非均相物系分离实验报告
第三章非均相物系的分离和固体流态化
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：
《化工原理》四章 非均相物系的分离
第二节 过滤
3.过滤介质 过滤过程所用的多孔性介质称为过滤介质。性能优良 的过滤介质除能够达到所需分离要求外，还应具有足够的 机械强度，尽可能小的流过阻力，较高的耐腐蚀性和一定 的耐热性，最好表面光滑，滤饼剥离容易。 工业常用过滤介质主要有织物介质、多孔性固体介质 和微孔滤膜等。 （1）织物介质 是由天然或合成纤维、金属丝等编织而 成的筛网、滤布，适于滤饼过滤，一般可截留的粒径5μ m 以上的固体微粒。
第二节 过滤
4.滤饼的压缩性和助滤剂 (1)滤饼的压缩性 若构成滤饼的颗粒是不易变 形的坚硬固体颗粒,则当滤饼两侧压力差增大时, 颗粒形状和颗粒间空隙不发生明显变化,这类滤饼 称为不可压缩滤饼；有的悬浮颗粒比较软，所形 成的滤饼受压容易变形,当滤饼两侧压力差增大时, 颗粒的形状和颗粒间的空隙有明显改变,这类滤饼 称为可压缩滤饼。滤饼的压缩性对过滤效率及滤 材的可使用时间影响很大,是设计过滤工艺和选择 过滤介质的依据。
第二节 过滤
图4-3板框压滤机 1-固定头；2-滤板；3-滤框；4-滤布；5-压紧装置
第二节 过滤
滤板和滤框一般制成正方形，其构造如图4-4所示。 板和框的角端均开有圆孔，装合、压紧后即构成供滤浆、 滤液和洗涤液流动的通道。滤框两侧覆以滤布,空框和滤 布围成了容纳滤浆及滤饼的空间。板又分为洗涤板和过滤 板两种,为便于区别，常在板、框外侧铸有小钮或其它标 志，通常，过滤板为一钮，框为二钮，洗涤板为三钮（如 图4-4所示）。装合时即按钮数1-2-3-2-1-2-3-2-1……… 的顺序排列板和框。压紧装置的驱动可用手动、电动或液 压传动等方式。 板框压滤机为间歇操作,每个操作周期由装配、压紧、 过滤、洗涤、坼开、卸料、处理等操作组成，板框装合完 毕,开始过滤。过滤时，悬浮液在指定的压力下经滤浆通 道，由滤框角端的暗孔进入框内，滤液分别穿过两侧滤布， 再经邻板板面流到滤液出口排走，固体则被截留于框内， 待滤饼充满滤框后，即停止过滤。
非均相物系的分离.
第三章非均相物系的分离第二节过滤过滤是一种分离悬浮在液体或气体中固体微粒的操作。
其基本原理是利用一种能将固体微粒截留而让流体通过的多孔介质（过滤介质），将固体微粒从气体或液体中分离出来，以达到流体与固体分离之目的。
悬浮液(滤浆)滤饼过滤介质滤液一、概述———要求概念清晰滤浆——需要分离的液体非均相物系过滤介质——在过滤操作中起隔层作用的物质滤渣——被截留在过滤介质上的固体颗粒滤液——过滤后的液体1、过滤介质过滤介质的作用是使滤液通过、截留固体颗粒及支承滤饼。
要求过滤介质具有多孔性、碉腐蚀性及足够的机械强度等。
工业上常用的过滤介质有织物介质、堆积的粒状介质及多孔性固体介质等。
①织物介质（滤布）：由棉、毛、丝、麻及合成纤维制成的织物，由玻璃丝、金属丝织成的网②堆积介质：细砂、无烟煤、活性炭、石棉、硅藻土等细小坚硬的颗粒状物质。
③多孔固体介质：具有很多微细孔道的固体材料，能耐腐蚀，适用于处理含少量细小颗粒的悬浮液及有腐蚀性的悬浮液。
2、助滤剂———使用目的滤饼可分为可压缩性滤饼（如胶体）和不可压缩性滤饼（如硅藻土、碳酸钙）。
对于不可压缩性滤饼，为了减小过滤阻力，可加入某些助滤剂，如硅藻土、石棉、碳粉。
由此它不宜用于滤饼需回收的过滤操作。
助滤剂是一种坚硬且形状不规则的小固体颗粒，其作用是改变滤饼的结构，使滤饼结构松散，且具有一定的刚性，从而可避免滤布的早期堵塞和过滤阻力过大。
助滤剂的使用方法视具体情况而定，可直接加进悬浮液中，亦可将助滤剂配成悬浮液先行过滤，待形成一层助滤剂滤饼层后，再进行悬浮液的过滤助滤剂的用量通常为截留固相质量的1～10%。
3、过滤推动力和阻力———重点掌握内容过滤推动力通常以作用在悬浮液上的压力表示。
