第三章 非均相物系的分离
本章学习指导
? 1本章学习目的
通过本章的学习，要重点掌握沉降和过滤这两种机械分离
操作的原理、过程计算、典型设备的结构与特性，能够根
据生产工艺要求，合理选择设备类型和尺寸。
? 2 本章应掌握的内容
a 沉降分离（包括重力沉降和离心沉降）的原理、过程计
算、旋风分离器的选型。
b 过滤操作的原理、过滤基本方程式推导的思路，恒压过
滤的计算、过滤常数的测定。
第一节 重力沉降
? 1.球形颗粒的自由沉降
? 2.阻力系数 ζ
? 3.影响沉降速度的因素
? 4.沉降速度的计算
重力沉降是利用流体中的固体颗粒受地球吸引力场的
作用而发生的沉降过程
球形颗粒的自由沉降
根据牛顿第二运动定律，颗粒所受三个力的合力
应等于颗粒的质量与加速度的乘积，即
Fg-Fb-Fd= ma
将表面光滑的刚性球形颗粒置于静止的流体介质中，若
颗粒的密度大于流体的密度，则颗粒将在流体中降落
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或
由此可得沉降速度
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阻力系数 ζ
根据阻力随颗粒雷诺数变化的规律，可分为三个区域：
滞流区或斯托克斯定律区 （ 10-4<Ret<1)
过渡区或艾仑定律区 （ 1<Ret<103）
湍流区或牛顿定律区 （ 103<Ret<2× 105）
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几种 фs值下的阻力系数 ζ 与雷诺数 Ret的关系曲线 如图 所示
将阻力系数的计算式代入, 得到不同颗粒雷诺数范围内 ut的计算式：
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湍流区
过渡区
滞流区
影响沉降速度的因素
1.颗粒的体积浓度
当颗粒的体积浓度小于 0.2%时，理论计算值的偏差在 1%以内，当
颗粒浓度较高时便发生干扰沉降
2.器壁效应
3.颗粒形状的影响
当容器尺寸远远大于颗粒尺寸时，器壁效应可忽略，否则需
加以考虑
同一种固体物质，球形或近球形颗粒比同体积非球形颗粒的沉
降快一些。
试差法
由于在计算出 ut之前 Ret的大小未知，因此要通过试差确定应
该选取的计算公式。即：先假设沉降属于某一流型，则可直
接选用与该流型相应的沉降速度公式计算，然后按求出的 ut
检验 Ret值是否在原假设的流型范围内。
沉降速度的计算
摩擦数群法
该法是将 ζ与雷诺数的关系曲线加以转换，使其两个坐标轴之
一变成不包含 ut的无量纲数群，进而便可得 ut
第二节 离心沉降
? 惯性离心力作用下的沉降速度
? 旋风分离器的操作原理
? 旋风分离器的性能
a,临界粒径
b,分离效率
c,压强降
惯性离心力作用下的沉降速度
当流体带着颗粒旋转时，惯性离心力场中颗粒在
径向上受到三个力的作用，如果上述三力达到平
衡，即可求得 ut
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旋风分离器的操作原理
含尘气体以较高的线速度切向进入器内，在外筒与
排气管之间形成旋转向下的外螺旋流场，到达锥底
后以相同旋向折转向上形成内螺旋流场直至达到上
部排气管流出。颗粒在内、外旋转流场中均会受离
心力作用向器壁方向抛出，在重力作用下沿壁面下
落到排灰口被排出。气体因此而得到净化。其结构
如图 所示
含尘气体
清洁气体
排气管
排尘
B
B
a,临界粒径
旋风分离器能够全部除掉的最小颗粒粒径。
假定颗粒的离心沉降最大距离为进气矩形管宽度 B，则该粒径
的颗粒沉降分离所需的时间
22
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假定气体在旋风分离器内的旋转次数为 N（标准旋风分离器可取
N=5）、平均旋转半径为 Rm,则其平均停留时间为
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若停留时间等于沉降时间，解出临界粒径为
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b,分离效率
总效率
被旋风分离器除掉的总的颗粒质量占进口含尘气体中全部颗
粒质量的分率
分效率
称粒级效率。根据颗粒的粒径大小分级，将入口气体中某一
粒级 di的颗粒被旋风分离器除掉的分率定义为粒级效率
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总效率与分效率的关系
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c,压强降
气体经旋风分离器时，由于进气管和排气管及主体器壁所引起的摩
擦阻力，流动时的局部阻力以及旋转运动所产生的动能损失等等，
造成气体的压强降。工程上采用经验公式，即将阻力损失 Δ p表达
为
21
2 i
