非均相物系的分离和固体流态化
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第三章非均相物系的分离和固体流态化
在惯性离心力的作用下，颗粒将沿切线方向甩出。 当流体带着颗粒旋转时，如果颗粒的密度大于流体密度，
设颗粒与中心轴的距离为R，切线速度为uT， 如颗粒呈球形，密度s，直径d，流体的密度， 则颗粒在径向上受到三个力的作用，则三个力分别为：
惯性离心 6d3力 suRT2
向心力d3uT2
6R
阻力 d2 ur2
xi di粒径段内颗粒的质率 量分
3、堆积密度（表观密度）b：粒子体积包括
颗粒间的空
隙，则称为粒子的堆
积密度。显然， b s
三、粒子的密度
1、密度：单位体积内的粒子质量称为粒子的 密度。
2、真实密度s：粒子体积不包括颗粒间的空 隙，
则称为粒子的真实密度。
（4）基本常识：非球形 球形，均非均， 边壁中心，乱堆床层在0.47～0.70。
实际颗粒的比表面积等于当量球形颗粒的比 表面积时，
球形颗粒的直径称为比表面积当量直径。 比表面积当量直径：
颗粒的形状与球形颗粒的差异程 度。
（二）形状系数（球形度）：
对于非球形颗粒，必须有两个参 数才能确定其特征，通常
选用体积当量直径和形状系数来 表征颗粒的体积、表面积
和比表面积。即：
由于相同体积时球形颗粒的表面 积最小，因此任何非球形颗 粒的球形度均小于1，对于球 形颗粒，s＝1。
3－1－2颗粒床层的特性 一、床层的空隙率 颗粒床层： 由颗粒群堆积而成的、具有一定厚度的静止颗粒层. 其疏密程度常用空隙率表示： 说明： （1）与颗粒形状、大小、均匀程度、堆积方法有 关，具体数值由实验获得； （2）的数值直接影响流体流经床层的阻力大小； （3）工业上通常假设各向同性；
单位床层体积具有的颗粒表面积称为床层的比表面积。 若忽略颗粒间接触面积的影响，则：
设颗粒与中心轴的距离为R，切线速度为uT， 如颗粒呈球形，密度s，直径d，流体的密度， 则颗粒在径向上受到三个力的作用，则三个力分别为：
惯性离心 6d3力 suRT2
向心力d3uT2
6R
阻力 d2 ur2
xi di粒径段内颗粒的质率 量分
3、堆积密度（表观密度）b：粒子体积包括
颗粒间的空
隙，则称为粒子的堆
积密度。显然， b s
三、粒子的密度
1、密度：单位体积内的粒子质量称为粒子的 密度。
2、真实密度s：粒子体积不包括颗粒间的空 隙，
则称为粒子的真实密度。
（4）基本常识：非球形 球形，均非均， 边壁中心，乱堆床层在0.47～0.70。
实际颗粒的比表面积等于当量球形颗粒的比 表面积时，
球形颗粒的直径称为比表面积当量直径。 比表面积当量直径：
颗粒的形状与球形颗粒的差异程 度。
（二）形状系数（球形度）：
对于非球形颗粒，必须有两个参 数才能确定其特征，通常
选用体积当量直径和形状系数来 表征颗粒的体积、表面积
和比表面积。即：
由于相同体积时球形颗粒的表面 积最小，因此任何非球形颗 粒的球形度均小于1，对于球 形颗粒，s＝1。
3－1－2颗粒床层的特性 一、床层的空隙率 颗粒床层： 由颗粒群堆积而成的、具有一定厚度的静止颗粒层. 其疏密程度常用空隙率表示： 说明： （1）与颗粒形状、大小、均匀程度、堆积方法有 关，具体数值由实验获得； （2）的数值直接影响流体流经床层的阻力大小； （3）工业上通常假设各向同性；
单位床层体积具有的颗粒表面积称为床层的比表面积。 若忽略颗粒间接触面积的影响，则：
第三章++非均相物系的分离和固体流态化
xia i xi 6 s s d i
若颗粒群的平均直径为dm，则
xi 6 1 6 s d i s d m
xi dm 1/ di
xi 对非球形颗粒： m 1 / d s d ei
（3）粒子的密度 单位体积内粒子的质量称为密度，kg/m3。 若粒子体积不包括颗粒之间的空隙，称为粒子的真密度，以ρs 表示。 若粒子体积包括颗粒之间的空隙，称为粒子的堆积密度或表 观密度，以ρb表示。
3.1.5 非均相物系的分离方法
1.沉降：依据重力、离心力、惯性力，使分散相与连续相 分离。根据作用力的不同分：
重力沉降 离心沉降
2.过滤：借助压力或离心力使混合物通过某介质(固体)， 使液相与固相截留于介质两侧而达到分离的目的。主要用于分 离液态非均相物系。 3.气体湿法净制：让含尘气体通过水或其它液体中，使颗 粒溶于液体中或润湿颗粒，而使颗粒粘在一起，通过重力沉降 分离。 4.电子除尘：使含有悬浮尘粒或雾滴的气体通过金属电极 间的高压直流静电场，气体电离产生离子附着于悬浮尘粒或雾 滴上而使之荷电。荷电的尘粒、雾滴在电场力的作用下至电极 后发生中和而恢复中性从而达到分离。
