第三章非均相物系的分离 第一节概述 化工生产中常遇到的混合物可分为两大类 第一类是均相物系—如混合气体、溶液, 特征:物系内各处性质相同,无分界面。须用吸收、蒸馏等方法分离。 第二类是非均相体系一 1.液态非均相物系 固体颗粒与液体构成的悬浮液; 不互溶液体构成的乳浊液 2.气态非均相物系 固体颗粒(或液体雾滴)与气体构成的含尘气体(或含雾气体); 气泡与液体所组成的泡沫液等 特征:物系内有相间的界面,界面两侧的物性截然不同。 (1)分散相:往往是液滴、雾滴、气泡,固体颗粒,μm (2)连续相:连续相若为气体,则为气相非均相物系。 连续相若为液体,则为液相非均相物系。 二、非均相物系分离的目的 1)净制参与工艺过程的原料气或原料液。 2)回收母液中的固体成品或半成品。 3)分离生产中的废气和废液中所含的有害物质。 4)回收烟道气中的固体然料及回收反应气中的固体触媒等 总之:以满足工艺要求,提高产品质量,改善劳动条件,保护环境,节约能源
第三章 非均相物系的分离 第一节 概 述 一、 化工生产中常遇到的混合物可分为两大类： 第一类是均相物系—如混合气体、溶液， 特征：物系内各处性质相同，无分界面。须用吸收、蒸馏等方法分离。 第二类是非均相体系— 1．液态非均相物系 固体颗粒与液体构成的悬浮液； 不互溶液体构成的乳浊液； 2．气态非均相物系 固体颗粒（或液体雾滴）与气体构成的含尘气体（或含雾气体）； 气泡与液体所组成的泡沫液等。 特征：物系内有相间的界面，界面两侧的物性截然不同。 （1）分散相：往往是液滴、雾滴、气泡，固体颗粒，µm。 （2）连续相：连续相若为气体，则为气相非均相物系。 连续相若为液体，则为液相非均相物系。 二、 非均相物系分离的目的： 1）净制参与工艺过程的原料气或原料液。 2）回收母液中的固体成品或半成品。 3）分离生产中的废气和废液中所含的有害物质。 4）回收烟道气中的固体燃料及回收反应气中的固体触媒等。 总之：以满足工艺要求，提高产品质量，改善劳动条件，保护环境，节约能源
及提高经济效益。 常用分离方法 1)重力沉降:微粒借本身的重力在介质中沉降而获得分离 2)离心分离:利用微粒所受离心力的作用将其从介质中分离。亦称离心沉降。 此法适用于较细的微粒悬浮体系 3)过滤:使悬浮体系通过过滤介质,将微粒截留在过滤介质上而获得分离。 4)湿法净制:使气相中含有的微粒与水充分接触而将微粒除去。 5)电除尘:使悬浮在气相中的微粒在高压电场内沉降 本章主要讨论:利用机械方法分离非均相物系,按其涉及的流动方式不同,可 大致分为沉降和过滤两种操作方式 三、颗粒和流体相对运动时所受到的阻力 流体以定的速度绕过静止颗粒时} 或者固体颗粒在静止流体中移动时流体对颗粒的作用力—ye力F 式中,A颗粒在运动方向上的投影,mln2 u相对运动速度 2阻力系数,=中(Re)=d( pup/u) 层流区:Re<2, 2=2/Re Stokes区 过渡区:Re=2-500,5=10√Re—Alen区 湍流区:Re=500-2×105,590.44 Newton区
及提高经济效益。 常用分离方法： 1）重力沉降：微粒借本身的重力在介质中沉降而获得分离。 2）离心分离：利用微粒所受离心力的作用将其从介质中分离。亦称离心沉降。 此法适用于较细的微粒悬浮体系。 3）过滤：使悬浮体系通过过滤介质，将微粒截留在过滤介质上而获得分离。 4）湿法净制：使气相中含有的微粒与水充分接触而将微粒除去。 5）电除尘：使悬浮在气相中的微粒在高压电场内沉降。 本章主要讨论：利用机械方法分离非均相物系，按其涉及的流动方式不同，可 大致分为沉降和过滤两种操作方式。 三、 颗粒和流体相对运动时所受到的阻力 流体以一定的速度绕过静止颗粒时 或者固体颗粒在静止流体中移动时 流体对颗粒的作用力——ye 力 Fd 2 2 u Fd A = [N] 式中，A—颗粒在运动方向上的投影，dp 2 u—相对运动速度 —阻力系数， =（Re）=（dpu/） 层流区：Re2， =24/Re ──Stokes 区 过渡区：Re=2—500， = 10 Re ──Allen 区 湍流区：Re=500--2105， ≌0.44 ──Newton 区
