第三章机械分离(1、2节)

第三章

非均相物系的分离2023/2/5第一节概述(1)一、非均匀相物系化工生产中处理的物料可分成两大类：均相物料：物料内性质均匀一致而无相界面,单相物系。非均相物料：物料内存在相界面,且界面两侧性质不同的多相物系。非均相物系中的名称：分散相(分散物质)：以小液滴、小颗粒等形式分散开,在物料中是不连续的。分散介质(连续相)：将分散相包围，而且处于连续状态的液体或气体，即连续流体。分散介质

分散相

非均相物系气体液体固体含尘气体雾气固体液体气体泡沫液悬浮液乳浊液液体2023/2/5第一节概述(2)多相物系的分类：

分离非均相物质中分散相与分散介质是化工生产中的一个重要单元操作，实现分离操作必须使分散相与分散介质之间发生相对运动，因此非均相物系操作过程，遵循流体力学的基本规律。分离机械分离

沉降

过滤

不同的物理性质

连续相与分散相发生相对运动的方式分散相和连续相

(1)沉降分离(重力与离心沉降)；(2)过滤；分离的目的1、净制分散介质2、收取分散相3、劳保与环保等常用的分离方法：1、沉降分离法2、过滤法3、离心分离法4、旋风与旋液分离分离5、电除尘法6、湿法除尘二、本章的主要分离方法2023/2/5第二节沉降分离（1）沉降操作:

在外力场作用下，利用分散相和分散介质之间的密度差异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。

沉降属于流体与固体间的相对运动问题，分三种情况：

⑴流体静止，颗粒相对流体的沉降或浮升；⑵固体颗粒静止，流体对固体绕流；⑶固体与流体均运动，并保持一定的相对速度。作用力

重力沉降离心沉降

惯性离心力

惯性力作用重力

重力作用

2023/2/5第二节沉降分离（2）受地球吸引力的作用而发生的沉降过程——重力沉降。1、球型颗粒在流体中的自由沉降流体静止：连续相静止(气体或液体静止)；颗粒降落：分散相为固体,与流体有相对运动;(或固体运动，也可能流体运动因此需要用伯努利方程解决)。一、重力沉降固体颗粒受力分析：颗粒沉降过程受三个力的作用Ff阻力Fb浮力Fg重力(1)球形颗粒的重力：(2)浮力：(3)阻力：(一)重力沉降过程的分析：2023/2/5第二节沉降分离（3）

颗粒刚开始沉降的瞬间阶段(此阶段极短)：颗粒作加速沉降运动，用牛顿第二定律描述:(Fg-Fb)-Ff=ma为什么颗粒沉降的加速阶段很短？沉降速度——自由沉降速度表达式颗粒沉降阶段：颗粒作等速沉降，颗粒相对于流体的运动速度ut称为沉降速度，并以此速度达到最终结束，又叫“终端速度”

，此时a=0;

也可称为自由沉降速度，即：(Fg-Fb)-Ff=0，Fg＝Fb+Ff则——

小颗粒具有相当大的比表面，阻力在很短时间内便与颗粒所受到的净重力(重力－浮力)接近平衡，在整个过程加速阶段可以忽略，整个沉降认为是等速阶段。2023/2/5第二节沉降分离（4）(2)流动为过渡流：1<Ret<103(3)流动为湍流：103<Ret<2×105,ζ=0.44;2、阻力系数ζ

通过因次分析法得知，ζ值是颗粒与流体相对运动时的雷诺数Ret的函数。对于球形颗粒的曲线，按Ret值大致分为三个区：

——牛顿公式

(1)流动为层流：

10-4<Ret<12023/2/5第二节沉降分离（5）ut

的计算必须先判断流型Ret；但Ret式中的ut

又待求。⑴试差法：①先假定沉降在某个区域(例层流)，用对应的公式求ut；②将ut代入Ret中验算假定是否合理(再校核)；③若不符重设ut，直至合理为止。⑵摩擦数群法——阿基米德准数法：3、重力沉降速度ut的计算：2023/2/5第二节沉降分离（6）

颗粒作匀速沉降运动时的速度，与流体性质及颗粒的密度、颗粒粒径、流动形态等有关，它是一个综合特性，不是操作特性；

说明重力沉降速度ut值不可以随操作而改变。而流体的流速u与ut不同，u可以通过Vs改变。以层流为例：自由沉降：非均相物系中固体颗粒在沉降过程中不因流体中其它颗粒的存在而受到干扰的沉降。单个颗粒在液相中的沉降或气相中颗粒的沉降可以认为试自由沉降。4、影响重力沉降速度的因素干扰沉降：