2．流体通过床层的压降（略）
即为康采尼方程式
称为欧根方程
3.3 沉降分离原理及方法
沉降是指在某种力的作用下，固粒相对于流体产生定向运 动而实现分离的操作过程。其依据是利用两相间密度的差异， 受力时其运动速度不同从而发生相对运动。进行沉降操作的作 用力可以是重力，也可以是惯性离心力，故沉降分为重力沉降 和离心沉降。衡量沉降进行的快慢程度通常用沉降速度来表示。
3.2.2.3 床层的各向同性
1. 在工业上小颗粒的床层采用乱堆方式堆成，这时颗粒的 定位是随机的，所以堆成的床层可认为是各向同性(意指从各个 方向看，颗粒的堆积情况都是相同的)。 各向同性床层的重要特点是：床层横截面上可供流体通过 的自由截面(即空隙截面)与床层截面之比在数值上等于空隙率。 在近壁处，由于壁面形状的影响，导致颗粒分布与床层中间不同， 称为壁效应，这时表现为各向不同性，它导致流体通过时出现沟 流等现象。
化工原理 第三章 非均相物系的分离和固体流态化
＜5 μm的颗粒，用袋滤器或湿法捕集； 5 200 μm的颗粒，用旋风分离器除去。
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，
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，
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：
非均相物系的分离及固体流态化课件
详细描述
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。
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。
夏清主编的《化工原理》(第2版)上册-配套题库-名校考研真题-第3章 非均相物系的分离和固体流态化【
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第 3 章 非均相物系的分离和固体流态化
一、填空题 1．影响颗粒沉降速度的因素如下：颗粒的因素、介质的因素、环境因素、设备因素。 就颗粒的因素而言有以下几方面： 、 、 、 等。[四川大学 2008 研] 【答案】尺寸 形状 密度 是否变形 【解析】影响颗粒沉降速度的因素包括以下几个方面：①颗粒的因素：包括尺寸、形 状、密度、是否变形等；②介质的因素：包括流体的状态（气体还是液体）、密度、粘度等； ③环境因素：包括温度（影响 、 ）、压力、颗粒的浓度（浓度达到一定程度使发生干扰 沉降等）；④设备因素：包括体现为壁效用。
答：由公式： dV KA2 dQ 2(V V )
可知增大压力，K 值增大；提高温度，K 值增大，过滤速度增大。 dV 由压力温度滤 dQ
饼的比阻，过滤饼体积比及过滤面积有关。
2．设计一实验流程（画出其实验流程示意图），并写出简要实验步骤，完成如下实验 内容：
（1）进行恒压过滤常数的测定。 （2）进行滤饼的压缩性指数 s 和物料常数 k 的测定。[天津大学 2002 研] 答：简要实验步骤如下： （1）做好准备工作，启动系统。 （2）进行过滤滤液体积和过滤时间关系曲线的测定。 （3）改变过滤压差，再进行不同压差下过滤滤液体积和过滤时间关系曲线的测定， 至少测定 3 条曲线。 （4）关闭系统，复原装置并清扫卫生。 实验流程示意图如图 3-1 所示。
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4．从地下开采出来的原油由油、水、气组成，如图 3-2 所示为一原油连续计量装置
的示意图，其原理是将原油中的油、水、气分离后用各自的流量计分别测定其流量（计量），
然后再将油、水、气汇合一起流向下游。具体工艺如下；原油首先切向进入一旋风分离器，
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第 3 章 非均相物系的分离和固体流态化
一、填空题 1．影响颗粒沉降速度的因素如下：颗粒的因素、介质的因素、环境因素、设备因素。 就颗粒的因素而言有以下几方面： 、 、 、 等。[四川大学 2008 研] 【答案】尺寸 形状 密度 是否变形 【解析】影响颗粒沉降速度的因素包括以下几个方面：①颗粒的因素：包括尺寸、形 状、密度、是否变形等；②介质的因素：包括流体的状态（气体还是液体）、密度、粘度等； ③环境因素：包括温度（影响 、 ）、压力、颗粒的浓度（浓度达到一定程度使发生干扰 沉降等）；④设备因素：包括体现为壁效用。
答：由公式： dV KA2 dQ 2(V V )
