《化工原理》课程教学资源（教案讲义）第三章 非均相物系的分离

第三章非均相物系的分离 第一节概述 化工生产中常遇到的混合物可分为两大类 第一类是均相物系—如混合气体、溶液, 特征:物系内各处性质相同,无分界面。须用吸收、蒸馏等方法分离。 第二类是非均相体系一 1.液态非均相物系 固体颗粒与液体构成的悬浮液; 不互溶液体构成的乳浊液 2.气态非均相物系 固体颗粒(或液体雾滴)与气体构成的含尘气体(或含雾气体); 气泡与液体所组成的泡沫液等 特征:物系内有相间的界面,界面两侧的物性截然不同。 (1)分散相:往往是液滴、雾滴、气泡,固体颗粒,μm (2)连续相:连续相若为气体,则为气相非均相物系。 连续相若为液体,则为液相非均相物系。 二、非均相物系分离的目的 1)净制参与工艺过程的原料气或原料液。 2)回收母液中的固体成品或半成品。 3)分离生产中的废气和废液中所含的有害物质。 4)回收烟道气中的固体然料及回收反应气中的固体触媒等 总之:以满足工艺要求,提高产品质量,改善劳动条件,保护环境,节约能源

第三章 非均相物系的分离 第一节 概 述 一、 化工生产中常遇到的混合物可分为两大类： 第一类是均相物系—如混合气体、溶液， 特征：物系内各处性质相同，无分界面。须用吸收、蒸馏等方法分离。 第二类是非均相体系— 1．液态非均相物系 固体颗粒与液体构成的悬浮液； 不互溶液体构成的乳浊液； 2．气态非均相物系 固体颗粒（或液体雾滴）与气体构成的含尘气体（或含雾气体）； 气泡与液体所组成的泡沫液等。 特征：物系内有相间的界面，界面两侧的物性截然不同。 （1）分散相：往往是液滴、雾滴、气泡，固体颗粒，µm。 （2）连续相：连续相若为气体，则为气相非均相物系。 连续相若为液体，则为液相非均相物系。 二、 非均相物系分离的目的： 1）净制参与工艺过程的原料气或原料液。 2）回收母液中的固体成品或半成品。 3）分离生产中的废气和废液中所含的有害物质。 4）回收烟道气中的固体燃料及回收反应气中的固体触媒等。 总之：以满足工艺要求，提高产品质量，改善劳动条件，保护环境，节约能源

及提高经济效益。 常用分离方法 1)重力沉降:微粒借本身的重力在介质中沉降而获得分离 2)离心分离:利用微粒所受离心力的作用将其从介质中分离。亦称离心沉降。 此法适用于较细的微粒悬浮体系 3)过滤:使悬浮体系通过过滤介质,将微粒截留在过滤介质上而获得分离。 4)湿法净制:使气相中含有的微粒与水充分接触而将微粒除去。 5)电除尘:使悬浮在气相中的微粒在高压电场内沉降 本章主要讨论:利用机械方法分离非均相物系,按其涉及的流动方式不同,可 大致分为沉降和过滤两种操作方式 三、颗粒和流体相对运动时所受到的阻力 流体以定的速度绕过静止颗粒时} 或者固体颗粒在静止流体中移动时流体对颗粒的作用力—ye力F 式中,A颗粒在运动方向上的投影,mln2 u相对运动速度 2阻力系数,=中(Re)=d( pup/u) 层流区:Re<2, 2=2/Re Stokes区 过渡区:Re=2-500,5=10√Re—Alen区 湍流区:Re=500-2×105,590.44 Newton区

