非均相混合物分离

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1、1,第 3 章 非均相混合物的分离及固体流态化,3.1 概述3.2 颗粒及颗粒床层的特性3.3 沉降分离基础知识3.4 固体流态化,2,1.描述非球形颗粒的参数2.颗粒沉降阶段划分3.沉降速度（带出速度）4.固体流态化的基本概念5.流化床的主要特征6.流化床的操作范围,本章应重点掌握的内容,3,3.1 概 述 一、非均相混合物的分类 二、非均相混合物的分离方法 三、非均相混合物分离的目的,4,具有不同物理性质(如密度差别)的分散物质和连续介质所组成的物系称为非均相混合物或非均相物系。,非均相混合物,分散相或分散物质：处于分散状态的物质，如分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡。,连续相或连续介质：

2、包围分散物质且处于连续状态的物质。,一、非均相混合物的分类（p130）,5,根据连续相的状态，非均相物系分为两种类型： 气态非均相物系，如含尘气体、含雾气体等； 液态非均相物系，如悬浮液、乳浊液及泡沫液等。,机械分离方法，即利用非均相混合物中两相的物理性质（如密度、颗粒形状、尺寸等）的差异，使两相之间发生相对运动而使其分离。,二、非均相混合物的分离方法,机械分离方法,过滤,沉降,6,1. 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的过程。,沉降操作的作用力,2. 过滤 流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程。依实现过滤操作的外力不同，过滤操作又可分为,7,非均相混合物分离

3、的应用： 收集分散物质； 净化连续介质； 环境保护与安全生产。,三、非均相混合物分离的目的,8,3.2 颗粒及颗粒床层的特性,3.2.1 颗粒的特性3.2.2 颗粒床层的特性3.2.3 流体通过床层流动的压降,9,1. 球形颗粒,比表面积,体积,表面积,球形颗粒的尺寸由直径 d 确定。,3.2.1 颗粒的特性（p131）一、单一颗粒特性,m3,m2,m2 /m3,10,需要大小和形状两个参数来描述其特性。,(1) 体积当量直径 实际颗粒的体积 VP 等于当量球形颗粒的体积 V，则体积当量直径 de 定义为,(2) 球形度,颗粒的实际表面积,与该颗粒体积相等的球体的表面积, m,2. 非球形颗粒

4、,11,比表面积,体积,表面积,一、单一颗粒特性,m3,m2,m2 /m3,非球形颗粒的特性参数，即,12,工业中遇到的颗粒大多是由大小不同的粒子组成的集合体，称为非均一性粒子或多分散性粒子；而将具有同一粒径的颗粒称为单一性粒子或单分散性粒子。 1. 粒度分布 不同粒径范围内所含粒子的个数或质量，即粒径分布。,二、颗粒群的特性（p152）,2. 颗粒的平均直径,粒群的平均直径计算式为,xi悬浮物系中分散相的质量分数, m,13,由颗粒群堆积成的床层疏密程度可用空隙率来表示，其定义如下:,影响空隙率值的因素非常复杂，诸如颗粒的大小、形状、粒度分布与充填方式等。一般乱堆床层的空隙率在 0.47 0

5、.70 之间。,3.2.2 颗粒床层的特性（p153）一、床层的空隙率,14,单位床层体积具有的颗粒表面积称为床层的比表面积 ab (m2/m3)。若忽略颗粒之间接触面积的影响，则,式中 a 颗粒的比表面积，m2/m3床层的比表面积也可用颗粒的堆积密度估算，即,颗粒的堆积密度,颗粒的真实密度,二、床层的比表面积,15,床层截面上未被颗粒占据的、流体可以自由通过的面积，称为床层的自由截面面积。,3.2.3 流体通过床层流动的压降（p155）一、床层的简化模型,简化模型是将床层中不规则的通道假设成长度为 L、当量直径为 deb 的一组平行细管，并且规定： 细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积；

