流体及粒子间相对运动的过程

1、 本章培训目标1.熟知常用非均相混合物分离操作过程的名词及基本术语；掌握常用非均相混合物分离操作的基本原理。2.知道重力沉降和离心沉降的适用情况及影响因素；了解沉降设备结构、工作原理及基本操作。3.根据公式计算重力沉降速度、沉降时间、生产能力、沉降面积。4.知道过滤的适用情况及影响因素；了解常用过滤设备的结构、工作原理、基本操作、常见故障及处理。5.知道常用气体净制设备的结构、工作原理及适用情况，会基本操作。概述 流体与固体粒子相对运动的操作包括沉降、过滤以及固体流态化等基本单元操作。几个概念 相：体系中具有相同组成，相同物理性质和相同化学性质的均匀物质。相与相之间有明确的界面。 均相：凡物系

2、内部各处物理料质均匀而不存在相界面者，称为均相混合物或均相物系。溶液及混合气都是均相混合物。 非均相：凡物系内部有隔开两相的界面存在，而界面两侧的物料性质截然不同者，称为非均相混合物或非均相物系。化工生产中常遇到的混合物可分为两大类混混合合物物均相均相气态气态空气、天然气空气、天然气液态液态乙醇乙醇水、石油水、石油非均相非均相气气固固烟道气烟道气气泡气泡液体液体气气液液雾滴雾滴气体气体液液固固泥水、硫铵泥水、硫铵+母液母液液液液液牛奶、油牛奶、油水水固固固固煤矸石、金属矿煤矸石、金属矿非均相物系分离的目的 将原料或产品进行分离与提纯，如从母液中分离出晶粒；如从催化反应器出来的气体中，往往带有催

3、化剂颗粒，必须把这些有价值的颗粒回收利用。 回收混合物中的有用物质，如回收干磨系统尾气中的矿粉。 劳动保护和环境保护等；对三废：废气、废液、废渣的处理，地球由于被污染加剧,环保越来越受到人们的重视。综上所述,非均相物系分离的目的是除害收益。 总之：以满足工艺要求，提高产品质量，改善劳动条件，保护环境，节约能源及提高经济效益。 常用分离方法 重力沉降：微粒借本身的重力在介质中沉降而获得分离。 离心分离：利用微粒所受离心力的作用将其从介质中分离。亦称离心沉降。此法适用于较细的微粒悬浮体系。 过滤：使悬浮体系通过过滤介质，将微粒截留在过滤介质上而获得分离。 湿法净制：使气相中含有的微粒与水充分接触而

4、将微粒除去。 电除尘：使悬浮在气相中的微粒在高压电场内沉降。 颗粒和流体相对运动时所受到的阻力 流体以一定的速度绕过静止颗粒时，或者固体颗粒在静止流体中移动时，流体对颗粒的作用力阻力Fd 22uAFdA颗粒在运动方向上的投影，dp2u相对运动速度阻力系数， =（Re）=（dpu/）（实验测定）层流区：Re2， =24/Re Stokes区过渡区：Re=2500， Allen区湍流区：Re=500-2105，0.44 Newton区Re10 固体壁面对流体流动产生阻力。流体与固体颗粒相对运动时流体对颗粒产生作用力曳力。 固体颗粒静止，流体对其作绕流；流体静止，颗粒作沉降运动；两者都运动但保持一定

5、的相对速度。但就流体对颗粒的作用力来说，仅仅是相对运动而已，上述三者之间并无本质区别。4.1沉降 将混合物置于某个力场的作用下，利用不同物质的密度差异、使之发生相对运动而分离的过程，称为沉降。 沉降操作用的力可以为重力或离心力，故沉降可以分为重力沉降和离心沉降。沉降4.1.1重力沉降 微粒在流体中受重力作用慢慢降落而从流体中分离出来的过程称为重力沉降。重力沉降的沉降速度36gsFdg36bFdg2242duFd整理后得： 23()4sssdugudtddu/dt=0，u=ut 4 ()3stdgu由牛顿第二定理 F=ma Fg-Fb-Fd=mdu/dt FbFdFg浮力：阻力：重力：阻力系数