由于固体颗粒的浓度大，颗粒在沉降过程中，颗粒之间相互干扰，器壁对沉降过程的影响，称为干扰沉降或受阻沉降。

干扰沉降速度<自由沉降速度2023/2/5第二节沉降分离（7）层流沉降区：流体的粘性占主导作用；湍流区：流体粘性对沉降速率无影响，主要为流体对颗粒产生边界层分离的形体阻力影响；过渡区：流体的表面摩擦与形体阻力均有影响。⑴流体黏度的影响：体积分数在0.2％以内的沉降速度，理论计算与实际速度值的偏差在1％以内；体积分数较高时，由于存在颗粒间的相互作用，发生干扰沉降。容器的壁面与底面都对颗粒沉降时产生曳力，从而使颗粒的实际沉降速度比自由沉降速度低。只有容器尺寸在颗粒尺寸的100倍以上，器壁效应可以忽略。⑵颗粒体积分数(颗粒浓度)的影响：⑶器壁效应的影响：2023/2/5第二节沉降分离（8）

同一种固体物质，球形或近球形颗粒比同体积非球形颗粒的沉降要快一些。非球形颗粒的形状及其投影面对沉降速度也有影响。

由ut计算式可知，μ↑ut↓，而气体的μ随温度增高而增大，因此,T↑对气体沉降不利。[注意]在沉降速度关系式中，颗粒的密度ρs>流体的密度ρ,则发生沉降；颗粒的净重力<流体的阻力,则发生颗粒的浮升。⑷颗粒形状的影响：⑸温度的影响：[曳力]当流体以一定速度绕过静止的固体颗粒流动时，由于液体的黏性便对颗粒产生作用力；同理，固体颗粒在静止的液体中移动，流体对颗粒有作用力，这两种力性质相同，称为曳力（阻力）。2023/2/5第二节沉降分离（9）(二)重力沉降设备降尘室内的颗粒运动特征：

以速度u随气体流动水平速度

以速度ut作沉降运动垂直速度(1)降尘室的生产能力：

降尘室的生产能力是指降尘室所处理的含尘气体的体积流量，用Vs表示，m3/s。1、重力沉降设备1——降尘室：2023/2/5第二节沉降分离（10）2023/2/5第二节沉降分离（11）极限情况:θ=θt时，位于顶部的颗粒也能沉降到底部(临界值)，则含尘气体最大处理量为Vs：(3)多层降尘室的生产能力：隔板间距一般为40~100mm。结论:

降尘室的最大处理量—生产能力Vs与降尘室高度无关，只与尘室(底)面积及沉降速度有关。因此,降尘室做成扁平型或多层型。为了满足除尘要求，θ≧θt②颗粒降落时间θt＝H/ut(从顶到底)①颗粒水平停留时间θ＝L/u(从进口到出口,即气体通过降尘室的时间),此时间即为气体通过降尘室的时间，即颗粒在降尘室内停留的时间。(2)单层降尘室分析：一颗颗粒在降尘室中的运动——降尘室使颗粒沉降的条件——降尘室的生产能力2023/2/5第二节沉降分离（12）

(4)临界粒径dmin:

处理量为Vs的重力沉降能100％

除去的颗粒中最小粒径。

(5)降尘室的特点：(1)阻力小，结构简单；

(2)体积较大，分离效率较低，只可除去d>50μm的颗粒。

已知Vs、降尘室尺寸；求：可全部沉降的最小颗粒直径dmin。2023/2/5第二节沉降分离（13）

悬浮液通过沉降槽后，可分为清液和稠厚的沉渣。沉降槽有澄清液体和增浓悬浮液的双重功能。用于分离悬浮液的设备。

2、重力沉降设备2——沉降槽：又称为增稠器或澄清器，处理悬浮液用的沉降设备。沉降槽是用来提高悬浮液浓度并同时得到澄清液体的重力沉降设备。只起增稠作用，得不到固体的彻底分离。常见的污水处理就是一例。

2023/2/5第二节沉降分离（14）(1)自由沉降与自由落体不同

自由沉降是指在沉降过程中，颗粒不受流体中其它粒子干扰，但由于颗粒较小，所以不能忽略流体对它产生的浮力和阻力；自由落体是体积与密度都较大，但流体对物体产生的浮力及阻力与重力相比小的多，所以自由落体不及流体对物体产生的阻力和浮力。(2)自由沉降与干扰沉降不同重力沉降需要注意的概念：2023/2/5第二节沉降分离（15）依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程，称为离心沉降。适用于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。二、离心沉降(一)离心沉降过程的分析：1、离心沉降速度：

