1、第三章第三章 機(jī)械分離與固體流態(tài)化機(jī)械分離與固體流態(tài)化第一節(jié)第一節(jié) 顆粒及顆粒床層特性顆粒及顆粒床層特性第二節(jié)第二節(jié) 過濾過濾第三節(jié)第三節(jié) 沉降沉降第四節(jié)第四節(jié) 固體流態(tài)化固體流態(tài)化在化工生產(chǎn)中，經(jīng)常遇到非均相混合物的分離及流動在化工生產(chǎn)中，經(jīng)常遇到非均相混合物的分離及流動問題：問題： a.a.從含有粉塵或液滴的氣體中分離出粉塵或液滴；從含有粉塵或液滴的氣體中分離出粉塵或液滴； b. b.從含有固體顆粒的懸浮液中分離出固體顆粒；從含有固體顆粒的懸浮液中分離出固體顆粒； c. c.流體通過由大量固體顆粒堆集而成的顆粒或床層的流動（如流體通過由大量固體顆粒堆集而成的顆粒或床層的流動（如過濾、離子交

2、換器、催化反應(yīng)器等）。過濾、離子交換器、催化反應(yīng)器等）。上述過程均涉及上述過程均涉及流體相對于固體顆粒及顆粒床層流動流體相對于固體顆粒及顆粒床層流動時的基本規(guī)律時的基本規(guī)律以及與之有關(guān)的以及與之有關(guān)的非均相混合物的機(jī)械分非均相混合物的機(jī)械分離問題離問題。故本章先介紹。故本章先介紹流體繞過顆粒、顆粒床層的流流體繞過顆粒、顆粒床層的流動以及顆粒在流體中的流動動以及顆粒在流體中的流動。本章重點內(nèi)容本章重點內(nèi)容過濾操作的基本原理，恒壓過濾方程式及其應(yīng)用，過濾過濾操作的基本原理，恒壓過濾方程式及其應(yīng)用，過濾常數(shù)的計算方法，常用過濾機(jī)的結(jié)構(gòu)、操作及洗滌特點常數(shù)的計算方法，常用過濾機(jī)的結(jié)構(gòu)、操作及洗滌特點、

3、相關(guān)計算；、相關(guān)計算；重力沉降的基本原理，重力沉降速度的定義及其計算，重力沉降的基本原理，重力沉降速度的定義及其計算，降塵室的工藝計算；降塵室的工藝計算；離心沉降的基本原理，離心沉降速度及其計算，旋風(fēng)分離心沉降的基本原理，離心沉降速度及其計算，旋風(fēng)分離器的特點及計算；離器的特點及計算；固體的流態(tài)化過程，流化床的類似液體的性質(zhì)；流化過固體的流態(tài)化過程，流化床的類似液體的性質(zhì)；流化過程的阻力變化。程的阻力變化。本章難點本章難點非球形顆粒的表示方法；非球形顆粒的表示方法；洗滌速率與過濾速率的關(guān)系；洗滌速率與過濾速率的關(guān)系； 可壓縮濾餅比阻隨壓強的變化；可壓縮濾餅比阻隨壓強的變化；干擾沉降速度的計算。

4、干擾沉降速度的計算。 第一節(jié)第一節(jié) 顆粒及顆粒床層特性顆粒及顆粒床層特性1.1 1.1 顆粒及顆粒床層的特性顆粒及顆粒床層的特性單顆粒的特性參數(shù)單顆粒的特性參數(shù)顆粒群顆粒群( (混合顆粒混合顆粒) )的特性參數(shù)的特性參數(shù) 顆粒床層的特性顆粒床層的特性1.2 1.2 流體與顆粒間的相對運動流體與顆粒間的相對運動流體繞過顆粒的流動流體繞過顆粒的流動流體通過顆粒床層的流動流體通過顆粒床層的流動顆粒在流體中的流動顆粒在流體中的流動1.1 顆粒及顆粒床層的特性顆粒及顆粒床層的特性(P94)一、單個顆粒的性質(zhì)一、單個顆粒的性質(zhì)形狀規(guī)則的顆粒：形狀規(guī)則的顆粒： 大大 小：用顆粒的某一個或某幾個特征尺寸表示，

