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(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。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(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)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(dāng)量直徑和形狀系數(shù)描述。⑴體積當(dāng)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(shí)際顆粒的體積等于當(dāng)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(gè)數(shù)或質(zhì)量。篩分分析：⑴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。⑶篩分單位→目數(shù)（篩孔大?。?，指每英寸長(zhǎng)度篩網(wǎng)上的孔數(shù)。⑵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0.0042in，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(guò)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(guò)，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(diǎn)：。精品資料概念(gàiniàn)－顆粒床層4.流體(liútǐ)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①細(xì)管的全部流動(dòng)空間＝顆粒床層的空隙容積。②細(xì)管的內(nèi)表面積＝顆粒床層的全部表面積。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(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?；蚱鞅诘挠绊懗两担簩儆诹黧w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：①流體靜止，顆粒相對(duì)于流體作沉降或浮升運(yùn)動(dòng)。②顆粒靜止，流體對(duì)固體作繞流。③固體和流體都運(yùn)動(dòng)，但二者保持一定的相對(duì)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(shí)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(guò)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(guò)渡區(qū)→內(nèi)摩擦力和形體阻力均有。。⑵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。⑶器壁效應(yīng)容器壁面和底面增加顆粒沉降阻力→實(shí)際沉降速度＜自由沉降速度。⑷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。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(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)。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(jí)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(lái)的最小顆粒尺寸計(jì)算。⑵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，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。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(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)(yùndòng)的徑向速度，方向?yàn)檠匕霃较蛲?。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(xì)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(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。①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(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。⑵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。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(jí)效率曲線分割粒徑→粒級(jí)效率恰為50%的顆粒直徑?？傂柿＜?jí)效率精品資料沉降(chénjiàng)分離－旋風(fēng)分離器③壓強(qiáng)(yāqiáng)降⑵旋風(fēng)分離器→。⑴標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(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)）精品資料過(guò)濾(guòl(fā)ǜ)－概念1.過(guò)濾(guòl(fā)ǜ)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，顆粒被截留在介質(zhì)上，實(shí)現(xiàn)固液分離。過(guò)濾①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。精品資料過(guò)濾(guòl(fā)ǜ)－概念過(guò)濾(guòl(fā)ǜ)方式→餅層過(guò)濾(guòl(fā)ǜ)和深床過(guò)濾(guòl(fā)ǜ)架橋現(xiàn)象②過(guò)濾方式⑴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。⑵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。精品資料過(guò)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(guò)濾，如細(xì)砂等。⑶多孔固體介質(zhì)→具有很多微細(xì)孔道的固體材料，截?cái)r1～3顆粒。③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。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(dòng)阻力恒定。精品資料過(guò)濾(guòl(fā)ǜ)－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)(shùxué)關(guān)系。1.濾液通過(guò)濾餅的流動(dòng)濾液流動(dòng)特點(diǎn)→①流道為細(xì)小、曲折和不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；②非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；③層流。精品資料過(guò)濾－基本(jīběn)方程2.過(guò)濾速率(sùlǜ)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)濾速率過(guò)濾速度3.濾餅阻力R→濾餅阻力；r→濾餅比阻精品資料過(guò)濾(guòl(fā)ǜ)－基本方程4.過(guò)濾(guòl(fā)ǜ)介質(zhì)阻力→過(guò)濾介質(zhì)的當(dāng)量濾餅厚度或虛擬濾餅厚度。過(guò)濾意義：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。精品資料過(guò)濾(guòl(fā)ǜ)－基本方程5.過(guò)濾的基本(jīběn)方程假定1m3濾液→濾餅體積為m3，過(guò)濾基本方程s→濾餅壓縮指數(shù)→過(guò)濾介質(zhì)的當(dāng)量濾液體積或虛擬濾液體積精品資料過(guò)濾(guòl(fā)ǜ)－基本方程6.應(yīng)用(yìngyòng)①恒壓過(guò)濾（最常見(jiàn)）恒壓過(guò)濾方程精品資料過(guò)濾(guòl(fā)ǜ)－基本方程②恒速過(guò)濾(guòl(fā)ǜ)（過(guò)濾(guòl(fā)ǜ)初期）不可壓縮濾餅恒速過(guò)濾時(shí)，壓強(qiáng)差隨過(guò)濾時(shí)間成線性增加。精品資料過(guò)濾(guòl(fā)ǜ)－基本方程③復(fù)合式過(guò)濾(guòl(fā)ǜ)（先恒速后恒壓）→恒速段終了瞬間的濾液體積?！闼俣谓K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→恒壓段的濾液體積?！銐憾蔚倪^(guò)濾時(shí)間。精品資料過(guò)濾(guòl(fā)ǜ)－基本方程④過(guò)濾(guòl(fā)ǜ)常數(shù)的測(cè)定恒壓過(guò)濾→測(cè)定壓縮性指數(shù)，（P179，例3-10）精品資料過(guò)濾(guòl(fā)ǜ)－設(shè)備1.板框壓濾機(jī)排列(páiliè)方式→（1－2－3－2）－（1－2－3－2）－…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）精品資料過(guò)濾(guòl(fā)ǜ)－設(shè)備過(guò)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(guò)濾面積。②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。精品資料過(guò)濾(guòl(fā)ǜ)－設(shè)備3.轉(zhuǎn)筒真空(zhēnkōng)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。精品資料過(guò)濾(guòl(fā)ǜ)－設(shè)備4.離心機(jī)常速離心機(jī)→高速(ɡāosù)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濁液精品資料過(guò)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(shí)間內(nèi)消耗的洗水體積。洗滌時(shí)間→。1.置換洗滌法2.橫穿洗滌法精品資料過(guò)濾(guòl(fā)ǜ)－過(guò)濾(guòl(fā)ǜ)機(jī)生產(chǎn)能力1.間歇(jiànxiē)過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力2.連續(xù)過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力板框壓濾機(jī)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(dòng)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(yùn)動(dòng)。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(shí)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(qiáng)降理想流化床關(guān)系固定床→流化床→壓強(qiáng)降不變氣流輸送：密相→稀相；兩相同向流動(dòng)精品資料固體(gùtǐ)流態(tài)化⑴駝峰BCD→因顆粒靠緊需要更大的推動(dòng)力；⑵DE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；⑶臨界點(diǎn)位移→臨界流化速度和臨界空隙率；⑷壓強(qiáng)降波動(dòng)→氣泡運(yùn)動(dòng)、