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(guò)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(duì)運(yùn)動(dòng)），掌握非均相物系的機(jī)械分離方法、過(guò)程計(jì)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(duì)于流體(靜止或運(yùn)動(dòng))運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)懸浮物系分離，作用力是重力或離心力。過(guò)濾流體相對(duì)于固體顆粒床層運(yùn)

2、動(dòng)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)保考慮概念顆粒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(gè)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩。 篩分單位目數(shù)（篩孔大?。该坑⒋玳L(zhǎng)度篩網(wǎng)上的孔數(shù)。 篩分過(guò)程篩留物（篩余量）和篩過(guò)物（篩過(guò)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(guò)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(guò)，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(guò)顆粒床層的壓強(qiáng)降（建模法）簡(jiǎn)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(dòng)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(dòng)空間細(xì)管的全部?jī)?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(guò)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(chǎng)中，因分散相和連續(xù)相之間存在密度差，使之發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)非均相物系分離。重力沉降離心沉降外力場(chǎng)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(duì)于顆粒的繞流問(wèn)題；流固間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有三種情形： 流體靜止，顆粒相對(duì)于流體作沉降或浮升運(yùn)動(dòng)。 顆粒靜止，流體對(duì)固體作繞流。 固體和流體都運(yùn)動(dòng)，但二者保持一定的相對(duì)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(shí)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(guò)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(guò)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(duì)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(guò)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(dòng)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(wú)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(jí)器（自習(xí)）多層降塵室 沉降速度根據(jù)需要完全分離下來(lái)的最小顆粒尺寸計(jì)算。 氣體在降塵室內(nèi)的速度不應(yīng)過(guò)高層流。單層降塵室優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，流動(dòng)阻力?。蝗秉c(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(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)外旋流下行的螺旋形氣流。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)，切向速度為進(jìn)口氣速。 顆粒必須穿過(guò)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(jí)效率曲線50s0.27iDdu分割粒徑粒級(jí)效率恰為50%的顆粒直徑?？傂柿＜?jí)效率沉降分離旋風(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(guò)計(jì)算決定其尺寸與個(gè)數(shù)。旋風(fēng)分離器的計(jì)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(guò)濾概念 1. 過(guò)濾過(guò)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(guò)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(guò)濾 過(guò)濾注意：工程上常用的過(guò)濾是以壓強(qiáng)差為推動(dòng)力。過(guò)濾概念過(guò)濾方式餅層過(guò)濾和深床過(guò)濾架橋現(xiàn)象 過(guò)濾方式 餅層過(guò)濾過(guò)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(guò)濾介質(zhì)。處理固相體積分?jǐn)?shù)1%的懸浮液。 深床過(guò)濾顆粒不形成濾餅，沉積在較厚的過(guò)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(guò)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(guò)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?cái)r13 顆粒。 過(guò)濾介質(zhì)過(guò)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(dòng)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(guò)濾進(jìn)行濾餅厚度，流動(dòng)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(dòng)阻力恒定。過(guò)濾基本方程過(guò)濾基本方程描述過(guò)濾速率與過(guò)濾推動(dòng)力、過(guò)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(guò)濾餅的流動(dòng)濾液流動(dòng)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(dòng)； 層流。3c2251puLa 22315a upLf/速度推動(dòng)力 阻力過(guò)濾基本方程2. 過(guò)濾速率和過(guò)濾速度過(guò)濾速率單位時(shí)間內(nèi)獲得的濾液體積。過(guò)濾速度單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位過(guò)濾面積的濾液體積。過(guò)濾速率3c22dd51pVuALa 3c22dd51A pVLa過(guò)濾速

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

17、體積過(guò)濾基本方程6. 應(yīng)用 恒壓過(guò)濾（最常見(jiàn)）1kr 1 s2Kk p2edd2VKAVVVVqqAAee；222VKAqKConstp ；濾餅，阻力，過(guò)濾速率2VAprVV 1edd-s22e2VV VKA2e2qq qK恒壓過(guò)濾方程eeKVq過(guò)濾常數(shù)、和過(guò)濾基本方程 恒速過(guò)濾（過(guò)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(guò)濾時(shí)，壓強(qiáng)差隨過(guò)濾時(shí)間成線性增加。過(guò)濾基本方程 復(fù)合式過(guò)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(guò)濾時(shí)間。恒壓階段的過(guò)濾方程先恒速后恒壓過(guò)濾21eddsVkApVVRR21eddVsVVVVkAp222ReRR2VVV VVKARVVR恒壓段的濾液體積。恒壓段的過(guò)濾時(shí)間。過(guò)濾基本方程 過(guò)濾常數(shù)的測(cè)定恒壓過(guò)濾e12qKKqq12sKk plglg1lg 2Kpsk測(cè)定壓縮性指數(shù)，eeKVq過(guò)濾常數(shù)、與eeKVq由斜率和截距、與（P179，例3-10）2e2qq qK過(guò)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(guò)濾機(jī)板框壓濾機(jī) 和加壓葉濾機(jī)連續(xù)過(guò)濾機(jī)轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)壓濾機(jī)吸濾機(jī)離心過(guò)濾機(jī)壓強(qiáng)差濾板和濾框（型號(hào)：BMY50/810-25）

19、過(guò)濾設(shè)備過(guò)濾階段洗滌階段（橫穿洗滌法） 洗水通道面積0.5過(guò)濾面積。 洗水流經(jīng)長(zhǎng)度2過(guò)濾終了時(shí)濾液流經(jīng)長(zhǎng)度。2. 加壓葉濾機(jī)（自學(xué)）洗滌時(shí)采用置換洗滌法。過(guò)濾設(shè)備3. 轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，在轉(zhuǎn)筒表面不同位置上依次進(jìn)行過(guò)濾吸干洗滌吹松卸餅操作。優(yōu)點(diǎn)連續(xù)自動(dòng)操作，生產(chǎn)能力大，適宜處理量大而容易過(guò)濾的濾漿。缺點(diǎn)附屬設(shè)備多，費(fèi)用大，過(guò)濾面積不大，過(guò)濾推動(dòng)力有限。過(guò)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(guò)濾離心機(jī)（自學(xué)）分離膠體顆粒和破壞乳

20、濁液過(guò)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(shí)間內(nèi)消耗的洗水體積。VWdd洗滌時(shí)間 。VVWWWdd1-eddsVpArLL22VVKAVVWEedddd2148VVKAVVWEeddddeeWELLLLeeWE2LLLLW12AAWAA1. 置換洗滌法2. 橫穿洗滌法1-eddsVpArLL過(guò)濾過(guò)濾機(jī)生產(chǎn)能力1. 間歇過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力wDT36003600VVQTWD2. 連續(xù)過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力60Tn60Tn22eeVVKA2ee60VKAVn22ee606060Qn VKAnnnV465QA Kn360浸沒(méi)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(dòng)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(dòng)。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(shí)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(dòng)固體流態(tài)化 駝峰BCD因顆?？烤o需要更大的推動(dòng)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(dòng) 氣