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非均相混合物的分离1、2

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考研必备《化工原理》第三章：非均相混合物

考研必备《化工原理》第三章：非均相混合物
33

(五) 助滤剂

当悬浮液中的颗粒很细时，过滤时 很容易堵死过滤介质的孔隙，或所形成 的滤饼在过滤的压力差作用下，孔隙很 小，阻力很大，使过滤困难。一般加入 助滤剂解决。 常用的助滤剂：硅藻土、珍珠岩、 石棉、炭粉、纸浆粉
34
二、过滤设备
( 一 ) 板框压滤机
35
板框压滤机是间歇式压滤机中应 用最广泛的一种。 此机是由多块滤板和滤框交替排 列而组成。板和框都用一对支耳 架在一对横梁上，可用压紧装置 压紧或拉开。 为了组装时便于区分，在板和框 的边上作不同的标记，非洗涤板 以一钮记，框以两钮记，洗涤板 以三钮记。
15
3. 过滤时当颗粒尺寸比 过滤介质孔径小时， 过滤开始会有部分颗 粒进入过滤介质孔道 里，迅速发生“架桥” 现象 4. 典型设备：板框压滤机 叶滤机 真空转筒过滤机 密闭加耙过滤机
16
五、筛分
1．筛分分析：用一组泰勒制标准筛 分析出混合颗粒的粒径分布。 每英寸长度上的孔数为筛子的目数 相临筛号的筛孔的直径比 2
rm 称为过滤介质的比阻，是单位厚度过滤介 质的阻力，其数值等于粘度为1Pa· s的滤液以 1m/s的平均速度穿过厚度为1m的过滤介质所 需的压力降。 52
p 为滤液通过滤饼层的压力降 为滤液的粘度
Lm 过滤介质的厚度

为单位体积滤液可得滤饼体积
de 为毛细孔道的平均直径 Rm 为过滤介质阻力，是过滤介质比
可测得混合颗粒大小的粒度分布 进行筛分时，将若干个一系列的筛按筛孔大 小的次序从上到下叠起来，筛孔尺寸最大的 放在最上面，筛孔最小的筛放在最下面，它 的底下放一无孔的底盘。 把要进行筛分的混合颗粒放在最上面的一个筛 中，将整叠筛均衡地摇动，较小的颗粒通过各 17 个筛的筛孔依次往下落。

非均相混合物的分离

非均相混合物的分离
T
洗涤速率 终了过滤速率 4
3600 V
W D
真空过滤，推动力较小； 转筒(滤网、 连续化生产，自动化程 适于粒度中 转鼓真空 滤布)、分 过滤、洗涤、度高，推动力小，滤饼湿 等，粘度不 过滤机 配头、滤浆 吹干、卸渣 度大，设备投资高 太大的物料 槽
Q 60nV 60 KA2 (60n e n 2 ) Ve n
通常将原悬浮液称为滤浆，滤浆中的固体颗粒称为滤渣， 过滤时积聚在过滤介质上的滤渣层称为滤饼，通过过滤 介质的液体称为滤液。
（二）过滤介质
过滤介质的作用是支承滤饼，故除有孔隙外，还应具有足 够的机械强度及尽可能小的阻力。
工业上常用的过滤介质有：
织物介质：天然纤维、化学纤维、玻璃丝、金属丝织成的 滤网。
几种过滤设备的比较
设备名称 主要结构 工作过程 特点、 适用性 生产能力计算
加压过滤，推动力较大 结构简单，造价低； 滤板、滤框、 装合、过滤、过滤面积大，能耗少； 板框压滤 夹紧机构、 洗涤、卸渣、读为间歇操作，推动力 机 机架 整理 较大； 洗涤时间长，生产效率 低。

应用范围广。 对原料的适 3600 V 应性强 Q
滤浆槽。
工作过程
g槽
h槽
11 10 9
12
13 14
15 16 17
定盘
f槽
8
7 6 5 4 3 2
18
1
动盘
18格分成6个工作区
1区(1~7格)：过滤区； 2区(8~10格)：滤液吸干区； 3区(12~13格)：洗涤区；
4区(14格)：洗后吸干区；
5区(16格)：吹松卸渣区； 6区(17格)：滤布再生区。
第三章
学习要点：

