《化工单元操作》流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离(过滤与沉降)课件

化工单元操作化工单元操作流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离

流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离《化工单元操作》流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离(过滤与沉降)课件

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。第3章流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离流体相对颗粒流动(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。两种流动流体相对颗粒流动(外流流动)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：3.2颗粒及颗粒床层的特性1）颗粒的球形度φ表

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）颗粒的比表面积aV相同时，a↓，则颗粒越接近球形a(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)描述颗粒大小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2）等比表面积当量直径da3.2.2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3.2.2混合颗粒的特性参数*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：*颗粒的筛分尺寸*筛分尺寸与颗粒特性参数的关系(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(2)颗粒群的平均特性参数*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。3.2.3 颗粒床层的特性(1)床层空隙率表明：床层堆积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)影响床层空隙率的因素②颗粒特性的影响3)(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↑。(2)床层的自由截面积S0与ε关系：同样表明颗粒堆积的松(3)床层的比表面积aB

忽略颗粒相互重叠减少的面积，则：(3)床层的比表面积aB忽略颗粒相互重叠减少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①颗粒静止，流体绕过颗粒流动；流体和颗粒相对运动的情况：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3.3.1流体绕过颗粒的流动

水平方向，颗粒所受曳力：

水平方向，颗粒所受曳力：《化工单元操作》流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离(过滤与沉降)课件●影响因素：●获得：●影响因素：(2)曳力系数影响因素：①球形颗粒:(2)曳力系数①球形颗粒:

判断流型：层流（斯托克斯区）

过渡流

湍流判断流型：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）②非球形颗粒的曳力系数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：3.3.2颗粒在流体中的流动(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(2)颗粒的运动情况沿合力方向加速阶段、恒速阶段加速阶段很

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

目的：流体与固体颗粒分离3.4沉降（单元操作）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3.4.1重力沉降速度的计算容器壁和其它颗粒不影响沉降速其它条件相同时，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2）过渡区关于曳力系数:1）层流区3）湍流区2）过渡区关于曳力系数: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：试差法或：判据法(避免试差)问题：沉降速度ut未知，如何判断流型(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

。(2)非球形颗粒的沉降速度可先假定为颗粒球形，然后校正。(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(4)影响沉降速度的其它因素1)干扰沉降------颗粒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液滴或气泡变形②流体分子运动的影响④壁效应和端效应时,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：3.4.2 重力沉降设备随气体的水平流速u降尘室底面积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)颗粒的停留时间颗粒的沉降时间(2)颗粒分离(沉降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计算ut时，如何使尘粒完全分(2)连续式沉降槽（自学）从液体中分离出固体颗粒。(2)连续式沉降槽（自学）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。3.4.3离心沉降2、离心沉降的优点3-4-1离心沉降速度

计算方法：同重力场，重力→离心力3-4-1离心沉降速度

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变化重力沉降离心沉降速度ur：随颗粒旋转半径r变化

层流Stokes区：重力沉降离心沉降层流Stokes区：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，分离效能越高说明：1、ur与旋转半径r有关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3-4-4离心沉降设备问题：生产能力的影响因素假设条件：（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

假设条件：2、旋风分离器的性能参数沉降速度设：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设：气体旋转圈数N，则气流运行距离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3.4.92）分离效率：分级效率曲线按假设实际情况分割粒径d50：

按假设3）旋风分离器的阻力

是旋风分离器的经济指标3）旋风分离器的阻力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3、旋风分离器的分离能力2）常用型式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5、旋风分离器组（并联）二、旋液分离器（自学）

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流动情况：在孔道中流动（外流）3-5

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；一、床层的简化模型虚拟细管的当量直径：以1m3床层为基准，以1m3床层为基准，二、流体流过固定床的阻力

1、层流

二、流体流过固定床的阻力2、湍流范宁公式变形：1、层流

2、湍流1、层流

适用：高度湍流，摩擦系数为常数。适用：高度湍流，摩擦系数为常数。

3、欧根(Ergun)方程

优点：适应于各种流型

将以上两方程叠加3、欧根(Ergun)方程4、欧根方程的其它形式（找出关系）4、欧根方程的其它形式（找出关系）

1）层流

2）湍流1）层流2）湍流小结:1.颗粒床层的特性(1)床层空隙率

床层中，空隙所占体积分率。

(2)床层的自由截面积

(3)床层的比表面积aB

小结:1.颗粒床层的特性(1)床层空隙率

(1)曳力

2

流体和颗粒的相对运动(2)曳力系数对球形颗粒层流:过渡流:湍流:(3)颗粒的运动情况:

