化工原理 第三章 非均相物系的分离和固体流态化

第三章非均相物系分离(fēnlí)和固体流态化概念(gàiniàn)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。精品资料概念(gàiniàn)－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(róngyè)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①非均相物系精品资料概念(gàiniàn)－非均相物系②非均相物系的分离(fēnlí)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精品资料概念(gàiniàn)－颗粒2.颗粒(kēlì)特性（形状、体积和表面积）①球形颗粒球形颗粒特性只需直径d描述即可。②非球形颗粒非球形颗粒特性用当量直径和形状系数描述。⑴体积当量直径（de）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。精品资料概念(gàiniàn)－颗粒⑵形状(xíngzhuàn)系数（球形度）形状系数→表征颗粒形状与球形的差异程度。精品资料概念(gàiniàn)－颗粒3.颗粒(kēlì)群特性①粒径分布粒径分布→不同粒径范围内所含粒子的个数或质量。筛分分析：⑴标准筛→泰勒标准筛、日本JIS标准筛和德国标准筛。⑶筛分单位→目数（筛孔大小），指每英寸长度筛网上的孔数。⑵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0.0042in，精品资料概念(gàiniàn)－颗粒②颗粒(kēlì)群的平均粒径颗粒群的平均粒径→常用平均比表面积直径，即Sauter直径。颗粒群的平均粒径精品资料概念(gàiniàn)－颗粒床层1.床层空隙(kòngxì)率床层空隙率（ε）→表征颗粒群堆积而成的床层疏密程度。2.床层比表面积影响因素→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0.47～0.7。精品资料概念(gàiniàn)－颗粒床层3.床层自由(zìyóu)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。③壁效应：因壁面处床层ε>床层内部ε，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。①床层特性：各向同性。②各向同性床层特点：。精品资料概念(gàiniàn)－颗粒床层4.流体(liútǐ)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①细管的全部流动空间＝颗粒床层的空隙容积。②细管的内表面积＝颗粒床层的全部表面积。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精品资料概念(gàiniàn)－颗粒床层⑴康采尼（Kozeny）方程(fāngchéng)⑵欧根（Ergun）方程精品资料沉降(chénjiàng)分离－重力沉降(chénjiàng)1.沉降(chénjiàng)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：①流体静止，颗粒相对于流体作沉降或浮升运动。②颗粒静止，流体对固体作绕流。③固体和流体都运动，但二者保持一定的相对速度。精品资料沉降(chénjiàng)分离－重力沉降(chénjiàng)2.重力(zhònglì)沉降①球形颗粒的自由沉降颗粒沉降时的受力刚性球形颗粒的沉降速度，即终端速度。精品资料沉降(chénjiàng)分离－重力沉降(chénjiàng)②阻力(zǔlì)系数⑴层流区或斯托克斯（Stokes）定律区

