粉末烧结成型的多孔性板状、管状介质，可截留1~3m的微细颗粒。

过滤介质作用——使液体通过而截留固体颗粒。

过滤介质13

助滤剂使用前提——颗粒细，容易堵死过滤介质的孔隙；所形成的滤饼在压差的作用下，孔隙变小，阻力增大，使过滤困难。作用——将某种质地坚硬的固体混入悬浮液中或预涂于过滤介质上，以形成疏松饼层，使滤液畅流。这种固体称助滤剂。常用助滤剂——硅藻土，珍珠岩，石棉，炭粉等；添加量为颗粒量的0.5%以下。

助滤剂使用前提14板框过滤机过滤设备板框过滤机过滤设备15板框过滤机板框过滤机16板框过滤机板框过滤机17第三节沉降第三节沉降18流体以一定的速度绕过静止颗粒时，或者固体颗粒在静止流体中移动时，流体对颗粒的作用力——阻力Fd

A—颗粒在运动方向上的投影，dp2u—相对运动速度—阻力系数，=（Re）=（dpu/）（实验测定）层流区：Re2， =24/Re ──Stokes区过渡区：Re=2—500，

──Allen区湍流区：Re=500--2105， ≌0.44 ──Newton区颗粒和流体相对运动时所受到的阻力

流体以一定的速度绕过静止颗粒时，或者固体颗粒在静止流体19

重力沉降

重力沉降

20自由沉降──对于单一颗粒在流体中的沉降或者颗粒群充分地分散、颗粒间互不影响，不致引起相互碰撞的沉降过程。1．加速阶段——沉降开始时，颗粒初速度为零， 颗粒受重力和浮力的作用，合力不为零， 产生加速度。2．匀速阶段——随着速度加快，阻力增加，当合力为零时，颗粒将发生匀速运动，匀速阶段中颗粒相对于流体的运动速度称为沉降速度ut.球形颗粒的自由沉降

自由沉降──对于单一颗粒在流体中的沉降或者颗粒群充分地分散、21球形颗粒的自由沉降重力：浮力：阻力：

整理后得：在du/dt=0，u=ut

由牛顿第二定理F=ma

Fg-Fb-Fd=mdu/dt

FbFdFg球形颗粒的自由沉降重力：整理后得：在du/dt=0，u=u22球形颗粒的自由沉降=（Re），将不同的带入ut，可得各种流动状态下的ut的计算式：

层流区：Re2，过渡区：Re=2—500，湍流区：Re=500--2105，可见： ut=f（dp，p，），dp，p↑，ut↑

↑，ut↓（层流区，过渡区）球形颗粒的自由沉降=（Re），将不同的带入ut，可得各23球形颗粒的自由沉降适合范围：光滑的球形颗粒。影响沉降速度ut的因素：1〉颗粒形状，偏离球形越大，阻力越大；通过沉降速度用沉降速度计算公式来求出当量球径;2〉颗粒浓度不太高<0.2%，假设自由沉降<1%.3〉壁面效应，沉降速度较自由沉降速度小；4〉分子运动，d<2~3µm5〉液滴和气泡的变形6〉其它，如颗粒p不均匀。球形颗粒的自由沉降适合范围：光滑的球形颗粒。24气体降尘设备用于分离大颗粒尘LHWutuVs在降尘室中，颗粒停留时间=L/u

沉降时间=H/ut

分离条件——L/u≥H/ut由于尘粒中，颗粒粒径不相同，故定义一种粒子，其停留时间=沉降时间，即可以100%除去的最小粒径——临界粒径dpc与临界粒径dpc相对应的临界沉降速度（又称表面负荷qo）当尘粒沉降速度处于层流区时，

表明：1、大于dpc的尘粒能100%除去；2．降尘室的处理能力只取决于降尘室的底面积，与高度H无关。气体降尘设备用于分离大颗粒尘LHWutuVs在降尘室中，颗25重力沉降设备

重力沉降设备26非均相物系分离课件27非均相物系分离课件28悬浮液的沉聚过程悬浮液的沉聚过程；属重力沉降，在沉降槽中进行。固体颗粒在液体中的沉降过程，大多属于干扰沉降。比固体颗粒在气体中自由沉降阻力大。随着沉聚过程的进行，Ａ，Ｄ两区逐渐扩大，Ｂ区这时逐渐缩小至消失。在沉降开始后的一段时间内，Ａ，Ｂ两区之间的界面以等速向下移动，直至Ｂ区消失时与Ｃ区的上界面重合为止。此阶段中ＡＢ界面向下移动的速度即为该浓度悬浮液中颗粒的表观沉降速度。表观沉降速度不同于颗粒的沉降速度，因为它是颗粒相对于器壁的速度，而不是颗粒相对于流体的速度。等浓度Ｂ区消失后，ＡＣ界面以逐渐变小的速度下降，直至Ｃ区消失，此时在清液区与沉聚区之间形成一层清晰的界面，即达到“临界沉降点”,此后便属于沉聚区的压紧过程。Ｄ区又称为压紧区，压紧过程所需时间往往占沉聚过程的绝大部分。

