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非均相物系的分离第一节概述非均相物系包括气固系统(空气中的尘埃)、液固系统(液体中的固体颗粒)、气液系统(气体中的液滴)、液液系统(乳浊液中的微滴)等。
其中尘埃、固体颗粒、气泡和微滴等统称为分散物质(或称分散相)，而非均相物系中的气体、液体称为分散介质(或称连续相)。
非均相物系分离的依据是连续相与分散相具有不同的物理性质(两相的密度不同)，故可用机械方法将两相分离。
利用两相密度差进行分离时，必须使分散相与连续相间产生相对运动，故分离非均相物系的单元操作遵循流体流动的基本规律。
非均相物系的分离主要用于：1 回收有用物质；2 净化分散介质；3 除去废液、废气中的有害物质，满足环境保护的要求。
第二节重力沉降一、沉降速度在重力场中，借连续相与分散相的密度差异使两相分离的过程，称为重力沉降。
1、球形颗粒的自由沉降若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过程，称为自由沉降。
表面光滑的球形颗粒在静止流体中沉降时，由于颗粒的密度ρs大于流体的密度ρ，所以颗粒受重力作用向下沉降，即与颗粒与流体产生相对运动。
在沉降中，颗粒所受到的作用力有重力、浮力和阻力。
开始时，颗粒为加速运动，随着颗粒沉降速度的增大，阻力亦增大，当颗粒受力达平衡时，颗粒即开始作匀速沉降，对应的沉降速度为一定值，称该速度为沉降速度或终端速度，以u t表示，其计算式为ξρρρ34)(dg u s t -=2、阻力系数ζ阻力系数ζ是流体与颗粒相对运动时的雷诺数准Re t 的函数，即ζ=f(Re t )μρi t du Re =阻力系数ζ与Re t 的关系由实验测定，结果如图3-2所示。
图中曲线按Re t 值可分成四个区，即(1) 层流区，Re t ≤2(又称斯托克斯区) tRe 24=ξ (2) 过渡区，2＜ Re t ＜1036.0Re 5.18t =ξ(3) 湍流区，103＜ Re t ＜2×105 ζ=0.44 对应各区沉降速度u i 的计算公式如下： (1) 层流区μρρ18)(2g d u s i -=(2) 过渡区6.0)(27.0ts i Re gd u ρρρ-=(3) 湍流区ρρρgd u s i )(74.1-=3、沉降速度的计算计算沉降速度u i 时，为选用计算公式，应先判断流动类型，即先算出Re t 值，计算Re t 时需已知u i ，而u i 是待求量，故需用试差法求解。
项目二非均相物系的分离与设备
非均相物系的分离与设备
化学工业出版社
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任务1:了解非均相物系分离在化工生产中的应用想一想：化工生产中，经常会遇到含尘气体、悬浮液的分离问题，那么采取什么操作能完成含尘气体、悬浮液的分离呢？含尘气体、悬浮液的分离问题属于非均相物系的分离，下面我们学习有关非均相物系分离的相关知识。
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1. 应用在自然界、工农业生产以及日常生活里我们会接触到很多混合物，如空气、雾、泥水、牛奶等。
在化工生产中，很多原料、半成品、排放的废物等大多为混合物，为了满足生产要求和环境保护，常常要对混合物进行分离。
非均相混合物的定义：非均相混合物是指由两个或两个以上的相组成的混合物。
非均相混合物中，有一相处于分散状态，称为分散相(分散物质),如雾中的小水滴、烟尘中的尘粒；另一相处于连续状态，称为连续相(或分散介质),如雾和烟尘中的气相。
化工生产中，非均相混合物的分离过程常用于回收分散物质、净化分散介质、劳动保护和环境卫生等。
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悬浮液和乳浊液自然界里的大多数物质是混合物，混合物可分为均相混合物和非均相混合物两大类。
相是具有相同组成，相同物理性质和相同化学性质的均匀物质。
相与相之间有明确的界面。
均相混合物的定义：均相混合物内部各处物质均匀而不存在相界面，如空气、酒精等。
非均相混合物的定义：非均相混合物的内部有隔开两相的界面存在，而界面两侧的物料性质截然不同，如悬浮液、乳浊液、含尘气体等。
