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1、第四章 颗粒与流体之间的相对流动第一节 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。1.1 颗粒及颗粒床层的特性一、单个颗粒的性质形状规则的颗粒： 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
2、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：第一节 流体绕过颗粒及颗粒床层的流动形状不规则的颗粒： (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 )图中曲线大致可分为三个区域，各区域的曲线可分别用不同的计算式表示为（球形颗粒）：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、
3、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，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 dra
4、g force） (2)惯性曳力(Inertia drag force)总阻力为两者之总和：规定:(1) 圆筒形床层的直径为颗粒直径的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
5、500时，为明显而稳定的湍流；q当11000的情况，可只考虑因局部阻力而造成 的动能损失。对于球形颗粒，有mf=0.4，s=1.0，以上计算可进一步化简。对于其它许多系统，发现存在以下关系：对于小颗粒对于大颗粒(二) 带出速度颗粒带出速度即为颗粒的沉降速度，计算同前，即：注意：计算umf时要用实际存在于床层中不同粒度颗粒的平均直径de，而计算ut时则必须用相当数量的最小颗粒的直径。(三)流化床的操作范围流化床的操作范围即为空塔-截面速度的上下限，用比值ut/umf的大小来衡量，称流化数。对于细颗粒，ut/umf=91.6 大颗粒，ut/umf= 8.61 由此可以看出，细颗粒流化床较粗颗粒床有
6、更宽的流速操作范围。不同的生产工艺过程中，流化数可在很大的幅度上变化，有些流化床的流化数可高达数百，远远超过上述 的最高理论值。六、流化床的主要特点(一) 流化床中的两相流动床内各处温度或浓度均匀一致，避免局部过热。但传热、传质推动力下降。原因:在同一截面各处流体速度不完全相同，颗粒总是上下作往复循环运动；同时还作杂乱无章的不规则运动。流化床内部分流体也有相应的循环和混合现象。 (二) 流化床有类似液体的特点流化床具有类似液体的流动性，故使操作易于实现连续化与自动化。(三) 流化床的不正常现象1、节涌现象(腾涌现象)床高：床径的比值（长径比）过大（床层为细长形），或气速过高时导致小气泡合并成大
7、气泡的现象；当气泡直径=床层直径时，则床层被形成相互间隔的气泡与颗粒层；颗粒层被气泡向上推动，到达上部后气泡崩裂，而颗粒又分散下落，这种现象称为节涌现象。如图示：出现节涌现象时，由于颗粒层与器壁的摩擦造成压强降大于理论值，而在气泡破裂值又低于理论值，因而 p u图上表现为p在理论值附近作大幅度的波动，如图所示：床层发生节涌现象时，气固两相接触不良，且使容器受颗粒磨损加剧，同时引起设备振动。防止节涌现象的措施：实际操作中应采用适宜的床层高度/床径之比值，以及适宜的操作气速。2、沟流现象在大直径床层中，由于颗粒堆积不匀或气体初始分布不良， 可在床内局部地方形成沟流。沟流现象的出现主要与颗粒的 特性
8、和气体分布板有关。颗粒过细、密度过大，易于粘结的 颗粒，以及气体在分布板的初始分布不均匀，都宜引起沟流 。沟流现象(四) 利用流化现象判断颗粒尺寸流化质量：是指流化床中流体分布与流固接触的均匀程度。能够进行良好流化的颗粒尺寸在20500m范围内。粒径小于20 m时，极易形成沟流和死床难于流化。粒径大于500 m的极粗颗粒，流化时床层极不稳定。粒径在20100m的细颗粒开始时为散式流化，气速加大到某值后出现气泡变为聚式流化。80500m的粗颗粒开始不出现散式流化，而出现气泡。所以用流化现象可粗略估计颗粒尺寸。p均相物系(honogeneous system): 均相混合物。物系内部各处均匀且无相
9、界面。如溶液和混合气体都是均相物系。自然界的混合物分为两大类：p非均相物系(non-honogeneous system): 非均相混合物。物系内部有隔开不同相的界面存在，且界面两侧的物料性质 有显著差异。如：悬浮液、乳浊液、泡沫液属于液态非均相物 系，含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。第四节 非均相混合物的分离p分散相： 分散物质。在非均相物系中，处于分散状态的物质。p连续相： 分散介质。包围着分散物质而处于连续状态的流体。非均相物系由分散相和连续相组成例如:悬浮在空气中的粉尘 连续相 分散相 由于非均相物的两相间的密度等物理特性差异较大，因此常采用机械方法进行分离。按两相运动方式的不同
