化工原理（第2版）上册 课件 第4章 非均相混合物的分离

1第4章非均相混合物的分离4.3过滤4.1颗粒与流体的相对运动4.2沉降分离

非均相混合物分离第4章非均相混合物的分离颗粒与流体的相对运动4.1.1颗粒与颗粒群的特性参数4.1.2流体流过固定床4.1.4颗粒流态化和颗粒输送4.1.3颗粒在流体中的沉降第4章非均相混合物的分离34.1.1颗粒和颗粒群的特性参数1单颗粒的特性参数（1）球形颗粒：①当量直径

de

体积V；（2）非球形颗粒：

直径

d;②球形系数

——体积相等的球形与非球形颗粒表面积之比第4章非均相混合物的分离－相对运动－颗粒与颗粒群关系式：体积——接近球形程度与之相等的球的d

比表面积a=S/V

表面积S；表面积比表面积，<142颗粒群的特性（1）粒径分布粒径范围

分段，测定：标准筛进行筛分筛的目数——筛网:筛孔的个数/英寸（2）平均粒径(dm)①比表面积相等②算术平均

dm第4章非均相混合物的分离－相对运动－颗粒与颗粒群——形状、尺寸不同的颗粒处于各段的颗粒的质量分数wi4.1.2流体流过固定床5(1)空隙率

—床层空隙体积/床层总体积~颗粒形状、尺寸、粒度分布、装填方式(2)比表面积aB—颗粒表面积/床层体积=各向同性，第4章非均相混合物的分离－相对运动－固定床大量颗粒的堆积层(床层)，1固定床的特性参数流体通过、颗粒(群)静止，不松动(3)流道当量直径de细小、不规则的通道一组平行、并联的细管①管长Le=CL；②管总内表面积=S颗粒；④管总流通截面积＝A0;③管总容积=V

de的定义&①~④固定床A0a

=床层的自由截面积/总截面积62流体流过固定床的压降u1—细管或通过自由截面的流速空床流速(表观流速)=qV/A0

’——固定床摩擦系数~床层雷诺数Reb

’Le=CLKozeny的实验研究，当Reb<2(层流时)Kozeny方程影响

pf的因素：床层特性a,

；

流体的性质

；Re<2时，Δpf∝空床流速uErgun方程：……(0.17<Reb<420)(Reb<2)第4章非均相混合物的分离－相对运动－固定床4.1.3颗粒在流体中的沉降1基本认识(3)(颗粒静止)流体对颗粒绕流高速时，边界层分离

边界层7(1)受力：低速时，低速爬流重力(或离心力)、浮力、阻力静止时，仅重力&浮力

p>

合外力0

加速度

(加速)运动

阻力

加速度

…＝0,均速运动…u

阻力

小颗粒，加速段很短——匀速(ut)沉降(2)(重力沉降)沉降运动过程浮力重力阻力流体的黏性，相对运动第4章非均相混合物的分离－相对运动－沉降2沉降运动的阻力(系数)

(1)阻力的构成－阻力系数(2)阻力(FD)表达式(球)水平面上投影面积FD=f(dp,u,

,

)，量纲分析

－颗粒雷诺数8颗粒表面微元dA,剪力(

W)和(p)压力——摩擦阻力

wdA

wdAsinpdA

pdAcos

——压差阻力Rep非球形总阻力＝摩擦阻力+压差阻力

(Rep)第4章非均相混合物的分离－相对运动－沉降9(3)阻力系数实验图球形

~Rep，摩擦阻力为主，无边界层分离低速爬流，阻力

u②边界层分离，尾流,p较低

压差阻力较大压差阻力为主；

与Rep无关③，阻力

u2④Rep>2105突降，＝0.1，边界层：层流

湍流分离点后移，——层流区(Stokes区)

——过渡区(Allen区)

——湍流区(牛顿区)

①尾流区收缩，压差阻力突降第4章非均相混合物的分离－相对运动－沉降10第4章非均相混合物的分离－相对运动－沉降113沉降速度的计算

(球形)(1)重力沉降速度公式dp：各区

~Rep表达式代入上式①Stokes区②Allen区③牛顿区说明

ut的其他影响因素：干扰沉降；壁效应；分子运动颗粒形状；

ut~流、固的性质，颗粒尺寸第4章非均相混合物的分离－相对运动－沉降(2)离心沉降速度公式流体做圆周运动颗粒受力：颗粒：圆周=螺旋线Stokes区12离心沉降速度ur(3)沉降速度的计算方法如已知所属区如不知，试差！①假设处于Stokes区；②Stokes式

ut(ur)，直接用对应公式；③求Rep，<2？yes结束no假设处于另一区，式ut(ur)Rep

验证…+径向离心力、“浮力”、阻力(径向)第4章非均相混合物的分离－相对运动－沉降134.1.4颗粒流态化1颗粒流态化现象流体，(下上)通过颗粒床层（1）流速较低颗粒紧挨、静止——固定床（2）流速较高颗粒彼此分开，浮于流体中——流化床（3）流速很高颗粒被带走u/

