流體與粒子間相對運動的過程

1、 本章培訓目標1.熟知常用非均相混合物分離操作過程的名詞及基本術(shù)語；掌握常用非均相混合物分離操作的基本原理。2.知道重力沉降和離心沉降的適用情況及影響因素；了解沉降設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理及基本操作。3.根據(jù)公式計算重力沉降速度、沉降時間、生產(chǎn)能力、沉降面積。4.知道過濾的適用情況及影響因素；了解常用過濾設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理、基本操作、常見故障及處理。5.知道常用氣體凈制設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理及適用情況，會基本操作。概述 流體與固體粒子相對運動的操作包括沉降、過濾以及固體流態(tài)化等基本單元操作。幾個概念 相：體系中具有相同組成，相同物理性質(zhì)和相同化學性質(zhì)的均勻物質(zhì)。相與相之間有明確的界面。 均相：凡物系

2、內(nèi)部各處物理料質(zhì)均勻而不存在相界面者，稱為均相混合物或均相物系。溶液及混合氣都是均相混合物。 非均相：凡物系內(nèi)部有隔開兩相的界面存在，而界面兩側(cè)的物料性質(zhì)截然不同者，稱為非均相混合物或非均相物系。化工生產(chǎn)中常遇到的混合物可分為兩大類混混合合物物均相均相氣態(tài)氣態(tài)空氣、天然氣空氣、天然氣液態(tài)液態(tài)乙醇乙醇水、石油水、石油非均相非均相氣氣固固煙道氣煙道氣氣泡氣泡液體液體氣氣液液霧滴霧滴氣體氣體液液固固泥水、硫銨泥水、硫銨+母液母液液液液液牛奶、油牛奶、油水水固固固固煤矸石、金屬礦煤矸石、金屬礦非均相物系分離的目的 將原料或產(chǎn)品進行分離與提純，如從母液中分離出晶粒；如從催化反應器出來的氣體中，往往帶有催

3、化劑顆粒，必須把這些有價值的顆?；厥绽?。 回收混合物中的有用物質(zhì)，如回收干磨系統(tǒng)尾氣中的礦粉。 勞動保護和環(huán)境保護等；對三廢：廢氣、廢液、廢渣的處理，地球由于被污染加劇,環(huán)保越來越受到人們的重視。綜上所述,非均相物系分離的目的是除害收益。 總之：以滿足工藝要求，提高產(chǎn)品質(zhì)量，改善勞動條件，保護環(huán)境，節(jié)約能源及提高經(jīng)濟效益。 常用分離方法 重力沉降：微粒借本身的重力在介質(zhì)中沉降而獲得分離。 離心分離：利用微粒所受離心力的作用將其從介質(zhì)中分離。亦稱離心沉降。此法適用于較細的微粒懸浮體系。 過濾：使懸浮體系通過過濾介質(zhì)，將微粒截留在過濾介質(zhì)上而獲得分離。 濕法凈制：使氣相中含有的微粒與水充分接觸而

4、將微粒除去。 電除塵：使懸浮在氣相中的微粒在高壓電場內(nèi)沉降。 顆粒和流體相對運動時所受到的阻力 流體以一定的速度繞過靜止顆粒時，或者固體顆粒在靜止流體中移動時，流體對顆粒的作用力阻力Fd 22uAFdA顆粒在運動方向上的投影，dp2u相對運動速度阻力系數(shù)， =（Re）=（dpu/）（實驗測定）層流區(qū)：Re2， =24/Re Stokes區(qū)過渡區(qū)：Re=2500， Allen區(qū)湍流區(qū)：Re=500-2105，0.44 Newton區(qū)Re10 固體壁面對流體流動產(chǎn)生阻力。流體與固體顆粒相對運動時流體對顆粒產(chǎn)生作用力曳力。 固體顆粒靜止，流體對其作繞流；流體靜止，顆粒作沉降運動；兩者都運動但保持一定

