其他非均相物系分离方法
第四章 非均相物系的分离 制药单元操作技术(教学课件)
(2)阻力系数的确定
层流区或斯托克斯定律区(10-4〈 R et 〈1）
24 R et
,
过渡区或艾仑定律区（1〈 R et〈103 ）
18 .5 R 0.6
et
,
湍流区或牛顿定律区（103〈 R e〈t 2×105） 0.44
9
• （3）沉降速度的计算 将上式分别代入，可得各区域的沉降速度公式为
12
• 二、离心沉降
1.离心沉降速度和离心分离因数
(1)离心沉降速度
ur
4dp(p )(uT2) 3 R
颗粒处于层流区，则阻力因数 ξ=24/ R et 代入公式得
(2)离心分离因数
ur
dp 2( p )uT 2 18R
u 离心沉降速度 u r 与重力沉降速度 t 之比为
ur ut
uT 2 Rg
6
• 四、影响过滤操作的因素
过滤操作要求有尽可能高的过滤速率。过滤速率是单位时间内得到的滤液体积。过滤
过程中影响过滤操作的因素很多，主要表现在以下几个方面：
1．悬浮液的性质
2．过滤的推动力
3．过滤介质与滤饼的性质
一、重力沉降
第三节 沉 降
重力沉降：粒子在重力作用下，沿重力方向的沉积运动的过程。
离心沉降：粒子在离心力作用下，沿离心力方向的沉积运动的过程 1．自由沉降和沉降速度
降尘室分离的必要条件：气体通过沉降室的时间tr必须大于等于颗粒沉降至底部所用时间ts。
设：u—气体在降尘室内的平均流速m/s
L—降尘室的长度
B—降尘室的宽度
H—降尘室的高度
则：
tr
L u
ts
H ut
∴
LH u ut
非均相物系的分离
整理可得到球形颗粒在相应各区的沉降速度公式，即
第一节 沉 降 分 离
式（3-11）、式（3-12）及式（3-13）分别称为斯托克斯公式、 艾仑公式和牛顿公式。球形颗粒在流体中的沉降速度可根据不同流型， 分别选用上述三式进行计算。由于沉降操作中涉及的颗粒直径都较小， 操作通常处于层流区，因此，斯托克斯公式应用较多。计算沉降速度 ut首先要选择相应的计算公式，判断流动类型，因此需先知道Re。然 而，由于ut不知，Re不能预先算出，所以计算ut需采用试差法，即先 假设沉降属于层流区，用斯托克斯计算ut，然后将ut代入式（3-7） 中计算Re，若Re>1，便根据其大小改用相应的公式另行计算ut，所 算出的ut也要核验，直至确认所用的公式适合为止。同理，已知沉降 速度，也可计算沉降颗粒的直径。
容器的壁面和底面会对沉降的颗粒 产生曳力，使颗粒的实际沉降速度低于 自由沉降速度。当容器尺寸远远大于颗 粒尺寸时（如大100倍以上），器壁效 应可以忽略，否则，则应考虑器壁效应 对沉降速度的影响。
第一节 沉 降 分 离
3. 粒形状的影响
同一种固体物质，球形或近球形颗粒比同体积的非球形
颗粒的沉降要快一些。非球形颗粒的形状及其投影面积A均对
第一节 沉 降 分 离
第一节 沉 降 分 离
（三）重力沉降设备
1. 降尘室
降尘室是依靠重力沉降从气流中分离出尘粒的设备。最
常见的降尘室如图3-3所示。
图3-3 降尘室
第一节 沉 降 分 离
含尘气体进入降尘室后，颗粒随气流有一水平向前的运 动速度u，同时，在重力作用下，以沉降速度ut向下沉降。
只要颗粒能够在气体通过降尘室的时候降至室底，便可从气
所以
第一节 沉 降 分 离
非均相物系分离的分类及应用
第六章 其它单元操作技术
化工单元操作技术
过滤介质：
过滤操作中使流体透过而截留固体颗粒的多 孔性介质称为过滤介质。
过滤介质的分类：
1.织物介质
又称滤布用于滤饼过滤过程 .在工业上应用最为广泛 .