实际起推动力作用是滤渣和过滤介质两侧的压力差。
一般增大过滤推动力的方法有：（1）增加悬浮液本身的液柱压力，一般不超过50kN/m2，称为重力过滤。
（2）增加悬浮液液面上的压力，一般可达500kN/m2，称为加压过滤。
第二章非均相物系的分离
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
ut
4gd(s ) 3
一、沉降速度
1 Ret 103 为过渡区或艾仑（Allen）定律区
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
第3章 非均相物系的分离和固体流态化
3.3 沉降分离 3.3.1 重力沉降
一、沉降速度
4.沉降速度的计算 （1）试差法
假设沉降属 于某一流型
计算沉 降速度
核算
Ret
一、沉降速度
（2）摩擦数群法
ut
4gd(s ) 3
4ds g
3ut2
Re t2
d 2ut2 2 2
一、沉降速度
（2）摩擦数群法
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
d(s )g
一、沉降速度
3.影响沉降速度的因素 自由沉降
沉降过程中，任一颗粒的沉降不因其他颗 粒的存在而受到干扰。 干扰沉降
化工原理1非均相混合物的分离
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 .6 1 1 . 4 0.154 g d 1.4
s
1.4
1 1.4
0 .4
1 .4
0.6
0.619m / s
二、重靠重力沉降从气流中分离出固体颗 粒的设备
令
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 ，
d 2 s g ut 18
附录查得，20℃时水的密度为998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s
XLK型(扩散式)
14
二、离心沉降设备
（4）旋风分离器的选用
首先应根据系统的物性，结合各型设备的 特点，选定旋风分离器的类型； 然后依据含尘气的体积流量，要求达到的 分离效率，允许的压力降计算决定旋风分离器 的型号与个数。
15
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。
旋风分离器的 进口气速 气流的有效旋 转圈数
临界粒径是判断旋风分离器分离效率高低的重要依据。 临界粒径越小，说明旋风分离器的分离性能越好 。 6
二、离心沉降设备
②分离效率
总效率η0
0
C1 C2
C1
粒级效率ηpi
pi
C 1i C2i C 1i
7
二、离心沉降设备
粒级效率曲线 通过实测旋风分离器进、出气流中所含尘粒 的浓度及粒度分布，可得粒级效率与颗粒直径di 的对应关系曲线，该曲线称为粒级效率曲线。 分割粒径 d50 粒级效率恰为50%的颗粒直径，称为分割粒 径。 D
第三章 非均相物系的分离和过滤
第3章 非均相物系分离和固体流态化1.取颗粒试样500g,作筛分分析,所用筛号及筛孔尺寸见本题附表中第1、2列,筛析后称取各号筛面上的颗粒截留量列于本题附表中第3列,试求颗粒群的平均直径。
〔答:d a =0.344mm 〕习题1附表2.密度为2650kg/3的球形石英颗粒在20℃空气中自由沉降,计算服从斯托克斯公式的最大颗粒直径及服从牛顿公式的最小颗粒直径。
〔答:dmax=57.4μm, dmin=15.13μm 〕3.在底面积为402的除尘室内回收气体中的球形固体颗粒。
气体的处理量为3600m 3/h,固体的密度3/3000m kg =ρ,操作条件下气体的密度3/06.1m kg =ρ,黏度为2×10-5Pa ·s 。
试求理论上能完全除去的最小颗粒直径。
〔答:d=17.5m μ〕4.用一多层降尘室除去炉气中的矿尘。
