化工原理第三章非均相物系的分离和固体流态化资料

2
s g K d 2
1/3
Ret2 K 3
4 3
Ret关系（P147，图3-2） Ret2 Ret关系（P150，图3-3）
ut
Ret d
沉降分离－重力沉降
求某介质中具有 u t 的颗粒直径：
1 Ret
1 Ret 103， d s g 0.6 18.5 u 0.27 Ret t Ret0.6
⑶ 湍流区或牛顿（Newton）定律区
103 Ret 2 105， 0.44 ut 1.74 d s g

沉降分离－重力沉降
s g K d 2
1/3
Ret
K 18
3
K 2.62 层流区； 2.62 K 69.1 过渡区； K 69.1 湍流区。
K值判断流型→避免试差
沉降分离－重力沉降设备
1. 降尘室 ① 单层降尘室
≥t
t
降尘室
H ut l u
① 床层特性：各向同性。
② 各向同性床层特点：
空隙截面积 。 床层截面积
③ 壁效应：因壁面处床层ε>床层内部ε ，较多流体必趋向近 壁处流过，故床层截面上的流体分布不均匀。
概念－颗粒床层
4. 流体通过颗粒床层的压强降（建模法） 流体通道：细小、曲折且相互交联。 流型：颗粒床层具有较大比表面积→层流。 简化模型：床层中不规则的通道→一组平行细管（L、de ），规定 ① 细管的全部流动空间＝颗粒床层的空隙容积。 ② 细管的内表面积＝颗粒床层的全部表面积。
② 比如，旋转半径为0.4 m、切向速度为20 m/s，
202 Kc 102 9.81 0.4
离心沉降分离两相密度差小、细颗粒的非均相物系。
沉降分离－旋风分离器
1. 旋风分离器 旋风分离器→依靠离心力从气流中分离出尘粒的装置。 外旋流→下行的螺旋形气流。 内旋流→亦称气芯，指上行的螺旋形气流， 具有低压性。两者的旋转方向一致。 ① 结构简单、低成本、操作条件范围宽、 分离效率较高。 ② ＞200 μm的颗粒，用重力沉降除去；
1/100 0.0042 0.0058 in 或147 μm
概念－颗粒
② 颗粒群的平均粒径 颗粒群的平均粒径→常用平均比表面积直径，即Sauter直径。
da 3
2
n d
2
k
6
da
d n 6
i 1 i
i 1 k
i
i

3 i

da
n d n d
多层降尘室
单层降尘室优点：结构简单，流动阻力小；缺点：体积庞大，分离效 率低→预除尘（大于50 μ m 的粗颗粒）。 多层降尘室优点：分离较细颗粒，节省地面；缺点：清灰麻烦。
2. 沉降槽和分级器（自习）
沉降分离－离心沉降
1. 离心沉降
2 u 离心力=s d 3 t 6 r
沉降分离－重力沉降
2. 重力沉降 ① 球形颗粒的自由沉降
Fg Fb Fd ma
π Fg s d 3 g 6
π Fb d 3 g 6
u π 2 Fd d 2 4
2
π 3 d s g 6
2
1 a u 0.29 pf 4.17 L 3
2 2
3
a
6 s de
1 u p Reb 3 f 150 3 2 L s de
2
1 u p Reb 100 f 1.75 3 L s de
影响因素→颗粒大小、形状、粒径分布与充填方式。 一般乱堆床层的空隙率为0.47～0.7。 2. 床层比表面积
ab 1 a
ab
6 b d s
b 1 s
ab
6 1 d
概念－颗粒床层
3. 床层自由截面积（空隙截面积） 床层自由截面积→指床层截面上未被颗粒占据的、流体可以 自由通过的面积。
＜5 μm的颗粒，用袋滤器或湿法捕集； 5 200 μm的颗粒，用旋风分离器除去。
标准旋风 分离器
气体在旋风 分离器里的运动
③ 不宜处理黏性粉尘、含湿量高的粉尘 及 腐蚀性粉尘。
第三章 非均相物系分离和固体流态化
目的→基于流体 力学（颗粒与流 体间的相对运 动），掌握非均 相物系的机械分 离方法、过程计 算及其典型设备 的结构、特性和 选型。
概念
非均相物系 颗粒和颗粒床层特性
非均相物系的 沉降 分离和固体流 机械分离 态化 过滤 固体流态化
概念－非均相物系
1. 非均相物系 ① 非均相物系 均相混合物 （均相物系） 溶液与混合气体
l H ≥ u ut
Vs u Hb
Vs≤ut bl
单层降尘室 的生产能力
降尘室生产能力仅与沉降面积及沉降 速度有关，而与降尘室高度无关。
尘粒在降尘室内的运动
沉降分离－重力沉降设备
② 多层降尘室
Vs n 1 blut
⑴ 沉降速度根据需要完全分离下 来的最小颗粒尺寸计算。 ⑵ 气体在降尘室内的速度不应过 高→层流。
机械分离
非均相物系分离目的→收集分散相、净化连续相及环保考虑
概念－颗粒
2. 颗粒特性（形状、体积和表面积） ① 球形颗粒 球形颗粒特性只需直径d 描述即可。
V
3 d 6
a
S d2
S 6 V d
比表面积→单位体积颗粒具有的表面积。
② 非球形颗粒 非球形颗粒特性用当量直径和形状系数描述。 ⑴ 体积当量直径 （de） 等效依据→实际颗粒的体积等于当量球形颗粒的体积。
4 s g 3 3 2ut
d
Ret关系（P147，图3-2） Ret1 Ret关系（P150，图3-3）
Ret ut
⑶ 流型判据→K值
d 2 s g ut 18
du ρ Ret t μ
d 3 s g Ret 18 2
Vp