6、实践证明，阻力系数是颗粒运动雷诺准数的函数，阻力系数与雷诺数的关系因雷诺数的大小而异。24Re 1 Re18.5Re 1000 ReRe 0.445斯托克斯定律区 阿伦定律区 1牛顿定律区 2 10层流区域层流区域过度区域过度区域湍流区域湍流区域220.618 1.74ssesdgudguRdgu斯托克斯定律式 阿伦定律式 0.27牛顿定律式 经验表明，由于化工生产中所处理的微粒一般都很小，颗粒相对流体的沉降运动多数在斯托克斯定律区。因此，在计算时。一般是首先按照斯托克斯公式计算其沉降速度然后验证其Re是否小于1。如果不是，便再设另一个区域。利用该区域的沉降速度计算式算出其沉降速度，并再一次进

7、行验算。如此等等，直至算出的Re数符合所假设的条件为止。实际沉降及其影响因素 实际沉降即为干扰沉降，颗粒在沉降过程中将受到周围颗粒、流体、器壁等因素的影响，一般来说，实际沉降速度小于自由沉降速度。 颗粒含量的影响。 颗粒形状的影响 颗粒大小的影响 液体性质的影响 流体流动的影响 器壁的影响降尘室 在降尘室中颗粒停留时间=L/u沉降时间=H/ut分离条件L/uH/utLHWutuVsHWVusLWVust降尘室的处理能力只取决于降尘室的底面积，与高度H无关增稠器 又称连续式沉降器，它通常是一个底部微带有锥形的圆槽，悬浮液连续地从上方中央的进料口进人到液面以下。然后在整个截面上散开，固体粒子逐渐向

8、底部沉降，清液经上部的溢出口流出，呈稠浆状的浓稠沉渣由缓慢转动的齿耙带动，聚集到底部的中央，经卸出口由泵排出。颗粒在增稠器内的沉降过程大致可以分为两个阶段:在槽的上部分，颗粒的浓度很小，可以认为是自由沉降，槽的下部随着颠粒浓度的逐渐增加，颖粒作干扰沉降，沉降速度越来越慢。 增稠器具有澄清液体和增稠悬浮液的双重功能。为了获得澄清的液体，应当使容器内液体向上流动的速度小于颗粒的沉降速度。 增稠器的优点是结构简单，操作连续，处理量大，沉淀物的浓度均匀。缺点是设备比较庞大，占地面积大，分离效率不高等。它一般用来分离固体粒子浓度低，而处理量大的悬浮液。悬浮液的沉聚过程 属重力沉降，在沉降槽中进行D沉聚区

9、变浓度区等浓度区清液区4.1.2 离心沉降 依靠离心力的作用，使流体中颗粒产生沉降运动称离心沉降。重力使小颗粒的沉降速度小，但离心力比重力大千、万倍。悬浮液旋转轴角速度离心分离因数Kc=r2/g离心分离因数表示离心力大小的指标，离心设备分离性能的基本参数 科学研究证明:当流体带动着球形固体粒子围绕某一中心轴作圆周运动时、粒子在运动的径向方向上将受到三个力的作用。在三力达到平衡时，离心力浮力阻力=0向心力离心力 阻 力离心沉降速度 36csFdr326fFdr 24ddrFdd24 ()3srddrurd旋风分离器 临界粒径指能100%分离除去的最小颗粒粒径。 颗粒的沉降运动服从stokes定律

10、。 3()sibdnu进气严格作螺旋形等速运动，有效旋转圈数n，切向速度等于进口速度ui；b为入口之宽度 旋风分离器的结构简单，没有运动部件.操作不受温度和压力的限制，分离效率可以高达7090，可以分离出小到5um的粒子。其缺点是气体在器内的流动阻力较大，对器壁的磨损比较严重，对气体流量的变化比较敏感等。影响沉降操作的因素 力场的形式 工作介质的性质 颗粒的形状及其相互影响 流体的流动方向4.2 过滤 4.2.1 过滤操作的基本概念 过滤是以某种多孔物质为介质来处理悬浮液的操作：在外力的作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固、液分离。 过滤方式 工业上的过滤方式有