可知增大压力，K 值增大；提高温度，K 值增大，过滤速度增大。 dV 由压力温度滤 dQ
饼的比阻，过滤饼体积比及过滤面积有关。
2．设计一实验流程（画出其实验流程示意图），并写出简要实验步骤，完成如下实验 内容：
（1）进行恒压过滤常数的测定。 （2）进行滤饼的压缩性指数 s 和物料常数 k 的测定。[天津大学 2002 研] 答：简要实验步骤如下： （1）做好准备工作，启动系统。 （2）进行过滤滤液体积和过滤时间关系曲线的测定。 （3）改变过滤压差，再进行不同压差下过滤滤液体积和过滤时间关系曲线的测定， 至少测定 3 条曲线。 （4）关闭系统，复原装置并清扫卫生。 实验流程示意图如图 3-1 所示。
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4．从地下开采出来的原油由油、水、气组成，如图 3-2 所示为一原油连续计量装置
的示意图，其原理是将原油中的油、水、气分离后用各自的流量计分别测定其流量（计量），
然后再将油、水、气汇合一起流向下游。具体工艺如下；原油首先切向进入一旋风分离器，
第三章 非均相物系的分离和固体流态化 下
8
2.过滤介质
织物介质，如棉、麻、丝、毛、合成纤维、金属丝等编织成的滤布， 5-65m，工业应用广泛； 堆积介质，细纱、木炭、石棉、硅藻土等细小坚硬的颗粒状物质堆积 而成，多用于深床过滤。 多孔性固体介质，如多孔陶瓷，多孔塑料及多孔金属制成的板式管。 1-3m。
多孔膜：有机膜、无机膜。1 m以下
对乱堆床层，各向同性，床层自由截面积与床层截面积之比等于空 隙率ε； 受壁效应影响，壁面附近床层空隙率大于床层内部。改善壁效应的 方法通常是限制床层直径与颗粒直径之比不得小于某极限值。若床层 的直径比颗粒的直径大得多，则壁效应可忽略。
A自由 A
13
5.流体通过床层流动的压降（数学模型法）
比沉降分离更迅速更彻底，在某些场合下，过滤是沉降的后继操作 属于机械分离操作 外力可以是重力、压强差或惯性离心力
滤浆（料浆）
滤饼
过滤介质
滤液
5
3.4.1 过滤操作的基本概念
1.过滤方式
饼层过滤 >1%(v/v) 过滤方式深床过滤 <0.1%(v/v) 膜过滤
滤浆
滤饼
过滤介质为很厚的颗粒层 不形成滤饼层
22
解:（1)催化剂的当量直径de、球形度ɸs、床层孔隙率ε及比表面积ab
V
3
d 3
6
de
3
6V p
与非球形颗粒体积相等的 球形颗粒的直径。
6 2 de ( d d) 4
1.145d 1.145 3 3.435mm
S d e2 3.4352 s 0.874 2 S p 2 d 2 d 2 1.5 3 4 床层体积－颗粒体积 1－980 1760 0.4432 床层体积 1 6 ab (1 ) ab a(1 ) s d e
非均相混合物分离及固体流态化 (2)
33
图3-17 过滤操作示意图
动画16
34
一、过滤方式
1．饼层过滤 √ 2．深床过滤 3．膜过滤 饼层过滤时发生“架桥”现象
图3-18 35
二、过滤介质
（1）对过滤介质的性能要求 具有足够的机构强度和尽可能小的流动阻力，
同时，还应具有相应的化学稳定性，耐腐蚀性和 耐热性。应用于食品和生物制品过滤的介质还应 考虑无毒，不易滋生微生物，易清洗消毒等。
42
颗粒的圆周 运动速度
颗粒与流体 在径向上的 相对速度
2
一、离心沉降速度及分离因数
上述三个力达到平衡时：
6
d 3s
u2 T R
6
d3
u2 T R
4
d2
ur 2
2
0
平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速
度ur便是它在此位置上的离心沉降速度：
离心沉降速度 ur
4d (s ) uT 2 3 R
(3-35)
18
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。
19
第三章、非均相混合物 分离及固体流态化
3.2 过滤分离原理及设备 3.2.1 流体通过固体颗粒床层的流动
20
一、固体颗粒群的特性
1.颗粒群的粒度分布 筛分
分割粒径 d50
d50 dC
di
粒级效率恰为50%的颗粒直径，称为分割粒
径。
d50 0.27
D ui (s )
8
二、离心沉降设备
同一型式且尺寸比例相同的旋风分离器
～d p d50
图3-17 过滤操作示意图
动画16
34
一、过滤方式
1．饼层过滤 √ 2．深床过滤 3．膜过滤 饼层过滤时发生“架桥”现象
图3-18 35
二、过滤介质
（1）对过滤介质的性能要求 具有足够的机构强度和尽可能小的流动阻力，
同时，还应具有相应的化学稳定性，耐腐蚀性和 耐热性。应用于食品和生物制品过滤的介质还应 考虑无毒，不易滋生微生物，易清洗消毒等。
