1、第三章 非均相物系的分离,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。,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,第一节 颗粒及颗粒床层的特性一、概述,分散相 分散物质,处于分散状态的物质 例如：分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡,连续相分散介质,包围着分散相物质且处于连续状态的流体 例如：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,沉降,过滤,不同的物理性质,连续相与分散相,发生相对运动
2、的方式,分散相和连续相,第一节 颗粒及颗粒床层的特性一、概述,1. 收集分散物质（分散相）例如：回收催化反应器出来气体中夹带的催化剂颗粒,机械分离在工业生产中的应用：,2. 净化分散介质（连续相）例如：脱除催化反应器进料气体中夹带的固体杂质 处理工厂排出的废气、废液,第一节 颗粒及颗粒床层的特性一、概述,1. 球形颗粒 体积V 表面积S 比表面积aS2. 非球形颗粒 （1）当量直径de 等体积当量直径de,V 等表面积当量直径de,S （2）球形度 （3）比表面积aS,第一节 颗粒及颗粒床层的特性二、颗粒的特性,1. 球形颗粒 体积V,第一节 颗粒及颗粒床层的特性二、颗粒的特性,表面积S,比表
3、面积aS,2. 非球形颗粒 （1）当量直径de 等体积当量直径de,V : 与颗粒体积相等的圆球直径称为该颗粒的体积当量直径，其应用较为普遍。,第一节 颗粒及颗粒床层的特性二、颗粒的特性, 等表面积当量直径de,S: 与颗粒表面积相等的圆球直径称为面积当量直径。,2. 非球形颗粒 （2）球形度: 反映颗粒形状的因数，其定义为与颗粒等体积的 一个球的表面积与颗粒的表面积之比。,第一节 颗粒及颗粒床层的特性二、颗粒的特性,（3）比表面积aS:,球形颗粒， =1，非球形颗粒而言， 1。,1. 标准筛与筛分分布 泰勒（Tyler）标准筛以200筛目(指在2.54 cm直线长度上的筛孔数)筛子作为基础，
4、其筛 孔边长为0.074 mm，网线直径为0.053 mm。筛目数为此种筛的筛号数，我国简称“目数”。,第一节 颗粒及颗粒床层的特性二、颗粒群的特性,1. 标准筛与筛分分布 泰勒（Tyler）标准筛系列,第一节 颗粒及颗粒床层的特性二、颗粒群的特性,2. 筛分结果的表示 （1）累积分布函数筛过量占样品总量的质量分数,第一节 颗粒及颗粒群的特性二、颗粒群的特性,特性： 对应某一尺寸dp,i的Fi值表示直径小于dp,i的颗粒占样品的质量分率； 该批颗粒的最大直径dp,max处，分布函数为1.0。,2. 筛分结果的表示 （2）频率函数,第一节 颗粒及颗粒床层的特性二、颗粒群的特性,dp,i,特性：
5、某一粒度范围内的颗粒占全部样品的质量分数等于该粒度范围内频率函数曲线下的面积； 频率函数曲线下的全部面积等于1.0。,3. 颗粒群的平均直径 （1）长度平均直径 （2）表面积平均直径 （3）体积平均直径 （4）比表面积平均直径颗粒群的特性与哪种几何因素有关，就选择相应的平均直径。,第一节 颗粒及颗粒床层的特性二、颗粒群的特性,3. 颗粒群的平均直径 （1）长度平均直径（dLm） 表示颗粒平均直径最简便方法是将样品中全部颗粒的直径相加，然后除以颗粒的总数。,第一节 颗粒及颗粒床层的特性二、颗粒群的特性,3. 颗粒群的平均直径 （2）表面积平均直径（dAm） 若颗粒的主要性质与其表面积直接有关，则
6、应定出一种平均直径，使具有此直径的一个颗粒的表面积，正好等于所有颗粒的表面积的平均值。这种直径称为表面积平均直径。,第一节 颗粒及颗粒床层的特性二、颗粒群的特性,3. 颗粒群的平均直径 （3）体积平均直径（dVm） 具有某一直径的一个颗粒的体积，正好等于所有颗粒的体积的平均值，该颗粒直径称为体积平均直径。,第一节 颗粒及颗粒床层的特性二、颗粒群的特性,3. 颗粒群的平均直径 （4）比表面积平均直径（dVAm） 具有某一直径的一个颗粒，其比表面(单位体积颗粒的表面积)等于所有颗粒的比表面的平均值，称该颗粒直径为比表面积平均直径，又称Sauter平均直径。,第一节 颗粒及颗粒床层的特性二、颗粒群的
7、特性,第一节 颗粒及颗粒床层的特性二、颗粒群的特性,例1：已知某种颗粒群的筛分分布如下表，试计算该颗粒群的平均直径。,1. 床层的空隙率,第一节 颗粒及颗粒床层的特性三、颗粒床层的特性,定义：单位体积床层中的空隙体积称为床层空隙率。表示床层颗 粒堆积的紧密程度。,2. 床层的平均自由截面积,第一节 颗粒及颗粒床层的特性三、颗粒床层的特性,定义：单位床层截面上未被颗粒所占据的面积称为床层自由截面积。,严格地讲，沿流动方向床层各个截面上的自由截面积并不相等，对于颗粒均匀堆积的床层，可以取平均值而视为各截面的自由截面积都相等，显然其数值与床层空隙率是相等的。,3. 床层的比表面,第一节 颗粒及颗粒床