=u1<ut，u/

=u1>ut，床层松动，颗粒浮起

u1

u>ut——颗粒输送，颗粒流态化

u1=ut固定床流化床颗粒输送第4章非均相混合物的分离－相对运动－颗粒流态化2流化床的流体力学(1)床层压降~空床速度①固定床(Reb<2,层流)：③颗粒输送：

pf

u1②流化床：

p~u？u

pf

颗粒群受力分析，—颗粒稀疏

14压降—流化状态的重要指标无关！(2)三种速度①起始流化速度(umf)颗粒接触彼此分开的空床速度u

ut时，带出

u带出=utu带出=ut

dp允②带出速度③

操作速度umf<u<u带出——空床速度u允许部分带出:

dp,m流化数u/umfumf表观重量正常流态化：

康采尼方程阻力＝重力－浮力

pfA＝u

pf固定床流化床颗粒输送第4章非均相混合物的分离－相对运动－颗粒流态化3两种流化状态(1)散式流态化液－固流化过程：颗粒平缓、持续增大分散状态①颗粒分布均匀(2)聚式流态化气－固——大气泡含少量颗粒，上升、合并、破灭乳化相少量气体通过气泡相②稳定、清晰的上界面——颗粒密集，小，特点：①上界面大幅波动；②气、固接触不良15

③返混严重；4流化床的特点与应用①

液体样特性；②恒定的压降；④流－固接触好气-固催化反应，固体颗粒干燥，吸附，固-液浸取散式流态化聚式流态化第4章非均相混合物的分离－相对运动－颗粒流态化16第4章非均相混合物的分离－相对运动－颗粒流态化5流化床中的不正常现象(1)沟流

气－固

p大、细小、易黏结气沟，甚至局部没有流化——死床表现：

pf低于正常值(2)腾(节)涌汽泡汇合气层，占满床层截面，床层分段气层破灭颗粒下沉

气-固床层不稳定17大量气体通过，气固接触效果差、u低、气体分布不均、D大表现：

pf大幅波动h/D大、u高……第4章非均相混合物的分离－相对运动－颗粒流态化第4章非均相混合物的分离－沉降分离沉降分离4.2.1沉降设备4.2.2沉降问题的解决194.2.1沉降设备(1)降尘室

结构与工作原理气体+颗粒，颗粒，竖直方向的沉降运动(到达室底)沉降时间<气体停留时间

①dp

；③qV;②进入时离底部越近；分离气－固混合物灰斗（集尘斗）1重力沉降设备——捕集条件、可更换的底板④降尘室尺寸;低速、水平运动越容易捕集！第4章非均相混合物的分离－沉降分离－沉降设备沉降槽(中心进水)沉降槽(周边进水)20(2)沉降槽

(3)分级器分离液－固混合物颗粒的分级、选择u水和ut>u的颗粒(II)向下水和ut<u的颗粒(I)向上可调锥水和颗粒水+颗粒(I)水+颗粒(II)水环隙(双锥式)第4章非均相混合物的分离－沉降分离－沉降设备212离心沉降设备(1)旋风分离器气流：切向进入，折而向上圆筒

外螺旋气流：锥底内螺旋气流(气芯)

排气管各部分尺寸——按比例国标系列：(2)旋液分离器分离气－固混合物分离液－固混合物圆筒进气口排气管、圆锥、进气口、排气管、出灰口圆锥类似于旋风分离器

旋转颗粒离心沉降器壁滑落出灰口分离效果好第4章非均相混合物的分离－沉降分离－沉降设备22第4章非均相混合物的分离－沉降分离－沉降设备(3)离心机离心沉降：ar很大

ut大设备体积小分离因数重力沉降：设备庞大

g不大，分离液－固或液－液混合物转鼓

混合物

清液、沉渣三足式、蝶片式、管式——ar/g颗粒的离心沉降比较：离心机——D

ar

旋风(液)分离器细小颗粒ut很小——D

ar

第4章非均相混合物的分离－沉降分离－沉降设备24第4章非均相混合物的分离－沉降分离－沉降设备254.2.2沉降问题的解决某种粒径的颗粒能(100%)被捕集的条件进入时位于室顶的，沉降时间=H/ut气体停留时间=L/u(100%)捕集条件：高长宽dp:(条件式)1降尘室底面积(1)求临界(颗粒)直径dp,c(操作型)