非均相混合物的分离讲解

非均相混合物的分离讲解

气液系统（如气体中的液滴）；
液液系统（如乳浊液中的微滴）等。
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（如密度），故可用机械方法进行 分离。利用密度差进行分离时，必须使分散相与连 续相产生相对运动，因此，分离非均相物系的单元 操作遵循流体力学的基本规律，按两相运动方式的 不同分为沉降和过滤。 非均相物系的分离主要用于： 1、回收有用物质，如颗粒状催化剂的回收； 2、净化气体，如除尘、废液、废气中有害物质的清 除等。
.6 gd1 p ( p ) ut= 0.153 0.4 0.6 1/ 1.4
艾伦公式
湍流区
ut=
1.74
d p ( p )g

牛顿公式
计算ut需用试差法，即先假设流动类型（层流、过渡流、湍 流）后选用相应的ut计算式算出ut，用ut计算Re，再检验假设 的流型是否正确。
通常将原悬浮液称为滤浆，滤浆中的固体颗粒称为滤渣， 过滤时积聚在过滤介质上的滤渣层称为滤饼，通过过滤 介质的液体称为滤液。
（二）过滤介质
过滤介质的作用是支承滤饼，故除有孔隙外，还应具有足 够的机械强度及尽可能小的阻力。
工业上常用的过滤介质有：
织物介质：天然纤维、化学纤维、玻璃丝、金属丝织成的 滤网。
（四）实际重力沉降速度 自由沉降：固体颗粒在沉降过程中不因流体中其他颗 粒的存在而受到干扰的沉降。 干扰沉降：固体颗粒在沉降过程中，因颗粒之间的相 互影响，而使颗粒不能正常沉降。
二、 离心沉降 颗粒在离心力场作用下，受到离心力的作用而沉降的过程 称为离心沉降。
悬浮在流体中的微粒，利用离心力比利用重力可以使微粒 的沉降速度增大很多，这是因为离心力由旋转而产生，旋 转的速度愈大则离心力也愈大；而微粒在重力场中所受的 重力作用是一个定值。因此，将微粒从悬浮物系中分离时， 利用离心力比利用重力有效的多。同时，利用离心力作用 的分离设备不仅可以分离较小的微粒，而且设备的体积可 以缩小。

化工原理第3章 非均相物系的分离

化工原理第3章 非均相物系的分离

第2节
离心沉降
离心沉降速度
仿照重力沉降速度的推导方法，可得到颗粒在径向 上相对于流体的运动速度
ur
2 4d s uT
3 R
ut2 R
是离心场的离心加速度。
离心沉降速度
如果是层流
则离心沉降速度为
而重力沉降速度是：
离心加速度与重力加速度之比叫离心分离因数， 用 kc表示。它是离心分离设备的重要性能指标。其 定义式为
自由沉降速度
ut
4d s g 3
Fg>Fb
速度u 加速度a
颗粒向下运动
F
b
阻力Fd a=0，恒速运动
Fd
Fg
加速运动：减加速运动，忽略； 等速阶段：沉降速度ut（恒速）
根据牛顿第二运动定律，颗粒所受三个力的合 力应等于颗粒的质量与加速度的乘积，即
Fg-Fb-Fd= ma
第3章 非均相物系的分离
第1节
重力沉降
非均相混合物的特点是体系内包含一个以上的相，相界 面两侧物质的性质完全不同，如由固体颗粒与液体构成的悬 浮液、由固体颗粒与气体构成的含尘气体等。这类混合物的 分离就是将不同的相分开，通常采用机械的方法。
沉降：悬浮在流体中的固体颗粒借助于外场作用力产生定向 运动，从而实现与流体相分离，或者使颗粒相增稠、流体相 澄清的一类操作。
过滤设备
非洗涤板 悬浮液
洗涤板
非洗涤板
滤液 板 框 板 框 板
过滤操作：过滤阶段悬浮液从通道进入滤框，滤液在压力下 穿过滤框两边的滤布、沿滤布与滤板凹凸表面之间形成的沟 道流下，既可单独由每块滤板上设置的出液旋塞排出，称为 明流式；也可汇总后排出，称为暗
第3节
过滤