11、两种：滤饼过滤和深层过滤 通常把过滤操作中所用的隔层称为过滤介质；把需要分离的液固混合物称为滤浆；被截留在过滤介质上的伺体层称为滤渣或滤饼；过滤后的液体称为滤液滤饼过滤 架桥现象过滤操作包括过滤、洗涤、去湿和卸料四个阶段深层过滤 过滤介质 织物状介质包括用棉、麻、羊毛、蚕丝或石棉等夭然纤维，以及玻璃纤维、合成纤维、金属丝等编织成的滤布和丝网等。滤布的选择应视所过滤粒子的大小、物料的腐蚀性、操作温度、以及对强度和耐磨性的要求等条件而定。有时将多层滤布迭合使用。 粒状介质包括细砂、石砾、玻璃清、木炭屑、骨炭以及酸性白土等堆积层，这些介质常用在城市和工厂给水设备的滤池中，主要用来过滤含固体粒子极少的

12、悬浮液。 多孔性固体介质包括多孔的陶瓷、玻璃、塑料的板和管等。它们的优点是具有良好的耐腐蚀性，孔隙小，过滤效率比较高，常用在含少量微粒的间隙式过滤设备中。助滤剂 过滤中，由于可压缩滤渣大小、形状的变化，孔道将变得越来越小，以至堵塞，过程无法进行。为了避免发生这种悄况，可以在滤布上预涂一层颗粒均匀、质地坚硬、不可压缩的粒状物料，以防止滤孔的堵塞。有时也可以将这种物质按一定比例加人到滤浆中，然后一起过滤，由于它构成了滤饼的骨架，形成比较疏松的滤饼，使滤液可以畅快地流通.故将这种物质称为助滤剂。 对助滤剂的基本要求如下:能悬浮在料液之中，具有化学稳定性，不与料液产生化学反应，也不含有可溶性盐和色素，

13、在操作压差范围内具有不可压缩性，能保持较高的空隙率等。 常用的助滤剂有硅藻土、纤维粉末、活性炭、石棉等过滤速率 过滤速率是单位时间内通过单位过滤面积上的滤液体积。 过滤速度 dV:滤液体积 d:过滤时间 A：过滤面积过滤推动力 过滤推动力：以作用在悬浮液上的压力表示。实际起推动力作用的是滤渣和过滤介质两侧的压力差。 增加悬浮液本身的液柱压力，称为重力过滤。 增加悬浮液面上的压力，称为加压过滤。 在过滤介质下面抽真空，称为真空过滤。 用惯性离心力来增大推动力，称为离心过滤。过滤阻力 过滤阻力：在过滤操作刚刚开始时，滤液流动所遇到的阻力只有过滤介质。在过滤操作进行一段时间，形成滤渣以后，滤液所遇到

14、的阻力是滤渣阻力和过滤介质阻力之和。滤渣的洗涤 在除去滤渣操作以前，滤渣的空隙中还存在滤液。为了从滤液中充分回收这部分滤液，或者由于滤渣是有价值的产品不允许被滤液污染，需要用水或其他溶剂洗涤滤渣。洗涤后的溶液称为洗涤液。过滤机的生产能力 过滤机的生产能力通常用单位时间内所得到的滤液量来表示。也可用单位时间内过滤面积上积聚的滤渣量表示。影响过滤操作的因素 悬浮液的性质 过滤的推动力 过滤介质与滤饼的性质4.2.2 过滤机的构造和操作 工业上使用的过滤设备称为过滤机。按操作方法不同，可分为间歇式和连续式两类。按过滤推动力的来源，可分重力、加压、真空过滤和离心过滤。过滤设备 板框压滤机 循环周期由装

15、合、过滤、洗涤、卸渣、清洗等几个阶段组成 板框压滤机具有结构简单，制造方便。所需辅助设备少.过滤面积大，操作压力高 ,管理简单，使用可靠等优点，适用于难过滤的或液相粘度很高的、有腐蚀性的悬浮液，是间歇式过滤机中应用最广泛的一种。 板框压滤机的缺点是装卸板框的劳动强度大、生产效率低、洗涤不够均匀、滤布损耗快等。目前板框压滤机正朝着操作自动化的方向发展。厢式压滤机隔膜厢式压滤机转筒真空过滤机 转筒真空过滤机是一种连续式的过滤机，其特点是把过滤、洗涤、吹干、卸渣和清洗滤布等几个阶段的操作在转筒的旋转过程中完成，转筒每旋转一周，过滤机完成一个循环周期。 转筒真空过滤机的最大优点在于操作的自动化和连续化

