非均相混合物分離課件

1、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 具有不同物理性質(zhì)(如密度差別)的分散物質(zhì)和連續(xù)介質(zhì)所組成的物系稱為非均相混合物或非均相物系。非均相混合物分散相或分散物質(zhì)：處于分散狀態(tài)的物質(zhì)，如分散于流體中的固體顆粒、液滴或氣泡。連續(xù)相或連續(xù)介質(zhì)：包圍分散物質(zhì)且處于連續(xù)狀

2、態(tài)的物質(zhì)。 一、非均相混合物的分類（p130）4 根據(jù)連續(xù)相的狀態(tài)，非均相物系分為兩種類型： 氣態(tài)非均相物系，如含塵氣體、含霧氣體等； 液態(tài)非均相物系，如懸浮液、乳濁液及泡沫液等。 機械分離方法，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

3、空過濾離心過濾過濾操作的外力重力壓強差壓強差慣性離心力 非均相混合物分離的應用： 收集分散物質(zhì)； 凈化連續(xù)介質(zhì)； 環(huán)境保護與安全生產(chǎn)。 三、非均相混合物分離的目的73.2 顆粒及顆粒床層的特性3.2.1 顆粒的特性3.2.2 顆粒床層的特性3.2.3 流體通過床層流動的壓降81. 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) 體積當量直徑 實際顆粒的體積 VP 等于當量球形顆粒的體積 V，則體積當量直徑 de 定義為(2) 球形度 顆粒的實際表面積與該顆粒體

4、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 工業(yè)中遇到的顆粒大多是由大小不同的粒子組成的集合體，稱為非均一性粒子或多分散性粒子；而將具有同一粒徑的顆粒稱為單一性粒子或單分散性粒子。 1. 粒度分布 不同粒徑范圍內(nèi)所含粒子的個數(shù)或質(zhì)量，即粒徑分布。二、顆粒群的特性（p152）2. 顆粒的平均直徑 粒群的平均直徑計算式為 xi懸浮物系中分散相的質(zhì)量分數(shù), m12 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: 影響空隙率值的因素非常復雜，諸如顆粒的大小、形狀、粒度分布與

5、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)則的通道假設成長度為 L、當量直徑為 deb 的一組平行細管，并且規(guī)定： 細管

6、的全部流動空間等于顆粒床層的空隙容積； 細管的內(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 在上述簡化條件下，以 1 m3 床層體積為基準，細管的當量直徑 deb可表示為床層空隙率及比表面積 ab 的函數(shù)，即16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 Reb 20 時，流動基本為層流，式中等號右邊第二項可忽略；當 Reb1 000 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【例 3 -1】在橫截面積為

7、 1 m2 的固定床反應器中裝填直徑 d = 3 mm、高度等于直徑的圓柱形催化劑 1 m3。催化劑的質(zhì)量 G = 980 kg，其真密度s = 1760 kg/m3。試求(1) 催化劑的當量直徑 de、球形度s、床層空隙率及 比表面積 ab ；(2) 20的空氣從下向上通過催化劑層，空塔速度 u = 0.2 m/s，空氣流經(jīng)催化劑床層的壓降 pf ?！纠?-1】20解：(1) 催化劑的 de 、s 、床層的及 ab于是 21(2) 空氣流經(jīng)床層的壓降pf 首先計算 Reb ，判斷流型，然后選用相應公式求pf 20下，空氣的物性參數(shù)為 = 1.205 kg/m3 ， = 1.8110 -5 P

8、as ，則由于 Reb 2，不宜用康采尼公式計算pf 又由于 Reb 20，用歐根公式計算pf 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?；蚱鞅诘挠绊懚譃樽杂沙两岛透蓴_沉降。3.3 沉降分離基礎知識23一、沉降速度沉降顆粒的受力情況圖3.3.1 重力沉降一、沉降速度1.球形顆粒的自由沉降（p132）顆粒受到三個力 重力浮力阻力阻力系數(shù)或曳力系數(shù)24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

