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1、第三章第三章 非均相物系的分离非均相物系的分离3.13.1概述概述 3.23.2颗粒及颗粒及颗粒床层的特性颗粒床层的特性 3.33.3沉降分离沉降分离 3.1 概述概述一一 混合物的分类混合物的分类均相混合物均相混合物-液相混合物（精馏）液相混合物（精馏）气相混合物（吸收）气相混合物（吸收）非均相混合物非均相混合物-气态非均相混合物气态非均相混合物 液态非均相混合物液态非均相混合物二非均相物系二非均相物系1定义：由具有不同物理性质的分散物质和连续介质所组成的定义：由具有不同物理性质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。物系称为非均相混合物或非均相物系。2分散相：在非均
2、相物系中处于分散状态的物质称为分散物质分散相：在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。或分散相。3连续相：包围分散物质且处于连续状态的物质称为分散介质连续相：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。或连续相。三非均相混合物的分离方法三非均相混合物的分离方法 由于分散相和连续相具有不同物理性质，故工业上通常采用机由于分散相和连续相具有不同物理性质，故工业上通常采用机械方法分离，要实现这种分离必须使分散相和连续相发生相对运械方法分离，要实现这种分离必须使分散相和连续相发生相对运动。机械分离操作方法分为两类：动。机械分离操作方法分为两类：1沉降：沉降：颗粒相对于流体（静止
3、或运动）运动而实现悬浮物系分离的过程颗粒相对于流体（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和离心沉降。性离心力。因此沉降过程有重力沉降和离心沉降。2过滤：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称为过滤。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。因此过滤可以分为重力过滤，加压过滤，真空过滤和离心过滤。滤可以分为重力过
4、滤，加压过滤，真空过滤和离心过滤。四非均相混合物的分离目的四非均相混合物的分离目的1收集分散物质收集分散物质2净化分散介质净化分散介质3环境保护和安全生产。环境保护和安全生产。本章着重讨论：本章着重讨论：气相非均相混合物气相非均相混合物-重力沉降和离心沉降重力沉降和离心沉降 液相非均相混合物液相非均相混合物-过滤过滤3.2 颗粒及颗粒床层的特性颗粒及颗粒床层的特性一一 颗粒的特性颗粒的特性表述颗粒特性的主要参数为颗粒的形状，大小和表面积。表述颗粒特性的主要参数为颗粒的形状，大小和表面积。1单一颗粒特性单一颗粒特性（1）球形颗粒）球形颗粒球形颗粒通常用直径表示其大小，球形颗粒的各有关特性均可用直
5、径表示。球形颗粒通常用直径表示其大小，球形颗粒的各有关特性均可用直径表示。V=66d 球形颗粒体积球形颗粒体积m S=d 球形颗粒表面积球形颗粒表面积m a=6 d 单位体积颗粒具有的表面积单位体积颗粒具有的表面积m m（2）非球形颗粒）非球形颗粒非球形颗粒通常用体积当量直径和形状系数表示其特性。非球形颗粒通常用体积当量直径和形状系数表示其特性。de=6vp de为体积当量直径为体积当量直径 vp非球形颗粒的实际体积非球形颗粒的实际体积s=S Sp s为颗粒的形状系数或球形度为颗粒的形状系数或球形度 S与该颗粒体积相同的圆球的表面积与该颗粒体积相同的圆球的表面积 Sp颗粒的表面积颗粒的表面积
