第三章-概述、颗粒及床特性

第三章

非均相物系的分离重点：过滤和沉降的基本理论、基本方程难点：过滤基本方程的应用、过滤设备均相物系(honogeneoussystem):

均相混合物。物系内部各处均匀且无相界面。如溶液和混合气体都是均相物系。自然界的混合物分为两大类：非均相物系(non-honogeneoussystem):

非均相混合物。物系内部有隔开不同相的界面存在，且界面两侧的物料性质有显著差异。如：悬浮液、乳浊液、泡沫液属于液态非均相物系，含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。一、概述分散相：分散物质。在非均相物系中，处于分散状态的物质。连续相：分散介质。包围着分散物质而处于连续状态的流体。1、对原料或产品进行分离与提纯2、回收与获取有用物质，提高产品产率3、去除有害物质，实现环保目的分离的目的非均相物系的分离原理：根据两相物理性质(如密度等)的不同而进行的分离。非均相物系的分离方法：由于非均相物的两相间的密度等物理特性差异较大，因此常采用机械方法进行分离。按两相运动方式的不同，机械分离大致分为沉降和过滤两种操作。二、颗粒与颗粒群特性直径dp比表面积as

–单位体积固体颗粒所具有的表面积1.单颗粒的特性（1）球形颗粒等体积当量直径等表面积当量直径等比表面积当量直径以正方体为例，设边长为h则正方体等表面积当量直径为（2）非球形颗粒a当量直径deb颗粒形状系数（球形度）（2）筛分分析2.颗粒群特性目数孔径μm目数孔径μm3468101420356680469933272362

4174865100150200270400295208147104745338泰勒标准筛（1）粒度分布不同粒径范围内所含粒子的个数或质量用标准筛测量颗粒粒度分布的方法称为筛分分析常用的是平均比表面积直径（体积表面积平均直径）

（3）颗粒的平均直径定义：在某种力场的作用下，利用分散物质与分散介质的密度差异，使之发生相对运动而分离的单元操作。沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。三、颗粒的沉降1.重力沉降在重力作用下实现的沉降过程。（1）沉降速度1.1球形颗粒的自由沉降自由沉降（freesettling）：

单个颗粒在流体中沉降，或者颗粒群在流体中分散得较好而颗粒之间互不接触互不碰撞的条件下沉降。

自由沉降分两个阶段---加速段和等速段球形颗粒等速沉降速度公式推导u重力Fg阻力Fd浮力Fb球形颗粒受力分析重力：浮力：阻力：p为颗粒密度根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为:等速沉降有：整理得式：球形颗粒等速沉降速度公式（2）阻力系数ζ与沉降速度实用公式ζ—Ret曲线滞流区

10-4<Ret<2有公式：可得斯托克斯（Stokes)公式：过渡区

2<Ret<500有得艾伦（Allen)公式求沉降速度湍流区

500<Ret<2×105

有得牛顿（Newton)公式湍流区滞流区过渡区不同流动形态下，球形颗粒等速沉降速度公式假设流体流动类型；计算沉降速度；计算Re，验证与假设是否相符；如果不相符，则转①。如果相符，OK!求沉降速度通常采用试差法。（3）沉降速度的计算

例：计算直径为95m，密度为3000kg/m3的固体颗粒分别在20℃的空气和水中的自由沉降速度。计算Re，核算流型：假设正确，计算有效。解：在20℃的水中：20℃水的密度为998.2kg/m3，粘度为1.005×10-3Pas先设为层流区。1)颗粒直径dp:应用：均质乳化，dp↓→ut↓↓，使饮料不易分层。加絮凝剂，如水中加明矾。2)连续相的粘度：应用：增稠：浓饮料中添加增稠剂，使

↑→ut↓，不易分层。加热：（4）影响沉降速度的因素(以层流区为例)

3)

颗粒的球形度形状非球形颗粒的形状可用球形度s

来描述。球形度s越小，阻力系数

越大。4)壁面效应(walleffect)：

当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，其沉降速度较自由沉降速度小，这种影响称为壁效应。降尘室：利用重力沉降分离含尘气体中尘粒的设备。是一种最原始的分离方法。一般作为预分离之用，分离粒径较大的尘粒。3、降尘室令降尘室的长度为L,高度为H，宽度为b

；体积流量为qV的含尘气体以u流速水平通过降尘室，通过时间为t；颗粒在降尘室的沉降速度为ut，沉降时间ttlHb净化气体含尘气体uut降尘室的计算则有：欲分离浮尘，必须有：

生产能力与降尘室高度无关，仅与沉降速度ut和沉降面积A=bl有关。若沉降在层流区进行，降尘室可分离的最小颗粒直径：若将除尘室分隔为n层，则沉降面积增大n倍，即：生产能力增大n倍多层隔板降尘室示意图含尘气体粉尘隔板净化气体例：用高2m、宽2.5m、长5m的重力降尘室分离空气中的粉尘。在操作条件下空气的密度为0.799kg/m3，粘度为2.53×10-5Pa·s，流量为5.0×104

m3/h。粉尘的密度为2000kg/m3。试求可沉降粉尘的最小直径。解：与临界直径对应的临界沉降速度为假设流型属于过渡区，可分离粉尘的最小直径为校核流型故属于过渡区，与假设相符。

惯性离心力作用下的沉降速度旋风分离器的结构和操作原理旋风分离器的性能三、离心沉降（centrifugalsettling）

三、离心沉降（centrifugalsettling）依靠离心力的作用，使流体中的颗粒产生沉降运动，称为离心沉降。重力加速度是常数，而离心加速度是变数，所以离心沉降能获得更高的沉降速度和更大的生产能力。受力分析与重力场相仿，只需以离心加速度代替重力加速度。若这三个力达到平衡，则有u离心力Fc阻力Fd浮力Fb颗粒在离心力场中的受力分析1、离心沉降速度可得离心沉降速度为：

由离心加速度：

故有：

若颗粒与流体之间的运动处于滞流区，则ur为：将滞流时离心沉降速度与重力沉降速度作比较，得：减小旋转半径r，增大颗粒进入离心场的切线速度uT，离心分离效果更好。

K值称为离心分离因数，是离心分离设备的重要指标，一般在5-2500之间。可见离心分离比重力分离效果好。旋风分离器是利用离心力作用净制气体的设备。

其结构简单，制造方便；分离效率高；可用于高温含尘气体的分离；特点：结构：外圆筒；内圆筒；锥形筒。2、旋风分离器(cycloneseparator)含尘气体从进气管沿切线方向进入,在筒内螺旋向下运动,颗粒被慣性离心力抛向壁面,再沿壁面滑向排灰口.净化气在底部附近沿中心轴螺旋向上运动,形成气芯。适宜除去5-200微米的干燥、低粘性尘埃。外圆筒内圆筒锥形筒切向入口关风器(防止空气进入)含尘气体固相净化气体外螺旋内螺旋工作原理（1）临界直径－理论上能被完全分离下来的最小颗粒直径。3、旋风分离器的性能临界直径计算式：（2）分离效率b、粒级效率ηi

按各种粒度分别表示被分离出来的质量分率。a、总效率η0

指在旋风分离器中被分离出来的颗粒占进入该分离器的全部颗粒的质量分率。（3）分割粒径（分割直径）

指粒级效率ηi恰好为