化工原理第三章第一节讲稿5603834页
化工原理 第三章教材
(1) 该降尘室的含尘气体处理能力，m3/s；
(2) 若在该降尘室中均匀设置 9 块水平隔板，则含尘气 体的处理能力为多少 m3/s？
B、增稠器----分离悬浮液（连续生产过程）
① 干扰沉降：相邻颗粒的运动改变了原来单个颗粒周 围的流场，颗粒沉降相互干扰
② 壁效应：壁面，底面处曳力 ↓ ③ 颗粒形状：
例 5-1 颗粒大小测定 已测得密度为 ρp = 1630kg/m3 的塑料珠在 20℃ 的 CCl4 液体中的 沉降速度为 1.70×10-3m/s，20℃时CCl4 的密度ρ=1590kg/m3，粘度 μ=1.03×10-3Pa/s，求此塑料珠的直径
A、受力分析
重力：Fg
mg
6
d
3 p
p
g
浮力：
Fb
m
p
g
6
d
3 p
g
曳力： Fd
Ap
1 u2
2
B、重力沉降的几个阶段
1. 沉降的加速阶段：
设初始速度为0，根据牛顿第二定律：
Fg
Fb
Fd
m du
d
0
du
(p
)g
3
u2
d
p
4d p p
2. 沉降的等速阶段
u Fd
, du
d
某一时刻，du d
悬浮液在任何设备内静置，均会发生沉降过程，其中固体颗粒在 重力作用下沉降与液体分离
➢ 工作原理： ➢ 沉降的两个阶段： 上部----自由沉降 下部----干扰沉降
化工原理第三章
第三章机械分离概述一、机械分离的应用在工业生产中，有很多情况需要将混和物分离，原料需要经过提纯或净化之后才符合加工要求，产品或中间产品也需要提纯净化才能出售，废气、废液、废渣也需要提纯分离才符合排放标准。
混和物分离有均相混和物分离和非均相混和物分离。
本章介绍非均相混和物的沉降、过滤的基本单元操作。
以碳酸氢铵的生产为例，如图是它的流程示意图。
氨水与二氧化碳在碳化塔1内进行碳化反应之后，生成的是含有碳酸氢铵晶体的悬浮液，即为一种液体与固体微粒的混合物，然后通过离心机或过滤机2将固体和液体分离开。
但分离后的晶体中仍然含有少量的水分，因此，还要将分离后的晶体经气流干燥器4干燥，即使物料在热气流的带动下迅速通过气流干燥器，使晶体中所含有的水分汽化并除去。
由于这时的固体粒子分散在气相之中，又要通过旋风分离器6等装置将其与气相分离开，以得到最后的产品。
在这个过程中，包含着流体与固体粒子的分离、混合与输送等不同的操作，而这些操作中又有一个共同的特点，即流体与固体粒子之间具有相相对运动，同时还往往伴随有热量和质量的传递。
主要应用有：1）对固体粒子或流体作进一步加工；2）回收有价值的物质；3）除去对下一工序有害的物质；4）减少对环境的危害。
二、常见分离方法1）沉降分离法，利用两相密度差；2）过滤分离法，利用两个相对多孔介质穿透性的差异；3）静电分离法，利用两相带电性差异；4）湿洗分离法，气固穿过液体，固体黏附于液体而分离。
三、均相物系与非均相物系不同成分的物质以相同的相态均匀混合组成的稳定系统为均相物系，各种气体总能够均匀地混合成均一的相，如空气。
墨水、乙醇+水、汽油+柴油、盐水、糖水等等也是均相物系。
含有不同相态的物质系统组成的混和物系为非均相物系，如云雾（气相+液相）、烟尘（气相+固相）、乳浊液（两种液相）就是非均相物系。
水+苯、水+砂子，沙尘暴等都是非均相系的例子。
非均相物系是指物质系统中存在着两相或更多的相。
化工原理第三章讲稿-修改
ut 1.74
ds g
——牛顿公式
3/29/2020
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
重力
Fg
6
d3sg
浮力
Fb
6
d 3g
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 ：
Fd
A u2
2
对球形颗粒A d 2
4
Fd
4
d2
u2
2
Fg Fb Fd ma
3/29/2020
6
d3sg
6
d 3g
4
d2
u 2
2
6
d3sa
(a)
颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力Fd=0，a→max 颗粒开始沉降后，u ↑ →Fd ↑；u →ut 时，a=0 。
24
Re t
ut
d 2 s g
18
——斯托克斯公式
3/29/2020
3/29/2020
b) 过渡区或艾伦定律区（Allen）（1＜Ret<103）
18.5
Re
0.6 t
ut 0.269
gd s Re t0.6
——艾伦公式
c) 湍流区或牛顿定律区（Nuton）（103＜Ret ＜ 2×105）
Vp
de
3
6
VP
颗粒的球形度愈小，对应于同一Ret值的阻力系数ξ愈大 但φs值对ξ的影响在滞流区并不显著，随着Ret的增大，这种 影响变大。
化工原理讲稿(上册)-应化第三章沉降与过滤(1)
3.特点：
优点：过滤面积大，设备紧凑，密闭操作，劳动条件较好。不必每次循 环装卸滤布，劳动强度也大大降低。 缺点：结构比较复杂，造价较高。
叶滤机的型式：
NYB系列高效板式密闭过滤机
MYB型全自动板式密闭过滤机
叶滤机的型式：
WYB系列卧式叶片过滤机
SYB系列水平叶片过滤机
（三）连续式过滤机－转筒真空过滤机
V Ve 2 V1 Ve 2 KA2 1
先恒速后恒 压过滤方程
V
2
V12 2Ve V V1 KA2 1
三、过滤常数的测定
过滤常K和当量滤液体积Ve 或qe 等都由过滤物系的性质决定， 需由实验测定。 恒压过滤： 微分：
一、过滤的基本概念
粒状介质：
由细石、沙、木炭、硅藻土之类的固体颗粒堆积而成的床 层，称作滤床。
多孔固体介质：
用多孔陶瓷、塑料、金属等粉末烧结成型而制得的多孔 性片状、板状或管状的各种多孔性固体材料。 此类介质较厚，孔道细，能截留1～3μ m的微小颗粒。
一、过滤的基本概念
多孔膜：
由特殊工艺合成的聚合物薄膜，最常见的是醋酸纤维膜 与聚酰胺膜。 膜过滤属精密过滤或超滤，可以分离5nm的微粒。
故称作滤饼过滤。
深层过滤：
过滤介质一般为介质 层较厚的滤床类（如沙 层、硅藻土、核桃壳 等）。 小于介质孔隙的颗粒可进入到介质内部，在长而曲折的 孔道中被截留并附着于介质之上。
深层过滤无滤饼形成，主要用于净化含固量很少
（<0.1%）的流体，如水的净化、烟气除尘等。
3.滤饼的压缩性和助滤剂
几个不同的工作区域。
转筒转速多在0.1～3 r/min，浸入悬浮液中的吸滤面积约占总表面的 30～40%。滤饼厚度范围大约3～40mm。
化工原理第三章
第三章 非均相物系的分离
由于非均相混合物的连续相和分散相存在着较 大物理性质（如密度、黏度等）的差异，故可采用 机械方法实现两相的分离，其方法是使分散相和连 续相产生相对运动。常用的非均相混合物的分离方 法有沉降、过滤、湿法除尘和静电分离等，本章重 点介绍沉降和过滤的操作原理及设备。
从图中可以看出，对球形颗粒（ϕs＝1），曲线按 Re值大致分为三个区域，各区域内的曲线可分别用相应 的关系式表达如下：
层流区或斯托克斯区（10-4< Re<1）
第一节 沉 降 分 离
3. 颗粒沉降速度的计算
将式(3-8)、式（3-9）及式（3-10）分别代入式（3-5），并 整理可得到球形颗粒在相应各区的沉降速度公式，即
化工原理
第三章 非均相物系的分离
沉降分离 过滤 离心机
第三章 非均相物系的分离
知识目标
掌握沉降分离和过滤设备（包括沉降室、旋风分离器、过滤机） 的设计或选型。理解沉降分离和过滤的原理、过程的计算、影响沉 降分离的因素及恒压过滤过程的计算。熟悉典型过滤设备的特点与 生产能力的计算以及提高过滤设备生产能力的途径及措施。了解其 他分离设备的结构与选型。
图3-1 沉淀粒子的受力情况
第一节 沉 降 分 离
第一节 沉 降 分 离
静止流体中颗粒的沉降速度一般经历加速和恒速两个阶段。 颗粒开始沉降的瞬间，初速度u为零，使得阻力为零，因此加速 度a为最大值；颗粒开始沉降后，阻力随速度u的增加而加大，加 速度a则相应减小，当速度达到某一值ut时，阻力、浮力与重力 平衡，颗粒所受合力为零，使加速度为零，此后颗粒的速度不再 变化，开始做速度为ut的匀速沉降运动。
《化工原理》课程教学大纲共14页文档
