1、1 第三章 非均相物系分離 及固體流態(tài)化 通過本章學習，掌握沉降、過濾、固體流態(tài) 化及氣力輸送等過程的原理、計算方法、典型設(shè) 備的結(jié)構(gòu)特性，能夠根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，合理 選擇設(shè)備。 學習目的 與要求 2 3.1 概述 物系中存在相界面的混合物就是非均相混合物 非均相混合物 分散相或分散物質(zhì)：處于分散狀 態(tài)的物質(zhì)（如分散在流體中的固 體顆粒、液滴、氣泡等） 連續(xù)相或分散介質(zhì)：包圍著分散 相而處于連續(xù)狀態(tài)的物質(zhì)（如氣 態(tài)非均相混合物中的氣體、液態(tài) 非均相混合物中的液體）。 3 概述 機械分離方法，即利用非均相混合物中兩 相的物理性質(zhì)（如密度、顆粒形狀、尺寸等） 的差異，使兩相之間發(fā)生相對運動而使其

2、分離。 機械分離方法 過濾 沉降 4 概述 非均相混合物分離的應(yīng)用： （1）收集分散物質(zhì) （2）凈化分散介質(zhì) （3）環(huán)境保護 5 1. 球形顆粒：球形顆粒的尺寸由直徑d確定。 3 6 d V 2 Sd 6S a Vd 比表面積比表面積 體積體積 表面積表面積 3.2 顆粒及顆粒床層的特性 3.2.1 顆粒的特性 6 2. 非球形顆粒：需要形狀和大小兩個參數(shù)來描 述其特性 （1）球形度 s p S S s 顆粒的表 面積 與該顆粒體 積相等的球 體的表面積 非球形顆粒 s 1球形顆粒 s 1 7 （2）顆粒的當量直徑 體積當量直徑 3 e 6 p dV 8 3 6 Vd pe 2 d S e p

3、 s 6 a d se 非球形顆粒的特性，即非球形顆粒的特性，即 比表面積比表面積 體積體積 表面積表面積 3.2.2 顆粒床層的特性 1 床層的孔隙率 床層體積 床層體積顆粒體積 2 床層的比表面積ab aab)1 ( 3 床層的自由截面積 床層截面上未被顆粒占據(jù)的、流體可以自 由通過的面積，即為床層的自由截面積 12 3.3.1 重力沉降 圖3-1 沉降顆粒的受力情況 3.3 沉降分離 一 沉降速度 1 球形顆粒的自由沉降 13 顆粒受到三個力 重力 浮力 阻力 3 gS 6 Fdg 3 b 6 Fdg 2 d 2 u FA 阻力系數(shù)或 曳力系數(shù) 14 根據(jù)牛頓第二定律 2 323 SS

4、d ()() 6426d uu dgdd 分析顆粒運動情況： 加速度最大 阻力加速度 0u t uu t uu u 加速度=0 加速度=0 加速段 勻速段 15 沉降速度 勻速階段中顆粒相對于流體的運動速度稱為 沉降速度，由于該速度是加速段終了時顆粒相對 于流體的運動速度，故又稱為“終端速度”，也 可稱為自由沉降速度。 t u s t 4() 3 gd u （3-20） 16 2 阻力系數(shù)（曳力系數(shù)） 通過量綱分析可知，是顆粒與流體相對運 動時雷諾數(shù)Ret和球形度s的函數(shù) t , s f Re t t du Re 隨Ret及s 變化的實驗測定結(jié)果見圖3-2。 17 圖3-2 關(guān)系曲線 t Re

5、 18 對球形顆粒 關(guān)系曲線大致可分為三個區(qū)域 t Re 層流（又稱蠕動流Creeping flow） 4 t 101Re t 24 Re （3-21） 層流區(qū)或斯托克斯(Stokes)定律區(qū) 2 () 18 dg u s t （3-24） (1) 19 3 t 110Re 過渡區(qū)或艾侖（Allen）定律區(qū) 0.6 t 18.5 Re 0.6 () 0.27 dg uRe s tt （3-22） （3-25） (2) 20 35 t 102 10Re （3-23） （3-26） 湍流區(qū)或牛頓（Newton）定律區(qū) 0.44 () 1.74 dg u s t (3) 21 滯流區(qū) 湍流區(qū) 過渡區(qū)

6、 表面摩擦阻力 形體阻力 3 影響沉降速度的因素 流體的粘度 22 自由沉降 干擾沉降 沉降過程中，任一顆粒的沉降不因其他顆粒 的存在而受到干擾 如果分散相的體積分率較高，顆粒間有明顯 的相互作用，容器壁面對顆粒沉降的影響不可忽 略，這時的沉降稱為干擾沉降或受阻沉降。 23 在實際沉降操作中，影響沉降速度的因素還有： 顆粒的體積分數(shù) 器壁效應(yīng) 顆粒形狀的影響 24 4 重力沉降速度的計算 1. 試差法 假設(shè)沉降屬 于某一流型 計算沉 降速度 核算 Ret 驗證 流型 YES ut NO 25 2. 摩擦數(shù)群法 2 ()g Kd s 3 23 4 3 ReK t Re u d t t 2 ReR

7、e tt曲線圖，最后由 曲線圖，最后由 Ret 反求反求 ut ，即，即 查查 先計算先計算 26 27 1 23 4 () 3 g Re u s t t Re d u t t 若要計算介質(zhì)中具有某一沉降速度若要計算介質(zhì)中具有某一沉降速度 ut 的顆粒的的顆粒的 直徑，可先令直徑，可先令 1 ReRe tt 查查 曲線圖曲線圖(如下頁圖如下頁圖)，可求直徑，可求直徑 d ， 即即 28 29 3. 量綱為1的數(shù)群K值判別流型： K 2.62為斯托克斯定律區(qū)， 2.62 K 69.1為牛頓定律區(qū)。 2 ()g Kd s 3 30 二、重力沉降設(shè)備 1. 降塵室 降塵室是依靠重力沉降從氣流中分離出

8、固體顆 粒的設(shè)備 31 圖3-4 降塵室示意圖 氣流水平通 過降塵室速 度 沉降速 度 動畫13 32 H u t t l u t 或或 lH uu t 位于降塵室最高點的顆粒沉降到室底所需的時間為位于降塵室最高點的顆粒沉降到室底所需的時間為 氣體通過降塵室的時間為氣體通過降塵室的時間為 欲使顆粒被分離出來，則 降塵室高 沉降速 度 降塵室長 氣流水平通 過降塵室速 度 33 根據(jù)降塵室的生產(chǎn)能力，氣體在降塵室內(nèi)的水平通 過速度為 整理得整理得 降塵室生 產(chǎn)能力 （3-32） 上式表明，理論上降塵室的生產(chǎn)能力只與其沉降面 積及顆粒的沉降速度有關(guān)，而與降塵室高度H無關(guān)。 Hb V u s tS bluV 34 對設(shè)置了n層水平隔板的降塵室，其生產(chǎn)能力為： （3-30a） 動畫14 tS blunV) 1( 35 降塵室結(jié)構(gòu)簡單，流動阻力小，但體積龐大， 分離效率低，通常只適用于分離粒度大于50 m 的粗粒，一般作為預除塵使用。多層降塵室雖能 分離較細的顆粒且節(jié)省占地面積，但清灰比較麻 煩。 36 2沉降槽 沉