化工原理上冊-第3章-流體相對顆粒(床層)的流動及機械分離

第3章流體相對顆粒(床層)的流動及機械分離

3.1概述

(1)非均勻物系分離

氣、固分離--------

液、固分離-------

固、固分離-------

流化床：眾多固體顆粒懸浮于運動的流體中?；A(chǔ)：流體及顆粒間的相對運動，相互作用。沉降過濾(2)非均相反應(yīng)

固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器等。篩分、分級沉降固定床：眾多固體顆粒堆積成的靜止顆粒層。流體相對顆粒流動(外流流動)

流體受顆粒作用產(chǎn)生壓降，研究顆粒及流體性質(zhì)。流體在管道內(nèi)流動(內(nèi)流流動)

流體受管壁粘性阻力，研究管道及流體性質(zhì)。相同點：同屬流體流動問題，研究問題方法及規(guī)律性相似。兩種流動

3.2顆粒及顆粒床層的特性3.2.1 單顆粒的特性參數(shù)

(1)描述顆粒形狀

1）顆粒的球形度φ

表明：顆粒形狀接近于球形的程度

φ↑，則顆粒越接近于球形。球形顆粒：

2）顆粒的比表面積aV相同時，a↓，則顆粒越接近球形a與φ關(guān)系：球形顆粒比表面積：球形度φ、比表面積аV一定時，а↑,則φ↓，顆粒越偏離球形。描述顆粒形狀參數(shù)---(2)描述顆粒大小1）等體積當(dāng)量直徑dv

指：與顆粒體積相等的球形顆粒的直徑。dv

與a、φ關(guān)系：

2）等比表面積當(dāng)量直徑da

指：與非球形顆粒比表面積相等的球形顆粒的直徑3.2.2混合顆粒的特性參數(shù)

(1)顆粒的篩分分析標(biāo)準(zhǔn)篩：有不同的系列，常用泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩。篩號(目數(shù))：每英寸邊長的篩孔數(shù)目篩過量：通過篩孔的顆粒量篩余量：截留于篩面上的顆粒量*顆粒的篩分尺寸*篩分尺寸與顆粒特性參數(shù)的關(guān)系較規(guī)則顆粒：

條形顆粒：(2)顆粒群的平均特性參數(shù)*平均比表面積*顆粒群的等比表面積當(dāng)量直徑3.2.3 顆粒床層的特性組成：

(1)床層空隙率

1)定義：床層中，空隙所占體積分率。表明：床層堆積的松散程度；

ε↑，空隙越大，床層越松散；

ε對流體流過床層的阻力影響很大。

2)影響床層空隙率的因素

①裝填方法：干裝濕裝②顆粒特性的影響

顆粒形狀：

靠壁面處：

粒徑分布：

3)空隙率測量---充水法、稱量法

(2)床層的自由截面積

即：床層中空隙的面積(流體的流通截面積)

自由截面積分率S0與ε關(guān)系：同樣表明顆粒堆積的松散程度均勻顆粒，則S0↑，ε↑。(3)床層的比表面積aB

忽略顆粒相互重疊減少的面積，則：①顆粒靜止，流體繞過顆粒流動；

②流體靜止，顆粒流動；③顆粒和流體都運動，維持一定相對速度。流體和顆粒相對運動的情況：3.3

流體和顆粒的相對運動3.3.1流體繞過顆粒的流動

(1)曳力阻力：顆粒對流體的作用力曳力：流體對顆粒的作用力

水平方向，顆粒所受曳力：

●影響因素：●獲得：(2)曳力系數(shù)影響因素：①球形顆粒:判斷流型：層流（斯托克斯區(qū)）

過渡流

湍流②非球形顆粒的曳力系數(shù)

計算方法：

近似用球形顆粒公式，ds→da

或dv

實測ξ-Rep

關(guān)系（書P168圖3.3.2）3.3.2顆粒在流體中的流動

(1)顆粒在力場中的受力分析

①

質(zhì)量力

②浮力

③

曳力

合力：(2)顆粒的運動情況運動方向：初始時，兩個階段--①加速階段

②恒速階段終端速度:

簡化：沿合力方向加速階段、恒速階段加速階段很短，忽略不計；認(rèn)為全過程中，顆粒勻速運動

目的：流體與固體顆粒分離

原理：利用顆粒與流體之間的密度差，將固體顆粒從流體中分離出來。

常用方法：

(1)重力沉降(分離較大的顆粒）

例：選礦3.4沉降（單元操作）(2)離心沉降

(分離尺寸小的顆粒）

例：氣體除塵

3.4.1重力沉降速度的計算

(1)球形顆粒的自由沉降

自由沉降：

干擾沉降：勻速階段受力分析：容器壁和其它顆粒不影響沉降速度實際顆粒的沉降其它條件相同時，小顆粒后沉降

◆

影響沉降速度的因素：

①顆粒直徑

②流體密度

③顆粒密度

其它條件相同時，密度大的顆粒先沉降?！羟蛐晤w粒的沉降速度其它條件相同時，設(shè)備中空氣較水顆粒易沉降

2）過渡區(qū)關(guān)于曳力系數(shù):1）層流區(qū)3）湍流區(qū)或：判據(jù)法(避免試差)問題：沉降速度ut未知，如何判斷流型方法：試差法(2)非球形顆粒的沉降速度