《化工原理》课程教学大纲适用专业：工艺类专业有化学工程工艺、应用化学、环境工程、制药工程、生物工程、食品工程、轻化工工程，非工艺专业有工分子材料、安全工程、生物技术、过程装备与控制；对非工艺类专业，带*部分不做要求，也可根据专业特点选择下册中的气体吸收和塔设备等部分。
课程性质：技术基础课学时数：120/80学时学分：7.5/5学分第一部分教学基本要求一、目的及任务化工原理是化学工程与工艺及相关专业最重要的技术基础课之一。
通过这门课程的学习，要使学生系统地获得：‘三传’的基本概念；各单元操作的原理、典型设备的结构、工艺尺寸计算、设备选型与校核和工程学科的研究方法。
培养学生的工程观念、分析和解决单元操作中各种问题的能力。
突出课程的实践性，使学生受到利用自然科学的基本原理解决实际工程问题的初步训练，提高学生的定量运算能力、实验技能、设计能力、单元操作的分析与调节能力。
二、本课程的先行课程数学、普通物理、物理化学、计算方法、化工设备设计基础。
三、各章节具体内容要求绪论掌握的内容：1、掌握单位换算方法；2、掌握物、热衡算的原则以及衡算的方法和步骤。
熟悉的内容：1、熟悉单元操作的概念及其在化工过程中的地位。
了解的内容：1、了解化工原理的目的、任务、化学工程的发展简史；2、了解过程速率、平衡关系。
第一章流体流动掌握的内容：1、流体的密度和粘度的定义、单位、影响因素及数据获取；2、压强的定义、表达方法、单位换算；3、流体静力学方程、连续性方程、柏努利方程及其应用；4、流体的流动类型及其判断、蕾诺准数的物理意义、计算；5、流体阻力产生的原因、流体在管内流动的机械能损失计算；6、管路的分类、简单管路计算及输送能力核算；7、液柱式压差计、测速管、孔板流量计和转子流量计的工作原理、基本结构、安装要求和计算；8、因次分析的目的、意义、原理、方法、步骤；熟悉的内容：1、流体的连续性和压缩性，定常态流动与非定常态流动；2、层流与湍流的特征；3、圆管内流速分布公式及应用；4、Hagon-Poiseeuille方程推导和应用；5、复杂管路计算的要点；6、正确使用各种数据图表；了解的内容：1、牛顿粘性定律，牛顿流体与非牛顿流体；2、边界层的概念、边界层的发展、层流底层、边界层分离。
化工原理第三章沉降3-1
重点：过滤和沉降的基本理论、基本方程
难点：过滤基本方程的应用、过滤设备
概 述
一、非均相物系的分离 混合物有： 均相混合物(物系)：物系内部各处物料性质均匀，无相界面。 例：混合气体（天然气）、 溶液（石油）
非均相混合物(物系)：物系内部有隔开的相界面存在，而在相
界面两侧的物料性质截然不同的物系。 例：含尘（雾）气体、悬浮（液固）液（泥浆、钡餐） 乳浊（液液）液（牛奶、油漆） 气态非均相物系 泡沫（气液）液（CO2灭火剂） 液 态 非 均 相 物 系
Fb
d 3
6
g
d 3
6
Fg
其中，颗粒的体积为 V p
当两个力之和不为0，则有加速度存在，当颗粒下沉时，颗粒 受到流体向上的阻力Fd，令u为颗粒与流体的相对运动速度：
Fd
2 d p u 2
Fb Fd
4
2
根据牛顿第二定律：
du Fg Fd Fb m d
所以 Fg
当非均相物系中的颗粒较多，颗粒之间相互距离较近时， 颗粒沉降会受到其它颗粒的影响，这种沉降称为干扰沉降。干 扰沉降速度比自由沉降的小。
二、降尘室
1.工作原理
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 尘粒在降尘室内的运动情况
滞流流动的气态非均相物系沿水平运动，固体颗粒则作 平抛运动，即水平方向随气体一起运动，竖直方向则作沉降 运动，如果颗粒在降尘室的停留时间（水平运动的时间τ ） 大于颗粒从室顶到出口下侧边缘所在的水平面所需的时间τ t， 即τ > τ t，则颗粒必将留在降尘室，从而实现了物系的分离 （固体颗粒和气体的分离）。
小于或等于2000， λ=64/Re 2000--4000 大于或等于4000，λ查图， 近似常数
化工原理课件第三章非均相物系的分离
