西安石油大学：《化工原理》课程教学资源（电子教案）第三章 非均相混合物的分离（李彦）

第三章非均相混合物分离与流态化 3.1沉降分离原理与设备 3.2过滤分离原理与设备 3.3流态化 化工原理 第三章非均相混合物分离 1/46

化工原理 第三章 非均相混合物分离 1/46 3.1 沉降分离原理与设备 3.2 过滤分离原理与设备 3.3 流态化

化工分离对象 1)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。 液体:石油的分馏、有机混合物的精制 气体:天然气中轻烃组分的分离、合成气的净化 (2)非均相混合物: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 气-固:催化裂化中出口催化剂的分离、气流干燥的物料回收 汽一液:蒸汽中凝液的回收、气液反应过程的分离 液-固:结晶物料与母液的分离 化工原理 第三章非均相混合物分离 2/46

化工原理 第三章 非均相混合物分离 2/46 化工分离对象 (1)均相混合物: 物系内部各处物料性质均匀，而且不存在相界 物系内部各处物料性质均匀，而且不存在相界 面的混合物。 液体:石油的分馏、有机混合物的精制… 气体:天然气中轻烃组分的分离、合成气的净化… (2)非均相混合物:物系内部有隔开两相的界面，存在且界面两 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。 侧的物料性质截然不同的混合物。 气-固:催化裂化中出口催化剂的分离、气流干燥的物料回收 汽-液:蒸汽中凝液的回收、气液反应过程的分离… 液-固:结晶物料与母液的分离…

(3)分离原理: 分离原理 单元操作 分离对象 密度差异沉降、离心分离 气液、气固、液固 物理体积差异过滤、筛分、膜分离 学 液固、气液、固固 电性能差异电除尘、膜分离 气固 溶解度差异吸收、萃取、蒸发 气体、液体混合物 热力「挥发度差异蒸馏、蒸发 气体、液体混合物 学 吸附程度差 异 吸附 气体 连续相与分散相 机械分散相和连续相 沉降 分离一 不同的物理性质分离 发生相对运动的方式(过滤 化工原理 第三章非均相混合物分离 3/46

化工原理 第三章 非均相混合物分离 3/46 分离原理 单元操作 分离对象 物理 学 密度差异 沉降、离心分离 气液、气固、液固 体积差异 过滤、筛分、膜分离 液固、气液、固固 电性能差异 电除尘、膜分离 气固 热力 学 溶解度差异 吸收、萃取、蒸发 气体、液体混合物 挥发度差异 蒸馏、蒸发 气体、液体混合物 吸附程度差 异 吸附 气体 （3）分离原理： 分离 机械分离 沉降 不同的物理性质 不同的物理性质 过滤 连续相与分散相 连续相与分散相 发生相对运动的方式 发生相对运动的方式 分散相和连续相 分散相和连续相

(4)非均相混合物分离的目的 收集分散物质。从气流干燥器中回收有用的固体 净化分散介质。催化反应结束后,过滤催化剂 ·环境保护与安全生产。 化工原理 第三章非均相混合物分离 4/46

化工原理 第三章 非均相混合物分离 4/46 （4）非均相混合物分离的目的 ）非均相混合物分离的目的 • 收集分散物质。从气流干燥器中回收有用的固体 • 净化分散介质。催化反应结束后，过滤催化剂 • 环境保护与安全生产

31沉降分离原理与设备 311沉降分离原理 .颗粒的特性 1.球形颗粒 体积: 表面积:S=ml2 比表面积(单位体积颗粒具有的表面积): s 6 a-一颗粒的比表面积,m2/m3。 化工原理 第三章非均相混合物分离 5/46

化工原理 第三章 非均相混合物分离 5/46 3.1 沉降分离原理与设备 沉降分离原理与设备 3.1.1 沉降分离原理 一．颗粒的特性 一．颗粒的特性 1．球形颗粒 体积： 表面积： 比表面积（单位体积颗粒具有的表面积）： 比表面积（单位体积颗粒具有的表面积）： a――颗粒的比表面积， 颗粒的比表面积，m2/m3。 6 3 d V π= 2 = πdS dV S a 6 ==

2.非球形颗粒 (1)球形度中s 颗粒的球形度又称形状系数,它表示颗粒形状与球形的差异, 定义为与该颗粒体积相等的球体的表面积除以颗粒的表面积, 即 S 对非球形颗粒,总有φs<1, P 对球形颗粒,φs=1 (2)颗粒的当量直径 用当量直径表示非球形颗粒的大小。 ①等体积当量直径与该颗粒体积相等的球体的直径,即 P 等比表面积当量直径即与非球形颗粒比表面积相等的球 形颗粒的直径。 化工原理 第三章非均相混合物分离 6/46

