第三章非均相物系的分離全

第三章非均相物系的分離全第一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四3.1概述一混合物的分類均相混合物--------液相混合物（精餾）氣相混合物（吸收）非均相混合物----------氣態(tài)非均相混合物液態(tài)非均相混合物二非均相物系1定義：由具有不同物理性質(zhì)的分散物質(zhì)和連續(xù)介質(zhì)所組成的物系稱為非均相混合物或非均相物系。2分散相：在非均相物系中處于分散狀態(tài)的物質(zhì)稱為分散物質(zhì)或分散相。3連續(xù)相：包圍分散物質(zhì)且處于連續(xù)狀態(tài)的物質(zhì)稱為分散介質(zhì)或連續(xù)相。第二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四三非均相混合物的分離方法由于分散相和連續(xù)相具有不同物理性質(zhì)，故工業(yè)上通常采用機械方法分離，要實現(xiàn)這種分離必須使分散相和連續(xù)相發(fā)生相對運動。機械分離操作方法分為兩類：1沉降：顆粒相對于流體（靜止或運動）運動而實現(xiàn)懸浮物系分離的過程稱為沉降分離。實現(xiàn)沉降操作的作用力可以是重力，也可以是慣性離心力。因此沉降過程有重力沉降和離心沉降。2過濾：流體相對于固體顆粒床層運動而實現(xiàn)固液分離的過程稱為過濾。實現(xiàn)過濾操作的外力可以是重力，壓強差或慣性離心力。因此過濾可以分為重力過濾，加壓過濾，真空過濾和離心過濾。

第三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四四非均相混合物的分離目的1收集分散物質(zhì)2凈化分散介質(zhì)3環(huán)境保護和安全生產(chǎn)。

本章著重討論：氣相非均相混合物------------重力沉降和離心沉降液相非均相混合物------------過濾第四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四3.2顆粒及顆粒床層的特性一顆粒的特性表述顆粒特性的主要參數(shù)為顆粒的形狀，大小和表面積。1單一顆粒特性（1）球形顆粒球形顆粒通常用直徑表示其大小，球形顆粒的各有關(guān)特性均可用直徑表示。V=π∕6×d球形顆粒體積mS=πd球形顆粒表面積ma=6∕d單位體積顆粒具有的表面積m∕m（2）非球形顆粒非球形顆粒通常用體積當量直徑和形狀系數(shù)表示其特性。de=√6vp／π

de為體積當量直徑vp非球形顆粒的實際體積Φs=S／SpΦs為顆粒的形狀系數(shù)或球形度S與該顆粒體積相同的圓球的表面積Sp顆粒的表面積

第五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四2顆粒群的特性工業(yè)中遇到的顆粒大多是由大小不同的粒子組成的集合體，稱為非均一性粒子或多分散性粒子。具有同一粒徑的顆粒稱為單一性粒子或單分散性粒子。不同粒徑范圍內(nèi)所含粒子的個數(shù)或質(zhì)量為粒度分布。二顆粒床層的特性（1）床層空隙率ε固定床層中顆粒堆積的疏密程度可用空隙率來表示，其定義如下：ε的大小反映了床層顆粒的緊密程度，ε對流體流動的阻力有極大的影響。第六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四(2)床層比表面

顆粒比表面取的床層考慮，， 所以*此式是近似的，在忽略床層中固顆粒相互接觸而彼此覆蓋使裸露的顆粒表面積減少時成立。

（3）床層自由截面積分率A?？障堵逝c床層自由截面積分率之間有何關(guān)系？假設床層顆粒是均勻堆積（即認為床層是各向同性的)。想象用力從床層四周往中間均勻壓緊，把顆粒都壓到中間直徑為長為L的圓柱中（圓柱內(nèi)沒有空隙）。

所以對顆粒均勻堆積的床層(各向同性床層），在數(shù)值上

第七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四三流體通過顆粒床層的壓降

流體通過復雜的通道時的阻力（壓降）難以進行理論計算，必須依靠實驗來解決問題?，F(xiàn)在介紹一種實驗規(guī)劃方法——數(shù)學模型法。

（1）床層的簡化物理模型

單位體積床層所具有的顆粒表面積和床層空隙率對流動阻力有決定性的作用。簡化模型是將床層中不規(guī)則的通道假設成長度為L當量直徑為de的一組平行細管并且規(guī)定：①細管的內(nèi)表面積等于床層顆粒的全部表面；②細管的全部流動空間等于顆粒床層的空隙體積。第八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四

