非均相混合物分離優(yōu)秀公開課

第3章

非均相混合物的分離及固體流態(tài)化3.1概述3.2顆粒及顆粒床層的特性3.3沉降分離基礎(chǔ)知識3.4固體流態(tài)化11.描述非球形顆粒的參數(shù)2.顆粒沉降階段劃分3.沉降速度（帶出速度）4.固體流態(tài)化的基本概念5.流化床的主要特征6.流化床的操作范圍本章應(yīng)重點掌握的內(nèi)容23.1概述一、非均相混合物的分類二、非均相混合物的分離方法三、非均相混合物分離的目的3根據(jù)連續(xù)相的狀態(tài)，非均相物系分為兩種類型：①氣態(tài)非均相物系，如含塵氣體、含霧氣體等；②液態(tài)非均相物系，如懸浮液、乳濁液及泡沫液等。機(jī)械分離方法，即利用非均相混合物中兩相的物理性質(zhì)（如密度、顆粒形狀、尺寸等）的差異，使兩相之間發(fā)生相對運動而使其分離。二、非均相混合物的分離方法機(jī)械分離方法過濾沉降5

1.沉降顆粒相對于流體(靜止或運動)運動而實現(xiàn)懸浮物系分離的過程。沉降操作的作用力沉降離心沉降重力沉降重力慣性離心力

2.過濾

流體相對于固體顆粒床層運動而實現(xiàn)固液分離的過程。依實現(xiàn)過濾操作的外力不同，過濾操作又可分為6過濾重力過濾加壓過濾真空過濾離心過濾過濾操作的外力重力壓強(qiáng)差壓強(qiáng)差慣性離心力非均相混合物分離的應(yīng)用：①收集分散物質(zhì)；②凈化連續(xù)介質(zhì)；③環(huán)境保護(hù)與安全生產(chǎn)。三、非均相混合物分離的目的71.

球形顆粒比表面積

體積

表面積

球形顆粒的尺寸由直徑d確定。3.2.1

顆粒的特性（p131）

一、單一顆粒特性m3m2m2/m39需要大小和形狀兩個參數(shù)來描述其特性。

(1)體積當(dāng)量直徑實際顆粒的體積VP

等于當(dāng)量球形顆粒的體積V，則體積當(dāng)量直徑de定義為(2)球形度

顆粒的實際表面積與該顆粒體積相等的球體的表面積非球形顆粒球形顆粒，,m2.

非球形顆粒10比表面積體積表面積一、單一顆粒特性m3m2m2/m3非球形顆粒的特性參數(shù)，即11由顆粒群堆積成的床層疏密程度可用空隙率來表示，其定義如下:影響空隙率ε值的因素非常復(fù)雜，諸如顆粒的大小、形狀、粒度分布與充填方式等。一般亂堆床層的空隙率在0.47～0.70之間。3.2.2顆粒床層的特性（p153）

一、床層的空隙率13單位床層體積具有的顆粒表面積稱為床層的比表面積ab(m2/m3)。若忽略顆粒之間接觸面積的影響，則式中

a——顆粒的比表面積，m2/m3床層的比表面積也可用顆粒的堆積密度估算，即顆粒的堆積密度顆粒的真實密度二、床層的比表面積14床層截面上未被顆粒占據(jù)的、流體可以自由通過的面積，稱為床層的自由截面面積。3.2.3流體通過床層流動的壓降（p155）

一、床層的簡化模型簡化模型是將床層中不規(guī)則的通道假設(shè)成長度為L、當(dāng)量直徑為deb

的一組平行細(xì)管，并且規(guī)定：①細(xì)管的全部流動空間等于顆粒床層的空隙容積；②細(xì)管的內(nèi)表面積等于顆粒床層的全部表面積。三、床層的自由截面積15流體在床層內(nèi)的實際流速空塔速度將代入上式，得到二、流體通過床層壓降的數(shù)學(xué)描述17康采尼（Kozeny）方程床層雷諾數(shù)定義

