第二章非均相物系的分离
非均相物系的分离全课件
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目录
• 非均相物系分离概述 • 非均相物系分离原理 • 非均相物系分离技术及应用 • 非均相物系分离设备 • 非均相物系分离实验与案例分析
01
CATALOGUE
非均相物系分离概述
定义与分类
定义
非均相物系是指由固体颗粒、液体或 气体等不同相态物质组成的混合物。 分离是指将非均相物系中的各相态物 质进行分离、提纯或富集的过程。
萃取设备
总结词
利用两种不相溶溶剂的溶质分配原理，实现溶质由一种溶剂向另一种溶剂转移 的设备。
详细描述
萃取设备包括萃取塔、混合器、分液漏斗和离心萃取器等，适用于处理难以用 一般分离方法分离的混合物。通过选择合适的萃取剂，将目标物质从一种溶剂 转移到另一种溶剂中，达到分离和提纯的目的。
05
CATALOGUE
浮选分离原理
泡沫浮选
利用气泡将目的物质吸附并浮至液面形成泡沫层，从而实现 物质的分离。
沉淀浮选
将目的物质在溶液中先沉淀，再通过浮选的方法将其与其他 物质分离。
萃取分离原理
分配系数
物质在两种不混溶液体中的溶解度之比。
萃取过程
将待分离的物质加入两种不混溶液体的混合物中，经过一定时间后，利用两种液体的密度差异进行分 离。
应用
在石油、化工、制药、食品、环保等领域广泛应用，主 要用于固-液分离。
离心分离技术及应用
离心分离技术
利用离心力场的作用，使不同密度的物 质在离心场中受到不同的离心力，从而 实现物质分离的技术。
VS
应用
在化工、制药、环保、食品等领域广泛应 用，主要用于固-液分离和液-液分离。
浮选分离技术及应用
浮选分离技术
非均相物系分离.pptx
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②深层过滤
颗粒尺寸比介质孔道小的多，孔道弯曲细长，颗粒进入孔道后容易被截留。同时 由于流体流过时所引起的挤压和冲撞作用。颗粒紧附在孔道的壁面上。介质表面 无滤饼形成，过滤是在介质内部进行的。
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3、过滤方式 表面过滤（滤饼过滤）
过滤
加入方法
预涂： 用助滤剂配成悬浮液，在正式过滤前用它进行过滤，在过 滤介质上形成一层由助滤剂组成的滤饼。
将助滤剂混在滤浆中一起过滤
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第二节 表面过滤的基本理论
一、过滤基本方程式
1、滤液通过饼层的流动的过滤速度
过滤速度：单位时间通过单位过滤面积的滤液体积。
悬浮液
p
u dV
、 W、与V 有关，V ， ， W 。V由生产任务所
定 ，V ，
L
若W ，D
V 但的幅 滤度饼小厚于度 ，平均过滤Q 速 率 ，
一定，
的Q 幅度， 。
，L ，
W
V
D
平均过滤速率 ， ，但 V ， 而
一定且Q 在 一个周期内所占比例 ， 幅度小于
的幅度，
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从上面的分析可知，op对t 恒Q定过滤每一操作周期中必
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则：Rm=rmLm; Rc=rL
u
(rm
p
Lm rL)
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设想以一层厚度为 的滤饼来代替过滤介质，
Le
rm Lm rLe Rm
故上式可写为
P
P
u
(rL rLe ) r(L Le )
式中：
Le —过滤介质的当量滤饼厚度，或称为虚拟滤饼厚度，m;
02 非均相物系的分离和固体流态化.
