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2021/3/28 混合物 均相混合物 非均相混合物 物系内部各处物料性质均匀而且不存在相界 面的混合物 。 （ 造成两相 ， 热力学差异：挥发度 ， 溶解度 ， 吸附能力 ） 物系内部有隔开两相的界面存在且界面两 侧的物料性质截然不同的混合物。 (物理学差异：密度，体积，电性能 ) 液态非均相物系：固、液、气分散在液相中。 悬浮液 (液固物系 )：指液体中含有一部分固体颗粒 乳浊液 (液液物系 )：指一种液体分散在与其不互溶的另一种液体中 泡沫液 (液气物系 )：指液体中含有气泡的物系 气态非均相物系：固、液分散在气相中。 含尘气体 (气固物系 )：指气体中含有固体颗粒 含雾气体 (气液物系 )：指气体中含有少量液滴 2021/3/28 非均相物系 分散相 分散物质 处于分散状态的物质 如：分散于流体中的固体颗粒 、 液滴或气泡 连续相 分散相介质 包围着分散相物质且处于连续 状态的流体 如：气态非均相物系中的气体 液态非均相物系中的连续液体 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 吸附 膜分离 2021/3/28 非均相物系分离的目的 回收分散相 ： 回收从催化反应器出来的气体中的催化剂颗粒；从干燥器出来 的热气体中夹带的被干燥的物料 净化连续相 除去进入反应器之前的反应气体中固态或液态的有害杂质 保护环境和安全生产 对排放的工业废气、废液中有毒物质或固体颗粒加以处理 2021/3/28 本章学习目的 通过本章的学习，要重点掌握沉降和过滤这两种机械分离 操作的原理、过程计算、典型设备的结构与特性，能够根 据生产工艺要求，合理选择设备类型和尺寸。 本章应掌握的内容 a 沉降分离（包括重力沉降和离心沉降）的原理、过程计 算、旋风分离器的选型。 b 过滤操作的原理、过滤基本方程式推导的思路，恒压过 滤的计算、过滤常数的测定。 第四章 非均相物系的分离 2021/3/28 颗粒的特性 1. 球形颗粒：球形颗粒的尺寸由直径 d确定。 3 6 dV 2Sd 6Sa Vd 比表面积 体积 表面积 2021/3/28 2. 非球形颗粒：需要形状和大小两个参数来描 述其特性 （ 1）球形度 s p S S s 颗粒的表 面积 与该颗粒体 积相等的球 体的表面积 非球形颗粒 1 s 球形颗粒 1 s 2021/3/28 （ 2）颗粒的当量直径 体积当量直径 3 6epdV 比表面积当量直径 6 ad a a s edd 两者关系 表面积当量直径 p Se S d , 2021/3/28 3 6pe Vd 2 e p s d S 6 se a d 非球形颗粒的特性，即 比表面积 体积 表面积 2021/3/28 第四章 非均相物系分离 一、沉降速度 1、重力沉降 速度 2、阻力系数 3、影响沉降速度的因素 4、沉降速度的计算 5、分级沉降 二、降尘室 1、降尘室的结构 2、降尘室的生产能力 第一节 重力沉降 2021/3/28 一、重力沉降 沉降 ：在某种 力场 中利用分散相和连续相之间的 密度差 异 ， 使之 发生相对运动 而实现分离的操作过程 。 作用力 重力 惯性离心力 重力沉降 离心沉降 1、 重力沉降速度 1） 球形颗粒的自由沉降 光滑的刚性球形颗粒在静止流体中的沉降 设颗粒的密度为 s， 直径为 d， 流体的密度为 ， s ,颗粒沉降 2021/3/28 重力 gdF sg 36 浮力 gdF b 36 而阻力随着颗粒与流体间的相对运动速度而 变 ， 可仿照流体流动阻力的计算式写为 ： 2 2u AF d 2 4 dA 对球形颗粒 24 2 2 udF d maFFF dbg 2021/3/28 adudgdgd ss 3 2 233 62466 (a) 颗粒开始沉降的瞬间 ， 速度 u=0， 因此阻力 Fd=0， amax 颗粒开始沉降后 ， u Fd ； 当 u ut 时 ， a=0 。 