加速阶段、恒速阶段(1)曳力2流体和颗粒的相对

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

目的：流体与固体颗粒分离3.4沉降（单元操作）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3.4.1重力沉降速度的计算容器壁和其它颗粒不影响沉降速其它条件相同时，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2）过渡区关于曳力系数:1）层流区3）湍流区2）过渡区关于曳力系数: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：试差法或：判据法(避免试差)问题：沉降速度ut未知，如何判断流型(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

。(2)非球形颗粒的沉降速度可先假定为颗粒球形，然后校正。(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(4)影响沉降速度的其它因素1)干扰沉降------颗粒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液滴或气泡变形②流体分子运动的影响④壁效应和端效应时,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：3.4.2 重力沉降设备随气体的水平流速u降尘室底面积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)颗粒的停留时间颗粒的沉降时间(2)颗粒分离(沉降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计算ut时，如何使尘粒完全分(2)连续式沉降槽（自学）从液体中分离出固体颗粒。(2)连续式沉降槽（自学）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。3.4.3离心沉降2、离心沉降的优点3-4-1离心沉降速度

计算方法：同重力场，重力→离心力3-4-1离心沉降速度

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变化重力沉降离心沉降速度ur：随颗粒旋转半径r变化

层流Stokes区：重力沉降离心沉降层流Stokes区：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，分离效能越高说明：1、ur与旋转半径r有关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3-4-4离心沉降设备问题：生产能力的影响因素假设条件：（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

假设条件：2、旋风分离器的性能参数沉降速度设：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设：气体旋转圈数N，则气流运行距离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3.4.92）分离效率：分级效率曲线按假设实际情况分割粒径d50：

按假设3）旋风分离器的阻力

是旋风分离器的经济指标3）旋风分离器的阻力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3、旋风分离器的分离能力2）常用型式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5、旋风分离器组（并联）二、旋液分离器（自学）

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流动情况：在孔道中流动（外流）3-5

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；一、床层的简化模型虚拟细管的当量直径：以1m3床层为基准，以1m3床层为基准，二、流体流过固定床的阻力

1、层流

二、流体流过固定床的阻力2、湍流范宁公式变形：1、层流

2、湍流1、层流

适用：高度湍流，摩擦系数为常数。适用：高度湍流，摩擦系数为常数。

3、欧根(Ergun)方程

优点：适应于各种流型

将以上两方程叠加3、欧根(Ergun)方程4、欧根方程的其它形式（找出关系）4、欧根方程的其它形式（找出关系）

1）层流

2）湍流1）层流2）湍流1沉降（单元操作）(1)重力沉降①球形颗粒的自由沉降速度层流区:过渡区:

湍流区:小结1沉降（单元操作）①球形颗粒的自由沉降速度层流区:过计算方法：试差法或判据法(避免试差)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。③不均匀颗粒的沉降速度④影响沉降速度的其它因素

颗粒浓度对沉降速度的影响

流体表观物性的影响计算方法：试差法或判据法(避免试差)②非球形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2重力沉降设备(1)降尘室①结构及工作原理②颗粒分离(沉降)条件③生产能力(可处理的尘气体积流3离心沉降离心沉降速度离心沉降速度ur：随颗粒旋转半径r变化3离心沉降离心沉降速度(2)衡量离心分离性能的指标离心分离因素KC越大，分离效能越高层流Stokes区(2)衡量离心分离性能的指标KC越大，分离效能越高层流St4离心沉降设备

(1)旋风分离器结构和工作原理(标准型)生产能力的影响因素:气体种类、圆柱筒直径D、进口气速4离心沉降设备生产能力的影响因素:(2)旋风分离器的性能参数

◆临界粒径dc：能够分离出的最小颗粒直径。◆分离效率：（1）总效率（2）分级效率分割粒径d50◆旋风分离器的阻力

是旋风分离器的经济指标(2)旋风分离器的性能参数◆分离效率：分割粒(1)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，设计制造不方便。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(1)常见旋风分离器的形式2）常用型式(1)床层的简化模型

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；5 流体通过固定床的流动(1)床层的简化模型5 流体通过虚拟细管的当量直径：以1m3床层为基准，虚拟细管的当量直径：以1m3床层为基准，(2)流体流过固定床的阻力

