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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