第三章非均相物系的分离全

第三章非均相物系的分离3.1概述

3.2颗粒及颗粒床层的特性

3.3沉降分离

3.1概述一混合物的分类均相混合物--------液相混合物（精馏）气相混合物（吸收）非均相混合物----------气态非均相混合物液态非均相混合物二非均相物系1定义：由具有不同物理性质的分散物质和连续介质所组成的物系称为非均相混合物或非均相物系。2分散相：在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。3连续相：包围分散物质且处于连续状态的物质称为分散介质或连续相。三非均相混合物的分离方法由于分散相和连续相具有不同物理性质，故工业上通常采用机械方法分离，要实现这种分离必须使分散相和连续相发生相对运动。机械分离操作方法分为两类：1沉降：颗粒相对于流体（静止或运动）运动而实现悬浮物系分离的过程称为沉降分离。实现沉降操作的作用力可以是重力，也可以是惯性离心力。因此沉降过程有重力沉降和离心沉降。2过滤：流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程称为过滤。实现过滤操作的外力可以是重力，压强差或惯性离心力。因此过滤可以分为重力过滤，加压过滤，真空过滤和离心过滤。

四非均相混合物的分离目的1收集分散物质2净化分散介质3环境保护和安全生产。

本章着重讨论：气相非均相混合物------------重力沉降和离心沉降液相非均相混合物------------过滤3.2颗粒及颗粒床层的特性一颗粒的特性表述颗粒特性的主要参数为颗粒的形状，大小和表面积。1单一颗粒特性（1）球形颗粒球形颗粒通常用直径表示其大小，球形颗粒的各有关特性均可用直径表示。V=π∕6×d球形颗粒体积mS=πd球形颗粒表面积ma=6∕d单位体积颗粒具有的表面积m∕m（2）非球形颗粒非球形颗粒通常用体积当量直径和形状系数表示其特性。de=√6vp／π

de为体积当量直径vp非球形颗粒的实际体积Φs=S／SpΦs为颗粒的形状系数或球形度S与该颗粒体积相同的圆球的表面积Sp颗粒的表面积

2颗粒群的特性工业中遇到的颗粒大多是由大小不同的粒子组成的集合体，称为非均一性粒子或多分散性粒子。具有同一粒径的颗粒称为单一性粒子或单分散性粒子。不同粒径范围内所含粒子的个数或质量为粒度分布。二颗粒床层的特性（1）床层空隙率ε固定床层中颗粒堆积的疏密程度可用空隙率来表示，其定义如下：ε的大小反映了床层颗粒的紧密程度，ε对流体流动的阻力有极大的影响。(2)床层比表面

颗粒比表面取的床层考虑，， 所以*此式是近似的，在忽略床层中固颗粒相互接触而彼此覆盖使裸露的颗粒表面积减少时成立。

（3）床层自由截面积分率A。空隙率与床层自由截面积分率之间有何关系？假设床层颗粒是均匀堆积（即认为床层是各向同性的)。想象用力从床层四周往中间均匀压紧，把颗粒都压到中间直径为长为L的圆柱中（圆柱内没有空隙）。

所以对颗粒均匀堆积的床层(各向同性床层），在数值上

三流体通过颗粒床层的压降

流体通过复杂的通道时的阻力（压降）难以进行理论计算，必须依靠实验来解决问题。现在介绍一种实验规划方法——数学模型法。

（1）床层的简化物理模型

单位体积床层所具有的颗粒表面积和床层空隙率对流动阻力有决定性的作用。简化模型是将床层中不规则的通道假设成长度为L当量直径为de的一组平行细管并且规定：①细管的内表面积等于床层颗粒的全部表面；②细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙体积。

（2）流体压降的数学模型流体流过圆管的阻力损失数学描述：

体积流量所以

式中为单位床层高度的虚拟压强差当床层不高，重力的影响可以忽略时 上式为流体通过固定床压降的数学模型，未知的待定系数 称为模型参数，就其物理意义而言称为固定床的流动摩擦系数。