42
颗粒的圆周 运动速度
颗粒与流体 在径向上的 相对速度
2
一、离心沉降速度及分离因数
上述三个力达到平衡时：
6
d 3s
u2 T R
6
d3
u2 T R
4
d2
ur 2
2
0
平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速
度ur便是它在此位置上的离心沉降速度：
离心沉降速度 ur
4d (s ) uT 2 3 R
(3-35)
18
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。
19
第三章、非均相混合物 分离及固体流态化
3.2 过滤分离原理及设备 3.2.1 流体通过固体颗粒床层的流动
20
一、固体颗粒群的特性
1.颗粒群的粒度分布 筛分
分割粒径 d50
d50 dC
di
粒级效率恰为50%的颗粒直径，称为分割粒
径。
d50 0.27
D ui (s )
8
二、离心沉降设备
同一型式且尺寸比例相同的旋风分离器
～d p d50
2019年-化工原理第三章非均相物系的分离及固体流态化-PPT课件-PPT精选文档
A
r1 O
r2
r
B ur C
uT u
颗粒在旋转流场中的运动
比较：沉降速度的大小、方向
化工原理
材料与化学工程学院
非均相物系的分离和固体流态化 化学工程与工艺教研室
16
§3-2 沉降分离
Rep=dput/ 1 或 2
层流区
D
24 Re t
d 2 ad 2 2 Rd 2 u 2
化工原理
材料与化学工程学院
非均相物系的分离和固体流态化 化学工程与工艺教研室
23
§3-3 过滤
三 、滤饼的压缩性和助滤剂
◆可压缩滤饼
◆不可压缩滤饼
◆助滤剂：
要求：刚性颗粒；化学稳定性；不可压缩性
常用：不可压缩的粉状或纤维状固体如硅藻土、纤维粉末、 活性炭、石棉。
使用：可预涂，也可以混入待滤的滤浆中一起过滤。
影响因素：设备类型及尺寸、操作温度及流速、颗粒密度
化工原理
材料与化学工程学院
非均相物系的分离和固体流态化 化学工程与工艺教研室
18
§3-2 沉降分离
◆分离效率 总效率
0
c1 c2 c1
分效率（粒级效率）
i
ci1 ci2 c i1
0 xii
分割直径 d50 对标准旋风分离器
非均相物系的分离和固体流态化 化学工程与工艺教研室
13
§3-2 沉降分离
气体
气体 思考 1：要想使某一粒度的颗粒在
进口
出口 降尘室中被 100%除去，必须满足什
集灰斗 降尘室
么条件？
t
H ut
思考 2：能够被 100%除去的最小
非均相物系的分离和固体流态化
第三章
非均相物系的分离和固 体流态化
3.1 概述
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
物系内部有隔开两相的界面存在且界面两 非均相混合物
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
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。
b）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
即表示某一粒度（粒径）或某一粒径范围的颗粒占总颗粒质量百 分数的一种函数关系。常用粒度分布曲线图表示。
4). 颗粒的平均粒径： ① 长度平均粒径（算术平均粒径）
l d m
nidi ni
② 体积平均粒径：
V 3 d m
nidi3
ni
3
1 ai di3
③ 比表面平均粒径（又称邵特Sauter平均直径）
图3-3 Ret2 Ret 及 Ret1Ret关系曲线
例：试计算直径为95μm，密度为3000kg/m3的固体颗粒分别在20℃的）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
18
附录查得，20℃时水的密度为998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s
6d3sg 6d3g 4d2u 2 t20
非均相物系的分离和固 体流态化
3.1 概述
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
物系内部有隔开两相的界面存在且界面两 非均相混合物
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
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。