5、的相對速度。但就流體對顆粒的作用力來說，僅僅是相對運動而已，上述三者之間并無本質(zhì)區(qū)別。4.1沉降 將混合物置于某個力場的作用下，利用不同物質(zhì)的密度差異、使之發(fā)生相對運動而分離的過程，稱為沉降。 沉降操作用的力可以為重力或離心力，故沉降可以分為重力沉降和離心沉降。沉降4.1.1重力沉降 微粒在流體中受重力作用慢慢降落而從流體中分離出來的過程稱為重力沉降。重力沉降的沉降速度36gsFdg36bFdg2242duFd整理后得： 23()4sssdugudtddu/dt=0，u=ut 4 ()3stdgu由牛頓第二定理 F=ma Fg-Fb-Fd=mdu/dt FbFdFg浮力：阻力：重力：阻力系數(shù)

6、實踐證明，阻力系數(shù)是顆粒運動雷諾準數(shù)的函數(shù)，阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系因雷諾數(shù)的大小而異。24Re 1 Re18.5Re 1000 ReRe 0.445斯托克斯定律區(qū) 阿倫定律區(qū) 1牛頓定律區(qū) 2 10層流區(qū)域?qū)恿鲄^(qū)域過度區(qū)域過度區(qū)域湍流區(qū)域湍流區(qū)域220.618 1.74ssesdgudguRdgu斯托克斯定律式 阿倫定律式 0.27牛頓定律式 經(jīng)驗表明，由于化工生產(chǎn)中所處理的微粒一般都很小，顆粒相對流體的沉降運動多數(shù)在斯托克斯定律區(qū)。因此，在計算時。一般是首先按照斯托克斯公式計算其沉降速度然后驗證其Re是否小于1。如果不是，便再設(shè)另一個區(qū)域。利用該區(qū)域的沉降速度計算式算出其沉降速度，并再一次進

7、行驗算。如此等等，直至算出的Re數(shù)符合所假設(shè)的條件為止。實際沉降及其影響因素 實際沉降即為干擾沉降，顆粒在沉降過程中將受到周圍顆粒、流體、器壁等因素的影響，一般來說，實際沉降速度小于自由沉降速度。 顆粒含量的影響。 顆粒形狀的影響 顆粒大小的影響 液體性質(zhì)的影響 流體流動的影響 器壁的影響降塵室 在降塵室中顆粒停留時間=L/u沉降時間=H/ut分離條件L/uH/utLHWutuVsHWVusLWVust降塵室的處理能力只取決于降塵室的底面積，與高度H無關(guān)增稠器 又稱連續(xù)式沉降器，它通常是一個底部微帶有錐形的圓槽，懸浮液連續(xù)地從上方中央的進料口進人到液面以下。然后在整個截面上散開，固體粒子逐漸向

8、底部沉降，清液經(jīng)上部的溢出口流出，呈稠漿狀的濃稠沉渣由緩慢轉(zhuǎn)動的齒耙?guī)?，聚集到底部的中央，?jīng)卸出口由泵排出。顆粒在增稠器內(nèi)的沉降過程大致可以分為兩個階段:在槽的上部分，顆粒的濃度很小，可以認為是自由沉降，槽的下部隨著顛粒濃度的逐漸增加，穎粒作干擾沉降，沉降速度越來越慢。 增稠器具有澄清液體和增稠懸浮液的雙重功能。為了獲得澄清的液體，應當使容器內(nèi)液體向上流動的速度小于顆粒的沉降速度。 增稠器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，操作連續(xù)，處理量大，沉淀物的濃度均勻。缺點是設(shè)備比較龐大，占地面積大，分離效率不高等。它一般用來分離固體粒子濃度低，而處理量大的懸浮液。懸浮液的沉聚過程 屬重力沉降，在沉降槽中進行D沉聚區(qū)