10、，机械分离大致分为沉降和过滤两种操作。p非均相物系的分离方法：p非均相物系分离的理论基础：要实现分离，必须使分散相和连续相之间发生相对运动。因此，非均相物系的分离操作遵循流体力学的基本规律。p 定义：p沉降力场：重力、离心力。在某种力场的作用下，利用分散物质与分散介质的密度差异，使之发生相对运动而分离的单元操作。p 沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。4.1 沉降重力沉降的应用p依靠颗粒本身重力的沉降。常用于直径0.1 mm以上的颗粒，它的应用主要在以下几个方面：1）气体的除尘(Dust elimination/removal）2)悬浮液的增稠(Thickening)3)固体物料的分级(Sizi
11、ng/Size grading/sorting)从沉降速度公式可以得出，同一物料不同直径的颗粒 ，在沉降时ut1/ut2=( dp1/ dp2)0.52根据沉降速度不同，可 以对直径不同的物料予 以分级。如图4-36，在 缓慢水流中，不同直径 的颗粒将在不同的位置 沉降下来。图4-36 沉降分级示意图4)固体物料的分类 (Sorting)相同直径不同物料的颗粒沉降时，从沉降速度公式可得:同样，根据沉降速度的不同，可以将密度不同的物料分离， 这也是水力选矿的原理。2 重力沉降速度的计算颗粒在重力场中沉降可只考虑恒速段，这个恒定的速度就是颗粒在重力场中运动的终端速度，称为沉降速度。(1) 单个球形
12、颗粒的自由沉降自由沉降：颗粒的沉降速度不受器壁及其他颗粒的影响的沉降。以光滑球形颗粒在静止流体中沉降为例，可推导沉降速度为：将不同流动区域的阻力系数分别代入上式，得球形颗粒在各 区相应的沉降速度分别为：层流区（Re5m的尘粒。对于颗粒含量高于200g/m3的气体，也可除去3m以上的尘粒。不适用于处理粘性大、含湿量高的腐蚀性的粉尘。(2) 旋风分离器的性能 临界粒径dc dc:指理论上能完全被分离下来的最小颗粒直径，它是判断分离效率高低的重要依据。一般旋风分离器以圆筒直径D为参数，其它尺寸都与D成一定比例。通常B=D/4，Ddc分离效率。 Ne一般为0.53.0，标准系列旋风分离器Ne=5。 注
13、意用该公式计算出的dc值与实际情况偏差大。 分离效率总效率：指进入旋风分离器的全部颗粒中被分离下来的质量分率。C1：进气含尘浓度，g/m3；C2：出气含尘浓度，g/m3；分效率（粒级效率）粒级效率:按各种粒度分别表明其被分离下来的质量分率。C1i ：进口气体中粒径在第i小段范围内的颗粒浓度，kg/m3；C2i ：出口气体中粒径在第i小段范围内的颗粒浓度，kg/m3；粒级效率p与颗粒直径di的对应关系可用曲线表示，称为粒级效率曲线。理论上，凡直径大于dc的颗粒，其粒级效率都应等于100%，小于dc的颗粒效率为零。如图示：实测粒级效率曲线却是一条曲线，小于dc的颗粒也有可观的分离效果，而大于dc的
14、颗粒还有部分未分离下来。为什么？靠近壁面的小颗粒，所需沉降时间短；小颗粒在器内聚结成为大颗粒，因而有较大的沉降速度；大颗粒可能受气体涡流影响未到达器壁。或者沉降后又被气流重新卷起而带走。总效率与粒级效 率的关系：xi：i粒级所占质量% 压强降评价旋风分离器的一个重要性能指标，它是决定分离过程 的能耗和合理选择风机的依据。P:表示为与进口气体动能成正比。 ：阻力系数，标准型 =8.0(实测)双联四联用若干个小旋风分离器并来代替一个大旋风分离器，可以提高分离效率。(4) 常用旋风分离器的型式 常用型式：标准型、CLT、CLT/A、CLP等。倾斜螺 旋面进 口，减 小涡流 影响。 气流阻 力系数 较
15、低， =5 5.5带有旁 室结构 ，蜗壳 式进气 口，可 聚结被 上旋流 带到顶 部的细 粒。 =4.8 5.8结构上小 下大，下 设挡灰盘 ，可有效 防止已沉 降的细粒 被重新卷 起。CLT/A型CLT型扩散型过滤介质: 过滤采用的多孔物质；滤浆: 所处理的悬浮液；滤液: 通过多孔通道的液体；滤饼或滤渣: 被截留的固体物质。以某种多孔物质为介质，在外力的作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的单元操作。第四节 过 滤一、过滤操作的基本概念 1 过滤(filtration) 滤浆(slurry)： 原悬浮液。滤饼(filter cake)： 截留的固
16、体物质。过滤介质(filtering medium)： 多孔物质。滤液(filterate)： 通过多孔通道的液体。过滤操作示意图(滤饼过滤)2.1 滤饼过滤(cake filtration)：饼层过滤滤饼过滤过程： 刚开始：有细小颗粒通过孔道，滤液混浊。 开始后：迅速发生“架桥现象”，颗粒被拦截，滤液澄清。 所以，在滤饼过滤时真正起过滤作用的是滤饼本身，而非过 滤介质。2 过滤方式过滤的操作基本方式有两种：滤饼过滤和深层过滤 架桥现象注意：所选过滤介质的孔道尺寸一定要使“架桥现象”能够过 发生。饼层过滤适于处理固体含量较高的悬浮液。特点：颗粒(粒子)沉积于介质内部。深层过滤过滤对象：悬浮液中的固体颗粒小而少。过滤介质：堆积较厚的粒状床层。过滤
