第三章非均相机械分离华南理工大学化工原理
化工原理第三章习题与答案
化⼯原理第三章习题与答案第三章机械分离⼀、名词解释（每题2分）1. ⾮均相混合物物系组成不同，分布不均匀，组分之间有相界⾯2. 斯托克斯式r u d u ts r 2218)(?-=µρρ3. 球形度s ?⾮球形粒⼦体积相同的球形颗粒的⾯积与球形颗粒总⾯积的⽐值4. 离⼼分离因数离⼼加速度与重⼒加速度的⽐值5. 临界直径dc离⼼分离器分离颗粒最⼩直径6．过滤利⽤多孔性介质使悬浮液中液固得到分离的操作7. 过滤速率单位时间所产⽣的滤液量8. 过滤周期间歇过滤中过滤、洗涤、拆装、清理完成⼀次过滤所⽤时间9. 过滤机⽣产能⼒过滤机单位时间产⽣滤液体积10. 浸没度转筒过滤机浸没⾓度与圆周⾓⽐值⼆、单选择题（每题2分）1、⾃由沉降的意思是_______。
Ａ颗粒在沉降过程中受到的流体阻⼒可忽略不计Ｂ颗粒开始的降落速度为零，没有附加⼀个初始速度Ｃ颗粒在降落的⽅向上只受重⼒作⽤，没有离⼼⼒等的作⽤Ｄ颗粒间不发⽣碰撞或接触的情况下的沉降过程D 2、颗粒的沉降速度不是指_______。
Ａ等速运动段的颗粒降落的速度Ｂ加速运动段任⼀时刻颗粒的降落速度Ｃ加速运动段结束时颗粒的降落速度Ｄ净重⼒（重⼒减去浮⼒）与流体阻⼒平衡时颗粒的降落速度B3、对于恒压过滤_______。
A 滤液体积增⼤⼀倍则过滤时间增⼤为原来的2倍B 滤液体积增⼤⼀倍则过滤时间增⼤⾄原来的2倍C 滤液体积增⼤⼀倍则过滤时间增⼤⾄原来的4倍D 当介质阻⼒不计时,滤液体积增⼤⼀倍,则过滤时间增⼤⾄原来的4倍D4、恒压过滤时，如介质阻⼒不计，滤饼不可压缩，过滤压差增⼤⼀倍时同⼀过滤时刻所得滤液量___ 。
Ａ增⼤⾄原来的2倍Ｂ增⼤⾄原来的4倍Ｃ增⼤⾄原来的2倍Ｄ增⼤⾄原来的1.5倍C5、以下过滤机是连续式过滤机_______。
Ａ箱式叶滤机Ｂ真空叶滤机Ｃ回转真空过滤机Ｄ板框压滤机 C6、过滤推动⼒⼀般是指______。
Ａ过滤介质两边的压差Ｂ过滤介质与滤饼构成的过滤层两边的压差Ｃ滤饼两⾯的压差Ｄ液体进出过滤机的压差B7、回转真空过滤机中是以下部件使过滤室在不同部位时，能⾃动地进⾏相应的不同操作：______。
化工原理(非均相分离)
第3章非均相物系的分离和固体流态化3．1 概述本章介绍利用流体力学原理(颗粒与流体之间相对运动)实现非均相物系的分离流态化及固体颗粒的气力输送等工业过程。
1．混合物的分类自然界的大多数物质是混合物。
若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，溶液及混合气体都是均相混合物。
由具有不同物理性质(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。
在非均相物系中，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，称为分散物质或分散相；包围分散物质且处于连续状态的物质称为分散介质或连续相。
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。
2．非均相混合物的分离方法由于非均相物系中分散相和连续相具有不同的物理性质，故工业上一般都采用机械方法将两相进行分离。
要实现这种分离，必须使分散相与连续相之间发生相对运动。
根据两相运动方式的不同，机械分离可按下面两种操作方式进行。
①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称为沉降分离。
实现沉降操作的作用力可以是重力，也可以是惯性离心力，因此，沉降过程有重力沉降与离心沉降之分。
②流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程称为过滤。
实现过滤操作的外力可以是重力、压强差或惯性离心力。
因此，过滤操作又可分为重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤。