固体颗粒分散于液体中，因布朗运动而不能
很快下沉，此时固体分散相与液体的混合物称悬浮液。
悬浮液中的固体颗粒的粒径为10-3-10-4cm,大于胶体。
血液,泥水,氢氧化铜和水的混合液，碳酸钙和水的混合液等都是悬浮液。
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非均相混合物的实例
乳浊液
悬浮液
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2.非均相物系的分类和分离方法非均相混合物按聚集状态分类，常见的有气-固相(如烟道气)、气-液相(如雾)、液-固相(如泥水)、液-液相(如牛奶)、固-固相(如金属矿)。
非均相混合物通常采用机械的方法分离，即利用非均相混合物中分散相和连续相的物理性质(如密度、颗粒形状、尺寸等)的差异，使两相之间发生相对运动而使其分离。
根据两相运动方式的不同，机械分离可有两种操作方式，过滤和沉降。
重力沉降是微粒(分散相)借助本身的重力在分散介质中沉降而获得分离。
离心分离是利用微粒(分散相)所受离心力的作用将其从分散介质中分离，亦称离心沉降。
过滤是利用两相对多孔介质穿透性的差异，在某种推动力的作用下，使非均相混合物得以分离的操作。
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任务2:认识重力沉降及设备想一想：重力沉降有什么优缺点？在化工生产中，重力沉降一般用在什么场合？重力沉降是借助重力的作用，使流体和颗粒之间发生相对运动，把流体和颗粒分离的操作。
工业生产中，借助重力沉降分离非均相混合物的设备常见的有降尘室和连续沉降槽。
降尘室用于分离含尘气体，而连续沉降槽用于分离悬浮液。
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1. 降尘室降尘室一般呈扁平状，通常只能作为预除尘设备，用于分离粒径较大的尘粒。
最简单的水平流动型降尘室如下图所示：
含尘气体水平进入降尘室后，因流道截面积扩大而速度减慢，只要颗粒能够在气体通过的时间内降至室底，便可从气流中分离出来。
含尘气体净化气体清洁气流隔板含尘气流挡板
ut
u
尘粒在降尘室的运动情况
多层降沉室
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2.沉降槽照片及示意图
沉降槽示意图
沉降槽照片
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3.提高重力沉降速度的方法下面以降尘室为例，介绍提高重力沉降速度的方法。
以如前所述，降尘室的生产能力只与沉降面积bl 及颗粒的沉降速度ut有关。
在实际生产中，现有的降尘室，沉降面积一定，升降分离的关键在于颗粒的沉降速度。
提高重力沉降速度，无疑可以获得更好的沉降效果。
影响沉降速度的因素很多，同学们想一想，有哪些提高重力沉降速度的方法呢？从下列影响重力沉降速度的的因素着手，针对不同情况，采取不同措施。
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影响重力沉降速度的的因素(1)密度(2)颗粒直径(3)球形度(4)流体的粘度(5)流动干扰
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双边交流：1.查取有关资料，找出高效沉降槽在化工生产中的实际应用，把你获得的资料与其他人交流一下，看别人的理解与你有何不同，并展开讨论。
2.请完成下面的填空：(1) 降尘室的生产能力只与降尘室的_________有关，与降尘室的_________无关。
(2) 沉降槽用于分离_________混合物。
(3) 流体的粘度越大，颗粒的沉降速度_________。
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任务3 :认识离心沉降及设备想一想：离心沉降与重力沉降有何不同？在化工生产中，离心沉降一般用在什么场合？依靠惯性离心力的作用，使流体中的颗粒产生沉降运动，称为离心沉降。
