化工原理教案――第三章沉降与过滤第页共NUMPAGES19页第三章颗粒流体力学基础与机械分离教学内容（8学时）：1.流体与单个固体颗粒的相对运动、沉降速度，2.重力沉降、离心沉降原理与设备，3.过滤、过滤速率及其在恒压条件下的应用基本要求：1.理解：流体与单个固体颗粒的相对运动，2.掌握：重力沉降室的沉降条件及生产能力；旋风除尘器分离能力的估算，3.理解：过滤基本原理，过滤速率、过滤推动力的意义，掌握：恒压过滤的计算，了解过滤设备3-1概述化工生产中，需要将混合物分离的情况很多。如：原料的分离与纯化；产品的分离与纯化；生产中的废气、废液等在排放前都应将其中所含有的有害物质尽量除去。大致来说，混合物可分为两大类：均相为互溶物系。非均相为不互溶物系。其中，非均相混合物包括由非均相物系分离法一般用机械分离法，使分散相与连续相发生相对运动，从而分离。均相物系分离法将在传热和传质有关章节中讲。重力沉降及离心沉降可用于分离气态及液态非均相；过滤多用于液态非均相，包括加压，减压，常压及离心过滤。3-2筛分1、固体颗粒的大小颗粒最基本的特性是其形状和大小(粒度)，形状均匀的为球形。颗粒的大小可按其直径的大小来表示，粗的可用mm表示，细的可用标准筛的筛孔号数来表示，再细的则以μm来度量。测量颗粒大小的最简易的方法是用筛。标准筛为包括一系列具有不同大小孔眼的筛，若一种颗粒能通过某一号筛而截留于相邻的另一号孔眼较小的筛上，则此颗粒的直径一般认为等于此两号筛孔的宽度的平均值。2、标准筛与筛析当前常用的标准筛泰勒制、日本制、德国制等，其中泰勒制标准筛最为常用，各种标准筛的筛网均用金属丝制成，孔为正方形，筛孔大小都经过严密检验。现以泰勒制标准筛为例来说明。此筛的筛号为筛网上每英寸的孔数，我国称为“目”数，它既规定了某号筛筛网上每英寸的孔数，还规定了网线的直径，如100号（目）筛上每英寸筛网有100孔，网线的直径规定为0.0042英寸，所以筛孔的宽度为（1/100-0.0042）＝0.0058英寸＝0.147mm。泰勒制标准筛还规定相邻两号筛的孔面积之比为2，即孔边长之比为。3、混合颗粒大小的分布实际的混合颗粒，其大小分布范围很广。采用标准筛上大下小让颗粒通过，通过测量截留于每号筛上的颗粒质量，即可获得其大小分布规律。截留于某号筛上的颗粒质量Gi为“筛余量”，通过的为“筛过量”。显然，某号筛的筛过量应为以下各层筛及底盘的筛余量之和。由此即可得到该颗粒粒径的分布状况，可用表格表示（如教材p93表3-1），还可用曲线来表示，用曲线表示更直观（如教材94的图3-2）。其中分布曲线包括频率分布曲线和累计分布曲线。频率分布曲线：标绘某一粒度范围的颗粒质量分率与其平均直径间的关系。累计分布曲线：标绘等于及小于某一直径的颗粒所占的质量分率。4、颗粒的平均直径①长度平均直径：dLm＝＝（3-1）若颗粒的直径通过筛析测定，则颗粒的质量分率ai与样品中直径di的颗粒总数ni、颗粒密度ρs三者之积成正比，即：ai＝knidi3ρs，化简得：ni＝ai/kdi3ρs（3-2）将ni代入上式得：dLm＝（3-3）②表面积平均直径：＝，则dAm＝（3-4）将式(3-2)代入上式得：dAm＝（3-5）③体积平均直径：＝，则dvm＝（3-6）将式(3-2)代入上式得：dvm＝（3-7）④体积表面积平均直径：＝，则dvAm＝（3-8）将式(3-2)代入上式得：dvAm＝（3-9）5、非球形颗粒对非球形颗粒，按前面的讨论，需用当量直径来表示其大小，最常用的是以体积为基准的当量直径，即与非球形颗粒体积相等的圆球的直径，称为体积当量直径de,v。颗粒的形状也要用一个因数来反应，最常用的形状因数是球形度ψ，定义如下：ψ＝（3-10）6、筛根据固体颗粒大小用筛进行分离的单元操作称为筛分。工业生产和科研中常用的都是标准筛，只是工业生产用的规模要大些，但原理相同。3-3重力沉降定义：是利用重力作用及分散相和连续相密度不同，使二者发生相对运动而将二者分离的过程。一、球形颗粒的自由沉降1、沉降速度（也叫沉降终速）单个球形颗粒在重力沉降过程中受三个力作用：重力，浮力和阻力，当其加速度a=0时，颗粒作匀速沉降运动，此时颗粒（分散相）相对于连续相的运动速度叫沉降速度或终端速度。此时：重力－浮力=阻力（a＝0时，F＝ma＝0）公式推导：球形颗粒直径dp，密度ρS，连续相密度ρ，阻力系数ξ，沉降速度ut则重力=浮力=（由连续相引起）颗粒在静止流体中以一定的速度运动和流体以一定的速度流过静止颗粒，都是流体与固体之间的相对运动，其阻力性质相同。所以，颗粒沉降的阻力可以采用与第一章中流体流动阻力相类