9、變濃度區(qū)等濃度區(qū)清液區(qū)4.1.2 離心沉降 依靠離心力的作用，使流體中顆粒產(chǎn)生沉降運動稱離心沉降。重力使小顆粒的沉降速度小，但離心力比重力大千、萬倍。懸浮液旋轉(zhuǎn)軸角速度離心分離因數(shù)Kc=r2/g離心分離因數(shù)表示離心力大小的指標，離心設(shè)備分離性能的基本參數(shù) 科學研究證明:當流體帶動著球形固體粒子圍繞某一中心軸作圓周運動時、粒子在運動的徑向方向上將受到三個力的作用。在三力達到平衡時，離心力浮力阻力=0向心力離心力 阻 力離心沉降速度 36csFdr326fFdr 24ddrFdd24 ()3srddrurd旋風分離器 臨界粒徑指能100%分離除去的最小顆粒粒徑。 顆粒的沉降運動服從stokes定律

10、。 3()sibdnu進氣嚴格作螺旋形等速運動，有效旋轉(zhuǎn)圈數(shù)n，切向速度等于進口速度ui；b為入口之寬度 旋風分離器的結(jié)構(gòu)簡單，沒有運動部件.操作不受溫度和壓力的限制，分離效率可以高達7090，可以分離出小到5um的粒子。其缺點是氣體在器內(nèi)的流動阻力較大，對器壁的磨損比較嚴重，對氣體流量的變化比較敏感等。影響沉降操作的因素 力場的形式 工作介質(zhì)的性質(zhì) 顆粒的形狀及其相互影響 流體的流動方向4.2 過濾 4.2.1 過濾操作的基本概念 過濾是以某種多孔物質(zhì)為介質(zhì)來處理懸浮液的操作：在外力的作用下，懸浮液中的液體通過介質(zhì)的孔道而固體顆粒被截留下來，從而實現(xiàn)固、液分離。 過濾方式 工業(yè)上的過濾方式有

11、兩種：濾餅過濾和深層過濾 通常把過濾操作中所用的隔層稱為過濾介質(zhì)；把需要分離的液固混合物稱為濾漿；被截留在過濾介質(zhì)上的伺體層稱為濾渣或濾餅；過濾后的液體稱為濾液濾餅過濾 架橋現(xiàn)象過濾操作包括過濾、洗滌、去濕和卸料四個階段深層過濾 過濾介質(zhì) 織物狀介質(zhì)包括用棉、麻、羊毛、蠶絲或石棉等夭然纖維，以及玻璃纖維、合成纖維、金屬絲等編織成的濾布和絲網(wǎng)等。濾布的選擇應視所過濾粒子的大小、物料的腐蝕性、操作溫度、以及對強度和耐磨性的要求等條件而定。有時將多層濾布迭合使用。 粒狀介質(zhì)包括細砂、石礫、玻璃清、木炭屑、骨炭以及酸性白土等堆積層，這些介質(zhì)常用在城市和工廠給水設(shè)備的濾池中，主要用來過濾含固體粒子極少的

12、懸浮液。 多孔性固體介質(zhì)包括多孔的陶瓷、玻璃、塑料的板和管等。它們的優(yōu)點是具有良好的耐腐蝕性，孔隙小，過濾效率比較高，常用在含少量微粒的間隙式過濾設(shè)備中。助濾劑 過濾中，由于可壓縮濾渣大小、形狀的變化，孔道將變得越來越小，以至堵塞，過程無法進行。為了避免發(fā)生這種悄況，可以在濾布上預涂一層顆粒均勻、質(zhì)地堅硬、不可壓縮的粒狀物料，以防止濾孔的堵塞。有時也可以將這種物質(zhì)按一定比例加人到濾漿中，然后一起過濾，由于它構(gòu)成了濾餅的骨架，形成比較疏松的濾餅，使濾液可以暢快地流通.故將這種物質(zhì)稱為助濾劑。 對助濾劑的基本要求如下:能懸浮在料液之中，具有化學穩(wěn)定性，不與料液產(chǎn)生化學反應，也不含有可溶性鹽和色素，

