第三章非均相物系的分離全

第三章非均相物系的分離全第一頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.1概述一混合物的分類均相混合物--------液相混合物（精餾）氣相混合物（吸收）非均相混合物----------氣態(tài)非均相混合物液態(tài)非均相混合物二非均相物系1定義：由具有不同物理性質(zhì)的分散物質(zhì)和連續(xù)介質(zhì)所組成的物系稱為非均相混合物或非均相物系。2分散相：在非均相物系中處于分散狀態(tài)的物質(zhì)稱為分散物質(zhì)或分散相。3連續(xù)相：包圍分散物質(zhì)且處于連續(xù)狀態(tài)的物質(zhì)稱為分散介質(zhì)或連續(xù)相。第二頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四三非均相混合物的分離方法由于分散相和連續(xù)相具有不同物理性質(zhì)，故工業(yè)上通常采用機(jī)械方法分離，要實(shí)現(xiàn)這種分離必須使分散相和連續(xù)相發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。機(jī)械分離操作方法分為兩類：1沉降：顆粒相對(duì)于流體（靜止或運(yùn)動(dòng)）運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)懸浮物系分離的過(guò)程稱為沉降分離。實(shí)現(xiàn)沉降操作的作用力可以是重力，也可以是慣性離心力。因此沉降過(guò)程有重力沉降和離心沉降。2過(guò)濾：流體相對(duì)于固體顆粒床層運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)固液分離的過(guò)程稱為過(guò)濾。實(shí)現(xiàn)過(guò)濾操作的外力可以是重力，壓強(qiáng)差或慣性離心力。因此過(guò)濾可以分為重力過(guò)濾，加壓過(guò)濾，真空過(guò)濾和離心過(guò)濾。

第三頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四四非均相混合物的分離目的1收集分散物質(zhì)2凈化分散介質(zhì)3環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)。

本章著重討論：氣相非均相混合物------------重力沉降和離心沉降液相非均相混合物------------過(guò)濾第四頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.2顆粒及顆粒床層的特性一顆粒的特性表述顆粒特性的主要參數(shù)為顆粒的形狀，大小和表面積。1單一顆粒特性（1）球形顆粒球形顆粒通常用直徑表示其大小，球形顆粒的各有關(guān)特性均可用直徑表示。V=π∕6×d球形顆粒體積mS=πd球形顆粒表面積ma=6∕d單位體積顆粒具有的表面積m∕m（2）非球形顆粒非球形顆粒通常用體積當(dāng)量直徑和形狀系數(shù)表示其特性。de=√6vp／π

de為體積當(dāng)量直徑vp非球形顆粒的實(shí)際體積Φs=S／SpΦs為顆粒的形狀系數(shù)或球形度S與該顆粒體積相同的圓球的表面積Sp顆粒的表面積

第五頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四2顆粒群的特性工業(yè)中遇到的顆粒大多是由大小不同的粒子組成的集合體，稱為非均一性粒子或多分散性粒子。具有同一粒徑的顆粒稱為單一性粒子或單分散性粒子。不同粒徑范圍內(nèi)所含粒子的個(gè)數(shù)或質(zhì)量為粒度分布。二顆粒床層的特性（1）床層空隙率ε固定床層中顆粒堆積的疏密程度可用空隙率來(lái)表示，其定義如下：ε的大小反映了床層顆粒的緊密程度，ε對(duì)流體流動(dòng)的阻力有極大的影響。第六頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四(2)床層比表面

顆粒比表面取的床層考慮，， 所以*此式是近似的，在忽略床層中固顆粒相互接觸而彼此覆蓋使裸露的顆粒表面積減少時(shí)成立。

（3）床層自由截面積分率A?？障堵逝c床層自由截面積分率之間有何關(guān)系？假設(shè)床層顆粒是均勻堆積（即認(rèn)為床層是各向同性的)。想象用力從床層四周往中間均勻壓緊，把顆粒都?jí)旱街虚g直徑為長(zhǎng)為L(zhǎng)的圓柱中（圓柱內(nèi)沒(méi)有空隙）。

