化工原理 第三章 非均相物系的分離和固體流態(tài)化

第三章非均相物系分離(fēnlí)和固體流態(tài)化概念(gàiniàn)機械分離固體流態(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動），掌握非均相物系的機械分離方法、過程計算及其典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)、特性和選型。精品資料概念(gàiniàn)－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(róngyè)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①非均相物系精品資料概念(gàiniàn)－非均相物系②非均相物系的分離(fēnlí)方法機械分離沉降→顆粒相對于流體(靜止或運動)運動而實現(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動而實現(xiàn)固液分離，作用力是重力、壓強差或離心力。非均相物系分離目的→收集分散相、凈化連續(xù)相及環(huán)保考慮精品資料概念(gàiniàn)－顆粒2.顆粒(kēlì)特性（形狀、體積和表面積）①球形顆粒球形顆粒特性只需直徑d描述即可。②非球形顆粒非球形顆粒特性用當量直徑和形狀系數(shù)描述。⑴體積當量直徑（de）比表面積→單位體積顆粒具有的表面積。等效依據(jù)→實際顆粒的體積等于當量球形顆粒的體積。精品資料概念(gàiniàn)－顆粒⑵形狀(xíngzhuàn)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。精品資料概念(gàiniàn)－顆粒3.顆粒(kēlì)群特性①粒徑分布粒徑分布→不同粒徑范圍內(nèi)所含粒子的個數(shù)或質(zhì)量。篩分分析：⑴標準篩→泰勒標準篩、日本JIS標準篩和德國標準篩。⑶篩分單位→目數(shù)（篩孔大?。?，指每英寸長度篩網(wǎng)上的孔數(shù)。⑵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0.0042in，精品資料概念(gàiniàn)－顆粒②顆粒(kēlì)群的平均粒徑顆粒群的平均粒徑→常用平均比表面積直徑，即Sauter直徑。顆粒群的平均粒徑精品資料概念(gàiniàn)－顆粒床層1.床層空隙(kòngxì)率床層空隙率（ε）→表征顆粒群堆積而成的床層疏密程度。2.床層比表面積影響因素→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0.47～0.7。精品資料概念(gàiniàn)－顆粒床層3.床層自由(zìyóu)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。③壁效應(yīng)：因壁面處床層ε>床層內(nèi)部ε，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。①床層特性：各向同性。②各向同性床層特點：。精品資料概念(gàiniàn)－顆粒床層4.流體(liútǐ)通過顆粒床層的壓強降（建模法）簡化模型：床層中不規(guī)則的通道→一組平行細管（L、de），規(guī)定①細管的全部流動空間＝顆粒床層的空隙容積。②細管的內(nèi)表面積＝顆粒床層的全部表面積。流體通道：細小、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降公式精品資料概念(gàiniàn)－顆粒床層⑴康采尼（Kozeny）方程(fāngchéng)⑵歐根（Ergun）方程精品資料沉降(chénjiàng)分離－重力沉降(chénjiàng)1.沉降(chénjiàng)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)生相對運動而實現(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粒或器壁的影響沉降：屬于流體相對于顆粒的繞流問題；流－固間的相對運動有三種情形：①流體靜止，顆粒相對于流體作沉降或浮升運動。②顆粒靜止，流體對固體作繞流。③固體和流體都運動，但二者保持一定的相對速度。精品資料沉降(chénjiàng)分離－重力沉降(chénjiàng)2.重力(zhònglì)沉降①球形顆粒的自由沉降顆粒沉降時的受力剛性球形顆粒的沉降速度，即終端速度。精品資料沉降(chénjiàng)分離－重力沉降(chénjiàng)②阻力(zǔlì)系數(shù)⑴層流區(qū)或斯托克斯（Stokes）定律區(qū)

⑵過渡區(qū)或艾侖（Allen）定律區(qū)

⑶湍流區(qū)或牛頓（Newton）定律區(qū)