（2）流體壓降的數(shù)學模型流體流過圓管的阻力損失數(shù)學描述：

體積流量所以

第九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四式中為單位床層高度的虛擬壓強差當床層不高，重力的影響可以忽略時 上式為流體通過固定床壓降的數(shù)學模型，未知的待定系數(shù) 稱為模型參數(shù)，就其物理意義而言稱為固定床的流動摩擦系數(shù)。

第十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四（3）模型的檢驗和模型參數(shù)的估值當床層雷諾數(shù) 時實驗數(shù)據(jù)符合下式 式中稱為康采尼常數(shù)，其值為5.0。的可能誤差不超過10%。合理簡化得到康采尼方程

從康采尼方程或歐根方程可看出，影響床層壓降的變量有三類：

①操作變量

②流體物性 和

③床層特性和

在上述因素中，影響最大的是空隙率第十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四3.3沉降分離引言：流體對固體顆粒的繞流情況

流體與固體顆粒之間的相對運動可分為以下三種情況：①顆粒靜止，流體對其做繞流；②流體靜止，顆粒作沉降運動；③顆粒與流體都運動，但保持一定的相對運動。只要相對速度相同，上述三種情況并沒有本質(zhì)區(qū)別，本節(jié)就從剛性球形顆粒的自由沉降入手討論沉降分離。一重力沉降（在重力場中進行的沉降）（1）沉降的過程將一個表面光滑的球形顆粒置于靜止的流體中，若顆粒在重力的作用下沿重力方向作沉降運動，此時顆粒受到哪些力的作用呢？

第十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四根據(jù)牛頓第二定律得：或者：因此開始瞬間最大，顆粒作加速運動。第十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四隨，,到某一數(shù)值時，上式右邊等于零，此時，顆粒將以恒定不變的速度維持下降。此稱為顆粒的沉降速度或造端速度。對小顆粒，沉降的加速段很短，加速度所經(jīng)歷的距離也很小。因此，對小顆粒沉降的加速度可以忽略，而近似認為顆粒始終以下降。由上面可知：靜止流體中顆粒的沉降分為兩個階段，起初為加速階段而后為等速階段。FD為曵力，下面回顧有關(guān)曵力的知識。第十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四（1）兩種曳力—表面曳力和形體曳力回顧第1章流體沿固體壁面流過的阻力分為兩類：表皮阻力（即表面摩擦阻力）和形體阻力（邊界層分離產(chǎn)生旋渦），繞流時顆粒受到流體的總曳力:

第十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四（1）兩種曳力—表面曳力和形體曳力FD與流體

、、相對流速有關(guān)，而且受顆粒的形狀與定向的影響，問題較為復雜。至今，只有幾何形狀簡單的少數(shù)情況才可以得到FD的理論計算式。例如，粘性流體對球體的低速繞流（也稱爬流）時FD的理論式即斯托克律（Stokes）定律為：當流速較高時，Stokes定律不成立。因此，對一般流動條件下的球形顆粒及其其他形狀的顆粒，F(xiàn)D的數(shù)值尚需通過實驗解決。

第十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四（2）曳力（阻力）系數(shù)

對球形顆粒，用因次分析并整理后可得：第十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四

球形顆粒的曲線在不同的雷諾數(shù)范圍內(nèi)可用公式表示如下：

，層流區(qū)，Sokes定律區(qū)：

，過渡區(qū)，Allen定律區(qū)：

，湍流區(qū)，Newton定律區(qū)：（2）曳力（阻力）系數(shù)第十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四（2）沉降速度對球形顆粒，當時，可得式中：

稱為阻力系數(shù)

因與有關(guān)，也與有關(guān)，將不同區(qū)域的關(guān)系式分別帶入的計算式，整理得：

，層流區(qū)（Sokes區(qū)）

，過渡區(qū)（Allen區(qū)），湍流區(qū)（Newton區(qū)）第十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四（3）其他因素對沉降速度的影響

①干擾沉降②端效應③分子運動

④非球形顆粒

第二十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四二沉降分離設備

1重力沉降設備2離心沉降設備

第二十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四1重力沉降設備（1）降塵室

氣體通過降塵室的時間：位于降塵室最高點的顆粒沉降至室底的沉降時間：，至少所以：（降塵室的設計原理）第二十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四—含塵氣體體積流量，。氣速，一般應<1，實際上為避免已沉下的塵粒重新被揚起，往往取更低。降塵室一般用于分離的粗顆粒。

—降塵室底面積，。

—顆粒的沉降速度，。應根據(jù)要分離的最小顆粒直徑?jīng)Q定。

將氣速的關(guān)系式代入得到降塵室的生產(chǎn)能力為：第二十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四

