第三章机械分离与固体流态化

1、第三章第三章 机械分离与固体流态化机械分离与固体流态化第一节第一节 颗粒及颗粒床层特性颗粒及颗粒床层特性第二节第二节 过滤过滤第三节第三节 沉降沉降第四节第四节 固体流态化固体流态化在化工生产中，经常遇到非均相混合物的分离及流动在化工生产中，经常遇到非均相混合物的分离及流动问题：问题： a.a.从含有粉尘或液滴的气体中分离出粉尘或液滴；从含有粉尘或液滴的气体中分离出粉尘或液滴； b. b.从含有固体颗粒的悬浮液中分离出固体颗粒；从含有固体颗粒的悬浮液中分离出固体颗粒； c. 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

2、换器、催化反应器等）。过滤、离子交换器、催化反应器等）。上述过程均涉及上述过程均涉及流体相对于固体颗粒及颗粒床层流动流体相对于固体颗粒及颗粒床层流动时的基本规律时的基本规律以及与之有关的以及与之有关的非均相混合物的机械分非均相混合物的机械分离问题离问题。故本章先介绍。故本章先介绍流体绕过颗粒、颗粒床层的流流体绕过颗粒、颗粒床层的流动以及颗粒在流体中的流动动以及颗粒在流体中的流动。本章重点内容本章重点内容过滤操作的基本原理，恒压过滤方程式及其应用，过滤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、操作及洗涤特点常数的计算方法，常用过滤机的结构、操作及洗涤特点、

3、相关计算；、相关计算；重力沉降的基本原理，重力沉降速度的定义及其计算，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；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；离器的特点及计算；固体的流态化过程，流化床的类似液体的性质；流化过固体的流态化过程，流化床的类似液体的性质；流化过程的阻力变化。程的阻力变化。本章难点本章难点非球形颗粒的表示方法；非球形颗粒的表示方法；洗涤速率与过滤速率的关系；洗涤速率与过滤速率的关系； 可压缩滤饼比阻随压强的变化；可压缩滤饼比阻随压强的变化；干扰沉降速度的计算。

4、干扰沉降速度的计算。 第一节第一节 颗粒及颗粒床层特性颗粒及颗粒床层特性1.1 1.1 颗粒及颗粒床层的特性颗粒及颗粒床层的特性单颗粒的特性参数单颗粒的特性参数颗粒群颗粒群( (混合颗粒混合颗粒) )的特性参数的特性参数 颗粒床层的特性颗粒床层的特性1.2 1.2 流体与颗粒间的相对运动流体与颗粒间的相对运动流体绕过颗粒的流动流体绕过颗粒的流动流体通过颗粒床层的流动流体通过颗粒床层的流动颗粒在流体中的流动颗粒在流体中的流动1.1 颗粒及颗粒床层的特性颗粒及颗粒床层的特性(P94)一、单个颗粒的性质一、单个颗粒的性质形状规则的颗粒：形状规则的颗粒： 大大 小：用颗粒的某一个或某几个特征尺寸表示，

5、如球小：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形颗粒的大小用直径d dp p表示。表示。 比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积，其单位为比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积，其单位为m m2 2/m/m3 3 ，对球形颗粒为：，对球形颗粒为：pppdddVSa66/32球形状不规则的颗粒：形状不规则的颗粒：(1)(1)颗粒的形状系数：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表示颗粒的形状，最常用的形状系数是球形度s s，它的定义式为，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，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

6、颗粒而言，总有所以对非球形颗粒而言，总有1。当然，对于球形颗粒，。当然，对于球形颗粒，=1。非球形颗粒的表面积的球的表面积与非球形颗粒体积相等 s (2) 颗粒的当量直径：颗粒的当量直径：b.等比表面积当量直径等比表面积当量直径dea将比表面积等于颗粒比表面积的将比表面积等于颗粒比表面积的球形颗粒的直径定义为非球形颗球形颗粒的直径定义为非球形颗粒的等比表面积当量直径。粒的等比表面积当量直径。3/16）（VdevSVadea66对于非球形颗粒，若体积当量直径为对于非球形颗粒，若体积当量直径为d de e: :esseedadSdV6,623比表面积表面积体积a.等体积当量直径等体积当量直径dev

7、: 与非球形颗与非球形颗粒等体积的球形颗粒的直径定义为粒等体积的球形颗粒的直径定义为非球形颗粒的等体积当量直径。非球形颗粒的等体积当量直径。二、颗粒群的特性参数二、颗粒群的特性参数 v粒度分布粒度分布(Particle size distributions)： 任何颗粒群中，粒度任何颗粒群中，粒度大小不等的颗粒所形成的一定尺寸分布。大小不等的颗粒所形成的一定尺寸分布。v粒度分布测定方法粒度分布测定方法：常用筛分法，再求其相应的平均特性：常用筛分法，再求其相应的平均特性参数。参数。v颗粒粒度颗粒粒度(Particle size)测量的方法测量的方法筛分法筛分法(Sieve method)显微镜法

8、显微镜法(Microscopic method)、沉降法沉降法(Sedimentation)、电阻变化法电阻变化法(Measuring resistance strain/variance)、光散射与衍射法光散射与衍射法 (Light attenuation and diffractometry)、表面积法表面积法(Specific surface method)等等。等等。注：注：上述方法基于不同的原理，适用于不同的粒径范围，所得上述方法基于不同的原理，适用于不同的粒径范围，所得的结果也往往略有不同的结果也往往略有不同(1) 颗粒的筛分尺寸颗粒的筛分尺寸 对于工业上常见的对于工业上常见的中等