矿尘最小粒径为8m μ阳,密度为4000kg/m 3。
除尘室长4.1m 、宽1.8m 、高4.2m,气体温度为427℃,黏度为3.4x1O -5Pa ·s,密度为0.5kg/m 3。
若每小时的炉气量为2160标准m 3,试确定降尘室内隔板的间距及层数。
〔答:h=82.7mm,n=51〕5.已知含尘气体中尘粒的密度为2300kg/m 3,气体流量为1000m 3/h 、密度为3.6×10-5Pa ·s 、密度为0.674kg/m 3,采用如图3-7所示的标准型旋风分离器进行除尘。
若分离器圆筒直径为0.4m,试估算其临界粒径、分割粒径及压强降。
〔答:d c =8.04m μ,m d μ73.550=，Pa p 520=∆〕6.某旋风分离器出口气体含尘量为0.7×10-3kg/标准m 3,气体流量为5000标准m 3/h,每小时捕集下来的灰尘量为21.5kg 。
出口气体中的灰尘粒度分布及捕集下来的灰尘粒度分布测定结果列于本题附表中。
非均相物系的分离
第三章非均相物系的分离●教学目的:1、掌握重力沉降和离心沉降的操作原理和基本公式2、沉降室的结构，沉降室的生产能力，旋风分离器的结构和工作原理●教学重点：1、重力沉降和离心沉降的操作原理。
●教学内容：1、重力沉降；2；重力沉降设备；3、离心沉降；离心沉降设备系：一个集体。
分散系：一种物质或几种物质的微粒分散到另一种物质里形成的混合物，我们把这种混合物叫做分散系。
包括：分散质和分散剂。
分散质和分散系都可为固、液、气。
根据分散质粒径不同可分为： d<10-9 溶液10-9<d<10-7胶体10-7<d 悬浊液、乳浊液溶液：小分子或离子，质为：固液气，均一稳定，单相，胶体：大分子或小分子集合，大分子稳定，小分子较稳定，大分子单相，小分子多相粗分：大分子集合，悬固，乳液，不均一不稳定，多相。
悬浊液：固体小颗粒悬浮于液体里形成的混合物，外形特征：浑浊，不透明，不均一，不稳定，固体小颗粒是由很多分集合而成，由于固体小颗粒的密度比水大，因此悬浊液相：在同一个系统中具有相同物理性质及化学性质的一类混合物叫作相。
根据分散关系可分为：均相与非均相。
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。
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。
含尘和含雾的气体属于气态非均相混合物。
悬浮液，乳浊液及泡沫液属于液态非均相混合物。
非均相物系中处于分散状态的物质称为分散物质或分散相。
例：气体中的尘粒。
非均相物系中处于连续状态的物质称为分散介质或连续相。
例：气态非均相物系中的气体。
非均相物系分离的目的：1）回收分散物质 2）净制分散介质3）劳动保护和环境卫生非均相物系分离的常用方法： 沉降法 过滤法 对于含尘气体： 液体洗涤除尘法 点除尘法第一节 沉降一、 固体颗粒在流体中的沉降运动现象 1．颗粒沉降运动中的受力分析固体颗粒在真空中自由降落时，只受重力的作用。
3非均相物系分离
2013年8月17日
第三章 颗粒与流体之间的相对运动
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3.2.1 重力沉降gravitational setting
依靠重力而进行的沉降过程。 3.2.1.1 球形颗粒spherical particles的自由沉降速度 自由沉降free settling ：发生在稀疏颗粒的流体中 干扰沉降hindered settling ：多发生在液态非均相 物系中，沉降速度低。 以下讨论自由沉降过程。
2013年8月17日 第三章 颗粒与流体之间的相对运动
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2.非球形颗粒：常用颗粒的当量直径和球形度表示 其特性。 (1)体积当量直径de：与实际颗粒体积Vp相等的球 形颗粒的直径定义为非球形颗粒的当量直径。即：