16、，单位过滤面积的生产能力大，只要改变滤机的转速，便可以调一节滤饼的厚度等。 缺点是过滤积远小于压滤机，设备的结构比较复杂。滤饼的含湿量比较高(一般为10%30%)，洗涤不够彻底等。它适用于过滤各种物料，包括温度较高的悬浮液，但温度过高容易使真空失效。叶滤机4.2.3 离心过滤 利用惯性离心力，使送入离心机转鼓内的滤浆与转鼓一起旋转时产生径向压力差，来分离液相非均相混合物的方法，称为离心过滤。离心机的转鼓上钻有许多小孔，内壁衬有滤布，操作时，滤液穿过滤布排出，颗粒沉积于转鼓内壁，形成滤饼。三足式离心机 三足式离心机的优点在于它的结构是各种离心机中最简单的，震动比较小，占空间不大，晶体不易破损，适

17、用范围广泛，可用来分离粒状的、结晶状的或纤维状的物料，加之操作时间可以根据滤渣含湿量的要求来加以控制，灵活方便。故特别适用于过滤周期较长，处理量不大的多品种物料的分离操作。 三足式离心机的主要缺点是靠人工从转鼓的上部卸渣，体力劳动十分繁重。卧式刮刀卸料离心机 每一操作循环包括加料、洗涤、甩干、刮料、洗网这五个阶段 卧式刮刀离心机的主要优点在于消除了因卸料而停车和制动转鼓所造成的非生产时间和能量的浪费，整个过程连续化，大大减轻了体力劳动。 缺点是刮刀在高速下卸料，滤渣的破损比较严重，对一些易燃易爆的产品不很适宜。 活塞往复式卸料离心机活塞往复式卸料离心机适用：适用：颗粒直径较大（0.15mm)、

18、浓度大（30%)的滤浆 食盐、硫酸铵、尿素等的生产中。121原料液2洗涤液3脱液固体4洗出液5滤液 活塞推料离心机主要适用于颗粒较大、并能很快脱水或失去流动性的悬浮液。它的优点是由于利用卸料器卸料，只是在贴近滤网处的固体颗粒遭到破损，滤饼层颗粒的破碎程度比刮刀卸料离心机要小得多。另外，它的自动控制比较简单，功率消耗也比较均匀。是一种应用较广的离心分离设备。 缺点主要是对悬浮液的浓度变化很敏感，例如当料液太稀时，滤渣来不及生成，料液便直接流出转鼓，并冲走部分已形成的滤饼，从而造成转鼓中物料分布不均匀，引起转鼓的振动等。立式锥篮离心机分离机转鼓4.3气体的其他净制设备 从气体或蒸汽中除去所含固体颗

19、粒或液滴而使之净化，是化工生产中经常遇到的问题。除可用前面所述的沉降方法外，还可利用过滤、静电等作用，或者用湿法净制等。4.3.1 袋滤器 在袋式除尘器的部件中，除滤袋外，最重要的是清灰机构，它对除尘器的性能有着重要的影响。除尘器的结构形状与清灰方法直接相关。根据清灰方式不同，袋式除尘器通常分为以下类型： （1）机械清灰袋式除尘器：特点是效率高，性能稳定，结构简单，投资省，对滤料要求不高，维修量少，滤袋寿命长，但过滤风速低。 （2）逆气流反吹袋式除尘器：将风机反转，在负压作用下形成反吹，在弹簧作用下产生微振动，使粉尘脱落。 （3）回转反吹袋式除尘器：滤袋为扁袋形，按圆形辐射状布置。由反吹风机提