9、大中等大小小的混合颗粒，一般采用一套的混合颗粒，一般采用一套标准筛进行测量，这种方法称标准筛进行测量，这种方法称为为筛分筛分。 将筛分所得结果在表或图上表示，直观地可表示出颗粒群将筛分所得结果在表或图上表示，直观地可表示出颗粒群的粒径分布的粒径分布:用用表格表格表示：筛孔尺寸表示：筛孔尺寸每层筛上颗粒质量。每层筛上颗粒质量。用用图表示图表示：各层筛网上颗粒的筛分尺寸：各层筛网上颗粒的筛分尺寸质量分率（见上图质量分率（见上图)颗粒的筛分尺寸颗粒的筛分尺寸质量分率质量分率(2)颗粒群的平均特性参数颗粒群的平均特性参数颗粒群的平均粒径有不同的表示法，常用颗粒群的平均粒径有不同的表示法，常用等比表面积

10、当量等比表面积当量直径直径来表示颗粒的平均直径，则混合颗粒的平均比表面积来表示颗粒的平均直径，则混合颗粒的平均比表面积am为：为：由此可得颗粒群的比表面积平均当量直径由此可得颗粒群的比表面积平均当量直径dam 为：为： ai第第i层筛网上颗粒的比表面积，层筛网上颗粒的比表面积， m2/m3 ； xi第第i层筛网上颗粒的质量分率；层筛网上颗粒的质量分率； am混合颗粒的平均比表面积，混合颗粒的平均比表面积， m2/m3 ； dai混合颗粒中各种尺寸颗粒的等比表面积当量直径，混合颗粒中各种尺寸颗粒的等比表面积当量直径，m。三、三、颗粒床层的特性颗粒床层的特性 (P98)(1)床层的空隙率床层的空隙

11、率:单位体积颗粒床层中空隙的体积（单位体积颗粒床层中空隙的体积（），即：，即：是颗粒床层的一个重要特性，它反映了床层中颗粒堆集的紧是颗粒床层的一个重要特性，它反映了床层中颗粒堆集的紧密程度，其大小与颗粒的形状、粒度分布、装填方法、床层直密程度，其大小与颗粒的形状、粒度分布、装填方法、床层直径、所处的位置等有关。径、所处的位置等有关。一般颗粒床层的空隙率为一般颗粒床层的空隙率为0.470.7。测量测量的方法：充水法和称量法。的方法：充水法和称量法。(2)床层的比表面积床层的比表面积单位体积床层中颗粒的表面积称为床层的比表面积。单位体积床层中颗粒的表面积称为床层的比表面积。aab 1影响影响b的主

12、要因素：颗粒尺寸。一般颗粒尺寸越小，的主要因素：颗粒尺寸。一般颗粒尺寸越小，b越大。越大。(3) 床层的自由截面积床层的自由截面积床层中某一床层截面上空隙所占的截面积与床层截面积的比床层中某一床层截面上空隙所占的截面积与床层截面积的比值称为床层的自由截面积，即：值称为床层的自由截面积，即：(4) (4) 床层的各向同性床层的各向同性对于乱堆的颗粒床层，颗粒的定位是随机的，所以堆成的床对于乱堆的颗粒床层，颗粒的定位是随机的，所以堆成的床层可认为各向同性，即从各个方位看，颗粒的堆积都是相同层可认为各向同性，即从各个方位看，颗粒的堆积都是相同的。的。各向同性床层的一个重要特各向同性床层的一个重要特点

13、：点：床层截面积上可供流体床层截面积上可供流体通过的自由截面通过的自由截面(空隙截面空隙截面)与床层截面之比在数值上等与床层截面之比在数值上等于空隙率于空隙率。(5)5)床层通道特性床层通道特性固体颗粒堆积形成的孔道的形状是不规则的、细小曲折的。固体颗粒堆积形成的孔道的形状是不规则的、细小曲折的。许多研究者将孔道视作流道，并将其简化成长度为许多研究者将孔道视作流道，并将其简化成长度为L Le e的一组的一组平行细管，并规定：（平行细管，并规定：（1 1）细管的内表面积等于床层颗粒的）细管的内表面积等于床层颗粒的全部表面；（全部表面；（2 2）细管的全部流动等于颗粒床层的空隙容积）细管的全部流动

14、等于颗粒床层的空隙容积。则这些虚拟细管的当量直径。则这些虚拟细管的当量直径d de e为为: :流体流动湿润的周边流道的截面积4edade)1 (4影响床层通道特性的因素：影响床层通道特性的因素：与床层颗粒的特性有关。与床层颗粒的特性有关。颗粒的粒度：颗粒的粒度： 粒度愈小则所形成的通道数目愈多，通道截面积也愈小；粒度愈小则所形成的通道数目愈多，通道截面积也愈小；粒度分布的均匀性和颗粒表面状况：粒度分布的均匀性和颗粒表面状况： 粒度分布愈不均匀和表面愈粗糙的颗粒所形成的通道就愈粒度分布愈不均匀和表面愈粗糙的颗粒所形成的通道就愈不规则，不规则，计算流体流动时应折算成当量直径计算流体流动时应折算成

15、当量直径(也称为水力直也称为水力直径径)。1.21.2 流体与颗粒间的相对运动流体与颗粒间的相对运动一、流体绕过颗粒的流动一、流体绕过颗粒的流动( (一一) ) 流体绕颗粒的流动状态流体绕颗粒的流动状态(1) 理想流体绕流理想流体绕流(2) 实际流体绕流实际流体绕流图图4-4 流体绕球形颗粒的流动流体绕球形颗粒的流动(二二) 流体绕颗粒流动时的作用力流体绕颗粒流动时的作用力 在流体与颗粒组成的非均相物系中，流体与颗粒间的相在流体与颗粒组成的非均相物系中，流体与颗粒间的相对运动有三种：对运动有三种： a.a.流体流过静止颗粒表面；流体流过静止颗粒表面；b.b.颗粒在静止流体中运动；颗粒在静止流体

