非均相混合物分離課件

1、第 3 章 非均相混合物的分離及固體流態(tài)化3.1 概述3.2 顆粒及顆粒床層的特性3.3 沉降分離基礎(chǔ)知識(shí)3.4 固體流態(tài)化11.描述非球形顆粒的參數(shù)2.顆粒沉降階段劃分3.沉降速度（帶出速度）4.固體流態(tài)化的基本概念5.流化床的主要特征6.流化床的操作范圍本章應(yīng)重點(diǎn)掌握的內(nèi)容23.1 概 述 一、非均相混合物的分類 二、非均相混合物的分離方法 三、非均相混合物分離的目的3 具有不同物理性質(zhì)(如密度差別)的分散物質(zhì)和連續(xù)介質(zhì)所組成的物系稱為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質(zhì)：處于分散狀態(tài)的物質(zhì)，如分散于流體中的固體顆粒、液滴或氣泡。連續(xù)相或連續(xù)介質(zhì)：包圍分散物質(zhì)且處于連續(xù)狀

2、態(tài)的物質(zhì)。 一、非均相混合物的分類（p130）4 根據(jù)連續(xù)相的狀態(tài)，非均相物系分為兩種類型： 氣態(tài)非均相物系，如含塵氣體、含霧氣體等； 液態(tài)非均相物系，如懸浮液、乳濁液及泡沫液等。 機(jī)械分離方法，即利用非均相混合物中兩相的物理性質(zhì)（如密度、顆粒形狀、尺寸等）的差異，使兩相之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而使其分離。 二、非均相混合物的分離方法機(jī)械分離方法過(guò)濾沉降5 1. 沉降 顆粒相對(duì)于流體(靜止或運(yùn)動(dòng))運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)懸浮物系分離的過(guò)程。沉降操作的作用力沉降離心沉降重力沉降重力慣性離心力 2. 過(guò)濾 流體相對(duì)于固體顆粒床層運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)固液分離的過(guò)程。依實(shí)現(xiàn)過(guò)濾操作的外力不同，過(guò)濾操作又可分為6過(guò)濾重力過(guò)濾加壓過(guò)濾真

3、空過(guò)濾離心過(guò)濾過(guò)濾操作的外力重力壓強(qiáng)差壓強(qiáng)差慣性離心力 非均相混合物分離的應(yīng)用： 收集分散物質(zhì)； 凈化連續(xù)介質(zhì)； 環(huán)境保護(hù)與安全生產(chǎn)。 三、非均相混合物分離的目的73.2 顆粒及顆粒床層的特性3.2.1 顆粒的特性3.2.2 顆粒床層的特性3.2.3 流體通過(guò)床層流動(dòng)的壓降81. 球形顆粒比表面積 體積 表面積 球形顆粒的尺寸由直徑 d 確定。 3.2.1 顆粒的特性（p131）一、單一顆粒特性m3m2m2 /m39需要大小和形狀兩個(gè)參數(shù)來(lái)描述其特性。 (1) 體積當(dāng)量直徑 實(shí)際顆粒的體積 VP 等于當(dāng)量球形顆粒的體積 V，則體積當(dāng)量直徑 de 定義為(2) 球形度 顆粒的實(shí)際表面積與該顆粒體

4、積相等的球體的表面積非球形顆粒 球形顆粒 ， , m2. 非球形顆粒10比表面積 體積 表面積 一、單一顆粒特性m3m2m2 /m3非球形顆粒的特性參數(shù)，即11 工業(yè)中遇到的顆粒大多是由大小不同的粒子組成的集合體，稱為非均一性粒子或多分散性粒子；而將具有同一粒徑的顆粒稱為單一性粒子或單分散性粒子。 1. 粒度分布 不同粒徑范圍內(nèi)所含粒子的個(gè)數(shù)或質(zhì)量，即粒徑分布。二、顆粒群的特性（p152）2. 顆粒的平均直徑 粒群的平均直徑計(jì)算式為 xi懸浮物系中分散相的質(zhì)量分?jǐn)?shù), m12 由顆粒群堆積成的床層疏密程度可用空隙率來(lái)表示，其定義如下: 影響空隙率值的因素非常復(fù)雜，諸如顆粒的大小、形狀、粒度分布與