气态非均相混合物的分离，工业上主要采用重力沉降和离心沉降方法。
在某些场合，根据颗粒的粒径和分离程度要求，也可采用惯性分离器、袋滤器、静电除尘器或湿法除尘设备等，如表3—1所示。
┘此外，还可采用其他措施．预先增大微细粒子的有效尺寸而后加以机械分离。
例如，使含尘或含雾气体与过饱和蒸汽接触，发生以粒子为核心的冷凝；又如，将气体引入超声场内，使细粒碰撞并凝聚。
这样，可使微细颗粒附聚成较大颗粒，然后在旋风分离器中除去。
化工原理-3非均相物系的分离
02
离心分离因数 ： Kc=(uT2/R)/g Kc值是反映离心分离设备性能的重要指标，一般远大于1，高速离心机K值可达十万以上。
（二）离心沉降设备:旋风分离器 (cyclone separator) 1.结构及工作原理 标准型旋风分离器结构如图。
h =D/2 D1=D/2 B = D/4 H1=2D H2=2D S =D/8 D2=D/4
Newton 公式：
Stokes 公式：
沉降速度的其它影响因素
颗粒浓度：颗粒体积浓度较大时，发生干扰沉降，沉降较慢。
器壁效应：容器壁面、底面处阻力↑→ut↓。
颗粒形状：对非球形颗粒，用到当量直径de，阻力系数与球形度（形状系数）φs 有关,比球形颗粒大，ut减小 。
*
P145 图3-2
01
不同球形度
*
可见，分离条件与沉降面积有关，而与降尘室的高度无关。所以降尘室可设计成扁平形状，或在室内设置多层水平隔板，构成多层降尘室。
颗粒能从气流中分离出来的条件是: θt≤θ 即 VS ≤blut （降尘室的基本公式） VS＝blut所对应的ut为理论上能完全(100%)分离下来的最小颗粒的沉降速度.
单个颗粒
一、颗粒的特性
比表面积a （单位体积颗粒所具有的表面积） a=(πd2)/(πd3/6)=6/d （与颗粒直径成反比）
（1）球形颗粒：直径d
体积当量直径de:与颗粒体积相等的圆球的直径,即令
（2）非球形颗粒
贰
壹
叁
②球形度（或形状系数）φs：反映颗粒形状与球形的差异程度。 φs＝S/Sp
离心沉降:当流体带着颗粒旋转时，若颗粒的密度大于流体的，则颗粒在惯性离心力作用下在径向与流体发生相对运动飞离中心。
化工原理 第三章 非均相物系的分离和固体流态化
标准旋风 分离器
气体在旋风 分离器里的运动
③ 不宜处理黏性粉尘、含湿量高的粉尘 及 腐蚀性粉尘。
离心沉降23ts6udr??????????????离心力23t6udr??????????????向心力22r24ud???????????????阻力222332ttrs06624uuudddrr?????????????????????????????????????????????2str43duur??????颗粒在离心力场中的运动离心沉降速度沉降分离离心沉降????sstrt24433ugrdduu?????????????形式上相似
沉降分离－重力沉降
④ 求解 ⑴ 试差法
假设颗粒沉降的流型 根据相应的沉降公式求ut 按ut检验Ret
⑵ 摩擦数群法
ut 4 gd s 3
Ret
dut
4d s g 3ut 2 d 2ut 2 2 2 Ret 2
4d 3 s g Ret ＝ 3 2
2 3 ut 向心力= d 6 r
ur 2 2 阻力= d 2 4
2 2 2 π 3 ut π 3 ut ur π 2 s d d d 0 6 r 6 r 2 4
概念－颗粒
3. 颗粒群特性
① 粒径分布 粒径分布→不同粒径范围内所含粒子的个数或质量。 筛分分析： ⑴ 标准筛→泰勒标准筛、日本JIS标准筛和德国标准筛。 ⑵ 筛分过程→筛留物（筛余量）和筛过物（筛过量）。 ⑶ 筛分单位→目数（筛孔大小），指每英寸长度筛网 上的孔数。 比如，100目泰勒筛的筛孔宽度，网线直径为0.0042 in，
化工原理教案03非均相物系的分离
第三章 非均相物系的分离第一节 概 述一、 化工生产中常遇到的混合物可分为两大类：第一类是均相物系—如混合气体、溶液，特征：物系内各处性质相同，无分界面。