8、层的特性三、颗粒床层的特性,定义：单位体积床层中所具有的颗粒物料表面积称为床层的比表面积， 以ab表示，m2/m3。,床层比表面积ab与空隙率及颗粒比表面积a的关系为：,1. 流体通过固定床的压降,第一节 颗粒及颗粒床层的特性四、流体通过固定床的流动,流体通过固定床的压降是很不规则的，很难纯粹从理论上对其进行计算，而要 在简化流动过程的基础上推导出公式并由实验来求出公式中的系数。可以把流体通过颗粒床层的空隙想象为流体在许多并联的细小管路中流动。,由流体在圆管中流动时其压降与流速的关系：,1. 流体通过固定床的压降,第一节 颗粒及颗粒床层的特性四、流体通过固定床的流动,对固定床层的压力降，可改写
9、成如下形式：,1. 流体通过固定床的压降,第一节 颗粒及颗粒床层的特性四、流体通过固定床的流动,为修正的摩擦系数 ：,是雷诺数的函数。,第一节 颗粒及颗粒床层的特性四、流体通过固定床的流动,2. 的求解,(1) 康采尼(Kozeny)公式,时：流体通过固定床层的流动为层流,为康采尼常数,第一节 颗粒及颗粒床层的特性四、流体通过固定床的流动,2. 的求解,(2)卡曼(Carman) 公式,在2与100之间时，等式右边第二项变得较重要 。,时，等式右边第一项变得很小，甚至可以忽略不计。,第一节 颗粒及颗粒床层的特性四、流体通过固定床的流动,2. 的求解,(3)欧根(Ergum)公式,欧根方程:,第
10、一节 颗粒及颗粒床层的特性四、流体通过固定床的流动,例3-1：某催化重整装置反应器床层直径1.54 m，催化剂颗粒 床层高2.14 m，催化剂颗粒为4 mm 3 mm(直径高 度)的圆柱体，原料油(气相)及循环氢的总体积流率为 1.04 m3/s，密度6.04 kg/m3，粘度1.58 10-5 Pa.s，床层 空隙率可取0.66，试计算该床层压力降。,欧根方程:,第一节 概述 概念：均相与非均相混合物、分散相与连续相、分散物质与分散介质第二节 颗粒及颗粒床层的特性 非球形颗粒的当量直径、球形度、比表面积 颗粒群的泰勒筛分分布（累积分布和频率分布曲线） 颗粒群的平均直径表示方法 颗粒床层的空隙
11、率、平均自由截面积、比表面 流体通过固定床的压降,上次课内容回顾,定义：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称为沉降。,重力,惯性离心力,重力沉降,离心沉降,第二节 沉降,电场力,电沉降,1. 球形颗粒的自由沉降假设：颗粒间彼此相距较远，沉降时互不干扰； 颗粒下沉而置换的流体的向上运动对颗粒的沉降影响可以忽略； 沉降设备尺寸远大于颗粒直径，故器壁和底面对颗粒沉降的端效应不计； 颗粒直径较大，不存在布朗运动。,第二节 沉降 一、重力沉降,1. 球形颗粒的自由沉降,重力Fg,阻力FD,浮力Fb,重力浮力阻力,u=0 du/dtmax,u=ut du/d
12、t=0,加速沉降,等速沉降,沉降速度（终端速度）,牛顿第二定律,第二节 沉降 一、重力沉降,2. 阻力系数,阻力系数z,ReP,j=0.125,0.220,0.600,0.806,1.000,第二节 沉降 一、重力沉降,2. 阻力系数,第二节 沉降 一、重力沉降,斯托克斯公式：,适用范围：,2. 阻力系数,第二节 沉降 一、重力沉降,2. 阻力系数,第二节 沉降 一、重力沉降,第二节 沉降 一、重力沉降,例3-2：密度为2650 kg/m3的球形催化剂颗粒在20空气中自 由沉降，计算服从斯托克斯定律的最大颗粒直径及服 从牛顿定律的最小颗粒直径。,20 时空气的性质： =1.205 kg/m3
13、=1.8110-5 Pa.s,第二节 沉降 一、重力沉降,例3-3：某油品的密度为880 kg/m3，为了估计油品的粘度，现 将一直径为1.25 mm的钢球(密度为7900 kg/m3)放入油 中，并测得钢球于6.35 s内下降25 cm，试计算此油品 的粘度。,3. 影响沉降速度的因素 颗粒的体积浓度 颗粒的体积浓度0.2%时，由于颗粒间相互作用明显，便发生干扰沉降。 器壁效应 容器的底面和壁面均增加颗粒沉降时的曳力，使颗粒的实际沉降速度比自由沉降速度低。 颗粒形状的影响,颗粒的球形度愈小，对应于同一Rep值的阻力系数愈大,对于非球形颗粒，雷诺准数Rep中的直径要用当量直径代替,第二节 沉降 一、重力沉降,非球形颗粒的自由沉降,第二节 沉降 一、重力沉降,佩蒂琼(Pettyjohn)等实验发现:,假设沉降属于层流区,Rep2,Rep2,过 渡 段,试差法,4. 沉降速度的计算 试差法 摩擦数群法,第二节 沉降 一、重力沉降,利用无因次数群K判别流型,层流区（Stokes区）,当：,K3.3,3.3K43.6,过渡区,K43.6,牛顿区,摩擦数群法,令：,第二节 沉降 一、重力沉降,