5、充填方式等。一般亂堆床層的空隙率在 0.47 0.70 之間。3.2.2 顆粒床層的特性（p153）一、床層的空隙率 13 單位床層體積具有的顆粒表面積稱為床層的比表面積 ab (m2/m3)。若忽略顆粒之間接觸面積的影響，則式中 a 顆粒的比表面積，m2/m3床層的比表面積也可用顆粒的堆積密度估算，即 顆粒的堆積密度顆粒的真實(shí)密度二、床層的比表面積14 床層截面上未被顆粒占據(jù)的、流體可以自由通過(guò)的面積，稱為床層的自由截面面積。 3.2.3 流體通過(guò)床層流動(dòng)的壓降（p155）一、床層的簡(jiǎn)化模型 簡(jiǎn)化模型是將床層中不規(guī)則的通道假設(shè)成長(zhǎng)度為 L、當(dāng)量直徑為 deb 的一組平行細(xì)管，并且規(guī)定： 細(xì)管

6、的全部流動(dòng)空間等于顆粒床層的空隙容積； 細(xì)管的內(nèi)表面積等于顆粒床層的全部表面積。三、床層的自由截面積15 在上述簡(jiǎn)化條件下，以 1 m3 床層體積為基準(zhǔn)，細(xì)管的當(dāng)量直徑 deb可表示為床層空隙率及比表面積 ab 的函數(shù)，即16流體在床層內(nèi)的實(shí)際流速空塔速度將代入上式，得到二、流體通過(guò)床層壓降的數(shù)學(xué)描述17康采尼（Kozeny）方程床層雷諾數(shù)定義 三、模型參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定（p156）康采尼方程適用條件：18 當(dāng) Reb 20 時(shí)，流動(dòng)基本為層流，式中等號(hào)右邊第二項(xiàng)可忽略；當(dāng) Reb1 000 時(shí)，流動(dòng)為湍流，式中等號(hào)右邊第一項(xiàng)可忽略。歐根（Ergun）方程適用條件：19【例 3 -1】在橫截面積為

7、 1 m2 的固定床反應(yīng)器中裝填直徑 d = 3 mm、高度等于直徑的圓柱形催化劑 1 m3。催化劑的質(zhì)量 G = 980 kg，其真密度s = 1760 kg/m3。試求(1) 催化劑的當(dāng)量直徑 de、球形度s、床層空隙率及 比表面積 ab ；(2) 20的空氣從下向上通過(guò)催化劑層，空塔速度 u = 0.2 m/s，空氣流經(jīng)催化劑床層的壓降 pf ?！纠?-1】20解：(1) 催化劑的 de 、s 、床層的及 ab于是 21(2) 空氣流經(jīng)床層的壓降pf 首先計(jì)算 Reb ，判斷流型，然后選用相應(yīng)公式求pf 20下，空氣的物性參數(shù)為 = 1.205 kg/m3 ， = 1.8110 -5 P

8、as ，則由于 Reb 2，不宜用康采尼公式計(jì)算pf 又由于 Reb 20，用歐根公式計(jì)算pf 時(shí)，可忽略式中等號(hào)右邊第二項(xiàng)，于是22 在外力場(chǎng)作用下，利用分散相和連續(xù)相之間的密度差，使之發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)非均相混合物分離的操作稱為沉降分離。 根據(jù)外力場(chǎng)的不同，沉降分離分為重力沉降和離心沉降；根據(jù)沉降過(guò)程中顆粒是否受到其他顆粒或器壁的影響而分為自由沉降和干擾沉降。3.3 沉降分離基礎(chǔ)知識(shí)23一、沉降速度沉降顆粒的受力情況圖3.3.1 重力沉降一、沉降速度1.球形顆粒的自由沉降（p132）顆粒受到三個(gè)力 重力浮力阻力阻力系數(shù)或曳力系數(shù)24分析顆粒運(yùn)動(dòng)情況：加速度最大阻力加速度加速度=0加速度=0