13、在操作壓差范圍內(nèi)具有不可壓縮性，能保持較高的空隙率等。 常用的助濾劑有硅藻土、纖維粉末、活性炭、石棉等過濾速率 過濾速率是單位時間內(nèi)通過單位過濾面積上的濾液體積。 過濾速度 dV:濾液體積 d:過濾時間 A：過濾面積過濾推動力 過濾推動力：以作用在懸浮液上的壓力表示。實際起推動力作用的是濾渣和過濾介質(zhì)兩側(cè)的壓力差。 增加懸浮液本身的液柱壓力，稱為重力過濾。 增加懸浮液面上的壓力，稱為加壓過濾。 在過濾介質(zhì)下面抽真空，稱為真空過濾。 用慣性離心力來增大推動力，稱為離心過濾。過濾阻力 過濾阻力：在過濾操作剛剛開始時，濾液流動所遇到的阻力只有過濾介質(zhì)。在過濾操作進行一段時間，形成濾渣以后，濾液所遇到

14、的阻力是濾渣阻力和過濾介質(zhì)阻力之和。濾渣的洗滌 在除去濾渣操作以前，濾渣的空隙中還存在濾液。為了從濾液中充分回收這部分濾液，或者由于濾渣是有價值的產(chǎn)品不允許被濾液污染，需要用水或其他溶劑洗滌濾渣。洗滌后的溶液稱為洗滌液。過濾機的生產(chǎn)能力 過濾機的生產(chǎn)能力通常用單位時間內(nèi)所得到的濾液量來表示。也可用單位時間內(nèi)過濾面積上積聚的濾渣量表示。影響過濾操作的因素 懸浮液的性質(zhì) 過濾的推動力 過濾介質(zhì)與濾餅的性質(zhì)4.2.2 過濾機的構(gòu)造和操作 工業(yè)上使用的過濾設(shè)備稱為過濾機。按操作方法不同，可分為間歇式和連續(xù)式兩類。按過濾推動力的來源，可分重力、加壓、真空過濾和離心過濾。過濾設(shè)備 板框壓濾機 循環(huán)周期由裝

15、合、過濾、洗滌、卸渣、清洗等幾個階段組成 板框壓濾機具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。所需輔助設(shè)備少.過濾面積大，操作壓力高 ,管理簡單，使用可靠等優(yōu)點，適用于難過濾的或液相粘度很高的、有腐蝕性的懸浮液，是間歇式過濾機中應用最廣泛的一種。 板框壓濾機的缺點是裝卸板框的勞動強度大、生產(chǎn)效率低、洗滌不夠均勻、濾布損耗快等。目前板框壓濾機正朝著操作自動化的方向發(fā)展。廂式壓濾機隔膜廂式壓濾機轉(zhuǎn)筒真空過濾機 轉(zhuǎn)筒真空過濾機是一種連續(xù)式的過濾機，其特點是把過濾、洗滌、吹干、卸渣和清洗濾布等幾個階段的操作在轉(zhuǎn)筒的旋轉(zhuǎn)過程中完成，轉(zhuǎn)筒每旋轉(zhuǎn)一周，過濾機完成一個循環(huán)周期。 轉(zhuǎn)筒真空過濾機的最大優(yōu)點在于操作的自動化和連續(xù)化

16、，單位過濾面積的生產(chǎn)能力大，只要改變?yōu)V機的轉(zhuǎn)速，便可以調(diào)一節(jié)濾餅的厚度等。 缺點是過濾積遠小于壓濾機，設(shè)備的結(jié)構(gòu)比較復雜。濾餅的含濕量比較高(一般為10%30%)，洗滌不夠徹底等。它適用于過濾各種物料，包括溫度較高的懸浮液，但溫度過高容易使真空失效。葉濾機4.2.3 離心過濾 利用慣性離心力，使送入離心機轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的濾漿與轉(zhuǎn)鼓一起旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生徑向壓力差，來分離液相非均相混合物的方法，稱為離心過濾。離心機的轉(zhuǎn)鼓上鉆有許多小孔，內(nèi)壁襯有濾布，操作時，濾液穿過濾布排出，顆粒沉積于轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁，形成濾餅。三足式離心機 三足式離心機的優(yōu)點在于它的結(jié)構(gòu)是各種離心機中最簡單的，震動比較小，占空間不大，晶體不易破損，適