化工原理 非均相物系的分离

化工原理 非均相物系的分离

de,V
(6V )3
(6de2,V/a)1/3(6de2,V)1/3 a
因此d， e,V
6 a
② 等比表面积当量直径 de,a 与非球形颗粒比表面积相等的球形颗粒的直径
aas
As V
ds2 6ds3
6/ds
de,a
因此 de,a， 6/a
比较d： e,V
6 a
得d： e,Vde,a/
de,a de,V
解出： d2.1 31 0 4m R e0d 0 u2.1 0 3 .1 8 4 0 9 0 1 3 .0 3 0 7 1 99 2 7 .37
重设正确
3、非球形颗粒的沉降速度
同样条件下 非球球
因此： u0,非球 u0,球
处理方法：可先假定为颗粒球形，然后校正。 4、不均匀颗粒的沉降速度 粒径不同时，大颗粒沉降速度快，小颗粒沉降速度慢。
的常压空气中的自由沉降速度。已知 20℃，常压状态下空气密度为 1.205 kg/m3，黏度为 1.81×10-5Pa·s。 解：（1）试差法
假设颗粒的沉降处于层流区，并且由于 P ?>> ，所以由式
（6.2.6）得：
ut
P
gd
2 P
18
2700 9.81 40106 18 1.81105
2
0.13 m/s
Fg
颗粒受力分析
颗粒做匀速运动， 合力为：
F6d3sg6d3gu 20 2d42
m a0
球形颗粒的自由沉降速度
u0
4gds
3
通过实验得到阻力系数与雷诺数的关系绘成算 图，将他们回归成关联式为：
① 层流区（Stokes区，Re0< 2或0.3）

化工原理 第三章 非均相物系的分离

化工原理 第三章 非均相物系的分离

集尘斗
降尘室
含尘气体
净化气体
ut
u
降尘室工作原理:
H 沉降时间： t ut L 停留时间： u
分离条件：
L H t u ut
——降尘室使颗粒沉降条件
降尘室的生产能力:
L H u ut
u Vs
HbL H Vs ut ( Hb)
Vs bLut
沉降分离：借助某种外力的作用，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 过程。
沉降方式:
重力沉降
作用力是重力
离心沉降
作用力是惯性离心力
一、重力沉降速度
1.球形颗粒的自由沉降： 受力分析
π 3 重力：Fg d s g 6 π 3 浮力：Fb d ρg 6
Fb
Fg
s

3）影响沉降速度的因素(以层流区为例)
1) 颗粒直径d:
水净化，加入絮凝剂（明矾）。
d 2 (s )g ut 18
啤酒生产，采用絮状酵母，d↑→ut↑，易于分离和澄清。
2) 连续相的粘度：
加酶：清饮料中添加果胶酶，使 ↓→ut↑，易于分离。 增稠：浓饮料中添加增稠剂，使 ↑→ut↓，不易分层。
已知ut 求d
ut3 2 令K' (s ) g 滞流区：Re t dut

18ut3 2 18 K ' 1 (s ) g ut3 2 K' 1000 2 2 1.74 ( s ) g 1.74
K ' 0.0556 湍流区：Re t dut
第二节颗粒及颗粒床层的特性
一、颗粒的特性（形状，体积和表面积） 1、单一颗粒特性 （1）球形颗粒

