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1、第三章 颗粒流体力学基础与机械分离,3.1 概述3.2 单颗粒与颗粒群的几何特性3.3 流体通过固定床层的流动与液体过滤3.4 颗粒沉降与沉降分离设备3.5 固体流态化,3.1 概述,3.1.1 流体非均相混合物的分离与颗粒流体力学1. 非均相物系： (1)定义：物系内部存在相界面且界面两侧的物理性质完全不同。(2)类型：气态非均相物系：含尘气体，含雾气体 液态非均相物系：悬浮液，乳浊液，泡沫液2. 分散相（分散质）：非均相物质中处于分散状态的物质。如悬浮液中的固体颗粒。3. 连续相（分散介质）：包围分散质的处于连续状态的流体。如悬浮液中的液体。4.非均相物系分离的依据：分散相与连续相之间的物
2、理性质的差异。如密度、颗粒外径等5. 分离方法：机械法即使分散质与分散相之间发生相对运动，实现分离。6. 理论基础：颗粒流体力学,7. 分离目的：回收分散质，如从气固催化反应器的尾气中收集催 化剂颗粒 净化分散介质，如原料气中颗粒杂质的去除以净化 反应原料，环保方面烟道气中煤炭粉粒的除去。3.2 单颗粒与颗粒群的几何特性3.2.1 单颗粒的几何特性1. 球形颗粒体积v=(/6)dp3 m3 表面积 s=dp2 m2比表面积为a=s/v=6/dp 1/m dp 球形颗粒的直径，m2. 非球形颗粒（1）常用的参量： 等体积当量直径de,v：与非球形颗粒体积相等的球的直径。 de,v=(6v/)1/
3、3 v为非球形颗粒的体积。,球形系数 ：与非球形颗粒体积相等的球的表面积与该颗粒表面积之比。 =d2e,v/s S为非球形颗粒的表面积。（2）非球形颗粒的体积、表面积、比表面积体积v=(/6) d3e,v m3表面积s=d2e,v/ m2比表面积a=s/v=6/de,v 1/m3.2.2 颗粒群的几何特性了解固定床的几何特性首先要作筛分分析，确定粒度分布。一. 筛分分析（1）定义:1.标准筛:一般使用的筛。有泰勒制，日本制，德国制及原苏联制等。我国用泰勒制。2.筛号:指沿丝线走向1英寸长具有的孔数。3.筛余量:截留在该筛面上的颗粒质量。,4.筛过量:通过该号筛的颗粒质量。（2）原始数据作出的颗
4、粒粒径分布状况表达式有三种1.表格式(见下一页)2.分布函数曲线Fd(见下一页)分布函数F即筛过量质量分数。D为筛孔尺寸。从图上可以看出：孔径F3.频率函数曲线fdp(d)(见下一页)频率函数f=dF/d(dp)， 频率函数曲线与横坐标之间的面积为1。由横坐标上di-1di间作向上垂线截止于频率函数曲线上，则在此颗粒范围内频率函数曲线与横轴之间的面积为该颗粒范围内颗粒的质量分数，表达了各粒度颗粒出现的概率密度的大小。二. 颗粒群的平均直径P97,表1 石英砂的筛分数据其中平均粒径dpi=(di+1+di)/2，如1.524=(1.651+1.397)/2,图3-2分布函数曲线与频率函数曲线,三
5、. 床层特性固定床：众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒层。 1.床层空隙率定义:床层空隙率=（床层体积-颗粒体积）/床层体积 对于同样的颗粒群，堆积方法不同，床层空隙率也不相同。床层空隙率一般在0.47至0.7之间波动。堆积密度：单位体积床层内固体颗粒的质量。真实密度：颗粒的密度。2.床层各向同性: 对于乱堆的床层，因各部位颗粒的大小、方向是随机的，当床层足够大或者颗粒足够小时，可以认为床层是均匀的，各局部区域的空隙率相等，床层是各向同性的。 推论：床层内任一截面上空隙面积与截面总面积之比（即自由截面率）在数值上等于空隙率。3.床层的比表面积aB：颗粒的比表面积a指每m3颗粒具有的表面积，而床层