16、中运动；c.c.流体与颗粒均处于运动状态流体与颗粒均处于运动状态，但二者之间维持一定的相对，但二者之间维持一定的相对速度。速度。 就流体对颗粒的作用力而言，只要相对运动速度相同，就流体对颗粒的作用力而言，只要相对运动速度相同，上述三者之间并无本质区别。可假设颗粒静止，流体以一定上述三者之间并无本质区别。可假设颗粒静止，流体以一定的速度对之作绕流；或流体静止，颗粒在流体中运动，分析的速度对之作绕流；或流体静止，颗粒在流体中运动，分析流体对颗粒的作用力。流体对颗粒的作用力。(1)(1)曳力曳力 当流体以一定速度绕过颗粒流动当流体以一定速度绕过颗粒流动时，将流体作用于颗粒上的力称为时，将流体作用于颗

17、粒上的力称为曳力曳力，而将颗粒作用于流体上的力，而将颗粒作用于流体上的力称为称为阻力阻力。 一般，总曳力由形体曳力和表面一般，总曳力由形体曳力和表面曳力两部分组成。曳力两部分组成。 工程上大都将工程上大都将形体曳力形体曳力和和表面曳力表面曳力合在一起，即研究总合在一起，即研究总曳力，并用下式表示：曳力，并用下式表示：22uAFpD(3.3.3)(3.3.3)n曳力与阻力的关系？曳力与阻力的关系？n形体曳力和表面曳力的影响因素各是什么？形体曳力和表面曳力的影响因素各是什么？n答：当流体以一定速度绕过颗粒流动时，流体与颗粒之间答：当流体以一定速度绕过颗粒流动时，流体与颗粒之间产生一对大小相等、方向

18、相反的作用力，我们将流体作用产生一对大小相等、方向相反的作用力，我们将流体作用于颗粒上的力称为曳力，而将颗粒作用于流体上的力称为于颗粒上的力称为曳力，而将颗粒作用于流体上的力称为阻力。阻力。 n 答：组成总曳力的两部分力中，答：组成总曳力的两部分力中， 为压力改变所导致的曳力，主要取决于颗粒的形状和位向，为压力改变所导致的曳力，主要取决于颗粒的形状和位向，称为称为形体曳力；而；而 n则是由于流体和颗粒表面的摩擦所导致的曳力，主要由颗则是由于流体和颗粒表面的摩擦所导致的曳力，主要由颗粒表面积的大小决定，称为粒表面积的大小决定，称为表面曳力。 dAsin(2) (2) 曳力系数曳力系数流体沿一定方

19、位绕过形状一定的颗粒时，影响曳力的因素可表示流体沿一定方位绕过形状一定的颗粒时，影响曳力的因素可表示为：为：),(uLfFD其中其中 L L为颗粒的特征尺寸，对于光滑球体，为颗粒的特征尺寸，对于光滑球体，L L 即为颗粒的直即为颗粒的直径径d dp p。应用因次分析可以得出关系式：。应用因次分析可以得出关系式：)(Rep修正雷诺数的定义为：修正雷诺数的定义为： udppRe注意注意: 此式中此式中dp为颗粒直径（对非球形颗粒而言，则取等体为颗粒直径（对非球形颗粒而言，则取等体积球形颗粒的当量直径），积球形颗粒的当量直径），、为流体的物性。为流体的物性。-Rep间的关系，经实验测定如图间的关系，

20、经实验测定如图4-6所示所示 . .(P115)图4-6 流体绕固体颗粒流动时- Rep关系图中球形颗粒（图中球形颗粒（S S=1=1）的曲线，在不同雷诺数范围内可用公）的曲线，在不同雷诺数范围内可用公式表示如下：式表示如下： (1) (1) 滞流区（滞流区（ReRep p 1 1）：）：(2) (2) 过渡区（过渡区（1 Re1 Rep p 500 500）：）：pRe246 . 0Re5 .18p(3) (3) 湍流区（湍流区（500 Re500 Rep p 2 2 210105 5） =0.1=0.1二、流体通过颗粒床层的流动二、流体通过颗粒床层的流动(P99) 食品工业中，最常见的流体

21、通过颗粒床层的流动操作有：食品工业中，最常见的流体通过颗粒床层的流动操作有： （1 1）固定化酶反应：固定化酶反应：流体（如淀粉溶液等）通过固定床反流体（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；应器进行，此时组成固定床的颗粒表面载有酶制剂； （2 2）过滤：过滤：悬浮液（如果汁、蔬菜汁及葡萄糖和味精生产悬浮液（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。流动。1 .1 .