de
3
6V p
(2)表面积当量直径ds：表面积等于实际颗粒表面 积Sp的球形颗粒的直径定义为非球形颗粒的表面积 当量直径。即：
2013年8月17日
第三章 颗粒与流体之间的相对运动
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设直径为d、密度为ρs的光滑球形颗粒在密 度为ρ，粘度为μ的静止流体中作自由沉降。 此时颗粒受到阻力、浮力和重力的作用， 其中阻力是由摩擦引起的，随颗粒与流体 间的相对运动速度而变，仿照管内流动阻 力计算式：
Fd u 2 3 p f 2 A 2 重 力 ：Fg 6 d sg u 2 2 u 2 Fd A d 浮 力 ：Fb d 3 g 6 2 4 2
2013年8月17日
第三章 颗粒与流体之间的相对运动
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a.筛分：标准筛由一系列筛孔大小不同的筛组成， 筛的筛网由金属丝网制成，筛孔呈正方形。一套标 准筛的各个筛的网孔大小按标准规定制成，通用的 是泰勒(Tyler)标准筛系列。 它的各个筛用其筛网上每英寸长度上的孔数作为 筛号，也称为目，且每个筛的筛网金属丝的直径也 有规定，因此一定目数的筛孔尺寸一定(见表3-1)。 如100号筛，1英寸长有筛孔100个，它的筛网的金 属丝直径规定为0.0042in，故筛孔的净宽度为： (1/100-0.0042)=0.0058in=0.147mm，因而筛号愈大， 筛孔愈小，相邻筛号的筛孔尺寸之比为20.5 (即筛孔 面积按2的倍数递增)。
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非均相物系分离实验报告
实验目的：
本实验旨在通过对非均相物系的分离实验，掌握不同物质之间的分离方法及其原理，并加深对物质分离的理解。
实验原理：
本次实验涉及的分离方法主要有：过滤、蒸馏和萃取。
过滤是一种通过筛孔或纤维层隔离固体和液体或气体的方法。
利用不同粒径的筛子可以将固体从液体中过滤出来。
过滤具有简单易行，操作范围广，成本低等优点，适用于固体颗粒大小较大、液体介质相对稳定的情况下使用。
蒸馏是利用物质沸点差异将混合物中的不同成分分离出来的方法。
在物质混合物中，如果存在沸点差异很大的物质混合物，则可通过加热使其中沸点低的成分先于沸点高的成分挥发，再通过冷凝将其分离出来。
蒸馏广泛应用于纯净液体或气体的制备和分离中。
萃取是利用萃取剂提取所需物质并分离出不需要的物质的方法。
萃取广泛应用于有机物的分离与纯化，也可用于矿物质的谷物等工业物料的提取与富集。
实验步骤及记录：
1. 过滤法分离
(1) 用筛子过滤掉厚茶渣。
(2) 用滤纸过滤掉悬浮在水中的砂、泥等。
(1) 用烧杯将某种液体加热至沸腾。
(2) 将热气通过玻璃管连接至冷却器中，使其冷却，并通过采样收集分馏液。
(1) 将水、油和酒混合后，以分离漏斗的形式将其加入到时间瓶中。
(2) 加入10ml碳酸钠溶液，摇动时间瓶使其混合后，放置数分钟，使混合液分成两层。
(3) 取出分离漏斗将分层液体分别分离，并记录其体积。
实验结果：
过滤法分离：通过筛子过滤后，茶渣严重减少，没有泥沙。
蒸馏法分离：通过蒸馏可以将混合物中的不同成分分离出来，如本次实验中通过蒸馏可以将混合物中的乙醇单独分离出来。
萃取法分离：加入碳酸钠溶液后，水、酒两层分离明显，油浮在其表面。
通过上述实验，我们学习了不同的非均质物系的分离方法，并检验了它们的效果。
其中过滤法是最基本的方法，适用于固体颗粒较大、液体介质相对稳定的情况下；蒸馏法适用于需要分离物质沸点差异极大的情况，其优点是分离质量高、纯度高；萃取法适用于有机物的分离与纯化，也可用于工业物料的提取，其分离效果与分离质量都较高。
通过本次实验，我们对物质分离有了更深入的了解，对应用分离方法分离复杂体系具有重要的指导意义。