第二节重力沉降 一、球形颗粒的自由沉降 自由沉降—对于单一颗粒在流体中的沉降或者颗粒群充分地分散、颗粒间互 不影响,不致引起相互碰撞的沉降过程。 1.加速阶段 阻力 沉降开始时,颗粒初速度为零, 浮力 颗粒受重力和浮力的作用,合力不为零, 产生加速度 2.匀速阶段— 随着速度加快,阻力增加,当合力为零 ps) p 颗粒将发生匀速运动是沉降速度l 重力 重力:F2=adlg 浮力:F=-dpg 阻力:F=xd2m 由牛顿第二定理F=ma Fg-Fb-Fd=mdu/dt 整理后得 Pp-p 4d,p 在dwlt=0,u=l 4d. (p-p)g Φ(Re),将不同的带入t,可得各种流动状态下的l的计算式
第二节 重力沉降 一、球形颗粒的自由沉降 自由沉降──对于单一颗粒在流体中的沉降或者颗粒群充分地分散、颗粒间互 不影响，不致引起相互碰撞的沉降过程。 1．加速阶段—— 沉降开始时，颗粒初速度为零， 颗粒受重力和浮力的作用，合力不为零， 产生加速度。 2．匀速阶段—— 随着速度加快，阻力增加，当合力为零时， 颗粒将发生匀速运动─是沉降速度 ut. 重力： Fg d p p g 3 6 = 浮力： Fb d p g 3 6 = 阻力： 4 2 2 2 u Fd d p = 由牛顿第二定理 F=ma Fg-Fb-Fd=mdu/dt 整理后得： 2 4 3 ( ) u d g dt du p p p p − − = 在 du/dt=0，u=ut 3 ' 4d ( )g u p p t − = =（Re），将不同的带入 ut，可得各种流动状态下的 ut 的计算式： ρs›ρ 重力 阻力 浮力
层流区 d(p,-p)g stokes公式 18 过渡区:Re=2-500,·l1= 4g2(on-p)2 225p 湍流区:Re=500-2×105,t1= 3g(Pp-p)d l=f(4,p,4)d,p,1 1,l4(层流区,过)区) 适合范围:光滑的球形颗粒。 举例 影响沉降速度v的因素 1)颗粒形状,当量球径,(如当量直径),偏离球形约大,阻力越大; 2〉颗粒浓度不太高<0.2%,假设自由沉降<1% 3)壁面效应 4〉分子运动,d<2-3um 5)液滴和气泡的变形 6)其它,如颗粒不均匀。 二、沉降器设计计算——气体降尘设备 用于分离大颗粒尘 L
层流区：Re2， 18 ( ) 2 d g u p p t − = ──Stokes 公式 过渡区：Re=2—500， ∙ p p t d g u 3 1 2 2 225 4 ( ) − = 湍流区：Re=500--2105， p p t g d u 3 ( − ) = ut=f（dp，p，）， dp，p↑，ut↑ ↑，ut↓（层流区，过渡区） 适合范围：光滑的球形颗粒。 举例： 影响沉降速度 ut 的因素： 1〉颗粒形状，当量球径，（如当量直径），偏离球形约大，阻力越大； 2〉颗粒浓度不太高<0.2%，假设自由沉降<1%. 3〉壁面效应 4〉分子运动，d<2~3µm 5〉液滴和气泡的变形 6〉其它，如颗粒p 不均匀。 二、沉降器设计计算——气体降尘设备 用于分离大颗粒尘 L H W ut Vs u
在降尘室中,颗粒停留时间=L 沉降时问=H 分离条件—L≥Hw 由于尘粒中,颗粒粒径不相同,故定义一种粒子。其停留时间沉降时间,即 可以100%除去的最小粒径—临界粒径dpe 与临界粒径d相对应的临界沉降速度,_V,(又称表面负荷) L 18 当尘粒沉降速度处于层流区时,dm=V(pn-)LW 表明:1。大于dhe的尘粒能100%除去 2.降尘室的处理能力只取决于降尘室的底面积,与高度H无关。 第三节离心沉降 依靠离心力的作用,使流体中颗粒产生沉降运动—称离心沉降。 重力使小颗粒的沉降速度小,但离心力比重力大千、万倍。 离心分离因数 悬浮液 一圆筒旋转,角速度o[rad/s]=2mN60 角速度a N—转数/min 旋转轴
在降尘室中，颗粒停留时间=L/u 沉降时间=H/ut 分离条件——L/u≥H/ut 由于尘粒中，颗粒粒径不相同，故定义一种粒子。其停留时间=沉降时间，即 可以 100%除去的最小粒径——临界粒径 dpc ∵ HW V u s = ∴ LW V u s t = 与临界粒径 dpc 相对应的临界沉降速度 LW V u s tc = （又称表面负荷 qo） 当尘粒沉降速度处于层流区时， LW V g d s p pc − = ( ) 18 表明：1。大于 dpc 的尘粒能 100%除去。 2．降尘室的处理能力只取决于降尘室的底面积，与高度 H 无关。 第三节 离心沉降 依靠离心力的作用，使流体中颗粒产生沉降运动——称离心沉降。 重力使小颗粒的沉降速度小，但离心力比重力大千、万倍。 一、离心分离因数： 一圆筒旋转，角速度 [rad/s] =2N/60 N——转数/min 悬浮液 旋转轴 角速度