层流

(2)流体流过固定床的阻力《化工单元操作》流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离(过滤与沉降)课件2、湍流范宁公式变形：适用：高度湍流，摩擦系数为常数2、湍流适用：高度湍流，摩擦系数为常数

湍流层流

适用：高度湍流，摩擦系数为常数湍流层流适用：高度湍流，

欧根(Ergun)方程将以上两方程叠加得到,优点：适应于各种流型

欧根方程的其它形式欧根(Ergun)方程欧根方程的其它形式《化工单元操作》流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离(过滤与沉降)课件△

层流

△湍流△层流△湍流3.6过滤分离物系:液-固非均相混合物（悬浮液）

(1)工业过滤方式:深层、滤饼过滤过滤介质3.6过滤分离物系:液-固非均“架桥”现象(2)过滤介质

要求：具有多孔性，足够的机械强度。

①丝织物品：棉、麻、合纤、金属网(滤布、滤纸)

②多孔性固体介质：多孔塑料

③堆积介质：砂、木炭、石棉粉等(3)过滤推动力

克服流体流动阻力，提高过滤速度。

推动力:重力、离心力、压力差滤饼过滤中，流体→滤饼层(固定床)+过滤介质“架桥”现象(2)过滤介质(3)过滤推动力滤饼过滤中，(5)助滤剂

目的：减小过滤阻力；

使用方法：预涂法、预混法

(6)过滤过程特点

▲服从流体经过固定床的流动规律，

▲随过滤进行，床层厚度↑，过滤阻力↑(4)滤饼的压缩性不可压缩滤饼：

可压缩滤饼：推动力↑时，ε不变；阻力随厚度↑推动力↑时，ε↓，阻力↑↑。(5)助滤剂(4)滤饼的压缩性推动力↑时，ε不变；阻力随

衡算基准：

(1)滤饼中固体颗粒质量

=滤浆质量×滤浆中固体颗粒质量分率x

设：获得单位体积滤液所形成滤饼体积v

3.6.2 过滤过程的物料衡算

衡算基准：设：获得单位体积滤液所形成滤(2)衡算滤饼质量

用途：测滤饼空隙率ε(2)衡算滤饼质量用途：测滤饼空隙率ε3.6.3过滤基本方程式(1)过滤速度与过滤速率过滤速率：过滤速度：3.6.3过滤基本方程式计算过滤阻力计算前提：*过滤可归为流体通过固定床的流动*过滤多处于层流区1）滤饼层阻力

计算过滤阻力2）过滤介质(滤布)阻力

Le：滤布阻力折成滤饼阻力的折合厚度

（当量滤饼厚度）3）过滤总阻力2）过滤介质(滤布)阻力3）过滤总阻力(2)过滤的基本方程式

滤饼厚度：当量滤饼厚度：(2)过滤的基本方程式(3)滤饼比阻r及常数k

1）滤饼比阻

反映：滤饼结构对过滤阻力的影响，大小与滤饼特性常数a、ε有关。(3)滤饼比阻r及常数k反映：滤饼结构对过滤阻力r与压差关系不可压缩滤饼:可压缩滤饼：a、ε=常数，则r与Δp无关r0：单位压差下的滤饼比阻，与Δp无关

s：压缩指数不可压缩滤饼s=0

可压缩滤饼s≠0(0.2-0.8)r与压差关系a、ε=常数，则r与Δp无关r0：单位压

反映物料特性的常数

影响因素：滤液性质、滤浆浓度、滤饼性质k与Δp无关2）滤饼常数反映物料特性的常数k与Δp无关2）滤饼常数△计算内容（设计型）已知：生产任务(滤液量V)，选定过滤面积A

求：所需过滤时间τ

△过滤的操作方式

三种方式：恒压过滤：Δp一定，过滤阻力↑，u↓

恒速过滤：u一定，则需Δp↑

先恒速，后恒压组合操作。明确：过滤过程----非稳态过程3.6.4 过滤计算△计算内容（设计型）3.6.4 过滤计算

一、恒压过滤过滤基本方程式

一、恒压过滤《化工单元操作》流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离(过滤与沉降)课件《化工单元操作》流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离(过滤与沉降)课件(2)恒速过滤特点：速度恒定，V均匀，要求Δp↑