5、如球小：用顆粒的某一個或某幾個特征尺寸表示，如球形顆粒的大小用直徑形顆粒的大小用直徑d dp p表示。表示。 比表面積：單位體積顆粒所具有的表面積，其單位為比表面積：單位體積顆粒所具有的表面積，其單位為m m2 2/m/m3 3 ，對球形顆粒為：，對球形顆粒為：pppdddVSa66/32球形狀不規(guī)則的顆粒：形狀不規(guī)則的顆粒：(1)(1)顆粒的形狀系數(shù)：顆粒的形狀系數(shù)：表示顆粒的形狀，最常用的形狀系數(shù)是球形度表示顆粒的形狀，最常用的形狀系數(shù)是球形度s s，它的定義式為，它的定義式為 ： 相同體積的不同形狀顆粒中，球形顆粒的表面積最小，相同體積的不同形狀顆粒中，球形顆粒的表面積最小，所以對非球形

6、顆粒而言，總有所以對非球形顆粒而言，總有1。當(dāng)然，對于球形顆粒，。當(dāng)然，對于球形顆粒，=1。非球形顆粒的表面積的球的表面積與非球形顆粒體積相等 s (2) 顆粒的當(dāng)量直徑：顆粒的當(dāng)量直徑：b.等比表面積當(dāng)量直徑等比表面積當(dāng)量直徑dea將比表面積等于顆粒比表面積的將比表面積等于顆粒比表面積的球形顆粒的直徑定義為非球形顆球形顆粒的直徑定義為非球形顆粒的等比表面積當(dāng)量直徑。粒的等比表面積當(dāng)量直徑。3/16）（VdevSVadea66對于非球形顆粒，若體積當(dāng)量直徑為對于非球形顆粒，若體積當(dāng)量直徑為d de e: :esseedadSdV6,623比表面積表面積體積a.等體積當(dāng)量直徑等體積當(dāng)量直徑dev

7、: 與非球形顆與非球形顆粒等體積的球形顆粒的直徑定義為粒等體積的球形顆粒的直徑定義為非球形顆粒的等體積當(dāng)量直徑。非球形顆粒的等體積當(dāng)量直徑。二、顆粒群的特性參數(shù)二、顆粒群的特性參數(shù) v粒度分布粒度分布(Particle size distributions)： 任何顆粒群中，粒度任何顆粒群中，粒度大小不等的顆粒所形成的一定尺寸分布。大小不等的顆粒所形成的一定尺寸分布。v粒度分布測定方法粒度分布測定方法：常用篩分法，再求其相應(yīng)的平均特性：常用篩分法，再求其相應(yīng)的平均特性參數(shù)。參數(shù)。v顆粒粒度顆粒粒度(Particle size)測量的方法測量的方法篩分法篩分法(Sieve method)顯微鏡法

8、顯微鏡法(Microscopic method)、沉降法沉降法(Sedimentation)、電阻變化法電阻變化法(Measuring resistance strain/variance)、光散射與衍射法光散射與衍射法 (Light attenuation and diffractometry)、表面積法表面積法(Specific surface method)等等。等等。注：注：上述方法基于不同的原理，適用于不同的粒徑范圍，所得上述方法基于不同的原理，適用于不同的粒徑范圍，所得的結(jié)果也往往略有不同的結(jié)果也往往略有不同(1) 顆粒的篩分尺寸顆粒的篩分尺寸 對于工業(yè)上常見的對于工業(yè)上常見的中等

9、大中等大小小的混合顆粒，一般采用一套的混合顆粒，一般采用一套標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行測量，這種方法稱標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行測量，這種方法稱為為篩分篩分。 將篩分所得結(jié)果在表或圖上表示，直觀地可表示出顆粒群將篩分所得結(jié)果在表或圖上表示，直觀地可表示出顆粒群的粒徑分布的粒徑分布:用用表格表格表示：篩孔尺寸表示：篩孔尺寸每層篩上顆粒質(zhì)量。每層篩上顆粒質(zhì)量。用用圖表示圖表示：各層篩網(wǎng)上顆粒的篩分尺寸：各層篩網(wǎng)上顆粒的篩分尺寸質(zhì)量分率（見上圖質(zhì)量分率（見上圖)顆粒的篩分尺寸顆粒的篩分尺寸質(zhì)量分率質(zhì)量分率(2)顆粒群的平均特性參數(shù)顆粒群的平均特性參數(shù)顆粒群的平均粒徑有不同的表示法，常用顆粒群的平均粒徑有不同的表示法，常用等比表面積