2.粒状介质
又称 堆积介质.用于 深层过滤.
3.多孔固体介质
是具有很多微细孔道的固体材料,用于深层过滤.适用于 处理只含少量细小的颗粒的及腐蚀性的悬浮液.
•离心分离因数是离心分离设备的重要指标。要提高Kc，可通过增大半径 和转速来实现，但出于对设备强度、制造、操作等方面的考虑，实际上， 通常采用提高转速并适当缩小半径的方法来获得较大的Kc。
• 尽管离心分离沉降速度大、分离效率高，但离心分离设备较重力沉 降设备复杂，投资费用大，且需要消耗能量，操作严格而费用高。因此， 综合考虑，不能认为对任何情况，采用离心沉降都优于重力沉降，例如， 对分离要求不高或处理量较大的场合采用重力沉降更为经济合理，有时， 先用重力沉降再进行离心分离也不失为一种行之有效的方法。
颗粒在降尘室内的运动情况如图所示。设有流量为 V(m3/s)的含尘气体 进入降尘室，降尘室的底面积为 A，高度为 H。若气流在整个流动截面 上均匀分布，则任一流体质点进入至离开降尘室的时间间隔(停留时间) θ为
第六章 其它单元操作技术
化工单元操作技术
L L BHL
u (qv / BH ) qv
第六章 其他单元操作技术
知识目标： ●了解非均相物系分离、膜分离及冷冻操作技术的设备结 构、特点及应用 ●理解非均相物系分离、膜分离及冷冻操作技术的工作原 理及流程 ●掌握其过程计算 能力目标： ●了解主要设备的操作
第六章 其它单元操作技术
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。
第三章非均相物系的分离
➢上式满足条件(1)容器相对颗粒直径大得多(100倍以上) (2)颗粒不可过细，否则出现布朗运动(d>2μm)
➢适用条件(1)颗粒静止，流体运动 (2)颗粒运动，流体静止 (3)颗粒流体作相反方向运动 (4)颗粒、流体作相同方向运动，但速度不同
• 例3-1,3-2见教材111页
• 斯托克斯定律的含义:FD=3πμdpu • 临界直径：指理论上能够完全分离出来的
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：
p f
u 2
2
Fd u 2
A
2
Fd
A u 2
2
d 2 u 2
4
2
则，受力情况：
重力：Fg
6
d 3 sg
浮力：Fb
6
d 3g
阻力：Fdຫໍສະໝຸດ 4d2 u 2
2
24 24 Re p dpu
内曲线所对应的ζ可分别用相应的数学关系式表示。
• 1) 场力F • 重力场 Fg=mg • 离心场 Fc=mrω2
• 2) 浮力Fb 重力场 Fgb=mρg/ρb(重力场中颗粒所受的浮
力) 离心场 Fb=mrω2ρ/ρb(离心场中颗粒所受的
浮力)
2020/7/11
11
• 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
缩后气体中的油滴分离而净化气体等。 • (3).环境保护与安全生产(环境保护的需要) • 象烟道气的排放、废液的排放都要求其含固量达到一定
标准，以防止对大气、河海等环境污染。
• 混合物的分类
• 均相物系：物系内部各处物料性质均匀而不存在相界面的混合物系。 • 非均相物系：物系内部有明显的相界面存在而界面两侧物料的性质不同的
hgyl四非均相物系的分离PPT课件
2019/9/20
20
2、阻力系数
阻力系数反映颗粒运动时
流体对颗粒的曳力，所以又称
曳力系数。
Re t
dut
式中通：过d量—纲颗分粒析的可直推径导；出，
阻动201及9/力时9/20粘系雷度，数诺；是准—流数流体的体与函的颗数密粒，度相即对运 21
与Ret的具体关系式也 很难得到，将大量的实验结
2019/9/20
11
§4－2－1 重力沉降速度