（3）模型的检验和模型参数的估值当床层雷诺数 时实验数据符合下式 式中称为康采尼常数，其值为5.0。的可能误差不超过10%。合理简化得到康采尼方程

从康采尼方程或欧根方程可看出，影响床层压降的变量有三类：

①操作变量

②流体物性 和

③床层特性和

在上述因素中，影响最大的是空隙率3.3沉降分离引言：流体对固体颗粒的绕流情况

流体与固体颗粒之间的相对运动可分为以下三种情况：①颗粒静止，流体对其做绕流；②流体静止，颗粒作沉降运动；③颗粒与流体都运动，但保持一定的相对运动。只要相对速度相同，上述三种情况并没有本质区别，本节就从刚性球形颗粒的自由沉降入手讨论沉降分离。一重力沉降（在重力场中进行的沉降）（1）沉降的过程将一个表面光滑的球形颗粒置于静止的流体中，若颗粒在重力的作用下沿重力方向作沉降运动，此时颗粒受到哪些力的作用呢？

根据牛顿第二定律得：或者：因此开始瞬间最大，颗粒作加速运动。随，,到某一数值时，上式右边等于零，此时，颗粒将以恒定不变的速度维持下降。此称为颗粒的沉降速度或造端速度。对小颗粒，沉降的加速段很短，加速度所经历的距离也很小。因此，对小颗粒沉降的加速度可以忽略，而近似认为颗粒始终以下降。由上面可知：静止流体中颗粒的沉降分为两个阶段，起初为加速阶段而后为等速阶段。FD为曵力，下面回顾有关曵力的知识。（1）两种曳力—表面曳力和形体曳力回顾第1章流体沿固体壁面流过的阻力分为两类：表皮阻力（即表面摩擦阻力）和形体阻力（边界层分离产生旋涡），绕流时颗粒受到流体的总曳力:

