广东石油化工学院化工原理非均相混合物1

化工原理主讲教师：童汉清第3章非均相物系的分离

通过本章学习，掌握沉降、过滤、固体流态化及气力输送等过程的原理、计算方法、典型设备的结构特性，能够根据生产工艺的要求，合理选择设备。学习目的与要求均相混合物和非均相混合物均相混合物：

物料内部各处性质均匀一致而不存在相界面。如溶液、混合气体。均相混合物的常用分离方法有吸收、精馏、萃取等非均相混合物：

物系内部有相界面存在，且界面两侧物料性质截然不同。如含尘气体、悬浮液等。非均相混合物的常用分离方法有：筛分、沉降、过滤等。

1）分散物质（分散相）非均相物系中处于分散状态的物质。

2）分散介质（连续相）非均相物系中处于连续状态的物质。

要实现分离，必须使分散相和连续相之间发生相对运动。因此，非均相物系的分离操作遵循流体力学的基本规律。非均相物系的分离原理：非均相物系分离的理论基础：根据连续相与分散相两相物理性质(如密度等)的不同而进行的分离。筛分把固体物料按尺寸大小分为若干级别的操作称为分级。

利用具有一定大小孔径的筛面进行分级称为筛分。

用于筛分的机械设备按筛面的运动特点可分为振动筛、摇动筛、回转筛等。

筛分

编织筛的筛面规格许多国家都订有标准，称为筛制：一定长度筛丝上的开孔数——目数。

筛网产品规格中用以表达目数的单位是孔/厘米或线/厘米。使用英制计量单位的国家和地区，以孔/英寸或线/英寸来表达丝网目数。

1英寸=2.54厘米如150目/英寸，即1英寸内有150根网丝。

目数一般可以说明丝网的丝与丝之间的密疏程度。目数越高丝网越密，网孔越小。反之，目数越低丝网越稀疏，网孔越大，

我国通常使用的筛网目数与粒径对照表

目数

微米

目数

微米

目数

微米

目数

微米

2.5

7925

12

1397

60

245

325

47

3

5880

14

1165

65

220

425

33

4

4599

16

991

80

198

500

25

5

3962

20

833

100

165

625

20

6

3327

24

701

110

150

800

15

7

2794

27

589

180

83

1250

10

8

2362

32

495

200

74

2500

5

9

1981

35

417

250

61

3250

2

10

1651

40

350

270

53

12500

1

1、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。2、沉降操作分类§1

沉降一、概述重力沉降：颗粒在重力场中受重力作用与连续相发生相对运动而沉降。离心沉降：颗粒离心力的作用与连续相发生相对运动而沉降。3、沉降操作的应用

1）以澄清为目的

2）以增稠为目的

3）以分级分离为目的

4）以净化为目的

自由沉降：悬浮在流体中的微小颗粒借本身重力作用而独立沉降时，称为自由沉降。干扰沉降：当颗粒直径与容器直径之比大于1:200或悬浮液中颗粒的浓度大于0.2％(体积)，此时颗粒与器壁或颗粒间存在干扰。颗粒的浓度越高，干扰越大。此种沉降称为干扰沉降。干扰沉降时，其曳力系数较自由沉降时为大。其沉降速度可按自由沉降速度计算，加以修正。二、重力沉降1、自由沉降与干扰沉降2、球形颗粒的自由沉降速度重力：浮力：阻力：

当流体相对于静止的固体颗粒流动时，或者固体颗粒在静止流体中移动时，由于流体的粘性，两者之间会产生作用力，这种作用力通常称为曳力（dragforce)或阻力。u重力Fg阻力Fd浮力Fb根据牛顿第二运动定律

