大連理工大學(xué)化工原理課程講義過濾

第3章流體相對(duì)顆粒(床層)的流動(dòng)及機(jī)械分離

3.1概述

非均勻混合物的分離及流動(dòng)：①從含有粉塵或液滴的氣體中分離出粉塵或液滴；②從含有固體顆粒的懸浮液中分離出固體顆粒；③流體通過由大量固體顆粒堆集而成的顆?；虼矊拥牧鲃?dòng)（如過濾、離子交換器、催化反應(yīng)器等）。均涉及到流體相對(duì)于固體顆粒及顆粒床層流動(dòng)時(shí)的基本規(guī)律以及與之有關(guān)的非均相混合物的機(jī)械分離問題。3.2顆粒及顆粒床層的特性3.2.1單顆粒的特性參數(shù)

(1)描述顆粒形狀

①顆粒的球形度φ

表明：顆粒形狀接近于球形的程度；

φ↑，則顆粒越接近于球形。球形顆粒：球形顆粒非球形顆粒②顆粒的比表面積

a說明：V相同時(shí)，a↓，則顆粒越接近球形。a與φ關(guān)系：球形顆粒比表面積：(2)描述顆粒大?、俚润w積當(dāng)量直徑dv

指：與顆粒體積相等的球形顆粒的直徑。dv與a、φ關(guān)系：

②等比表面積當(dāng)量直徑da

與非球形顆粒比表面積相等的球形顆粒的直徑。3.2.2混合顆粒的特性參數(shù)

(1)顆粒的篩分尺寸

標(biāo)準(zhǔn)篩：有不同的系列，常用泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩。

篩號(hào)(目數(shù))：每英寸長度篩網(wǎng)上的篩孔數(shù)目；

篩過量：通過篩孔的顆粒量；

篩余量：截留于篩面上的顆粒量。①顆粒的篩分尺寸②篩分尺寸與顆粒特性參數(shù)的關(guān)系顆粒不是明顯的長或短：顆粒在某方向上略長：

(2)顆粒群的平均特性參數(shù)①平均比表面積：

di-1didi+1di+2②顆粒群的等比表面積當(dāng)量直徑3.2.3 顆粒床層的特性(1)床層空隙率

①定義：床層中，空隙所占體積分率。表明：

床層堆積的松散程度；

ε↑，空隙越大，床層越松散；

ε對(duì)流體流過床層的阻力影響很大。Lu

②影響床層空隙率的因素（a）裝填方法：干裝濕裝（b）顆粒特性的影響

顆粒形狀：

靠壁面處：

粒徑分布：③空隙率測量---充水法、稱量法(2)床層的自由截面積

即：床層中空隙的面積(流體的流通截面積)。

自由截面積分率：So與ε關(guān)系：同樣表明顆粒堆積的松散程度均勻顆粒，則So↑，ε↑。(3)床層的比表面積aB

忽略顆粒相互重疊減少的面積，則：①顆顆粒靜靜止，，流體體繞過過顆粒粒流動(dòng)動(dòng)；②流流體靜靜止，，顆粒粒流動(dòng)動(dòng)；③顆顆粒和和流體體都運(yùn)運(yùn)動(dòng)，，維持持一定定相對(duì)對(duì)速度度。3.3.1流流體繞繞過顆顆粒的的流動(dòng)動(dòng)(1)曳曳力阻力：：顆粒粒對(duì)流流體的的作用用力；；曳力：：流體體對(duì)顆顆粒的的作用用力。。流體和和顆粒粒相對(duì)對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)的情情況：：3.3流體和和顆粒粒的相相對(duì)運(yùn)運(yùn)動(dòng)不同顆粒的形狀物體的的不同同形狀狀和位位向?qū)?duì)曳力力的影影響(a)平板平行于流向(b)平板垂直于流向(c)流線型物體水平方方向，，顆粒粒所受受曳力力：流體流流過固固體時(shí)時(shí)，固固體表表面的的受力力情況況：

作用在顆粒上的曳力影響曳力的的因素：(2)曳曳力系數(shù)①球形顆顆?？傄妨τ?jì)算算：曳力系數(shù)ξξ與ReP的關(guān)系：（（1）圓球球（2）圓圓盤（3））圓柱實(shí)驗(yàn)驗(yàn)獲獲得得ξ與Rep的關(guān)關(guān)系系：10-410-310-210-11.01010210310410510610-11.010102103105RePξ（1）（2）（3）層流流區(qū)區(qū)：：過渡渡區(qū)區(qū)：：湍流流區(qū)區(qū)：：湍流流邊邊界界層層區(qū)區(qū)：：②非非球球形形顆顆粒粒的的曳曳力力系系數(shù)數(shù)計(jì)算算方方法法：