（1）两缎种曳孕力—表面鄙曳力呆和形窜体曳酬力FD与流颂体、无、相校对流自速有关念，而建且受野颗粒怕的形宜状与荣定向萝的影葡响，圈问题辆较为复杂位。至愧今，低只有州几何家形状艘简单参的少伍数情积况才马可以阻得到FD的理较论计勾算式章。例巡寿如，绢粘性海流体腰对球协体的鼠低速孝绕流腰（也蛋称爬议流）弓时FD的理舟论式逆即斯竿托克备律（St握ok许es）定律库为：当流蚁速较醒高时堡，St网ok火es定律些不成依立。划因此开，对芳一般乱流动袍条件中下的搏球形宏颗粒请及其旬其他叔形状窑的颗轨粒，FD的数男值尚喝需通层过实矩验解绑决。（2）曳映力（租阻力健）系世数对球药形颗条粒，用因企次分光析并爹整理柄后可驱得：球形蚁颗粒眯的仓曲线解在不种同的票雷诺茧数范首围内叹可用丙公式诵表示盟如下哗：，层测流区廊，So速ke拿s定律述区：，过渡戏区，Al傍le玩n定律疫区：，湍穷流区周，Ne升wt倾on定律瓜区：（2）曳童力（月阻力姥）系连数（2）沉坦降速吴度对球浸形颗书粒，搂当恰时暴，可认得式中钱：称为客阻力丈系数因治与声有关丹，也季与群有关糖，将砍不同测区域极的疮关系以式分姿别带入德的计秆算式醒，整烫理得际：，层宿流区他（So枕ke伪s区），过素渡区鼠（Al火le动n区），湍的流区裹（Ne绕wt容on区）（3）其睛他因环素对谦沉降痰速度喂的影字响①干过扰沉插降②端考效应③分高子运触动④非裂球形配颗粒二沉岭降分抄离设显备1重力群沉降桌设备2离心份沉降很设备1重力爆沉降月设备（1）降时尘室气体乎通过堵降尘斩室的耽时间：位于恳降尘寇室最宽高点将的颗两粒沉预降至列室底湖的沉督降时欠间：，至个少所以患：泻（降那尘室合的设夺计原岛理）—含尘西气体板体积谣流量着，视。滑气速辰，一危般樱应<1，实铺际上栏为避纺免已躲沉下拨的尘收粒重叹新被喇扬起叔，凭往导往取夏更低四。降岁尘室贵一般谅用于侧分离辉的蜓粗颗常粒。—降尘页室底顾面积颜，蠢。—颗粒利的沉村降速休度，尝。强应笨根据董要分神离的巾最小弃颗粒朗直径俊决定祥。将气能速的牙关系压式代入得到饥降尘蒸室的尘生产议能力壶为：对一兵定物慕系，牺一定伐，降奖尘室些的处锐理能划力只票取决氧于降可尘室房诚的底悼面积卖，患而与便高度肥无蚀关，织故降费尘室预应设盟计成石扁平各形状新，或店在室创内设绳置多孔层水秧平隔企板。①设维计型警计算已知霞、铅、阵、拘、岩，计刻算洞。②操齐作型百计算已知汤、涝、菠、绘、育，尺核算碑；或已咽知嫂、轧、堂、底、梳，求龄。1重力子沉降凤设备（2）增文稠器分离扛悬浮爽液，俭在中昼心距叨液面课下0.跪3～1处连搅续加亦料，虾清液舌往上屿走，驾稠液真往下地走，肾锥形何底部价有一利缓慢菜旋转雁的齿慰耙把款沉渣脾慢慢丈移至妹下部灵中心繁，稠捷浆从霸底部台出口攀出去桶。（资内部粒沉降静分为漫上部覆自由锻沉降筋和下灾部干到扰沉嚼降）大的炉增稠避器直炭径可老达10～10套0，深2.搞5～4（为塞什么粪？）悬。它铁一般防用于腥大流夜量、拣低浓颂度悬处浮液键的处续理，如常见立的污必水处童理就丧是一篮例。1重力摊沉降税设备（3）分猴级器利用灿不同杆粒径供或不普同密董度的他颗粒言在流唯体中拣的沉伟降速昌度不绿同这苏一原颤理来般实现熄它们田分离补的设复备称复为分办级器墨。将沉扯降速膝度不拌同的验两种思颗粒乎倾倒薄到向戏上流蛾动的抱水流还中，悟若水嘱的速借度调幻玉整到拐在两坦者的渡沉降猴速度狮之间妥，则嫩沉降沙速度冶较小蜘的那跳部分拨颗粒疏便被扶漂走搬分出迷。若芒有密流度不挥同的a、b两种斑颗粒诸要分施离，劲且两歇种颗井粒的郊直径据范围冈都很烛大，消则由其于密熟度大袄而直出径小手的颗变粒与测密度智小而砍直径饿大的赴颗粒籍可能谣具有买相同喊的沉辜降速杏度，争使两虫者不胁能完社全分召离。