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、基本方程难点：过滤基本方程的应用、过滤设备均相物系(honogeneoussystem):均相混合物。物系内部各处均匀且无相界面。如溶液和混合气体都是均相物系。自然界的混合物分为两大类：非均相物系(non-honogeneoussystem):非均相混合物。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。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。一、概述分散相：分散物质。在非均相物系中，处于分散状态的物质。连续相：分散介质。包围着分散物质而处于连续状态的流体。1、对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3、去除有害物质，实现环保目的分离的目的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。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，因此常采用机械方法进行分离。按两相运动方式的不同，机械分离大致分为沉降和过滤两种操作。二、颗粒与颗粒群特性直径dp比表面积as–单位体积固体颗粒所具有的表面积pppsdddVSa66321.单颗粒的特性（1）球形颗粒•等体积当量直径•等表面积当量直径•等比表面积当量直径以正方体为例，设边长为h2,26SedhS6,hdSe则正方体等表面积当量直径为（2）非球形颗粒a当量直径deb颗粒形状系数（球形度）非球形颗粒表面积球形颗粒表面积与非球形颗粒等体积的ppSSSS（2）筛分分析2.颗粒群特性目数孔径μm目数孔径μm3468101420356680469933272362165111688334174865100150200270400295208147104745338泰勒标准筛（1）粒度分布不同粒径范围内所含粒子的个数或质量用标准筛测量颗粒粒度分布的方法称为筛分分析常用的是平均比表面积直径（体积表面积平均直径））（dwddwdipimSVipikimSV相邻两筛的筛孔平均值筛分直径量分率相邻两筛号间的颗粒质平均比表面积直径,,,,1,,-1（3）颗粒的平均直径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，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。三、颗粒的沉降1.重力沉降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自由沉降（freesettling）：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。自由沉降分两个阶段---加速段和等速段球形颗粒等速沉降速度公式推导gdgVmgFppb36gdgVgmFpppppg36u重力Fg阻力Fd浮力Fb球形颗粒受力分析重力：浮力：2222'tuAAuAWApFtffd阻力：p为颗粒密度dtdummaFFFtdbg根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为:dtdududgdtppppp3223624)(6等速沉降有：0dtdut08)(623tpppudgd即：整理得式：3)(4pptgdu球形颗粒等速沉降速度公式18)(2gduppttRe24（2）阻力系数ζ与沉降速度实用公式ζ—Ret曲线滞流区10-4Ret2有公式：可得斯托克斯（Stokes)公式：过渡区2Ret500有6.0Re5.18t714.06.04.06.16.0)(781.0Re)(269.0pptpptdgdu3)(4pptgdu得艾伦（Allen)公式求沉降速度湍流区500Ret2×105有44.0)(74.1pptgdu3)(4pptgdu得牛顿（Newton)公式)(74.1pptgdu18)(2gduppt湍流区滞流区过渡区714.06.04.06.1)(781.0pptdu不同流动形态下，球形颗粒等速沉降速度公式①假设流体流动类型；②计算沉降速度；③计算Re，验证与假设是否相符；④如果不相符，则转①。如果相符，OK!求沉降速度通常采用试差法。（3）沉降速度的计算例：计算直径为95m，密度为3000kg/m3的固体颗粒分别在20℃的空气和水中的自由沉降速度。smugdtpp/10797.9310005.11881.9)2.9983000()1098(18)(362计算Re，核算流型：19244.0Re33610005.12.99810797.91095udp假设正确，计算有效。解：在20℃的水中：20℃水的密度为998.2kg/m3，粘度为1.005×10-3Pas先设为层流区。18)(2ppgdtu1)颗粒直径dp:应用：均质乳化，dp↓→ut↓↓，使饮料不易分层。加絮凝剂，如水中加明矾。2)连续相的粘度：应用：增稠：浓饮料中添加增稠剂，使↑→ut↓，不易分层。加热：（4）影响沉降速度的因素(以层流区为例)3)颗粒的球形度形状非球形颗粒的形状可用球形度s来描述。球形度s越小，阻力系数越大。4)壁面效应(walleffect)：当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，其沉降速度较自由沉降速度小，这种影响称为壁效应。