须用吸收、蒸馏等方法分离。
第二类是非均相体系— 1．液态非均相物系固体颗粒与液体构成的悬浮液； 不互溶液体构成的乳浊液；2．气态非均相物系固体颗粒（或液体雾滴）与气体构成的含尘气体（或含雾气体）； 气泡与液体所组成的泡沫液等。
特征：物系内有相间的界面，界面两侧的物性截然不同。
（1）分散相：往往是液滴、雾滴、气泡，固体颗粒，µm 。
（2）连续相：连续相若为气体，则为气相非均相物系。
连续相若为液体，则为液相非均相物系。
二、 非均相物系分离的目的：1）净制参与工艺过程的原料气或原料液。
2）回收母液中的固体成品或半成品。
3）分离生产中的废气和废液中所含的有害物质。
4）回收烟道气中的固体燃料及回收反应气中的固体触媒等。
总之：以满足工艺要求，提高产品质量，改善劳动条件，保护环境，节约能源及提高经济效益。
常用分离方法：1）重力沉降：微粒借本身的重力在介质中沉降而获得分离。
2）离心分离：利用微粒所受离心力的作用将其从介质中分离。
亦称离心沉降。
此法适用于较细的微粒悬浮体系。
3）过滤：使悬浮体系通过过滤介质，将微粒截留在过滤介质上而获得分离。
4）湿法净制：使气相中含有的微粒与水充分接触而将微粒除去。
5）电除尘：使悬浮在气相中的微粒在高压电场内沉降。
本章主要讨论：利用机械方法分离非均相物系，按其涉及的流动方式不同，可大致分为沉降和过滤两种操作方式。
三、 颗粒和流体相对运动时所受到的阻力 流体以一定的速度绕过静止颗粒时或者固体颗粒在静止流体中移动时 流体对颗粒的作用力——ye 力F d22u AF d ρξ= [N]式中，A —颗粒在运动方向上的投影，πd p 2u —相对运动速度ξ—阻力系数， ξ=Φ（Re ）=Φ（d p u ρ/μ）层流区：Re <2， ξ=24/Re ──Stokes 区过渡区：Re=2—500， Re 10=ξ ──Allen 区 湍流区：Re=500--2⨯105， ξ≌0.44 ──Newton 区第二节 重力沉降一、球形颗粒的自由沉降自由沉降──对于单一颗粒在流体中的沉降或者颗粒群充分地分散、颗粒间互不影响，不致引起相互碰撞的沉降过程。
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》第3章 非均相物系的分离
20
第3章 非均相物系的分离
图3-15表示分配头的结构。此分配头由一随转鼓转动的 转动盘和一固定盘所组成。
1.转动盘 2.固定盘 3.与真空管路相通的孔隙 4.与洗涤液贮槽相通的孔隙 5、6.与压缩空气管路相通的孔隙 7.转动盘上的小孔 图3-15 分配头
21
图3-17 气体在旋风分离器中的运动情况
25
第3章 非均相物系的分离
2.旋液分离器 旋液分离器是一种利用 离心力的作用分离悬浮液的 设备。其结构和原理和旋风 分离器相似。如图3-18所示， 设备主体是由圆筒和圆锥两 部分构成。
1.悬浮液入口管 2.圆筒 3.锥形筒 4.底流出口 5.中心溢流管 6.溢流出口管 图3-18 旋液分离器
我们从过滤速率式出发，求出过滤的推动力和阻力，然后 对上式进行积分即可得到滤液量V与过滤时间τ之间的关 系，即过滤基本方程式。
13
第3章 非均相物系的分离
2.恒压过滤方程式 过滤操作可以在恒压、恒速，先恒速后恒压等不同条件 下进行，其中恒压过滤是最常见的过滤方式。连续过滤机上 进行的过滤都是恒压过滤，间歇过滤机上进行的过滤也多为 恒压过滤，因此，我们重点讨论恒压过滤方程式。 恒压过滤时滤液体积与 过滤时间的关系为一抛物线 方程，如图3-8所示。
第3章 非均相物系的分离
3.1 概述 3.2 重力沉降 3.3 过滤 3.4 离心分离
第3章 非均相物系的分离
3.1 概述
