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1、第四章 颗粒流体力学基础与机械分离第一节 流体绕过颗粒及颗粒床层的流动 第二节 颗粒在流体中的流动 第三节 固体流态化 第四节 非均相物系的分离4.1 沉降4.2 过滤概述在化工、食品生产中，经常遇到非均相混合物的分 离及流动问题，其中最常见的有：a.从含有粉尘或液滴的气体中分离出粉尘或液滴；b.从含有固体颗粒的悬浮液中分离出固体颗粒； c.流体通过由大量固体颗粒堆集而成的颗粒或床层 的流动（如过滤、离子交换器、催化反应器等）。上述过程均涉及流体相对于固体颗粒及颗粒床层流 动时的基本规律以及与之有关的非均相混合物的机械 分离问题。故本章先介绍流体绕过颗粒、颗粒床层的 流动以及颗粒在流体中的流动
2、。本章重点内容固体的流态化过程，流化床的类似液体的性质 ；流化床的类型；流化过程的阻力变化；重力沉降的基本原理，重力沉降速度的定义及 其计算，降尘室的工艺计算；离心沉降的基本原理，离心沉降速度及其计算 ，旋风分离器的特点及计算；过滤操作的基本原理，恒压过滤方程式及其应 用，过滤常数的计算方法，常用过滤机的结构、 操作及洗涤特点、相关计算。本章难点非球形颗粒的表示方法；干扰沉降速度的计算； 可压缩滤饼比阻随压强的变化；洗涤速率与过滤速率的关系。 第一节 流体绕过颗粒及颗粒床层的流动1.1 颗粒及颗粒床层的特性单颗粒的特性参数颗粒群(混合颗粒)的特性参数 颗粒床层的特性 1.2 流体与颗粒间的相对
3、运动流体绕过颗粒的流动流体通过颗粒床层的流动1.1 颗粒及颗粒床层的特性一、单个颗粒的性质表示颗粒大小的几何参数：大小（尺寸）、形状、 表面积（或比表面积）。形状规则的颗粒： 大 小：用颗粒的某一个或某几个特征尺寸表示， 如球形颗粒的大小用直径dp表示。 比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积，其单位 为m2/m3 ，对球形颗粒为：形状不规则的颗粒： (1)颗粒的形状系数：表示颗粒的形状，最常用的形状 系数是球形度s，它的定义式为 ：相同体积的不同形状颗粒中，球形颗粒的表面积最小 ，所以对非球形颗粒而言，总有 2105）=0.1二、流体通过颗粒床层的流动食品工业中，最常见的流体通过颗粒床层的流动
4、操 作有：（1）固定化酶反应：流体（如淀粉溶液等）通过 固定床反应器进行，此时组成固定床的颗粒表面载有 酶制剂；（2）过滤：悬浮液（如果汁、蔬菜汁及葡萄糖和 味精生产中的含晶液体等）的过滤，此时可将由悬浮 液中所含的固体颗粒形成的滤饼看作固定床，滤液通 过颗粒之间的空隙流动。1 .流体通过颗粒床层的流动状态流体通过固体颗粒床层时，流动情况复杂，流速分 布不均匀(与空管流动比)。流体在床层内的流动不流畅，产生的旋涡数目要比 在直径与床层相等的空管中流动时多很多。流体在固定床内的流动状态由层流转为湍流是一个 逐渐过渡的过程，没有明显的分界线，固定床内常常 会呈现某一部分流体的流动可能处于层流状态，
5、但另 一部分区域则已处于湍流状态。2. 流体通过颗粒床层的压降流体通过颗粒床层孔道时，形成阻力的曳力是由 两方面引起的： (1)粘滞力（Viscous drag force），是流体流过孔道 时因颗粒表面粘附流体所形成流体与流体间的摩擦 力，与流体的流速成正比 (2)惯性曳力(Inertia drag force)，由流动的流体冲击 颗粒形成涡流的尾涡所引起的流体压头损耗，与流 体的流速的平方(相当于流体的动压头)成正比。总阻力为两者之总和：总阻力大小体现为流体压降的大小，又因为曳力与 阻力互为作用力和反作用力，故床层的压降-p可以 用来取代总曳力FD。 规定:(1) 圆筒形床层的直径为颗粒直
6、径的10-20倍以上， 在这个条件下壁效应可以忽略。(2) 固体颗粒在床层中的堆积是均匀的，因而床层的 空隙率也是均匀的。(3) 固体颗粒是致密的，流体通过颗粒与颗粒及颗粒 与器壁的孔道流动，不包括流体通过颗粒本身的毛细 管孔隙的扩散运动。则由床层通道特性可知，流体通过具有复杂几何边界 的床层压降等同于流体通过一组当量直径为de，长度 为Le的均匀圆管（即毛细管）的压降。故有若u为流体的空管流速，通过床层孔道的实际流速 ue为：ue=u/康采尼方程:仅适用于低雷诺数(Re)e500时，为明显而稳定的湍流；q当1100d时，器壁效应可忽略。 (3) 颗粒形状影响 颗颗粒形状与球形间间的差异程度可
7、用形状系数,即球 形度S表征。s=s/sp s：球体表面积，m2；sp：颗粒的表面积，m2 S, 非球形颗粒与球形的差异越大, ut 非球形颗粒的Ret中的dp用当量直径de：也可将当量直径作为非球形粒子的直径，按球形粒 子的计算方法求得沉降速度后再乘以一校正系数p ， 即 ut =p ut (4) 干扰沉降干扰沉降：当颗粒的浓度较高时，颗粒的沉降会受 到其它颗粒的影响。 若颗粒的直径与容器的直径比小于1:200, 或颗粒 的Vol浓度小于0.2 %时，沉降速度理论计算值的偏差 小于1% , 可视为自由沉降。用下述安特里斯公式对沉降速度作修正，可得到实 际沉降速度：式中为悬浮液的体积分数。 (5) 液滴或气泡沉降当分散相也是流体时，其粒子可不再视为刚体。这 种运动的特点在于液滴或气泡内部产生了环流。层 流时液滴的实际沉降速度为：式中i为分散相的粘度，0为连续相的粘度。