当含尘气体进入圆筒中作圆周运动时，便形成了在离心力场的作用下的运动，即离心运动,对应其离心沉降速度。一个颗粒在离心力场中的受力分析：1)惯性离心力Ft:与重力场中的重力相似,切向速度为uT。(uT2/R)离心力场的加速度。2)向心力FI:与重力场中浮力相似，方向沿半径指向旋转中心。3)阻力Ff:方向为与颗粒径向运动方向相反，与向心力方向相同。2023/2/5第二节沉降分离（16）

颗粒在径向上相对于流体的速度ur,叫颗粒在位置r的离心沉降速度ur：若颗粒与流体的相对运动为层流：离心沉降速率:离心分离系数Kc：同一颗粒在同一介质中的离心沉降速度ur与重力沉降速度uT之比。例如；当旋转半径R=0.4m，切向速度uT=20m/s时，求分离因数。三个力达平衡：uT切向速度2023/2/5第二节沉降分离（17）离心沉降与重力沉降生产操作方面的比较:

离心沉降速度ur中的R为旋转半径，也是设备半径可以改变其大小;颗粒与流体的相对运动为层流：ζ=24/Re阻力系数与重力沉降的层流相同。沉降类型外力场强度比较生产能力Vs

比较离心沉降速度重力沉降速度VS

↑，u0

↑颗粒停留时间短，则使η↓为了增大沉降效率η↑：使设备满负荷的方法：ur

↑若：VS↓，则：L↑设备加长或放隔板2023/2/5第二节沉降分离（18）分离→气固混合物→旋风分离器↘液固混合物→旋液分离器(二）离心沉降设备1、旋风分离器的操作原理2023/2/5第二节沉降分离（19）(1)结构特点：上部为圆柱形，下部为圆锥形(2)作用原理：

含尘气体切线进入，产生离心力，颗粒受到壁面的约束而旋转，向下作下行旋转：外旋流，称为除尘区；在此过程颗粒被甩出气流；分散相与分散介质分离。

经除尘后气体上行旋转：内旋流；尘粒沿壁面落入锥底；而气体到锥底部后，压强改变而上升。内、外旋流的旋转方向相同。2023/2/5第二节沉降分离（20）产生压强差：分离器内静压强的分布不同——靠近壁面处：压强最高，仅仅稍稍低于进口处压强；中心处:压强逐渐降低，在中心轴处可降至出口压强以下,压强改变(流道变窄),除尘后气体转为向上的运动，从上部排出。2、旋风分离器性能的主要操作参数：气体处理量，V;分离效率；气体通过旋风分离器的压强降。(1)气体处理量旋风分离器的处理量由入口的气速决定，入口气体流量是旋风分离器最主要的操作参数。一般入口气速ui在15～25m/s。旋风分离器的处理量:2023/2/5第二节沉降分离（21）(2)临界粒径：

理论上在旋风分离器中能够被分离出的最小颗粒直径。判断分离效率的重要依据。

旋风分离器的理论估算是在以下三个假设下进行的。假设：1)进入旋风分离器的气流严格按螺旋路线运动，颗粒与气体速度相同、恒定与所在位置无关，切线速度

等于进口速度；2)颗粒沉降所穿过的气体最大厚度层为进口宽度B的气流层，达到壁面后，被沉降出来，沉降距离：

B=D/43)颗粒与气体的相对运动为层流，作自由沉降。2023/2/5第二节沉降分离（22）∵ρ

s>>ρg,∴ρs-ρg≈ρs,旋转半径取平均半径rm则气体流中颗粒的离心沉降速度为:颗粒穿过B到达壁面的沉降时间:气流的有效旋转圈数为Ne,则颗粒在筒内的停留时间:(3)临界粒径dmin的计算:颗粒所需沉降时间恰好=颗粒的停留时间理论上该粒径的颗粒能完全被分离出来，即为临界粒径

dmin：2023/2/5第二节沉降分离（23）(4)临界粒径的影响因素：

B为旋风分离器的进口宽度与D/4倍数关系,而D与设备半径R成正比;

D↑dmin

↑分离效率η↓;

因此设备尺寸越小:dmin

↓,η

↑分离效率高。dmin∝B1/23、分离效率分离效率总效率ηo

进入旋风分离器的全部粉尘中实际被分离下来的粉尘的质量分率粒级效