化工原理上册-第3章-流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离

第3章流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离

3.1概述

(1)非均匀物系分离

气、固分离--------

液、固分离-------

固、固分离-------

流化床：众多固体颗粒悬浮于运动的流体中。基础：流体及颗粒间的相对运动，相互作用。沉降过滤(2)非均相反应

固定床反应器、流化床反应器等。筛分、分级沉降固定床：众多固体颗粒堆积成的静止颗粒层。流体相对颗粒流动(外流流动)

流体受颗粒作用产生压降，研究颗粒及流体性质。流体在管道内流动(内流流动)

流体受管壁粘性阻力，研究管道及流体性质。相同点：同属流体流动问题，研究问题方法及规律性相似。两种流动

3.2颗粒及颗粒床层的特性3.2.1 单颗粒的特性参数

(1)描述颗粒形状

1）颗粒的球形度φ

表明：颗粒形状接近于球形的程度

φ↑，则颗粒越接近于球形。球形颗粒：

2）颗粒的比表面积aV相同时，a↓，则颗粒越接近球形a与φ关系：球形颗粒比表面积：球形度φ、比表面积аV一定时，а↑,则φ↓，颗粒越偏离球形。描述颗粒形状参数---(2)描述颗粒大小1）等体积当量直径dv

指：与颗粒体积相等的球形颗粒的直径。dv

与a、φ关系：

2）等比表面积当量直径da

指：与非球形颗粒比表面积相等的球形颗粒的直径3.2.2混合颗粒的特性参数

(1)颗粒的筛分分析标准筛：有不同的系列，常用泰勒标准筛。筛号(目数)：每英寸边长的筛孔数目筛过量：通过筛孔的颗粒量筛余量：截留于筛面上的颗粒量*颗粒的筛分尺寸*筛分尺寸与颗粒特性参数的关系较规则颗粒：

条形颗粒：(2)颗粒群的平均特性参数*平均比表面积*颗粒群的等比表面积当量直径3.2.3 颗粒床层的特性组成：

(1)床层空隙率

1)定义：床层中，空隙所占体积分率。表明：床层堆积的松散程度；

ε↑，空隙越大，床层越松散；

ε对流体流过床层的阻力影响很大。

2)影响床层空隙率的因素

①装填方法：干装湿装②颗粒特性的影响

颗粒形状：

靠壁面处：

粒径分布：

3)空隙率测量---充水法、称量法

(2)床层的自由截面积

即：床层中空隙的面积(流体的流通截面积)

自由截面积分率S0与ε关系：同样表明颗粒堆积的松散程度均匀颗粒，则S0↑，ε↑。(3)床层的比表面积aB

忽略颗粒相互重叠减少的面积，则：①颗粒静止，流体绕过颗粒流动；

②流体静止，颗粒流动；③颗粒和流体都运动，维持一定相对速度。流体和颗粒相对运动的情况：3.3

流体和颗粒的相对运动3.3.1流体绕过颗粒的流动

(1)曳力阻力：颗粒对流体的作用力曳力：流体对颗粒的作用力

水平方向，颗粒所受曳力：

●影响因素：●获得：(2)曳力系数影响因素：①球形颗粒:判断流型：层流（斯托克斯区）

过渡流

湍流②非球形颗粒的曳力系数

计算方法：

近似用球形颗粒公式，ds→da

或dv

实测ξ-Rep

关系（书P168图3.3.2）3.3.2颗粒在流体中的流动

(1)颗粒在力场中的受力分析

①

质量力

②浮力

③

曳力

合力：(2)颗粒的运动情况运动方向：初始时，两个阶段--①加速阶段

②恒速阶段终端速度:

简化：沿合力方向加速阶段、恒速阶段加速阶段很短，忽略不计；认为全过程中，颗粒匀速运动

目的：流体与固体颗粒分离

原理：利用颗粒与流体之间的密度差，将固体颗粒从流体中分离出来。

常用方法：

(1)重力沉降(分离较大的颗粒）

例：选矿3.4沉降（单元操作）(2)离心沉降

(分离尺寸小的颗粒）

例：气体除尘

3.4.1重力沉降速度的计算

(1)球形颗粒的自由沉降

自由沉降：

干扰沉降：匀速阶段受力分析：容器壁和其它颗粒不影响沉降速度实际颗粒的沉降其它条件相同时，小颗粒后沉降

◆

影响沉降速度的因素：

①颗粒直径

②流体密度

③颗粒密度

其它条件相同时，密度大的颗粒先沉降。◆球形颗粒的沉降速度其它条件相同时，设备中空气较水颗粒易沉降

2）过渡区关于曳力系数:1）层流区3）湍流区或：判据法(避免试差)问题：沉降速度ut未知，如何判断流型方法：试差法(2)非球形颗粒的沉降速度

同样条件下，因此，

处理方法：可先假定为颗粒球形，然后校正。书P172图3.4.1(3)不均匀颗粒的沉降速度

粒径不同时，除去所有颗粒，颗粒分级时，大颗粒先沉降，小颗粒后沉降。应以最小颗粒直径计算ut

。以不同粒度，分别进行计算ut

。(4)影响沉降速度的其它因素1)干扰沉降------颗粒沉降时彼此影响

颗粒浓度对沉降速度的影响由于大量颗粒向下沉降而使流体被置换而产生显著的向上运动

流体表观物性的影响流体的表观密度和表观粘度（即混合物的密度和粘度）都增大颗粒的沉降速度减小③液滴或气泡变形液滴或气泡受曳力变形，影响计算准确性。②流体分子运动的影响颗粒直径小于2~3μm

以下时，抑制重力沉降。④壁效应和端效应时,器壁有影响3.4.2 重力沉降设备

(1)降尘室

①结构及工作原理

入口：矩形随气体的水平流速u颗粒沉降速度ut降尘室底面积尘气流通截面积尘气体积流量颗粒速度分解：颗粒的停留时间颗粒的沉降时间(2)颗粒分离(沉降)条件(3)生产能力

(可处理的尘气体积流量q

V)说明：生产能力由底面积、沉降速度决定，

与降尘室高度无关多用扁平形状或多层降尘室(层高40-100mm)

②计算ut

时，如何使尘粒完全分离应以最小颗粒直径，计算ut

③如何选取气体速度

④重力沉降适于分离的粒径范围①如何计算可沉降颗粒的粒径？提出问题?(2)连续式沉降槽（自学）从液体中分离出固体颗粒。3.4.3离心沉降1、作用原理在离心力作用下，靠流体与颗粒间密度差，分离颗粒。2、离心沉降的优点

1）可分离出直径较小的颗粒(离心力>重力)2）对一定质量颗粒，离心力大小可调，可测粒径分布，设备操作灵活、尺寸减小。3-4-1离心沉降速度

计算方法：同重力场，重力→离心力

重力沉降

离心沉降

对球形颗粒离心沉降速度ur：随颗粒旋转半径r变化

层流Stokes区：重力沉降离心沉降说明：1、ur

与旋转半径r有关角速度

一定时，线速度u一定时，

2、ur

与转数（ω、u）有关调节转数，可测粒径分布。

3、衡量离心分离性能的指标离心分离因素KC越大，分离效能越高3-4-4离心沉降设备一、旋风分离器

1、结构和工作原理(标准型)

进气口形状：矩形

尺寸：进口管A、B

圆柱筒直径D(主要尺寸)

排气口直径D1

尺寸间关系：问题：生产能力的影响因素

气体种类、圆柱筒直径D、进口气速假设条件：（1）颗粒与气体在器内等速运动，且均为进口气速；（2）颗粒沉降时，圆周运动半径增加，最大距离是旋风分离器进气口宽度B；（3）沉降处于stokes区。2、旋风分离器的性能参数

1）临界粒径dc：能够分离出的最小颗粒直径。

沉降速度

沉降时间

设：气体旋转圈数N，则气流运行距离

气体停留时间颗粒分离条件2）分离效率：（1）总效率（2）分级效率（粒级效率）

两者关系：

分级效率曲线书P184图3.4.9按假设实际情况分割粒径d50：

3）旋风分离器的阻力

是旋风分离器的经济指标3、旋风分离器的分离能力分离气体中颗粒直径：5-75μmd<5μm颗粒，可串联袋滤器或洒水装置4、常见旋风分离器的形式

1）进口方式切向进口：切向进口方式结构简单，较常用。螺旋面进口：结构复杂，采用不便。蜗壳形进口：结构简单，减小阻力。

2）常用型式标准型、CLT/A型、CLP型、扩散式等5、旋风分离器组（并联）目的：提高生产能力二、旋液分离器（自学）分离液-固非均相混合物三、离心沉降机（自学）分离液-固非均相混合物可用于分离、测粒径分布

流动情况：在孔道中流动（外流）

阻力计算：所有颗粒所受曳力之和

复杂性：孔道的形状、数目、流动状态随机，孔道中流动属层流，但局部出现湍流。

处理方法：简化床层，管外流问题→管内流问题3-5 流体通过固定床的流动

一、床层的简化模型

三点假设

1）床层孔道平行，孔道长度与床层高度成正比；

2）孔道内表面积=颗粒的全部外表面积；

3）孔道体积等于床层中的空隙体积；虚拟细管的当量直径：