在化工生产中，经常遇到混合物的分离过程。混合物可 分为两大类，即均相混合物（或均相物系）和非均相混合物 （或非均相物系）。 若物系内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）。如溶液及混合气体都属于均相物系。 均相物系的分离可采用蒸发、精馏、吸收等方法。若物系内 有相界面存在且界面两侧的物质的性质截然不同，这类物系 称为非均相混合物（或非均相物系）。如含尘气体和含雾气 体属于气态非均相物系；悬浮液、乳浊液、泡沫液等属于液 态非均相物系。
化工原理第三章 非均相系分离
同一颗粒在同一种介质中的离心沉降速度与重力沉降速
ur uT Kc ut gR
比值 Kc 就是粒子所在位置上的惯性离心力场强度与重力 场强度之比称为离心分离因数。 例如；当旋转半径 R = 0.4m，切向速度 uT = 20m/s时， 求分离因数。 2
uT Kc 102 gR
一般离心设备 Kc 在 5～2500 之间，高速离心机 Kc 可 达几万～数十万。
——斯托克斯公式
b) 过渡区或艾伦定律区（Allen）（2＜Ret<500）
10 Re
——艾伦公式
c) 湍流区或牛顿定律区（Nuton）（500＜Ret ＜ 2×105）
0.44
——牛顿公式
其中斯托克斯区的计算是准确的，其他两个区是近似。
第二节 重力沉降
一、球形颗粒的自由沉降
单个颗粒在流体中沉降，或颗粒群在流体中分散
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
替。
6
de V p de 3
3
6
VP
4）颗粒尺寸的影响
当颗粒非常细，d<5×10-7m时，沉降公式不适用，此时布朗 运动不能忽略。
颗粒的球形度愈小，对应于同一Ret值的阻力系数ζ愈大 但φs值对ζ的影响在滞流区并不显著，随着Ret的增大，这种 影响变大。
2.026 1
流体在过渡力沉降分离设备
1．降尘室
q
颗粒的沉降运动&随气体运动
沉降运动时间<气体停留时间分离
停留时间
沉降时间
l u H t ut
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第二节 沉 降
联立（3-1）、（3-2）、（3-3）和（3-4）整理得
ut
4gd p ( p ) 3
（3-5）
式（3-5）称为沉降速度表达式（参见教材P135式3-
26）。对于微小颗粒，由于沉降的加速阶段时间很短，可
忽略，因此，整个沉降过程可以视为加速度为零的匀速沉
降过程。在这种情况下可直接将该式用于重力沉降速率的
计算。
的确定较为复杂，该值与雷诺数 Rep
d pu
有关，但二
者间数学函数式目前理论上还难以确定，一般通过经验关
联式和实验数据来确定，见图3-2 。
第二节
图3-2所示阻力曲线可依据不
同运动状态范围划分为三个区域：
a)滞流区：Rep<2,又称斯托斯克 斯(stokes)定律区 =24Re-p1
化工原理
第三章 非均相物系的机械分离
第一节 概 述
混合物依据各组分之间的分散度可划分为均相混合物和非均相混合物两 大类。其中非均相混合物由分散相和连续相两部分组成：前者指处于分散状 态的物质, 如分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡等；后者指包围着分散相 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 的连续液体等。本章主要探讨非均相混合物的机械分离。
第一节 概 述
二、非均相混合物的分离方法 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，沉降和过滤。 1.沉降 沉降是在外力作用下使颗粒相对于流体(静止或运动)运动而实现分 离的过程。沉降操作的外力可以是重力(称为重力沉降),也可以是惯性 离心力(称为离心沉降)。 此外对于含尘气体的分离还有过滤净制、湿法及电净制等方法。 2.过滤 过滤是流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程。过 滤操作的外力可以是重力、压差或惯性离心力。因此过滤操作又分为 重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤等。 详见下表：
