南工大化工原理第三章顆粒流體力學(xué)基礎(chǔ)與機(jī)械分離課件

第三章顆粒流體力學(xué)基礎(chǔ)與機(jī)械分離非均相物系：

物系內(nèi)部存在相界面，為多相混合物氣態(tài)非均相物系：含塵氣體含霧氣體液態(tài)非均相物系：懸浮液乳濁液泡沫非均相體系的應(yīng)用與研究分離混合輸送滲流射流超常顆粒流體行為計(jì)算顆粒流體力學(xué)

分散相（被分散物質(zhì)）：非均相物質(zhì)中處于分散狀態(tài)的物質(zhì)。

連續(xù)相（分散介質(zhì)）：非均相中連續(xù)狀態(tài)的流體。分離方法：機(jī)械法使分散介質(zhì)與分散相之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)分離。理論基礎(chǔ)：顆粒流體力學(xué)

分離目的：①回收分散相②凈化分散介質(zhì)第三章顆粒流體力學(xué)基礎(chǔ)與機(jī)械分離3.1單顆粒與顆粒群的幾何特性3.2流體通過(guò)固定床層的流動(dòng)3.3懸浮液濾餅過(guò)濾3.4顆粒沉降與沉降分離設(shè)備3.5固體流態(tài)化3.1單顆粒與顆粒群的幾何特性3.1.1單顆粒的幾何特性1.球形顆粒若dp為球形顆粒的直徑，m體積v=(π/6)dp3m3

表面積s=πdp2m2比表面積a=s/v=6/dp

1/m3.1.1單顆粒的幾何特性2.非球形顆粒（1）常用的表達(dá)：①等體積當(dāng)量直徑de,v：與非球形顆粒體積相等的球的直徑。

de,v=(6v/π)1/3

②球形系數(shù)Ψ

：與非球形顆粒體積相等的球的表面積與該顆粒表面積之比。

Ψ=πd2e,v/s

式中v為非球形顆粒的體積。S為非球形顆粒的表面積。3.1單顆粒與顆粒群的幾何特性（2）非球形顆粒的體積、表面積、比表面積

體積v=(π/6)d3e,vm3表面積s=πd2e,v/Ψm2比表面積a=s/v=6/Ψde,v1/m3.1單顆粒與顆粒群的幾何特性3.1.2顆粒群的幾何特性一.篩分分析常用名詞1.標(biāo)準(zhǔn)篩:一般使用的篩。有泰勒制，日本制，德國(guó)制及原蘇聯(lián)制等。我國(guó)用泰勒制。2.篩號(hào):指沿絲線(xiàn)走向1英寸長(zhǎng)具有的孔數(shù)。3.篩余量:截留在該篩面上的顆粒質(zhì)量。4.篩過(guò)量:通過(guò)該號(hào)篩的顆粒質(zhì)量。二.顆粒粒徑分布狀況的表達(dá)方式1.表格式：表1石英砂的篩分?jǐn)?shù)據(jù)編號(hào)篩號(hào)范圍平均粒徑dp，mm質(zhì)量分?jǐn)?shù)

x篩孔尺寸d，mm篩過(guò)量質(zhì)量分?jǐn)?shù)F19/101.8160.041.651（10號(hào)）0.96210/121.5240.061.397（12號(hào)）0.9312/141.2830.241.168（14號(hào)）0.66414/161.080.220.991（16號(hào)）0.44516/200.9120.250.833（20號(hào)）0.19620/240.7670.160.701（24號(hào)）0.03724/280.6450.020.589（28號(hào)）0.01828/0.2950.010（無(wú)孔底盤(pán)）0篩號(hào)大孔徑小篩上粒子的d分布函數(shù)二.顆粒粒徑分布狀況的表達(dá)方式2.分布函數(shù)曲線(xiàn)分布函數(shù)

為F（即篩過(guò)量質(zhì)量分?jǐn)?shù)）與d（篩孔尺寸）的關(guān)系。3.頻率函數(shù)曲線(xiàn)f頻率函數(shù)圖3-2分布函數(shù)曲線(xiàn)與頻率函數(shù)曲線(xiàn)三.顆粒群的平均直徑：按比表面積等效原則，可按下式計(jì)算粒徑

