非均相混合物分离课件

1、第 3 章 非均相混合物的分离及固体流态化3.1 概述3.2 颗粒及颗粒床层的特性3.3 沉降分离基础知识3.4 固体流态化11.描述非球形颗粒的参数2.颗粒沉降阶段划分3.沉降速度（带出速度）4.固体流态化的基本概念5.流化床的主要特征6.流化床的操作范围本章应重点掌握的内容23.1 概 述 一、非均相混合物的分类 二、非均相混合物的分离方法 三、非均相混合物分离的目的3 具有不同物理性质(如密度差别)的分散物质和连续介质所组成的物系称为非均相混合物或非均相物系。非均相混合物分散相或分散物质：处于分散状态的物质，如分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡。连续相或连续介质：包围分散物质且处于连续状

2、态的物质。 一、非均相混合物的分类（p130）4 根据连续相的状态，非均相物系分为两种类型： 气态非均相物系，如含尘气体、含雾气体等； 液态非均相物系，如悬浮液、乳浊液及泡沫液等。 机械分离方法，即利用非均相混合物中两相的物理性质（如密度、颗粒形状、尺寸等）的差异，使两相之间发生相对运动而使其分离。 二、非均相混合物的分离方法机械分离方法过滤沉降5 1. 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的过程。沉降操作的作用力沉降离心沉降重力沉降重力惯性离心力 2. 过滤 流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程。依实现过滤操作的外力不同，过滤操作又可分为6过滤重力过滤加压过滤真

3、空过滤离心过滤过滤操作的外力重力压强差压强差惯性离心力 非均相混合物分离的应用： 收集分散物质； 净化连续介质； 环境保护与安全生产。 三、非均相混合物分离的目的73.2 颗粒及颗粒床层的特性3.2.1 颗粒的特性3.2.2 颗粒床层的特性3.2.3 流体通过床层流动的压降81. 球形颗粒比表面积 体积 表面积 球形颗粒的尺寸由直径 d 确定。 3.2.1 颗粒的特性（p131）一、单一颗粒特性m3m2m2 /m39需要大小和形状两个参数来描述其特性。 (1) 体积当量直径 实际颗粒的体积 VP 等于当量球形颗粒的体积 V，则体积当量直径 de 定义为(2) 球形度 颗粒的实际表面积与该颗粒体

4、积相等的球体的表面积非球形颗粒 球形颗粒 ， , m2. 非球形颗粒10比表面积 体积 表面积 一、单一颗粒特性m3m2m2 /m3非球形颗粒的特性参数，即11 工业中遇到的颗粒大多是由大小不同的粒子组成的集合体，称为非均一性粒子或多分散性粒子；而将具有同一粒径的颗粒称为单一性粒子或单分散性粒子。 1. 粒度分布 不同粒径范围内所含粒子的个数或质量，即粒径分布。二、颗粒群的特性（p152）2. 颗粒的平均直径 粒群的平均直径计算式为 xi悬浮物系中分散相的质量分数, m12 由颗粒群堆积成的床层疏密程度可用空隙率来表示，其定义如下: 影响空隙率值的因素非常复杂，诸如颗粒的大小、形状、粒度分布与

5、充填方式等。一般乱堆床层的空隙率在 0.47 0.70 之间。3.2.2 颗粒床层的特性（p153）一、床层的空隙率 13 单位床层体积具有的颗粒表面积称为床层的比表面积 ab (m2/m3)。若忽略颗粒之间接触面积的影响，则式中 a 颗粒的比表面积，m2/m3床层的比表面积也可用颗粒的堆积密度估算，即 颗粒的堆积密度颗粒的真实密度二、床层的比表面积14 床层截面上未被颗粒占据的、流体可以自由通过的面积，称为床层的自由截面面积。 3.2.3 流体通过床层流动的压降（p155）一、床层的简化模型 简化模型是将床层中不规则的通道假设成长度为 L、当量直径为 deb 的一组平行细管，并且规定： 细管

6、的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积； 细管的内表面积等于颗粒床层的全部表面积。三、床层的自由截面积15 在上述简化条件下，以 1 m3 床层体积为基准，细管的当量直径 deb可表示为床层空隙率及比表面积 ab 的函数，即16流体在床层内的实际流速空塔速度将代入上式，得到二、流体通过床层压降的数学描述17康采尼（Kozeny）方程床层雷诺数定义 三、模型参数的实验测定（p156）康采尼方程适用条件：18 当 Reb 20 时，流动基本为层流，式中等号右边第二项可忽略；当 Reb1 000 时，流动为湍流，式中等号右边第一项可忽略。欧根（Ergun）方程适用条件：19【例 3 -1】在横截面积为

7、 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 = 980 kg，其真密度s = 1760 kg/m3。试求(1) 催化剂的当量直径 de、球形度s、床层空隙率及 比表面积 ab ；(2) 20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 。【例3-1】20解：(1) 催化剂的 de 、s 、床层的及 ab于是 21(2) 空气流经床层的压降pf 首先计算 Reb ，判断流型，然后选用相应公式求pf 20下，空气的物性参数为 = 1.205 kg/m3 ， = 1.8110 -5 P

