化工原理第三章非均相物系的分離和固體流態(tài)化

1、第三章 非均相物系分離和固體流態(tài)化概念機(jī)械分離固體流態(tài)化非均相物系顆粒和顆粒床層特性沉降過濾非均相物系的分離和固體流態(tài)化目的基于流體力學(xué)（顆粒與流體間的相對運(yùn)動），掌握非均相物系的機(jī)械分離方法、過程計算及其典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)、特性和選型。概念非均相物系混合物均相混合物（均相物系）非均相混合物（非均相物系）溶液與混合氣體分散物質(zhì)（分散相）分散介質(zhì)（連續(xù)相）氣態(tài)非均相物系（含塵氣體）液態(tài)非均相物系（懸浮液）1. 非均相物系固體顆粒、液滴或氣泡 非均相物系概念非均相物系 非均相物系的分離方法機(jī)械分離沉降顆粒相對于流體(靜止或運(yùn)動)運(yùn)動而實(shí)現(xiàn)懸浮物系分離，作用力是重力或離心力。過濾流體相對于固體顆粒床層運(yùn)

2、動而實(shí)現(xiàn)固液分離，作用力是重力、壓強(qiáng)差或離心力。非均相物系分離目的收集分散相、凈化連續(xù)相及環(huán)?？紤]概念顆粒2. 顆粒特性（形狀、體積和表面積） 球形顆粒球形顆粒特性只需直徑d 描述即可。36Vd2Sd6SaVd 非球形顆粒非球形顆粒特性用當(dāng)量直徑和形狀系數(shù)描述。 體積當(dāng)量直徑 （de）1/3pe6Vd3pe6Vd比表面積單位體積顆粒具有的表面積。等效依據(jù)實(shí)際顆粒的體積等于當(dāng)量球形顆粒的體積。概念顆粒 形狀系數(shù)（球形度）形狀系數(shù)表征顆粒形狀與球形的差異程度。spSS36Vdpe2dSeps6adpsesss11球形；非球形；差異，概念顆粒3. 顆粒群特性 粒徑分布粒徑分布不同粒徑范圍內(nèi)所含粒子的

3、個數(shù)或質(zhì)量。篩分分析： 標(biāo)準(zhǔn)篩泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩、日本JIS標(biāo)準(zhǔn)篩和德國標(biāo)準(zhǔn)篩。 篩分單位目數(shù)（篩孔大?。?，指每英寸長度篩網(wǎng)上的孔數(shù)。 篩分過程篩留物（篩余量）和篩過物（篩過量）。比如，100目泰勒篩的篩孔寬度，網(wǎng)線直徑為0.0042 in，1/1000.00420.0058in147 m或概念顆粒 顆粒群的平均粒徑1/iixdda22a133a166kiiikiiindddnd31a21kiiikiiinddnd3siiixK nd3siiixnKd顆粒群的平均粒徑常用平均比表面積直徑，即Sauter直徑。顆粒群的平均粒徑概念顆粒床層1. 床層空隙率床層空隙率（）表征顆粒群堆積而成的床層疏密程度。床

4、層體積-顆粒體積床層體積2. 床層比表面積1aab影響因素顆粒大小、形狀、粒徑分布與充填方式。一般亂堆床層的空隙率為0.470.7。6adbbs1 bs6 1adb概念顆粒床層3. 床層自由截面積（空隙截面積）床層自由截面積指床層截面上未被顆粒占據(jù)的、流體可以自由通過的面積。 壁效應(yīng)：因壁面處床層床層內(nèi)部 ，較多流體必趨向近壁處流過，故床層截面上的流體分布不均勻。 床層特性：各向同性。 各向同性床層特點(diǎn)： ?？障督孛娣e床層截面積概念顆粒床層4. 流體通過顆粒床層的壓強(qiáng)降（建模法）簡化模型：床層中不規(guī)則的通道一組平行細(xì)管（L、de ），規(guī)定 細(xì)管的全部流動空間顆粒床層的空隙容積。 細(xì)管的內(nèi)表面積