等速阶段中颗粒相对于流体的运动速度 ut 称为沉降速度 。 当 a=0时 ， u=ut， 代入 （ a） 式 02466 2 233 t s udgdgd 3 )(4 st dgu 沉降速度表达式 终端速度 2021/3/28 2、 阻力系数 通过因次分析法得知 ， 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： a) 滞流区或斯托克斯 (stokes)定律区 （ 10 4 Ret1） tRe 24 18 2 gd u st 斯托克斯公式 t t duRe 2021/3/28 6.0Re 5.18 t 6.0Re2 6 9.0 tgdu s t 艾伦公式 c) 湍流区或牛顿定律区 （ Nuton） （ 103 Ret 2 105） 44.0 gdu s t 74.1 牛顿公式 b) 过渡区或艾伦定律区 （ Allen） （ 1 Ret2m) 适用条件 (1)颗粒静止，流体运动 (2)颗粒运动，流体静止 (3)颗粒流体作相反方向运动 (4)颗粒、流体作相同方向运动，但速度不同 2021/3/28 3、 影响沉降速度的因素 1） 颗粒的体积浓度 在前面介绍的各种沉降速度关系式中 ， 当颗粒的体积浓度小 于 0.2%时 ， 理论计算值的偏差在 1%以内 ， 但当 颗粒浓度较高 时 ， 由 于颗粒间相互作用明显 ， 便 发生干扰沉降 ， 自由沉降的公式不再适 用 。 2） 器壁效应 当器壁尺寸远远大于颗粒尺寸时 ， （ 例如在 100倍以上 ） 容器 效应可忽略 ， 否则需加以考虑 。 D d uu t t 1.21 2021/3/28 由式 Stokes公式、 Allen公式、 Newton公式可 看出，颗粒直径对沉降速度有明显影响，但 在不同的区域，其影响不同： 滞流区， utd 2； 过渡区 utd 1.143； 湍流区 utd 0.5。 即随着 Ret的增加，其影响减弱，在 生产中对小颗粒的沉降采用添加絮凝剂来加 速沉降。 3）颗粒直径的影响 2021/3/28 4)粘度的影响 在滞流区，阻力主要来自于流体粘性引起的表面摩 擦力； 在湍流区，由流体在颗粒尾部出现的边界层分离所 引起的形体阻力占主导作用 ,流体粘性对沉降速度已 无影响。 在过渡区，摩擦阻力和形体阻力都不可忽略。 因沉降多在滞流区进行，故降低粘度对操作有利， 对 悬浮液的沉降过程应设法提高温度，而对含尘气 体的沉降应降低气体温度。 2021/3/28 5）颗粒形状的影响 p s S S 球形度 对于球形颗粒 ， s=1， 颗粒形状与球形的差异愈大 ， 球形 度 s值愈低 。 对于非球形颗粒 ， 雷诺准数 Ret中的直径要用当量直径 de代 替 。 pe Vd 3 6 3 6 Pe Vd 颗粒的 球形度愈小 ， 对应于同一 Ret值的 阻力系数 愈大 但 s值对 的影响在滞流区并不显著 ， 随着 Ret的增大 ， 这 种影响变大 。 2021/3/28 4、 沉降速度的计算 1） 试差法 假设沉降属于层流区 方法： 18 2 st du u t dut Re Re t Ret 1 ut为所求 Ret 1 艾伦公式 求 ut 判断 公式适 用为止 2) 摩擦数群法 3 4 s t gdu由 得 23 4 t s u dg 2021/3/28 2 222 2Re t t ud 2 3 2 3 4Re gd s t 因 是 Ret的已知函数 ， Re t2必然也是 Ret的已知函数 ， Ret曲线便可转化成 Re t2 Ret曲线 。 计算 ut时 ， 先 由已知数据 算出 Re t2的值 ， 再 由 Re t2 Ret曲线 查得 Ret值 ， 最后由 Ret反算 ut 。 