化工原理第三章非均相物系的分离和固体流态化

1、第三章 非均相物系分离和固体流态化概念机械分离固体流态化非均相物系颗粒和颗粒床层特性沉降过滤非均相物系的分离和固体流态化目的基于流体力学（颗粒与流体间的相对运动），掌握非均相物系的机械分离方法、过程计算及其典型设备的结构、特性和选型。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）溶液与混合气体分散物质（分散相）分散介质（连续相）气态非均相物系（含尘气体）液态非均相物系（悬浮液）1. 非均相物系固体颗粒、液滴或气泡 非均相物系概念非均相物系 非均相物系的分离方法机械分离沉降颗粒相对于流体(静止或运动)运动而实现悬浮物系分离，作用力是重力或离心力。过滤流体相对于固体颗粒床层运

2、动而实现固液分离，作用力是重力、压强差或离心力。非均相物系分离目的收集分散相、净化连续相及环保考虑概念颗粒2. 颗粒特性（形状、体积和表面积） 球形颗粒球形颗粒特性只需直径d 描述即可。36Vd2Sd6SaVd 非球形颗粒非球形颗粒特性用当量直径和形状系数描述。 体积当量直径 （de）1/3pe6Vd3pe6Vd比表面积单位体积颗粒具有的表面积。等效依据实际颗粒的体积等于当量球形颗粒的体积。概念颗粒 形状系数（球形度）形状系数表征颗粒形状与球形的差异程度。spSS36Vdpe2dSeps6adpsesss11球形；非球形；差异，概念颗粒3. 颗粒群特性 粒径分布粒径分布不同粒径范围内所含粒子的

3、个数或质量。筛分分析： 标准筛泰勒标准筛、日本JIS标准筛和德国标准筛。 筛分单位目数（筛孔大小），指每英寸长度筛网上的孔数。 筛分过程筛留物（筛余量）和筛过物（筛过量）。比如，100目泰勒筛的筛孔宽度，网线直径为0.0042 in，1/1000.00420.0058in147 m或概念颗粒 颗粒群的平均粒径1/iixdda22a133a166kiiikiiindddnd31a21kiiikiiinddnd3siiixK nd3siiixnKd颗粒群的平均粒径常用平均比表面积直径，即Sauter直径。颗粒群的平均粒径概念颗粒床层1. 床层空隙率床层空隙率（）表征颗粒群堆积而成的床层疏密程度。床

4、层体积-颗粒体积床层体积2. 床层比表面积1aab影响因素颗粒大小、形状、粒径分布与充填方式。一般乱堆床层的空隙率为0.470.7。6adbbs1 bs6 1adb概念颗粒床层3. 床层自由截面积（空隙截面积）床层自由截面积指床层截面上未被颗粒占据的、流体可以自由通过的面积。 壁效应：因壁面处床层床层内部 ，较多流体必趋向近壁处流过，故床层截面上的流体分布不均匀。 床层特性：各向同性。 各向同性床层特点： 。空隙截面积床层截面积概念颗粒床层4. 流体通过颗粒床层的压强降（建模法）简化模型：床层中不规则的通道一组平行细管（L、de ），规定 细管的全部流动空间颗粒床层的空隙容积。 细管的内表面积

5、颗粒床层的全部表面积。ebb4441daa床层流动空间细管的全部内表面积1uu21feb2uLpd2f31apuL流体通道：细小、曲折且相互交联。流型：颗粒床层具有较大比表面积层流。流体通过固定床压强降公式概念颗粒床层5KReKb；141d uuRea ebb223152a upReLfb 康采尼（Kozeny）方程4.170.29Reb22233114.170.29a ua upLf6adse22233111501.75uupLdd fsese4.17200Reb22311503upReLdfbse2311.1 0507upReLd fbse 欧根（Ergun）方程沉降分离重力沉降1. 沉降

6、分离沉降分离在外力场中，因分散相和连续相之间存在密度差，使之发生相对运动而实现非均相物系分离。重力沉降离心沉降外力场自由沉降干扰沉降颗粒是否受到其他颗粒或器壁的影响沉降：属于流体相对于颗粒的绕流问题；流固间的相对运动有三种情形： 流体静止，颗粒相对于流体作沉降或浮升运动。 颗粒静止，流体对固体作绕流。 固体和流体都运动，但二者保持一定的相对速度。沉降分离重力沉降2. 重力沉降 球形颗粒的自由沉降3gs6Fdg3b6Fdg2323ssd6426duudgddgbdFFFma颗粒沉降时的受力22d24uFdst0043tuaaauuugd开m ax始 加速，；平衡 等速，刚性球形颗粒的沉降速度，即