6、2颗粒群的特性颗粒群的特性 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。具有同一粒径的颗粒称为单一性粒子非均一性粒子或多分散性粒子。具有同一粒径的颗粒称为单一性粒子或单分散性粒子。不同粒径范围内所含粒子的个数或质量为粒度分布。或单分散性粒子。不同粒径范围内所含粒子的个数或质量为粒度分布。二二 颗粒床层的特性颗粒床层的特性（1）床层空隙率）床层空隙率固定床层中颗粒堆积的疏密程度可用空隙率来表示，其定义如下：固定床层中颗粒堆积的疏密程度可用空隙率来表示，其定义如下：的大小反映了床层颗粒的紧密程度，的大小
7、反映了床层颗粒的紧密程度，对流体流动的阻力有极大的影对流体流动的阻力有极大的影响。响。(2)(2)床层比表面床层比表面 颗粒比表面颗粒比表面取取 的床层考虑，的床层考虑，所以所以 *此式是近似的，在忽略床层中固颗粒相互此式是近似的，在忽略床层中固颗粒相互接触而彼此覆盖使裸露的颗粒表面积减少时成立。接触而彼此覆盖使裸露的颗粒表面积减少时成立。（3）床层自由截面积分率）床层自由截面积分率A。空隙率与床层自由截面积分率之间有何关系？假设床层颗粒是均匀堆积空隙率与床层自由截面积分率之间有何关系？假设床层颗粒是均匀堆积（即认为床层是各向同性的（即认为床层是各向同性的)。想象用力从床层四周往中间均匀压紧，
8、把。想象用力从床层四周往中间均匀压紧，把颗粒都压到中间直径为长为颗粒都压到中间直径为长为L L的圆柱中（圆柱内没有空隙）。的圆柱中（圆柱内没有空隙）。所以对颗粒均匀堆积的床层所以对颗粒均匀堆积的床层(各向同性床层），在数值上各向同性床层），在数值上 三三流体通过颗粒床层的压降流体通过颗粒床层的压降 流体通过复杂的通道时的阻力（压降）难以进行理论计算，必须依靠实验来解决问题。现在介绍一种实验规划方法数学模型法。（1）床层的简化物理模型）床层的简化物理模型 单位体积床层所具有的颗粒表面积 和床层空隙率 对流动阻力有决定性的作用。简化模型是将床层中不规则的通道 假设成长度为L当量直径为de的一组平行
9、细管并且规定：细管的内表面积等于床层颗粒的全部表面；细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙体积。（2）流体压降的数学模型）流体压降的数学模型流体流过圆管的阻力损失数学描述：体积流量所以 式中 为单位床层高度的虚拟压强差当床层不高，重力的影响可以忽略时 上式为流体通过固定床压降的数学模型，未知的待定系数 称为模型参 数，就其物理意义而言称为固定床的流动摩擦系数。（3）模型的检验和模型参数的估值）模型的检验和模型参数的估值当床层雷诺数 时 实验数据符合下式式中 称为康采尼常数，其值为5.0。的可能误差不超过10%。合理简化得到康采尼方程 从康采尼方程或欧根方程可看出，影响床层压降的变量有三类：操作变
10、量 流体物性 和 床层特性 和 在上述因素中，影响最大的是空隙率3.3 沉降分离沉降分离引言：流体对固体颗粒的绕流情况引言：流体对固体颗粒的绕流情况 流体与固体颗粒之间的相对运动可分为以下三种情况：颗粒静止，流体对其做绕流；流体静止，颗粒作沉降运动；颗粒与流体都运动，但保持一定的相对运动。只要相对速度相同，上述三种情况并没有本质区别，本节就从刚性球形颗粒的自由沉降入手讨论沉降分离。一重力沉降一重力沉降（在重力场中进行的沉降）（1）沉降的过程 将一个表面光滑的球形颗粒置于静止的流体中，若颗粒在重力的作用下沿重力方向作沉降运动，此时颗粒受到哪些力的作用呢？根据牛顿第二定律得：或者：因此开始瞬间 最