du tt Re 2) 摩擦数群法 由 得 2021/3/28 摩擦数群法 2021/3/28 计算在一定介质中 具有某一沉降速度 ut的颗粒的直径 d， 令 与 Ret-1相乘 ， 221 3)(4Re tst ug Re t-1 Ret关系绘成曲线 ， 由 Re t-1值查得 Ret的值 ， 再根据 沉降速度 ut值计算 d。 t t ud Re 摩擦数群法 颗粒直径 d的计算 2021/3/28 3)量纲为一数群判别： K 2.62为斯托克斯定律区 ， 2.62 K 69.1为牛顿定律区 。 2 ()s gKd 3 2021/3/28 例： 试计算直径为 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 。 解： 1） 在 20 水中的沉降 。 用试差法计算 先假设颗粒在滞流区内沉降 ， 18 2 gd u st 附录查得 ， 20 时水的密度为 998.2kg/m3,=1.005 10-3Pa.s 2021/3/28 3 26 100 0 5.118 81.92.9 9 83 0 0 01095 tu sm /10797.9 3 核算流型 t t duRe 3 36 100 0 5.1 2.9 9 8107 9 7.91095 9244.0 1 原假设滞流区正确 ， 求得的沉降速度有效 。 2） 20 的空气中的沉降速度 用摩擦数群法计算 20 空气： = 205 kg/m3， = 81 10-5 Pa.s 根据无因次数 K值判别颗粒沉降的流型 2021/3/28 3 2 gdK s 3 25 6 1081.1 81.9205.13 0 0 0205.11095 52.4 2.61 K69.1， 沉降在过渡区 。 用艾伦公式计算沉降速度 。 4.1 6.0 4.1 4.0 4.1 14.16.14.11 154.0 st dg u sm /619.0 2021/3/28 例： 本题附图所示为一 双锥分级器 ， 利用它可将 密度不同或尺寸不同的粒子混 合物分开 。 混合粒子由上部加入 ， 水经可 调锥与外壁的环形间隙向上流过 。 沉降速 度大于水在环隙处上升流速的颗粒进入底 流 ， 而沉降速度小于该流速的颗粒则被溢 流带出 。 5、 分级沉降 含有两种直径不同或密度不同的混合物 ， 也可用沉降方法加以分离 。 2021/3/28 利用此双锥分级器对方铅矿与石英两种粒子混合物分离 。 已 知： 粒子形状 正方体 粒子尺寸 棱长为 0.080.7mm 方铅矿密度 s1=7500kg/m3 石英密度 s2=2650kg/m3 20 水的密度和粘度 =998.2kg/m3 =1.005 10-3 Pas 假定粒子在上升水流中作自由沉降 ， 试求： 1） 欲得 纯 方铅矿 粒 ， 水的上升流速至少应取多少 m/s？ 2） 所得纯方铅矿粒的 尺寸范围 。 2021/3/28 解： 1)水的上升流速 为了得到纯方铅矿粒 ， 应使全部石英粒子被溢流带出 ， 应按 最大石英粒子的自由沉降速度决定水的上升流速 。 对于正方体颗粒 ， 先算出其当量直径和球形度 。 设 l代表棱长 ， Vp代表一个颗粒的体积 。 3 6 pe Vd 3 3 6 l m433 106 8 5.8)107.0(6 p s S S 2 2 6l de 8 0 6.0)107.0(6 106 8 5.8 23 4 2021/3/28 用摩擦数群法求最大石英粒子的沉降速度 2 2 2 2 3 )(4Re gd se t 14000)10005.1(3 81.92.998)2.9982650()10685.8(4 23 34 s=0.806， 查图 3-3的 ， Ret=60， 则： e t t du Re 4 3 10685.82.998 10005.160 sm /0 6 9 6.0 2021/3/28 2） 纯方铅矿的尺寸范围 所得到的纯方铅矿粒 尺寸最小的沉降速度应等于 0.0696m/s 用摩擦数群法计算该粒子的当量直径 。 