10、當(dāng)量等比表面積當(dāng)量直徑直徑來表示顆粒的平均直徑，則混合顆粒的平均比表面積來表示顆粒的平均直徑，則混合顆粒的平均比表面積am為：為：由此可得顆粒群的比表面積平均當(dāng)量直徑由此可得顆粒群的比表面積平均當(dāng)量直徑dam 為：為： ai第第i層篩網(wǎng)上顆粒的比表面積，層篩網(wǎng)上顆粒的比表面積， m2/m3 ； xi第第i層篩網(wǎng)上顆粒的質(zhì)量分率；層篩網(wǎng)上顆粒的質(zhì)量分率； am混合顆粒的平均比表面積，混合顆粒的平均比表面積， m2/m3 ； dai混合顆粒中各種尺寸顆粒的等比表面積當(dāng)量直徑，混合顆粒中各種尺寸顆粒的等比表面積當(dāng)量直徑，m。三、三、顆粒床層的特性顆粒床層的特性 (P98)(1)床層的空隙率床層的空隙

11、率:單位體積顆粒床層中空隙的體積（單位體積顆粒床層中空隙的體積（），即：，即：是顆粒床層的一個重要特性，它反映了床層中顆粒堆集的緊是顆粒床層的一個重要特性，它反映了床層中顆粒堆集的緊密程度，其大小與顆粒的形狀、粒度分布、裝填方法、床層直密程度，其大小與顆粒的形狀、粒度分布、裝填方法、床層直徑、所處的位置等有關(guān)。徑、所處的位置等有關(guān)。一般顆粒床層的空隙率為一般顆粒床層的空隙率為0.470.7。測量測量的方法：充水法和稱量法。的方法：充水法和稱量法。(2)床層的比表面積床層的比表面積單位體積床層中顆粒的表面積稱為床層的比表面積。單位體積床層中顆粒的表面積稱為床層的比表面積。aab 1影響影響b的主

12、要因素：顆粒尺寸。一般顆粒尺寸越小，的主要因素：顆粒尺寸。一般顆粒尺寸越小，b越大。越大。(3) 床層的自由截面積床層的自由截面積床層中某一床層截面上空隙所占的截面積與床層截面積的比床層中某一床層截面上空隙所占的截面積與床層截面積的比值稱為床層的自由截面積，即：值稱為床層的自由截面積，即：(4) (4) 床層的各向同性床層的各向同性對于亂堆的顆粒床層，顆粒的定位是隨機(jī)的，所以堆成的床對于亂堆的顆粒床層，顆粒的定位是隨機(jī)的，所以堆成的床層可認(rèn)為各向同性，即從各個方位看，顆粒的堆積都是相同層可認(rèn)為各向同性，即從各個方位看，顆粒的堆積都是相同的。的。各向同性床層的一個重要特各向同性床層的一個重要特點

13、：點：床層截面積上可供流體床層截面積上可供流體通過的自由截面通過的自由截面(空隙截面空隙截面)與床層截面之比在數(shù)值上等與床層截面之比在數(shù)值上等于空隙率于空隙率。(5)5)床層通道特性床層通道特性固體顆粒堆積形成的孔道的形狀是不規(guī)則的、細(xì)小曲折的。固體顆粒堆積形成的孔道的形狀是不規(guī)則的、細(xì)小曲折的。許多研究者將孔道視作流道，并將其簡化成長度為許多研究者將孔道視作流道，并將其簡化成長度為L Le e的一組的一組平行細(xì)管，并規(guī)定：（平行細(xì)管，并規(guī)定：（1 1）細(xì)管的內(nèi)表面積等于床層顆粒的）細(xì)管的內(nèi)表面積等于床層顆粒的全部表面；（全部表面；（2 2）細(xì)管的全部流動等于顆粒床層的空隙容積）細(xì)管的全部流動

