第二章 非均相物系分离
第一节 概述
混合物可以分为均相混合物和非均相混合物。
非均相混合物的特点是在物系内部存在两种以上的相态，如悬浮液、乳浊液、含尘气体等。其中固体颗粒、微滴称为分散相或分散物质；而气体、液体称为连续相或分散介质。
非均相物系分离的依据是连续相与分散相具有不同的物理性质，因此可以用机械的方法将两相分离。操作方式分为两种：
（1）沉降分离 颗粒相对于流体（静止或运动）运动的过程称沉降分离。 分为重力沉降、离心沉降。
（2）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过滤。
分为重力过滤、离心过滤、加压过滤和真空过滤，也可分为恒压过滤、先恒速后恒压过滤。 2-1-1 非均相分离在工业中的应用 一、回收分散相 二、净化连续相
三、环境保护和安全生产 2-1-2 颗粒与颗粒群的特性 颗粒的特性 1、球形颗粒
体积 V=
π?d3
表面积 S=πd2
比表面积 S/V=6/d
2、非球形颗粒
工业上遇到的固体颗粒大多是非球形颗粒
体积当量直径de de=36VP?SP
表面积当量直径des des =
S?
球形度（形状系数）φs＝
颗粒群的特性
SP
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由大小不同的颗粒组成的集合体称为颗粒群。 1、颗粒群粒径分布
颗粒群的粒度组成情况即粒径分布。可用筛分分析法测定各种尺寸颗粒所占的分率。 2、颗粒的平均粒径
da?1n?i?1xidi xi＝
GiG
3、颗粒的密度
颗粒的真密度：当不包括颗粒之间的空隙时，单位颗粒群体积内颗粒的质量，kg/m。 堆积密度（表观密度）：当包括颗粒之间的空隙时，单位颗粒群体积内颗粒的质量，kg/m3。 4、颗粒的粘附性和散粒性
3
第二节 颗粒沉降
2-2-1 颗粒在流体中的沉降过程
颗粒与流体在力场中作相对运动时，受到三个力的作用：质量力F、浮力Fb、、曳力Fd 。 对于一定的颗粒和流体，重力Fg、浮力Fb一定，但曳力Fd却随着颗粒运动速度而变化。当颗粒运动速度u等于某一数值后达到匀速运动，这时颗粒所受的诸力之和为零
?F球形颗粒的自由沉降
?F?Fb?Fd?0
2-2-2重力沉降及设备
颗粒在重力沉降过程中不受周围颗粒和器壁的影响，称为自由沉降。
固体颗粒在重力沉降过程中，因颗粒之间的相互影响而使颗粒不能正常沉降的过程称为干扰沉降。
球形颗粒在静止流体中沉降时，颗粒受到的作用力有重力、浮力和阻力。
当合力为零时，颗粒相对于流体的运动速度u=ut，ut称为沉降速度，又称为“终端速度”。
ut =
4gd(?s??)3??
其中?是颗粒沉降时的阻力系数。并且?是颗粒对流体作相对运动时的雷诺数Ret的函数
?=f(Ret)= f(
dut??)
?与Ret的关系可由实验测定，如图2-2所示。图中将球形颗粒（φs=1）的曲线分为三个
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区域，即
（1）滞流区 （ 10-4< Ret≤2） ?=
24Ret
（2）过渡区 （ 2< Ret <10 ） ?=
3
18.5Ret0.6 （3）湍流区 （ 103≤Ret <2×105） ?=0.44 对应各区的沉降速度 ut的计算式为： （1）滞流区 ut =
d(?s??)g18?2
(2)过渡区 ut =0.27
d(?s??)g?Ret0.6
（3）湍流区 ut ＝1.74
d(?s??)g?
在计算沉降速度 ut 时，可使用试差法，即先假设颗粒沉降所属那个区域，选择相对应的计算公式进行计算，然后再将计算结果进行Ret校核。
影响重力沉降速度的因素 （1）颗粒形状
同一性质的固体颗粒，非球形颗粒的沉降阻力比球形颗粒的大的多，因此其沉降速度较球形颗粒的要小一些。
（2）干扰沉降
当颗粒的体积浓度>0.2% 时，干扰沉降不容忽视。 （3）器壁效应
当容器较小时，容器的壁面和底面均能增加颗粒沉降时的曳力，使颗粒的实际沉降速度较自由沉降速度低。
重力沉降设备 1、降尘室
籍重力沉降从气流中除去尘粒的设备称为降尘室。 气体的停留时间为 θ＝
lu
颗粒沉降所需沉降时间为 ?t?
hut
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沉降分离满足的基本条件为 θ≥θ
t 或
lu?hut
降尘室的生产能力为 Vs?blut 多层降尘室的生产能力为 Vs?(n?1)blut 2、沉降槽
籍重力沉降从悬浮液中分离出固体颗粒的设备称为沉降槽。如用于低浓度悬浮液分离时亦称为澄清器；用于中等浓度悬浮液的浓缩时，常称为浓缩器或增稠器。
沉降槽适于处理颗粒不太小、浓度不太高，但处理量较大的悬浮液的分离。这种设备具有结构简单，可连续操作且增稠物浓度较均匀的优点，缺点是设备庞大，占地面积大、分离效率较低。
2-2-3 离心沉降及设备 离心沉降速度
与颗粒在重力场中相似，颗粒在离心力场中也受到三个力的作用，即惯性离心力、向心力和阻力。当三力平衡时，颗粒在径向上相对于流体的速度极为颗粒在此位置上的离心沉降速度ur
ur?4d(?s??)uT3??R2
重力沉降速度计算式及所对应的流动区域仍可用于离心沉降，仅需将重力加速度g改为离心加速度 uT2/R即可。
d(?s??)uT? 如颗粒沉降过程属于层流 ut =
18?R22应注意离心沉降速度ur随旋转半径R的变化而变化。 离心分离因数Kc是离心分离设备的重要性能指标
Kc?urut?uT2Rg
Kc值愈高，离心沉降效果愈好。 离心沉降设备 1、旋风分离器 构造及工作原理
主体的上部为圆柱形筒体，下部为圆锥形。
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含尘气体切向进入旋风分离器，旋转过程中，颗粒在离心力的作用下被抛向器壁，与
器壁撞击失去能量而落入锥底后，由排灰口排出。净化后的气体由顶部排气管排出。
性能指标 （1）临界粒径dc
旋风分离器能够分离出的最小颗粒直径称为临界粒径。
dc?9?BπN?sui
标准旋风分离器，可取N=5。 （2）分离效率η
总效率 ?0?C1?C2C1
粒级效率 ?i?C1i?C2iC1i
?0?（3）压降Δpf
??ixi
气体流经旋风分离器的压降是由气体流经器内时的膨胀、压缩、旋转、转向及对器壁
的摩擦而消耗的能量。
?pf??对标准旋风分离器，?＝8.0 。 2、旋液分离器
旋液分离器是分离悬浮液的离心沉降设备，其构造及工作原理与旋风分离器类似。与
后者不同的是直径小而圆锥部分长，这样的构造既可以增大离心力，又可以延长停留时间。由于液体的进口速度大，所以流动阻力也大，对器壁的磨损较严重。
?ui22
第三节 过滤
2-3-1 概述
过滤方式
深层过滤与饼层过滤 过滤介质
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