第三章 非均相物系的分离一、填空题：1．⑴一球形石英颗粒，在空气中按斯托克斯定律沉降，若空气温度由20°C 升至50°C ，则其沉降速度将 。
⑵降尘室的生产能力只与降尘室的 和 有关，而与 无关。
解⑴下降 ⑵长度 宽度 高度2．①在除去某粒径的颗粒时，若降尘室的高度增加一倍，则沉降时间 ，气流速度 ，生产能力 。
②在滞流（层流）区，颗粒的沉降速度与颗粒直径的 次方成正比；在湍流区，颗粒的沉降速度与颗粒直径的 次方成正比。
解①增加一倍 ， 减少一倍 ， 不变 ②2 ， 1/2沉降操作是指在某种 中利用分散相和连续相之间的 差异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。
沉降过程有 沉降和 沉降两种方式。
答案：力场；密度；重力；离心3．已知q 为单位过滤面积所得滤液体积V/S ，e e e S V q V /，为为过滤介质的当量滤液体积（滤液体积为e V 时所形成的滤饼层的阻力等于过滤介质的阻力），在恒定过滤时，测得2003740/+=∆∆q q τ，过滤常数K ＝ ，e q = 。
解0.000535 ， 0.05354．⑴间歇过滤机的生产能力可写为Q ＝V/∑τ，此外V 为 ，∑τ表示一个操作循环所需的 ，∑τ等于一个操作循环中 ， 和 三项之和。
一个操作循环中得到的滤液体积 ，总时间 ，过滤时间τ ，洗涤时间τw ， 辅助时间τ D⑵．一个过滤操作周期中，“过滤时间越长，生产能力越大”的看法是 ，“过滤时间越短，生产能力越大”的看法是 。
过滤时间有一个 值，此时过滤机生产能力为 。
不正确的 ，不正确的 ， 最适宜 ， 最大⑶．过滤机操作循环中，如辅助时间τ越长则最宜的过滤时间将 。
⑶ 越长(4). 实现过滤操作的外力可以是 、 或 。
答案：重力；压强差；惯性离心力5．⑴在过滤的大部分时间中， 起到了主要过滤介质的作用。
⑵最常见的间歇式过滤机有 和 连续式过滤机有 。
⑶在一套板框过滤机中，板有 种构造，框有 种构造。
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Ret
Ret＜1
公式适 用为止
判断 艾伦公式
……
求ut
Ret＞1
2) 摩擦数群法
由
ut
4gds 得
3
4d3gust2
2020/1/13
Ret2
d2ut22 2
Rt2e4d33s2g
令
k d3
s g
2
Ret2 4k3
0.44
ut
1.74
ds g
——牛顿公式
2020/1/13
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。
令ξ与Ret-1相乘，
R t 1 e 4(s)g32 u t2
ξRet-1～Ret关系绘成曲线 ，由ξRet-1值查得Ret的值，
再根据沉降速度ut值计算d。 d Re t ut
无因次数群K也可以判别流型
ut
d2s g
18
Ret d31s82g
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
连续相与分散相 分离
不同的物理性质
机械 分离
分散相和连续相 发生相对运动的方式
2020/1/13
沉降 过滤
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。
6d3sg 6d3g 4d2u 2t20
ut
4dg(s ) 3
——沉降速度表达式
2020/1/13
2、阻力系数ξ
通过因次分析法得知，ξ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) 滞流区或托斯克斯(stokes)定律区（10 –4＜Ret<1）
第三章 非均相物系分离
第一节 重力沉降
一、沉降速度
1、球形颗粒的自由沉降 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
2020/1/13
混合物
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。 例如：互溶溶液及混合气体