悬浮液的沉聚过程悬浮液的沉聚过程；属重力沉降，在沉降槽29悬浮液的沉聚过程间歇式；需处理的悬浮液料浆送入槽内，静置足够时间后，即由上部抽出清液而由底口排出稠厚的沉渣。连续式：（沉降槽的直径几米至几百米）。底流：排出的稠浆称为底流。

悬浮液的沉聚过程间歇式；需处理的悬浮液料浆送入槽内，静置足够30非均相物系分离课件31离心沉降

离心沉降32离心分离因数

依靠离心力的作用，使流体中颗粒产生沉降运动——称离心沉降。重力下小颗粒的沉降速度小，利用离心力使颗粒的沉降速度加快。悬浮液旋转轴角速度圆筒旋转时角速度

=2N/60

N—转数/min忽略重力时，离心力Fc=ma=mr

2≌mrN2/100可见，N↑，Fc↑离心分离因数Kc=r2/g≌rN2/900离心分离因数Kc是表示离心力大小的指标，离心设备分离性能的基本参数。离心分离因数依靠离心力的作用，使流体中颗粒产生沉33离心沉降速度

：当颗粒在离心场中沉降时，径向上所受的力：离心力

浮力（指向中心）

阻力（指向中心）

在三力达到平衡时，离心力－浮力－阻力=0离心沉降速度离心沉降速度：当颗粒在离心场中沉降时，径向上所受的力：34旋风分离器构造与操作临界粒径——指能100%分离除去的最小颗粒粒径。推导临界粒径时的三个假设条件下：（1）进气严格作螺旋形等速运动，有效旋转圈数n=5，切向速度等于进口速度ui；（2）颗粒向壁沉降，必须穿约厚为b的气流层，方能到达壁面；（b为入口之宽度）

（3）颗粒与气流的相对运动为滞流。旋风分离器构造与操作35旋风分离机（2）分离效率η：

总效率C1，C2——进、出旋风分离器的气体含尘浓度，一般70%~90%（3）压强降△P

——阻力系数，同一系列旋风分离器，值因具体尺寸大小而变。标准型旋风分离器＝8。旋风分离机（2）分离效率η：36非均相物系分离课件37非均相物系分离课件38第四节其他分离设备第四节其他分离设备39三足式离心机三足式离心机40袋滤器袋滤器41团球塔除尘器团球塔除尘器42文丘里除尘器文丘里除尘器43转筒真空过滤机转筒真空过滤机44加压叶滤机加压叶滤机45

第五节过程强化与展望第五节过程强化与展望46沉降过程的强化对气－固混合物系，应根据颗粒的粒径分布选择合适的分离设备。d>50m重力沉降设备

d>5m离心沉降设备

d<5m电除尘、袋滤器、湿式除尘器对液－固混合物系，不仅要考虑颗粒粒径，还要考虑含固量的大小。d>50m过滤离心机d<50m压差过滤设备含固量<1%沉降槽、旋液分离机、沉降分离机含固量1%~10%板框压滤机含固量>10%过滤离心机含固量>50%真空过滤机

沉降过程的强化对气－固混合物系，应根据颗粒的粒径分布选择合适47第二章非均相物系分离第二章非均相物系分离48第一节概述第一节概述491、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。2、均相：凡物系内部各处物料质均匀而不存在相界面者，称为均相混合物或均相物系。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）。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。概念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50第一类是均相物系—如混合气体、溶液；特征：物系内各处性质相同，无分界面。须用吸收、蒸馏等方法分离。第二类是非均相体系—液态非均相物系：固体颗粒与液体构成的悬浮液；不互溶液体构成的乳浊液；气态非均相物系：固体颗粒（或液体雾滴）与气体构成的含尘气体（或含雾气体）；气泡与液体所组成的泡沫液等。特征：物系内有相间的界面，界面两侧的物性截然不同。（1）分散相：往往是液滴、雾滴、气泡，固体颗粒。（2）连续相：连续相若为气体，则为气相非均相物系。连续相若为液体，则为液相非均相物系化工生产中常遇到的混合物可分为两大类第一类是均相物系—如混合气体、溶液；化工生产中常遇到的混合物51混