9、加速段勻速段 根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，上述三個(gè)力的合力等于顆粒的質(zhì)量m與其加速度a的乘積：Fg Fb Fd = ma，或25 等速階段中顆粒相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度ut稱為沉降速度。由于這個(gè)速度是加速階段終了時(shí)顆粒相對(duì)于流體的速度，故又稱為“終端速度”。沉降速度 （p133）m/sm/s26 通過(guò)量綱分析可知， 是顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)雷諾數(shù)Ret 和球形度 s 的函數(shù)，即 隨 Ret 及 s 變化的實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)下圖。2.阻力系數(shù) 27 關(guān)系曲線圖28 對(duì)球形顆粒 關(guān)系曲線大致可分為三個(gè)區(qū)域：為層流區(qū)或斯托克斯(Stokes)定律區(qū)斯托克斯公式m/s29為過(guò)渡區(qū)或艾侖（Allen）定律區(qū)為湍流區(qū)或牛

10、頓(Newton)定律區(qū) 牛頓公式艾侖公式m/sm/s30二、影響沉降速度的因素（p135，自學(xué)）(1)流體的粘度(2)顆粒的體積分?jǐn)?shù)(3)器壁效應(yīng)(4)顆粒形狀的影響提示：首先要搞清自由沉降和干擾沉降的含義31 旋風(fēng)分離器是利用慣性離心力的作用從氣流中分離出塵粒的設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器圖氣體在旋風(fēng)分離器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況圖3.3.2 幾種除塵設(shè)備簡(jiǎn)介1.旋風(fēng)分離器(應(yīng)用最廣的除塵設(shè)備）（p144）32 首先根據(jù)系統(tǒng)的物性與任務(wù)的要求，結(jié)合各型設(shè)備的特點(diǎn)，選定旋風(fēng)分離器的形式，而后通過(guò)計(jì)算決定尺寸與個(gè)數(shù)。 旋風(fēng)分離器計(jì)算的主要依據(jù)有三個(gè)方面： 含塵氣的體積流量； 要求達(dá)到的分離效率； 允許的壓強(qiáng)降。四

11、、旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)形式與選用旋風(fēng)分離器的選用332.降塵室343.多層降塵室35過(guò)濾操作動(dòng)畫(huà)363.4.1 流態(tài)化的基本概念3.4.2 流化床的主要特征3.4.3 流化床的操作范圍3.4.4 提高流化質(zhì)量的措施（自學(xué)）3.4.5 氣力輸送簡(jiǎn)介3.4 固體流態(tài)化（p178）37 將大量固體顆粒懸浮于流動(dòng)的流體之中，并在流體作用下使顆粒作翻滾運(yùn)動(dòng)，類似于液體的沸騰，故稱這種狀態(tài)為固體流態(tài)化?；瘜W(xué)工業(yè)中廣泛使用固體流態(tài)化技術(shù)以強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)，并實(shí)現(xiàn)某些化學(xué)反應(yīng)、物理加工乃至顆粒的輸送等過(guò)程。 當(dāng)一種流體自下而上流過(guò)顆粒床層時(shí)，隨著流速的加大，會(huì)出現(xiàn)以下三種不同的情況。稀相輸送床階段流化床階段固定床階