及提高经济效益。 常用分离方法： 1）重力沉降：微粒借本身的重力在介质中沉降而获得分离。 2）离心分离：利用微粒所受离心力的作用将其从介质中分离。亦称离心沉降。 此法适用于较细的微粒悬浮体系。 3）过滤：使悬浮体系通过过滤介质，将微粒截留在过滤介质上而获得分离。 4）湿法净制：使气相中含有的微粒与水充分接触而将微粒除去。 5）电除尘：使悬浮在气相中的微粒在高压电场内沉降。 本章主要讨论：利用机械方法分离非均相物系，按其涉及的流动方式不同，可 大致分为沉降和过滤两种操作方式。 三、 颗粒和流体相对运动时所受到的阻力 流体以一定的速度绕过静止颗粒时 或者固体颗粒在静止流体中移动时 流体对颗粒的作用力——ye 力 Fd 2 2 u Fd A  =  [N] 式中，A—颗粒在运动方向上的投影，dp 2 u—相对运动速度 —阻力系数， =（Re）=（dpu/） 层流区：Re2， =24/Re ──Stokes 区 过渡区：Re=2—500，  = 10 Re ──Allen 区 湍流区：Re=500--2105， ≌0.44 ──Newton 区

第二节重力沉降 一、球形颗粒的自由沉降 自由沉降—对于单一颗粒在流体中的沉降或者颗粒群充分地分散、颗粒间互 不影响,不致引起相互碰撞的沉降过程。 1.加速阶段 阻力 沉降开始时,颗粒初速度为零, 浮力 颗粒受重力和浮力的作用,合力不为零, 产生加速度 2.匀速阶段— 随着速度加快,阻力增加,当合力为零 ps) p 颗粒将发生匀速运动是沉降速度l 重力 重力:F2=adlg 浮力:F=-dpg 阻力:F=xd2m 由牛顿第二定理F=ma Fg-Fb-Fd=mdu/dt 整理后得 Pp-p 4d,p 在dwlt=0,u=l 4d. (p-p)g Φ(Re),将不同的带入t,可得各种流动状态下的l的计算式

第二节 重力沉降 一、球形颗粒的自由沉降 自由沉降──对于单一颗粒在流体中的沉降或者颗粒群充分地分散、颗粒间互 不影响，不致引起相互碰撞的沉降过程。 1．加速阶段—— 沉降开始时，颗粒初速度为零， 颗粒受重力和浮力的作用，合力不为零， 产生加速度。 2．匀速阶段—— 随着速度加快，阻力增加，当合力为零时， 颗粒将发生匀速运动─是沉降速度 ut. 重力： Fg d p  p g  3 6 = 浮力： Fb d p  g  3 6 = 阻力： 4 2 2 2 u Fd d p   =  由牛顿第二定理 F=ma Fg-Fb-Fd=mdu/dt 整理后得： 2 4 3 ( ) u d g dt du p p p p       − − = 在 du/dt=0，u=ut     3 ' 4d ( )g u p p t − = =（Re），将不同的带入 ut，可得各种流动状态下的 ut 的计算式： ρs›ρ 重力 阻力 浮力

层流区 d(p,-p)g stokes公式 18 过渡区:Re=2-500,·l1= 4g2(on-p)2 225p 湍流区:Re=500-2×105,t1= 3g(Pp-p)d l=f(4,p,4)d,p,1 1,l4(层流区,过)区) 适合范围:光滑的球形颗粒。 举例 影响沉降速度v的因素 1)颗粒形状,当量球径,(如当量直径),偏离球形约大,阻力越大; 2〉颗粒浓度不太高<0.2%,假设自由沉降<1% 3)壁面效应 4〉分子运动,d<2-3um 5)液滴和气泡的变形 6)其它,如颗粒不均匀。 二、沉降器设计计算——气体降尘设备 用于分离大颗粒尘 L

层流区：Re2，    18 ( ) 2 d g u p p t − = ──Stokes 公式 过渡区：Re=2—500， ∙ p p t d g u 3 1 2 2 225 4 ( )         − =    湍流区：Re=500--2105，   p  p t g d u 3 ( − ) = ut=f（dp，p，）， dp，p↑，ut↑ ↑，ut↓（层流区，过渡区） 适合范围：光滑的球形颗粒。 举例： 影响沉降速度 ut 的因素： 1〉颗粒形状，当量球径，（如当量直径），偏离球形约大，阻力越大； 2〉颗粒浓度不太高<0.2%，假设自由沉降<1%. 3〉壁面效应 4〉分子运动，d<2~3µm 5〉液滴和气泡的变形 6〉其它，如颗粒p 不均匀。 二、沉降器设计计算——气体降尘设备 用于分离大颗粒尘 L H W ut Vs u

