1、第第三三章章 非均相物系分离非均相物系分离第第一一节节 重力沉降重力沉降混合物 均相混合物 非均相混合物 物系内部各处物料性质均匀而且不存在相界面的混合物。例如：互溶溶液及混合气体 物系内部有隔开两相的界面存在且界面两侧的物料性质截然不同的混合物。例如固体颗粒和气体构成的含尘气体固体颗粒和液体构成的悬浮液 不互溶液体构成的乳浊液 液体颗粒和气体构成的含雾气体非均相物系 分散相 分散物质 处于分散状态的物质 如：分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡 连续相分散相介质 包围着分散相物质且处于连续状态的流体 如：气态非均相物系中的气体 液态非均相物系中的连续液体 分离机械分离 沉降 过滤 不同的物理性
2、质 连续相与分散相发生相对运动的方式 分散相和连续相 非均相混合物的分离在工业中的应用非均相混合物的分离在工业中的应用 非均相混合物的分离在工业生产中主要应用于以下几点： 1回收有用的分散相 收集粉碎机、沸腾干燥器、喷雾干燥器等设备出口气流中夹带的物料；收集蒸发设备出口气流中带出的药液雾滴；回收结晶器中晶浆中夹带的颗粒；回收催化反应器中气体夹带的催化剂，以循环应用等。 2净化连续相 除去药液中无用的混悬颗粒以便得到澄清药液；将结晶产品与母液分开；除去空气中的尘粒以便得到洁净空气；除去催化反应原料气中的杂质，以保证催化剂的活性等。 3环境保护和安全生产 近年来，工业污染对环境的危害愈来愈明显，利
3、用机械分离的方法处理工厂排出的废气、废液，使其浓度符合规定的排放标准，以保护环境；去除容易构成危险隐患的漂浮粉尘以保证安全生产。 一、重力沉降一、重力沉降 沉降是在某种力场中利用分散相和连续相之间的密度差异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。 作用力 重力 惯性离心力 重力 沉降离心沉降 1、沉降速度、沉降速度 1）球形颗粒的自由沉降）球形颗粒的自由沉降设颗粒的密度为s，直径为d，流体的密度为， 颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力Fd=0，amax 颗粒开始沉降后，u Fd ；u ut 时，a=0 。等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度ut 称为沉降速度。当a=0时，u=ut， 3)(
4、4stdgu沉降速度表达式2、阻力系数、阻力系数 对于球形颗粒的曲线，按Ret值大致分为三个区： a) 滞流区或托斯克斯定律区（滞流区或托斯克斯定律区（10 4Ret1） 182stdu斯托克斯公式6 . 0Re269. 0tgdust艾伦公式 c) 滞流区或牛顿定律区滞流区或牛顿定律区（103Ret 2105） gdust74. 1牛顿公式 b) 过渡区或艾伦定律区过渡区或艾伦定律区（1Ret103） 3、影响沉降速度的因素、影响沉降速度的因素 1）颗粒的体积浓度）颗粒的体积浓度 颗粒浓度较高时，由于颗粒间相互作用明显，便发生干扰沉降，自由沉降的公式不再适用。2）器壁效应）器壁效应 当器壁尺
5、寸远远大于颗粒尺寸时，（例如在100倍以上）容器效应可忽略，否则需加以考虑。 3）颗粒形状的影响）颗粒形状的影响 对于球形颗粒，颗粒形状与球形的差异愈大，球形度s值愈低。对于非球形颗粒，雷诺准数Ret中的直径要用当量直径de代替 。peVd3636PeVd颗粒的球形度愈小，对应于同一Ret值的阻力系数愈大但s值对的影响在滞流区并不显著，随着Ret的增大，这种影响变大。4、沉降速度的计算、沉降速度的计算 假设沉降属于层流区 方法：182stduut dutReRet Ret1 ut为所求Ret1 艾伦公式求ut判断公式适用为止例：例：试计算直径为95m，密度为3000kg/m3的固体颗粒分别在2
6、0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 ，182gdust 附录查得，20时水的密度为998.2kg/m3,=1.00510-3Pa.s32610005. 11881. 92 .99830001095tusm/10797. 93核算流型 ttduRe33610005. 12 .99810797. 910959244. 01原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。二、降尘室二、降尘室1、降尘室的结构、降尘室的结构 2、降尘室的生产能力、降尘室的生产能力 降尘室的生产能力是指降尘室所处理的含尘气体的体积流量，用Vs表示，m3/s。降尘室内的颗粒
7、运动 以速度u随气体流动 以速度ut作沉降运动颗粒在降尘室的停留时间 ul颗粒沉降到室底所需的时间 ttuHt为了满足除尘要求 tuHul降尘室使颗粒沉降的条件降尘室使颗粒沉降的条件HbVusssVlHbHbVltsuHVlHbtsbluV 降尘室的生产能力降尘室的生产能力 降尘室的生产能力只与降尘室的沉降面积bl和颗粒的沉降速度ut有关，而与降尘室的高度无关。 3、降尘室的计算、降尘室的计算 降尘室的计算 设计型操作型已知气体处理量和除尘要求，求降尘室的大小 用已知尺寸的降尘室处理一定量含尘气体时，计算可以完全除掉的最小颗粒的尺寸，或者计算要求完全除去直径dp的尘粒时所能处理的气体流量。 例