17、用范圍廣泛，可用來分離粒狀的、結(jié)晶狀的或纖維狀的物料，加之操作時間可以根據(jù)濾渣含濕量的要求來加以控制，靈活方便。故特別適用于過濾周期較長，處理量不大的多品種物料的分離操作。 三足式離心機的主要缺點是靠人工從轉(zhuǎn)鼓的上部卸渣，體力勞動十分繁重。臥式刮刀卸料離心機 每一操作循環(huán)包括加料、洗滌、甩干、刮料、洗網(wǎng)這五個階段 臥式刮刀離心機的主要優(yōu)點在于消除了因卸料而停車和制動轉(zhuǎn)鼓所造成的非生產(chǎn)時間和能量的浪費，整個過程連續(xù)化，大大減輕了體力勞動。 缺點是刮刀在高速下卸料，濾渣的破損比較嚴重，對一些易燃易爆的產(chǎn)品不很適宜。 活塞往復式卸料離心機活塞往復式卸料離心機適用：適用：顆粒直徑較大（0.15mm)、

18、濃度大（30%)的濾漿 食鹽、硫酸銨、尿素等的生產(chǎn)中。121原料液2洗滌液3脫液固體4洗出液5濾液 活塞推料離心機主要適用于顆粒較大、并能很快脫水或失去流動性的懸浮液。它的優(yōu)點是由于利用卸料器卸料，只是在貼近濾網(wǎng)處的固體顆粒遭到破損，濾餅層顆粒的破碎程度比刮刀卸料離心機要小得多。另外，它的自動控制比較簡單，功率消耗也比較均勻。是一種應用較廣的離心分離設(shè)備。 缺點主要是對懸浮液的濃度變化很敏感，例如當料液太稀時，濾渣來不及生成，料液便直接流出轉(zhuǎn)鼓，并沖走部分已形成的濾餅，從而造成轉(zhuǎn)鼓中物料分布不均勻，引起轉(zhuǎn)鼓的振動等。立式錐籃離心機分離機轉(zhuǎn)鼓4.3氣體的其他凈制設(shè)備 從氣體或蒸汽中除去所含固體顆

19、粒或液滴而使之凈化，是化工生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的問題。除可用前面所述的沉降方法外，還可利用過濾、靜電等作用，或者用濕法凈制等。4.3.1 袋濾器 在袋式除塵器的部件中，除濾袋外，最重要的是清灰機構(gòu)，它對除塵器的性能有著重要的影響。除塵器的結(jié)構(gòu)形狀與清灰方法直接相關(guān)。根據(jù)清灰方式不同，袋式除塵器通常分為以下類型： （1）機械清灰袋式除塵器：特點是效率高，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，投資省，對濾料要求不高，維修量少，濾袋壽命長，但過濾風速低。 （2）逆氣流反吹袋式除塵器：將風機反轉(zhuǎn)，在負壓作用下形成反吹，在彈簧作用下產(chǎn)生微振動，使粉塵脫落。 （3）回轉(zhuǎn)反吹袋式除塵器：濾袋為扁袋形，按圓形輻射狀布置。由反吹風機提

20、供反吹空氣，通過旋臂進行反吹。 （4）脈沖噴吹袋式除塵器：由壓縮空氣反吹，含塵氣流的運動方向為向內(nèi)式，粉塵阻留在袋外。 袋式除塵器是一種高效除塵器，得到廣泛應用。但使用袋式除塵器時應注意,它不宜于處理高溫，高濕的含塵氣體，不宜處理含有油霧，凝結(jié)水和粘性粉塵的氣體，不能用于處理有火花，爆炸危險的煙氣，如果含塵氣體的粉塵濃度較高應采用兩級除塵。 脈沖式袋濾器的工作原理：含塵空氣通過濾袋時，粉塵阻留在濾袋外表面，凈化后的氣體經(jīng)文丘里管從上部排出。每排濾袋上方設(shè)一根噴吹管，噴吹管上設(shè)有與每個濾袋相對應的噴嘴，噴吹管前端裝設(shè)脈沖閥，通過程序控制機構(gòu)控制脈沖閥的啟閉。脈沖閥開啟時，壓縮空氣從噴嘴高速噴出。