一、重力沉降 1、概念 重力沉降：在重力沉降。
即借地球引力场的作用而实现的沉降就是重力 沉降。
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12
2、分类
重力沉降分为自由沉降和干 扰沉降。
自由沉降：非均相物系中的固
（3） 湍流区（Newton
区）：103<Ret<2×105
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24
（1）滞流区（Stokes 区）：1u0t － 4d<2(R1e8s t<)1g
计各 算区
（2）过渡区（Allen 区):ut 01.2<7 Rde(t<s10)3Ret0.6
公沉 式降
速
（3） 湍流区（Newton
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8
三、非均相物系分离的目的
主要有三个的目的：
1、回收有用物质：主要回
收物系中的分散相。
如颗粒催化剂的回收。从
催化反应器出来的气体中，往
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比如硫酸的生产过程中，
原料气（炉气）中含有大量
灰尘，在SO2的催化氧化工序 之前，必须把大量灰尘除去，
否则除降低催化剂的活性外，
第二阶段为等速运动。
第三章非均相物系的分离
2020年4月9日
1
3.1 概述
3.1.1 均相物系和非均相物系
均相物系：物系内部各处物料性质均匀而不存在相界面的混合物系。
非均相物系：物系内部有明显的相界面存在而界面两侧物料的性质不同的 混合物系。
3.1.2 非均相物系的分类
1.按状态分
液态非均相物系：固、液、气分散在液相中。分：
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
6Vp
(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：
ds
Sp
(3)比表面积当量直径da:比表面积等于实际颗料比表面积ap的球 形颗粒的直径定义为非球形颗粒的比表面积当量直径。即：
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。
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
3.2.1 颗粒的特性(单颗粒的几何特性参数)
固体颗粒由于其形成的方法和条件不同，致使它们具有不同 的几何形状和尺寸，在工程计算中，常需要知道颗粒的几何特 性参数：即大小(尺寸)、形状和表面积(或比表面积)等。
de和s来表征。
3.颗粒群的特性
工业中碰到的颗粒大多是由大小和形状不同的若干颗粒组成 的集合体，称为颗粒群。但通常认为它们的形状一致，而只考 虑其大小分布，这样就提出了其粒度分布及其平均直径的问题。
(1) 按颗粒尺寸对颗粒群进行排列划分的结果称为粒度分布。根
化工原理课件非均相物系分离
吸附热
物理吸附过程中放出的热量较小，接近于相应 气体的液化热。
可逆性
物理吸附在一定条件下是可逆的，即被吸附的物质在一定条件下可以解吸。
化学吸附
吸附热
化学吸附过程中放出的热量较大，接近于化 学反应热。
吸附力
化学吸附涉及电子的转移或共有，形成化学 键。
不可逆性
化学吸附通常是不可逆的，需要特定的条件 才能解吸。
06
其他分离方法
电泳分离
电泳分离原理
利用物质在电场作用下的电泳行为差异进行分离。
电泳设备
主要包括电泳槽、电极、电源和检测系统等。
电泳分离应用
广泛应用于生物大分子如蛋白质、核酸的分离纯化，也可用于小 分子和离子的分离。
膜分离技术
膜分离原理