14、等于顆粒床層的空隙容積。則這些虛擬細(xì)管的當(dāng)量直徑。則這些虛擬細(xì)管的當(dāng)量直徑d de e為為: :流體流動濕潤的周邊流道的截面積4edade)1 (4影響床層通道特性的因素：影響床層通道特性的因素：與床層顆粒的特性有關(guān)。與床層顆粒的特性有關(guān)。顆粒的粒度：顆粒的粒度： 粒度愈小則所形成的通道數(shù)目愈多，通道截面積也愈小；粒度愈小則所形成的通道數(shù)目愈多，通道截面積也愈小；粒度分布的均勻性和顆粒表面狀況：粒度分布的均勻性和顆粒表面狀況： 粒度分布愈不均勻和表面愈粗糙的顆粒所形成的通道就愈粒度分布愈不均勻和表面愈粗糙的顆粒所形成的通道就愈不規(guī)則，不規(guī)則，計算流體流動時應(yīng)折算成當(dāng)量直徑計算流體流動時應(yīng)折算成

15、當(dāng)量直徑(也稱為水力直也稱為水力直徑徑)。1.21.2 流體與顆粒間的相對運動流體與顆粒間的相對運動一、流體繞過顆粒的流動一、流體繞過顆粒的流動( (一一) ) 流體繞顆粒的流動狀態(tài)流體繞顆粒的流動狀態(tài)(1) 理想流體繞流理想流體繞流(2) 實際流體繞流實際流體繞流圖圖4-4 流體繞球形顆粒的流動流體繞球形顆粒的流動(二二) 流體繞顆粒流動時的作用力流體繞顆粒流動時的作用力 在流體與顆粒組成的非均相物系中，流體與顆粒間的相在流體與顆粒組成的非均相物系中，流體與顆粒間的相對運動有三種：對運動有三種： a.a.流體流過靜止顆粒表面；流體流過靜止顆粒表面；b.b.顆粒在靜止流體中運動；顆粒在靜止流體

16、中運動；c.c.流體與顆粒均處于運動狀態(tài)流體與顆粒均處于運動狀態(tài)，但二者之間維持一定的相對，但二者之間維持一定的相對速度。速度。 就流體對顆粒的作用力而言，只要相對運動速度相同，就流體對顆粒的作用力而言，只要相對運動速度相同，上述三者之間并無本質(zhì)區(qū)別。可假設(shè)顆粒靜止，流體以一定上述三者之間并無本質(zhì)區(qū)別。可假設(shè)顆粒靜止，流體以一定的速度對之作繞流；或流體靜止，顆粒在流體中運動，分析的速度對之作繞流；或流體靜止，顆粒在流體中運動，分析流體對顆粒的作用力。流體對顆粒的作用力。(1)(1)曳力曳力 當(dāng)流體以一定速度繞過顆粒流動當(dāng)流體以一定速度繞過顆粒流動時，將流體作用于顆粒上的力稱為時，將流體作用于顆

17、粒上的力稱為曳力曳力，而將顆粒作用于流體上的力，而將顆粒作用于流體上的力稱為稱為阻力阻力。 一般，總曳力由形體曳力和表面一般，總曳力由形體曳力和表面曳力兩部分組成。曳力兩部分組成。 工程上大都將工程上大都將形體曳力形體曳力和和表面曳力表面曳力合在一起，即研究總合在一起，即研究總曳力，并用下式表示：曳力，并用下式表示：22uAFpD(3.3.3)(3.3.3)n曳力與阻力的關(guān)系？曳力與阻力的關(guān)系？n形體曳力和表面曳力的影響因素各是什么？形體曳力和表面曳力的影響因素各是什么？n答：當(dāng)流體以一定速度繞過顆粒流動時，流體與顆粒之間答：當(dāng)流體以一定速度繞過顆粒流動時，流體與顆粒之間產(chǎn)生一對大小相等、方向