图3-1静止流体中颗粒受力示意图
第二节 沉 降
Fg
6
d p3 p
g
Fb
6
d
3 p
g
Fd
u2 A
2
（3-1） （3-2） （3-3）
式中 A 为沉降颗粒沿沉降方向的最大投形面积，对于球形颗
粒，
A
d
2 p
/
4，m2；u 为颗粒相对于流体的降落速度，m/s；
为沉降阻
力系数。
对于一定的颗粒与流体，重力与浮力的大小一定，而阻力随沉 降速度而变。根据牛顿第二定律有：Fg Fb Fd ma
当颗粒开始沉降的瞬间，u为零,阻力也为零,加速度a为其最大
值；颗粒开始沉降后，随着u逐渐增大，阻力也随着增大，直到速度
增大到一定值 u t后，重力、浮力、阻力三者达到平衡，加速度a为零；
此时颗粒做匀速运动的速度即称为沉降速度，用
m/表（t3示-4，）单位为
S
即一非个球任形意颗几粒何几形何体形的状球与形球度形，的等差于异体程积度与，之用相球同形的度一个球s 形 颗S表粒p 示的， 表面积与这个任意形状颗粒的表面积之比。当体积相同时，球形颗粒 的表面积最小，因此，球形度值越小，颗粒形状与球形的差异越大， 阻力系数ζ愈大，当颗粒为球形时，球形度为1。
第一节 概 述
第二节 沉 降
沉降是指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，分为重力沉降和离心沉降两 大类。
一、重力沉降 重力沉降是依据重力作用而发生的沉降过程。一般用于气、固混 合物和混悬液的分离。它是利用混悬液中的分散相即固体颗粒的密度 大于连续相即浸提液的密度而使颗粒沉降达到分离。 1.自由沉降和沉降速度 以固体颗粒在流体中的沉降为例进行分析，颗粒的沉降速度与颗 粒的形状有很大关系，为了便于理论推导，先分析光滑球形颗粒的自 由沉降速度。 1.1球形颗粒的自由沉降速度 颗粒在静止流体中沉降时，不受其它颗粒的干扰及器壁的影响， 称为自由沉降。较稀的混悬液或含尘气体中固体颗粒的沉降可视为自 由沉降。
ut
gd p2 ( p 18
)
(3-6）
b)过渡区：2< Rep<500,又称艾
伦（Allen）定律区 18.5Rep0.6
ut 0.269
gd
p
(p
)
Rep0.6
(3-7)
c)湍流区：500< Rep< 2×105 ,
又称牛顿（Newton）定律区 0.44
一、非均相混合物的分离在工业中的应用 非均相混合物的分离在工业生产中主要应用于以下几点： 1.回收有用的分散相 如收集粉碎机、沸腾及喷雾干燥器等设备出口气流中夹带的物料；收集 蒸发设备出口气流中带出的药液雾滴；回收结晶器中晶浆中夹带的颗粒；回 收催化反应器中气体夹带的催化剂,以循环应用等。 2.净化连续相 除去药液中无用的混悬颗粒以便得到澄清药液；将结晶产品与母液分开； 除去空气中的尘粒以便得到洁净空气；除去催化反应原料气中的杂质，以保 证催化剂的活性等。 3.环境保护和安全生产 近年来,工业污染对环境的危害愈来愈明显，利用机械分离的方法处理工 厂排出的废气、废液，使其浓度符合规定的排放标准，以保护环境；去除容 易构成危险隐患的漂浮粉尘以保证安全生产。
ut 1.74
gd p ( p )
(3-8)
沉降
图3-2 沉降阻力系数关系曲线图
第二节 沉 降
1.2非球形颗粒的自由沉降 非球形颗粒的几何形状及投影面积A对沉降速度都有影响。颗粒 向沉降方向的投影面积A愈大，沉降阻力愈大，沉降速度愈慢。一般 地,相同密度的颗粒，球形或近球形颗粒的沉降速度大于同体积非球形 颗粒的沉降速度。
第二节 沉 降
如图3-1所示。一个表面光滑的
刚性球形颗粒置于静止流体中，当
颗粒密度大于流体密度时，颗粒将
dp
下沉，若颗粒作自由沉降运动，在
沉降过程中，颗粒受到三个力的作 用：重力，方向垂直向下；浮力，
方向向上；阻力，方向向上。
设球形颗粒的直径为d p ,颗粒密 度为 ,p流体的密度为 ,则重力 、 浮力Fg 和阻力Fb 分别为Fd :