①求②由ut求dp,c

沉降速度公式，如能被100%捕集的最小dp气体流量沉降时间<停留时间第4章非均相混合物的分离－沉降分离－沉降问题的解决26(2)求(指定dp,c时)降尘室所需底面积(设计型)

①dp,c

ut②(3)求(指定dp,c时)最大处理量(操作型)

①dp,c

ut②qV,max=Aut②dp,c,A,qVmax

三者互求说明：①都必须dpc

ut③H不能太小，否则颗粒被重新卷起、带走假定

Rep，验证

ut公式试差！，结果均与H无关例如，A

或qV

ut

dpc

—效果好第4章非均相混合物的分离－沉降分离－沉降问题的解决27(4)多层降尘室加水平隔板，A’=(n+1)A(5)捕集效率条件：dp≥dp,c的,100%被捕集dp(绿)<dp,c的粒级效率？dp,cdpHh——dp

(绿)被捕集的百分数(效率)加n层隔板

n+1个降尘室(A不变),qV,i=qV/(n+1)1个降尘室，提高降尘效果(对某一种粒径而言的，粒级效率)第4章非均相混合物的分离－沉降分离－沉降问题的解决282旋风分离器(1)临界颗粒直径dp,c——能100%捕集下来的最小颗粒直径假定外螺旋气速恒定——进口速度ui

最大沉降距离=进口宽度B

沉降处层流区停留时间：

＝外螺线长/ui沉降时间：条件：N(2rm)B说明

dc~B、ui(qV)的关系

假定勉强，粗略估计。qv一定时，D

B

ui

dc

实际不一定！

＝B/ur

＝B/ur

N—外螺旋圈数,标准器：N=5第4章非均相混合物的分离－沉降分离－沉降问题的解决(2)分离效率总效率

O：捕集的颗粒质量/颗粒总质量粒级效率

i

:某一粒径(dp,i)的颗粒29dp,i

则

i

理论上：dp,i>dp,c的颗粒

i=100%关系:，实际上并非如此分割直径(d50)：粒级效率为50%的dpi第4章非均相混合物的分离－沉降分离－沉降问题的解决30(3)压降(机械能损失)机械能损失——进气口、排气管、圆筒、圆锥阻力系数

实测标准型，

＝8(4)选型(每种型号的)性能参数：类型：标准型、其他型——均有多种型号直径D(mm)、处理量qV(m3/h)、压降

pf(Pa)、进口气速ui(m/s)选型依据：先定类型，再挑型号——在要求的气体处理量下压降不超过允许值的，起码的效率

pf实际1.2

实际压降换算：比较核算效率考虑组合生产上要求的处理量、允许的压降第4章非均相混合物的分离－沉降分离－沉降问题的解决过滤4.3.1认识过滤过程4.3.2过滤设备4.3.4过滤问题的解决4.3.3过滤方程第4章非均相混合物的分离－过滤324.3.1认识过滤过程1过滤过程说明：名词和术语：……推动力：操作目的：液(气)－固分离滤饼过滤与深层过滤滤饼的洗涤第4章－非均相混合物的分离－过滤－认识过滤过程悬浮液(滤浆)过滤介质滤饼滤液压滤、抽滤

压差

；离心力过滤器(机)重力；——净化滤饼和(或)回收残存的滤液固定床33滤饼过滤(“架桥”)第4章－非均相混合物的分离－过滤－认识过滤过程2过滤介质①织物介质②堆积介质③多孔固体介质④多孔膜3滤饼的可压缩性和助滤剂滤饼受压助滤剂——截留颗粒、支撑滤饼，通过滤液，使滤饼疏松而坚固34

滤液流动阻力

(几~几十微米的颗粒)(>1微米的颗粒)(孔径范围：10-2~101微米)—有机膜、无机膜，预涂或混合—滤布、滤网—固体颗粒或纤维等堆积—具有微细孔道的固体

空隙率

烧结陶瓷板烧结陶瓷板电子显微镜照片第4章－非均相混合物的分离－过滤－认识过滤过程35聚偏氟乙烯微孔膜第4章－非均相混合物的分离－过滤－认识过滤过程12341234124311板框过滤机