22、流体通过颗粒床层的流动状态流体通过颗粒床层的流动状态流体通过固体颗粒床层时，流体通过固体颗粒床层时，流动情况复杂，流速分布不均流动情况复杂，流速分布不均匀匀( (与空管流动比与空管流动比) )。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。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

23、区域则已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。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：起的：(1)粘滞力粘滞力（Viscous drag force），是流体流过孔道时因颗粒），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速成正比(2)惯性曳力惯性曳力(Inertia drag force)，由流动的流体冲击颗粒形成，由流动的流体冲击颗粒形成涡流的尾涡所引

24、起的流体压头损耗，与流体的流速的平方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相当于流体的动压头)成正比。成正比。总阻力为两者之总和：总阻力为两者之总和：221ukdukFR规定规定: : ( (1) 1) 圆筒形床层的直径为颗粒直径的圆筒形床层的直径为颗粒直径的10-2010-20倍以上，在这个倍以上，在这个 条件下壁效应可以忽略。条件下壁效应可以忽略。 (2) (2) 固体颗粒在床层中的堆积是均匀的，因而床层的空隙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。率也是均匀的。 (3) (3) 固体颗粒是致密的，流体通过颗粒与颗粒及颗粒与器固体颗粒是

25、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。隙的扩散运动。 总阻力大小体现为流体压降的大小，又曳力与阻力互为作用总阻力大小体现为流体压降的大小，又曳力与阻力互为作用力和反作用力，故床层的压降力和反作用力，故床层的压降-p可以用来取代总曳力可以用来取代总曳力FR。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降等同于流体通过一组当量直径为de，长度为，长度为Le的均匀圆管（的均匀圆管（即毛细管）的压降。故

26、有即毛细管）的压降。故有若若u u为流体的空管流速，通过床层孔道的实际流速为流体的空管流速，通过床层孔道的实际流速 u ue e为：为： u ue e=u/=u/康采尼方程康采尼方程: :22eeefudLphLuaKp3221仅适用于低雷诺数仅适用于低雷诺数(Re)e2欧根方程欧根方程 :(P100):(P100)应用于较宽的应用于较宽的(Re)(Re)e e范围范围 欧根方程的误差约为欧根方程的误差约为25%，适用于各种流动条件下的阻，适用于各种流动条件下的阻力计算力计算,但不适用于细长物体及环状填料。但不适用于细长物体及环状填料。康采尼或欧根公式可知，床层压降受以下因素的影响：操康采尼或

27、欧根公式可知，床层压降受以下因素的影响：操作变量作变量u、流体物性、流体物性和和以及床层特性以及床层特性和和a，其中受，其中受的影的影响最大。因此，设计计算时空隙率响最大。因此，设计计算时空隙率的选取应相当慎重。的选取应相当慎重。三三. . 颗粒在流体中的流动颗粒在流体中的流动1. 固体颗粒沉降过程的作用力固体颗粒沉降过程的作用力2. 固体颗粒的沉降形态固体颗粒的沉降形态3. 固体颗粒的沉降速度固体颗粒的沉降速度自由沉降速度的计算自由沉降速度的计算影响沉降速度的因素影响沉降速度的因素实际沉降速度实际沉降速度简简 述述 颗粒在流体中的流动，较常见的有：颗粒在流体中的流动，较常见的有： (1) 沉

28、降沉降（Sedimentation）非均相固体物料分级非均相固体物料分级(Sizing)(沉降时因颗粒大小不同而分级沉降时因颗粒大小不同而分级) 非均相固体物料分类非均相固体物料分类( Classification/Sorting)(沉降时因颗沉降时因颗粒比重不同而分类粒比重不同而分类)悬浮液的液固分离悬浮液的液固分离(包括离心分离包括离心分离(Centrifugal separation)气固物系的分离气固物系的分离(包括旋风分离包括旋风分离(Cyclone separation) (2) 流化输送流化输送1.1.固体颗粒沉降过程的作用力固体颗粒沉降过程的作用力(P114)(P114)固体颗

29、粒沉降时，起重要作用的特征数仍是雷诺数。固体颗粒沉降时，起重要作用的特征数仍是雷诺数。静止或流速很慢的流体中，固体颗粒在重力（或离心力）作静止或流速很慢的流体中，固体颗粒在重力（或离心力）作用下作沉降运动。此时颗粒的受到以下三方面的作用力用下作沉降运动。此时颗粒的受到以下三方面的作用力: (1) 场力场力F重力场重力场 Fg = mg离心力场离心力场 Fc = mr2 式中：式中：r颗粒作圆周运动的旋转半径；颗粒作圆周运动的旋转半径； 颗粒的旋转角速度；颗粒的旋转角速度； m颗粒的质量，对球形颗粒颗粒的质量，对球形颗粒m=dp3p /6。(2) (2) 浮力浮力F Fb b 设流体的密度为设流

30、体的密度为，则有，则有重力场重力场 F Fb b=gm/=gm/p p 离心力场离心力场 F Fb b= r= r2 2m/m/p p (3) (3) 曳力曳力F FD D固体颗粒在流体中相对运动时所产生固体颗粒在流体中相对运动时所产生的阻力。的阻力。22uAFD式中：式中：A-颗粒在垂直于其运动方向的平面上的投影面积，颗粒在垂直于其运动方向的平面上的投影面积，m2 -阻力系数，无因次；阻力系数，无因次； u-颗粒相对于流体的降落速度；颗粒相对于流体的降落速度； 2 2 固体颗粒的沉降形态固体颗粒的沉降形态两种沉降形态两种沉降形态:滞流和湍流。滞流和湍流。 圆球颗粒直径不大并以极慢的速度沉降时

31、，流体成为一层一圆球颗粒直径不大并以极慢的速度沉降时，流体成为一层一层地绕过物体，为层地绕过物体，为滞流沉降滞流沉降。当固体的沉降速度较大时，圆当固体的沉降速度较大时，圆球颗粒背部出现尾迹，产生边球颗粒背部出现尾迹，产生边界层分离，在球体后面和周围界层分离，在球体后面和周围形成大量漩涡，为形成大量漩涡，为湍流沉降湍流沉降。衡量固体颗粒沉降的流动形态的依据也是雷诺数。衡量固体颗粒沉降的流动形态的依据也是雷诺数。用雷诺数判别沉降的流动形态时，对于球形颗粒的沉降，用雷诺数判别沉降的流动形态时，对于球形颗粒的沉降，q当当ReRet t 1 500500时，为明显而稳定的湍流；时，为明显而稳定的湍流；q