5、顆粒床層的全部表面積。ebb4441daa床層流動空間細(xì)管的全部內(nèi)表面積1uu21feb2uLpd2f31apuL流體通道：細(xì)小、曲折且相互交聯(lián)。流型：顆粒床層具有較大比表面積層流。流體通過固定床壓強(qiáng)降公式概念顆粒床層5KReKb；141d uuRea ebb223152a upReLfb 康采尼（Kozeny）方程4.170.29Reb22233114.170.29a ua upLf6adse22233111501.75uupLdd fsese4.17200Reb22311503upReLdfbse2311.1 0507upReLd fbse 歐根（Ergun）方程沉降分離重力沉降1. 沉降

6、分離沉降分離在外力場中，因分散相和連續(xù)相之間存在密度差，使之發(fā)生相對運(yùn)動而實(shí)現(xiàn)非均相物系分離。重力沉降離心沉降外力場自由沉降干擾沉降顆粒是否受到其他顆?；蚱鞅诘挠绊懗两担簩儆诹黧w相對于顆粒的繞流問題；流固間的相對運(yùn)動有三種情形： 流體靜止，顆粒相對于流體作沉降或浮升運(yùn)動。 顆粒靜止，流體對固體作繞流。 固體和流體都運(yùn)動，但二者保持一定的相對速度。沉降分離重力沉降2. 重力沉降 球形顆粒的自由沉降3gs6Fdg3b6Fdg2323ssd6426duudgddgbdFFFma顆粒沉降時的受力22d24uFdst0043tuaaauuugd開m ax始 加速，；平衡 等速，剛性球形顆粒的沉降速度，即

7、終端速度。沉降分離重力沉降 阻力系數(shù)ttst,duf ReRe 層流區(qū)或斯托克斯（Stokes）定律區(qū) 過渡區(qū)或艾侖（Allen）定律區(qū) 湍流區(qū)或牛頓（Newton）定律區(qū) （P147, 圖3-2）tRe2st4tt2410118ReRedgu，s30.6ttt0.6t18.51100.27dgReuReRe，s35tt102 100.441.74dgReu，沉降分離重力沉降 沉降速度的影響因素 流體黏度層流區(qū)內(nèi)摩擦力占優(yōu)；湍流區(qū)形體阻力占優(yōu)；過渡區(qū)內(nèi)摩擦力和形體阻力均有。 。 顆粒體積分?jǐn)?shù)顆粒體積分?jǐn)?shù) 0.2%，偏差1%。顆粒體積分?jǐn)?shù)較高，發(fā)生干擾沉降。 器壁效應(yīng)容器壁面和底面增加顆粒沉降阻

8、力實(shí)際沉降速度自由沉降速度。 顆粒形狀對同一固體而言，球形或近球形顆粒比同體積非球形顆粒沉降快。tRe 摩擦力，形體阻力沉降分離重力沉降 求解 試差法 摩擦數(shù)群法tuuRett假設(shè)顆粒沉降的流型根據(jù)相應(yīng)的沉降公式求按 檢驗(yàn)st43gdus2t43dguttduRe2222tt2d uRe3s2t243dgRe 1/3s2gdK 23t43ReK2tttReReRe關(guān)系（P147，圖3-2）關(guān)系（P150，圖3-3）ttReud沉降分離重力沉降求某介質(zhì)中具有 u t 的顆粒直徑：12343gReu sttRedutt 流型判據(jù)K值218dgustttdu Re3st218dgRe 1tttReR

9、eRe關(guān)系（P147，圖3-2）關(guān)系（P150，圖3-3）3t18KRe 2.622.62 69.169.1KKK層流區(qū)；過渡區(qū)；湍流區(qū)。K值判斷流型避免試差1/3s2gKd 沉降分離重力沉降設(shè)備1. 降塵室HuttlutlHuutVu HbsVublst單層降塵室的生產(chǎn)能力降塵室塵粒在降塵室內(nèi)的運(yùn)動降塵室生產(chǎn)能力僅與沉降面積及沉降速度有關(guān)，而與降塵室高度無關(guān)。 單層降塵室沉降分離重力沉降設(shè)備 多層降塵室st1Vnblu2. 沉降槽和分級器（自習(xí)）多層降塵室 沉降速度根據(jù)需要完全分離下來的最小顆粒尺寸計算。 氣體在降塵室內(nèi)的速度不應(yīng)過高層流。單層降塵室優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，流動阻力小；缺點(diǎn)：體積龐大