8、as ，则由于 Reb 2，不宜用康采尼公式计算pf 又由于 Reb 20，用欧根公式计算pf 时，可忽略式中等号右边第二项，于是22 在外力场作用下，利用分散相和连续相之间的密度差，使之发生相对运动而实现非均相混合物分离的操作称为沉降分离。 根据外力场的不同，沉降分离分为重力沉降和离心沉降；根据沉降过程中颗粒是否受到其他颗粒或器壁的影响而分为自由沉降和干扰沉降。3.3 沉降分离基础知识23一、沉降速度沉降颗粒的受力情况图3.3.1 重力沉降一、沉降速度1.球形颗粒的自由沉降（p132）颗粒受到三个力 重力浮力阻力阻力系数或曳力系数24分析颗粒运动情况：加速度最大阻力加速度加速度=0加速度=0

9、加速段匀速段 根据牛顿第二运动定律，上述三个力的合力等于颗粒的质量m与其加速度a的乘积：Fg Fb Fd = ma，或25 等速阶段中颗粒相对于流体的运动速度ut称为沉降速度。由于这个速度是加速阶段终了时颗粒相对于流体的速度，故又称为“终端速度”。沉降速度 （p133）m/sm/s26 通过量纲分析可知， 是颗粒与流体相对运动时雷诺数Ret 和球形度 s 的函数，即 随 Ret 及 s 变化的实验测定结果见下图。2.阻力系数 27 关系曲线图28 对球形颗粒 关系曲线大致可分为三个区域：为层流区或斯托克斯(Stokes)定律区斯托克斯公式m/s29为过渡区或艾仑（Allen）定律区为湍流区或牛

10、顿(Newton)定律区 牛顿公式艾仑公式m/sm/s30二、影响沉降速度的因素（p135，自学）(1)流体的粘度(2)颗粒的体积分数(3)器壁效应(4)颗粒形状的影响提示：首先要搞清自由沉降和干扰沉降的含义31 旋风分离器是利用惯性离心力的作用从气流中分离出尘粒的设备。标准旋风分离器图气体在旋风分离器内的运动情况图3.3.2 几种除尘设备简介1.旋风分离器(应用最广的除尘设备）（p144）32 首先根据系统的物性与任务的要求，结合各型设备的特点，选定旋风分离器的形式，而后通过计算决定尺寸与个数。 旋风分离器计算的主要依据有三个方面： 含尘气的体积流量； 要求达到的分离效率； 允许的压强降。四

11、、旋风分离器的结构形式与选用旋风分离器的选用332.降尘室343.多层降尘室35过滤操作动画363.4.1 流态化的基本概念3.4.2 流化床的主要特征3.4.3 流化床的操作范围3.4.4 提高流化质量的措施（自学）3.4.5 气力输送简介3.4 固体流态化（p178）37 将大量固体颗粒悬浮于流动的流体之中，并在流体作用下使颗粒作翻滚运动，类似于液体的沸腾，故称这种状态为固体流态化。化学工业中广泛使用固体流态化技术以强化传热、传质，并实现某些化学反应、物理加工乃至颗粒的输送等过程。 当一种流体自下而上流过颗粒床层时，随着流速的加大，会出现以下三种不同的情况。稀相输送床阶段流化床阶段固定床阶

12、段气速增加 一、流态化现象3.4.1 流态化的基本概念（p178）38不同流速时床层的变化图(a) 固定床 (b) 初始或临界流化床 (c) 散式流化床 (d) 聚式流化床 (e) 输送床流态化现象示意图39散式流化 散式流化状态的特点为固体颗粒均匀地分散在流化介质中，故亦称均匀流化。当流速增大时，床层逐渐膨胀而没有气泡产生，颗粒彼此分开，颗粒间的平均距离或床层中各处的空隙率均匀增大，床层高度上升，并有一稳定的上界面。通常两相密度差小的系统趋向散式流化，故大多数液固流化属于“散式流化”。散式流化二、两种不同流化形式40聚式流化 床层内分为两相:乳化相和气泡相。由于气泡在上界面处破裂，所以上界面

13、是以某种频率上下波动的不稳定界面，床层压强降也随之作相应的波动。对于密度差较大的气固流化系统，一般趋向于形成聚式流化。 聚式流化41理想流化床的压强降图 3-2 理想流化床的 p-u 关系图3.4.2 流化床的主要特征（p180）一、恒定的压强降422. 实际流化床的压强降图 3-3 实际流化床的p-u 关系曲线驼峰43图3-4 气体流化床类似液体的特性二、类似液体的特点44 流化床中两相流动特点： 颗粒轴向混合为主，系统颗粒混合均匀； 温度、浓度分布均匀，避免局部过热； 但温度、浓度均匀会使床层内传热、传质推动力下降，反应进行得不完全； 易于连续自动操作。 三、流化床中的两相流动45腾涌现象