32、当当1 Re1 Ret t 500 500时，为过渡形态时，为过渡形态tptudReut:颗粒沉降速度颗粒沉降速度3 3 固体颗粒的沉降速度固体颗粒的沉降速度( (一一) ) 颗粒的自由沉降速度颗粒的自由沉降速度u重力重力 Fg阻力阻力 Fd浮力浮力 Fb2422udFpdgdFppg36gdFpb36 p p为颗粒密度为颗粒密度ddumFFFdbg243)(udgddupppp根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为: 随着颗粒向下沉降，随着颗粒向下沉降，u逐渐增大，逐渐增大，du/d逐渐减少。逐渐减少。 当当u增到一定数值增到一定

33、数值ui时，时， du/d =0。颗粒开始作匀速沉降运动。颗粒开始作匀速沉降运动。3)(4pptgdu上式表明：上式表明：颗粒的沉降过程分为两个阶段：颗粒的沉降过程分为两个阶段：沉降速度沉降速度（Settling/Falling velocity），也称为终端速度也称为终端速度（Terminal velocity），以），以ut表示表示 当当du/d =0时，令时，令u= ut，则可得沉降速度计算式，则可得沉降速度计算式加速阶段加速阶段(Accelerating settling stage) ；匀速阶段匀速阶段(Uniform settling stage) 。对球形颗粒，加速度为零时，对球

34、形颗粒，加速度为零时，34gduppt应用该式时应具备应用该式时应具备两个条件两个条件：q容器的尺寸要远远大于颗粒的尺寸，因器壁会对颗粒的沉容器的尺寸要远远大于颗粒的尺寸，因器壁会对颗粒的沉降有阻滞作用；降有阻滞作用；q颗粒不可过分细微，因细微颗粒易发生布朗运动。颗粒不可过分细微，因细微颗粒易发生布朗运动。由于该式的推导限于自由沉降（由于该式的推导限于自由沉降（Free settlingFree settling），即，任），即，任一颗粒的沉降不受流体中其他颗粒干扰。一颗粒的沉降不受流体中其他颗粒干扰。 假设流体流动类型；假设流体流动类型； 计算沉降速度；计算沉降速度； 计算计算ReRe，验证

35、与假设是否相符；，验证与假设是否相符； 如果不相符，则转如果不相符，则转。如果相符，。如果相符，OK !OK !1. 试差法。常采用试差法。常采用沉降速度的求法：沉降速度的求法： 例如例如: :欲求欲求ut? Ret?=dtut/。用试差求用试差求! ! 对于小颗粒，假设对于小颗粒，假设Ret 1，用用stocksstocks公式求公式求ut，校核校核Ret=dtut/是否小于是否小于1。 符合，则假设成立，符合，则假设成立， ut为所求；为所求； 不符合，重新假设。不符合，重新假设。P116P116 (1) (1)滞流区（斯托克斯定滞流区（斯托克斯定律区，律区，1010-4-4ReRet t

36、11） =24/Re=24/Ret t (2)(2)过渡区（艾伦区，过渡区（艾伦区，1Re1Ret t10103 3） =18.5/=18.5/（ReRet t0.60.6） gd.uppt）（ 741756040611540 .p.ptgd.u ）（(3)(3)湍流区（牛顿定律区，湍流区（牛顿定律区，500Ret2500Ret210105 5） =0.44 =0.4418)(2gduppt2.2.摩擦数群法摩擦数群法( (图解法图解法) )22222Retptud又两式相乘，消去两式相乘，消去ut，即，即23434tsppstugddgu23234Regdstpp32)(gdKp令3234R

37、eKt因为因为 一一对应，对于非球形颗粒一一对应，对于非球形颗粒一定，一定， 亦一一对应，所以亦一一对应，所以 必亦一一对应。必亦一一对应。在在 坐标上标绘出曲线，由坐标上标绘出曲线，由 计算值找到曲计算值找到曲线上对应的点位置。线上对应的点位置。再由再由ReRet t值值, , 求得求得 ，避免了试差。，避免了试差。若已知若已知u ut t，求颗粒直径，求颗粒直径d dp p, ,也可用类似方法。也可用类似方法。在在 曲线中查得曲线中查得ReRet t，再根据，再根据u ut t计算计算d dp p，即，即tRetRettReRe2ttReRe22Retdutt/Re32134Retstug

38、ttReRe1ttpudRe图图3- 13 3- 13 ReRe t t2 2-Re-Re t t和和Re Re t t -1-1-Re -Re t t 的关系曲线的关系曲线P117例：计算直径为例：计算直径为9595 m m，密度为，密度为3000kg/m3000kg/m3 3的固体颗粒的固体颗粒在在20 20 的水中的自由沉降速度。的水中的自由沉降速度。smugdtpp/10797. 9310005. 11881. 9)2 .9983000()1098(18)(362计算计算Re，核算流型：，核算流型：19244. 0Re33610005. 12 .99810797. 91095udp假设