在降尘室中,颗粒停留时间=L 沉降时问=H 分离条件—L≥Hw 由于尘粒中,颗粒粒径不相同,故定义一种粒子。其停留时间沉降时间,即 可以100%除去的最小粒径—临界粒径dpe 与临界粒径d相对应的临界沉降速度,_V,(又称表面负荷) L 18 当尘粒沉降速度处于层流区时,dm=V(pn-)LW 表明:1。大于dhe的尘粒能100%除去 2.降尘室的处理能力只取决于降尘室的底面积,与高度H无关。 第三节离心沉降 依靠离心力的作用,使流体中颗粒产生沉降运动—称离心沉降。 重力使小颗粒的沉降速度小,但离心力比重力大千、万倍。 离心分离因数 悬浮液 一圆筒旋转,角速度o[rad/s]=2mN60 角速度a N—转数/min 旋转轴

在降尘室中，颗粒停留时间=L/u 沉降时间=H/ut 分离条件——L/u≥H/ut 由于尘粒中，颗粒粒径不相同，故定义一种粒子。其停留时间=沉降时间，即 可以 100%除去的最小粒径——临界粒径 dpc ∵ HW V u s = ∴ LW V u s t = 与临界粒径 dpc 相对应的临界沉降速度 LW V u s tc = （又称表面负荷 qo） 当尘粒沉降速度处于层流区时， LW V g d s p pc  − = ( ) 18    表明：1。大于 dpc 的尘粒能 100%除去。 2．降尘室的处理能力只取决于降尘室的底面积，与高度 H 无关。 第三节 离心沉降 依靠离心力的作用，使流体中颗粒产生沉降运动——称离心沉降。 重力使小颗粒的沉降速度小，但离心力比重力大千、万倍。 一、离心分离因数： 一圆筒旋转，角速度 [rad/s] =2N/60 N——转数/min 悬浮液 旋转轴 角速度

被分离液体,密度ρ、μ;颗粒密度p、d 颗粒的旋转半径为r 忽略重力时,离心力F=ma=mro-mN2/00 可见,N↑,F1 设离心分离因数K=ro2ggrN2/900 离心分离因数Kc是表示离心力大小的指标离心设备分离性能的基本参数 二、离心沉降速度 当颗粒在离心场中沉降时,径向上所受的力 离心力 F==d,p,ro 浮力(指向中心)F1= cdi era2 阻力(指向中心)F1=5d( 在三力达到平衡时,离心力-浮力-阻力=0 离心沉降速度ndMd,(-mD2 350 与重力沉降速度公式相比,只是将g换成r 不同的是:在一定的条件下重力沉降速度是定值, 而离心沉降速度ω随径向位置的不同而变化。 一般而言,离心沉降用于小颗粒。小颗粒所受的阻力处于层流区,即ξ=24/Re d r d(p ro=u 18 可见,在层流区离心沉降速度与r成正比,在离心沉降过程中,随r增大