同樣條件下，因此，

處理方法：可先假定為顆粒球形，然后校正。書P172圖3.4.1(3)不均勻顆粒的沉降速度

粒徑不同時，除去所有顆粒，顆粒分級時，大顆粒先沉降，小顆粒后沉降。應(yīng)以最小顆粒直徑計算ut

。以不同粒度，分別進行計算ut

。(4)影響沉降速度的其它因素1)干擾沉降------顆粒沉降時彼此影響

顆粒濃度對沉降速度的影響由于大量顆粒向下沉降而使流體被置換而產(chǎn)生顯著的向上運動

流體表觀物性的影響流體的表觀密度和表觀粘度（即混合物的密度和粘度）都增大顆粒的沉降速度減?、垡旱位驓馀葑冃我旱位驓馀菔芤妨ψ冃?，影響計算準(zhǔn)確性。②流體分子運動的影響顆粒直徑小于2~3μm

以下時，抑制重力沉降。④壁效應(yīng)和端效應(yīng)時,器壁有影響3.4.2 重力沉降設(shè)備

(1)降塵室

①結(jié)構(gòu)及工作原理

入口：矩形隨氣體的水平流速u顆粒沉降速度ut降塵室底面積塵氣流通截面積塵氣體積流量顆粒速度分解：顆粒的停留時間顆粒的沉降時間(2)顆粒分離(沉降)條件(3)生產(chǎn)能力

(可處理的塵氣體積流量q

V)說明：生產(chǎn)能力由底面積、沉降速度決定，

與降塵室高度無關(guān)多用扁平形狀或多層降塵室(層高40-100mm)

②計算ut

時，如何使塵粒完全分離應(yīng)以最小顆粒直徑，計算ut

③如何選取氣體速度

④重力沉降適于分離的粒徑范圍①如何計算可沉降顆粒的粒徑？提出問題?(2)連續(xù)式沉降槽（自學(xué)）從液體中分離出固體顆粒。3.4.3離心沉降1、作用原理在離心力作用下，靠流體與顆粒間密度差，分離顆粒。2、離心沉降的優(yōu)點

1）可分離出直徑較小的顆粒(離心力>重力)2）對一定質(zhì)量顆粒，離心力大小可調(diào)，可測粒徑分布，設(shè)備操作靈活、尺寸減小。3-4-1離心沉降速度

計算方法：同重力場，重力→離心力

重力沉降

離心沉降

對球形顆粒離心沉降速度ur：隨顆粒旋轉(zhuǎn)半徑r變化

層流Stokes區(qū)：重力沉降離心沉降說明：1、ur

與旋轉(zhuǎn)半徑r有關(guān)角速度

一定時，線速度u一定時，

2、ur

與轉(zhuǎn)數(shù)（ω、u）有關(guān)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)數(shù)，可測粒徑分布。

3、衡量離心分離性能的指標(biāo)離心分離因素KC越大，分離效能越高3-4-4離心沉降設(shè)備一、旋風(fēng)分離器

1、結(jié)構(gòu)和工作原理(標(biāo)準(zhǔn)型)

進氣口形狀：矩形

尺寸：進口管A、B

圓柱筒直徑D(主要尺寸)

排氣口直徑D1

尺寸間關(guān)系：問題：生產(chǎn)能力的影響因素

氣體種類、圓柱筒直徑D、進口氣速假設(shè)條件：（1）顆粒與氣體在器內(nèi)等速運動，且均為進口氣速；（2）顆粒沉降時，圓周運動半徑增加，最大距離是旋風(fēng)分離器進氣口寬度B；（3）沉降處于stokes區(qū)。2、旋風(fēng)分離器的性能參數(shù)

1）臨界粒徑dc：能夠分離出的最小顆粒直徑。

沉降速度

沉降時間

設(shè)：氣體旋轉(zhuǎn)圈數(shù)N，則氣流運行距離

氣體停留時間顆粒分離條件2）分離效率：（1）總效率（2）分級效率（粒級效率）

兩者關(guān)系：

分級效率曲線書P184圖3.4.9按假設(shè)實際情況分割粒徑d50：

3）旋風(fēng)分離器的阻力

是旋風(fēng)分離器的經(jīng)濟指標(biāo)3、旋風(fēng)分離器的分離能力分離氣體中顆粒直徑：5-75μmd<5μm顆粒，可串聯(lián)袋濾器或灑水裝置4、常見旋風(fēng)分離器的形式

1）進口方式切向進口：切向進口方式結(jié)構(gòu)簡單，較常用。螺旋面進口：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用不便。蝸殼形進口：結(jié)構(gòu)簡單，減小阻力。

2）常用型式標(biāo)準(zhǔn)型、CLT/A型、CLP型、擴散式等5、旋風(fēng)分離器組（并聯(lián)）目的：提高生產(chǎn)能力二、旋液分離器（自學(xué)）分離液-固非均相混合物三、離心沉降機（自學(xué)）分離液-固非均相混合物可用于分離、測粒徑分布

流動情況：在孔道中流動（外流）

阻力計算：所有顆粒所受曳力之和

復(fù)雜性：孔道的形狀、數(shù)目、流動狀態(tài)隨機，孔道中流動屬層流，但局部出現(xiàn)湍流。

處理方法：簡化床層，管外流問題→管內(nèi)流問題3-5 流體通過固定床的流動

一、床層的簡化模型

三點假設(shè)

1）床層孔道平行，孔道長度與床層高度成正比；

2）孔道內(nèi)表面積=顆粒的全部外表面積；

3）孔道體積等于床層中的空隙體積；虛擬細管的當(dāng)量直徑：