近似似用用球球形形顆顆粒粒公公式式，，ds→da或dV；

實(shí)測測ξ-Rep關(guān)系系。。3.3.2顆顆粒粒與與流流體體的的相相對(duì)對(duì)運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)(1)顆顆粒粒在在力力場場中中的的受受力力分分析析合力力：：①質(zhì)質(zhì)量量力力②浮浮力力③曳曳力力顆粒受力分析FeFDFb(2)顆顆粒粒的的運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)情情況況運(yùn)動(dòng)動(dòng)方方向向：：沿合合力力方方向向顆粒粒運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)的的兩兩個(gè)個(gè)階階段段：：加速速階階段段、、恒恒速速階階段段簡化化：：加速速階階段段很很短短，，忽忽略略不不計(jì)計(jì)。認(rèn)為為全全過過程程中中，，顆顆粒粒勻勻速速運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)。。①加加速速階階段段：：②恒恒速速階階段段：：終端端速速度度:顆粒粒在在流流體體中中勻勻速速運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)的的速速度度。。顆粒受力分析FeFDFb目的的：流體體與與固固體體顆顆粒粒分分離離原理理：：利用用顆顆粒粒與與流流體體之之間間的的密密度度差差，，將固固體體顆顆粒粒從從流流體體中中分分離離出出來來。。常用用方方法法：(1)重重力力沉沉降降(分分離離較較大大的的顆顆粒粒））例：選選礦礦3.4沉沉降降(2)離離心心沉沉降降(分分離離尺尺寸寸小小的的顆顆粒粒））例：氣氣體體除除塵塵3.4.1重力力沉降速度度的計(jì)算(1)球形形顆粒的自自由沉降自由沉降：容器壁和和其它顆粒粒不影響沉沉降速度；；干擾沉降：實(shí)際顆粒粒的沉降。。勻速階段受受力分析：：

顆粒受力分析FeFDFb其它條件相相同時(shí)，小小顆粒后沉沉降。◆影響沉降速速度的因素素其它條件相相同時(shí)，密密度大的顆顆粒先沉降降?！羟蛐晤w顆粒的沉降降速度其它條件相相同時(shí)，顆粒在空氣較在水水中易沉降降。①顆粒直直徑②流體密密度③顆粒密密度②過渡區(qū)區(qū)◆沉降降速度計(jì)算算③湍流區(qū)區(qū)①層流區(qū)區(qū)問題：沉降速度ut未知，如何何判斷流型型？解決方法：：試差法或或判據(jù)法法（避免試試差）判據(jù)法：將上式代入入Rep中，得到：：令則(2)非非球形顆顆粒的沉降降速度處理方法：可先假定為為顆粒球形形，然后校校正。同樣條件下下因此ReP顆粒球形度對(duì)沉降速度的影響ut（非球形）/ut（球形）1.00.950.90.80.60.30.2球形度Φ(3)不不均勻顆粒粒的沉降速速度粒徑不同時(shí)時(shí)，大顆粒沉降降速度快，，小顆粒沉沉降速度慢慢。除去所有顆顆粒，應(yīng)以最小顆顆粒直徑計(jì)計(jì)算ut。顆粒分級(jí)時(shí)時(shí)，以不同粒度度，分別進(jìn)進(jìn)行計(jì)算ut。(4)影影響沉降速速度的其它它因素①干擾沉降------顆粒沉沉降時(shí)彼此此影響

顆粒濃濃度對(duì)沉降降速度的影影響大量顆粒沉沉降，造成成流體反向向運(yùn)動(dòng)。反向運(yùn)動(dòng)速速度：表明：

流體表表觀物性的的影響顆粒存在，，改變了流流體的表觀觀密度和表表觀粘度。。表觀粘度：：表觀密度：：③液滴或或氣泡變形形液滴或氣泡泡受曳力變變形，影響響計(jì)算準(zhǔn)確確性。②流流體分子運(yùn)運(yùn)動(dòng)的影響響顆粒直徑小小于2~3μm以下時(shí)，抑抑制重力沉沉降。