18、相反的作用力，我們將流體作用產(chǎn)生一對大小相等、方向相反的作用力，我們將流體作用于顆粒上的力稱為曳力，而將顆粒作用于流體上的力稱為于顆粒上的力稱為曳力，而將顆粒作用于流體上的力稱為阻力。阻力。 n 答：組成總曳力的兩部分力中，答：組成總曳力的兩部分力中， 為壓力改變所導(dǎo)致的曳力，主要取決于顆粒的形狀和位向，為壓力改變所導(dǎo)致的曳力，主要取決于顆粒的形狀和位向，稱為稱為形體曳力；而；而 n則是由于流體和顆粒表面的摩擦所導(dǎo)致的曳力，主要由顆則是由于流體和顆粒表面的摩擦所導(dǎo)致的曳力，主要由顆粒表面積的大小決定，稱為粒表面積的大小決定，稱為表面曳力。 dAsin(2) (2) 曳力系數(shù)曳力系數(shù)流體沿一定方

19、位繞過形狀一定的顆粒時，影響曳力的因素可表示流體沿一定方位繞過形狀一定的顆粒時，影響曳力的因素可表示為：為：),(uLfFD其中其中 L L為顆粒的特征尺寸，對于光滑球體，為顆粒的特征尺寸，對于光滑球體，L L 即為顆粒的直即為顆粒的直徑徑d dp p。應(yīng)用因次分析可以得出關(guān)系式：。應(yīng)用因次分析可以得出關(guān)系式：)(Rep修正雷諾數(shù)的定義為：修正雷諾數(shù)的定義為： udppRe注意注意: 此式中此式中dp為顆粒直徑（對非球形顆粒而言，則取等體為顆粒直徑（對非球形顆粒而言，則取等體積球形顆粒的當(dāng)量直徑），積球形顆粒的當(dāng)量直徑），、為流體的物性。為流體的物性。-Rep間的關(guān)系，經(jīng)實驗測定如圖間的關(guān)系，

20、經(jīng)實驗測定如圖4-6所示所示 . .(P115)圖4-6 流體繞固體顆粒流動時- Rep關(guān)系圖中球形顆粒（圖中球形顆粒（S S=1=1）的曲線，在不同雷諾數(shù)范圍內(nèi)可用公）的曲線，在不同雷諾數(shù)范圍內(nèi)可用公式表示如下：式表示如下： (1) (1) 滯流區(qū)（滯流區(qū)（ReRep p 1 1）：）：(2) (2) 過渡區(qū)（過渡區(qū)（1 Re1 Rep p 500 500）：）：pRe246 . 0Re5 .18p(3) (3) 湍流區(qū)（湍流區(qū)（500 Re500 Rep p 2 2 210105 5） =0.1=0.1二、流體通過顆粒床層的流動二、流體通過顆粒床層的流動(P99) 食品工業(yè)中，最常見的流體

21、通過顆粒床層的流動操作有：食品工業(yè)中，最常見的流體通過顆粒床層的流動操作有： （1 1）固定化酶反應(yīng)：固定化酶反應(yīng)：流體（如淀粉溶液等）通過固定床反流體（如淀粉溶液等）通過固定床反應(yīng)器進(jìn)行，此時組成固定床的顆粒表面載有酶制劑；應(yīng)器進(jìn)行，此時組成固定床的顆粒表面載有酶制劑； （2 2）過濾：過濾：懸浮液（如果汁、蔬菜汁及葡萄糖和味精生產(chǎn)懸浮液（如果汁、蔬菜汁及葡萄糖和味精生產(chǎn)中的含晶液體等）的過濾，此時可將由懸浮液中所含的固中的含晶液體等）的過濾，此時可將由懸浮液中所含的固體顆粒形成的濾餅看作固定床，濾液通過顆粒之間的空隙體顆粒形成的濾餅看作固定床，濾液通過顆粒之間的空隙流動。流動。1 .1 .

