南工大化工原理第三章颗粒流体力学基础及机械分离

1、第三章 颗粒流体力学基础与机械分离非均相物系： 物系内部存在相界面，为多相混合物气态非均相物系：含尘气体含雾气体液态非均相物系：悬浮液乳浊液泡沫 非均相体系的应用与研究 分离 混合 输送 渗流 射流 超常颗粒流体行为 计算颗粒流体力学分散相（被分散物质）： 非均相物质中处于分散状态的物质。 连续相（分散介质）： 非均相中连续状态的流体。分离方法： 机械法使分散介质与分散相之间发生相对运动，实现分离。理论基础：颗粒流体力学 分离目的： 回收分散相 净化分散介质 第三章第三章 颗粒流体力学基础与机械分离颗粒流体力学基础与机械分离3.1 3.1 单颗粒与颗粒群的几何特性单颗粒与颗粒群的几何特性3.2

2、 3.2 流体通过固定床层的流动流体通过固定床层的流动3.3 3.3 悬浮液滤饼过滤悬浮液滤饼过滤3.4 3.4 颗粒沉降与沉降分离设备颗粒沉降与沉降分离设备3.5 3.5 固体流态化固体流态化 3.3.1 1 单颗粒与颗粒群的几何特性单颗粒与颗粒群的几何特性 1.1 单颗粒的几何特性单颗粒的几何特性1. 1. 球形颗粒球形颗粒 若若 d dp p 为球形颗粒的直径，为球形颗粒的直径， mm 体积体积 v=(/6)dv=(/6)dp p3 3 mm3 3 表面积表面积 s=ds=dp p2 2 m m2 2 比表面积比表面积 a=s/v=6/da=s/v=6/dp p 1/ 1/

3、mm 1.1 单颗粒的几何特性单颗粒的几何特性2. 非球形颗粒（1）常用的表达： 等体积当量直径de,v：与非球形颗粒体积相等的球的直径。 d de,ve,v=(6v/)=(6v/)1/31/3 球形系数 ：与非球形颗粒体积相等的球的表面积与该颗粒表面积之比。 =d =d2 2e,v e,v /s /s 式中 v为非球形颗粒的体积。S为非球形颗粒的表面积。（2）非球形颗粒的体积、表面积、比表面积 体积 v=(/6) d3e,v m3 表面积 s=d2e,v/ m2 比表面积 a=s/v=6/de,v 1/m3.3.1 1 单颗粒与颗粒群的几何特性单颗粒与颗粒群的几何特性3.3.1

4、.2 1.2 颗粒群的几何特性颗粒群的几何特性一. 筛分分析常用名词1.标准筛: 一般使用的筛。有泰勒制，日本制，德国制及原苏联制等。我国用泰勒制。2.筛号: 指沿丝线走向1英寸长具有的孔数。3.筛余量: 截留在该筛面上的颗粒质量。4.筛过量: 通过该号筛的颗粒质量。二.颗粒粒径分布状况的表达方式1.表格式：表1 石英砂的筛分数据编号筛号范围 平均粒径dp， mm质量分数 x筛孔尺寸d， mm筛过量质量分数F19/101.8160.041.651（10号）0.96210/121.5240.061.397 （12号）0.9312/141.2830.241.168 （14号）0.66414/161

5、.080.220.991 （16号）0.44516/200.9120.250.833 （20号）0.19620/240.7670.160.701 （24号）0.03724/280.6450.020.589 （28号）0.01828/0.2950.010（无孔底盘）0筛号大孔径小筛上粒子的 d分布函数二. 颗粒粒径分布状况的表达方式2.分布函数曲线 分布函数 为 F（即筛过量质量分数）与d （筛孔尺寸）的关系。3.频率函数曲线 f 频率函数 iiiiiiiiiidpdpxdpdpFFdpddFf111)(pidpidfdF0)(图图3-2分布函数曲线与频率函数曲线分布函数曲线与频率函数曲线0.0

6、1.62.0d(mm)0.01.62.0f(1/mm)0.00.81.0F三. 颗粒群的平均直径：按比表面积等效原则，可按下式计算粒径)/(1,ipimdxd四. 床层特性固定床：固体颗粒堆积而成的静止颗粒层。 1.床层空隙率=（床层体积-颗粒体积）/床层体积 2.床层的比表面积aB：床层比表面积指每m3床层体积具有的颗粒表面积。 aB=（1- ）a 床层空隙率一般在0.47至0.7之间波动。 堆积密度b：单位体积床层内固体颗粒的质量。真实密度s：颗粒的密度。3.床层各向同性: 对于乱堆的床层，因各部位颗粒的大小、方向是随机的，当床层足够大