11、大，颗粒作加速运动。随 ，,到某一数值 时，上式右边等于零，此时 ，颗粒将以恒定不变的速度 维持下降。此称为颗粒的沉降速度或造端速度。对小颗粒，沉降的加速段很短，加速度所经历的距离也很小。因此，对小颗粒沉降的加速度可以忽略，而近似认为颗粒始终以 下降。由上面可知：静止流体中颗粒的沉降分为两个阶段，起初为加速阶段而后为等速阶段。FD为曵力，下面回顾有关曵力的知识。（1）两种曳力）两种曳力表面曳力和形体曳力表面曳力和形体曳力 回顾第1章流体沿固体壁面流过的阻力分为两类：表皮阻力（即表面摩擦阻力）和形体阻力（边界层分离产生旋涡），绕流时颗粒受到流体的总曳力:（1）两种曳力）两种曳力表面曳力和形体曳力
12、表面曳力和形体曳力 FD与流体 、相对流速 有关，而且受颗粒的形状与定向的影响，问题较为复杂。至今，只有几何形状简单的少数情况才可以得到FD的理论计算式。例如，粘性流体对球体的低速绕流（也称爬流）时FD的理论式即斯托克律（Stokes）定律为：当流速较高时，Stokes定律不成立。因此，对一般流动条件下的球形颗粒及其其他形状的颗粒，FD的数值尚需通过实验解决。（2）曳力（阻力）系数）曳力（阻力）系数 对球形颗粒，用因次分析并整理后可得：球形颗粒 的曲线在不同的雷诺数范围内可用公式表示如下：，层流区，Sokes定律区：，过渡区，Allen定律区：，湍流区，Newton定律区：（2）曳力（阻力）系
13、数）曳力（阻力）系数（2）沉降速度对球形颗粒，当 时，可得 式中：称为阻力系数 因 与 有关，也与 有关，将不同区域的 关系式分别带入 的计算式，整理得：，层流区（Sokes区），过渡区（Allen区），湍流区（Newton区）（3）其他因素对沉降速度的影响 干扰沉降端效应分子运动 非球形颗粒 二沉降分离设备二沉降分离设备 1重力沉降设备2离心沉降设备 1重力沉降设备（1）降尘室 气体通过降尘室的时间：位于降尘室最高点的颗粒沉降至室底的沉降时间：，至少 所以：（降尘室的设计原理）含尘气体体积流量，。气速 ，一般 应1 ，实际上为避免已沉下的尘粒重新被扬起，往往取更低 。降尘室一般用于分离 的粗
14、颗粒。降尘室底面积，。颗粒的沉降速度，。应根据要分离的最小颗粒直径 决定。将气速的关系式代入得到降尘室的生产能力为：对一定物系，一定，降尘室的处理能力只取决于降尘室的底面积 ，而与高度 无关，故降尘室应设计成扁平形状，或在室内设置多层水平隔板。设计型计算 已知 、，计算 。操作型计算 已知 、，核算 ；或已知 、，求 。1重力沉降设备 （2）增稠器 分离悬浮液，在中心距液面下0.31 处连续加料，清液往上走，稠液往下走，锥形底部有一缓慢旋转的齿耙把沉渣慢慢移至下部中心，稠浆从底部出口出去。（内部沉降分为上部自由沉降和下部干扰沉降）大的增稠器直径可达10100 ，深2.54 （为什么？）。它一般
15、用于大流量、低浓度悬浮液的处理，常见的污水处理就是一例。1重力沉降设备（3）分级器 利用不同粒径或不同密度的颗粒在流体中的沉降速度不同这一原理来实现它们分离的设备称为分级器。将沉降速度不同的两种颗粒倾倒到向上流动的水流中，若水的速度调整到在两者的沉降速度之间，则沉降速度较小的那部分颗粒便被漂走分出。若有密度不同的a、b两种颗粒要分离，且两种颗粒的直径范围都很大，则由于密度大而直径小的颗粒与密度小而直径大的颗粒可能具有相同的沉降速度，使两者不能完全分离。1重力沉降设备 上式表明，不同直径的颗粒因为密度不同而具有相同的沉降速度，该式代表了具有相同沉降速度的两种颗粒的直径比。1重力沉降设备2 2离心