分析颗粒运动情况：加速度最大阻力加速度加速度=0加速段匀速段重力Fg=浮力Fb

+阻力Fd沉降速度公式：

等速阶段中颗粒相对于流体的运动速度ut称为沉降速度。由于这个速度是加速阶段终了时颗粒相对于流体的速度，故又称为“终端速度”。=

3、曳力系数

1）表面曳力与形体曳力

表面曳力（摩擦阻力）：流体与颗粒表面间的摩擦力在流动方向上的分力。形体曳力（涡流阻力）：因边界层脱体产生颗粒上下端的压差。uFd

2）对曳力系数的因次分析曳力的影响因素：曳力的函数关系：因次分析的结果：4、关系曲线图分为四个区

（1）层流区或斯托克斯(Stokes)定律区

斯托克斯(Stokes)式：

代入方程

（2）过渡区或艾仑（Allen）定律区

艾仑（Allen）式

代入方程

（3）湍流区或牛顿（Newton）定律区牛顿（Newton）式代入方程一、沉降速度

（4）边界层为湍流区

该区内由于不稳定，因此无法计算该区的沉降速度。一般沉降操作达不到此区。5、沉降速度的计算

（1）试差法假定沉降所属区域→用该区公式计算沉降速度ut→由算出的ut求出Ret→检验Ret是否在所设区域→与所设相符，计算正确；与所设不符，重新计算。例：求下列各种形状及尺寸的固体颗粒在30oC常压空气中的自由沉降速度。已知颗粒密度为2670kg/m3。

1、直径为30的球形颗粒。

2、直径为1的球形颗粒。

3、棱长为1的正方体颗粒。（2）变换坐标法及关系曲线（3）用量纲为1的数群K值判别流型K≤2.62为斯托克斯定律区;2.62<

K<69.1为艾仑定律区;K≥69.1为牛顿定律区。1.球形颗粒：球形颗粒的尺寸由直径d确定。比表面积

体积

表面积

三、非球形颗粒的当量直径与球形度的概念

2、非球形颗粒的当量直径de使非球形颗粒与某球形颗粒在某方面具有等效性（相当），则该虚拟球体的直径即非球形颗粒的当量直径。

非球形颗粒与虚拟球形颗粒在体积方面具有等效性（相当），则该虚拟球体的直径即非球形颗粒的体积当量直径。

非球形颗粒的体积为

(1)体积当量直径dev（2）表面积当量直径deA非球形颗粒与虚拟球形颗粒在表面积方面具有等效性（相当），则该虚拟球体的直径即非球形颗粒的表面积当量直径。非球形颗粒的表面积为

非球形颗粒的表面积当量直径为

（3）比表面积当量直径des

比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积。

非球形颗粒与虚拟球形颗粒在比表面积方面具有等效性（相当），则该虚拟球体的直径即非球形颗粒的比表面积当量直径。非球形颗粒的比表面积为

非球形颗粒的当量直径为

2、球形颗粒的球形度

不同形状的颗粒体积相同时，以球体的表面积为最小。球形度

如边长为a正方体颗粒：四、重力沉降设备1.降尘室借重力沉降从气流中分离出尘粒的设备称为降尘室。除尘条件：颗粒以u速度水平通过降尘室的时间大于或等于颗粒以ut速度从室顶降到室底所需的时间。或

位于降尘室最高点的颗粒沉降到室底所需的时间为气体通过降尘室的时间为欲使颗粒被分离出来，则降尘室高沉降速度降尘室长气流水平通过降尘室速度

根据降尘室的生产能力，气体在降尘室内的水平通过速度为整理得

上式表明，理论上降尘室的生产能力只与其沉降面积及颗粒的沉降速度有关，而与降尘室高度H无关。降尘室生产能力对设置了n层水平隔板的降尘室，其生产能力为1-隔板2、6-调节闸阀3-气体分配道

4-气体集聚道5-气道7-清灰口多层降尘室

降尘室结构简单，流动阻力小，但体积庞大，分离效率低，通常只适用于分离粒度大于50

m的粗粒，一般作为预除尘使用。多层降尘室虽能分离较细的颗粒且节省占地面积，但清灰比较麻烦。自带降尘室的燃煤锅炉例：欲用降尘室净化温度为20oC流量为2500m3/h的常压空气。空气中所含灰尘的密度为1800kg/m3，要求净化后空气中不含有直径大于10的尘粒，试求所需沉降面积为多大？若降尘室的底面宽2m，长5m，室内需要设多少块隔板？例：某降尘室宽1.5m，长2m，在常压、100oC下处理2700m3/h的含尘气，设尘粒为球形，密度为2400㎏/m3，气体的物理性质与空气相同。求：1）可被100%除去的最小颗粒直径。2）直径为0.05mm的颗粒有百分之几能被除去？