6、 细管的内表面积等于颗粒床层的全部表面积。,三、床层的自由截面积,16,在上述简化条件下，以 1 m3 床层体积为基准，细管的当量直径 deb可表示为床层空隙率及比表面积 ab 的函数，即,17,流体在床层内的实际流速,空塔速度,将,代入上式，得到,二、流体通过床层压降的数学描述,18,康采尼（Kozeny）方程,床层雷诺数定义,三、模型参数的实验测定（p156）,康采尼方程,适用条件：,19,当 Reb 20 时，流动基本为层流，式中等号右边第二项可忽略；当 Reb1 000 时，流动为湍流，式中等号右边第一项可忽略。,欧根（Ergun）方程,适用条件：,20,【例 3 -1】在横截面积为

7、1 m2 的固定床反应器中装填直径 d = 3 mm、高度等于直径的圆柱形催化剂 1 m3。催化剂的质量 G = 980 kg，其真密度s = 1760 kg/m3。试求(1) 催化剂的当量直径 de、球形度s、床层空隙率及 比表面积 ab ；(2) 20的空气从下向上通过催化剂层，空塔速度 u = 0.2 m/s，空气流经催化剂床层的压降 pf 。,【例3-1】,21,解：(1) 催化剂的 de 、s 、床层的及 ab,于是,22,(2) 空气流经床层的压降pf,首先计算 Reb ，判断流型，然后选用相应公式求pf,20下，空气的物性参数为 = 1.205 kg/m3 ， = 1.8110

8、-5 Pas ，则,由于 Reb 2，不宜用康采尼公式计算pf,又由于 Reb 20，用欧根公式计算pf 时，可忽略式中等号右边第二项，于是,23,在外力场作用下，利用分散相和连续相之间的密度差，使之发生相对运动而实现非均相混合物分离的操作称为沉降分离。 根据外力场的不同，沉降分离分为重力沉降和离心沉降；根据沉降过程中颗粒是否受到其他颗粒或器壁的影响而分为自由沉降和干扰沉降。,3.3 沉降分离基础知识,24,一、沉降速度,沉降颗粒的受力情况图,3.3.1 重力沉降一、沉降速度,1.球形颗粒的自由沉降（p132）,颗粒受到三个力,重力,浮力,阻力,阻力系数或曳力系数,25,分析颗粒运动情况：,加

9、速度最大,阻力,加速度,加速度=0,加速度=0,加速段,匀速段,根据牛顿第二运动定律，上述三个力的合力等于颗粒的质量m与其加速度a的乘积：,Fg Fb Fd = ma，或,26,等速阶段中颗粒相对于流体的运动速度ut称为沉降速度。由于这个速度是加速阶段终了时颗粒相对于流体的速度，故又称为“终端速度”。,沉降速度 （p133）,m/s,m/s,27,通过量纲分析可知， 是颗粒与流体相对运动时雷诺数Ret 和球形度 s 的函数，即, 随 Ret 及 s 变化的实验测定结果见下图。,2.阻力系数 ,28,关系曲线图,29,对球形颗粒,关系曲线大致可分为三个,区域：,为层流区或斯托克斯(Stokes)

10、定律区,斯托克斯公式,m/s,30,为过渡区或艾仑（Allen）定律区,为湍流区或牛顿(Newton)定律区,牛顿公式,艾仑公式,m/s,m/s,31,二、影响沉降速度的因素（p135，自学）,(1)流体的粘度,(2)颗粒的体积分数,(3)器壁效应,(4)颗粒形状的影响,提示：首先要搞清自由沉降和干扰沉降的含义,32,旋风分离器是利用惯性离心力的作用从气流中分离出尘粒的设备。,标准旋风分离器图,气体在旋风分离器内的运动情况图,3.3.2 几种除尘设备简介1.旋风分离器(应用最广的除尘设备）（p144）,33,首先根据系统的物性与任务的要求，结合各型设备的特点，选定旋风分离器的形式，而后通过计算