22、流體通過顆粒床層的流動狀態(tài)流體通過顆粒床層的流動狀態(tài)流體通過固體顆粒床層時，流體通過固體顆粒床層時，流動情況復(fù)雜，流速分布不均流動情況復(fù)雜，流速分布不均勻勻( (與空管流動比與空管流動比) )。流體在床層內(nèi)的流動不流暢，產(chǎn)生的旋渦數(shù)目要比在直徑流體在床層內(nèi)的流動不流暢，產(chǎn)生的旋渦數(shù)目要比在直徑與床層相等的空管中流動時多很多。與床層相等的空管中流動時多很多。流體在固定床內(nèi)的流動狀態(tài)由層流轉(zhuǎn)為湍流是一個逐漸過流體在固定床內(nèi)的流動狀態(tài)由層流轉(zhuǎn)為湍流是一個逐漸過渡的過程，沒有明顯的分界線，固定床內(nèi)常常會呈現(xiàn)某一渡的過程，沒有明顯的分界線，固定床內(nèi)常常會呈現(xiàn)某一部分流體的流動可能處于層流狀態(tài)，但另一部分

23、區(qū)域則已部分流體的流動可能處于層流狀態(tài)，但另一部分區(qū)域則已處于湍流狀態(tài)。處于湍流狀態(tài)。2. 流體通過顆粒床層的壓降流體通過顆粒床層的壓降流體通過顆粒床層孔道時，形成阻力的曳力是由兩方面引流體通過顆粒床層孔道時，形成阻力的曳力是由兩方面引起的：起的：(1)粘滯力粘滯力（Viscous drag force），是流體流過孔道時因顆粒），是流體流過孔道時因顆粒表面粘附流體所形成流體與流體間的摩擦力，與流體的流表面粘附流體所形成流體與流體間的摩擦力，與流體的流速成正比速成正比(2)慣性曳力慣性曳力(Inertia drag force)，由流動的流體沖擊顆粒形成，由流動的流體沖擊顆粒形成渦流的尾渦所引

24、起的流體壓頭損耗，與流體的流速的平方渦流的尾渦所引起的流體壓頭損耗，與流體的流速的平方(相當(dāng)于流體的動壓頭相當(dāng)于流體的動壓頭)成正比。成正比。總阻力為兩者之總和：總阻力為兩者之總和：221ukdukFR規(guī)定規(guī)定: : ( (1) 1) 圓筒形床層的直徑為顆粒直徑的圓筒形床層的直徑為顆粒直徑的10-2010-20倍以上，在這個倍以上，在這個 條件下壁效應(yīng)可以忽略。條件下壁效應(yīng)可以忽略。 (2) (2) 固體顆粒在床層中的堆積是均勻的，因而床層的空隙固體顆粒在床層中的堆積是均勻的，因而床層的空隙 率也是均勻的。率也是均勻的。 (3) (3) 固體顆粒是致密的，流體通過顆粒與顆粒及顆粒與器固體顆粒是

25、致密的，流體通過顆粒與顆粒及顆粒與器 壁的孔道流動，不包括流體通過顆粒本身的毛細(xì)管孔壁的孔道流動，不包括流體通過顆粒本身的毛細(xì)管孔 隙的擴(kuò)散運動。隙的擴(kuò)散運動。 總阻力大小體現(xiàn)為流體壓降的大小，又曳力與阻力互為作用總阻力大小體現(xiàn)為流體壓降的大小，又曳力與阻力互為作用力和反作用力，故床層的壓降力和反作用力，故床層的壓降-p可以用來取代總曳力可以用來取代總曳力FR。則由床層通道特性可知，流體通過具有復(fù)雜幾何邊界的床層壓則由床層通道特性可知，流體通過具有復(fù)雜幾何邊界的床層壓降等同于流體通過一組當(dāng)量直徑為降等同于流體通過一組當(dāng)量直徑為de，長度為，長度為Le的均勻圓管（的均勻圓管（即毛細(xì)管）的壓降。故

26、有即毛細(xì)管）的壓降。故有若若u u為流體的空管流速，通過床層孔道的實際流速為流體的空管流速，通過床層孔道的實際流速 u ue e為：為： u ue e=u/=u/康采尼方程康采尼方程: :22eeefudLphLuaKp3221僅適用于低雷諾數(shù)僅適用于低雷諾數(shù)(Re)e2歐根方程歐根方程 :(P100):(P100)應(yīng)用于較寬的應(yīng)用于較寬的(Re)(Re)e e范圍范圍 歐根方程的誤差約為歐根方程的誤差約為25%，適用于各種流動條件下的阻，適用于各種流動條件下的阻力計算力計算,但不適用于細(xì)長物體及環(huán)狀填料。但不適用于細(xì)長物體及環(huán)狀填料。康采尼或歐根公式可知，床層壓降受以下因素的影響：操康采尼或