利用膜的选择透过性，使混合物中的不同组分在 膜两侧产生浓度差，从而实现分离。
05
吸附分离
吸附分离原理
吸附作用
利用吸附剂对混合物中各组分的选择性吸附作用，使 混合物得以分离。
吸附平衡
在一定温度和压力下，混合物中的各组分在吸附剂上 的吸附量达到平衡。
吸附等温线
描述在一定温度下，吸附量与混合物组成之间的关系 曲线。
物理吸附
吸附力
物理吸附主要依靠分子间作用力（范德华力） 进行吸附。
化工原理课件非均相物系分离
汇报人：XX
目录
• 非均相物系概述 • 沉降分离 • 过滤分离 • 萃取分离 • 吸附分离 • 其他分离方法
01
非均相物系概述
定义与分类
定义
非均相物系是指物系内部存在两种或 两种以上不同相态的物质，且这些物 质之间具有明显的界面。
分类
根据相态的不同，非均相物系可分为 液-固、气-固、气-液等类型。
非均相混合物分离技术—认识非均相物系分离技术及设备
烟道除尘室
沉降除尘室
分离设备的选择
（一）气-固分离 需要处理的固体颗粒直径通常有一个分布，一般可采用如下分离过程： 1）利用重力沉降除去50μm以上的粗大颗粒。 2）利用旋风分离器除去5μm以上的颗粒。 3）5μm以下颗粒的分离可选用电除尘器、袋滤器或湿式除尘器。
（二）液固分离 1）出于获得固体产品的目的，可采用增浓、过滤。 2）澄清液体可采用：利用连续沉降槽、过滤机、过滤离心机或沉降离心 机分离不同大小的颗粒；澄清要求非常高时，可在最后采用深层过滤。
直径D或进气口宽度B，则其它各部分的尺寸也
就确定了。 特点：结构简单，操作不受温度和压力的限
制，分离效率可达70%～90%，最小可以分离 小到5μm的颗粒。但使用中器壁磨损较严重。
化工单元操作技术
② 压力分布
• 器壁附近：最高。 • 中心处 ： 最低。 • 出灰口：密封性能好，不易漏入气体。
非均相物系分离
2）分离性能指标 临界粒径dpc 能够100%分离的颗粒的最小粒径。 粒级分离效率ηi 在一定粒径颗粒的总量中，被分离部分所占的质量百分数。 总效率η0 在有限的停留时间内，能分离下来的部分与颗粒总量之比。
化工单元操作技术
二、沉降设备 1、重力沉降设备 （1）降尘室
即重力沉降从气流中除去尘粒的设备称为降尘室。
由许多块带凸凹纹路的滤板和滤框交替排列而成，板和框的角端均开有小孔 ，合并压紧后构成供滤浆或洗涤水流通的孔道。滤框中间空，框的两侧覆以滤布 ，空框与滤布就围成了容纳滤饼的空间。
化工单元操作技术
非均相物系分离
• 操作是间歇的，每个操作周期都由装合、过滤、洗涤、卸渣、整理五个阶段 组成。
• 特点：结构简单，过滤面积大，过滤压力高，对各种物料的适应能力强，操 作简单，使用可靠。
实验二 非均相物系的分离实验
实验二 非均相物系的分离一、实验目的1. 了解离心风机的构造，掌握风机操作和调节方法，熟悉风机性能测定装置的结构与基本原理，测定风机在恒定转速情况下的特性曲线。
2. 掌握孔板流量计的测量原理，并通过U 型管压差计测定压差计算气体流量。
3. 观察不同流速下床层的状态。
4. 直观地观测固体颗粒在旋风分离器内流动状况，测定旋风分离器内径向压力。
二、实验原理（重点） 1. 风量Q 的测量风机的风量是指单位时间内从风机出口排出的气体的体积，并以风机入口处气体的状态计，用Q （m 3/h ）或V s （m 3/s ）表示。
测量风量我们可以用孔板流量计，计算公式如下：gh 200s ⨯⨯=A C V 或 ρρρ）（水-⨯⨯=gh 200s A C Vρρρ）（水-=gh 202C u式中：C 0—孔流系数，无量纲；h —流量计读数；m ； A 0—孔口横截面积，m 2； V s —风机的流量，m 3/s ； ρ—空气的密度，kg/m 3；ρ水—水的密度，kg/m 3。