11、决定尺寸与个数。 旋风分离器计算的主要依据有三个方面： 含尘气的体积流量； 要求达到的分离效率； 允许的压强降。,四、旋风分离器的结构形式与选用,旋风分离器的选用,34,2.降尘室,35,3.多层降尘室,36,过滤操作动画,37,3.4.1 流态化的基本概念3.4.2 流化床的主要特征3.4.3 流化床的操作范围3.4.4 提高流化质量的措施（自学）3.4.5 气力输送简介,3.4 固体流态化（p178）,38,将大量固体颗粒悬浮于流动的流体之中，并在流体作用下使颗粒作翻滚运动，类似于液体的沸腾，故称这种状态为固体流态化。化学工业中广泛使用固体流态化技术以强化传热、传质，并实现某些化学反应、物

12、理加工乃至颗粒的输送等过程。,当一种流体自下而上流过颗粒床层时，随着流速的加大，会出现以下三种不同的情况。,稀相输送床阶段流化床阶段固定床阶段,气速增加,一、流态化现象,3.4.1 流态化的基本概念（p178）,39,不同流速时床层的变化图(a) 固定床 (b) 初始或临界流化床 (c) 散式流化床 (d) 聚式流化床 (e) 输送床,流态化现象示意图,40,散式流化,散式流化状态的特点为固体颗粒均匀地分散在流化介质中，故亦称均匀流化。当流速增大时，床层逐渐膨胀而没有气泡产生，颗粒彼此分开，颗粒间的平均距离或床层中各处的空隙率均匀增大，床层高度上升，并有一稳定的上界面。通常两相密度差小的系统趋

13、向散式流化，故大多数液固流化属于“散式流化”。,散式流化,二、两种不同流化形式,41,聚式流化,床层内分为两相:乳化相和气泡相。由于气泡在上界面处破裂，所以上界面是以某种频率上下波动的不稳定界面，床层压强降也随之作相应的波动。对于密度差较大的气固流化系统，一般趋向于形成聚式流化。,聚式流化,42,理想流化床的压强降,图 3-2 理想流化床的 p-u 关系图,3.4.2 流化床的主要特征（p180）一、恒定的压强降,43,2. 实际流化床的压强降,图 3-3 实际流化床的p-u 关系曲线,44,图3-4 气体流化床类似液体的特性,二、类似液体的特点,45,流化床中两相流动特点： 颗粒轴向混合为主

14、，系统颗粒混合均匀； 温度、浓度分布均匀，避免局部过热； 但温度、浓度均匀会使床层内传热、传质推动力下降，反应进行得不完全； 易于连续自动操作。,三、流化床中的两相流动,46,腾涌现象,图3-5 腾涌发生后p-u 关系曲线,四、流化床的不正常现象,47,2. 沟流现象,图3-6 沟流发生后p-u 关系曲线,48,要使固体颗粒床层在流化状态下操作，必须使气速高于临界流速 umf ，而最大气速又不得超过颗粒的沉降速度，以免颗粒被气流带走。,1实测法 测取流化床回到固定床的一系列压降与气体流速的对应数值。 测定时常用空气作流化介质，最后根据实际生产中的不同条件将测得的值加以校正。,3.4.3 流化床

15、的操作范围（p182）,一、临界流化速度 umf,49,可得到如下图 的曲线。,临界流化速度,50,2. 计算法混合颗粒床层的 umf 计算式（p183）,粒径较小、Rep1000时，,51,颗粒带出速度即颗粒的沉降速度 （p135 各种情况下的沉降速度公式）,二、带出速度,二、带出速度（=沉降速度）,粒度分布较均匀的混合颗粒床层的 umf 估算式,对于小颗粒,对于大颗粒,注意：上二式不能用于粒度差异悬殊的颗粒群,52,沉降速度（=带出速度）,等速阶段中颗粒相对于流体的运动速度 ut 称为沉降速度。由于这个速度是加速阶段终了时颗粒相对于流体的速度，故又称为“终端速度”。,式中 ut颗粒的自由沉降速度，m/s； d颗粒直径，m； s，分别为颗粒、流体的密度，kg/m3； g重力加速度，m/s2; 阻力系数,53,沉降速度公式汇总,m/s,斯托克斯公式,m/s,基本公式,牛顿公式,