7、或者颗粒足够小时，可以认为床层是均匀的，各局部区域的空隙率相等，称为床层是各向同性的。自由截面率： 床层内任一截面上空隙面积与截面总面积之比。推论：自由截面率在数值上等于空隙率3.2 流体通过固定颗粒床层的压降流体通过固定颗粒床层的压降 固定床的基本问题压降流速关系压降流速关系 物理-数学模型法 固定床的一维简化模型 建立数学模型的一般步骤：1.建立物理模型: 合理的抽象和简化，建立物理模型2.建立数学模型: 在物理模型的基础上用数学的方式来表达物理模型，建立数学模型。3.检验模型那些因素影响压降和流量？一维模型认为： 床层空隙率和比表面积是最关键因素 令：模型与颗粒床层 ，a 相同，则：相同

8、，则：22244(1)4eeeeeendLDLndLaDL模型参数的 de 确定模型参数的 de 确定4(1)dea细管流速 u1=u /14(1)eduR eua 范宁方式： p=(Le/de)(u12/2 ) 令 =(Le/8L) ,则：23)1(8uaLLeLp231uaLp可得单参数方程为：: 模型参数，物理意义为床层摩擦系数。 上述的简化处理只是一种假设，其有效性必须通过实验检验，其中的模型参数亦经由实验结果确定29.0eR17.4uaLp322)1 (0 .522233111501. 5 7mmupuLdd欧根方程3.3 3.3 过滤过滤 过滤操作的基本概念过滤操作的基本概念 过滤

9、基本方程式过滤基本方程式 过滤的操作方式过滤的操作方式 过滤常数的测定过滤常数的测定 提高过滤生产能力的措施提高过滤生产能力的措施过滤：利用压差使悬浮液通过多孔性过滤介质，将固体颗粒截留，从而实现固-液分离的单元操作。织物介质 最常用的过滤介质，工业上称为滤布(网)，由天然纤维、玻璃纤维、合成纤维或者金属丝编织而成。可截留的最小颗粒的直径为5-65微米。多孔固体介质 具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶瓷、多孔金属及多孔性塑料制成的管或板，能截留1-3m的微小颗粒。堆积介质 由沙、木炭之类的固体颗粒堆积而成的床层，称作滤床，用作过滤介质使含少量悬浮物的液体澄清。多孔膜 用于膜过滤的各种有机分子

10、膜和无机材料膜。饼层过滤与深床过滤饼层过滤 固体物质沉积于过滤介质表面而形成滤饼层的操作，真正发挥截留颗粒作用的主要是滤饼本身，因此称作饼层过滤。饼层过滤主要用于含固量较大（1%）的场合。深床过滤 固体颗粒并不形成滤饼，而是沉积于较厚的过滤介质层内部的过滤操作。深床过滤主要用于净化含固量很少（0.1%）流体，如水净化等。过滤的操作悬浮液(滤浆)滤饼过滤介质滤液过滤操作示意图过滤操作方式过滤操作分为间歇式与连续式。根据过滤推动力的方式，又有加压过滤、真空过滤和离心过滤过滤基本方程式过滤速率过滤速率单位面积获得的滤液量（单位面积获得的滤液量（q，m3/m2）：）：VqA3122()5(1)mpdq

11、udaL五.悬浮液滤饼过滤的物料衡算V+LAVLAp1p2放空放空压缩空气压缩空气压力表压力表南京工业大学设过滤面积设过滤面积Am2 ，滤液，滤液Vm3 ，滤饼厚，滤饼厚度度Lm ，滤饼空隙率，滤饼空隙率 LA饼饼V LA 液液 LA(1-) 固固 VLA33/(1)PLAmmV 滤饼滤液(1)(1)PPVL AVLqA 滤饼厚度和滤液量的关系滤饼体积和滤液量的关系3(1)/PLAVLAkg m 悬浮液浓度：固体质量液体体积过滤阻力令滤饼阻力饼层阻力过滤速率par32)1(5推动力速率阻力1mpdqdr q Rr q 过滤阻力考虑介质阻力过滤速率12meq()mmpppddRRrqq 介质（2

12、mpdqdR介质eRr q 介质通过介质的滤液速率过滤基本方程式不可压缩滤饼：s=0 可压缩滤饼sprr)(010()sedqpdrqq 压缩性指数 s= 0 1 过滤基本方程式过滤基本方程102()spKr 2()edqKdqq过滤设备1.过滤设备种类过滤设备种类按操作方式：间歇式：连续式：南京工业大学 按压强差n 压滤n 吸滤n 离心过滤机2.加压叶滤机1） 结构：结构：南京工业大学南京工业大学3. 板框压滤机1 结构：结构：南京工业大学比较 板框式压滤机的优点板框式压滤机的优点是是: :结构简单、制造方便，占地面积结构简单、制造方便，占地面积小而过滤面积大，操作压强高，适应能力强，应用广