利用离心力比利用重力要有效得多，因为颗粒的离心力由旋转而产生，转速越大，则离心力越大；而颗粒所受的重力却是固定的。
因此，利用离心力作用的分离设备不仅可以分离出比较小的颗粒，而且设备的体积也可缩小很多。
离心沉降设备分为两类：一类是设备静止不动，非均相物系
作旋转运动的离心设备，如旋风分离器和旋液分离器；另一类是设备本身旋转的离心设备，称为离心机。
离心沉降可大大提高沉降速度，适宜处理两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。
气、固非均相物系的离心沉降通常是在旋风分离器中进行；液、固悬浮物系一般在旋液分离器或沉降离心机中进行。
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1.旋风分离器B
排气进气
出灰口
旋风分离器示意图
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生产中常用若干个小型旋风分离器并列组成分离器组来代替大型分离器，不仅可以提高分离效率，而且可以提高生产能力。
为了减少能耗，生产中常将降尘室、旋风分离器及袋滤器组成除尘系统。
含尘气体先在降尘室中除去较大的尘粒，然后在旋风分离器中除去大部分的尘粒，最后在袋滤器中除去较小的尘粒。
也可根据尘粒的粒度分布及除尘目的省去其中的某个除尘设备。
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(1) 旋液分离器旋液分离器又称水力旋流器，用以分离以液体为主的悬浮液或乳浊液的设备。
工作原理与旋风分离器大致相同。
设备主体也是由圆柱、圆锥两部分组成，如图所示。
料液由圆筒部分以切线方向进入，作旋转运动而产生离心力，下行至圆锥部分更加剧烈。
料液中的固体粒子或密度较大的液体受离心力的作用被抛向器壁，并沿器壁按螺旋线下流至出口(底流)。
澄清的液体或液体中携带的较细粒子则上升，由中心的出口溢流而出。
2.其他离心沉降设备
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(2) 沉降离心机
蝶片式离心机
管式超速离心机
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卧式螺旋卸渣沉降离心机示意图
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3.提高离心沉降速度的方法离心沉降是利用连续相与分散相在离心力场中所受离心力的差异使重相颗粒迅速沉降实现分离的操作。
离心沉降速度是指重相颗粒相对于周围流体的运动速度。
设法提高离心沉降速度，无疑可使分离效果提高，设备尺寸减少。
同学们想一想，有哪些提高离心沉降速度的方法呢？从下列影响离心沉降速度的的因素着手，针对不同情况，采取不同措施。
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颗粒的离心沉降速度与下面三方面因素有关：(1) 颗粒本身的性质：离心沉降速度与颗粒直径和密度成正比。
密度相同时，大颗粒比小颗粒沉降快；大小相同时，密度大的颗粒比密度小的沉降快。
(2) 介质的性质：离心沉降速度与介质的粘度、密度成反比。
介质粘度、密度大，则颗粒沉降慢。
(3) 离心条件：颗粒的离心沉降速度与离心时转速和旋转半径成正比。
如果其他的条件不变，离心沉降速度随着半径的增大而增大；同样其他的条件不变，离心沉降速度随着转速的增大而增大。
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离心分离因数离心分离设备常用
离心分离因数来表示离心分离效果。
离心分离因数为离心加速度和重力加速度的比值，用KC表示：
离心分离因数是评价离心分离设备的重要指标。
要提高KC, 可通过增大半径和转速来实现，但出于对设备强度、制造、操作等方面的考虑，通常采用提高转速并适当缩小半径的方法来获得较大的Kc。
离心沉降具有沉降速度大、分离效果高的优点，但离心分离设备比重力沉降设备复杂，投资费用大，且需要消耗能量，操作严格而费用高。
因此，分离要求不高或处理量较大的场合适宜采用重力沉降。
根据情况，也可先用重力沉降，再进行离心分离。