2. 风压P t 的测定风机的风压是指单位体积的气体流过风机时获得的能量，以P t 表示，单位为J/m 3=N/m 2，由于P t 的单位与压力的单位相同，所以称为风压。
用下标1，2分别表示进口与出口的状态，在风机的吸入口和压出口之间列伯努利方程：()ffH g u u P P Z Z g gH H gu g P Z H g u g P Z ∑+-+-+-=∑+++=+++ρρρρρρ2)(222122121222222111上式中1P 为大气压强，f H ∑是泵的吸入口和压出口之间管路内的流体流动阻力，因进口管段很短，故出入-f H 值很小，可忽略。
对于气体，式中ρ（气体密度）值比较小，故()12Z Z g -ρ可忽略，空气直接由大气进入通风机，u 1可以忽略。
故上式可简化为2-2212t u P P gH P ρρ+==）（ρρρ）（水-=gh 202C u将测得的2P 值以及计算所得的2u 代入上式即可求得P t 的值。
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其他非均相物系分离方法
非均相物系分离方法是指将多组分混合物中的不同组分分离出来的方法。
与均相物系分离方法（如蒸馏、结晶等）不同的是，非均相物系分离方法常常需要使用物理或化学性质差异较大的分离方式。
以下是一些常见的非均相物系分离方法：
1. 重力分离
重力分离是一种简单且常用的分离方法，它基于不同组分的密度差异。
在一个装有混合物的容器中，密度较大的组分会沉淀到底部，而密度较小的组分会浮在上部。
通过倾斜容器或者使用漏斗可以将两者分离。
2. 沉降分离
沉降分离是一种基于组分的离心沉降速率差异的分离方法。
离心机通过迅速旋转容器，使混合物中的组分向离心力最大的位置移动。
随着时间的推移，不同组分会分层并可以通过离心机分离开来。
3. 水分解法
水分解法是一种将混合物中的水与其他组分分离的方法。
这种方法适用于混合物中含有极性和非极性组分的情况。
在该方法中，混合物首先与水混合，然后通过不同的化学反应，将水与其他组分分离。
4. 溶剂萃取
溶剂萃取是一种基于组分在不同溶剂中的溶解度差异来分离的方法。
通过选择适当的溶剂，可以将混合物中的组分分离到不同溶液中。
溶剂萃取常用于有机化学中，用于分离有机物混合物中的不同组分。
5. 气体吸附法
气体吸附法是一种将混合物中的气体组分分离的方法。
该方法适用于有机化合物或金属材料中的气体组分。
它通过将混合物与具有特定吸附性能的固体接触，使气体组分被吸附在固体上，从而实现分离。
6. 磁力分离
磁力分离是一种将具有磁性的组分从混合物中分离出来的方法。
通过使用磁性材料或通过给混合物中加入磁性粒子，可以将具有磁性的组分分离出来。
这种方法在矿石提取、废物处理等领域有广泛的应用。
7. 膜分离
膜分离是一种使用特殊膜将混合物中的不同组分分离开来的方法。
膜可以选择适当的大小、形状和分子亲疏水性，以选择性地通过不同组分。
常见的膜分离方法包括蒸发、渗透、过滤等。
8. 色谱法
色谱法是一种常用的分析和分离技术，用于从复杂混合物中分离和检测组分。
它基于分子在吸附剂上的相互作用力的差异来
实现分离。
常见的色谱法包括气相色谱、液相色谱、超高效液相色谱等。
9. 电泳分离
电泳分离是一种基于分子在电场中迁移速率差异的分离方法。
在电泳过程中，分子会根据其电荷、大小和形状等特性，在电场中向阳极或阴极迁移。
常见的电泳分离方法包括凝胶电泳、毛细管电泳等。
10. 超声分离
超声分离是一种利用超声波的机械作用来分离混合物的方法。
超声波会产生空化作用和剪切力，从而破坏混合物的结构并分离组分。
超声分离可用于固-液、液-液和气-液等不同类型的分离。
以上仅是非均相物系分离方法的一些常见示例。
不同的混合物和特定分离要求可能需要使用不同的分离方法或者将多种方法结合使用。