b）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
即表示某一粒度（粒径）或某一粒径范围的颗粒占总颗粒质量百 分数的一种函数关系。常用粒度分布曲线图表示。
4). 颗粒的平均粒径： ① 长度平均粒径（算术平均粒径）
l d m
nidi ni
② 体积平均粒径：
V 3 d m
nidi3
ni
3
1 ai di3
③ 比表面平均粒径（又称邵特Sauter平均直径）
图3-3 Ret2 Ret 及 Ret1Ret关系曲线
例：试计算直径为95μm，密度为3000kg/m3的固体颗粒分别在20℃的）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
18
附录查得，20℃时水的密度为998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s
6d3sg 6d3g 4d2u 2 t20
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4). 颗粒的平均粒径： ① 长度平均粒径（算术平均粒径）
l d m
nidi ni
② 体积平均粒径：
dV 3 m
ni
d
3 i
ni
3
1
ai
d
3 i
③ 比表面平均粒径（又称邵特Sauter平均直径）
A
d V d d m
ni
3
i
ni
2 i
1 ai di
3.3 沉降分离
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
H ' 1.234 100% 48.13% H 2.564
4）水平隔板层数 由规定需要完全除去的最小粒径求沉降速度，
再由生产能力和底面积求得多层降尘室的水平隔板层数。
粒径为10μm的颗粒的沉降必在滞流区，
ut
d 2s
18
g
1105 24000 0.5 9.807
18 3.4 106
6.41103m / s
对运动而实现分离的操作过程。
作用力
重力 惯性离心力
3.3.1 重力沉降
Hale Waihona Puke 重力 沉降 离心沉降1、沉降速度
1）球形颗粒的自由沉降 设颗粒的密度为ρs，直径为d，流体的密度为ρ，
重力
Fg
6
d 3s g
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 u 2
• 颗粒在降尘室的停留时间 l u
• 颗粒沉降到室底所需的时间 t H ut
ut
d 2 s g
18
若 t 则表明，该颗粒能在降尘室中除去。
思考3：要想使某一粒度的颗粒在降尘室中被100%除去，必须满足什么条件？
t
H ut
思考 4：能够被 100%除去的最小颗粒，必须满足什么条件？
t 即 L H
u ut
L
u
B
气体
dmin
18Hu
gs L
18VS
gs A底
ut
H
颗粒在降尘室中的运动
思考5：粒径比dmin小的颗粒，被除去的百分数为多少？ <100% 粒径比dmin大的颗粒，被除去的百分数为多少？ 100%
ut
d 2 s g
18
L H u ut
能够满足 100%除去某粒度颗粒时的气体处理量--------生产能力
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
d 2 s g
18
附录查得，20℃时水的密度为998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s
ut
95106 2 3000 998.2 9.81
18 1.005 103
9.797 103 m / s
核算流型
Re t
n
VS blut
1
2.564 2 6 6.4 103
1 32.3
板间距为
取33层
h H n 1
2.564 0.0754m 33 1
降尘室
结构简单，但设备庞大、效率低，
只适用于分离粗颗粒------直径75m以上的颗粒，或作为预分离设备。
2) 增稠器（沉降槽）
加料
清液溢流
水平 挡板
清液
耙
稠浆 连续式沉降槽
6
d 3s g
6
d 3g
4
d2
ut 2
2
0
ut
4dg(s ) 3
——沉降速度表达式
2) 阻力系数ζ 通过因次分析法得知，ζ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）
24
3 2
g
令
k d3
s g
2
Re t 2 4 k 3
3
因ζ是Ret的已知函数， ζ Ret2必然也是Ret的已知函数， ζ ～Ret曲线便可转化成 ζ Ret2～Ret曲线。
