非均相混合物分離優(yōu)秀公開(kāi)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(shí)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(diǎn)掌握的內(nèi)容23.1概述一、非均相混合物的分類(lèi)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(lèi)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(duì)運(yùn)動(dòng)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(guò)濾沉降5

1.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)懸浮物系分離的過(guò)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(guò)濾

流體相對(duì)于固體顆粒床層運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)固液分離的過(guò)程。依實(shí)現(xiàn)過(guò)濾操作的外力不同，過(guò)濾操作又可分為6過(guò)濾重力過(guò)濾加壓過(guò)濾真空過(guò)濾離心過(guò)濾過(guò)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(gè)參數(shù)來(lái)描述其特性。

(1)體積當(dāng)量直徑實(shí)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(shí)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(lái)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(chēng)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(shí)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(guò)的面積，稱(chēng)為床層的自由截面面積。3.2.3流體通過(guò)床層流動(dòng)的壓降（p155）

一、床層的簡(jiǎn)化模型簡(jiǎn)化模型是將床層中不規(guī)則的通道假設(shè)成長(zhǎng)度為L(zhǎng)、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(dòng)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(shí)際流速空塔速度將代入上式，得到二、流體通過(guò)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(shí)驗(yàn)測(cè)定（p156）康采尼方程適用條件：18當(dāng)Reb＜20

時(shí)，流動(dòng)基本為層流，式中等號(hào)右邊第二項(xiàng)可忽略；當(dāng)Reb＞1000

時(shí)，流動(dòng)為湍流，式中等號(hào)右邊第一項(xiàng)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(jì)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(jì)算Δpf

又由于Reb

＜20，用歐根公式計(jì)算Δpf

時(shí)，可忽略式中等號(hào)右邊第二項(xiàng)，于是22在外力場(chǎng)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(duì)運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)非均相混合物分離的操作稱(chēng)為沉降分離。根據(jù)外力場(chǎng)的不同，沉降分離分為重力沉降和離心沉降；根據(jù)沉降過(guò)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(chǔ)知識(shí)23分析顆粒運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)定律，上述三個(gè)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(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度ut稱(chēng)為沉降速度。由于這個(gè)速度是加速階段終了時(shí)顆粒相對(duì)于流體的速度，故又稱(chēng)為“終端速度”。沉降速度（p133）m/sm/s26對(duì)球形顆粒關(guān)系曲線(xiàn)大致可分為三個(gè)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(guò)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(yùn)動(dòng)情況圖3.3.2幾種除塵設(shè)備簡(jiǎn)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(diǎn)，選定旋風(fēng)分離器的形式，而后通過(guò)計(jì)算決定尺寸與個(gè)數(shù)。旋風(fēng)分離器計(jì)算的主要依據(jù)有三個(gè)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(guò)濾操作動(dòng)畫(huà)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(jiǎn)介3.4固體流態(tài)化（p178）37將大量固體顆粒懸浮于流動(dòng)的流體之中，并在流體作用下使顆粒作翻滾運(yùn)動(dòng)，類(lèi)似于液體的沸騰，故稱(chēng)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(shí)現(xiàn)某些化學(xué)反應(yīng)、物理加工乃至顆粒的輸送等過(guò)程。當(dāng)一種流體自下而上流過(guò)顆粒床層時(shí)，隨著流速的加大，會(huì)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(shí)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(diǎn)為固體顆粒均勻地分散在流化介質(zhì)中，故亦稱(chēng)均勻流化。當(dāng)流速增大時(shí)，床層逐漸膨脹而沒(méi)有氣泡產(chǎn)生，顆粒彼此分開(kāi)，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(dòng)的不穩(wěn)定界面，床層壓強(qiáng)降也隨之作相應(yīng)的波動(dòng)。對(duì)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(shí)際流化床的壓強(qiáng)降圖3-3實(shí)際流化床的Δp-u關(guān)系曲線(xiàn)駝峰43圖3-4氣體流化床類(lèi)似液體的特性二、類(lèi)似液體的特點(diǎn)44流化床中兩相流動(dòng)特點(diǎn)：①顆粒軸向混合為主，系統(tǒng)顆?；旌暇鶆颍虎跍囟?、濃度分布均勻，避免局部過(guò)熱；③但溫度、濃度均勻會(huì)使床層內(nèi)傳熱、傳質(zhì)推動(dòng)力下降，反應(yīng)進(jìn)行得不完全；④易于連續(xù)自動(dòng)操作。三、流化床中的兩相流動(dòng)45騰涌現(xiàn)象圖3-5騰涌發(fā)生后Δp-u關(guān)系曲線(xiàn)四、流化床的不正常現(xiàn)象462.溝流現(xiàn)象圖3-6溝流發(fā)生后Δp-u關(guān)系曲線(xiàn)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u(mài)mf，而最大氣速又不得超過(guò)顆粒的沉降速度，以免顆粒被氣流帶走。

1．實(shí)測(cè)法

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

測(cè)定時(shí)常用空氣作流化介質(zhì)，最后根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的不同條件將測(cè)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(xiàn)。臨界流化速度492.計(jì)算法

混合顆粒床層的umf計(jì)算式（p183）粒徑較小、Rep<20時(shí)，大顆粒、Rep>1000時(shí)，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(duì)于小顆粒

對(duì)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(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度ut稱(chēng)為沉降速度。由于這個(gè)速度是加速階段終了時(shí)顆粒相對(duì)于流體的速度，故又稱(chēng)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(duì)細(xì)顆粒

流化床實(shí)際操作速度與臨界流化速度的比值稱(chēng)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(duì)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(dòng)以輸送粉粒狀固體的方法稱(chēng)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(shí)，也可采用其他惰性氣體。3.4.5氣力輸送簡(jiǎn)介（p186）55①系統(tǒng)密閉，避免了物料的飛揚(yáng)、受潮、受污染，也改善了勞動(dòng)條件；②可在輸送過(guò)程中(或輸送終端)同時(shí)進(jìn)行粉碎、分級(jí)、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(xiàn)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(shí)現(xiàn)連續(xù)化、自動(dòng)化操作，便于同連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程相銜接。氣力輸送的優(yōu)點(diǎn)56與其他機(jī)械輸送方法相比存在的缺點(diǎn)：

1.動(dòng)力消耗較大；

2.顆粒尺寸受到一定限制(<30mm)；

3.在輸送過(guò)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(yùn)動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生靜電的物料。氣力輸送的缺點(diǎn)571.吸引式1—吸嘴2—輸送管3—一次旋風(fēng)分離器4—料倉(cāng)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(lèi)

一、按氣流壓強(qiáng)分類(lèi)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(cāng)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(lèi)

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(chēng)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(shí)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(shí)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