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式中的 ζ为比例 系数，即阻力系数。主要由旋风分离器的结构决定。
同一结构形式及尺寸比例的旋风分离器，阻力系数 ζ为常数 。
第三节 过滤
? 过滤操作的基本概念
? 过滤基本方程式, 过滤常数的测定
? 提高过滤生产能力的措施
过滤,利用重力或压差使悬浮液通过多孔性过滤介质，将固体颗
粒截留，从而实现固 -液分离的单元操作。
过滤介质
织物介质 最常用的过滤介质，工业上称为滤布 (网 )，由天然纤维、
玻璃纤维、合成纤维或者金属丝编织而成。可截留的最小颗粒的直
径为 5-65微米。
多孔固体介质 具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶瓷、多孔
金属及多孔性塑料制成的管或板，能截留 1-3μ m的微小颗粒。
堆积介质 由沙、木炭之类的固体颗粒堆积而成的床层，称作滤床，
用作过滤介质使含少量悬浮物的液体澄清。
多孔膜 用于膜过滤的各种有机分子膜和无机材料膜。
饼层过滤与深床过滤
饼层过滤
固体物质沉积于过滤介质表面而形成滤饼层的操作，真正发挥
截留颗粒作用的主要是滤饼本身，因此称作饼层过滤。饼层过滤
主要用于含固量较大（ >1%）的场合。
深床过滤
固体颗粒并不形成滤饼，而是沉积于较厚的粒状对滤介质床层
内部的过滤操作。深床过滤主要用于净化含固量很少（ <0.1%）流
体，如水净化等。
过滤的操作
悬浮液
( 滤浆)
滤饼
过滤介质
滤液
过
滤
操
作
示
意
图
过滤操作方式
过滤操作分为间歇式与连续式 。
根据过滤推动力的方式，又有加压过滤、真空过滤和离心过滤
过滤基本方程式
过滤速率
过滤速度
单位时间获得的滤液体积
单位过滤面积上的过滤速率
若过滤过程中其他因素维持不变，则由于滤饼厚度不断增加
过滤速度会逐渐变小。任一瞬间的过滤速度应写成如下形式
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过滤阻力
滤饼阻力
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为方便起见，假设过滤介质对滤液流动的阻力相当于厚度为 Le
的滤饼层的阻力，即
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则上式可写为
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过滤基本方程式
不可压缩滤饼
可压缩滤饼
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过滤常数的测定
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恒压下 K,qe,θe的测定
压缩性指数 s的测定
由过滤常数 K 的定义式
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K ~ ?p)为直线方程，斜率为 (1-s),截距为 2k。 在不同压差 ? p 下进行
恒压过滤实验，求得一系列与之对应的过滤常数 K,再通过上式
回归出滤饼常数 k 和压缩指数 s。
将恒压过滤方程式 ? ? )(2
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微分得 ? ? ?Kddqqq
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即在恒压过滤条件下, θ/q 与 q 的函数关系是以 1/K 为斜率,
2qe/K 为截距的直线，实验测得不同时刻单位过滤面积的累积
滤液量 q,即可由上式回归出 K 和 qe。
提高过滤生产能力的措施
? 助滤剂, 改变滤饼结构，使之较为疏松且不被压缩，则可
提高过滤与洗涤速率。助滤剂多为刚性较好的多孔性粒状
或纤维状材料，如常用的硅藻土、膨胀珍珠岩、纤维素等
? 絮凝剂, 使分散的细颗粒凝聚成团从而更容易过滤。絮
凝剂有聚合电解质类的如明胶、聚丙烯酰胺等，其长链高
分子结构为固体颗粒架桥而成絮团；也有无机电解质类的
絮凝剂，其作用为破坏颗粒表面的双电层结构使颗粒依靠
范德华力而聚并成团
? 流动或机械搅动, 限制滤饼厚度的增长，或者借用离
心力使滤饼在带锥度的转鼓中自动移动等动态过滤技术，
也可以有效地提高过滤速率
增大过滤面积、提高转速、缩短辅助操作时间、改善过滤特性以
提高过滤和洗涤速率。
本章学习指导
? 1本章学习目的
通过本章的学习，要重点掌握沉降和过滤这两种机械分离
操作的原理、过程计算、典型设备的结构与特性，能够根
据生产工艺要求，合理选择设备类型和尺寸。
? 2 本章应掌握的内容
a 沉降分离（包括重力沉降和离心沉降）的原理、过程计
算、旋风分离器的选型。
b 过滤操作的原理、过滤基本方程式推导的思路，恒压过
滤的计算、过滤常数的测定。
第一节 重力沉降
? 1.球形颗粒的自由沉降
? 2.阻力系数 ζ
? 3.影响沉降速度的因素
? 4.沉降速度的计算
重力沉降是利用流体中的固体颗粒受地球吸引力场的
