第三章非均相物系分离1-2课时

1、 第三章 机械分离和固体流态化3.1 概述 啤酒厂大麦粉粹糖化后形成含麦糟和麦汁的悬浮液，麦汁和麦糟如何分离？ 葡萄酒（果酒）厂葡萄汁（果汁）中含有杂质， 在发酵前应尽量得到分离，避免杂质给酒带来异味，如何澄清葡萄汁（果汁）中的固形物？ 面粉厂的面粉处于流动的空气中，为保证安全生产，固体颗粒如何分离出来？ 共性：混合物；固体颗粒和流体（液体和气体）一、混合物的分类 均 相 物 系：一种物质以分子、离子状态均匀分散在另一种物质中。溶质溶解在溶剂中，只有一相，密度均一。 非均相物系：由物理性质不同的分散介质和连续介质组成。有明显相界面；不同相间有明显的物理化学性质差异。平衡分离：吸收、萃取、蒸馏等

2、悬浮液（固-液混合物）乳浊液（液-液混合物）含尘气体、含雾气体：（固-气、液-气混合物）施加外力，使两相间发生相对运动，实现非均相混合物的分离。机械分离二、机械分离二、机械分离 在一定的力场中，运用非均相物系中的固态颗粒与流体介质之间的运动学差异，实现分离的一类单元操作。 沉降固体颗粒相对于流体介质（静止或运动）运动 过滤固体颗粒静止，流体介质相对于固体颗粒运动 重力沉降离心沉降重力过滤加压过滤真空过滤离心过滤三、工业上分离混合物的目的三、工业上分离混合物的目的作为生产的主要阶段。如啤酒生产过程中，麦芽汁发酵前需过滤纯化，出去杂质，浓缩后才能进行生物发酵等。提高制品纯度。如牛奶的除杂净化和啤酒

3、的过滤净化除去微粒固体等。回收有价值物质。如从含微粒固体的气溶胶中分离出奶粉。为了安全生产及环境保护。分离生产中发生的酸雾、烟等有害物质，保证人身和设备的安全。 一.单一颗粒的特性形状、大小(体积)、表面积 1.球形颗粒（体积V，表面积S及比表面积a） 球形颗粒的比表面积（单位体积颗粒具有的表面积）为：3)-(3 66dddVSa32 式中式中 a 比表面积比表面积, m2/m3; d 球形颗粒的直径球形颗粒的直径, m.2. 非球形颗粒 需要大小（当量直径）和形状（形状系数）两个参数来描述其特性。4)-(6 63peVd式中式中 de 体积当量直径体积当量直径, m ; Vp 非球形颗粒的实

4、际体积非球形颗粒的实际体积, m3 .2) 球形度 s 球形度又称形状系数，表征颗粒的形状与球形的差异程度。定义为pepSdSS2s式中 s 颗粒的形状系数或球形度 ; Sp 实际颗粒的表面积, m2 ; S 与实际颗粒等体积圆球的表面积, m2 . 球形颗粒 s=1; 非球形颗粒 s 1, 颗粒形状与球形差别愈大, s值愈低。比表面积 esesepppd/ddVSa6632非球形颗粒的特性，即体积 表面积 【例题】分别求出下列几种形状颗粒的球形度。 1) 正方体颗粒； 2) 高度与直径相等的圆柱体颗粒。 (答案：0.874) 3) 正四面体颗粒； (答案：0.656) 4) 高度与直径相等的

5、圆锥体颗粒。 (答案：0.779)解题分析 1) 设正方体颗粒的棱长为c22epscdSS6球形度36 cde33622cdSe806066363322.cccdSS22eps6A. 粒度分布 粒度分布是指不同粒径范围内所含颗粒的数目或质量，有多种表示方法，一般多通过筛分分析。常用筛：泰勒标准筛。 筛过量：通过筛孔的颗粒量； 筛余量：截留在筛面上的颗粒量； 通过称取各号筛面上的颗粒筛余量得到筛分分析的基本数据。二. . 颗粒群的特性iiiiadxGGdd11式中式中 da 平均比表面积直径平均比表面积直径, m ; di 筛分直径筛分直径, m ; xi di 粒径段内颗粒的质量分率粒径段内颗

6、粒的质量分率 . B. 颗粒的平均粒径 da 当颗粒的平均粒径以平均比表面积直径表示，则二. . 颗粒群的特性C. 颗粒群的密实性 单位体积的颗粒质量称为密度。真密度s: 若颗粒体积不包括颗粒之间的空隙，则测得的密度称为颗粒的 真密度；简称为颗粒密度。堆密度b: 若颗粒所占体积包括颗粒之间的空隙，则测得的密度称为颗粒群的堆积密度；简称为堆密度或表观密度。二. . 颗粒群的特性一、床层空隙率表示床层的疏密程度 影响床层空隙率的因素非常复杂, 如颗粒的大小、形状、粒度分布与充填方式等, 一般乱堆床层的空隙率大致为0.470.70之间。床层空隙率定义为bvbpbVVVV-V床层体积颗粒体积床层体积床