39、正确，计算有效。假设正确，计算有效。解：在解：在20 20 的水中：的水中： 20 20 水的密度为水的密度为998.2kg/m998.2kg/m3 3，粘度为，粘度为1.0051.0051010-3 -3 PaPa s s先设为层流区。先设为层流区。 18)(2ppgdtu1) 1) 颗粒直径颗粒直径d dp p: :应用：应用：啤酒生产，采用絮状酵母，啤酒生产，采用絮状酵母，dpu ut t，使啤酒易于分离和澄清。，使啤酒易于分离和澄清。均质乳化，均质乳化， dput，使饮料不易分层。，使饮料不易分层。加絮凝剂，如水中加明矾。加絮凝剂，如水中加明矾。2) 2) 连续相的粘度连续相的粘度 ：

40、应用：应用：加酶：清饮料中添加果胶酶，使加酶：清饮料中添加果胶酶，使 ut，易于分离。，易于分离。增稠：浓饮料中添加增稠剂，使增稠：浓饮料中添加增稠剂，使 ut，不易分层。，不易分层。加热：加热：3) 两相密度差两相密度差( p- )： 两相密度差两相密度差 沉降速度沉降速度 ，但在一定悬浮液，但在一定悬浮液的沉降分离中，该数值很难改变。的沉降分离中，该数值很难改变。( (二二) ) 影响沉降速度的因素影响沉降速度的因素( (以层流区为例以层流区为例) ) (三三) 实际沉降速度实际沉降速度ut(1)颗粒的体积浓度颗粒的体积浓度 当体积浓度当体积浓度0.2%，各，各ut的理论计算值偏的理论计算

41、值偏差差100d时，器壁效应可忽略。时，器壁效应可忽略。(3) 颗粒形状影响颗粒形状影响颗粒形状与球形间的差异程度可用形状系数颗粒形状与球形间的差异程度可用形状系数, ,即球形度即球形度S S表表征。征。非球形颗粒的形状可用球形度非球形颗粒的形状可用球形度 s 来描述。来描述。pSSs s 球形度；球形度；S 颗粒的表面积，颗粒的表面积，m2；Sp 与颗粒体积相等的圆球的表面积，与颗粒体积相等的圆球的表面积，m2。 不同球形度下阻力系数与不同球形度下阻力系数与ReRe的关系见课本图示，的关系见课本图示，ReRe中的中的d dp p用当量直径用当量直径d de e代替。代替。球形度球形度 s s

42、越小，阻力系数越小，阻力系数 越大，非球形颗粒与球形的差越大，非球形颗粒与球形的差异越大异越大, u, ut t , ,但在层流区不明显。但在层流区不明显。u ut t非球非球 u ut t球球 。对于细微颗粒对于细微颗粒( (d d0.55m的尘粒。对于颗粒含量高于的尘粒。对于颗粒含量高于200g/m3的气的气体，也可除去体，也可除去3m以上的尘粒。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。不适用于处理粘性大、含湿量高的腐蚀性的粉尘。(2) (2) 旋风分离器的性能旋风分离器的性能 临界粒径临界粒径d dc c d dc c: :指理论上能完全被分离下来的最小颗粒直径，它是判断

43、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。分离效率高低的重要依据。一般旋风分离器以圆筒直径一般旋风分离器以圆筒直径D为参数，其它尺寸都与为参数，其它尺寸都与D成一成一定比例。定比例。通常通常B=D/4，Ddc分离效率分离效率。 Ne一般为一般为0.53.0，标准系列旋风分离器，标准系列旋风分离器Ne=5。 注意用该公式计算出的注意用该公式计算出的dc值与实际情况偏差大。值与实际情况偏差大。piecuNBd 9 分离效率分离效率总效率：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。指进入旋风分离器的全部颗粒中被分离下来的质量分率。1210CCC C1：进

44、气含尘浓度，：进气含尘浓度，g/m3；C2：出气含尘浓度，：出气含尘浓度，g/m3；分效率分效率（粒级效率）（粒级效率）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。按各种粒度分别表明其被分离下来的质量分率。iiipiCCC121 C C1i1i ：进口气体中粒径在第：进口气体中粒径在第i i小段范围内的颗粒浓度，小段范围内的颗粒浓度，kg/mkg/m3 3； C C2i2i ：出口气体中粒径在第：出口气体中粒径在第i i小段范围内的颗粒浓度，小段范围内的颗粒浓度，kg/mkg/m3 3；粒级效率粒级效率p p与颗粒直径与颗粒直径d di i的对应关系可用曲线表示，称为的对应关系

45、可用曲线表示，称为粒级效率曲线粒级效率曲线。理论上，凡直径大于理论上，凡直径大于d dc c的颗粒，其粒级效率都应等于的颗粒，其粒级效率都应等于100%100%，小于小于d dc c的颗粒效率为零。如图示：的颗粒效率为零。如图示：实践中常把粒级效率曲线绘成粒级效率实践中常把粒级效率曲线绘成粒级效率与与d/dd/d5050的关系曲线。的关系曲线。分割粒径分割粒径：粒级效率为：粒级效率为50%时的颗粒直径。时的颗粒直径。xi：i粒级所占质量粒级所占质量% 总效率与粒级效总效率与粒级效率的关系：率的关系：p 实测粒级效率曲线却是一条曲线，小于实测粒级效率曲线却是一条曲线，小于d dc c的颗粒也有可

46、观的分离效的颗粒也有可观的分离效果，而大于果，而大于d dc c的颗粒还有部分未分离下来。的颗粒还有部分未分离下来。 为什么？为什么？靠近壁面的小颗粒，所需沉降时间短；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；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。起而带走。 压强降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。的能耗和合理选择