7、终端速度。沉降分离重力沉降 阻力系数ttst,duf ReRe 层流区或斯托克斯（Stokes）定律区 过渡区或艾仑（Allen）定律区 湍流区或牛顿（Newton）定律区 （P147, 图3-2）tRe2st4tt2410118ReRedgu，s30.6ttt0.6t18.51100.27dgReuReRe，s35tt102 100.441.74dgReu，沉降分离重力沉降 沉降速度的影响因素 流体黏度层流区内摩擦力占优；湍流区形体阻力占优；过渡区内摩擦力和形体阻力均有。 。 颗粒体积分数颗粒体积分数 0.2%，偏差1%。颗粒体积分数较高，发生干扰沉降。 器壁效应容器壁面和底面增加颗粒沉降阻

8、力实际沉降速度自由沉降速度。 颗粒形状对同一固体而言，球形或近球形颗粒比同体积非球形颗粒沉降快。tRe 摩擦力，形体阻力沉降分离重力沉降 求解 试差法 摩擦数群法tuuRett假设颗粒沉降的流型根据相应的沉降公式求按 检验st43gdus2t43dguttduRe2222tt2d uRe3s2t243dgRe 1/3s2gdK 23t43ReK2tttReReRe关系（P147，图3-2）关系（P150，图3-3）ttReud沉降分离重力沉降求某介质中具有 u t 的颗粒直径：12343gReu sttRedutt 流型判据K值218dgustttdu Re3st218dgRe 1tttReR

9、eRe关系（P147，图3-2）关系（P150，图3-3）3t18KRe 2.622.62 69.169.1KKK层流区；过渡区；湍流区。K值判断流型避免试差1/3s2gKd 沉降分离重力沉降设备1. 降尘室HuttlutlHuutVu HbsVublst单层降尘室的生产能力降尘室尘粒在降尘室内的运动降尘室生产能力仅与沉降面积及沉降速度有关，而与降尘室高度无关。 单层降尘室沉降分离重力沉降设备 多层降尘室st1Vnblu2. 沉降槽和分级器（自习）多层降尘室 沉降速度根据需要完全分离下来的最小颗粒尺寸计算。 气体在降尘室内的速度不应过高层流。单层降尘室优点：结构简单，流动阻力小；缺点：体积庞大

10、，分离效率低预除尘（大于50 的粗颗粒）。多层降尘室优点：分离较细颗粒，节省地面；缺点：清灰麻烦。m沉降分离离心沉降1. 离心沉降23ts6udr离心力=23t6udr向心力=22r24ud阻力=222332ttrs06624uuudddrr2str43duur颗粒在离心力场中的运动离心沉降速度沉降分离离心沉降sstrt24433ugrdduu 形式上相似。 离心沉降速度是颗粒运动的径向速度，方向为沿半径向外。 离心沉降速度不是恒定值，随颗粒位置而变；而重力沉降速度则是恒定值。沉降分离离心沉降r24Re2218duurstr218dugst2uuKugrrttc离心分离因数离心沉降分离两相密度

11、差小、细颗粒的非均相物系。层流：2str43duurc52500K 旋风或旋液分离器： 。 比如，旋转半径为0.4 m、切向速度为20 m/s，2c201029.81 0.4K 沉降分离旋风分离器1. 旋风分离器旋风分离器依靠离心力从气流中分离出尘粒的装置。内旋流亦称气芯，指上行的螺旋形气流，具有低压性。两者的旋转方向一致。标准旋风分离器气体在旋风分离器里的运动外旋流下行的螺旋形气流。 结构简单、低成本、操作条件范围宽、分离效率较高。200m5m5200m的颗粒，用重力沉降除去；的颗粒，用袋滤器或湿法捕集；的颗粒，用旋风分离器除去。 不宜处理黏性粉尘、含湿量高的粉尘及 腐蚀性粉尘。沉降分离旋风