8、：例：拟采用降尘室除去常压炉气中的球形尘粒。降尘室的宽和长分别为2m和6m,气体处理量为1标m3/s，炉气温度为427，相应的密度=0.5kg/m3，粘度=3.410-5Pa.s，固体密度S=400kg/m3操作条件下，规定气体速度不大于0.5m/s，试求：1降尘室的总高度H，m；2理论上能完全分离下来的最小颗粒尺寸；3. 粒径为40m的颗粒的回收百分率；4. 欲使粒径为10m的颗粒完全分离下来，需在降降尘室内设置几层水平隔板？解：解：1）降尘室的总高度HsmtVVS/564. 2273427273127327330buVHS5 . 02564. 2m564. 22）理论上能完全出去的最小颗粒
9、尺寸 blVustsm/214. 062564. 2用试差法由ut求dmin。假设沉降在斯托克斯区 gudst18min807. 95 . 04000214. 0104 . 3185m51078. 51182. 01014. 35 . 0214. 01078. 5Re55ttdu原假设正确 3、粒径为40m的颗粒的回收百分率粒径为40m的颗粒定在滞流区 ，其沉降速度 smgdust/103. 0104 . 318807. 95 . 040001040185262气体通过降沉室的时间为： suHt12214. 0564. 2直径为40m的颗粒在12s内的沉降高度为： muHt234. 11210
10、3. 0 假设颗粒在降尘室入口处的炉气中是均匀分布的，则颗粒在降尘室内的沉降高度与降尘室高度之比约等于该尺寸颗粒被分离下来的百分率。直径为40m的颗粒被回收的百分率为： %13.48%100564. 2234. 1HH4、水平隔板层数 由规定需要完全除去的最小粒径求沉降速度， 再由生产能力和底面积求得多层降尘室的水平隔板层数。 粒径为10m的颗粒的沉降必在滞流区， smgdust/1041. 6104 . 318807. 95 . 0400010118362521tSbluVn1104 . 662564. 233 .32取33层 板间距为 1nHhm0754. 0133564. 2 三、重力沉
11、降设备及其生产能力三、重力沉降设备及其生产能力 1 1、降尘室、降尘室 是利用重力沉降的作用从含尘气体中除去固体颗粒的设备称为降尘室，其结构如4-9所示。含尘气体进入降尘室后，流通截面积扩大，速度降低，使气体在降尘室内有一定的停留时间。若在这个时间内颗粒沉到了室底，则颗粒就能从气体中除去。要保证尘粒从气体中分离出来，则颗粒沉降至底部所用时间必须小于等于气体通过沉降室的时间。图4-9降尘室 图4-10多层隔板降尘室图4-11 连续沉降器 2 2、沉降槽、沉降槽 处理悬浮液的重力沉降设备，称为沉降器或增浓器。沉降槽可分间歇式、半连续式和连续式三种。 在化工生产中常用连续操作的沉降槽如图4-11所示
12、，它是一个带锥形底的圆池，悬浮液由位于中央的进料口加至液面以下，经一水平挡板折流后沿径向扩展，随着颗粒的沉降，液体缓慢向上流动，经溢流堰流出得到清液，颗粒则下沉至底部形成沉淀层，由缓慢转动的耙将沉渣移至中心，从底部出口排出。间歇沉降槽的操作过程是将装入的料浆静止足够时间后，上部清液使用虹吸管或泵抽出，下部沉渣从低口排出。 沉降槽有澄清液体和增稠悬浮液的双重作用功能，与降尘室类似，沉降槽的生产能力与高度无关，只与底面积及颗粒的沉降速度有关，故沉降槽一般均制造成大截面、低高度。大的沉降槽直径可达10100m、深2.54m。它一般用于大流量、低浓度悬浮液的处理。沉降槽处理后的沉渣中还含有大约50%的
13、液体，必要时再用过滤机等作进一步处理。 对于含有颗粒直径小于1m的液体，一般称为溶胶，由于颗粒直径小较难分离。为使小颗粒 增大，常加絮凝剂使小粒子变成大粒子。例如，河水净化加明矾KAl(SO4)2l2H2O,使水中细小污物沉降。常用的电解质，除了明矾还有三氧化铝、绿矾、三氯化铁等。一般用量为40200mg/kg。近年来，已研究出某些高分子絮凝剂。tu随堂练习 1固体粒子的沉降过程分固体粒子的沉降过程分_阶段和阶段和_阶段。沉降速阶段。沉降速度是指度是指_阶段颗粒相对于阶段颗粒相对于_的速度。的速度。 2在降尘室中除去某粒径的颗粒时，若降尘室高度增加在降尘室中除去某粒径的颗粒时，若降尘室高度增加
14、一倍，则颗粒的沉降时间一倍，则颗粒的沉降时间_，气流速度，气流速度_，生产能力，生产能力_。 3在斯托克斯区，颗粒的沉降速度与其直径的在斯托克斯区，颗粒的沉降速度与其直径的_次方次方成正比，而在牛顿区，与其直径的成正比，而在牛顿区，与其直径的-次方成正比。次方成正比。 5一球形石英粒子在空气中作滞流自由沉降。若空气温一球形石英粒子在空气中作滞流自由沉降。若空气温度由度由20提高至提高至50，则其沉降速度将，则其沉降速度将_。 6含尘气体通过长含尘气体通过长4m、宽、宽3m、高、高1m的降尘室，颗粒的的降尘室，颗粒的沉降速度为沉降速度为0.03m/s，则降尘室的最大生产能力，则降尘室的最大生产能力_m3/s。