• 受到的浮力为
Fb=(π/6)d3ρg
• 颗粒受到向下的净力为
Fg—Fb=(π/6)d3(ρs-ρ)g
Fd
Fg
(a) (b) (c)
根据牛顿第二定律，颗粒就会在此净力的作用下
产生向下运动的加速度 ，a=du/dθ
• Fg—Fb= ma = m (du/dθ) (d)
• 这样颗粒与流体就产生一个相对运动，一旦产生相 对运动，颗粒又会受到流体对颗粒的运动阻力，Fd
称为沉聚区（D）。
A
B
C
D
a
b
AA C DD
cd
• 随着沉降过程的进行，B、C逐渐缩小并消失，C区 刚刚消失这一时刻称为“临界沉降点”(critical sedimentation point)，此时清液区与沉聚区有一清晰
)
g
.Re0t.6
1.74 d (s )g
1<Ret <103 (2-8) 103 <Ret <2×105
• 根据上式，我们就知道沉降速度与各种因素的大小， 对于一定的物系，μ、ρs、ρ是一定的，ut只与d有关， 可算出不同d颗粒的沉降速度。同样，也可根据测 定的ut，求颗粒的直径，如果在层流区，已知 d、 ρs、ρ，则可用此式来测定流体的粘度。
• 实现沉降操作的作用力可以是重力或惯性离心力， 沉降过程又分为重力沉降和离心沉降两种方式。
一、描述颗粒的几何特征参数（大小、形状、面积）
1、颗粒的当量直径（equivalent diameter）
对于规则形状的颗粒，其大小可用它的某一主要线 性尺度来表示，其它尺寸可以用此长度的比例来 表示。如常见球形，可以用它的直径来表示大小， 而体积和表面积可分别表示为：
非均相物系的分离
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。
非均相物系的分离及固体流态化课件
离心分离法适用于颗粒较大、密度差较大的固-液或固-固非均相物系的分离。通过离心机的高速旋转，产生强大 的离心力场，使颗粒在离心场中受到较大的离心力而向外运动，最终实现固-液或固-固两相的分离。
浮选分离法
总结词
利用气泡吸附颗粒并上浮，实现固-液或固-固非均相物系的分离。
详细描述
浮选分离法适用于颗粒较小、密度接近于水的非均相物系的分离。通过向非均相物系中通入气泡，气 泡与颗粒相互作用，将颗粒吸附并带到液面上，从而实现固-液或固-固两相的分离。常用的浮选剂有 起泡剂、捕收剂等。
状态。
应用
广泛应用于气力输送、流化床 反应器等领域。
优点
操作简单，适用于大规模生产。
缺点
能耗较高，对颗粒大小和密度 有一定要求。
机械搅拌法
原理
通过机械搅拌装置，使固体颗 粒在搅拌桨的作用下形成流态
化状态。
应用
适用于实验室和小规模生产。
优点
设备简单，易于实现。
缺点
搅拌桨的转速和形状对流态化 效果影响较大，不适合大规模
固体流态化的基本原理
固体流态化的定义
固体流态化
在流体作用下，使固定床层固体颗粒 呈现类似流体状态的过程。
固体流态化技术
利用固体流态化技术，实现非均相物 系的分离和固体颗粒的连续输送、分 离、混合、反应等操作。
固体流态化的分类
根据操作条件
分为自然流态化和强制流 态化。
根据颗粒性质
分为散式流态化和聚式流 态化。
工业应用中的问题与对策
问题
在工业应用中，非均相物系分离及固 体流态化技术面临着操作复杂、能耗 高、稳定性差等问题。
对策
针对这些问题，工业界采取了一系列 对策，如引入自动化控制系统、优化 操作参数、采用新型分离技术等，以 提高操作的简便性、降低能耗和提高 稳定性。
非均相混合物的分离
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
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。
第二章非均相物系分离习题解答
第二章 非均相物系分离1、试计算直径为30μm 的球形石英颗粒（其密度为2650kg/ m 3），在20℃水中和20℃常压空气中的自由沉降速度。