10、，分離效率低預(yù)除塵（大于50 的粗顆粒）。多層降塵室優(yōu)點(diǎn)：分離較細(xì)顆粒，節(jié)省地面；缺點(diǎn)：清灰麻煩。m沉降分離離心沉降1. 離心沉降23ts6udr離心力=23t6udr向心力=22r24ud阻力=222332ttrs06624uuudddrr2str43duur顆粒在離心力場中的運(yùn)動離心沉降速度沉降分離離心沉降sstrt24433ugrdduu 形式上相似。 離心沉降速度是顆粒運(yùn)動的徑向速度，方向?yàn)檠匕霃较蛲狻?離心沉降速度不是恒定值，隨顆粒位置而變；而重力沉降速度則是恒定值。沉降分離離心沉降r24Re2218duurstr218dugst2uuKugrrttc離心分離因數(shù)離心沉降分離兩相密度

11、差小、細(xì)顆粒的非均相物系。層流：2str43duurc52500K 旋風(fēng)或旋液分離器： 。 比如，旋轉(zhuǎn)半徑為0.4 m、切向速度為20 m/s，2c201029.81 0.4K 沉降分離旋風(fēng)分離器1. 旋風(fēng)分離器旋風(fēng)分離器依靠離心力從氣流中分離出塵粒的裝置。內(nèi)旋流亦稱氣芯，指上行的螺旋形氣流，具有低壓性。兩者的旋轉(zhuǎn)方向一致。標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器氣體在旋風(fēng)分離器里的運(yùn)動外旋流下行的螺旋形氣流。 結(jié)構(gòu)簡單、低成本、操作條件范圍寬、分離效率較高。200m5m5200m的顆粒，用重力沉降除去；的顆粒，用袋濾器或濕法捕集；的顆粒，用旋風(fēng)分離器除去。 不宜處理黏性粉塵、含濕量高的粉塵及 腐蝕性粉塵。沉降分離旋風(fēng)

12、分離器2. 旋風(fēng)分離器性能 臨界粒徑假定： 進(jìn)口氣流作嚴(yán)格的等速螺旋運(yùn)動，切向速度為進(jìn)口氣速。 顆粒必須穿過厚度為B的氣流層方能到達(dá)壁面而被分離。 顆粒在層流下作自由沉降。2218duurstrssmrr2218duursirm2218 r BBudumtrsi2Nruemi9 BdNucesi臨界粒徑理論上被旋風(fēng)分離器完全分離的最小顆粒直徑。臨界粒徑cdD，ee0.5 35NN標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器，沉降分離旋風(fēng)分離器 分離效率1201CCCCCC1, i2,ip,i1,i0ip,i1nix粒級效率曲線50s0.27iDdu分割粒徑粒級效率恰為50%的顆粒直徑?？傂柿＜壭食两捣蛛x旋風(fēng)分離器 壓強(qiáng)

13、降22iup 旋風(fēng)分離器 。 標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器： 。8500 2000 Pap 物系：顆粒的密度大、粒徑大及粉塵濃度高利于分離。 操作條件：進(jìn)口氣速保持在1025 m/s。 旋風(fēng)分離器性能的影響因素沉降分離旋風(fēng)分離器3. 旋風(fēng)分離器選型選型根據(jù)系統(tǒng)物性與任務(wù)要求，結(jié)合設(shè)備特點(diǎn)，選定旋風(fēng)分離器的形式，通過計算決定其尺寸與個數(shù)。旋風(fēng)分離器的計算依據(jù)有：含塵氣的體積流量、所要求的分離效率和允許的壓強(qiáng)降。旋液分離器亦稱水力旋流器，利用離心沉降從懸浮液中分離固體顆粒的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)與原理類似于旋風(fēng)分離器。旋液分離器（自習(xí)）過濾概念 1. 過濾過濾以某種多孔物質(zhì)為介質(zhì)，在外力下使懸浮液中的液體通過介質(zhì)孔道，顆