對一定物系，一定，降塵室的處理能力只取決于降塵室的底面積，而與高度無關(guān)，故降塵室應設計成扁平形狀，或在室內(nèi)設置多層水平隔板。①設計型計算

已知、、、、，計算。

②操作型計算已知、、、、，核算；

或已知、、、、，求。

1重力沉降設備第二十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四

（2）增稠器

分離懸浮液，在中心距液面下0.3～1處連續(xù)加料，清液往上走，稠液往下走，錐形底部有一緩慢旋轉(zhuǎn)的齒耙把沉渣慢慢移至下部中心，稠漿從底部出口出去。（內(nèi)部沉降分為上部自由沉降和下部干擾沉降）大的增稠器直徑可達10～100，深2.5～4（為什么？）。它一般用于大流量、低濃度懸浮液的處理，常見的污水處理就是一例。1重力沉降設備第二十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四（3）分級器

利用不同粒徑或不同密度的顆粒在流體中的沉降速度不同這一原理來實現(xiàn)它們分離的設備稱為分級器。將沉降速度不同的兩種顆粒傾倒到向上流動的水流中，若水的速度調(diào)整到在兩者的沉降速度之間，則沉降速度較小的那部分顆粒便被漂走分出。若有密度不同的a、b兩種顆粒要分離，且兩種顆粒的直徑范圍都很大，則由于密度大而直徑小的顆粒與密度小而直徑大的顆?？赡芫哂邢嗤某两邓俣?，使兩者不能完全分離。

1重力沉降設備第二十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四

上式表明，不同直徑的顆粒因為密度不同而具有相同的沉降速度，該式代表了具有相同沉降速度的兩種顆粒的直徑比。1重力沉降設備第二十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四2離心沉降設備

對于兩相密度差較小，顆粒粒度較細的非均相物系，可利用顆粒作圓周運動時的離心力以加快沉降過程。定義同一顆粒所受的離心力與重力之比為離心分離因數(shù)

式中為流體和顆粒的切線速度，；為旋轉(zhuǎn)半徑，；為旋轉(zhuǎn)角速度，。

數(shù)值的大小是反映離心分離設備性能的重要指標。若，則說明同一顆粒在離心力場中受到的離心力是在重力場中受到的重力的1000倍，當然大大加快沉降分離過程。第二十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四旋風分離器是利用離心沉降原理從氣流中分離出顆粒的設備。如圖所示，上部為圓筒形、下部為圓錐形；含塵氣體從圓筒上側(cè)的矩形進氣管以切線方向進入，藉此來獲得器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動。氣體在器內(nèi)按螺旋形路線向器底旋轉(zhuǎn)，到達底部后折而向上，成為內(nèi)層的上旋的氣流，稱為氣芯，然后從頂部的中央排氣管排出。氣體中所夾帶的塵粒在隨氣流旋轉(zhuǎn)的過程中，由于密度較大，受離心力的作用逐漸沉降到器壁，碰到器壁后落下，滑向出灰口。旋風分離器的構(gòu)造簡單，沒有運動部件（設備不動，離心力是由切線進入的氣流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動造成的），操作不受溫度、壓強的限制。一般其分離因數(shù)，可分離氣體中直徑的粒子。用降塵室分離（經(jīng)濟），可用袋式除塵器，用靜電除塵器。

2離心沉降設備

第二十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四2離心沉降設備第三十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四旋風分離器各部分的尺寸都有一定的比例，只要規(guī)定出其中一個主要尺寸，如圓筒直徑D或進氣口寬度B，則其它各部分的尺寸亦確定。評價旋風分離器性能指標，我們的教材上介紹兩個：

1）旋風分離器的分離效率

①總效率

式中、分別為進出旋風分離器氣體顆粒的質(zhì)量濃度，。

總效率并不能準確地代表旋風分離器的分離性能。因為氣體中顆粒大小不等，各種顆粒被除下的比例也不相同。顆粒的尺寸越小，所受的離心力越小，沉降速度也越小，所以能被除下的比例也越小。因此，總效率相同的兩臺旋風分離器其分離性能卻可能相差很大，這是因為被分離的顆粒具有不同粒度分布的緣故。2離心沉降設備

第三十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期四②粒級效率式中、分別為進出旋風分離器氣體中粒徑為的顆粒的質(zhì)量濃度，。

總效率與粒級效率的關(guān)系為：

式中為進口氣體中粒徑為顆粒的質(zhì)量分率。