20、供反吹空气，通过旋臂进行反吹。 （4）脉冲喷吹袋式除尘器：由压缩空气反吹，含尘气流的运动方向为向内式，粉尘阻留在袋外。 袋式除尘器是一种高效除尘器，得到广泛应用。但使用袋式除尘器时应注意,它不宜于处理高温，高湿的含尘气体，不宜处理含有油雾，凝结水和粘性粉尘的气体，不能用于处理有火花，爆炸危险的烟气，如果含尘气体的粉尘浓度较高应采用两级除尘。 脉冲式袋滤器的工作原理：含尘空气通过滤袋时，粉尘阻留在滤袋外表面，净化后的气体经文丘里管从上部排出。每排滤袋上方设一根喷吹管，喷吹管上设有与每个滤袋相对应的喷嘴，喷吹管前端装设脉冲阀，通过程序控制机构控制脉冲阀的启闭。脉冲阀开启时，压缩空气从喷嘴高速喷出。

21、带着比自身体积大57倍的诱导空气一起经文丘里管进入滤袋。滤袋急剧膨胀引起冲击振动，使附在滤袋外的粉尘脱落。4.3.2 湿式除尘器 一、概述 使含尘气体与液体 （一般为水）密切接触，利用水滴和尘粒的惯性碰撞及其它作用捕集尘粒或使粒径增大的装置 可以有效地除去直径为0.120m的液态或固态粒子，亦能脱除气态污染物 高能和低能湿式除尘器 低能湿式除尘器的压力损失为0.21.5kPa，对10m以上粉尘的净化效率可达9095% 高能湿式除尘器的压力损失为2.59.0kPa，净化效率可达99.5以上（1）文丘里洗涤器 除尘器系统的构成 文丘里洗涤器 除雾器 沉淀池 加压循环水泵 除尘过程 文丘里除尘器：

22、收缩管， 喉管， 扩散管 就其断面形状 圆形文丘里除尘器 矩形文丘里除尘器 文丘里洗涤器 文丘里洗涤器 1.除尘过程 含尘气体由进气管进入收缩管后，流速逐渐增大，气流的压力能逐渐转变为动能 在喉管入口处，气速达到最大，一般为50180m/s 洗涤液 （一般为水）通过沿喉管周边均匀分布的喷嘴进入，液滴被高速气流雾化和加速 充分的雾化是实现高效除尘的基本条件 泡沫除尘器泡沫除尘器 在塔内装有筛板和挡 水板。液体由塔上部喷入，含尘气体由下部进入除尘器，当含尘气体通过筛板时，气体中的一部分粉尘在泡沫层中被除去，而另一部分粉尘则被筛板泄漏液所捕集。通过气液两相的充分接触而达到出尘的目的。湍球塔湍球塔 将

23、流化床的原理应用到气液传质设备中，使填料处于流化状态，因而使过程得到强化 喷雾塔洗涤器喷雾塔洗涤器4.3.3 静电除尘 牛顿第二定律： 物体的加速度跟物体所受的合外力F成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。而以物理学的观点来看，牛顿运动第二定律亦可以表述为“物体随时间变化之动量变化率和所受外力之和成正比”。即动量对时间的一阶导数等于外力之和。 固体流态化流化床的基本概念 假设 床层是由均匀颗粒组成的 流体自下而上地流过颗粒层 则根据流速的不同，会出现三种不同的情况 固定床阶段 流化床阶段 颗粒输送阶段流化现象 散式流化与聚式流化流化床的特点 传热效果较好 操作方便，易于实

24、现操作的连续化和自动化 单位时间内设备的处理量大，便于大规模生产，在换热量一定的情况下，相应的换热面积小，结构紧凑，节省材料，造价低。因此流态化技术广泛用于传热、传质以及气一固反应过程中。 流化床的主要缺点是增加了产生副反应的机会。此外，颗粒磨损大，消耗多，对设备的磨损也大流化床在工程上的应用 固体流态化技术在工程上应用的范围很广，大体上可以分为三类：物理操作，催化反应与非催化反应。流化床中的流体力学特性 压强降与流速的关系：流化床的压降等于单位截面床内固体的表观重量(即重量浮力) 流化床的操作范围 起始流化速度uL 带出速度：当床层的表观速度达到颗粒的沉降速度时，大量颗粒将被流体带出器外，故流化床的带出速度为单个颗粒的沉降速度 u。一般说来，此表观速度为流化床操作范围的上。流化床中常见的不正常现象 腾涌与