计算ut时，先由已知数据算出ζ Ret2的值，再由ζ Ret2～Ret曲线查得Ret值，最 后由Ret反算ut 。
ut
解：1）降尘室的总高度H
VS
V0
273 t 273
1
273 427 273
2.564m3
/s
H
VS bu
2.564 2 0.5
2.564m
2）理论上能完全出去的最小颗粒尺寸
ut
Vs bl
2.564 0.214m / s 26
用试差法由ut求dmin。 假设沉降在斯托克斯区
dmin
ut
d
2 s g
18
40 106 2 4000 0.5 9.807 0.103m / s
18 3.4 105
气体通过降沉室的时间为： L 6 12s
u 0.5
直径为40μm的颗粒在12s内的沉降高度为：
H ' ut 0.10312 1.234m
假设颗粒在降尘室入口处的炉气中是均匀分布的，则颗粒在降尘室内的沉 降高度与降尘室高度之比约等于该尺寸颗粒被分离下来的百分率。 直径为40μm的颗粒被回收的百分率为：
正方体
粒子尺寸 棱长为0.08~0.7mm
方铅矿密度 ρs1=7500kg/m3
石英密度 ρs2=2650kg/m3
20℃水的密度和粘度ρ=998.2kg/m3 μ=1.005×10-3 Pa·s
假定粒子在上升水流中作自由沉降，试求：1）欲得纯方铅矿粒，水的上升流速
忽略，否则需加以考虑。
ut '
1
ut 2.1
d
D
c）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代替 。
6
d
3 e
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
Ret d
图3-3 Ret2 Ret 及 Ret1 Ret关系曲线
计算颗粒的直径d ：
1) 令ξ与Ret-1相乘，
Re
1 t
4(s
)g
3 2ut3
2) 将ξRet-1～Ret关系绘成曲线 ，由ξRet-1值查得Ret的值；
3) 再根据沉降速度ut值计算d。
d Ret ut
判别流型
ut
2) 多层降尘室 n 层隔板的多层降尘室生产能力：
降尘室的计算
Vs (n 1)blut
降尘室的计算
设计型 已知气体处理量和除尘要求，求降尘室的大小
操作型 用已知尺寸的降尘室处理一定量含尘气体时，计算可 以完全除掉的最小颗粒的尺寸，或者计算要求完全除 去直径 d 的尘粒时所能处理的气体流量。
例：拟采用降尘室除去常压炉气中的球形尘粒。降尘室的宽和长分别为2m和 6m,气体处理量为1标m3/s，炉气温度为 427℃，相应的密度ρ=0.5kg/m3，粘度 μ=3.4×10-5Pa.s，固体密度ρS=400kg/m3操作条件下，规定气体速度不大于0.5m/s ，试求： 1．降尘室的总高度H，m； 2．理论上能完全分离下来的最小颗粒尺寸； 3. 粒径为40μm的颗粒的回收百分率； 4. 欲使粒径为10μm的颗粒完全分离下来，需在降降尘室内设置几层水平隔板？
18ut
s g
18 3.4 105 0.214
4000 0.5 9.807
5.78105 m
核算沉降流型
Re t
dut
5.78 105 0.214 0.5 3.14 105
0.182 1
∴原假设正确
3）粒径为40μm的颗粒的回收百分率
粒径为40μm的颗粒定在滞流区 ，其沉降速度
a）降尘室的结构
进口
b）降尘室的生产能力
降尘室的生产能力是指降尘室
所处理的含尘气体的体积流量
，用Vs表示，m3/s。
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
气体 出口
集灰斗
降尘室
L
B
气体
u
H
ut
颗粒在降尘室中的运动
思考1：为什么气体进入降尘室后，流通截面积要扩大？
思考2：为什么降尘室要做成扁平的？
d 2s
18
g
Re t
d 3s g
18 2
当Ret=1 时，K=2.62，为斯托克斯区的上限 ▪ 牛顿定律区的下限K值为69.1 。
图3-3 Ret2 Ret 及 Ret1 Ret关系曲线
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。
s g
2
95 106
3
1.2053000 1.205 9.81
1.81105 2
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 1.6
0.154g
1.4d
0.4
1.4 s
0.6
1 1.4
0.619m / s
1.4 1.4
2、重力沉降设备
1) 降尘室
气体
3) 影响沉降速度的因素 a）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。