（P147,圖3-2）精品資料沉降分離(fēnlí)－重力沉降③沉降速度的影響(yǐngxiǎng)因素⑴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。。⑵顆粒體積分數(shù)顆粒體積分數(shù)<0.2%，偏差＜1%。顆粒體積分數(shù)較高，發(fā)生干擾沉降。⑶器壁效應(yīng)容器壁面和底面增加顆粒沉降阻力→實際沉降速度＜自由沉降速度。⑷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。精品資料沉降(chénjiàng)分離－重力沉降(chénjiàng)④求解(qiújiě)⑴試差法⑵摩擦數(shù)群法精品資料沉降(chénjiàng)分離－重力沉降(chénjiàng)求某介質(zhì)中具有(jùyǒu)ut的顆粒直徑：⑶流型判據(jù)→K值K值判斷流型→避免試差精品資料沉降分離(fēnlí)－重力沉降設(shè)備1.降塵(jiàngchén)室單層降塵室的生產(chǎn)能力降塵室塵粒在降塵室內(nèi)的運動降塵室生產(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)。①單層降塵室精品資料沉降分離(fēnlí)－重力沉降設(shè)備②多層降塵(jiàngchén)室2.沉降槽和分級器（自習(xí)）多層降塵室⑴沉降速度根據(jù)需要完全分離下來的最小顆粒尺寸計算。⑵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：結(jié)構(gòu)簡單，流動阻力??；缺點：體積龐大，分離效率低→預(yù)除塵（大于50的粗顆粒）。多層降塵室優(yōu)點：分離較細顆粒，節(jié)省地面；缺點：清灰麻煩。精品資料沉降(chénjiàng)分離－離心沉降(chénjiàng)1.離心(líxīn)沉降顆粒在離心力場中的運動離心沉降速度精品資料沉降分離(fēnlí)－離心沉降①形式上相似。②離心沉降速度是顆粒運動(yùndòng)的徑向速度，方向為沿半徑向外。③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。精品資料沉降分離(fēnlí)－離心沉降離心分離因數(shù)(yīnshù)離心沉降分離兩相密度差小、細顆粒的非均相物系。層流：①旋風(fēng)或旋液分離器：。②比如，旋轉(zhuǎn)半徑為0.4m、切向速度為20m/s，精品資料沉降(chénjiàng)分離－旋風(fēng)分離器1.旋風(fēng)(xuànfēng)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。標準旋風(fēng)分離器氣體在旋風(fēng)分離器里的運動外旋流→下行的螺旋形氣流。①結(jié)構(gòu)簡單、低成本、操作條件范圍寬、分離效率較高。②③不宜處理黏性粉塵、含濕量高的粉塵及腐蝕性粉塵。精品資料沉降(chénjiàng)分離－旋風(fēng)分離器2.旋風(fēng)(xuànfēng)分離器性能①臨界粒徑假定：⑴進口氣流作嚴格的等速螺旋運動，切向速度為進口氣速。⑵顆粒必須穿過厚度為B的氣流層方能到達壁面而被分離。⑶顆粒在層流下作自由沉降。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。臨界粒徑精品資料沉降(chénjiàng)分離－旋風(fēng)分離器②分離(fēnlí)效率粒級效率曲線分割粒徑→粒級效率恰為50%的顆粒直徑。總效率粒級效率精品資料沉降(chénjiàng)分離－旋風(fēng)分離器③壓強(yāqiáng)降⑵旋風(fēng)分離器→。⑴標準旋風(fēng)分離器：。⑴物系：顆粒的密度大、粒徑大及粉塵濃度高利于分離。⑵操作條件：進口氣速保持在10～25m/s。④旋風(fēng)分離器性能的影響因素精品資料沉降(chénjiàng)分離－旋風(fēng)分離器3.旋風(fēng)(xuànfēng)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，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)）精品資料過濾(guòl(fā)ǜ)－概念1.過濾(guòl(fā)ǜ)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，顆粒被截留在介質(zhì)上，實現(xiàn)固液分離。過濾①過濾注意：工程上常用的過濾是以壓強差為推動力。精品資料過濾(guòl(fā)ǜ)－概念過濾(guòl(fā)ǜ)方式→餅層過濾(guòl(fā)ǜ)和深床過濾(guòl(fā)ǜ)架橋現(xiàn)象②過濾方式⑴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)。處理固相體積分數(shù)＞1%的懸浮液。⑵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。處理細小顆粒、固相體積分數(shù)＜0.1%的懸浮液。精品資料過濾(guòl(fā)ǜ)－概念⑴織物介質(zhì)（濾布）→被截留的顆粒最小直徑(zhíjìng)為5～65。⑵堆積介質(zhì)→多用于深床過濾，如細砂等。⑶多孔固體介質(zhì)→具有很多微細孔道的固體材料，截攔1～3顆粒。③過濾介質(zhì)過濾介質(zhì)→濾餅的支撐物，具有足夠的力學(xué)強度、盡可能小的流動阻力、一定的耐腐蝕性和耐熱性。