化工原理 第三章 非均相混合物分离 6/46 2. 非球形颗粒 (1) 球形度φS 颗粒的球形度又称形状系数，它表示颗粒形状与球形的差异， 颗粒的球形度又称形状系数，它表示颗粒形状与球形的差异， 定义为与该颗粒体积相等的球体的表面积除以颗粒的表面积 与该颗粒体积相等的球体的表面积除以颗粒的表面积， 即 对非球形颗粒，总有 对非球形颗粒，总有φS﹤1， p 对球形颗粒，φS＝1。 s S S φ = (2) 颗粒的当量直径 颗粒的当量直径 用当量直径表示非球形颗粒的 用当量直径表示非球形颗粒的大小。 ① 等体积当量直径 等体积当量直径 与该颗粒体积相等的球体的直径，即 与该颗粒体积相等的球体的直径，即 ② 等比表面积当量直径 等比表面积当量直径 即与非球形颗粒比表面积相等的球 即与非球形颗粒比表面积相等的球 形颗粒的直径。 形颗粒的直径。 3 6 e Vd p π = a da 6 =

用上述的形状系数及体积当量直径便可表述非球形颗粒的特 性,即 P 6 Vn中d 颗粒的等体积当量直径和等比表面积当量直径之间的关系: 化工原理 第三章非均相混合物分离 7/46

化工原理 第三章 非均相混合物分离 7/46 用上述的形状系数及体积当量直径便可表 用上述的形状系数及体积当量直径便可表述非球形颗粒的特 述非球形颗粒的特 性，即 s e p d S φ π 2 = 3 6 p dV e π= esp p dV S a φ 6 == 颗粒的等体积当量直径和等比表面积当量直径之间的关系： 颗粒的等体积当量直径和等比表面积当量直径之间的关系： da=φsde a da 6 =

二、球形颗粒的自由沉降 沉降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。浮力Fn 重力 重力沉降 曳力F 场力1惯性离心力离心沉降 2 合力 g b d=na 重力F 元 丌:3 d'pg-5 丌x2mM_ psg 26 d0颗粒在流体中沉降时受力 加速沉降阶段:颗粒开始沉降的瞬间,速度=0,因此阻力F=0 maX↓ 随沉降的进行uf→F1a↓ 等速沉降阶段:u→u时,a=0,匀速沉降阶段。4沉降速度 ou d°psg g 0 4g(P。-P 2 3p5

化工原理 第三章 非均相混合物分离 8/46 0 6 6 24 2 3 3 2 −− = u s dgdgd ρπξρ π ρ π 3 )(4 ρξ− ρρ = s t dg u 沉降在某种力场中利用分散相和连续相之间的 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。 之发生相对运动而实现分离的操作过程。 浮力 Fb 曳力 Fd 重力 Fg 颗粒在流体中沉降时受力 = ρgV A ut D 2 2 ρ = ζ 场力 重力 惯性离心力 重力 沉降 离心沉降 = ρ s gV 合力 = − − dbg = maFFF θ ρ πρπξρ π ρ π ddu d u s dgdgd s 3 2 3 3 2 66 624 −− = 二、球形颗粒的自由沉降 二、球形颗粒的自由沉降 加速沉降阶段： 加速沉降阶段：颗粒开始沉降的瞬间，速度 颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力Fd=0 ，amax , 随沉降的进行u ↑ →Fd↑ a↓； 等速沉降阶段 : u →ut时，a=0 ,匀速沉降阶段。 匀速沉降阶段。 ut ：沉降速度

阻力系数ξ和沉降速度 对于光滑球,有:FD=f(d,u,P,) 通过因次分析法得知,5=f(Re,中s) 湍流区或牛顿定 10000 过渡区或艾伦定律 1000 区Aem 滞流区或斯 =0.1251 克斯( Stokes定 0.220 6律区 0.6001 0.806 1.000 0.1 103 10 10 124610 10 10 10 10 10 24 p,=1 5 Ret 18.5 2=0.44 Re.6

化工原理 第三章 非均相混合物分离 9/46 三、阻力系数ξ和沉降速度 对于光滑球，有：FD= f ( dp, u, ρ, μ ) 通过因次分析法得知， 通过因次分析法得知， ξ= f ( Ret，φS ) Ret 24 ξ = 湍流区或牛顿定 律区（Newton） ξ = .440 滞流区或斯托 克斯(stokes) (stokes)定 律区 过渡区或艾伦定律 区（Allen） = 1 φ s 60 518 . Ret . ξ =

a)滞流区或斯托克斯(soke定律区(104<Re1)"Nw 4g(p, 24 d(e,-plg Re 18 斯托克斯公式 b)过渡区或艾伦定律区(Alen)(1<Re103) 18.5 Ret 0.6 l4=0.27,/8d(,-O)Reo 艾伦公式 c)湍流区或牛顿定律区( Newton)(103<Re1<2×105) =0.44 1.74 ps-p1g 牛顿公式 化工原理 第三章非均相混合物分离 10/46

化工原理 第三章 非均相混合物分离 10/46 60 518 . Ret . ξ = ——艾伦公式 c) 湍流区或牛顿定律区（ 湍流区或牛顿定律区（Newton）（103＜Ret ＜ 2×105） ξ = .440 ——牛顿公式 b) 过渡区或艾伦定律区（ 过渡区或艾伦定律区（Allen）（1＜Ret<103） a) 滞流区或斯托克斯 滞流区或斯托克斯(stokes) (stokes)定律区（10 –4＜Ret<1） ——斯托克斯公式 ( ) μ ρρ 18 2 d g u s t − = Ret 24 ξ = ρξ ρρ 3 4 )(dg u s t − = ( ) ρ ρρ 6.0 Re 27.0 s t t gd u − = ( ) ρ ρρ gd u s t − = 74.1