7、层的空隙体积, m3 . 大量固体颗粒堆积在一起便形成了颗粒床层。静止的颗粒床层又称为固定床。颗粒床层的特性对流体通过床层流动产生重要的影响。 二、床层的比表面积 ab单位体积床层具有的颗粒表面积称为床层的比表面积ab。即sbbda6床层比表面积若用堆密度表示，则有若忽略颗粒之间接触面积的影响，即假设颗粒之间全部为点接触。则床层体积颗粒表面积baab ： 床层的比表面积, m2/m3 ;a ：颗粒的比表面积, m2/m3 ; ： 床层孔隙率 . aa-b11颗粒体积颗粒表面积床层体积颗粒表面积床层体积颗粒体积床层体积aab )1(sbsbbbpaaVV)( )(1或1若床层颗粒之间全部为点接触

8、，可以证明：思考题 【证】1) 根据床层空隙率定义， 2) 若忽略颗粒之间接触面积的影响，即假设颗粒之间全部为点接触或线接触。则 床层表面积 = 所有颗粒表面积之和 即)(1bpVV1 bpbpbbVVaaVaVa 3)忽略床层空隙之间空气的质量，则 床层质量 = 所有颗粒质量之和 即 综上所述，有1 bpsbpsbbVVVV)(1sbbbpaaVVbpbVV-V 三、床层的自由截面积 工业上, 小颗粒的床层用乱堆方法堆成, 非球形颗粒的定向是随机的, 因而床层可以看作是各向同性的。 各向同性床层的一个重要特点是:床层横截面上可供流体通过的自由截面积与床层截面积之比在数值上等于空隙率。AADA

9、A床层的自由截面积 床层截面积床层自由截面积壁效应现象 流体在流过床层时,由于壁面附近床层的空隙率总是大于床层内部的,较多流体趋向近壁处流过,使床层截面上流体分布不均匀。 因此,较高的填料塔总是分段设置流体分布器,以尽量使得流体在塔截面上分布均匀。床层截面上的流速分布CCAABBA1A1B1B1A2A2B2B2 三、床层的自由截面积设床层体积为Vb，L流体deb1. 平行细管模型 将床层内的复杂通道假设成为长度为L(床层高度)、当量直径为deb 的平行细管，并且假定： 1) 细管的全部流动空间等于床层的空隙体积； 2) 细管的侧表面积等于床层的表面积。bV床床层层的的空空隙隙体体积积细细管管的

10、的体体积积aVaVbbb)(1床床层层的的表表面面积积细细管管的的侧侧表表面面积积细管侧表面积细管体积4细管湿周长细管截面积4细管湿周长细管截面积44细管的当量直径LLrddHebeb （3-32）a)(142. 流体通过床层的压降 2范宁公式：2udlpfL流体uu1. s/m,uudLpebf 33)-(3 速流体在细管内的实际流式中，2121 对于各向同性床层, 空床流速 u 与细管内流体实际流速u1之间的关系: 34)-(3 1uu 将式3-32, 3-34代入3-33, 得到. ,35)-(3 (Pa/m) 1 23擦系数流体通过床层流道的摩式中 uaLpf )( 对于各向同性床层,

11、 空床流速 u 与细管内流体实际流速u1之间的关系推导: L流体uu1 床层截面积sVu 1床层自由截面积sVu 1床层自由截面积床层截面积uu 床层截面积床层自由截面积性，即根据颗粒床层第三个特 1uu 3. 沿程阻力系数37)-(3 14 36)-(3 21)(:)(auudReReKRebbbeb康采尼实验。取称为康采尼常数，其值中公式该式称为康采尼方程05363 ,38)-(3 (Pa/m) 15 322.)(KuaLpf将式3-36, 3-37代入35)-(3 (Pa/m) 1 23uaLpf)( 39)-(3 0.29 ebR.17441)-(3 (Pa/m) )-(11.75 )

12、d(uu)d()(Lpesesf322321150将式3-37, 3-39代入康采尼方程3-12, 并代入 得到：esd6a 该式称为 Ergun方程。 0.17 Re b20， 层流, 粘性阻力占绝对主导, 等式右边第二项可忽略； 20 Re b100, 粘性阻力、形体阻力并存, 数量级相当, 均不可忽略。 100 Reb 420, 湍流, 形体阻力占绝对主导, 等式右边第一项可忽略;欧根实验欧根实验 在0.17 Re b 420范围内，Ergun 通过实验得到： 【例题3-1】在横截面积为1 m2的固定床反应器中装填直径d = 3 mm、高度等于直径的圆柱形催化剂 1 m3。催化剂的质量G

13、 = 980 kg，其真密度s = 1760 kg/m3。试求：（1）催化剂的体积当量直径de、球形度s、床层孔隙率及比表面积ab。（2）20 oC的空气从下向上通过催化剂层，空塔速度u = 0.2 m/s，空气流经催化剂床层的压降pf。分析 （1）已知催化剂形状为圆柱形，直径和高均为3 mm，求催化剂的体积当量直径和球形度非球形颗粒特性公式的应用。 mm 3.435 4 4 , 63p3e2peddhdVVd8740422 s222s.ddhrrhS,SdSSppep分析 （1）求颗粒床层的特性:床层孔隙率及比表面积ab床层特性参数之间关系公式的应用。32323sbs/mm 1113/mm 19996 )1(44320kg/m 9801980 ,-1 )1(besbbbbada,aa.,VG总结 颗粒特性及床层特性公式的熟练应用；床层压降计算欧根方程的应用，注意首先计算雷诺数，判断流型。41)-(3 (Pa/m) )-(11.75