9、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 通過量綱分析可知， 是顆粒與流體相對運動時雷諾數(shù)Ret 和球形度 s 的函數(shù)，即 隨 Ret 及 s 變化的實驗測定結(jié)果見下圖。2.阻力系數(shù) 27 關系曲線圖28 對球形顆粒 關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

10、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）(1)流體的粘度(2)顆粒的體積分數(shù)(3)器壁效應(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備。標準旋風分離器圖氣體在旋風分離器內(nèi)的運動情況圖3.3.2 幾種除塵設備簡介1.旋風分離器(應用最廣的除塵設備）（p144）32 首先根據(jù)系統(tǒng)的物性與任務的要求，結(jié)合各型設備的特點，選定旋風分離器的形式，而后通過計算決定尺寸與個數(shù)。 旋風分離器計算的主要依據(jù)有三個方面： 含塵氣的體積流量； 要求達到的分離效率； 允許的壓強降。四

11、、旋風分離器的結(jié)構(gòu)形式與選用旋風分離器的選用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）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。化學工業(yè)中廣泛使用固體流態(tài)化技術以強化傳熱、傳質(zhì)，并實現(xiàn)某些化學反應、物理加工乃至顆粒的輸送等過程。 當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

12、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

13、是以某種頻率上下波動的不穩(wěn)定界面，床層壓強降也隨之作相應的波動。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理想流化床的壓強降圖 3-2 理想流化床的 p-u 關系圖3.4.2 流化床的主要特征（p180）一、恒定的壓強降422. 實際流化床的壓強降圖 3-3 實際流化床的p-u 關系曲線駝峰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： 顆粒軸向混合為主，系統(tǒng)顆?；旌暇鶆?； 溫度、濃度分布均勻，避免局部過熱； 但溫度、濃度均勻會使床層內(nèi)傳熱、傳質(zhì)推動力下降，反應進行得不完全； 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

14、圖3-5 騰涌發(fā)生后p-u 關系曲線四、流化床的不正?，F(xiàn)象462. 溝流現(xiàn)象圖3-6 溝流發(fā)生后p-u 關系曲線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、Rep1000時，50 顆粒帶出速度即顆粒的

15、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； s，分別為顆粒、流體的密度，kg/m3； g重力加速度，m/s2; 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

16、反映了流化床的可操作范圍。 對細顆粒 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1090之間（特殊情況可達數(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）（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）55 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； 可在輸送過程中(或輸送終端)同時進行粉碎、分級、加熱、冷卻以及干燥等操作； 占地面積小，可以根據(jù)具體條件靈活地安

17、排線路，例如，可以水平、垂直或傾斜地裝置管路； 設備緊湊，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( 30 mm)； 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 3一次旋風分離器 4料倉 5二次旋風分離器 6抽風機吸引式氣力輸送裝置圖氣力輸送分類一、按氣流壓強分類58壓送式氣力輸送裝置圖1回轉(zhuǎn)式供料器 2壓氣機械 3料斗 4輸料管 5旋風分離器 6料倉2. 壓送

18、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 50 175 m、平均粒徑 dp 為 98m 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 1000

19、 kg/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 查得 20 空氣的粘度= 0.0181 mPas、密度= 1.205 kg/m3。允許最小氣速就是用平均粒徑計算的 umf 。假定顆粒的雷諾數(shù) Rep20，依講義p182式 3 -94可以寫出臨界流化速度為【例3-2】62（20） 校核雷諾數(shù)： 63 為了避免顆粒帶出，其最大氣速不能超過床層最小顆粒的帶出速度 ut ，因此，用 dp = 50m 計算帶出速度。先假定顆粒沉降屬于層流區(qū)，其沉降速度用斯托克斯公式計算，即 復核流型： 64 可見，這兩個速度的比值為 201，