三、模型參數(shù)的實驗測定（p156）康采尼方程適用條件：18當(dāng)Reb＜20

時，流動基本為層流，式中等號右邊第二項可忽略；當(dāng)Reb＞1000

時，流動為湍流，式中等號右邊第一項可忽略。歐根（Ergun）方程適用條件：19解：(1)催化劑的de、φs、床層的ε及ab于是

21(2)空氣流經(jīng)床層的壓降Δpf

首先計算Reb

，判斷流型，然后選用相應(yīng)公式求Δpf

20℃下，空氣的物性參數(shù)為ρ=1.205kg/m3

，

μ=1.81×10-5Pa·s，則由于Reb

＞2，不宜用康采尼公式計算Δpf

又由于Reb

＜20，用歐根公式計算Δpf

時，可忽略式中等號右邊第二項，于是22在外力場作用下，利用分散相和連續(xù)相之間的密度差，使之發(fā)生相對運動而實現(xiàn)非均相混合物分離的操作稱為沉降分離。根據(jù)外力場的不同，沉降分離分為重力沉降和離心沉降；根據(jù)沉降過程中顆粒是否受到其他顆粒或器壁的影響而分為自由沉降和干擾沉降。3.3沉降分離基礎(chǔ)知識23分析顆粒運動情況：加速度最大阻力加速度加速度=0加速度=0加速段勻速段根據(jù)牛頓第二運動定律，上述三個力的合力等于顆粒的質(zhì)量m與其加速度a的乘積：Fg–Fb–Fd=ma，或25等速階段中顆粒相對于流體的運動速度ut稱為沉降速度。由于這個速度是加速階段終了時顆粒相對于流體的速度，故又稱為“終端速度”。沉降速度（p133）m/sm/s26對球形顆粒關(guān)系曲線大致可分為三個區(qū)域：為層流區(qū)或斯托克斯(Stokes)定律區(qū)斯托克斯公式m/s29為過渡區(qū)或艾侖（Allen）定律區(qū)為湍流區(qū)或牛頓(Newton)定律區(qū)

牛頓公式艾侖公式m/sm/s30二、影響沉降速度的因素（p135，自學(xué)）(1)流體的粘度(2)顆粒的體積分?jǐn)?shù)(3)器壁效應(yīng)(4)顆粒形狀的影響提示：首先要搞清自由沉降和干擾沉降的含義31旋風(fēng)分離器是利用慣性離心力的作用從氣流中分離出塵粒的設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器圖氣體在旋風(fēng)分離器內(nèi)的運動情況圖3.3.2幾種除塵設(shè)備簡介

1.旋風(fēng)分離器(應(yīng)用最廣的除塵設(shè)備）（p144）32首先根據(jù)系統(tǒng)的物性與任務(wù)的要求，結(jié)合各型設(shè)備的特點，選定旋風(fēng)分離器的形式，而后通過計算決定尺寸與個數(shù)。旋風(fēng)分離器計算的主要依據(jù)有三個方面：㈠含塵氣的體積流量；㈡要求達(dá)到的分離效率；㈢允許的壓強(qiáng)降。四、旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)形式與選用旋風(fēng)分離器的選用332.降塵室343.多層降塵室35過濾操作動畫363.4.1流態(tài)化的基本概念3.4.2流化床的主要特征3.4.3流化床的操作范圍3.4.4提高流化質(zhì)量的措施（自學(xué)）3.4.5氣力輸送簡介3.4固體流態(tài)化（p178）37將大量固體顆粒懸浮于流動的流體之中，并在流體作用下使顆粒作翻滾運動，類似于液體的沸騰，故稱這種狀態(tài)為固體流態(tài)化?；瘜W(xué)工業(yè)中廣泛使用固體流態(tài)化技術(shù)以強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)，并實現(xiàn)某些化學(xué)反應(yīng)、物理加工乃至顆粒的輸送等過程。當(dāng)一種流體自下而上流過顆粒床層時，隨著流速的加大，會出現(xiàn)以下三種不同的情況。稀相輸送床階段流化床階段固定床階段氣速增加一、流態(tài)化現(xiàn)象3.4.1流態(tài)化的基本概念（p178）38不同流速時床層的變化圖(a)固定床(b)初始或臨界流化床(c)散式流化床(d)聚式流化床(e)輸送床流態(tài)化現(xiàn)象示意圖39散式流化散式流化狀態(tài)的特點為固體顆粒均勻地分散在流化介質(zhì)中，故亦稱均勻流化。當(dāng)流速增大時，床層逐漸膨脹而沒有氣泡產(chǎn)生，顆粒彼此分開，顆粒間的平均距離或床層中各處的空隙率均勻增大，床層高度上升，并有一穩(wěn)定的上界面。通常兩相密度差小的系統(tǒng)趨向散式流化，故大多數(shù)液—固流化屬于“散式流化”。散式流化二、兩種不同流化形式40聚式流化床層內(nèi)分為兩相:乳化相和氣泡相。由于氣泡在上界面處破裂，所以上界面是以某種頻率上下波動的不穩(wěn)定界面，床層壓強(qiáng)降也隨之作相應(yīng)的波動。對于密度差較大的氣－固流化系統(tǒng)，一般趨向于形成聚式流化。聚式流化41理想流化床的壓強(qiáng)降圖3-2理想流化床的Δp-u關(guān)系圖3.4.2流化床的主要特征（p180）

一、恒定的壓強(qiáng)降422.實際流化床的壓強(qiáng)降圖3-3實際流化床的Δp-u關(guān)系曲線駝峰43圖3-4氣體流化床類似液體的特性二、類似液體的特點44流化床中兩相流動特點：①顆粒軸向混合為主，系統(tǒng)顆粒混合均勻；②溫度、濃度分布均勻，避免局部過熱；③但溫度、濃度均勻會使床層內(nèi)傳熱、傳質(zhì)推動力下降，反應(yīng)進(jìn)行得不完全；④易于連續(xù)自動操作。三、流化床中的兩相流動45騰涌現(xiàn)象圖3-5騰涌發(fā)生后Δp-u關(guān)系曲線四、流化床的不正?，F(xiàn)象462.溝流現(xiàn)象圖3-6溝流發(fā)生后Δp-u關(guān)系曲線47要使固體顆粒床層在流化狀態(tài)下操作，必須使氣速高于臨界流速umf，而最大氣速又不得超過顆粒的沉降速度，以免顆粒被氣流帶走。