47、风机的依据。P:P:表示为与进口气体动能成正比。表示为与进口气体动能成正比。 ：阻力系数，标准型：阻力系数，标准型 =8.0(=8.0(实测实测) )(3)(3)分离的影响因素：分离的影响因素：(1) 入口气体流量入口气体流量 V,(2) 入口气速入口气速 ui p=5002000Pa ， ui, 涡流加剧涡流加剧, 压降压降 ui=1525m/s(3) 较小的分离器较小的分离器 当处理量较大时，常并联使用几个小的分离器当处理量较大时，常并联使用几个小的分离器 (4)出口管的长度出口管的长度 (5)分离器的直径分离器的直径 D:d = 3:1(6)排气设备排气设备在尘粒出口出为负压在尘粒出口出

48、为负压,若不密封，空气将会进入，阻碍尘粒的若不密封，空气将会进入，阻碍尘粒的下降。下降。(4) (4) 常用旋风分离器的型式常用旋风分离器的型式常用型式：标准型、常用型式：标准型、CLTCLT、CLT/ACLT/A、CLPCLP等。等。倾斜螺倾斜螺旋面进旋面进口，减口，减小涡流小涡流影响。影响。气流阻气流阻力系数力系数较低，较低，=55.5带有旁带有旁室结构，室结构，蜗壳式蜗壳式进气口，进气口，可聚结可聚结被上旋被上旋流带到流带到顶部的顶部的细粒。细粒。=4.85.8结构上小结构上小下大，下下大，下设挡灰盘，设挡灰盘，可有效防可有效防止已沉降止已沉降的细粒被的细粒被重新卷起。重新卷起。CLT/

49、A型型CLT型型扩散型扩散型标准型标准型2. 2. 旋液分离器旋液分离器旋液分离器用于旋液分离器用于从液体中分离出固从液体中分离出固体颗粒，其结构和体颗粒，其结构和操作原理与旋风分操作原理与旋风分离器类似。离器类似。如图所示。悬浮如图所示。悬浮液在旋液分离器中液在旋液分离器中被分为顶部溢流和被分为顶部溢流和底部底流的乳浊液底部底流的乳浊液两部分。由于液体粘度大、密度也大，颗粒沉降分离比较困两部分。由于液体粘度大、密度也大，颗粒沉降分离比较困难，所以一般顶流中往往带有部分颗粒。因此旋液分离器可难，所以一般顶流中往往带有部分颗粒。因此旋液分离器可用于悬浮液的增稠或分级，也可用于液液萃取等操作中。用

50、于悬浮液的增稠或分级，也可用于液液萃取等操作中。与旋风分离器相比，与旋风分离器相比，旋液分离器的特点旋液分离器的特点是：形状细长、直是：形状细长、直径小，圆锥部分长，以利于分离；中心有一个处于负压的径小，圆锥部分长，以利于分离；中心有一个处于负压的气柱，有利于提高分离效率。气柱，有利于提高分离效率。旋液分离器结构简单，没有运动部件，体积小、处理量大旋液分离器结构简单，没有运动部件，体积小、处理量大；但由于颗粒沿器体壁面高速运动，产生较大阻力，同时；但由于颗粒沿器体壁面高速运动，产生较大阻力，同时也会造成设备严重磨损，一般应采用耐磨材料制造。也会造成设备严重磨损，一般应采用耐磨材料制造。3. 3

51、. 离心机离心机离心机离心机: :利用惯性离心力分离液态非均相混合物的机械利用惯性离心力分离液态非均相混合物的机械. .与与旋液分离器的主要区别在于离心力是由设备旋液分离器的主要区别在于离心力是由设备( (转鼓转鼓) )本身旋本身旋转而产生的。转而产生的。按分离方式可分为：按分离方式可分为： 过滤式离心机过滤式离心机( (转鼓上开孔，内壁覆以滤布转鼓上开孔，内壁覆以滤布) )。 沉降式：沉降式：( (用来处理悬浮液用来处理悬浮液) ) 分离式：分离式：( (用来处理乳浊液，两种液体按轻重分层用来处理乳浊液，两种液体按轻重分层) )按分离因素按分离因素(K(Kc c) )分：分： 常速离心机常速

52、离心机 K Kc c3000(5000050000常用的离心沉降机有：常用的离心沉降机有： 转鼓式离心沉降机转鼓式离心沉降机 蝶片式离心机蝶片式离心机 管式超速离心机管式超速离心机 螺旋式沉降离心机螺旋式沉降离心机(1) 转鼓式离心沉降机(2) 蝶片式离心机用用 途：分离乳浊液和从液体中分离少量极细的固体途：分离乳浊液和从液体中分离少量极细的固体颗粒。颗粒。(3) 管式超速离心机管式超速离心机分离因素一般高达分离因素一般高达1500060000，转速高达，转速高达800050000转转/分。为了减分。为了减小转筒所受的应力，转筒设小转筒所受的应力，转筒设计成细长形，转筒直径计成细长形，转筒直径

53、0.10.2m，管高，管高0.751.5m。(4) 螺旋式沉降离心机第四节第四节 固体流态化固体流态化 P125P125一、一、 概述概述 二、二、 床层的流态化过程床层的流态化过程三、三、 流化床的类似液体的特性流化床的类似液体的特性四、四、 流体通过流化床的阻力流体通过流化床的阻力五、流化床的操作范围五、流化床的操作范围六、六、 流化床的主要特点流化床的主要特点七、流化床的高度与直径七、流化床的高度与直径八、气力输送简介八、气力输送简介一、一、 概述概述固体流态化：固体流态化：流体以一定的流速通过固体颗粒组成的床层流体以一定的流速通过固体颗粒组成的床层时，可将大量固体颗粒悬浮于流动的流体中

