非均相物系的分离-第一次课(颗粒及颗粒床层特性)

第三章

非均相物系的分离

重点：过滤和沉降的基本理论、基本方程 重点：过滤和沉降的基本理论、 难点：过滤基本方程的应用、 难点：过滤基本方程的应用、过滤设备

一、概 述自然界的混合物分为两大类： 自然界的混合物分为两大类：

均相物系(honogeneous

system): 均相混合物。物系内 均相混合物。

部各处均匀且无相界面。如溶液和混合气体都是均相物系。 部各处均匀且无相界面。如溶液和混合气体都是均相物系。

非均相物系(non-honogeneous

system): 非均相混合物。 非均相混合物。

物系内部有隔开不同相的界面存在， 物系内部有隔开不同相的界面存在，且界面两侧的物料性质有 显著差异。 悬浮液、乳浊液、泡沫液属于液态非均相物系， 显著差异。如：悬浮液、乳浊液、泡沫液属于液态非均相物系， 含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。 含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。

分散相： 分散物质。在非均相物系中， 分散相： 分散物质。在非均相物系中，处于分散 状态的物质。 状态的物质。 连续相： 分散介质。包围着分散物质而处于连续 连续相： 分散介质。 状态的流体。 状态的流体。 分离的目的1、对原料或产品进行分离与提纯 原料或产品进行分离与提纯 2、回收与获取有用物质，提高产品产率 回收与获取有用物质 有用物质， 3、去除有害物质，实现环保目的 去除有害物质 有害物质，

非均相物系的分离原理： 非均相物系的分离原理：根据两相物理性质(如密度等)的不同而进行的分离。 根据两相物理性质(如密度等)的不同而进行的分离。

非均相物系的分离方法： 非均相物系的分离方法：

由于非均相物的两相间的密度等物理特性差异较大， 由于非均相物的两相间的密度等物理特性差异较大，因此 常采用机械方法进行分离。按两相运动方式的不同， 机械方法进行分离 常采用机械方法进行分离。按两相运动方式的不同，机械分离 大致分为沉降和过滤两种操作。 大致分为沉降和过滤两种操作。 沉降 两种操作

二、颗粒与颗粒群特性1. 单颗粒的特性 (1)球形颗粒直径d 直径dp 比表面积 as –单位体积固体颗粒所具有的表面积2 πd p S 6 as = = = π 3 V dp d

6

p

(2)非球形颗粒a 当量直径de 当量直径de 以正方体为例，设边长为h 以正方体为例，设边长为 等体积当量直径 等表面积当量直径 等比表面积当量直径 则正方体等表面积当量直径 为

S = 6h = πd2

2 e ,S

d e,S = h

6

π

b 颗粒形状系数(球形度) 颗粒形状系数(球形度)

S = Sp S 与非球形颗粒等体积的 球形颗粒表面积 S p 非球形颗粒表面积

2. 颗粒群特性 (1)粒度分布 泰勒标准筛不同粒径范围内所含粒 目数 孔径µm 目数 孔径µm 孔径µ 孔径µ 子的个数或质量 3 4 6 8 10 14 20 35 6680 4699 3327 2362 1651 1168 833 417 48 65 100 150 200 270 400 295 208 147 104 74 53 38

(2)筛分分析用标准筛测量颗粒粒度分 布的方法称为筛分分析

(3)颗粒的平均直径常用的是平均比表面积直径(体积表面积平均直径) 常用的是平均比表面积直径(体积表面积平均直径)

1 dV , S , m

wi =Σ i =1 d p ,i

k

dV , S , m - 平均比表面积直径 wi 相邻两筛号间的颗粒质 量分率 d p ,i 筛分直径 ( 相邻两筛的筛孔平均值 )

三、颗粒的沉降定义： 定义：在某种力场的作用下，利用分散物质与分散介质的密度差异， 在某种力场的作用下，利用分散物质与分散介质的密度差异， 使之发生相对运动而分离的单元操作。 使之发生相对运动而分离的单元操作。

沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。 沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。

1. 重力沉降在重力作用下实现的沉降过程。 在重力作用下实现的沉降过程。

(1)沉降速度1.1 球形颗粒的自由沉降

settling) 单个颗粒在流体中沉降， 自由沉降(free settling): 单个颗粒在流体中沉降，或者颗粒群在流体中分散得较好而颗粒之间互不接触互不碰撞 的条件下沉降。 的条件下沉降。 自由沉降分两个阶段---加速段和 自由沉降分两个阶段---加速段和等速段 ---加速段

球形颗粒等速沉降速度公式推导球形颗粒受力分析 重力： 重力：F g = m p g = V p ρ p g =

π63

d 3ρ pg p

阻力 Fd 浮力 Fbu

浮力： 浮力：Fb = mg = V p ρ g =

π6' f

d p ρg

u F A 阻力： 阻力： d = p f A = ρ W A = ρζ 2 ρ u t2 = ζA 2ρp为颗粒密度

2 t

重力 Fg

根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为: 根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为:

du t Fg Fb Fd = ma = m dt

π6

d (ρ p ρ )g ζ3 p

π4

d

2 p

ρu 2

du t = d ρp 2 6 dt3 p

π

等速沉降有： 等速沉降有：

du t =0 dt3 p p

π即： 6

d (ρ

ρ )g ζ

π8

d ρut = 02 p

整理得式： 整理得式：

ut =

4 gd p ( ρ p ρ ) 3ζρ

球形颗粒等速沉降速度公式

(2)阻力系数ζ与沉降速度实用公式 阻力系数ζζ—Ret曲线 滞流区 10-4< Ret<2 有公式： 有公式：

24 ζ = Re t可得斯托克斯(Stokes)公式： 可得斯托克斯(Stokes)公式： 斯托克斯 公式

ut =

d (ρ p ρ ) g2 p

18µ

ut =

4 gd

p

(ρ 3 ζρ有

p

ρ)

过渡区

2< Ret<500

18.5 ζ = 0.6 Re t得艾伦(Allen)公式求沉降速度 公式求 艾伦(Allen)公式

ut = 0.269

gd p ( ρ p ρ ) Re

0.6 t

ρ

d (ρ p ρ ) = 0.781 0.4 0.

6 ρ µ 1.6 p

0.714