被分离液体，密度、；颗粒密度p、dp 颗粒的旋转半径为 r 忽略重力时，离心力 Fc = m a= mr2≌ mrN2 /100 可见，N↑，Fc↑ 设离心分离因数 Kc= r2 /g ≌ rN2 /900 离心分离因数 Kc 是表示离心力大小的指标，离心设备分离性能的基本参数。 二、离心沉降速度 当颗粒在离心场中沉降时，径向上所受的力： 离心力    F d r c p p 3 6 = 浮力（指向中心） 3 2 6    F d r f = p 阻力（指向中心） ( ) 4 2 2     d dr Fd = d p 在三力达到平衡时，离心力－浮力－阻力=0 离心沉降速度 2 3 4 ( )       r d d dr u p p r − = = 与重力沉降速度公式相比，只是将 g 换成 r2。 不同的是：在一定的条件下重力沉降速度 ut 是定值， 而离心沉降速度 ur 随径向位置的不同而变化。 一般而言，离心沉降用于小颗粒。小颗粒所受的阻力处于层流区，即=24/Re， t t c p p r u K g r r u d d dr u = = − = = 2 2 2 18 ( )       t r c u u K = 可见，在层流区离心沉降速度 ur 与 r 成正比，在离心沉降过程中，ur 随 r 增大

而增大。 三、旋风分离器( cyclone separator) 利用离心力作用净制气体的设备 1.构造与操作 2.临界粒径—指能100%分离除去的最小颗粒粒径。 在三个假设条件下 (1)进气严格作螺旋形等速运动,有效旋转圈数κ=5,切向速度等于进 口速度v (2)颗粒向壁沉降,必须穿约厚为b的气流层,方能到达壁面;(b为 入口之宽度) (3)颗粒的沉降运动服从 stokes定律。 可推得:d。=3 7m(p-p)u 3.压力损失 30bh√D d2√L+H (1)旋风分离器的尺寸都是D的倍数,所以为常数,与D无关 只要进口气速相同,不管多大的旋风分离器,其都相同。 (2)小型分离器的b小,dvc小,所以工业上,用若干个小型分离器组来代 替一个大的分离器,可提高分离效率。 (3)旋风分离器的压力损失一般为1~2kPa

而增大。 三、旋风分离器（cyclone separator） ——利用离心力作用净制气体的设备 1．构造与操作 2．临界粒径——指能 100%分离除去的最小颗粒粒径。 在三个假设条件下 （1）进气严格作螺旋形等速运动，有效旋转圈数 n=5，切向速度等于进 口速度 ui； （2）颗粒向壁沉降，必须穿约厚为 b 的气流层，方能到达壁面；（b 为 入口之宽度） （3）颗粒的沉降运动服从 stokes 定律。 可推得： b i pc n u b d ( ) 3     − = 3．压力损失 2 2 ui p   =  d L H bh D + = 2 30  （1）旋风分离器的尺寸都是 D 的倍数，所以为常数，与 D 无关。 只要进口气速 ui 相同，不管多大的旋风分离器，其p 都相同。 （2）小型分离器的 b 小，dpc 小，所以工业上，用若干个小型分离器组来代 替一个大的分离器，可提高分离效率。 （3）旋风分离器的压力损失一般为 1~2 kPa

四、旋液分离器 五、沉降式离心机 第四节过滤 过滤—是以某种多孔物质为介质来处理悬浮液的操作 在外力的作用下,悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截留 下来,从而实现固、液分离。 悬浮液的过滤 pI 所、本 过滤介质 1.过滤方式 (1)深层过滤——又称澄清过滤 条件:悬浮液含颗粒小,而含量少(液体中颗粒的体积<0.1%)时, 可用床层较厚的过滤介质进行过滤

四、旋液分离器 五、沉降式离心机 第四节 过滤 过滤──是以某种多孔物质为介质来处理悬浮液的操作。 在外力的作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截留 下来，从而实现固、液分离。 一、悬浮液的过滤： 1．过滤方式 （1）深层过滤——又称澄清过滤 条件：悬浮液含颗粒小，而含量少（液体中颗粒的体积0.1%）时， 可用床层较厚的过滤介质进行过滤。 滤浆 滤饼，滤渣 过滤介质 滤液 p1 p2

由于4介质孔隙直径,床层上形成滤饼 d0.1%)时 2.分类 常压过滤—靠位差 加压过滤—利用泵或压缩空气 真空过滤—介质一方抽真空 离心过滤—利用离心力作推动力 步骤:过滤→洗涤→去湿→卸料 3.过滤介质 作用——使液体通过而截留固体颗粒。 选择—根据液体的性质(酸、碱性),颗粒含量及粒度,操作p,T,介 质机械强度等 (1)织布介质—棉、麻、丝、毛制的滤布,金属丝网滤布;可截留5-65μm 的颗粒