6
de3
6Vp de
1/3
概念－颗粒
⑵ 形状系数（球形度） 形状系数→表征颗粒形状与球形的差异程度。
s
S Sp
球形 s 1； 非球形 s 1；差异 ，s
Vp

6
de3
de 2 Sp s
ap
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6 s de
2 3 ut 向心力= d 6 r
ur 2 2 阻力= d 2 4
2 2 2 π 3 ut π 3 ut ur π 2 s d d d 0 6 r 6 r 2 4
2
沉降分离－重力沉降
1. 沉降分离 沉降分离→在外力场中，因分散相和连续相之间存在密度差，使之发 生相对运动而实现非均相物系分离。 外力场 重力沉降 离心沉降 自由沉降 颗粒是否受到 其他颗粒或器壁的影响 干扰沉降
沉降：属于流体相对于颗粒的绕流问题；流－固间的相对运动有 三种情形： ① 流体静止，颗粒相对于流体作沉降或浮升运动。 ② 颗粒静止，流体对固体作绕流。 ③ 固体和流体都运动，但二者保持一定的相对速度。
2 π 2 u π 3 du d d s 4 2 6 d
开始 加速 u 0，a am ax； 平衡 等速 a 0，u ut ut 4 gd s 3
颗粒沉降时的受力
刚性球形颗粒的沉降 速度，即终端速度。
'
Reb
debu1 u 4 a 1
1 a 2u pf 5 Reb 2 L 3
2
⑵ 欧根（Ergun）方程 0.17 Reb 420
'
4.17 0.29 Reb 1 au 2
1 u 1 u 2 pf 150 3 1.75 3 2 L s de s de
③ 沉降速度的影响因素 ⑴ 流体黏度 层流区→内摩擦力占优；湍流区→形体阻力占优；过渡区→内摩擦力 和形体阻力均有。 Ret 摩擦力 ，形体阻力 。 ⑵ 颗粒体积分数 颗粒体积分数< 0.2%，偏差＜1%。颗粒体积分数较高，发生干扰沉降。 ⑶ 器壁效应 容器壁面和底面增加颗粒沉降阻力→实际沉降速度＜自由沉降速度。 ⑷ 颗粒形状 对同一固体而言，球形或近球形颗粒比同体积非球形颗粒沉降快。
L u12 pf deb 2
deb
4 床层流动空间 4 4 细管的全部内表面积 ab 1－ a
1 a u 2 pf ' L 3
流体通过固定床压强降公式
u1
u

概念－颗粒床层
⑴ 康采尼（Kozeny）方程
K' ；K ' 5 Reb
概念－颗粒
3. 颗粒群特性
① 粒径分布 粒径分布→不同粒径范围内所含粒子的个数或质量。 筛分分析： ⑴ 标准筛→泰勒标准筛、日本JIS标准筛和德国标准筛。 ⑵ 筛分过程→筛留物（筛余量）和筛过物（筛过量）。 ⑶ 筛分单位→目数（筛孔大小），指每英寸长度筛网 上的孔数。 比如，100目泰勒筛的筛孔宽度，网线直径为0.0042 in，
混合物
非均相混合物 （非均相物系） 分散介质 气态非均相物系（含尘气体） （连续相） 液态非均相物系（悬浮液）
分散物质 固体颗粒、液滴或气泡 （分散相）
概念－非均相物系
② 非均相物系的分离方法 沉降→颗粒相对于流体(静止或运动)运动而实现悬 浮物系分离，作用力是重力或离心力。 过滤→流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离， 作用力是重力、压强差或离心力。
颗粒在离心力场中的运动
ur
4d s u t 2 3 r
离心沉降速度
沉降分离－离心沉降
ur
4d s ut 2 ut 3 r
4d s g 3
① 形式上相似。 ② 离心沉降速度是颗粒运动的径向速度， 方向为沿半径向外。 ③ 离心沉降速度不是恒定值，随颗粒位 置而变；而重力沉降速度则是恒定值。
i 1 i i 1 k i
k
3 i 2 i
xi K ni s d i 3
ni
xi Kdi 3 s
x da 1/ i di
颗粒群的平均粒径
概念－颗粒床层
1. 床层空隙率 床层空隙率（ε）→表征颗粒群堆积而成的床层疏密程度。

床层体积-颗粒体积 床层体积
沉降分离－离心沉降
层流：
4d s u t 2 ur 3 r
24 Rer
d 2 s ut2 ur 18 r
d 2 s ut g 18
ur ut2 Kc ut gr
离心分离因数
Kc 5~2500 。 ① 旋风或旋液分离器：
沉降分离－重力沉降
④ 求解 ⑴ 试差法
假设颗粒沉降的流型 根据相应的沉降公式求ut 按ut检验Ret
⑵ 摩擦数群法
ut 4 gd s 3

Ret
dut

4d s g 3ut 2 d 2ut 2 2 2 Ret 2
4d 3 s g Ret ＝ 3 2
沉降分离－重力沉降
② 阻力系数
f Ret , s Ret
dut

⑴ 层流区或斯托克斯（Stokes）定律区 d 2 s g 24 4
10 Ret 1 ， Ret ut 18
⑵ 过渡区或艾仑（Allen）定律区
Ret （P147, 图3-2）