。(2)恒速过滤(3)先恒速，后恒压过滤

分段计算（注意边界条件）(3)先恒速，后恒压过滤(4)过滤常数的测定测定数据：

实验条件：同种悬浮液，恒定压差、恒定温度1、实验测K，qe，τe(4)过滤常数的测定同种悬浮液，恒定压差、恒定温度1、实验问题：Δp与过滤常数K的关系不可压缩滤饼

可压缩滤饼：问题：Δp与过滤常数K的关系不可压缩滤饼可压缩滤饼：

不同压差下，测K，做图求s，r0，2、实验测s，r0不同压差下，测K，做图求s，r0，3-6-5滤饼的洗涤

目的：回收滤饼中滤液，或除去滤饼中可溶性杂质

方法：恒压洗涤，压差为过滤的最终压差特点：洗涤速率恒定（滤饼厚度不变，阻力恒定）3-6-5滤饼的洗涤3过滤（1）基本概念：

①工业过滤方式:深层、滤饼过滤

②过滤介质要求：具有多孔性，足够的机械强度。③过滤推动力

重力、离心力、压力差④滤饼的压缩性⑤助滤剂3过滤（1）基本概念：（2）过滤过程的物料衡算①获得单位体积滤液所形成滤饼体积v

②空隙率（2）过滤过程的物料衡算①获得单位体积滤液所形成滤(3)过滤基本方程式

(1)过滤速度与过滤速率过滤速率：过滤速度：

（2）过滤基本方程式(3)过滤基本方程式（2）过滤基本方程式（3）关于k，r和s①滤饼常数※k与Δp无关②滤饼比阻

不可压缩滤饼:可压缩滤饼：a、ε=常数，则r与Δp无关③压缩指数

不可压缩滤饼s=0

可压缩滤饼s≠0(0.2-0.8)（3）关于k，r和s①滤饼常数※k与Δp无关②△计算内容设计型、操作型

△过滤的操作方式

三种方式：恒压过滤：Δp一定，过滤阻力↑，u↓

恒速过滤：u一定，则需Δp↑

先恒速，后恒压组合操作明确：过滤过程----非稳态过程3.6.4 过滤计算△计算内容3.6.4 过滤计算

（1）恒压过滤（1）恒压过滤《化工单元操作》流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离(过滤与沉降)课件(2)恒速过滤特点：速度恒定，V均匀，要求Δp↑

。(2)恒速过滤(3)先恒速，后恒压过滤——分段计算（注意边界条件）(3)先恒速，后恒压过滤——分段计算（注意边界条件）(4)过滤常数的测定测定数据：

实验条件：同种悬浮液，恒定压差、恒定温度①实验测K，qe，τe(4)过滤常数的测定同种悬浮液，恒定压差、恒定温度①实验问题：Δp与过滤常数K的关系不可压缩滤饼：根据定义：

可压缩滤饼：问题：Δp与过滤常数K的关系不可压缩滤饼：根据定义：

不同压差下，测K，做图求s，r0，②实验测定s，r0不同压差下，测K，做图求s，r0，3.6.5滤饼的洗涤

目的：回收滤饼中滤液，或除去滤饼中可溶性杂质

方法：恒压洗涤，压差为过滤的最终压差特点：洗涤速率恒定（滤饼厚度不变，阻力恒定）3.6.5滤饼的洗涤3.6.6 过滤机及其生产能力

过滤机分类：

压力差：板框式压滤机（间歇操作）叶滤机（间歇操作）回转真空过滤机（连续操作）

离心力：离心过滤机

(1)板框式压滤机①结构和工作原理滤框、滤板---洗涤板，非洗涤板料液通道2钮1钮3钮洗涤液通道洗涤板框非洗涤板3.6.6 过滤机及其生产能力(1)板框式压滤机料液通道2排列方式：板、框交替，个数可调。

操作方式：间歇操作

操作周期：装合→过滤→洗涤→卸渣→整理

过滤滤液滤浆洗涤洗液废洗液优点：操作灵活，过滤面积大，可承受较大压力；缺点：劳动强度大，操作不连续，生产效率低。排列方式：过滤滤液滤浆洗涤洗液废洗液优点：操作灵活，过滤面《化工单元操作》流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离(过滤与沉降)课件