14、图3-5 腾涌发生后p-u 关系曲线四、流化床的不正常现象462. 沟流现象图3-6 沟流发生后p-u 关系曲线47 要使固体颗粒床层在流化状态下操作，必须使气速高于临界流速 umf ，而最大气速又不得超过颗粒的沉降速度，以免颗粒被气流带走。 1实测法 测取流化床回到固定床的一系列压降与气体流速的对应数值。 测定时常用空气作流化介质，最后根据实际生产中的不同条件将测得的值加以校正。3.4.3 流化床的操作范围（p182）一、临界流化速度 umf48可得到如下图 的曲线。 临界流化速度492. 计算法混合颗粒床层的 umf 计算式（p183）粒径较小、Rep1000时，50 颗粒带出速度即颗粒的

15、沉降速度 （p135 各种情况下的沉降速度公式）二、带出速度二、带出速度（=沉降速度）粒度分布较均匀的混合颗粒床层的 umf 估算式对于小颗粒 对于大颗粒 注意：上二式不能用于粒度差异悬殊的颗粒群51沉降速度（=带出速度） 等速阶段中颗粒相对于流体的运动速度 ut 称为沉降速度。由于这个速度是加速阶段终了时颗粒相对于流体的速度，故又称为“终端速度”。式中 ut颗粒的自由沉降速度，m/s； d颗粒直径，m； s，分别为颗粒、流体的密度，kg/m3； g重力加速度，m/s2; 阻力系数52沉降速度公式汇总m/s斯托克斯公式m/s基本公式牛顿公式艾仑公式m/sm/s53 带出速度与临界流化速度的比值

16、反映了流化床的可操作范围。 对细颗粒 流化床实际操作速度与临界流化速度的比值称为流化数，通常范围在1090之间（特殊情况可达数百）。 三、流化床的操作范围（p184）对大颗粒 3.4.4 提高流化质量的措施（自学）（上限值）（下限值）54 利用气体在管内流动以输送粉粒状固体的方法称为气力输送。气力输送输送介质 最常用的输送介质是空气，但在输送易燃易爆粉料时，也可采用其他惰性气体。3.4.5 气力输送简介 （p186）55 系统密闭，避免了物料的飞扬、受潮、受污染，也改善了劳动条件； 可在输送过程中(或输送终端)同时进行粉碎、分级、加热、冷却以及干燥等操作； 占地面积小，可以根据具体条件灵活地安

17、排线路，例如，可以水平、垂直或倾斜地装置管路； 设备紧凑，易于实现连续化、自动化操作，便于同连续的生产过程相衔接。气力输送的优点56 与其他机械输送方法相比存在的缺点： 1.动力消耗较大； 2.颗粒尺寸受到一定限制( 30 mm)； 3.在输送过程中物料易于破碎； 4.管壁也受到一定程度的磨损； 5.不适于输送粘附性物料或高速运动时易产生静电的物料。气力输送的缺点571.吸引式1吸嘴 2输送管 3一次旋风分离器 4料仓 5二次旋风分离器 6抽风机吸引式气力输送装置图气力输送分类一、按气流压强分类58压送式气力输送装置图1回转式供料器 2压气机械 3料斗 4输料管 5旋风分离器 6料仓2. 压送

18、式59混合比 R（或固气比）单位质量气体所输送的固体质量，即 二、按气流中固相浓度分类 1. 稀相输送 混合比在 25 以下（通常 R = 0.1 5 ）的气力输送为稀相输送。 2.密相输送 混合比大于 25 的气力输送称为密相输送。在密相输送中，固体颗粒呈集团状态。601-发送罐 2-气相密封插板 3-料斗 4-气体分配器 5-脉冲发生器和电磁阀 6-输送管道 7-受槽 8-袋滤器脉冲式密相输送装置图61【例3-2】欲使颗粒群直径范围为 50 175 m、平均粒径 dp 为 98m 的固体颗粒床层流化，同时必须避免颗粒的带出，求允许空塔气速的最小和最大值。 已知条件：固体颗粒密度为 1000

19、 kg/m3，颗粒的球形度为 1，初始流化时床层的空隙率为 0.4，流化空气温度为 20，流化床在常压下操作。解：由附录 五 查得 20 空气的粘度= 0.0181 mPas、密度= 1.205 kg/m3。允许最小气速就是用平均粒径计算的 umf 。假定颗粒的雷诺数 Rep20，依讲义p182式 3 -94可以写出临界流化速度为【例3-2】62（20） 校核雷诺数： 63 为了避免颗粒带出，其最大气速不能超过床层最小颗粒的带出速度 ut ，因此，用 dp = 50m 计算带出速度。先假定颗粒沉降属于层流区，其沉降速度用斯托克斯公式计算，即 复核流型： 64 可见，这两个速度的比值为 201，