1重力萝沉降沟设备上式假表明受，不北同直画径的扒颗粒仙因为宋密度门不同怪而具邻有相减同的国沉降吼速度防，该餐式代窑表了疾具有层相同货沉降断速度气的两负种颗燃粒的宾直径用比。1重力份沉降匙设备2离心脆沉降提设备对于迹两相龄密度反差较像小，拣颗粒遍粒度何较细厅的非以均相群物系棍，可姿利用像颗粒醒作圆塑周运巴动时凭的离拳心力法以加沈快沉柄降过欺程。壁定义择同一智颗粒蚕所受召的离沿心力变与重罩力之新比为慕离心殿分离约因数式中融为玩流体战和颗用粒的谎切线强速度右，肾；妄为索旋转考半径阔，绘；孙为旋舱转角分速度掘，器。数值猎的大坊小是无反映叉离心舱分离扎设备键性能效的重琴要指搜标。增若兵，则丹说明冻同一到颗粒梅在离部心力宵场中骑受到持的离禾心力错是唉在重悠力场收中受淋到的毙重力抗的10案00倍，鲜当然竟大大猴加快灯沉降幼分离繁过程耗。旋风蚕分离准器是容利用妻离心技沉降匆原理还从气严流中鱼分离筒出颗况粒的芒设备森。如图蚁所示，上旺部为令圆筒呆形、未下部专为圆笑锥形器；含性尘气蔽体从肢圆筒输上侧搞的矩籍形进产气管然以切过线方谊向进通入，吨藉此日来获柄得器足内的蹦旋转坑运动摇。气科体在坡器内跌按螺萌旋形仇路线方向器欲底旋炒转，舍到达僚底部答后折地而向低上，碎成为握内层涂的上界旋的欠气流敏，称吃为气饼芯，塑然后驳从顶浙部的忍中央右排气桃管排际出。录气体汤中所必夹带闪的尘专粒在进随气炮流旋快转的壮过程假中，愚由于茎密度虫较大标，受倚离心岗力的夕作用万逐渐泻沉降锅到器尝壁，所碰到磨器壁阳后落饭下，龙滑向矿出灰致口。旋风疤分离我器的监构造多简单过，没活有运持动部亲件（泻设备宿不动会，离未心力煮是由带切线销进入惧的气季流产裂生旋梳转运威动造英成的向），接操作露不受贪温度渔、压跑强的土限制王。一蔬般其角分离贿因数，可畜分离爪气体却中苏直径反的粒墓子。至用屑降尘尼室分腔离（错经济贪），米可售用袋留式除蔽尘器捡，致用静东电除怒尘器提。2离心这沉降危设备2离心坡沉降盯设备旋风蚂分离还器各掀部分抽的尺景寸都豆有一耕定的鸣比例执，只喝要规复定出器其中袜一个耕主要毯尺寸脏，如萌圆筒脑直径D或进饱气口狠宽度B，则其视它各穿部分逼的尺轨寸亦糟确定俱。评价户旋风毯分离墨器性辈能指答标，长我们恼的教年材上梯介绍躲两个格：1）捐旋风付分离此器的朗分离招效率①总质效率式中腿、滚分别述为进姓出旋滩风分舌离器渴气体尘颗粒脾的质脂量浓误度，载。总效经率并似不能摇准确宫地代稍表旋泼风分因离器响的分毛离性孩能。窜因为薯气体丧中颗讨粒大捷小不猴等，驱各种借颗粒喉被除摔下的钟比例经也不质相同胀。颗肌粒的含尺寸臂越小值，所酒受的午离心筝力越肾小，扭沉降酬速度派也越事小，壳所以志能被漠除下验的比割例也和越小暴。因赠此，锹总效菠率相染同的脱两台若旋风世分离芽器其立分离舰性能课却可润能相露差很逼大，省这是侍因为冠被分肃离的剃颗粒阔具有亏不同康粒度看分布梁的缘显故。2离心节沉降证设备②粒缴级效罗率式中永、状分答别为堪进出菠旋风弟分离隆器气慢体中些粒径葱为睛的颗霞粒的半质量胆浓度绿，纲。总效巧率与惰粒级俱效率祸的关彼系为演：式中半为脚进口臂气体午中粒搂径为悟颗芒粒的门质量划分率避。通常倦将经状过旋扯风分边离器窗后能辰被除云下50恋%的颗勿粒直植径晨称为营分割洋直径锐，某些类高效定旋风启分离瞧器的聋分割倡直径泥可小削至希。牧不同桑粒径绵的珍粒级薪分离高效率械不同。2离心宜沉降泡设备2）旋尿风分夸离器急的压监降气体铜经过跳旋风内分离帐器时惩，由除于进米气管盈和排拦气管川及主鞭体器嗓壁所答引起提的摩患擦阻镜力、据流动永时的董局部其阻力敲以及约气体喉旋转型运动领所产比生的乓能量抹损失某等，租都将革造成透气体师的压脾力降婚。旋喇风分缠离器胃的压