非均相混合物分离优秀公开课

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根据连续相的状态，非均相物系分为两种类型：①气态非均相物系，如含尘气体、含雾气体等；②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：①收集分散物质；②净化连续介质；③环境保护与安全生产。三、非均相混合物分离的目的71.

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ε值的因素非常复杂，诸如颗粒的大小、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：①细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积；②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Reb＞1000

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解：(1)催化剂的de、φs、床层的ε及ab于是

21(2)空气流经床层的压降Δpf

首先计算Reb

，判断流型，然后选用相应公式求Δpf

20℃下，空气的物性参数为ρ=1.205kg/m3

，

μ=1.81×10-5Pa·s，则由于Reb

＞2，不宜用康采尼公式计算Δpf

又由于Reb

＜20，用欧根公式计算Δpf

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：㈠含尘气的体积流量；㈡要求达到的分离效率；㈢允许的压强降。四、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Δp-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Δp-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：①颗粒轴向混合为主，系统颗粒混合均匀；②温度、浓度分布均匀，避免局部过热；③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；④易于连续自动操作。三、流化床中的两相流动45腾涌现象图3-5腾涌发生后Δp-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Δp-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、Rep<20时，大颗粒、Rep>1000时，50颗粒带出速度即颗粒的沉降速度（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；

ρs，ρ——分别为颗粒、流体的密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2;ζ——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10～90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）55①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；②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；③占地面积小，可以根据具体条件灵活地安排线路，例如，可以水平、垂直或倾斜地装置管路；④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(<30mm)；

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50~175μm、平均粒径dp为98μm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1000kg/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