大学课件-化工原理-第3章过滤1.ppt

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1、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。,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,3.2 颗粒及颗粒床层的特性 3.2.1单颗粒的特性

2、参数 (1) 描述颗粒形状,1）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：,2）颗粒的比表面积 a,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：,球形度、比表面积 V一定时，,则，颗粒越偏离球形。,描述颗粒形状参数-,(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、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,3.2.2 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

3、：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 较规则颗粒： 条形颗粒：,(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 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； ，空隙越大，床层越松散； 对流体流过床层的阻力影响很大。,2) 影响床层空隙率的因素 装填方法：干装 湿装,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) 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

4、面积分率,S0与关系：同样表明颗粒堆积的松散程度 均匀颗粒，则S0，。,(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。,流体和颗粒相对运动的情况：,3.3 流体和颗粒的相对运动,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,水平方向，颗粒所受曳力：,影响因素： 获得：,(2) 曳力系数 影响因素：,球形颗粒:,判断流型： 层流 （斯托克斯区） 过渡流 湍流,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-R

5、ep 关系（书P168 图3.3.2）,3.3.2 颗粒在流体中的流动 (1) 颗粒在力场中的受力分析 质量力 浮力 曳力 合力：,(2) 颗粒的运动情况 运动方向： 初始时， 两个阶段- 加速阶段 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,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,3.4.1 重力沉降速度的计算 (1)球形颗粒的自由沉

6、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,其它条件相同时，小颗粒后沉降,影响沉降速度的因素： 颗粒直径 流体密度 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,2）过渡区,关于曳力系数: 1）层流区,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,(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

7、，,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 。,(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,液滴或气泡变形 液滴或气泡受曳力变形，影响计算准确性。, 流体分子运动的影响 颗粒直径小于23 m 以下时，抑制重力沉降。, 壁效应和端效应,时, 器壁有影响,3.4.2 重力沉降设备 (1) 降尘室 结构及工作原理 入口：矩形,随气体的水平流速u 颗粒

8、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：,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), 计算ut 时，如何使尘粒完全分离 应以最小颗粒直径，计算 ut 如何选取气体速度, 重力沉降适于分离的粒径范围, 如何计算可沉降颗粒的粒径？,提出 问题?,(2) 连续式沉降槽（自学） 从液体中分离出固体颗粒。,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、

9、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。,3-4-1 离心沉降速度 计算方法：同重力场，重力离心力,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,层流Stokes 区： 重力沉降 离心沉降,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（、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,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

10、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,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,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,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3.4.9,按假设 实际情况 分

11、割粒径 d50：,3）旋风分离器的阻力 是旋风分离器的经济指标,3、旋风分离器的分离能力 分离气体中颗粒直径：5-75m d5m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,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,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

12、：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,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；,虚拟细管的当量直径：,以1m3床层为基准，,二、流体流过固定床的阻力 1、层流,2、 湍流 范宁公式变形：,1、层流,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,4、欧根方程的其它形式（找出关系）,1）层流,2）湍流,作业: P231 5 6 10,