21、帶著比自身體積大57倍的誘導空氣一起經(jīng)文丘里管進入濾袋。濾袋急劇膨脹引起沖擊振動，使附在濾袋外的粉塵脫落。4.3.2 濕式除塵器 一、概述 使含塵氣體與液體 （一般為水）密切接觸，利用水滴和塵粒的慣性碰撞及其它作用捕集塵粒或使粒徑增大的裝置 可以有效地除去直徑為0.120m的液態(tài)或固態(tài)粒子，亦能脫除氣態(tài)污染物 高能和低能濕式除塵器 低能濕式除塵器的壓力損失為0.21.5kPa，對10m以上粉塵的凈化效率可達9095% 高能濕式除塵器的壓力損失為2.59.0kPa，凈化效率可達99.5以上（1）文丘里洗滌器 除塵器系統(tǒng)的構(gòu)成 文丘里洗滌器 除霧器 沉淀池 加壓循環(huán)水泵 除塵過程 文丘里除塵器：

22、收縮管， 喉管， 擴散管 就其斷面形狀 圓形文丘里除塵器 矩形文丘里除塵器 文丘里洗滌器 文丘里洗滌器 1.除塵過程 含塵氣體由進氣管進入收縮管后，流速逐漸增大，氣流的壓力能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?在喉管入口處，氣速達到最大，一般為50180m/s 洗滌液 （一般為水）通過沿喉管周邊均勻分布的噴嘴進入，液滴被高速氣流霧化和加速 充分的霧化是實現(xiàn)高效除塵的基本條件 泡沫除塵器泡沫除塵器 在塔內(nèi)裝有篩板和擋 水板。液體由塔上部噴入，含塵氣體由下部進入除塵器，當含塵氣體通過篩板時，氣體中的一部分粉塵在泡沫層中被除去，而另一部分粉塵則被篩板泄漏液所捕集。通過氣液兩相的充分接觸而達到出塵的目的。湍球塔湍球塔 將

23、流化床的原理應用到氣液傳質(zhì)設(shè)備中，使填料處于流化狀態(tài)，因而使過程得到強化 噴霧塔洗滌器噴霧塔洗滌器4.3.3 靜電除塵 牛頓第二定律： 物體的加速度跟物體所受的合外力F成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。而以物理學的觀點來看，牛頓運動第二定律亦可以表述為“物體隨時間變化之動量變化率和所受外力之和成正比”。即動量對時間的一階導數(shù)等于外力之和。 固體流態(tài)化流化床的基本概念 假設(shè) 床層是由均勻顆粒組成的 流體自下而上地流過顆粒層 則根據(jù)流速的不同，會出現(xiàn)三種不同的情況 固定床階段 流化床階段 顆粒輸送階段流化現(xiàn)象 散式流化與聚式流化流化床的特點 傳熱效果較好 操作方便，易于實

24、現(xiàn)操作的連續(xù)化和自動化 單位時間內(nèi)設(shè)備的處理量大，便于大規(guī)模生產(chǎn)，在換熱量一定的情況下，相應的換熱面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省材料，造價低。因此流態(tài)化技術(shù)廣泛用于傳熱、傳質(zhì)以及氣一固反應過程中。 流化床的主要缺點是增加了產(chǎn)生副反應的機會。此外，顆粒磨損大，消耗多，對設(shè)備的磨損也大流化床在工程上的應用 固體流態(tài)化技術(shù)在工程上應用的范圍很廣，大體上可以分為三類：物理操作，催化反應與非催化反應。流化床中的流體力學特性 壓強降與流速的關(guān)系：流化床的壓降等于單位截面床內(nèi)固體的表觀重量(即重量浮力) 流化床的操作范圍 起始流化速度uL 帶出速度：當床層的表觀速度達到顆粒的沉降速度時，大量顆粒將被流體帶出器外，故流化床的帶出速度為單個顆粒的沉降速度 u。一般說來，此表觀速度為流化床操作范圍的上。流化床中常見的不正?，F(xiàn)象 騰涌與