所以對(duì)顆粒均勻堆積的床層(各向同性床層），在數(shù)值上

第七頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四三流體通過(guò)顆粒床層的壓降

流體通過(guò)復(fù)雜的通道時(shí)的阻力（壓降）難以進(jìn)行理論計(jì)算，必須依靠實(shí)驗(yàn)來(lái)解決問(wèn)題。現(xiàn)在介紹一種實(shí)驗(yàn)規(guī)劃方法——數(shù)學(xué)模型法。

（1）床層的簡(jiǎn)化物理模型

單位體積床層所具有的顆粒表面積和床層空隙率對(duì)流動(dòng)阻力有決定性的作用。簡(jiǎn)化模型是將床層中不規(guī)則的通道假設(shè)成長(zhǎng)度為L(zhǎng)當(dāng)量直徑為de的一組平行細(xì)管并且規(guī)定：①細(xì)管的內(nèi)表面積等于床層顆粒的全部表面；②細(xì)管的全部流動(dòng)空間等于顆粒床層的空隙體積。第八頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四

（2）流體壓降的數(shù)學(xué)模型流體流過(guò)圓管的阻力損失數(shù)學(xué)描述：

體積流量所以

第九頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四式中為單位床層高度的虛擬壓強(qiáng)差當(dāng)床層不高，重力的影響可以忽略時(shí) 上式為流體通過(guò)固定床壓降的數(shù)學(xué)模型，未知的待定系數(shù) 稱為模型參數(shù)，就其物理意義而言稱為固定床的流動(dòng)摩擦系數(shù)。

第十頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四（3）模型的檢驗(yàn)和模型參數(shù)的估值當(dāng)床層雷諾數(shù) 時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合下式 式中稱為康采尼常數(shù)，其值為5.0。的可能誤差不超過(guò)10%。合理簡(jiǎn)化得到康采尼方程

從康采尼方程或歐根方程可看出，影響床層壓降的變量有三類：

①操作變量

②流體物性 和

③床層特性和

在上述因素中，影響最大的是空隙率第十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.3沉降分離引言：流體對(duì)固體顆粒的繞流情況

流體與固體顆粒之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可分為以下三種情況：①顆粒靜止，流體對(duì)其做繞流；②流體靜止，顆粒作沉降運(yùn)動(dòng)；③顆粒與流體都運(yùn)動(dòng)，但保持一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。只要相對(duì)速度相同，上述三種情況并沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，本節(jié)就從剛性球形顆粒的自由沉降入手討論沉降分離。一重力沉降（在重力場(chǎng)中進(jìn)行的沉降）（1）沉降的過(guò)程將一個(gè)表面光滑的球形顆粒置于靜止的流體中，若顆粒在重力的作用下沿重力方向作沉降運(yùn)動(dòng)，此時(shí)顆粒受到哪些力的作用呢？

第十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四根據(jù)牛頓第二定律得：或者：因此開(kāi)始瞬間最大，顆粒作加速運(yùn)動(dòng)。第十三頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四隨，,到某一數(shù)值時(shí)，上式右邊等于零，此時(shí)，顆粒將以恒定不變的速度維持下降。此稱為顆粒的沉降速度或造端速度。對(duì)小顆粒，沉降的加速段很短，加速度所經(jīng)歷的距離也很小。因此，對(duì)小顆粒沉降的加速度可以忽略，而近似認(rèn)為顆粒始終以下降。由上面可知：靜止流體中顆粒的沉降分為兩個(gè)階段，起初為加速階段而后為等速階段。FD為曵力，下面回顧有關(guān)曵力的知識(shí)。第十四頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四（1）兩種曳力—表面曳力和形體曳力回顧第1章流體沿固體壁面流過(guò)的阻力分為兩類：表皮阻力（即表面摩擦阻力）和形體阻力（邊界層分離產(chǎn)生旋渦），繞流時(shí)顆粒受到流體的總曳力:

第十五頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四（1）兩種曳力—表面曳力和形體曳力FD與流體

、、相對(duì)流速有關(guān)，而且受顆粒的形狀與定向的影響，問(wèn)題較為復(fù)雜。至今，只有幾何形狀簡(jiǎn)單的少數(shù)情況才可以得到FD的理論計(jì)算式。例如，粘性流體對(duì)球體的低速繞流（也稱爬流）時(shí)FD的理論式即斯托克律（Stokes）定律為：當(dāng)流速較高時(shí)，Stokes定律不成立。因此，對(duì)一般流動(dòng)條件下的球形顆粒及其其他形狀的顆粒，F(xiàn)D的數(shù)值尚需通過(guò)實(shí)驗(yàn)解決。

第十六頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四（2）曳力（阻力）系數(shù)

對(duì)球形顆粒，用因次分析并整理后可得：第十七頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四

球形顆粒的曲線在不同的雷諾數(shù)范圍內(nèi)可用公式表示如下：

，層流區(qū)，Sokes定律區(qū)：

，過(guò)渡區(qū)，Allen定律區(qū)：

，湍流區(qū)，Newton定律區(qū)：（2）曳力（阻力）系數(shù)第十八頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四（2）沉降速度對(duì)球形顆粒，當(dāng)時(shí)，可得式中：

稱為阻力系數(shù)

因與有關(guān)，也與有關(guān)，將不同區(qū)域的關(guān)系式分別帶入的計(jì)算式，整理得：

，層流區(qū)（Sokes區(qū)）

，過(guò)渡區(qū)（Allen區(qū)），湍流區(qū)（Newton區(qū)）第十九頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四（3）其他因素對(duì)沉降速度的影響

①干擾沉降②端效應(yīng)③分子運(yùn)動(dòng)

④非球形顆粒

第二十頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四二沉降分離設(shè)備

1重力沉降設(shè)備2離心沉降設(shè)備

第二十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四1重力沉降設(shè)備（1）降塵室

氣體通過(guò)降塵室的時(shí)間：位于降塵室最高點(diǎn)的顆粒沉降至室底的沉降時(shí)間：，至少所以：（降塵室的設(shè)計(jì)原理）第二十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四—含塵氣體體積流量，。氣速，一般應(yīng)<1，實(shí)際上為避免已沉下的塵粒重新被揚(yáng)起，往往取更低。降塵室一般用于分離的粗顆粒。

—降塵室底面積，。

—顆粒的沉降速度，。應(yīng)根據(jù)要分離的最小顆粒直徑?jīng)Q定。

將氣速的關(guān)系式代入得到降塵室的生產(chǎn)能力為：第二十三頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四

對(duì)一定物系，一定，降塵室的處理能力只取決于降塵室的底面積，而與高度無(wú)關(guān)，故降塵室應(yīng)設(shè)計(jì)成扁平形狀，或在室內(nèi)設(shè)置多層水平隔板。①設(shè)計(jì)型計(jì)算

已知、、、、，計(jì)算。

②操作型計(jì)算已知、、、、，核算；

或已知、、、、，求。

1重力沉降設(shè)備第二十四頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四

（2）增稠器

分離懸浮液，在中心距液面下0.3～1處連續(xù)加料，清液往上走，稠液往下走，錐形底部有一緩慢旋轉(zhuǎn)的齒耙把沉渣慢慢移至下部中心，稠漿從底部出口出去。（內(nèi)部沉降分為上部自由沉降和下部干擾沉降）大的增稠器直徑可達(dá)10～100，深2.5～4（為什么？）。它一般用于大流量、低濃度懸浮液的處理，常見(jiàn)的污水處理就是一例。1重力沉降設(shè)備第二十五頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四（3）分級(jí)器