12、分离器2. 旋风分离器性能 临界粒径假定： 进口气流作严格的等速螺旋运动，切向速度为进口气速。 颗粒必须穿过厚度为B的气流层方能到达壁面而被分离。 颗粒在层流下作自由沉降。2218duurstrssmrr2218duursirm2218 r BBudumtrsi2Nruemi9 BdNucesi临界粒径理论上被旋风分离器完全分离的最小颗粒直径。临界粒径cdD，ee0.5 35NN标准旋风分离器，沉降分离旋风分离器 分离效率1201CCCCCC1, i2,ip,i1,i0ip,i1nix粒级效率曲线50s0.27iDdu分割粒径粒级效率恰为50%的颗粒直径。总效率粒级效率沉降分离旋风分离器 压强

13、降22iup 旋风分离器 。 标准旋风分离器： 。8500 2000 Pap 物系：颗粒的密度大、粒径大及粉尘浓度高利于分离。 操作条件：进口气速保持在1025 m/s。 旋风分离器性能的影响因素沉降分离旋风分离器3. 旋风分离器选型选型根据系统物性与任务要求，结合设备特点，选定旋风分离器的形式，通过计算决定其尺寸与个数。旋风分离器的计算依据有：含尘气的体积流量、所要求的分离效率和允许的压强降。旋液分离器亦称水力旋流器，利用离心沉降从悬浮液中分离固体颗粒的设备，其结构与原理类似于旋风分离器。旋液分离器（自习）过滤概念 1. 过滤过滤以某种多孔物质为介质，在外力下使悬浮液中的液体通过介质孔道，颗

14、粒被截留在介质上，实现固液分离。 过滤 过滤注意：工程上常用的过滤是以压强差为推动力。过滤概念过滤方式饼层过滤和深床过滤架桥现象 过滤方式 饼层过滤过滤初期，发生颗粒架桥。真正拦截颗粒的是滤饼层而不是过滤介质。处理固相体积分数1%的悬浮液。 深床过滤颗粒不形成滤饼，沉积在较厚的过滤介质床层内部。处理细小颗粒、固相体积分数0.1%的悬浮液。过滤概念 织物介质（滤布）被截留的颗粒最小直径为565 。 堆积介质多用于深床过滤，如细砂等。 多孔固体介质具有很多微细孔道的固体材料，截拦13 颗粒。 过滤介质过滤介质滤饼的支撑物，具有足够的力学强度、尽可能小的流动阻力、一定的耐腐蚀性和耐热性。mm 滤饼

15、滤饼由截留下的颗粒堆积而成的床层。过滤进行滤饼厚度，流动阻力 根据颗粒特性不可压缩滤饼和可压缩滤饼。 不可压缩滤饼单位厚度床层的流动阻力恒定。过滤基本方程过滤基本方程描述过滤速率与过滤推动力、过滤面积、滤浆性质、介质特性以及滤饼性质等因素之间的数学关系。1. 滤液通过滤饼的流动滤液流动特点 流道为细小、曲折和不规则的网状结构； 非稳态流动； 层流。3c2251puLa 22315a upLf/速度推动力 阻力过滤基本方程2. 过滤速率和过滤速度过滤速率单位时间内获得的滤液体积。过滤速度单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积。过滤速率3c22dd51pVuALa 3c22dd51A pVLa过滤速

16、度3. 滤饼阻力cccpppRurrLRLuL22351raRrLR滤饼阻力；r滤饼比阻3c22dd51pVuALa 过滤基本方程4. 过滤介质阻力pVARmmddppVuARRRpRcmmmddmeRrLVppArLrLr LLeedd 过滤介质的当量滤饼厚度或虚拟滤饼厚度。 过滤cddpVAR意义：用滤液通过串联的滤饼与滤布的总压强降表示过滤推动力；用两层的阻力之和表示总阻力。eL过滤基本方程5. 过滤的基本方程VLAVpAr LLedd假定1 m3 滤液滤饼体积为 m3，rrps2VAprVV1edd-s过滤基本方程s 滤饼压缩指数1LAV：VLAeeeV过滤介质的当量滤液体积或虚拟滤液