非均相物系的分离

6
沉降
沉降是借助外力作用，使两项发生相对运动而 实现分离的操作。有离心沉降、重力沉降和惯性沉 降
重力沉降：在重力的作用之下，使流体和 颗粒之间发生相对运动而得以分离的操作。 它可以分离含尘气体和悬浮液。
7
分析重力沉降
重力沉降速度 根据颗粒在沉降过程中是否受到其他粒子、 流体运动、器壁的影响，将沉降分为自由沉降 和干扰沉降。 自由沉降：颗粒在沉降过程中不受周围颗粒、 流体以及器壁的影响，是一种理想的沉降状态。
28
一、过滤方式
滤饼过滤(表面过滤)：
过滤介质为织物、多孔材料或膜等， 孔径可大于最小颗粒的粒径。过滤初 期，部分小颗粒可以进入或穿过介质 的小孔，后因颗粒的架桥作用使介质 的孔径缩小形成有效的阻挡。 被截留在介质表面的颗粒形成滤渣层（滤饼），透过滤 饼层的则是被净化了的滤液。 随滤饼的形成，真正起过滤介质作用的是滤饼，而非过 滤介质本身，故称作滤饼过滤。 滤饼过滤主要用于含固量较大（>1%）的场合。 29
分析重力沉降
Fd
重力沉降速度 如图所示，直径为d，密度为ρs的光 滑球形颗粒至于密度为ρ的静止流体中， 开始自由降落。 此时 重力——Fg= d 3 s g
浮力——Fb=
Fb
Fg

6 6
d3 g
阻力——Fd= A
u 2
2
1. 为阻力系数，没有单位 2.A为颗粒在垂直其运动方 2 S= 向上的投影面积， 4 d 3.u为颗粒的相对降落速度

g
根据经验值可知， 沉降过程中的大多 数属于层流区，因 此在进行试差时， 通常设在层流区
分析重力沉降
分析重力沉降
1.重力沉降速度 2. 实际沉降---干扰沉降，在沉降过程中受到的 干扰因素 （1）颗粒含量的影响 （2）颗粒形状的影响 （3）颗粒大小的影响 （4）流体性质的影响 （5）流体流动的影响 （6）器壁的影响

化工原理1非均相混合物的分离






4.52
2.61＜K<69.1，沉降在过渡区。用艾伦公式计算沉降速度。
ut
1 .6 1 1 . 4 0.154 g d 1.4
s
1.4
1 1.4

0 .4
1 .4
0.6
0.619m / s
二、重靠重力沉降从气流中分离出固体颗 粒的设备
令
例：试计算直径为95μm，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 ，
d 2 s g ut 18
附录查得，20℃时水的密度为998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s
XLK型(扩散式)
14
二、离心沉降设备
（4）旋风分离器的选用
首先应根据系统的物性，结合各型设备的 特点，选定旋风分离器的类型； 然后依据含尘气的体积流量，要求达到的 分离效率，允许的压力降计算决定旋风分离器 的型号与个数。
15
二、离心沉降设备
2. 旋液分离器 旋液分离器又称水力旋流器，是利用离心沉 降原理从悬浮液中分离固体颗粒的设备，它的结 构与操作原理和旋风分离器类似。
旋风分离器的 进口气速 气流的有效旋 转圈数
临界粒径是判断旋风分离器分离效率高低的重要依据。 临界粒径越小，说明旋风分离器的分离性能越好 。 6
二、离心沉降设备
②分离效率
总效率η0
0
C1 C2
C1
粒级效率ηpi
pi
C 1i C2i C 1i
7
二、离心沉降设备
粒级效率曲线 通过实测旋风分离器进、出气流中所含尘粒 的浓度及粒度分布，可得粒级效率与颗粒直径di 的对应关系曲线，该曲线称为粒级效率曲线。 分割粒径 d50 粒级效率恰为50%的颗粒直径，称为分割粒 径。 D