⑵过渡区或艾仑（Allen）定律区

⑶湍流区或牛顿（Newton）定律区

（P147,图3-2）精品资料沉降分离(fēnlí)－重力沉降③沉降速度的影响(yǐngxiǎng)因素⑴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。。⑵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。⑶器壁效应容器壁面和底面增加颗粒沉降阻力→实际沉降速度＜自由沉降速度。⑷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。精品资料沉降(chénjiàng)分离－重力沉降(chénjiàng)④求解(qiújiě)⑴试差法⑵摩擦数群法精品资料沉降(chénjiàng)分离－重力沉降(chénjiàng)求某介质中具有(jùyǒu)ut的颗粒直径：⑶流型判据→K值K值判断流型→避免试差精品资料沉降分离(fēnlí)－重力沉降设备1.降尘(jiàngchén)室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。①单层降尘室精品资料沉降分离(fēnlí)－重力沉降设备②多层降尘(jiàngchén)室2.沉降槽和分级器（自习）多层降尘室⑴沉降速度根据需要完全分离下来的最小颗粒尺寸计算。⑵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，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。精品资料沉降(chénjiàng)分离－离心沉降(chénjiàng)1.离心(líxīn)沉降颗粒在离心力场中的运动离心沉降速度精品资料沉降分离(fēnlí)－离心沉降①形式上相似。②离心沉降速度是颗粒运动(yùndòng)的径向速度，方向为沿半径向外。③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。精品资料沉降分离(fēnlí)－离心沉降离心分离因数(yīnshù)离心沉降分离两相密度差小、细颗粒的非均相物系。层流：①旋风或旋液分离器：。②比如，旋转半径为0.4m、切向速度为20m/s，精品资料沉降(chénjiàng)分离－旋风分离器1.旋风(xuànfēng)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。①结构简单、低成本、操作条件范围宽、分离效率较高。②③不宜处理黏性粉尘、含湿量高的粉尘及腐蚀性粉尘。精品资料沉降(chénjiàng)分离－旋风分离器2.旋风(xuànfēng)分离器性能①临界粒径假定：⑴进口气流作严格的等速螺旋运动，切向速度为进口气速。⑵颗粒必须穿过厚度为B的气流层方能到达壁面而被分离。⑶颗粒在层流下作自由沉降。临界粒径→理论上被旋风分离器完全分离的最小颗粒直径。临界粒径精品资料沉降(chénjiàng)分离－旋风分离器②分离(fēnlí)效率粒级效率曲线分割粒径→粒级效率恰为50%的颗粒直径。总效率粒级效率精品资料沉降(chénjiàng)分离－旋风分离器③压强(yāqiáng)降⑵旋风分离器→。⑴标准旋风分离器：。⑴物系：颗粒的密度大、粒径大及粉尘浓度高利于分离。⑵操作条件：进口气速保持在10～25m/s。④旋风分离器性能的影响因素精品资料沉降(chénjiàng)分离－旋风分离器3.旋风(xuànfēng)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）精品资料过滤(guòlǜ)－概念1.过滤(guòlǜ)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，颗粒被截留在介质上，实现固液分离。过滤①过滤注意：工程上常用的过滤是以压强差为推动力。精品资料过滤(guòlǜ)－概念过滤(guòlǜ)方式→饼层过滤(guòlǜ)和深床过滤(guòlǜ)架桥现象②过滤方式⑴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。⑵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。精品资料过滤(guòlǜ)－概念⑴织物介质（滤布）→被截留的颗粒最小直径(zhíjìng)为5～65。⑵堆积介质→多用于深床过滤，如细砂等。⑶多孔固体介质→具有很多微细孔道的固体材料，截拦1～3颗粒。③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。④滤饼滤饼→由截留下的颗粒堆积而成的床层。⑴根据颗粒特性→不可压缩滤饼和可压缩滤饼。⑵不可压缩滤饼→单位厚度床层的流动阻力恒定。精品资料过滤(guòlǜ)－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(shùxué)关系。1.滤液通过滤饼的流动滤液流动特点→①流道为细小、曲折和不规则的网状结构；②非稳态流动；③层流。精品资料过滤－基本(jīběn)方程2.过滤速率(sùlǜ)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。过滤速率过滤速度3.滤饼阻力R→滤饼阻力；r→滤饼比阻精品资料过滤(guòlǜ)－基本方程4.过滤(guòlǜ)介质阻力→过滤介质的当量滤饼厚度或虚拟滤饼厚度。过滤意义：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。精品资料过滤(guòlǜ)－基本方程5.过滤的基本(jīběn)方程假定1m3滤液→滤饼体积为m3，过滤基本方程s→滤饼压缩指数→过滤介质的当量滤液体积或虚拟滤液体积精品资料过滤(guòlǜ)－基本方程6.应用(yìngyòng)①恒压过滤（最常见）恒压过滤方程精品资料过滤(guòlǜ)－基本方程②恒速过滤(guòlǜ)（过滤(guòlǜ)初期）不可压缩滤饼恒速过滤时，压强差随过滤时间成线性增加。精品资料过滤(guòlǜ)－基本方程③复合式过滤(guòlǜ)（先恒速后恒压）→恒速段终了瞬间的滤液体积。→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→恒压段的滤液体积。→恒压段的过滤时间。精品资料过滤(guòlǜ)－基本方程④过滤(guòlǜ)常数的测定恒压过滤→测定压缩性指数，（P179，例3-10）精品资料过滤(guòlǜ)－设备1.板框压滤机排列(páiliè)方式→（1－2－3－2）－（1－2－3－2）－…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）精品资料过滤(guòlǜ)－设备过滤(guòlǜ)阶段洗涤阶段（横穿洗涤法）①洗水通道面积＝0.5×过滤面积。②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。精品资料过滤(guòlǜ)－设备3.转筒真空(zhēnkōng)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。精品资料过滤(guòlǜ)－设备4.离心机常速离心机→高速(ɡāosù)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浊液精品资料过滤－洗涤(xǐdí)滤饼目的→回收滞留在颗粒缝隙间滤液或净化(jìnghuà)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。洗涤时间→。1.置换洗涤法2.横穿洗涤法精品资料过滤(guòlǜ)－过滤(guòlǜ)机生产能力1.间歇(jiànxiē)过滤机的生产能力2.连续过滤机的生产能力板框压滤机生产能力（P185，例3-11）（P187，例3-12）精品资料固体(gùtǐ)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(yètǐ)沸腾的翻滚运动。2.流态化现象固定床2.流化床3.颗粒输送1.固体流态化不同流速时床层变化精品资料固体(gùtǐ)流态化流化(liúhuà)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。散式流化聚式流化精品资料固体(gùtǐ)流态化3.流化床的主要(zhǔyào)特性①压强降理想流化床关系固定床→流化床→压强降不变气流输送：密相→稀相；两相同向流动精品资料固体(gùtǐ)流态化⑴驼峰BCD→因颗粒靠紧需要更大的推动力；⑵DE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；⑶临界点位移→临界流化速度和临界空隙率；⑷压强降波动→气泡运动、