④濾餅濾餅→由截留下的顆粒堆積而成的床層。⑴根據(jù)顆粒特性→不可壓縮濾餅和可壓縮濾餅。⑵不可壓縮濾餅→單位厚度床層的流動阻力恒定。精品資料過濾(guòl(fā)ǜ)－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)(shùxué)關(guān)系。1.濾液通過濾餅的流動濾液流動特點→①流道為細小、曲折和不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；②非穩(wěn)態(tài)流動；③層流。精品資料過濾－基本(jīběn)方程2.過濾速率(sùlǜ)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。過濾速率過濾速度3.濾餅阻力R→濾餅阻力；r→濾餅比阻精品資料過濾(guòl(fā)ǜ)－基本方程4.過濾(guòl(fā)ǜ)介質(zhì)阻力→過濾介質(zhì)的當量濾餅厚度或虛擬濾餅厚度。過濾意義：用濾液通過串聯(lián)的濾餅與濾布的總壓強降表示過濾推動力；用兩層的阻力之和表示總阻力。精品資料過濾(guòl(fā)ǜ)－基本方程5.過濾的基本(jīběn)方程假定1m3濾液→濾餅體積為m3，過濾基本方程s→濾餅壓縮指數(shù)→過濾介質(zhì)的當量濾液體積或虛擬濾液體積精品資料過濾(guòl(fā)ǜ)－基本方程6.應(yīng)用(yìngyòng)①恒壓過濾（最常見）恒壓過濾方程精品資料過濾(guòl(fā)ǜ)－基本方程②恒速過濾(guòl(fā)ǜ)（過濾(guòl(fā)ǜ)初期）不可壓縮濾餅恒速過濾時，壓強差隨過濾時間成線性增加。精品資料過濾(guòl(fā)ǜ)－基本方程③復(fù)合式過濾(guòl(fā)ǜ)（先恒速后恒壓）→恒速段終了瞬間的濾液體積。→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→恒壓段的濾液體積?！銐憾蔚倪^濾時間。精品資料過濾(guòl(fā)ǜ)－基本方程④過濾(guòl(fā)ǜ)常數(shù)的測定恒壓過濾→測定壓縮性指數(shù)，（P179，例3-10）精品資料過濾(guòl(fā)ǜ)－設(shè)備1.板框壓濾機排列(páiliè)方式→（1－2－3－2）－（1－2－3－2）－…板框壓濾機操作方式間歇過濾機→板框壓濾機和加壓葉濾機連續(xù)過濾機→轉(zhuǎn)筒真空過濾機壓濾機吸濾機離心過濾機壓強差濾板和濾框（型號：BMY50/810-25）精品資料過濾(guòl(fā)ǜ)－設(shè)備過濾(guòl(fā)ǜ)階段洗滌階段（橫穿洗滌法）①洗水通道面積＝0.5×過濾面積。②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（自學(xué)）洗滌時采用置換洗滌法。精品資料過濾(guòl(fā)ǜ)－設(shè)備3.轉(zhuǎn)筒真空(zhēnkōng)過濾機轉(zhuǎn)筒真空過濾機圓筒轉(zhuǎn)動一周時，在轉(zhuǎn)筒表面不同位置上依次進行過濾－吸干－洗滌－吹松－卸餅操作。優(yōu)點→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→附屬設(shè)備多，費用大，過濾面積不大，過濾推動力有限。精品資料過濾(guòl(fā)ǜ)－設(shè)備4.離心機常速離心機→高速(ɡāosù)離心機→超速離心機→離心機→利用離心力分離液態(tài)非均相混合物。沉降離心機、分離離心機和過濾離心機（自學(xué)）分離膠體顆粒和破壞乳濁液精品資料過濾－洗滌(xǐdí)濾餅?zāi)康摹厥諟粼陬w?？p隙間濾液或凈化(jìnghuà)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。洗滌時間→。1.置換洗滌法2.橫穿洗滌法精品資料過濾(guòl(fā)ǜ)－過濾(guòl(fā)ǜ)機生產(chǎn)能力1.間歇(jiànxiē)過濾機的生產(chǎn)能力2.連續(xù)過濾機的生產(chǎn)能力板框壓濾機生產(chǎn)能力（P185，例3-11）（P187，例3-12）精品資料固體(gùtǐ)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(yètǐ)沸騰的翻滾運動。2.流態(tài)化現(xiàn)象固定床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精品資料固體(gùtǐ)流態(tài)化流化(liúhuà)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。散式流化聚式流化精品資料固體(gùtǐ)流態(tài)化3.流化床的主要(zhǔyào)特性①壓強降理想流化床關(guān)系固定床→流化床→壓強降不變氣流輸送：密相→稀相；兩相同向流動精品資料固體(gùtǐ)流態(tài)化⑴駝峰BCD→因顆?？烤o需要更大的推動力；⑵DE向上傾斜→絕大部分壓強降用于平衡床層顆粒的重力，還有一小部分壓強降用于克服顆粒間碰撞以及顆粒與器壁間摩擦；⑶臨界點位移→臨界流化速度和臨界空隙率；⑷壓強降波動→氣泡運動、