作用而发生的沉降过程
球形颗粒的自由沉降
根据牛顿第二运动定律，颗粒所受三个力的合力
应等于颗粒的质量与加速度的乘积，即
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根据阻力随颗粒雷诺数变化的规律，可分为三个区域：
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湍流区或牛顿定律区 （ 103<Ret<2× 105）
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影响沉降速度的因素
1.颗粒的体积浓度
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颗粒浓度较高时便发生干扰沉降
2.器壁效应
3.颗粒形状的影响
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加以考虑
同一种固体物质，球形或近球形颗粒比同体积非球形颗粒的沉
降快一些。
试差法
由于在计算出 ut之前 Ret的大小未知，因此要通过试差确定应
该选取的计算公式。即：先假设沉降属于某一流型，则可直
接选用与该流型相应的沉降速度公式计算，然后按求出的 ut
检验 Ret值是否在原假设的流型范围内。
沉降速度的计算
摩擦数群法
该法是将 ζ与雷诺数的关系曲线加以转换，使其两个坐标轴之
一变成不包含 ut的无量纲数群，进而便可得 ut
第二节 离心沉降
? 惯性离心力作用下的沉降速度
? 旋风分离器的操作原理
? 旋风分离器的性能
a,临界粒径
b,分离效率
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含尘气体
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同一结构形式及尺寸比例的旋风分离器，阻力系数 ζ为常数 。
第三节 过滤
? 过滤操作的基本概念
? 过滤基本方程式, 过滤常数的测定
? 提高过滤生产能力的措施
过滤,利用重力或压差使悬浮液通过多孔性过滤介质，将固体颗
粒截留，从而实现固 -液分离的单元操作。
过滤介质
织物介质 最常用的过滤介质，工业上称为滤布 (网 )，由天然纤维、
玻璃纤维、合成纤维或者金属丝编织而成。可截留的最小颗粒的直
径为 5-65微米。
多孔固体介质 具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶瓷、多孔
金属及多孔性塑料制成的管或板，能截留 1-3μ m的微小颗粒。
堆积介质 由沙、木炭之类的固体颗粒堆积而成的床层，称作滤床，
用作过滤介质使含少量悬浮物的液体澄清。
多孔膜 用于膜过滤的各种有机分子膜和无机材料膜。
饼层过滤与深床过滤
饼层过滤
固体物质沉积于过滤介质表面而形成滤饼层的操作，真正发挥
截留颗粒作用的主要是滤饼本身，因此称作饼层过滤。饼层过滤
主要用于含固量较大（ >1%）的场合。
深床过滤
固体颗粒并不形成滤饼，而是沉积于较厚的粒状对滤介质床层
内部的过滤操作。深床过滤主要用于净化含固量很少（ <0.1%）流
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悬浮液
( 滤浆)
滤饼
过滤介质
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过滤操作分为间歇式与连续式 。
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过滤速度
单位时间获得的滤液体积
单位过滤面积上的过滤速率
若过滤过程中其他因素维持不变，则由于滤饼厚度不断增加
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回归出滤饼常数 k 和压缩指数 s。
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即在恒压过滤条件下, θ/q 与 q 的函数关系是以 1/K 为斜率,
2qe/K 为截距的直线，实验测得不同时刻单位过滤面积的累积
滤液量 q,即可由上式回归出 K 和 qe。
提高过滤生产能力的措施
? 助滤剂, 改变滤饼结构，使之较为疏松且不被压缩，则可
提高过滤与洗涤速率。助滤剂多为刚性较好的多孔性粒状
或纤维状材料，如常用的硅藻土、膨胀珍珠岩、纤维素等
? 絮凝剂, 使分散的细颗粒凝聚成团从而更容易过滤。絮
凝剂有聚合电解质类的如明胶、聚丙烯酰胺等，其长链高
分子结构为固体颗粒架桥而成絮团；也有无机电解质类的
絮凝剂，其作用为破坏颗粒表面的双电层结构使颗粒依靠
范德华力而聚并成团
? 流动或机械搅动, 限制滤饼厚度的增长，或者借用离
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也可以有效地提高过滤速率
增大过滤面积、提高转速、缩短辅助操作时间、改善过滤特性以
提高过滤和洗涤速率。