非均相混合物的分离


2
Part
沉降及其设备
Settlement and its equipment
2 Part
沉降及其设备
沉降是使密度不同的两相，在外力（重力或离心力）的作用下， 发生相对运动而实现分离的过程。如悬浮在流体中的固体颗粒， 在重力或离心力作用下，沿着受力方向发生运动而沉积，从而与 流体分离。 主要类型： 重力沉降：利用重力完成分离的操作。 离心沉降：利用离心力作用而获得分离的操作。 依 据：连续相与分散相密度不同。
沉降及其设备
2 离心沉降
微粒在重力场中所受的重力作用是一个定值，而离心力由旋转而
产生，旋转的速度愈大则离心力也愈大。利用离心力使颗粒在离心力
场的作用下而沉降的过程称为离心沉降。
离心力沉降比重力沉降的沉降速度增大很多，因此离心力分离设
备不仅可以分离较小的微粒，而且设备体积缩小。
2 Part
沉降及其设备
3 Part
过滤及其设备
2 过滤介质
织物介质
编制滤布
织物介质
天然纤维：棉、毛、丝、麻 化学纤维：聚氯乙烯、聚乙烯、聚酯纤维
玻璃丝
滤网
金属丝
特点：品种最多，用途最广。
3 Part
过滤及其设备
2 过滤介质
多孔性固体介质
• 多孔性陶瓷板 • 多孔性塑料板 • 多孔性金属陶瓷板或管（由金属粉末烧结而成）
中的空隙流动叫做滤饼过滤。
（2）深层过滤 固体颗粒不形成滤饼，而 是沉积在过滤介质内部叫做深层过滤。用 于去除直径小于5μm的细小颗粒,滤介质要 定期更换或清洗再生。
3 Part
过滤及其设备
2 过滤介质
过滤介质是过滤设备的核心，过滤过程的关键。 过滤介质的作用是支承滤饼，故除有孔隙外，还应具有足够的机械强 度及尽可能小的阻力。 工业上常用的过滤介质有： ➢ 织物介质、多孔性固体介质 ➢ 堆积介质、多孔膜

非均相混合物的分离


少 少 少 少 中 少 大 中上
运行 费用
少 少 中 中下 中 大 中上 大
模块二 液-固分离设备的认识与操作
概述 除了气态非均相物系外，另一种非均相物
系是液态非均相物系，其连续相为液体， 例如悬浮液、乳浊液以及含有气泡的液体， 即泡沫液等。 化工生产中还经常涉及液态非均相物系的 分离。经常采用沉降和过滤的方法。
一、气-固分离方法和设备的认识
目前，气-固分离设备的种类繁多 根据在除尘过程中是否采用液体除尘和清水，可分为干式
和湿式气-固分离设备两大类。 按捕集粉尘的机理不同，可将各种气-固分离设备分为机
械式气-固分离设备(机械力)、过滤式气-固分离设备、洗 涤式除尘器和静电气-固分离设备(静电力)四类。
图2-6惯性除尘器分离机理示意图
（2）惯性除尘器的分类 惯性除尘器有碰撞式和反转式两类。
碰撞式除尘器：是在气流流动的通道内增设挡板构成的， 当含尘气流流经挡板时，尘粒借助惯性力撞击在挡板上， 失去动能后的尘粒在重力作用下沿挡板下落，进入灰斗中。
图2-7 碰撞式惯性除尘器
反转式除尘器 又分为弯管型、百叶窗型和多层隔板塔型三种 。 采用内部构件使气流急剧折转，利用气体和尘粒在折转
（2）旋风分离器的分离性能 ①临界直径 临界直径是旋风分离器能够100%除去的最小粒径，用dc表
示。 ②分离效率 旋风分离器的分离效率可用到下两种方法表示： Ⅰ总效率（η 0）： 指旋风分离器的全部颗粒中能被分离下来的颗粒量，以质
量分率表示
0

C1 C2 C1
C1──进口气含尘浓度，g/m3 C2──出口气含尘浓度，g/m3
3、旋风分离设备
旋风分离器是利用惯性离心力作用来分离气体中的尘粒或 液滴的设备。
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非均相物系的分离的目的：
主要用于： 1、满足各相物流进一步加工需要； 2、回收有用物质；如颗粒状催化剂的回 收； 3、净化气体。如除尘、废液、废气中有 害物质的清除等。
本章要解决的问题如下:
1、颗粒性质 2、分离器的原理 3、结构尺寸 4、分离效率 均以上为序进行讲解。
净化气体 含尘气体
（四）实际重力沉降速度
自由沉降：固体颗粒在沉降过程中不因流 体中其他颗粒的存在而受到干扰的沉降。 干扰沉降：固体颗粒在沉降过程中，因颗 粒之间的相互影响，而使颗粒不能正常沉 降。
二、 离心沉降
颗粒在离心力场作用下，受到离心力的作用而沉 降的过程称为离心沉降。
悬浮在流体中的微粒，利用离心力比利用重力可 以使微粒的沉降速度增大很多，这是因为离心力由 旋转而产生，旋转的速度愈大则离心力也愈大；
降尘室
环保除尘风送式喷雾机
2、连续沉降槽
问题1、