四.床層特性固定床：固體顆粒堆積而成的靜止顆粒層。1.床層空隙率

ε=（床層體積-顆粒體積）/床層體積

2.床層的比表面積aB：床層比表面積指每m3床層體積具有的顆粒表面積。

aB=（1-ε）a

床層空隙率一般在0.47至0.7之間波動(dòng)。

堆積密度ρb：?jiǎn)挝惑w積床層內(nèi)固體顆粒的質(zhì)量。真實(shí)密度ρs：顆粒的密度。3.床層各向同性:

對(duì)于亂堆的床層，因各部位顆粒的大小、方向是隨機(jī)的，當(dāng)床層足夠大或者顆粒足夠小時(shí)，可以認(rèn)為床層是均勻的，各局部區(qū)域的空隙率相等，稱(chēng)為床層是各向同性的。自由截面率：床層內(nèi)任一截面上空隙面積與截面總面積之比。推論：自由截面率在數(shù)值上等于空隙率

3.2流體通過(guò)固定顆粒床層的壓降

固定床的基本問(wèn)題——壓降流速關(guān)系

物理---數(shù)學(xué)模型法——固定床的一維簡(jiǎn)化模型

建立數(shù)學(xué)模型的一般步驟：1.建立物理模型:合理的抽象和簡(jiǎn)化，建立物理模型2.建立數(shù)學(xué)模型:在物理模型的基礎(chǔ)上用數(shù)學(xué)的方式來(lái)表達(dá)物理模型，建立數(shù)學(xué)模型。3.檢驗(yàn)?zāi)Ｐ湍切┮蛩赜绊憠航岛土髁浚坑绊懘矊恿鲃?dòng)壓降的變量有三類(lèi)：操作變量u，流體物性ρ，μ，床層特性其中影響最大的是ε,aB固定床的一維模型一維模型認(rèn)為：

床層空隙率和比表面積是最關(guān)鍵因素令：模型與顆粒床層ε，a相同，則：模型參數(shù)的de確定模型參數(shù)的de

確定細(xì)管流速

u1=u/ε

范寧方式：△p=λ(Le/de)(ρu12/2)

令λ’=λ(Le/8L)

,則：可得單參數(shù)方程為：λ’:模型參數(shù)，物理意義為床層摩擦系數(shù)。上述的簡(jiǎn)化處理只是一種假設(shè)，其有效性必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，其中的模型參數(shù)亦經(jīng)由實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定。模型的檢驗(yàn)和模型參數(shù)的確定①檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮侠硇?/p>

②模型參數(shù)的確定模型參數(shù)的確定 一般先通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定數(shù)據(jù)，并通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的優(yōu)化擬合得到。有時(shí)也用經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算。1).柯士尼（Kozeny)方程當(dāng)Re’=＜2時(shí)λ’=5.0/Re’柯士尼（Kozeny)方程

2)當(dāng)Re’﹤400

則

歐根方程的誤差約為±25%Re’

﹤20/6時(shí)右第二項(xiàng)可略Re’