1．實測法

測取流化床回到固定床的一系列壓降與氣體流速的對應(yīng)數(shù)值。

測定時常用空氣作流化介質(zhì)，最后根據(jù)實際生產(chǎn)中的不同條件將測得的值加以校正。3.4.3流化床的操作范圍（p182）一、臨界流化速度umf48可得到如下圖

的曲線。臨界流化速度492.計算法

混合顆粒床層的umf計算式（p183）粒徑較小、Rep<20時，大顆粒、Rep>1000時，50顆粒帶出速度即顆粒的沉降速度（p135各種情況下的沉降速度公式）二、帶出速度二、帶出速度（=沉降速度）粒度分布較均勻的混合顆粒床層的umf估算式對于小顆粒

對于大顆粒注意：上二式不能用于粒度差異懸殊的顆粒群51沉降速度（=帶出速度）等速階段中顆粒相對于流體的運動速度ut稱為沉降速度。由于這個速度是加速階段終了時顆粒相對于流體的速度，故又稱為“終端速度”。式中ut——顆粒的自由沉降速度，m/s；

d——顆粒直徑，m；

ρs，ρ——分別為顆粒、流體的密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2;ζ——阻力系數(shù)52沉降速度公式匯總m/s斯托克斯公式m/s基本公式牛頓公式艾侖公式m/sm/s53帶出速度與臨界流化速度的比值反映了流化床的可操作范圍。對細(xì)顆粒

流化床實際操作速度與臨界流化速度的比值稱為流化數(shù)，通常范圍在10～90之間（特殊情況可達(dá)數(shù)百）。

三、流化床的操作范圍（p184）對大顆粒

3.4.4提高流化質(zhì)量的措施（自學(xué)）（上限值）（下限值）54利用氣體在管內(nèi)流動以輸送粉粒狀固體的方法稱為氣力輸送。氣力輸送輸送介質(zhì)最常用的輸送介質(zhì)是空氣，但在輸送易燃易爆粉料時，也可采用其他惰性氣體。3.4.5氣力輸送簡介（p186）55①系統(tǒng)密閉，避免了物料的飛揚、受潮、受污染，也改善了勞動條件；②可在輸送過程中(或輸送終端)同時進(jìn)行粉碎、分級、加熱、冷卻以及干燥等操作；③占地面積小，可以根據(jù)具體條件靈活地安排線路，例如，可以水平、垂直或傾斜地裝置管路；④設(shè)備緊湊，易于實現(xiàn)連續(xù)化、自動化操作，便于同連續(xù)的生產(chǎn)過程相銜接。氣力輸送的優(yōu)點56與其他機(jī)械輸送方法相比存在的缺點：

1.動力消耗較大；

2.顆粒尺寸受到一定限制(<30mm)；

3.在輸送過程中物料易于破碎；

4.管壁也受到一定程度的磨損；

5.不適于輸送粘附性物料或高速運動時易產(chǎn)生靜電的物料。氣力輸送的缺點571.吸引式1—吸嘴2—輸送管3—一次旋風(fēng)分離器4—料倉5—二次旋風(fēng)分離器6—抽風(fēng)機(jī)吸引式氣力輸送裝置圖氣力輸送分類

一、按氣流壓強(qiáng)分類58壓送式氣力輸送裝置圖1—回轉(zhuǎn)式供料器2—壓氣機(jī)械3—料斗4—輸料管5—旋風(fēng)分離器6—料倉2.壓送式59混合比R（或固氣比）單位質(zhì)量氣體所輸送的固體質(zhì)量，即二、按氣流中固相濃度分類

1.稀相輸送

混合比在25以下（通常R=0.1～5）的氣力輸送為稀相輸送。

2.密相輸送

混合比大于25的氣力輸送稱為密相輸送。在密相輸送中，固體顆粒呈集團(tuán)狀態(tài)。601-發(fā)送罐2-氣相密封插板3-料斗4-氣體分配器

5-脈沖發(fā)生器和電磁閥6-輸送管道7-受槽8-袋濾器脈沖式密相輸送裝置圖61【例3-2】欲使顆粒群直徑范圍為50~175μm、平均粒徑dp為98μm的固體顆粒床層流化，同時必須避免顆粒的帶出，求允許空塔氣速的最小和最大值。已知條件：固體顆粒密度為1000kg/m3，顆粒的球形度為1，初始流化時床層的空隙率為0.4，流化空氣溫度為20℃，流化床在常壓下操作。解：由附錄五