54、，颗粒在流体时，可将大量固体颗粒悬浮于流动的流体中，颗粒在流体作用下上下翻滚，类似于液体的沸腾。这种状态称为固体作用下上下翻滚，类似于液体的沸腾。这种状态称为固体流态化。简单来说，流态化。简单来说，固体流态化就是固体物质流体化。固体流态化就是固体物质流体化。流态化技术是近流态化技术是近5050多年发展起来的一种新技术，设备结构多年发展起来的一种新技术，设备结构简单、生产强度大、易于实现连续化、自动化操作。简单、生产强度大、易于实现连续化、自动化操作。该技术在食品工业中，主要用于该技术在食品工业中，主要用于加热加热、冷却冷却、冷冻冷冻、干燥干燥、混合混合、造粒造粒、浸出浸出、洗涤洗涤等方面。等方

55、面。固体流态化的优点固体流态化的优点1 1、颗粒流动平稳，类似液体，可实现连续、自动控制；、颗粒流动平稳，类似液体，可实现连续、自动控制；2 2、固体颗粒混合迅速，整个流化床内处于等温状态；、固体颗粒混合迅速，整个流化床内处于等温状态；3 3、流体与颗粒之间的传热和传质速率高；、流体与颗粒之间的传热和传质速率高；4 4、整个床层与浸没物体之间传热速率高。、整个床层与浸没物体之间传热速率高。二、二、 床层的流态化过程床层的流态化过程(一一)流态化现象流态化现象a.固定床；固定床；b-c-d.流化床；流化床；e. 气力输送气力输送(1) (1) 固定床阶段固定床阶段 特点：特点：通过床层的流速低；

56、通过床层的流速低；颗粒受的曳力小，颗粒之间紧密相接，静止不动；颗粒受的曳力小，颗粒之间紧密相接，静止不动；床层高度不变；床层高度不变；uu，流体通过床层的阻力，流体通过床层的阻力 ，其关系可以用欧根公式表，其关系可以用欧根公式表示，如图示，如图(a)(a)。(2) (2) 流化床阶段流化床阶段 特点：特点：当当uu一定值时，一定值时，( (颗粒的颗粒的) )曳力接近净重力曳力接近净重力（重力减去浮力）（重力减去浮力），或者流体通过，或者流体通过床层的阻力接近单位截面床层的重量床层的阻力接近单位截面床层的重量时，颗时，颗粒开始浮动，但仍未脱离原来的位置，如图粒开始浮动，但仍未脱离原来的位置，如图

57、(b)(b)。在此状态时，在此状态时， u u稍稍稍稍 ，颗粒便互相离开，床层的高度也会，颗粒便互相离开，床层的高度也会有所提高，则这时的状态称为有所提高，则这时的状态称为起始流化状态起始流化状态或或临界流化状态临界流化状态，对应的流速称为，对应的流速称为起始流化速度起始流化速度(u(umfmf) )或或最小流化速度最小流化速度 。在临界流化状态时，继续在临界流化状态时，继续u ，则颗粒间的距离增大，颗粒，则颗粒间的距离增大，颗粒作剧烈的随机运动，这个阶段称为作剧烈的随机运动，这个阶段称为流化床阶段流化床阶段(沸腾床沸腾床)。在在流化床阶段流化床阶段，随流体空床流速的增加，床层高度增高，床，随

58、流体空床流速的增加，床层高度增高，床层的空隙率也增大，使颗粒间的流体流速保持不变；此时层的空隙率也增大，使颗粒间的流体流速保持不变；此时床床层空隙中的流速层空隙中的流速=颗粒的沉降速度颗粒的沉降速度，同时床层的阻力几乎保，同时床层的阻力几乎保持不变，等于单位截面床层的重量。持不变，等于单位截面床层的重量。流化床阶段还有一个特点是流化床阶段还有一个特点是床层有明显的上界面床层有明显的上界面，如图，如图(c、d)所示。所示。(3) (3) 气力（或液力）输送阶段气力（或液力）输送阶段 特点：特点：当当流体流速（空塔速度流体流速（空塔速度u）=颗粒的沉降速度颗粒的沉降速度时，颗粒被流时，颗粒被流体带

59、出器外，体带出器外，床层的上界面消失，此时的流速称为流化床床层的上界面消失，此时的流速称为流化床的带出速度的带出速度，流速高于带出速度后，为，流速高于带出速度后，为流体输送阶段流体输送阶段，如，如图图(e)所示。所示。( (二二) ) 两种不同的流化形式两种不同的流化形式（1 1） 散式流化（液散式流化（液- -固系统固系统）固体颗粒均匀地分散在流化介质中，亦称固体颗粒均匀地分散在流化介质中，亦称均匀流化或理想流化均匀流化或理想流化。特点特点： a 在流化过程中有一个明显的临界流态化点和临界流化速度；在流化过程中有一个明显的临界流态化点和临界流化速度； b 流化床层的压降为一常数：流化床层的压

60、降为一常数： c 床层有一个平稳的上界面；床层有一个平稳的上界面； d 流态化床层的空隙率在任何流速下都有一个代表性的均匀值流态化床层的空隙率在任何流速下都有一个代表性的均匀值。不因床层内的位置而变化。不因床层内的位置而变化。（2 2） 聚式流化（气聚式流化（气- -固系统）固系统）通常两相密度差较大的系统趋向于聚式流化。如气固系统往往通常两相密度差较大的系统趋向于聚式流化。如气固系统往往成为成为聚式流化聚式流化。聚式流化床一般存在两相：聚式流化床一般存在两相： 连续相：连续相：是由空隙小，而固体浓度大的气固均匀混合物构成。是由空隙小，而固体浓度大的气固均匀混合物构成。 气泡相：气泡相：是夹带