板+滤布+框按a-b-c-b-a-b-c-b-a-b-c-b-a组装框的两侧滤布过滤：横穿洗涤：4.3.2过滤设备四角圆孔洗涤面积=(1/2)过滤面积滤液

饼

布非洗涤板过滤面积＝2n框A框洗涤面积＝nA框36四个通道间歇操作c-洗涤板a-非洗涤板悬浮液通道1滤饼；洗涤液通道3

洗涤板滤布滤饼滤布通道4(外接管线、阀门)通道1通道2通道3通道4

框板通道2——过滤、洗涤、卸渣、重装b-框第4章－非均相混合物的分离－过滤－过滤设备37第4章－非均相混合物的分离－过滤－过滤设备置换洗涤：2叶滤机间歇操作洗涤液行程＝滤液38滤叶洗涤面积＝过滤面积冲洗水悬浮液滤叶滤饼滤液滤液(抽真空)滤渣滤叶短管第4章－非均相混合物的分离－过滤－过滤设备123——三根管的“端口”3转筒（真空）过滤机（1）结构与工作原理水平转筒，滤布——外表面扇形格:分配头(固定盘和转动盘)洗涤面积=过滤面积(凹槽1、凹槽2、凹槽3)分配头的固定盘（2）工作过程—跟综一格①过滤；②洗涤；③吹松；④卸渣；间隙处，没有操作——各区互不影响连续操作滤液管洗水管吹气管布—(连通)管—分配头的转动盘(的圆孔)、置换洗涤扇形格(+)(－)(－)第4章－非均相混合物的分离－过滤－过滤设备40第4章－非均相混合物的分离－过滤－过滤设备4.3.3过滤方程滤饼的组成：1每m3滤液的滤饼体积(v)，悬浮液的组成：颗粒浓度——ckg/m3(悬浮液)悬浮液＝滤液+滤饼滤饼的空隙率体积衡算：悬浮液的颗粒＝滤饼中的颗粒41滤饼厚度和横截面积滤液

LA饼=…1kg饼：(w/

)m3[(1-w)/

p]m3滤液的质量分数，wwkg滤液+(1-w)kg颗粒滤液或滤饼体积v的计算式第4章－非均相混合物的分离－过滤－过滤方程2过滤速度u—滤液空床速度，m/s滤饼比阻1/m2如果：滤液层流(Reb<2)滤饼层的压降介质阻力＝

rLe~ALe~Ve滤液虚拟

p

p1

p2滤液滤饼过滤介质3过滤介质的阻力42＝厚度为Le的滤饼过滤面积V/A第4章－非均相混合物的分离－过滤－过滤方程4过滤常数与过滤基本方程定义—过滤常数，m2/s

p~

考虑滤饼的可压缩性r’—单位压差下的比阻，1/m2s—压缩性指数s=0,不可压缩过滤基本方程—过滤速率(滤液流量)，m3/s

过滤速率~K介质阻力(Ve)、已得滤液量(V)、说明43~r

K~悬浮液(v)、滤液(

)、滤饼(r,v)、操作条件(p)、设备(A),0~1第4章－非均相混合物的分离－过滤－过滤方程5恒速过滤方程恒速过滤方程V(q)~

线性关系方程描述了：

~V(累积)~K(p)关系，

44

V

p

u恒定

K

(q=V/A，qe=Ve/A)恒速过滤：过滤速度u保持不变第4章－非均相混合物的分离－过滤－过滤方程恒压过滤：p恒定6恒压过滤方程恒压过滤方程几种情况：

若介质阻力可忽略基本方程，积分先过滤:

1

V1(q1)，45

K为常数累积滤液量V(q)~

：Le=0,Ve=0虚拟过滤总的：

~V(q)？

VV1

1抛物线关系然后恒压过滤一段时间，Ve(qe)~

e:第4章－非均相混合物的分离－过滤－过滤方程7过滤常数的实验测定(1)过滤常数K&qe的测定恒压：可得恒压过滤实验——直线(2)滤饼的压缩性指数s、比阻r’的测定实验：pi

Ki

ri多组(pi,ri)双对数坐标系:直线，s=斜率、r’＝截距46

/q~qq

/q斜率:1/K作图

K,qe

V~

第4章－非均相混合物的分离－过滤－过滤方程4.3.4过滤问题的解决(1)求所需AK、Ve(qe)已知或可求规定V、选定

(滤框、滤板个数)(板框机、叶滤机)(2)求V和(或)

已知A