1、沉降器的生产能力与沉降速度及沉降面积有关 否？与沉降高度有关吗？ 2、沉降分离需满足的基本条件是？ 3、在降尘室中，尘粒的沉降速度与那些因素有关？ A、颗粒的几何尺寸 B、颗粒的流体密度 C、流体 的水平流速 D、颗粒的形状 4、临界直径愈小，总效率是愈高还是愈低？对应 的设备分离性能如何？ 5、旋液分离器是利用离心力分离（） A、液液混合物 B、液固混合物 C、气固混合物 D、 不均匀混合物中至少有一相是液相
第三章
学习要点：
非均相混合物的分离
一、均相物系与非均相物系相关概念；
二、重力沉降与离心沉降的基本公式；
三、过滤机理和过滤基本参数； 四、恒压过滤方程及过滤常数的测定； 五、液固、气固分离
概述
1、均相物系：指物系内部各处均匀且无相界面， 包括溶液、气体混合物等。
2、非均相物系：指物系内部有隔不同相 的界面且界面两侧的物料性质有差异。
包括： 气固系统（如空气中的尘埃）； 液固系统（如液体中的固体颗粒）； 气液系统（如气体中的液滴）； 液液系统（如乳浊液中的微滴）等。
思考：

气相与液相所组成的物质称为气相非均 相混合物。（ ）
3、分类
分散
连续
分类：
非均相物系


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（如密度），故可用机械方法进行分离。 利用密度差进行分离时，必须使分散相与连续相产 生相对运动。 分离非均相物系的单元操作遵循流体力学的基本规 律，按两相运动方式的不同分为沉降和过滤。问Βιβλιοθήκη 2、即作业：

1、名词解释： 非均相混合物 连续相 分散相 自由沉降 离心沉降 2、何谓沉降？沉降可分为哪几类？什么叫重力沉 降速度？旋风分离器的工作原理？
重点讲

与生产实际相结合的纸车间沉降即锥形 离心除砂与离心筛等
脱墨浆车间的锥形除渣器

纸车间的锥 形除渣器
而微粒在重力场中所受的重力作用是一个定值。因 此，将微粒从悬浮物系中分离时，利用离心力比利 用重力有效的多。同时，利用离心力作用的分离设 备不仅可以分离较小的微粒，而且设备的体积可以 缩小。
与重力沉降速度相比，只是将重力场改为离心场。
三、沉降分离设备
1、重力沉降设备
降尘室（烟囱）、连续沉降槽
2、离心分离设备 旋风分离器、旋液分离器、离心沉降机
尘粒
第一节
沉降
沉降操作是使悬浮在流体中的固体颗粒，在重力 或离心力的作用下，沿着受力方向发生运动而沉 积，从而与流体分离的过程。即根据密度不同的 两相发生相对运动实现分离。 重力沉降：利用分散相（悬浮固体）颗粒本身的 重力完成分离的操作。
离心沉降：利用悬浮的固体颗粒的离心力作用而 获得分离的操作。
层流区 ut =
2 gd p ( p )
18
.6 gd1 p ( p ) 0.153 0.4 0.6 1/1.4
斯托克斯公式
过渡区
ut =
ut =
艾伦公式
湍流区
1.74
d p ( p )g

牛顿公式
计算ut需用试差法，即先假设流动类型（层流、过渡流、湍流） 后选用相应的ut计算式算出ut，用ut计算Re，再检验假设的流型 是否正确。
一、 重力沉降
（一 ）球形颗粒的自由沉降
球形颗粒的自由沉降
（二）阻力系数

介质阻力系数=f(Rt),如图3-2P102
（三）沉降速度的计算
对一定的颗粒与介质而言，重力与浮力值不变，而阻力则随下 降速度增加而增大。沉降开始阶段，颗粒作加速运动，经过一段 时间后，当重力等于浮力与阻力之和时，加速度为零，颗粒即作 等速沉降运动，此时颗粒的沉降速度称为沉降速度或终端速度。