12、段氣速增加 一、流態(tài)化現(xiàn)象3.4.1 流態(tài)化的基本概念（p178）38不同流速時(shí)床層的變化圖(a) 固定床 (b) 初始或臨界流化床 (c) 散式流化床 (d) 聚式流化床 (e) 輸送床流態(tài)化現(xiàn)象示意圖39散式流化 散式流化狀態(tài)的特點(diǎn)為固體顆粒均勻地分散在流化介質(zhì)中，故亦稱均勻流化。當(dāng)流速增大時(shí)，床層逐漸膨脹而沒(méi)有氣泡產(chǎn)生，顆粒彼此分開(kāi)，顆粒間的平均距離或床層中各處的空隙率均勻增大，床層高度上升，并有一穩(wěn)定的上界面。通常兩相密度差小的系統(tǒng)趨向散式流化，故大多數(shù)液固流化屬于“散式流化”。散式流化二、兩種不同流化形式40聚式流化 床層內(nèi)分為兩相:乳化相和氣泡相。由于氣泡在上界面處破裂，所以上界面

13、是以某種頻率上下波動(dòng)的不穩(wěn)定界面，床層壓強(qiáng)降也隨之作相應(yīng)的波動(dòng)。對(duì)于密度差較大的氣固流化系統(tǒng)，一般趨向于形成聚式流化。 聚式流化41理想流化床的壓強(qiáng)降圖 3-2 理想流化床的 p-u 關(guān)系圖3.4.2 流化床的主要特征（p180）一、恒定的壓強(qiáng)降422. 實(shí)際流化床的壓強(qiáng)降圖 3-3 實(shí)際流化床的p-u 關(guān)系曲線駝峰43圖3-4 氣體流化床類似液體的特性二、類似液體的特點(diǎn)44 流化床中兩相流動(dòng)特點(diǎn)： 顆粒軸向混合為主，系統(tǒng)顆粒混合均勻； 溫度、濃度分布均勻，避免局部過(guò)熱； 但溫度、濃度均勻會(huì)使床層內(nèi)傳熱、傳質(zhì)推動(dòng)力下降，反應(yīng)進(jìn)行得不完全； 易于連續(xù)自動(dòng)操作。 三、流化床中的兩相流動(dòng)45騰涌現(xiàn)象

14、圖3-5 騰涌發(fā)生后p-u 關(guān)系曲線四、流化床的不正常現(xiàn)象462. 溝流現(xiàn)象圖3-6 溝流發(fā)生后p-u 關(guān)系曲線47 要使固體顆粒床層在流化狀態(tài)下操作，必須使氣速高于臨界流速 umf ，而最大氣速又不得超過(guò)顆粒的沉降速度，以免顆粒被氣流帶走。 1實(shí)測(cè)法 測(cè)取流化床回到固定床的一系列壓降與氣體流速的對(duì)應(yīng)數(shù)值。 測(cè)定時(shí)常用空氣作流化介質(zhì)，最后根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的不同條件將測(cè)得的值加以校正。3.4.3 流化床的操作范圍（p182）一、臨界流化速度 umf48可得到如下圖 的曲線。 臨界流化速度492. 計(jì)算法混合顆粒床層的 umf 計(jì)算式（p183）粒徑較小、Rep1000時(shí)，50 顆粒帶出速度即顆粒的

15、沉降速度 （p135 各種情況下的沉降速度公式）二、帶出速度二、帶出速度（=沉降速度）粒度分布較均勻的混合顆粒床層的 umf 估算式對(duì)于小顆粒 對(duì)于大顆粒 注意：上二式不能用于粒度差異懸殊的顆粒群51沉降速度（=帶出速度） 等速階段中顆粒相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度 ut 稱為沉降速度。由于這個(gè)速度是加速階段終了時(shí)顆粒相對(duì)于流體的速度，故又稱為“終端速度”。式中 ut顆粒的自由沉降速度，m/s； d顆粒直徑，m； s，分別為顆粒、流體的密度，kg/m3； g重力加速度，m/s2; 阻力系數(shù)52沉降速度公式匯總m/s斯托克斯公式m/s基本公式牛頓公式艾侖公式m/sm/s53 帶出速度與臨界流化速度的比值