解：已知d =30μm 、ρs =2650kg/m 3（1）20℃水 μ=1.01×10-3Pa·s ρ=998kg/m 3设沉降在滞流区，根据式（2-15）m/s 1002.81001.11881.9)9982650()1030(18)(43262---⨯=⨯⨯⨯-⨯⨯=-=μρρg d u s t 校核流型)2~10(1038.21001.19981002.8103042346-----∈⨯=⨯⨯⨯⨯⨯==μρt t du Re 假设成立， u t =8.02×10-4m/s 为所求（2）20℃常压空气 μ=1.81×10-5Pa·s ρ=1.21kg/m 3设沉降在滞流区m/s 1018.71081.11881.9)21.12650()1030(18)(25262---⨯=⨯⨯⨯-⨯⨯=-=μρρg d u s t 校核流型：)2~10(144.01081.121.11018.710304526----∈=⨯⨯⨯⨯⨯==μρt t du Re 假设成立，u t =7.18×10-2m/s 为所求。
2、密度为2150kg/ m 3的烟灰球形颗粒在20℃空气中在层流沉降的最大颗粒直径是多少？ 解：已知ρs =2150kg/m 3查20℃空气 μ=1.81×10-5Pa.s ρ=1.21kg/m 3 当2==μρt t du Re 时是颗粒在空气中滞流沉降的最大粒径，根据式（2-15）并整理218)(23==-μρμρρρt s du g d 所以μm 3.77m 1073.721.181.9)21.12150()1081.1(36)(36532532=⨯=⨯⨯-⨯⨯=-=--ρρρμg d s 3、直径为10μm 的石英颗粒随20℃的水作旋转运动，在旋转半径R ＝0.05m 处的切向速度为12m/s ，，求该处的离心沉降速度和离心分离因数。
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二、非均相混合物的分离方法
2. 过滤
流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液 分离的过程。依实现过滤操作的外力不同，过 滤操作又可分为
过滤操作的外力
过滤
重力过滤 加压过滤 真空过滤 离心过滤
重力 压强差 压强差 惯性离心力
三、非均相混合物分离的目的
非均相混和物分离的应用： ①收集分散物质； ②净化分散介质； ③环境保护与安全生产。
连续相或分散介质：包围分散 物质且处于连续状态的物质。
一、混合物的分类
根据连续相的状态，非均相物系分为两种 类型：
①气态非均相物系，如含尘气体、含雾气 体等；
②液态非均相物系，如悬浮液、乳浊液及 泡沫液等。
二、非均相混合物的分离方法
机械分离方法，即利用非均相混合物中两 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。
u2
2
阻力系数或 曳力系数
对球形颗粒A d 2
4
一、沉降速度
根据牛顿第二运动定律
du
F Fg Fb Fd ma m d
π 6
d
3
(
s
)g
π d2( u2 )
42
π 6
d
3
s
du
d
分析颗粒运动情况：
加速段
u0
u
加速度最大 阻力 加速度
匀速段
u ut 加速度=0
一、沉降速度
沉降速度 ut
3.3 沉降分离 3.3.1 重力沉降
一、沉降速度
1.球形颗粒的自由沉降
将表面光滑的刚性球形颗 粒置于静止的流体介质中 ，如果颗粒的密度大于流 体的密度，则颗粒将在流 体中自由降落。
图3-1 沉降颗粒的受力情况
一、沉降速度
颗粒受到三个力
重力 浮力 阻力
Fg
π 6
d3 g S
Fb
π 6
d3g
Fd
A
分离依据：分散相与连续相之间物性的差异， 如密度，颗粒粒径等。
分离方法：机械法，使两相之间发生相对运动。
机械分离方法
沉降 过滤
二、非均相混合物的分离方法
1. 沉降
颗粒相对于流体(静止或运动)运动而实现悬 浮物系分离的过程。
沉降操作的作用力
重力沉降 重力
分离较大的固体颗粒
沉降
离心沉降 惯性离心力 分离较小的固体颗粒
标准筛：有不同的系列， 常用泰勒标准筛。 筛号(目数)：每英寸长度 筛网上的筛孔数目