合

物均相气态空气、天然气液态乙醇—水、石油非均相气—固烟道气气泡—液体气—液雾滴—气体液—固泥水、硫铵+母液液—液牛奶、油—水固—固煤矸石、金属矿混

合

物均相气态空气、天然气液态乙醇—水、石油非均相气—固521、回收分散物质，如从母液中分离出晶粒；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，如除去含尘气体中的尘粒；合成氨生产，半水煤气中含有、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、劳动保护和环境卫生等；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。

总之：以满足工艺要求，提高产品质量，改善劳动条件，保护环境，节约能源及提高经济效益。

非均相物系分离的目的1、回收分散物质，如从母液中分离出晶粒；如从催化反应器出来的531）重力沉降：微粒借本身的重力在介质中沉降而获得分离。2）离心分离：利用微粒所受离心力的作用将其从介质中分离。亦称离心沉降。此法适用于较细的微粒悬浮体系。3）过滤：使悬浮体系通过过滤介质，将微粒截留在过滤介质上而获得分离。4）湿法净制：使气相中含有的微粒与水充分接触而将微粒除去。5）电除尘：使悬浮在气相中的微粒在高压电场内沉降。常用分离方法1）重力沉降：微粒借本身的重力在介质中沉降而获得分离。常用分54第二节过滤第二节过滤55过滤

过滤──是以某种多孔物质为介质来处理悬浮液的操作：在外力的作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固、液分离。过滤过滤──是以某种多孔物质为介质来处理悬浮液的操56过滤方式（1）深层过滤——又称澄清过滤。条件：悬浮液含颗粒小，而含量少（液体中颗粒的体积0.1%）时，可用床层较厚的过滤介质进行过滤。由于dp介质孔隙直径，当悬浮颗粒进入床层年细长而弯曲的孔道时，靠静电及分子力的作用而附在孔道壁上，过滤介质床层上面没有滤饼形成。悬浮液过滤介质滤液过滤方式悬浮液过滤介质滤液57（2）滤饼过滤条件：dp介质孔隙直径，床层上形成滤饼；dp介质孔隙直径，但床层内有“架桥现象”；在滤饼层没有完全形成之前，部分颗粒会随滤液一起流走。在滤饼层形成成为有效的过滤介质后，得到澄清液。适用于颗粒含量较多（液体中颗粒的体积0.1%）时（2）滤饼过滤58架桥现象

过滤示意图架桥现象 过滤示意图59作用——使液体通过而截留固体颗粒。选择——根据液体的性质（酸、碱性），颗粒含量及粒度，操作p，T，介质机械强度等（1）织布介质——棉、麻、丝、毛制的滤布，金属丝网滤布；可截留5~65m的颗粒。（2）堆积的粒状介质——砂、木炭等，用于深层过滤，（3）多孔性介质——陶瓷、塑料、金属等粉末烧结成型的多孔性板状、管状介质，可截留1~3m的微细颗粒。

过滤介质作用——使液体通过而截留固体颗粒。

过滤介质60

助滤剂使用前提——颗粒细，容易堵死过滤介质的孔隙；所形成的滤饼在压差的作用下，孔隙变小，阻力增大，使过滤困难。作用——将某种质地坚硬的固体混入悬浮液中或预涂于过滤介质上，以形成疏松饼层，使滤液畅流。这种固体称助滤剂。常用助滤剂——硅藻土，珍珠岩，石棉，炭粉等；添加量为颗粒量的0.5%以下。

助滤剂使用前提61板框过滤机过滤设备板框过滤机过滤设备62板框过滤机板框过滤机63板框过滤机板框过滤机64第三节沉降第三节沉降65流体以一定的速度绕过静止颗粒时，或者固体颗粒在静止流体中移动时，流体对颗粒的作用力——阻力Fd

A—颗粒在运动方向上的投影，dp2u—相对运动速度—阻力系数，=（Re）=（dpu/）（实验测定）层流区：Re2， =24/Re ──Stokes区过渡区：Re=2—500，

──Allen区湍流区：Re=500--2105， ≌0.44 ──Newton区颗粒和流体相对运动时所受到的阻力

流体以一定的速度绕过静止颗粒时，或者固体颗粒在静止流体66

重力沉降

重力沉降

67自由沉降──对于单一颗粒在流体中的沉降或者颗粒群充分地分散、颗粒间互不影响，不致引起相互碰撞的沉降过程。1．加速阶段——沉降开始时，颗粒初速度为零， 颗粒受重力和浮力的作用，合力不为零， 产生加速度。2．匀速阶段——随着速度加快，阻力增加，当合力为零时，颗粒将发生匀速运动，匀速阶段中颗粒相对于流体的运动速度称为沉降速度ut.球形颗粒的自由沉降