4
Fd
d2
4
u2
2
FgFbFd ma
2020/1/13
6d 3 sg 6d 3 g 4d 22 u 2 6d 3 sa (a)
颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力Fd=0，a→max 颗粒开始沉降后，u ↑ →Fd ↑；u →ut 时，a=0 。 等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度ut 称为沉降速度。 当a=0时，u=ut，代入（a）式
3
因ξ是Ret的已知函数，ξRet2必然也是Ret的已知函数，
ξ～Ret曲线便可转化成 ξRet2～Ret曲线。
计算ut时，先由已知数据算出ξRet2的值，再由ξRet2～Ret
曲线查得Ret值，最后由Ret反算ut 。
ut
Re t d
2020/1/13
2020/1/13
计算在一定介质中具有某一沉降速度ut的颗粒的直径，
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。
ut '
1
ut 2.1
d
D
2020/1/13
3）颗粒形状的影响
球形度
s
S Sp
对于球形颗粒，φs=1，颗粒形状与球形的差异愈大，球形
度φs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
24 Re t
ut
d2s
18Байду номын сангаас
——斯托克斯公式
2020/1/13
2020/1/13
b) 过渡区或艾伦定律区（Allen）（1＜Ret<103）
18 .5
Re
0.6 t
ut 0.269gdsRte0.6 ——艾伦公式
c) 滞流区或牛顿定律区（Nuton）（103＜Ret ＜ 2×105）
2020/1/13
非均相混合物 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。 固体颗粒和气体构成的含尘气体
例如 固体颗粒和液体构成的悬浮液 不互溶液体构成的乳浊液 液体颗粒和气体构成的含雾气体
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
作用力
重力 惯性离心力
1、沉降速度
1）球形颗粒的自由沉降
重力 沉降 离心沉降
设颗粒的密度为ρs，直径为d，流体的密度为ρ，
2020/1/13
重力
Fg
6
d3sg
浮力
Fb
6
d3g
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 ：
Fd
A u2
2
对球形A颗 粒 d2
9 51 061 .9 0.70 91 51 7 03 0399.280.924＜41
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：ρ=⒈205 kg/m3，μ=⒈81×10-5 Pa.s 根据无因次数K值判别颗粒沉降的流型
18
附录查得，20℃时水的密度为998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s
2020/1/13
ut9 5 1 1 0 62 8 1 3.000 0 1 95 0 0 9 3 .2 89.81 9.79 17 0 3m /s
核算流型
Ret
dut
K3 18
2020/1/13
当Ret=1时K=2.62，此值即为斯托克斯区的上限 牛顿定律区的下限K值为69.1
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 ，
ut
d2s g
替。
6
de3
Vp
de
3
6
VP
颗粒的球形度愈小，对应于同一Ret值的阻力系数ξ愈大 但φs值对ξ的影响在滞流区并不显著，随着Ret的增大，这种 影响变大。
2020/1/13
4、沉降速度的计算
1）试差法
方法：
ut
假设沉降属于层流区
d2s
18
ut为所求
Rtedu
ut