6、比表面积指每m3床层体积具有的颗粒表面积。显然， aB=（1- ）a,3.3 流体通过固定床层的流动与液体过滤,3.3.1 流体通过固定床层的流动一. 基本概念 1. 过滤: 是指以某种多孔物质作为介质，在外力的作用下，流体通过介质的孔道，而使固体颗粒被截留下来，从而实现固体颗粒与流体分离目的的操作。过滤可去除气固体中的固体颗粒，也可去除液固体中的固体颗粒，化工生产过程中，过滤大多用于悬浮液中固液分离，本节只介绍悬浮液的过滤操作。2. 实现过滤操作的外力: 可以是重力，压差或惯性离心力，在化工生产过程中应用最多的是以压强差为推动力的过滤。3. 滤浆（料浆):指被处理的悬浮液。4. 过滤介质 :
7、过滤操作中采用的多孔物质。5. 滤液:是指通过介质孔道的液体。6. 滤饼:是指被截留的固体颗粒。7. 过滤目的: 获得洁净的液体或获得作为产品的固体颗粒。,二. 过滤操作的分类1、饼层过滤（滤饼过滤）(1) 定义: 若悬浮液中固体颗粒的体积百分数大于1%，则过滤过程中在过滤介质表面会形成固体颗粒的滤饼层，这种过滤操作称为饼层过滤。(2) 特点: 在饼层过滤中，由于悬浮液中的部分固体颗粒的粒径可能会小于介质孔道的孔径，因而过滤之初会有一些幼小颗粒穿过介质而使液体浑浊，但颗粒会在孔道内很快发生“架桥”现象，并开始形成滤饼层，滤液由浑浊变为清澈。此后过滤就能有效进行了。(3)小结: 在饼层过滤中，真
8、正起截留颗粒作用的是滤饼层而不是过滤介质，在饼层过滤过程中，滤饼会不断增厚。过滤的阻力随之增加，在推动力不变下，过滤速度会愈来愈小。2、深层过滤(1) 定义: 当悬浮液中固体颗粒的百分数在0.1%以下且固体颗粒的粒度很小时，若以小而坚硬的固体颗粒堆积生成的固定床作为过滤介质，将悬浮于液体中的固体颗粒截留在床层内部且过滤介质表面不生成滤饼的过滤称为深层过滤。,(2) 适用范围: 深层过滤适用于浮液中固体颗粒的体积百分数小于0.1%，且固体颗粒粒径较小的场合。(3)特点: 深层过滤中，由于悬浮液的粒子直径小于床会孔道直径，所以粒子随着液体一起流入床层内的曲折通道，在穿过此曲折通道时，因分子间力和静
9、电作用力的作用，使悬浮粒子粘附在孔道壁面上而被截留。过滤介质表面不生成滤饼，且整个过滤过程中过滤阻力不变。3. 动态过滤 前已述及，饼层过滤中，饼层不断增厚，阻力亦不断增加，在推动力（如压强差）保持不变时则过滤速率会不断变小。 为了在过滤过程中限制滤饼的增厚，Tller于1977年提出了被称为动态过滤的新过滤方式。(1) 定义: 动态过滤可描述为料浆沿过滤介质表面作高速流动，使得滤饼在剪切力的作用下不会增厚，这样就可维持较高的过滤能力。如图3-3所示P101。(2) 特点: 动态过滤中，滤液与料浆呈错流（交错流动）。 动态过滤需多耗机械能，且不能得到含量高的滤饼，操作中因料浆粘度不断增加，过大
10、的阻力可能使电机过截， 因此使用动态过滤需十分谨慎。,化工生产中使用最大的是饼层过滤，故以后只介绍饼层过滤的基本原理及计算。三. 过滤介质(1)定义: 过滤介质是一种多孔物质，它是滤饼的支承物，它应具有足够的机械强度和尽可能小的流动阻力，过滤介质的孔道直径往往会大于悬浮液中一部分颗粒的直径。(2)种类: 工业上常用的过滤介质主要有以下几类：1、织物介质，又称滤布，它由棉、毛、丝、麻等天然纤维及由各种合成纤维制成的织物，以及由玻璃丝、金属丝等织成的网。2、粒状介质：包括细纱、木炭、石棉、硅藻土等细小坚硬的颗粒状物质，多用于深床过滤。3、多孔道固体介质：它是具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶瓷，