17、体积过滤基本方程6. 应用 恒压过滤（最常见）1kr 1 s2Kk p2edd2VKAVVVVqqAAee；222VKAqKConstp ；滤饼，阻力，过滤速率2VAprVV 1edd-s22e2VV VKA2e2qq qK恒压过滤方程eeKVq过滤常数、和过滤基本方程 恒速过滤（过滤初期）Rqu2Rar u Rebr u q pab 不可压缩滤饼RddConstConstddVVupA ，滤饼，阻力，RddVVquAA2eddVAprVV Reddqpurqq 2RRepr ur u q 恒速过滤时，压强差随过滤时间成线性增加。过滤基本方程 复合式过滤（先恒速后恒压）RVR恒速段终了瞬间的滤

18、液体积。恒速段终了瞬间的过滤时间。恒压阶段的过滤方程先恒速后恒压过滤21eddsVkApVVRR21eddVsVVVVkAp222ReRR2VVV VVKARVVR恒压段的滤液体积。恒压段的过滤时间。过滤基本方程 过滤常数的测定恒压过滤e12qKKqq12sKk plglg1lg 2Kpsk测定压缩性指数，eeKVq过滤常数、与eeKVq由斜率和截距、与（P179，例3-10）2e2qq qK过滤设备1. 板框压滤机排列方式（1232）（1232）板框压滤机操作方式间歇过滤机板框压滤机 和加压叶滤机连续过滤机转筒真空过滤机压滤机吸滤机离心过滤机压强差滤板和滤框（型号：BMY50/810-25）

19、过滤设备过滤阶段洗涤阶段（横穿洗涤法） 洗水通道面积0.5过滤面积。 洗水流经长度2过滤终了时滤液流经长度。2. 加压叶滤机（自学）洗涤时采用置换洗涤法。过滤设备3. 转筒真空过滤机转筒真空过滤机圆筒转动一周时，在转筒表面不同位置上依次进行过滤吸干洗涤吹松卸饼操作。优点连续自动操作，生产能力大，适宜处理量大而容易过滤的滤浆。缺点附属设备多，费用大，过滤面积不大，过滤推动力有限。过滤设备4. 离心机2uKgrtcc3000K c300050000Kc50000K 常速离心机 高速离心机 超速离心机离心机利用离心力分离液态非均相混合物。沉降离心机、分离离心机和过滤离心机（自学）分离胶体颗粒和破坏乳

20、浊液过滤洗涤滤饼目的 回收滞留在颗粒缝隙间滤液或净化构成滤饼的颗粒。 洗涤速率即 ，指单位时间内消耗的洗水体积。VWdd洗涤时间 。VVWWWdd1-eddsVpArLL22VVKAVVWEedddd2148VVKAVVWEeddddeeWELLLLeeWE2LLLLW12AAWAA1. 置换洗涤法2. 横穿洗涤法1-eddsVpArLL过滤过滤机生产能力1. 间歇过滤机的生产能力wDT36003600VVQTWD2. 连续过滤机的生产能力60Tn60Tn22eeVVKA2ee60VKAVn22ee606060Qn VKAnnnV465QA Kn360浸没角度板框压滤机生产能力nQ （P185

21、，例3-11） （P187，例3-12）固体流态化固体流态化：颗粒悬浮于流动的流体中，颗粒在流体作用下作类似于液体沸腾的翻滚运动。2. 流态化现象1. 固定床2. 流化床3. 颗粒输送1. 固体流态化不同流速时床层变化固体流态化流化类型散式流化亦称均匀流化；流速，床层，床层中各处空隙率，床高；有一稳定上界面。聚式流化床层中有乳化相和气泡相；不稳定的上界面。散式流化聚式流化固体流态化3. 流化床的主要特性 压强降ttmfmfs1p AWA Lgmfmfs1pLg s1pLg 理想流化床 关系pu 2fb23se2fb3se1315011001.75upReLdupReLd ；fp 固定床lglgpu 成线性增函数流化床压强降不变气流输送：密相稀相；两相同向流动固体流态化 驼峰BCD因颗粒靠紧需要更大的推动力； DE向上倾斜绝大部分压强降用于平衡床层颗粒的重力，还有一小部分压强降用于克服颗粒间碰撞以及颗粒与器壁间摩擦； 临界点位移临界流化速度和临界空隙率； 压强降波动 气