32 11 3 )(4Re t s t u g 2 5 4 4.0 )0 6 9 6.0(2.9983 81.9)2.9987 5 0 0(10005.14 32 3 s=0.806， 查图 3-3的 ， Ret=22， 则： 2021/3/28 t t e ud Re 0 6 9 6.02.9 9 8 100 0 5.122 3 m4101 8 2.3 与此当量直径相对应的正方体的棱长为： 3 6 edl 3 4 6 10182.3 m4105 6 5.2 所得方铅矿的棱长范围为 0.25650.7mm。 2021/3/28 二、降尘室 1、降尘室的结构 2、 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。 降尘室内的 颗粒 运动 以速度 u 随气体流动 以速度 ut 作沉降运动 u ut 2021/3/28 颗粒在降尘室的停留时间 ul 颗粒沉降到室底所需的时间 tt uH t 为了满足除尘要求 tu H u l 降尘室使颗粒沉降的条件 Hb Vu s ss V l H b Hb V l ts u H V lH b ts b luV 降尘室的生产能力 降尘室的生产能力只与降尘室的 沉降面积 bl和颗粒的沉降 速度 ut有关 ， 而 与降尘室的高度无关 。 u ut 2021/3/28 n-隔板数 隔板间距： 40 100mm 3、 多层降尘室 ts b l unV )1( 2021/3/28 4.降尘室的计算 降尘室的计算 设计型 操作型 已知气体处理量和除尘要求 ， 求降尘室的大小 用已知尺寸的降尘室处理一定量含 尘气体时 ， 计算 : 可以完全除掉的最小颗粒的尺寸 要求完全除去直径 dp的尘粒时所 能处理的气体流量 2021/3/28 降尘室可以完全除去的最小颗粒直径，假设沉降 在层流区，沉降速度： 降尘室的特点 结构简单 ,但设备庞大 流动阻力小，分离 75m的粗颗粒，作预除尘 流体处于层流区 18 )(2 gdu s t bl V g d s s 18 m i n 2021/3/28 例： 拟采用降尘室除去常压炉气中的球形尘粒 。 降尘室的宽和长 分别为 2m和 6m,气体处理量为 1标 m3/s， 炉气温度为 427 ， 相应的 密度 =0.5kg/m3， 粘度 =3.4 10-5Pa.s， 固体密度 S=400kg/m3操 作条件下 ， 规定气体速度不大于 0.5m/s， 试求： 1.降尘室的总高度 H， m； 2.理论上能完全分离下来的最小颗粒尺寸； 3. 粒径为 40m的颗粒的回收百分率； 4. 欲使粒径为 10m的颗粒完全分离下来 ， 需在降尘室内设置几层 水平隔板 ？ 2021/3/28 解： 1） 降尘室的总高度 H smtVV S /564.2273 4272731273273 30 bu VH S 5.02 564.2 m564.2 2） 理论上能完除去的最小颗粒尺寸 bl Vu s t sm /2 1 4.062 5 6 4.2 用试差法由 ut求 dmin。 假设沉降在斯托克斯区 2021/3/28 g ud s t 18m i n 8 0 7.95.04 0 0 0 2 1 4.0104.318 5 m51078.5 核算沉降流型 1182.0 1014.3 5.0214.01078.5Re 5 5 t t du 原假设正确 3、 粒径为 40m的颗粒的回收百分率 粒径为 40m的颗粒定在滞流区 ， 其沉降速度 smgdu s t /103.0104.318 807.95.040001040 18 5 262 2021/3/28 气体通过降沉室的时间为： suH t 122 1 4.0 5 6 4.2 直径为 40m的颗粒在 12s内的沉降高度为： muH t 2 3 4.1121 0 3.0 假设颗粒在降尘室入口处的炉气中是均匀分布的 ， 则 颗粒 在降尘室内的沉降高度与降尘室高度之比约等于该尺寸颗粒被 分离下来的百分率 。 