14、粒被截留在介質(zhì)上，實(shí)現(xiàn)固液分離。 過濾 過濾注意：工程上常用的過濾是以壓強(qiáng)差為推動力。過濾概念過濾方式餅層過濾和深床過濾架橋現(xiàn)象 過濾方式 餅層過濾過濾初期，發(fā)生顆粒架橋。真正攔截顆粒的是濾餅層而不是過濾介質(zhì)。處理固相體積分?jǐn)?shù)1%的懸浮液。 深床過濾顆粒不形成濾餅，沉積在較厚的過濾介質(zhì)床層內(nèi)部。處理細(xì)小顆粒、固相體積分?jǐn)?shù)0.1%的懸浮液。過濾概念 織物介質(zhì)（濾布）被截留的顆粒最小直徑為565 。 堆積介質(zhì)多用于深床過濾，如細(xì)砂等。 多孔固體介質(zhì)具有很多微細(xì)孔道的固體材料，截攔13 顆粒。 過濾介質(zhì)過濾介質(zhì)濾餅的支撐物，具有足夠的力學(xué)強(qiáng)度、盡可能小的流動阻力、一定的耐腐蝕性和耐熱性。mm 濾餅

15、濾餅由截留下的顆粒堆積而成的床層。過濾進(jìn)行濾餅厚度，流動阻力 根據(jù)顆粒特性不可壓縮濾餅和可壓縮濾餅。 不可壓縮濾餅單位厚度床層的流動阻力恒定。過濾基本方程過濾基本方程描述過濾速率與過濾推動力、過濾面積、濾漿性質(zhì)、介質(zhì)特性以及濾餅性質(zhì)等因素之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。1. 濾液通過濾餅的流動濾液流動特點(diǎn) 流道為細(xì)小、曲折和不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)； 非穩(wěn)態(tài)流動； 層流。3c2251puLa 22315a upLf/速度推動力 阻力過濾基本方程2. 過濾速率和過濾速度過濾速率單位時間內(nèi)獲得的濾液體積。過濾速度單位時間內(nèi)通過單位過濾面積的濾液體積。過濾速率3c22dd51pVuALa 3c22dd51A pVLa過濾速

16、度3. 濾餅阻力cccpppRurrLRLuL22351raRrLR濾餅阻力；r濾餅比阻3c22dd51pVuALa 過濾基本方程4. 過濾介質(zhì)阻力pVARmmddppVuARRRpRcmmmddmeRrLVppArLrLr LLeedd 過濾介質(zhì)的當(dāng)量濾餅厚度或虛擬濾餅厚度。 過濾cddpVAR意義：用濾液通過串聯(lián)的濾餅與濾布的總壓強(qiáng)降表示過濾推動力；用兩層的阻力之和表示總阻力。eL過濾基本方程5. 過濾的基本方程VLAVpAr LLedd假定1 m3 濾液濾餅體積為 m3，rrps2VAprVV1edd-s過濾基本方程s 濾餅壓縮指數(shù)1LAV：VLAeeeV過濾介質(zhì)的當(dāng)量濾液體積或虛擬濾液

17、體積過濾基本方程6. 應(yīng)用 恒壓過濾（最常見）1kr 1 s2Kk p2edd2VKAVVVVqqAAee；222VKAqKConstp ；濾餅，阻力，過濾速率2VAprVV 1edd-s22e2VV VKA2e2qq qK恒壓過濾方程eeKVq過濾常數(shù)、和過濾基本方程 恒速過濾（過濾初期）Rqu2Rar u Rebr u q pab 不可壓縮濾餅RddConstConstddVVupA ，濾餅，阻力，RddVVquAA2eddVAprVV Reddqpurqq 2RRepr ur u q 恒速過濾時，壓強(qiáng)差隨過濾時間成線性增加。過濾基本方程 復(fù)合式過濾（先恒速后恒壓）RVR恒速段終了瞬間的濾