16、沉降设备离心沉降设备 对于两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系，可利用颗粒作圆周运动时的离心力以加快沉降过程。定义同一颗粒所受的离心力与重力之比为离心分离因数 式中 为流体和颗粒的切线速度，；为旋转半径，；为旋转角速度，。数值的大小是反映离心分离设备性能的重要指标。若 ，则说明同一颗粒在离心力场中受到的离心力 是在重力场中受到的重力 的1000倍，当然大大加快沉降分离过程。旋风分离器是利用离心沉降原理从气流中分离出颗粒的设备。如图所示，上部为圆筒形、下部为圆锥形；含尘气体从圆筒上侧的矩形进气管以切线方向进入，藉此来获得器内的旋转运动。气体在器内按螺旋形路线向器底旋转，到达底部后折而向上，成
17、为内层的上旋的气流，称为气芯，然后从顶部的中央排气管排出。气体中所夹带的尘粒在随气流旋转的过程中，由于密度较大，受离心力的作用逐渐沉降到器壁，碰到器壁后落下，滑向出灰口。旋风分离器的构造简单，没有运动部件（设备不动，离心力是由切线进入的气流产生旋转运动造成的），操作不受温度、压强的限制。一般其分离因数 ，可分离气体中 直径的粒子。用降尘室分离（经济），可用袋式除尘器，用静电除尘器。2 2离心沉降设备离心沉降设备 2 2离心沉降设备离心沉降设备 旋风分离器各部分的尺寸都有一定的比例，只要规定出其中一个主要尺寸，如圆筒直径D或进气口宽度B，则其它各部分的尺寸亦确定。评价旋风分离器性能指标，我们的教
18、材上介绍两个：1）旋风分离器的分离效率 总效率 式中 、分别为进出旋风分离器气体颗粒的质量浓度，。总效率并不能准确地代表旋风分离器的分离性能。因为气体中颗粒大小不等，各种颗粒被除下的比例也不相同。颗粒的尺寸越小，所受的离心力越小，沉降速度也越小，所以能被除下的比例也越小。因此，总效率相同的两台旋风分离器其分离性能却可能相差很大，这是因为被分离的颗粒具有不同粒度分布的缘故。2 2离心沉降设备离心沉降设备 粒级效率式中 、分别为进出旋风分离器气体中粒径为 的颗粒的质量浓度，。总效率与粒级效率的关系为：式中 为进口气体中粒径为 颗粒的质量分率。通常将经过旋风分离器后能被除下50%的颗粒直径 称为分割
19、直径，某些高效旋风分离器的分割直径可小至 。不同粒径 的粒级分离效率 不同。2 2离心沉降设备离心沉降设备 2）旋风分离器的压降 气体经过旋风分离器时，由于进气管和排气管及主体器壁所引起的摩擦阻力、流动时的局部阻力以及气体旋转运动所产生的能量损失等，都将造成气体的压力降。旋风分离器的压降大小是评价其性能好坏的重要指标。气体通过旋风分离器的压降应尽可能小。通常压降用入口气体动能的倍数来表示：除了上述两个性能指标外，有的教材还介绍了另外一个性能指标，即临界直径 ，指旋风分离器能够分离的最小颗粒直径。2 2离心沉降设备离心沉降设备 实验结果表明：，锥体长度 ，。粗短形旋风分离器在 一定时，处理量大；细长形旋风分离器 ，但 ，从经济角度看一般可取进口气速 。若处理量大，则可采用多个小尺寸的旋风分离器并联操作，这较用一个大尺寸的旋风分离器可望获得更高的效率，同样原因，投入使用的旋风分离器处于低气体负荷下操作是不适宜的。旋风分离器的内旋气流在底部旋转上升时，会在锥底成升力。即使在常压下操作，出口气体直接排入大气，也会在锥底造成显著的负压。如果锥底集尘室密封不良，少量空气串入器内将使分离效率严重下降。故出灰口的密封问题非常重要。2 2离心沉降设备离心沉降设备 2 2离心沉降设备离心沉降设备