11、多孔塑料及多孔金属制成的板式管。四. 滤饼(1) 定义: 滤饼是由被截留下来的颗粒垒积而成的固定床层，随着过滤操作的进行，滤饼的厚度与流动阻力都逐渐增加。,(2) 滤饼的种类:1.不可压缩性滤饼：构成滤饼的颗粒是不易变形的坚硬固体颗粒，颗粒结构不随操作压差的改变而变，固其单位厚度床层的流动阻力可认为是恒定的，如硅藻土，碳酸钙等。2. 可压缩性滤饼：构成滤饼的固体颗粒易变形，滤饼空隙率随操作压差的增大而变小，如AL（OH）3等。五. 助滤剂 对于可压缩性滤饼，压差增加时，饼层颗粒间的孔道会变窄，有时会因颗粒过于细密而将通道堵塞，为了避免此种情况，可将某种质地坚硬且能形成疏松床层的另一种固体颗粒预
12、先涂于过滤介质上，或者混入悬浮液中，以形成较为疏松的滤饼，使滤液得以畅流，这种物质称为助滤剂，如硅藻土等。六. 滤饼过滤物料衡算设过滤面积Am2 ，滤液Vm3 ，滤饼厚度Lm ，滤饼空隙率悬浮液(V+LA) 过滤机滤液V 滤饼LA 液体LA 固体LA(1-),设悬浮液的浓度kg固体/m3清液，固体真实密度pkg/m3=LA(1-)p/(V+LA) kg/m3清液一般VLA ，则=LA(1-)p/Vq=V/A ，单位过虑面积获得的滤液量，则=L(1-)p/q L= q/ (1-)p 3.3.2 流体通过固定颗粒床层的压降 流体通过固定颗粒床层的流动在化工生产和自然界中常见的现象。例如，过滤过程中
13、滤液通过滤饼层的流动；固定床催化反应过程中流体在固体催化剂床层中的流动以及地下水在土壤、砂层中的渗流等。 流体通过固定颗粒床层的流动，一方面使流体速度分布均匀，另一方面产生压强降（即流动阻力）。 对于过滤等操作过程而言，工程上感兴趣的是流体通过固定颗粒床层的压降，而不是速度分布。一. 流动阻力 已学流体力学知识1.定性分析: 表面摩擦力、形体阻力,2.定量计算: 直管流动方式: 范宁公式p=(l/d)(u2/2 ) 问题是：范宁方式能否适用流体通过固定颗粒床层的压降呢？二. 流体通过固定颗粒床层压降直接计算时存在的困难：弯曲变截面的网状通道 流体流道的弯弯曲曲，变截面的网状结构，由于构成颗粒层
14、的颗粒大小不均匀，形状不规则，所形成的通道是弯曲的，变截面的几何形状，而且形成纵横交错的网状结构。弯曲、变截面的网状结构成为颗粒内流体通道的特点，也是流动阻力直接计算的困难。因为用范宁方式计算时无法确定流体通过颗粒层的边界条件。 对于复杂的问题工程上常用的方法是将其简化即数学模型法。三. 数学模型法1.建立物理模型: 对该过程进行合理的物理的抽象和简化，建立物理模型，这里的物理是一个广义的概念，包括物理、化学、生物、工程等，如研究天体时将其看成一个质点。2.建立数学模型: 在物理模型的基础上进行数学的抽象与简化，用数学的方式来反映物理模型的本质，如用微分、积分、代数、函数等来反映，具体情况根据各门科学的特有的规律而定，这样建立的方程式被称为数学模型。,u1 p L 合理简化 p Le 数学描述 本质近似 u(空速) de u (空速) 实际过程 简化物理模型数学模型 模型检验 实验引入模型参数 确定参数 数学模型法3.模型的检验和模型参数的确定检验模型的合理性 一个好的数学模型通常是去掉次要矛盾而抓住了主要矛盾，形成典型化的对象，因此所建立的数学模型能在多大程度上反映事物的本质，必须接受实践的检验，即进行数学模型的求解，解答结果同实验进行对照，看是否相符，若不相符则需要修改。一个好的模型往往需要经过多次的检验和修改才能完成，甚至有时,