②板框过滤机的生产能力生产能力：一个周期内，单位时间可获得滤液量②板框过滤机的生产能力▲

过滤时间τ的计算▲过滤时间τ的计算洗涤L过滤L滤液穿过滤饼厚度L/2L流通截面2A(A框面积)A推动力过滤终了Δp洗涤Δp速率▲洗涤时间τw的计算

洗涤条件：洗涤压差=过滤最终压差洗涤时，滤饼厚度不变洗涤液粘度与滤液相近采用方法：横穿洗涤法

速率间关系洗涤L过滤L滤液穿过滤饼厚度L/2L流通截面2A(A框面积洗涤速率最终过滤速率洗涤速率③最佳过滤周期最佳：安排操作周期，使生产能力最大。dVh/dV=0时，过滤机生产能力最大③最佳过滤周期dVh/dV=0时，过滤机生产能力最大(2)叶滤机

①结构和工作原理主要部件：机壳，滤叶

操作方式：间歇操作

操作周期：过滤→洗涤→卸渣

洗涤方式：置换法

(2)叶滤机②叶滤机的生产能力②叶滤机的生产能力③最佳操作周期③最佳操作周期(3)回转真空过滤机①结构和工作原理

主要部件：水平转筒、分配头

操作方式：恒压、连续操作

操作周期(旋转一周)：过滤→洗涤→吸干→吹松→卸渣(3)回转真空过滤机《化工单元操作》流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离(过滤与沉降)课件《化工单元操作》流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离(过滤与沉降)课件

设：转筒过滤面积A，一生产周期得滤液量V，转筒浸没分率，转数n（rps）

生产周期：过滤时间：

过滤基本方程式：②生产能力Vh设：转筒过滤面积A，一生产周期得滤液量V，②n：0.1-3rpm，过高，滤饼薄，不易卸料；

：过滤面积为转筒总面积的30%-40%为宜。

(4)其它过滤设备自学n：0.1-3rpm，过高，滤饼薄，不易卸料；3.6.7离心过滤

(1)工作原理过滤推动力：离心力

(2)

离心过滤的计算忽略介质阻力,离心过滤的基本方程式为:3.6.7离心过滤若滤饼厚度相对转鼓半径可忽略不计,过滤面积可视为常数(3)离心过滤机型式及操作(自学)若滤饼厚度相对转鼓半径可忽略不计,过滤面积可视为常数(3)3.7.1床层的流态化过程三个阶段：固定床、流化床、颗粒输送3.7固体流态化及气力输送3.7.1床层的流态化过程3.7固体流态化及气力输送(1)固定床阶段

颗粒静止（流体空床流速小，颗粒受曳力小）

床层高度、空隙率，均保持不变，阻力服从欧根方程(）(1)固定床阶段颗粒静止（流体空床流速小，颗粒受曳力小）(2)流化床(沸腾床)阶段空床流速↑，颗粒受曳力↑，把颗粒托起；

问题：

1）如何由固定床达到流化态

临界流化状态：

最小流化速度(2)流化床(沸腾床)阶段临界流化状态：2）如何保持流化态空床流速一定时，有一个稳定的床层上界面。流化床层阻力=单位面积床层中颗粒的总重力，因此流化床阶段，床层压降基本恒定。(3)颗粒（气力或液力）输送当u=ut时，颗粒被带走。

带出速度：颗粒被吹出的临界速度。2）如何保持流化态空床流速一定时，有一个稳定的床层上界面3.7.2流化床类似液体的特性3.7.2流化床类似液体的特性(1）密度比床层密度小的物体能浮在床层的上面;

(

2）床层倾斜，床层表面仍能保持水平；

(

3）床层中任意两截面间的压差可用静力学关系式表示（△p=ρgL,）；

(

4）有流动性，颗粒能像液体一样从器壁小孔流出

(

5）联通两个高度不同的床层时，床层能自动调整平衡(1）密度比床层密度小的物体能浮在床层的上面;3.7.3流体通过流化床的阻力固定床阶段，阻力服从欧根方程，如图中a段流化床阶段，床层压降基本恒定。如图中cd段3.7.3流体通过流化床的阻力3.7.5流化床的流化类型与不正常现象

(1)散式流化:液-固系统常见，颗粒分散均匀，混合程度高

(2)聚式流化:气-固系统常见，分散程度不大

(3)腾涌

(4)沟流现象3.7.5流化床的流化类型与不正常现象《化工单元操作》流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离(过滤与沉降)课件《化工单元操作》流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离(过滤与沉降)课件3.7.5流化床的操作范围