利用不同粒徑或不同密度的顆粒在流體中的沉降速度不同這一原理來(lái)實(shí)現(xiàn)它們分離的設(shè)備稱為分級(jí)器。將沉降速度不同的兩種顆粒傾倒到向上流動(dòng)的水流中，若水的速度調(diào)整到在兩者的沉降速度之間，則沉降速度較小的那部分顆粒便被漂走分出。若有密度不同的a、b兩種顆粒要分離，且兩種顆粒的直徑范圍都很大，則由于密度大而直徑小的顆粒與密度小而直徑大的顆?？赡芫哂邢嗤某两邓俣?，使兩者不能完全分離。

1重力沉降設(shè)備第二十六頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四

上式表明，不同直徑的顆粒因?yàn)槊芏炔煌哂邢嗤某两邓俣龋撌酱砹司哂邢嗤两邓俣鹊膬煞N顆粒的直徑比。1重力沉降設(shè)備第二十七頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四2離心沉降設(shè)備

對(duì)于兩相密度差較小，顆粒粒度較細(xì)的非均相物系，可利用顆粒作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的離心力以加快沉降過(guò)程。定義同一顆粒所受的離心力與重力之比為離心分離因數(shù)

式中為流體和顆粒的切線速度，；為旋轉(zhuǎn)半徑，；為旋轉(zhuǎn)角速度，。

數(shù)值的大小是反映離心分離設(shè)備性能的重要指標(biāo)。若，則說(shuō)明同一顆粒在離心力場(chǎng)中受到的離心力是在重力場(chǎng)中受到的重力的1000倍，當(dāng)然大大加快沉降分離過(guò)程。第二十八頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四旋風(fēng)分離器是利用離心沉降原理從氣流中分離出顆粒的設(shè)備。如圖所示，上部為圓筒形、下部為圓錐形；含塵氣體從圓筒上側(cè)的矩形進(jìn)氣管以切線方向進(jìn)入，藉此來(lái)獲得器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。氣體在器內(nèi)按螺旋形路線向器底旋轉(zhuǎn)，到達(dá)底部后折而向上，成為內(nèi)層的上旋的氣流，稱為氣芯，然后從頂部的中央排氣管排出。氣體中所夾帶的塵粒在隨氣流旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，由于密度較大，受離心力的作用逐漸沉降到器壁，碰到器壁后落下，滑向出灰口。旋風(fēng)分離器的構(gòu)造簡(jiǎn)單，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件（設(shè)備不動(dòng)，離心力是由切線進(jìn)入的氣流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)造成的），操作不受溫度、壓強(qiáng)的限制。一般其分離因數(shù)，可分離氣體中直徑的粒子。用降塵室分離（經(jīng)濟(jì)），可用袋式除塵器，用靜電除塵器。

2離心沉降設(shè)備

第二十九頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四2離心沉降設(shè)備第三十頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四旋風(fēng)分離器各部分的尺寸都有一定的比例，只要規(guī)定出其中一個(gè)主要尺寸，如圓筒直徑D或進(jìn)氣口寬度B，則其它各部分的尺寸亦確定。評(píng)價(jià)旋風(fēng)分離器性能指標(biāo)，我們的教材上介紹兩個(gè)：

1）旋風(fēng)分離器的分離效率

①總效率

式中、分別為進(jìn)出旋風(fēng)分離器氣體顆粒的質(zhì)量濃度，。

總效率并不能準(zhǔn)確地代表旋風(fēng)分離器的分離性能。因?yàn)闅怏w中顆粒大小不等，各種顆粒被除下的比例也不相同。顆粒的尺寸越小，所受的離心力越小，沉降速度也越小，所以能被除下的比例也越小。因此，總效率相同的兩臺(tái)旋風(fēng)分離器其分離性能卻可能相差很大，這是因?yàn)楸环蛛x的顆粒具有不同粒度分布的緣故。2離心沉降設(shè)備

第三十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四②粒級(jí)效率式中、分別為進(jìn)出旋風(fēng)分離器氣體中粒徑為的顆粒的質(zhì)量濃度，。

總效率與粒級(jí)效率的關(guān)系為：

式中為進(jìn)口氣體中粒徑為顆粒的質(zhì)量分率。