18、液體積。恒速段終了瞬間的過濾時間。恒壓階段的過濾方程先恒速后恒壓過濾21eddsVkApVVRR21eddVsVVVVkAp222ReRR2VVV VVKARVVR恒壓段的濾液體積。恒壓段的過濾時間。過濾基本方程 過濾常數(shù)的測定恒壓過濾e12qKKqq12sKk plglg1lg 2Kpsk測定壓縮性指數(shù)，eeKVq過濾常數(shù)、與eeKVq由斜率和截距、與（P179，例3-10）2e2qq qK過濾設(shè)備1. 板框壓濾機(jī)排列方式（1232）（1232）板框壓濾機(jī)操作方式間歇過濾機(jī)板框壓濾機(jī) 和加壓葉濾機(jī)連續(xù)過濾機(jī)轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)壓濾機(jī)吸濾機(jī)離心過濾機(jī)壓強(qiáng)差濾板和濾框（型號：BMY50/810-25）

19、過濾設(shè)備過濾階段洗滌階段（橫穿洗滌法） 洗水通道面積0.5過濾面積。 洗水流經(jīng)長度2過濾終了時濾液流經(jīng)長度。2. 加壓葉濾機(jī)（自學(xué)）洗滌時采用置換洗滌法。過濾設(shè)備3. 轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)圓筒轉(zhuǎn)動一周時，在轉(zhuǎn)筒表面不同位置上依次進(jìn)行過濾吸干洗滌吹松卸餅操作。優(yōu)點(diǎn)連續(xù)自動操作，生產(chǎn)能力大，適宜處理量大而容易過濾的濾漿。缺點(diǎn)附屬設(shè)備多，費(fèi)用大，過濾面積不大，過濾推動力有限。過濾設(shè)備4. 離心機(jī)2uKgrtcc3000K c300050000Kc50000K 常速離心機(jī) 高速離心機(jī) 超速離心機(jī)離心機(jī)利用離心力分離液態(tài)非均相混合物。沉降離心機(jī)、分離離心機(jī)和過濾離心機(jī)（自學(xué)）分離膠體顆粒和破壞乳

20、濁液過濾洗滌濾餅?zāi)康?回收滯留在顆粒縫隙間濾液或凈化構(gòu)成濾餅的顆粒。 洗滌速率即 ，指單位時間內(nèi)消耗的洗水體積。VWdd洗滌時間 。VVWWWdd1-eddsVpArLL22VVKAVVWEedddd2148VVKAVVWEeddddeeWELLLLeeWE2LLLLW12AAWAA1. 置換洗滌法2. 橫穿洗滌法1-eddsVpArLL過濾過濾機(jī)生產(chǎn)能力1. 間歇過濾機(jī)的生產(chǎn)能力wDT36003600VVQTWD2. 連續(xù)過濾機(jī)的生產(chǎn)能力60Tn60Tn22eeVVKA2ee60VKAVn22ee606060Qn VKAnnnV465QA Kn360浸沒角度板框壓濾機(jī)生產(chǎn)能力nQ （P185

21、，例3-11） （P187，例3-12）固體流態(tài)化固體流態(tài)化：顆粒懸浮于流動的流體中，顆粒在流體作用下作類似于液體沸騰的翻滾運(yùn)動。2. 流態(tài)化現(xiàn)象1. 固定床2. 流化床3. 顆粒輸送1. 固體流態(tài)化不同流速時床層變化固體流態(tài)化流化類型散式流化亦稱均勻流化；流速，床層，床層中各處空隙率，床高；有一穩(wěn)定上界面。聚式流化床層中有乳化相和氣泡相；不穩(wěn)定的上界面。散式流化聚式流化固體流態(tài)化3. 流化床的主要特性 壓強(qiáng)降ttmfmfs1p AWA Lgmfmfs1pLg s1pLg 理想流化床 關(guān)系pu 2fb23se2fb3se1315011001.75upReLdupReLd ；fp 固定床lglgpu 成線性增函數(shù)流化床壓強(qiáng)降不變氣流輸送：密相稀相；兩相同向流動固體流態(tài)化 駝峰BCD因顆粒靠緊需要更大的推動力； DE向上傾斜絕大部分壓強(qiáng)降用于平衡床層顆粒的重力，還有一小部分壓強(qiáng)降用于克服顆粒間碰撞以及顆粒與器壁間摩擦； 臨界點(diǎn)位移臨界流化速度和臨界空隙率； 壓強(qiáng)降波動 氣