大连理工大学化工原理课程讲义过滤

第3章流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离,3.1概述非均匀混合物的分离及流动：从含有粉尘或液滴的气体中分离出粉尘或液滴；从含有固体颗粒的悬浮液中分离出固体颗粒；流体通过由大量固体颗粒堆集而成的颗粒或床层的流动（如过滤、离子交换器、催化反应器等）。,均涉及到流体相对于固体颗粒及颗粒床层流动时的基本规律以及与之有关的非均相混合物的机械分离问题。,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,颗粒的球形度,表明：颗粒形状接近于球形的程度；，则颗粒越接近于球形。球形颗粒：,颗粒的比表面积a,说明：V相同时，a，则颗粒越接近球形。,a与关系：,球形颗粒比表面积：,(2)描述颗粒大小等体积当量直径dv指：与颗粒体积相等的球形颗粒的直径。,dv与a、关系：,等比表面积当量直径da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)颗粒的筛分尺寸标准筛：有不同的系列，常用泰勒标准筛。筛号(目数)：每英寸长度筛网上的筛孔数目；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颗粒不是明显的长或短：颗粒在某方向上略长：(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,(1)床层空隙率定义：床层中，空隙所占体积分率。,表明：床层堆积的松散程度；，空隙越大，床层越松散；对流体流过床层的阻力影响很大。,影响床层空隙率的因素（a）装填方法：干装湿装,（b）颗粒特性的影响颗粒形状：靠壁面处：粒径分布：,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：,So与关系：同样表明颗粒堆积的松散程度均匀颗粒，则So，。,(3)床层的比表面积aB,忽略颗粒相互重叠减少的面积，则：,颗粒静止，流体绕过颗粒流动；流体静止，颗粒流动；颗粒和流体都运动，维持一定相对速度。,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。,流体和颗粒相对运动的情况：,3.3流体和颗粒的相对运动,物体的不同形状和位向对曳力的影响,水平方向，颗粒所受曳力：,流体流过固体时，固体表面的受力情况：,影响曳力的因素：,(2)曳力系数,球形颗粒,总曳力计算：,曳力系数与ReP的关系：（1）圆球（2）圆盘（3）圆柱,实验获得与Rep的关系：,层流区：,过渡区：,湍流区：,湍流边界层区：,非球形颗粒的曳力系数计算方法：近似用球形颗粒公式，dsda或dV；实测-Rep关系。,3.3.2颗粒与流体的相对运动(1)颗粒在力场中的受力分析,合力：,质量力,浮力,曳力,(2)颗粒的运动情况,运动方向：沿合力方向,颗粒运动的两个阶段：加速阶段、恒速阶段,简化：加速阶段很短，忽略不计。认为全过程中，颗粒匀速运动。,加速阶段：,恒速阶段：,终端速度:颗粒在流体中匀速运动的速度。,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,(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：容器壁和其它颗粒不影响沉降速度；干扰沉降：实际颗粒的沉降。匀速阶段受力分析：,其它条件相同时，小颗粒后沉降。,影响沉降速度的因素,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，颗粒在空气较在水中易沉降。,颗粒直径,流体密度,颗粒密度,过渡区,沉降速度计算,湍流区,层流区,问题：沉降速度ut未知，如何判断流型？解决方法：试差法或判据法（避免试差）,判据法：,将上式代入Rep中，得到：,(2)非球形颗粒的沉降速度,处理方法：可先假定为颗粒球形，然后校正。,同样条件下,因此,(3)不均匀颗粒的沉降速度,粒径不同时，大颗粒沉降速度快，小颗粒沉降速度慢。,除去所有颗粒，应以最小颗粒直径计算ut。,颗粒分级时，以不同粒度，分别进行计算ut。,(4)影响沉降速度的其它因素,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大量颗粒沉降，造成流体反向运动。,反向运动速度：,表明：,流体表观物性的影响颗粒存在，改变了流体的表观密度和表观粘度。,表观粘度：,表观密度：,