自由沉降──对于单一颗粒在流体中的沉降或者颗粒群充分地分散、68球形颗粒的自由沉降重力：浮力：阻力：

整理后得：在du/dt=0，u=ut

由牛顿第二定理F=ma

Fg-Fb-Fd=mdu/dt

FbFdFg球形颗粒的自由沉降重力：整理后得：在du/dt=0，u=u69球形颗粒的自由沉降=（Re），将不同的带入ut，可得各种流动状态下的ut的计算式：

层流区：Re2，过渡区：Re=2—500，湍流区：Re=500--2105，可见： ut=f（dp，p，），dp，p↑，ut↑

↑，ut↓（层流区，过渡区）球形颗粒的自由沉降=（Re），将不同的带入ut，可得各70球形颗粒的自由沉降适合范围：光滑的球形颗粒。影响沉降速度ut的因素：1〉颗粒形状，偏离球形越大，阻力越大；通过沉降速度用沉降速度计算公式来求出当量球径;2〉颗粒浓度不太高<0.2%，假设自由沉降<1%.3〉壁面效应，沉降速度较自由沉降速度小；4〉分子运动，d<2~3µm5〉液滴和气泡的变形6〉其它，如颗粒p不均匀。球形颗粒的自由沉降适合范围：光滑的球形颗粒。71气体降尘设备用于分离大颗粒尘LHWutuVs在降尘室中，颗粒停留时间=L/u

沉降时间=H/ut

分离条件——L/u≥H/ut由于尘粒中，颗粒粒径不相同，故定义一种粒子，其停留时间=沉降时间，即可以100%除去的最小粒径——临界粒径dpc与临界粒径dpc相对应的临界沉降速度（又称表面负荷qo）当尘粒沉降速度处于层流区时，

表明：1、大于dpc的尘粒能100%除去；2．降尘室的处理能力只取决于降尘室的底面积，与高度H无关。气体降尘设备用于分离大颗粒尘LHWutuVs在降尘室中，颗72重力沉降设备

重力沉降设备73非均相物系分离课件74非均相物系分离课件75悬浮液的沉聚过程悬浮液的沉聚过程；属重力沉降，在沉降槽中进行。固体颗粒在液体中的沉降过程，大多属于干扰沉降。比固体颗粒在气体中自由沉降阻力大。随着沉聚过程的进行，Ａ，Ｄ两区逐渐扩大，Ｂ区这时逐渐缩小至消失。在沉降开始后的一段时间内，Ａ，Ｂ两区之间的界面以等速向下移动，直至Ｂ区消失时与Ｃ区的上界面重合为止。此阶段中ＡＢ界面向下移动的速度即为该浓度悬浮液中颗粒的表观沉降速度。表观沉降速度不同于颗粒的沉降速度，因为它是颗粒相对于器壁的速度，而不是颗粒相对于流体的速度。等浓度Ｂ区消失后，ＡＣ界面以逐渐变小的速度下降，直至Ｃ区消失，此时在清液区与沉聚区之间形成一层清晰的界面，即达到“临界沉降点”,此后便属于沉聚区的压紧过程。Ｄ区又称为压紧区，压紧过程所需时间往往占沉聚过程的绝大部分。

悬浮液的沉聚过程悬浮液的沉聚过程；属重力沉降，在沉降槽76悬浮液的沉聚过程间歇式；需处理的悬浮液料浆送入槽内，静置足够时间后，即由上部抽出清液而由底口排出稠厚的沉渣。连续式：（沉降槽的直径几米至几百米）。底流：排出的稠浆称为底流。

悬浮液的沉聚过程间歇式；需处理的悬浮液料浆送入槽内，静置足够77非均相物系分离课件78离心沉降

离心沉降79离心分离因数

依靠离心力的作用，使流体中颗粒产生沉降运动——称离心沉降。重力下小颗粒的沉降速度小，利用离心力使颗粒的沉降速度加快。悬浮液旋转轴角速度圆筒旋转时角速度

=2N/60

N—转数/min忽略重力时，离心力Fc=ma=mr

2≌mrN2/100可见，N↑，Fc↑离心分离因数Kc=r2/g≌rN2/900离心分离因数Kc是表示离心力大小的指标，离心设备分离性能的基本参数。离心分离因数