(1)临界流化速度umf

临界流化状态：可按固定床计算

(2)带出速度ut流化床的带出速度等于颗粒在流体中的沉降速度。

计算不均匀颗粒床层的带出速度，用最小颗粒直径。3.7.5流化床的操作范围(3)流化床操作范围操作范围

较小颗粒较大颗粒(3)流化床操作范围浓相区高度：床层上界面以下的床层高度浓相区高度与操作气速、床层孔隙率间关系书P2243.7.6流化床的高度与直径高度=浓相区高度+稀相区高度

(1)浓相区浓相区稀相区浓相区高度：床层上界面以下的床层高度3.7.6流化床的高度(2)稀相区高度

浓相区上部某一区域，颗粒浓度明显低于浓相区，浓度随高度增加而逐步减少，最终恒定。分离空间：浓相区上界面到稀相区颗粒浓度恒定处的距离，为颗粒减速提供时间。(2)稀相区高度分离空间：(3)流化床的直径

确定好流化床的操作气速后，即可根据气体的处理量确定流化床所需的直径DV-气体的处理量，

u-流化床的实际操作气速，m/s(3)流化床的直径确定好流化床的操作气速后，即可根据气体3.7.7气力输送的一般概念气力输送：颗粒被流体从床层带出而与流体一起流动，

利用气体进行颗粒输送的过程。主要优点：(1)系统密闭,避免物料飞扬，减少物料损失,改善劳动条件。(2)输送管线受地形与设备布置的限制小。(3)在输送的同时易于进行物料的干燥、加热、冷却等操作。(4)设备紧凑，易于实现过程的连续化与自动化。3.7.7气力输送的一般概念气力输送：颗粒被流体从床层带出化工单元操作化工单元操作流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离

流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离《化工单元操作》流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离(过滤与沉降)课件

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。第3章流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离流体相对颗粒流动(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。两种流动流体相对颗粒流动(外流流动)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：3.2颗粒及颗粒床层的特性1）颗粒的球形度φ表

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）颗粒的比表面积aV相同时，a↓，则颗粒越接近球形a(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)描述颗粒大小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2）等比表面积当量直径da3.2.2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3.2.2混合颗粒的特性参数*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：*颗粒的筛分尺寸*筛分尺寸与颗粒特性参数的关系(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(2)颗粒群的平均特性参数*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。3.2.3 颗粒床层的特性(1)床层空隙率表明：床层堆积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)影响床层空隙率的因素②颗粒特性的影响3)(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↑。(2)床层的自由截面积S0与ε关系：同样表明颗粒堆积的松(3)床层的比表面积aB

忽略颗粒相互重叠减少的面积，则：(3)床层的比表面积aB忽略颗粒相互重叠减少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①颗粒静止，流体绕过颗粒流动；流体和颗粒相对运动的情况：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3.3.1流体绕过颗粒的流动

水平方向，颗粒所受曳力：

水平方向，颗粒所受曳力：《化工单元操作》流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离(过滤与沉降)课件●影响因素：●获得：●影响因素：(2)曳力系数影响因素：①球形颗粒:(2)曳力系数①球形颗粒:

判断流型：层流（斯托克斯区）

过渡流

湍流判断流型：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）②非球形颗粒的曳力系数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：3.3.2颗粒在流体中的流动(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(2)颗粒的运动情况沿合力方向加速阶段、恒速阶段加速阶段很

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

目的：流体与固体颗粒分离3.4沉降（单元操作）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3.4.1重力沉降速度的计算容器壁和其它颗粒不影响沉降速其它条件相同时，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2）过渡区关于曳力系数:1）层流区3）湍流区2）过渡区关于曳力系数: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：试差法或：判据法(避免试差)问题：沉降速度ut未知，如何判断流型(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

。(2)非球形颗粒的沉降速度可先假定为颗粒球形，然后校正。(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(4)影响沉降速度的其它因素1)干扰沉降------颗粒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液滴或气泡变形②流体分子运动的影响④壁效应和端效应时,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：3.4.2 重力沉降设备随气体的水平流速u降尘室底面积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)颗粒的停留时间颗粒的沉降时间(2)颗粒分离(沉降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计算ut时，如何使尘粒完全分(2)连续式沉降槽（自学）从液体中分离出固体颗粒。(2)连续式沉降槽（自学）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。3.4.3离心沉降2、离心沉降的优点3-4-1离心沉降速度

计算方法：同重力场，重力→离心力3-4-1离心沉降速度

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变化重力沉降离心沉降速度ur：随颗粒旋转半径r变化

层流Stokes