二、颗粒群的特性
2. 颗粒的平均直径 粒群的平均直径计算式为
d
1 xi
di
第3章 非均相物系的分离
3.2 颗粒及颗粒床层的特性 3.2.1 颗粒的特性 3.2.2 颗粒床层的特性
3.2.2 颗粒床层的特性
图3-2 Ret 关系曲线
一、沉降速度
对球形颗粒 Ret关系曲线大致可分为三个
区域：
104 Ret 1 为层流区或斯托克斯(Stokes)定律区 24
Ret
ut
d
2 (s 18)g来自ut 4gd(s ) 3
一、沉降速度
1 Ret 103 为过渡区或艾仑（Allen）定律区
18.5
Ret0.6
ut 0.27
d
(s
)g
Ret0.6
一、沉降速度
103 Ret 2105 为湍流区或牛顿（Newton）定律区
0.44
ut 1.74
等速阶段中颗粒相对于流体的运动速度ut称
为沉降速度。由于这个速度是加速阶段终了时颗 粒相对于流体的速度，故又称为“终端速度”。
ut
4gd(s ) 3
一、沉降速度
2.阻力系数
通过量纲分析可知，是颗粒与流体相对运 动时雷诺数Ret和球形度 s的函数，即
f Ret ,s
Ret
dut ρ μ
随Ret及s 变化的实验测定结果见图3-2。
二、床层的比表面积
单位床层体积具有的颗粒表面积称为床层
的比表面积ab。若忽略颗粒之间接触面积的影 响，则
ab a(1 )
床层的比表面积也可用颗粒的堆积密度估算，即
颗粒的 堆积密度
ab
6b sd
61
d
颗粒的 真实密
度
三、床层的自由截面积
床层截面上未被颗粒占据的流体可以自 由通过的面积，称为床层的自由截面面积。
一、混合物的分类
物系内部各处组成均匀且不存在相界面则称 为均相混合物或均相物系。 例如：互溶溶液和混合气体
一、混合物的分类
具有不同物理性质(如密度差别)的分散物质 和连续介质所组成的物系称为非均相混合物或非 均相物系。
非均相混合物
分散相或分散物质：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。
非球形颗粒
实际颗粒的体积等于当量球形颗粒的体积，则
体积当量直径定义为
6 de 3 π Vp
一、单一颗粒特性
(2)球形度（形状系数）s 表示颗粒的形状接近 于球形的程度。
与该颗粒体 积相等的球 体的表面积
s
S Sp
颗粒的表 面积
非球形颗粒 s 1 ， 球形颗粒 s 1
一、单一颗粒特性
非球形颗粒的特性，即
体积 表面积 比表面积
Vp π6 de3
Sp
πde2
s
a 6
sde
需要形 状和大 小两个 参数来 描述其 特性。
二、颗粒群的特性
工业中遇到的颗粒大多是由大小不同的粒子 组成的集合体，称为非均一性粒子或多分散性粒 子；而将具有同一粒径的颗粒称为单一性粒子或 单分散性粒子。
1.粒度分布 不同粒径范围内所含粒子的个数或质量，即 粒径分布。（筛分法）
第3章 非均相物系的分离和固体流态化
3.3 沉降分离
在外力场作用下，利用分散相和连续相之间 的密度差，使之发生相对运动而实现非均相混合 物分离的操作称为沉降分离。
根据外力场的不同，沉降分离分为重力沉降 和离心沉降;根据沉降过程中颗粒是否受到其他 颗粒或器壁的影响而分为自由沉降和干扰沉降。
第3章 非均相物系的分离和固体流态化
第3章 非均相物系的分离
3.2 颗粒及颗粒床层的特性 3.2.1 颗粒的特性
一、单一颗粒特性
1. 球形颗粒
体积 表面积 比表面积
V πd 3 6
球形颗粒
S πd 2
a S 6 Vd
球形颗 粒的尺 寸由直
径d 确
定
一、单一颗粒特性
2. 非球形颗粒 需要形状和大小两个参数来描述其特性。
(1)体积当量直径
由大量的固体颗粒堆积在一起便形成了颗粒 床层。
• 表述颗粒床层的主要参数为 空隙率、堆积密度、比表面积、自由截面积。
一、床层的空隙率
由颗粒群堆积成的床层疏密程度可用空隙率 来表示，其定义如下:
床层体积-颗粒体积
床层体积
影响空隙率ε值的因素非常复杂，诸如颗
粒的大小、形状、粒度分布与充填方式等。一 般乱堆床层的空隙率在0.47～0.70之间。