16、反映了流化床的可操作范圍。 對(duì)細(xì)顆粒 流化床實(shí)際操作速度與臨界流化速度的比值稱為流化數(shù)，通常范圍在1090之間（特殊情況可達(dá)數(shù)百）。 三、流化床的操作范圍（p184）對(duì)大顆粒 3.4.4 提高流化質(zhì)量的措施（自學(xué)）（上限值）（下限值）54 利用氣體在管內(nèi)流動(dòng)以輸送粉粒狀固體的方法稱為氣力輸送。氣力輸送輸送介質(zhì) 最常用的輸送介質(zhì)是空氣，但在輸送易燃易爆粉料時(shí)，也可采用其他惰性氣體。3.4.5 氣力輸送簡(jiǎn)介 （p186）55 系統(tǒng)密閉，避免了物料的飛揚(yáng)、受潮、受污染，也改善了勞動(dòng)條件； 可在輸送過(guò)程中(或輸送終端)同時(shí)進(jìn)行粉碎、分級(jí)、加熱、冷卻以及干燥等操作； 占地面積小，可以根據(jù)具體條件靈活地安

17、排線路，例如，可以水平、垂直或傾斜地裝置管路； 設(shè)備緊湊，易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化、自動(dòng)化操作，便于同連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程相銜接。氣力輸送的優(yōu)點(diǎn)56 與其他機(jī)械輸送方法相比存在的缺點(diǎn)： 1.動(dòng)力消耗較大； 2.顆粒尺寸受到一定限制( 30 mm)； 3.在輸送過(guò)程中物料易于破碎； 4.管壁也受到一定程度的磨損； 5.不適于輸送粘附性物料或高速運(yùn)動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生靜電的物料。氣力輸送的缺點(diǎn)571.吸引式1吸嘴 2輸送管 3一次旋風(fēng)分離器 4料倉(cāng) 5二次旋風(fēng)分離器 6抽風(fēng)機(jī)吸引式氣力輸送裝置圖氣力輸送分類一、按氣流壓強(qiáng)分類58壓送式氣力輸送裝置圖1回轉(zhuǎn)式供料器 2壓氣機(jī)械 3料斗 4輸料管 5旋風(fēng)分離器 6料倉(cāng)2. 壓送

18、式59混合比 R（或固氣比）單位質(zhì)量氣體所輸送的固體質(zhì)量，即 二、按氣流中固相濃度分類 1. 稀相輸送 混合比在 25 以下（通常 R = 0.1 5 ）的氣力輸送為稀相輸送。 2.密相輸送 混合比大于 25 的氣力輸送稱為密相輸送。在密相輸送中，固體顆粒呈集團(tuán)狀態(tài)。601-發(fā)送罐 2-氣相密封插板 3-料斗 4-氣體分配器 5-脈沖發(fā)生器和電磁閥 6-輸送管道 7-受槽 8-袋濾器脈沖式密相輸送裝置圖61【例3-2】欲使顆粒群直徑范圍為 50 175 m、平均粒徑 dp 為 98m 的固體顆粒床層流化，同時(shí)必須避免顆粒的帶出，求允許空塔氣速的最小和最大值。 已知條件：固體顆粒密度為 1000

19、 kg/m3，顆粒的球形度為 1，初始流化時(shí)床層的空隙率為 0.4，流化空氣溫度為 20，流化床在常壓下操作。解：由附錄 五 查得 20 空氣的粘度= 0.0181 mPas、密度= 1.205 kg/m3。允許最小氣速就是用平均粒徑計(jì)算的 umf 。假定顆粒的雷諾數(shù) Rep20，依講義p182式 3 -94可以寫(xiě)出臨界流化速度為【例3-2】62（20） 校核雷諾數(shù)： 63 為了避免顆粒帶出，其最大氣速不能超過(guò)床層最小顆粒的帶出速度 ut ，因此，用 dp = 50m 計(jì)算帶出速度。先假定顆粒沉降屬于層流區(qū)，其沉降速度用斯托克斯公式計(jì)算，即 復(fù)核流型： 64 可見(jiàn)，這兩個(gè)速度的比值為 201，