﹥1000/6時(shí)右第一項(xiàng)可略

***顆粒床層簡(jiǎn)化模型常用的有一維、二維和三維模型，這些模型都是將流體通過(guò)固定床層的流動(dòng)進(jìn)行了大量的簡(jiǎn)化，因此所得到的數(shù)學(xué)模型只能在一定范圍內(nèi)反映事物的規(guī)律。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是數(shù)學(xué)理論的發(fā)展，一些新的在更大程度上能反映流動(dòng)規(guī)律的模型相繼問(wèn)世。如流體流過(guò)一個(gè)顆粒表面，當(dāng)流速較小時(shí)顆粒后面的流體運(yùn)動(dòng)是定常的，當(dāng)流速大到一定程度會(huì)發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象，顆粒后面的流體運(yùn)動(dòng)變?yōu)橥牧鬟\(yùn)動(dòng)，這就屬于數(shù)學(xué)中的混沌現(xiàn)象，由此建立的混沌模型就比較復(fù)雜。又如固定床層中的顆粒通?？闯汕蛐?，對(duì)于非球形顆粒通常用平均半徑來(lái)表示，當(dāng)考慮顆粒的具體的不規(guī)則形狀時(shí)，就可能出現(xiàn)非整數(shù)維數(shù)，由此建立的數(shù)學(xué)模型也就很復(fù)雜了。但在工程上使用最廣、最成熟的是一維模型。介紹床層的一維簡(jiǎn)化模型。3.3過(guò)濾過(guò)濾操作的基本概念過(guò)濾基本方程式過(guò)濾的操作方式過(guò)濾常數(shù)的測(cè)定提高過(guò)濾生產(chǎn)能力的措施過(guò)濾：利用壓差使懸浮液通過(guò)多孔性過(guò)濾介質(zhì)，將固體顆粒截留，從而實(shí)現(xiàn)固-液分離的單元操作。過(guò)濾介質(zhì)織物介質(zhì)最常用的過(guò)濾介質(zhì)，工業(yè)上稱(chēng)為濾布(網(wǎng))，由天然纖維、玻璃纖維、合成纖維或者金屬絲編織而成?？山亓舻淖钚☆w粒的直徑為5-65微米。多孔固體介質(zhì)具有很多微細(xì)孔道的固體材料，如多孔陶瓷、多孔金屬及多孔性塑料制成的管或板，能截留1-3μm的微小顆粒。堆積介質(zhì)由沙、木炭之類(lèi)的固體顆粒堆積而成的床層，稱(chēng)作濾床，用作過(guò)濾介質(zhì)使含少量懸浮物的液體澄清。多孔膜用于膜過(guò)濾的各種有機(jī)分子膜和無(wú)機(jī)材料膜。餅層過(guò)濾與深床過(guò)濾餅層過(guò)濾

固體物質(zhì)沉積于過(guò)濾介質(zhì)表面而形成濾餅層的操作，真正發(fā)揮截留顆粒作用的主要是濾餅本身，因此稱(chēng)作餅層過(guò)濾。餅層過(guò)濾主要用于含固量較大（>1%）的場(chǎng)合。深床過(guò)濾

固體顆粒并不形成濾餅，而是沉積于較厚的過(guò)濾介質(zhì)層內(nèi)部的過(guò)濾操作。深床過(guò)濾主要用于凈化含固量很少（<0.1%）流體，如水凈化等。過(guò)濾的操作過(guò)濾操作示意圖過(guò)濾操作方式過(guò)濾操作分為間歇式與連續(xù)式。根據(jù)過(guò)濾推動(dòng)力的方式，又有加壓過(guò)濾、真空過(guò)濾和離心過(guò)濾過(guò)濾基本方程式過(guò)濾速率單位面積獲得的濾液量（q，m3/m2）：五.懸浮液濾餅過(guò)濾的物料衡算V+LAVLAp1p2放空壓縮空氣壓力表南京工業(yè)大學(xué)設(shè)過(guò)濾面積Am2，濾液Vm3，濾餅厚度Lm，濾餅空隙率εLA餅VLAε液