13、泛。小而过滤面积大，操作压强高，适应能力强，应用广泛。 缺点缺点是：间隙操作，生产效率低，劳动强度大，滤布损耗也是：间隙操作，生产效率低，劳动强度大，滤布损耗也较快。各种自动操作的出现，有一定改善。较快。各种自动操作的出现，有一定改善。 与板框压滤机比较，与板框压滤机比较，叶滤机叶滤机有如下优点：有如下优点：密闭操作，密闭操作，改善了操作条件，过滤速度大，洗涤效果好。改善了操作条件，过滤速度大，洗涤效果好。 缺点缺点是是:造价高，更换滤布造价高，更换滤布(尤对圆形滤叶）比较麻烦尤对圆形滤叶）比较麻烦 洗涤方式不同洗涤方式不同 洗涤速率与过滤终了时的速率不同洗涤速率与过滤终了时的速率不同 都是压

14、滤间歇操作过滤机都是压滤间歇操作过滤机南京工业大学课后习题课后习题 P131 3-7, 3-9, 3-1022222eeqqqKVVVKA00()2qeKqq dqd102 ()spKr恒压时为常数2qKv恒压过滤方程的工程意义： 操作型计算：操作型计算：已知 A、 P ，求悬浮液处理量，或已知A 、处理量，求P 设计型计算：设计型计算：已知要求处理的悬浮液量和推动力P ，求所需过滤面积A 测定恒压过滤常数测定恒压过滤常数K例3-5讨论：过滤面积，过滤常数（测定），（比较板框过滤）1. 恒压过滤常数恒压过滤常数K，qe， e的测定的测定图图3-8 恒压过滤常数恒压过滤常数K和和qe的确定的确定

15、pm一定一定V/V22KAVe21KA2222221eeVVVKAVVVKAKA过滤常数的测定2.压缩指数s与比阻r0的测定 图图3-9 滤饼压缩指数的确定滤饼压缩指数的确定斜率斜率(1-s)lgpmlgK南京工业大学)2lg()lg()1 (lg2001rpsKrpKmsm)2lg(0r三.用最小二乘法处理直线规律的实验数据p107 例3-9xyyixif(xi)南京工业大学nyynxxxbyaxxyyxxbiiiii/)()(2，为该点的偏差)(iixfy 2()edqqKdqq常数22eKqqq11()2qeqKqq dqd221112)()eqqq qqK（- 洗涤时间当洗涤液量为当洗

16、涤液量为VW时，洗涤时间为：时，洗涤时间为：wwwddVV)(22()wweVKAVV叶滤机：当当VW= JVF时时2)(2KAVVJVeFFw当当Ve= 0时时2222107FwFJVJPKA当洗涤液量为当洗涤液量为VW时，过滤时间为：时，过滤时间为：wwwddVV)(28()wweVKAVV板框过滤机：当当VW= JVF时时2)(8KAVVJVeFFw当当Ve= 0时时FwJKAJVF8822 洗涤时间 生产能力计算生产能力计算 定义：定义： 间歇过滤机的操作特点：间歇过滤机的操作特点：RwFFVGRwFF，清理组装），洗涤（过滤时间iltrate最大生产能力计算RFFRwFFJVVG)2

17、1 (设设Ve可忽略可忽略)()21 (FRFFfJKAGFRFKAJGH)21 (10022FdHdddHFRWF南京工业大学例题例题:P107 例例3-7回转真空过滤机1)一种连续操作的过滤机，整个转筒按与分一种连续操作的过滤机，整个转筒按与分配头的不同管路接通，分为三个操作区域：配头的不同管路接通，分为三个操作区域：过滤区；洗涤吸干区；吹松卸渣区。过滤区；洗涤吸干区；吹松卸渣区。i)回转真空过滤机的特点：回转真空过滤机的特点：优点是：优点是：连续自动操作，节省人力，生产能力大，连续自动操作，节省人力，生产能力大，特别适宜处理量大而容易过滤的料浆，对难于过滤特别适宜处理量大而容易过滤的料浆

18、，对难于过滤的胶体物系或细微颗粒的悬浮物，采用预涂助滤剂的胶体物系或细微颗粒的悬浮物，采用预涂助滤剂也比较方便。也比较方便。缺点是：缺点是：附属设备较多，投资费用高，过滤面积不附属设备较多，投资费用高，过滤面积不大，由于是真空，过滤推动力有限，不能过滤温度大，由于是真空，过滤推动力有限，不能过滤温度较高（饱和蒸汽压高）的滤浆，滤饼的洗涤不充分。较高（饱和蒸汽压高）的滤浆，滤饼的洗涤不充分。ii）回转真空过滤机的相关计算回转真空过滤机的相关计算（a）滤液量与时间的关系）滤液量与时间的关系回转真空过滤机的特点及相关计算可看为间歇过滤过程：可看为间歇过滤过程：过滤时间过滤时间 =60 /n 每转的滤液量由此可计算，再算每转的滤液量由此可计算，再算出生产能力。出生产能力。)60(6022nVnnKAGeem3/h（3）讨论：（b）回转真空过滤机的生产能力）回转真空过滤机的生产能力a. 若介质阻力不计，若介质阻力不计， e=0，Ve=0KnAnKAnG46560602b. 如何提高生产能力？如何提高生产能力？N G A G提高过