由于 dp介质孔隙直径，当悬浮颗粒进入床层年细长而弯曲的孔道时， 靠静电及分子力的作用而附在孔道壁上，过滤介质床层上面没有滤饼形 成。 例如：自来水净化及污水处理。 （2）滤饼过滤 条件：dp介质孔隙直径，床层上形成滤饼； dp介质孔隙直径，但床层内有“架桥现象”； 在滤饼层没有完全形成之前，部分颗粒会随滤液一起流走。 在滤饼层形成成为有效的过滤介质后，得到澄清液。 适用于颗粒含量较多（液体中颗粒的体积0.1%）时 2．分类： 常压过滤──靠位差 加压过滤──利用泵或压缩空气 真空过滤──介质一方抽真空 离心过滤──利用离心力作推动力 步骤：过滤→洗涤→去湿→卸料 3．过滤介质 作用——使液体通过而截留固体颗粒。 选择——根据液体的性质（酸、碱性），颗粒含量及粒度，操作 p，T，介 质机械强度等 （1）织布介质——棉、麻、丝、毛制的滤布，金属丝网滤布；可截留 5~65m 的颗粒

(2)堆积的粒状介质——砂、木炭等,用于深层过滤 (3)多孔性介质——陶瓷、塑料、金属等粉末烧结成型的多孔性板状、管 状介质,可截留1~3um的微细颗粒。 4.助滤剂 使用前提——颗粒细,容易堵死过滤介质的孔隙 所形成的滤饼在压差的作用下,孔隙变小阻力增大,使过滤困难 作用—将某种质地坚硬的另一种固体混入悬浮液或予涂于过滤介质上, 以形成疏松饼层,使滤液畅流。这种固体称助滤剂 常用助滤剂—硅藻土,珍珠岩,石棉,炭粉等 添加量为颗粒量的0.5%以下。 5.固体量、滤液量与滤渣量的关系 设:固体量为1(质量),密度a 湿滤渣为C(质量),密度 湿滤渣中含液量为C-l(质量),密度p 湿滤渣体积一固体体积+液体体积 C=14C-1 设:X—单位质量悬浮液中所含固体质量 CX——单位质量悬浮液可得滤渣量 1-CX——单位质量悬浮液可得滤液量; 单位体积滤液相对应的固体质量:= (1-CB/g千渣/m3滤液 二、过滤基本方程:描述滤液量随时间的变化关系

（2）堆积的粒状介质——砂、木炭等，用于深层过滤， （3）多孔性介质——陶瓷、塑料、金属等粉末烧结成型的多孔性板状、管 状介质，可截留 1~3m 的微细颗粒。 4．助滤剂 使用前提——颗粒细，容易堵死过滤介质的孔隙； 所形成的滤饼在压差的作用下，孔隙变小，阻力增大，使过滤困难。 作用——将某种质地坚硬的另一种固体混入悬浮液或予涂于过滤介质上， 以形成疏松饼层，使滤液畅流。这种固体称助滤剂。 常用助滤剂——硅藻土，珍珠岩，石棉，炭粉等； 添加量为颗粒量的 0.5%以下。 5．固体量、滤液量与滤渣量的关系 设：固体量为 1（质量），密度p 湿滤渣为 C（质量），密度c 湿滤渣中含液量为 C-1（质量），密度 湿滤渣体积=固体体积+液体体积    1 −1 = + C C c p 设：X——单位质量悬浮液中所含固体质量； CX——单位质量悬浮液可得滤渣量； 1-CX——单位质量悬浮液可得滤液量； 单位体积滤液相对应的固体质量：   (1 CX)/ X − = [kg 干渣/m3 滤液] 二、过滤基本方程：描述滤液量随时间的变化关系