LA(1-ε)固

V＋LA濾餅厚度和濾液量的關(guān)系濾餅體積和濾液量的關(guān)系過(guò)濾阻力令濾餅阻力餅層阻力過(guò)濾速率過(guò)濾阻力考慮介質(zhì)阻力過(guò)濾速率通過(guò)介質(zhì)的濾液速率過(guò)濾基本方程式不可壓縮濾餅：s=0可壓縮濾餅壓縮性指數(shù)s=0～1過(guò)濾基本方程式過(guò)濾基本方程令：（恒壓過(guò)濾常數(shù)）過(guò)濾設(shè)備1.過(guò)濾設(shè)備種類(lèi)按操作方式：間歇式：連續(xù)式：南京工業(yè)大學(xué)按壓強(qiáng)差壓濾吸濾離心過(guò)濾機(jī)2.加壓葉濾機(jī)1）結(jié)構(gòu)：南京工業(yè)大學(xué)南京工業(yè)大學(xué)3.板框壓濾機(jī)1結(jié)構(gòu)：南京工業(yè)大學(xué)比較板框式壓濾機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，占地面積小而過(guò)濾面積大，操作壓強(qiáng)高，適應(yīng)能力強(qiáng)，應(yīng)用廣泛。缺點(diǎn)是：間隙操作，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，濾布損耗也較快。各種自動(dòng)操作的出現(xiàn)，有一定改善。與板框壓濾機(jī)比較，葉濾機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)：密閉操作，改善了操作條件，過(guò)濾速度大，洗滌效果好。缺點(diǎn)是:造價(jià)高，更換濾布(尤對(duì)圓形濾葉）比較麻煩洗滌方式不同洗滌速率與過(guò)濾終了時(shí)的速率不同都是壓濾間歇操作過(guò)濾機(jī)南京工業(yè)大學(xué)課后習(xí)題P1313-7,3-9,3-10過(guò)濾操作的計(jì)算：一.恒壓過(guò)濾

K與懸浮液性質(zhì)和操作壓差有關(guān)，稱(chēng)為恒壓過(guò)濾常數(shù)。qe是反映過(guò)濾介質(zhì)阻力大小的常數(shù)。若介質(zhì)阻力可忽略，則Ve=0，qe=0則

過(guò)濾常數(shù)（K，qe）

恒壓過(guò)濾中，K,qe為常數(shù)，被稱(chēng)為過(guò)濾常數(shù)，其數(shù)值須由試驗(yàn)測(cè)定。恒壓過(guò)濾方程的工程意義：操作型計(jì)算：已知A、△P，求懸浮液處理量，或已知A、處理量，求△P設(shè)計(jì)型計(jì)算：已知要求處理的懸浮液量和推動(dòng)力△P，求所需過(guò)濾面積A測(cè)定恒壓過(guò)濾常數(shù)K例3-5討論：過(guò)濾面積，過(guò)濾常數(shù)（測(cè)定），（比較板框過(guò)濾）1.恒壓過(guò)濾常數(shù)K，qe，τe的測(cè)定圖3-8恒壓過(guò)濾常數(shù)K和qe的確定△pm一定Vτ/V過(guò)濾常數(shù)的測(cè)定2.壓縮指數(shù)s與比阻r0的測(cè)定圖3-9濾餅壓縮指數(shù)的確定斜率(1-s)lg△pmlgK南京工業(yè)大學(xué)三.用最小二乘法處理直線(xiàn)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

p107例3-9xyyixif(xi)南京工業(yè)大學(xué)恒速過(guò)濾與先恒速后恒壓過(guò)濾一.恒速過(guò)濾

過(guò)濾速度恒定的過(guò)濾操作。τ↑

Δp

↑

恒速過(guò)濾時(shí)則:

二．先恒速后恒壓過(guò)濾若令q1，1分別為恒速升壓階段終了瞬間的濾液體積及過(guò)濾時(shí)間，則在此瞬間后開(kāi)始的恒壓過(guò)濾操作階段有：

洗滌時(shí)間當(dāng)洗滌液量為VW時(shí)，洗滌時(shí)間為：當(dāng)VW=JVF時(shí)當(dāng)Ve=0時(shí)當(dāng)洗滌液量為VW時(shí)，過(guò)濾時(shí)間為：當(dāng)VW=JVF時(shí)當(dāng)Ve=0時(shí)洗滌時(shí)間生產(chǎn)能力計(jì)算定義：間歇過(guò)濾機(jī)的操作特點(diǎn)：最大生產(chǎn)能力計(jì)算設(shè)Ve可忽略南京工業(yè)大學(xué)例題:P107例3-7回轉(zhuǎn)真空過(guò)濾機(jī)1)一種連續(xù)操作的過(guò)濾機(jī)，整個(gè)轉(zhuǎn)筒按與分配頭的不同管路接通，分為三個(gè)操作區(qū)域：①過(guò)濾區(qū)；②洗滌吸干區(qū)；②吹松卸渣區(qū)。i)回轉(zhuǎn)真空過(guò)