直径为 40m的颗粒被回收的百分率为： %13.48%1 0 05 6 4.2 2 3 4.1 HH 2021/3/28 4、 水平隔板层数 由规定需要完全除去的 最小粒径 求沉降速度 ， 再 由生产能力和底面积 求得多层降尘室的 水平隔板层数 。 粒径为 10m的颗粒的沉降必在滞流区 ， smgdu s t /1041.6104.318 807.95.04000101 18 3 6 252 1 t S b lu Vn 1104.662 5 6 4.2 3 3.32 取 33层 板间距为 1 n Hh m0 7 5 4.0133 5 6 4.2 2021/3/28 三、沉降槽 1、 悬浮液的沉聚过程 D 沉聚区 变浓度区 等浓度区 清液区 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，两区逐渐扩大，区这时逐 渐缩小至消失。在沉降开始后的一段时间 内，两区之间的界面以等速向下移 动，直至区消失时与区的上界面重合 为止。 此阶段中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。 等浓度区消失后，界面以逐渐变小的速度下降，直至区消失， 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。 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。 通过间歇沉降实验，可以获得 表观沉降速度 与 悬浮液浓度 及 沉渣浓度与 压紧时间 的二组对应关系数据，作为沉降槽设计的依据。 间歇沉降试验 2021/3/28 2、沉降槽 利用重力沉降从悬浮液中分离固相的设备称为 沉降槽 ， 它可从悬浮液中分出清液而得到稠厚的 沉渣 ， 又称为 增稠器 。 按操作方式分为间歇式和 连续式 ， 一般化工生产中均采用连续沉降槽 。 2021/3/28 1)连续沉降槽的构造与操作 连续沉降槽是底部略成锥状的大直径浅槽 ， 如图 。 悬浮液 经中央进料管送到液面以下 0.3 1.0m处 ， 分散到槽的整个横截 面上 。 因截面积的扩大颗粒下沉 ， 清液向上流动 ， 经由槽顶四周 设置的溢流堰排出 ， 沉到槽底的沉渣由缓缓转动的耙拨向底部中 心的排渣口排出 （ 称为底流 ） 。 连续沉降槽的操作属于稳定操作 状态 ， 上部为清液区 ， 下部为增稠区 ， 增稠区内颗粒的浓度自上 而下逐步增高 ， 而且各部位区内的粒子浓度 、 沉降速度等不随时 间而变化 。 2021/3/28 连续沉降槽 直径大 ， 大者可达百米以上 ， 高度为 2 4米 。 为节省占地面积 ， 有时将 数个沉降槽叠 在一起构成多层沉降槽 ， 共用一根共同的轴带动 各槽的耙 。 耙的转速很低 ， 一般在 0.1 1rpm之 内 ， 以防将已沉积的固粒重新搅起 。 连续沉降槽适于 处理量大而颗粒浓度不高 的悬浮 液 ， 对于颗粒 细微的料浆 ， 常需加入高分子量的 絮凝剂 ， 使细粒之间发生凝聚而促进沉降作用 ， 以提高其生产能力和得到符合要求的清液 ， 其底 部排出的沉渣还含有约 50%的液体 。 2)特性 2021/3/28 3)连续沉降槽的设计 沉降槽的面积 若悬浮液中固相浓度以单位体积内的固相质量 C表示 cccu wA 11 0 若悬浮液中固相浓度以固相体积分率 e表示 c f eeu QeA 11 0 若悬浮液中固相浓度以固液质量比 X的形式表示 )11( 0 CXXu wA 2021/3/28 沉降槽的高度 )1( C S S r XA wh 压紧区的高度 沉降槽总高度 mhhh )21(75.0 (通常要附加约 75%的压紧区的高度作为安全余量 , 沉降槽的总高度则等于压紧区高度加上其它区域的高度 ,后者 可取 1 2m) 75.0h
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