27、歐根公式可知，床層壓降受以下因素的影響：操作變量作變量u、流體物性、流體物性和和以及床層特性以及床層特性和和a，其中受，其中受的影的影響最大。因此，設(shè)計計算時空隙率響最大。因此，設(shè)計計算時空隙率的選取應(yīng)相當(dāng)慎重。的選取應(yīng)相當(dāng)慎重。三三. . 顆粒在流體中的流動顆粒在流體中的流動1. 固體顆粒沉降過程的作用力固體顆粒沉降過程的作用力2. 固體顆粒的沉降形態(tài)固體顆粒的沉降形態(tài)3. 固體顆粒的沉降速度固體顆粒的沉降速度自由沉降速度的計算自由沉降速度的計算影響沉降速度的因素影響沉降速度的因素實際沉降速度實際沉降速度簡簡 述述 顆粒在流體中的流動，較常見的有：顆粒在流體中的流動，較常見的有： (1) 沉

28、降沉降（Sedimentation）非均相固體物料分級非均相固體物料分級(Sizing)(沉降時因顆粒大小不同而分級沉降時因顆粒大小不同而分級) 非均相固體物料分類非均相固體物料分類( Classification/Sorting)(沉降時因顆沉降時因顆粒比重不同而分類粒比重不同而分類)懸浮液的液固分離懸浮液的液固分離(包括離心分離包括離心分離(Centrifugal separation)氣固物系的分離氣固物系的分離(包括旋風(fēng)分離包括旋風(fēng)分離(Cyclone separation) (2) 流化輸送流化輸送1.1.固體顆粒沉降過程的作用力固體顆粒沉降過程的作用力(P114)(P114)固體顆

29、粒沉降時，起重要作用的特征數(shù)仍是雷諾數(shù)。固體顆粒沉降時，起重要作用的特征數(shù)仍是雷諾數(shù)。靜止或流速很慢的流體中，固體顆粒在重力（或離心力）作靜止或流速很慢的流體中，固體顆粒在重力（或離心力）作用下作沉降運動。此時顆粒的受到以下三方面的作用力用下作沉降運動。此時顆粒的受到以下三方面的作用力: (1) 場力場力F重力場重力場 Fg = mg離心力場離心力場 Fc = mr2 式中：式中：r顆粒作圓周運動的旋轉(zhuǎn)半徑；顆粒作圓周運動的旋轉(zhuǎn)半徑； 顆粒的旋轉(zhuǎn)角速度；顆粒的旋轉(zhuǎn)角速度； m顆粒的質(zhì)量，對球形顆粒顆粒的質(zhì)量，對球形顆粒m=dp3p /6。(2) (2) 浮力浮力F Fb b 設(shè)流體的密度為設(shè)流

30、體的密度為，則有，則有重力場重力場 F Fb b=gm/=gm/p p 離心力場離心力場 F Fb b= r= r2 2m/m/p p (3) (3) 曳力曳力F FD D固體顆粒在流體中相對運動時所產(chǎn)生固體顆粒在流體中相對運動時所產(chǎn)生的阻力。的阻力。22uAFD式中：式中：A-顆粒在垂直于其運動方向的平面上的投影面積，顆粒在垂直于其運動方向的平面上的投影面積，m2 -阻力系數(shù)，無因次；阻力系數(shù)，無因次； u-顆粒相對于流體的降落速度；顆粒相對于流體的降落速度； 2 2 固體顆粒的沉降形態(tài)固體顆粒的沉降形態(tài)兩種沉降形態(tài)兩種沉降形態(tài):滯流和湍流。滯流和湍流。 圓球顆粒直徑不大并以極慢的速度沉降時

31、，流體成為一層一圓球顆粒直徑不大并以極慢的速度沉降時，流體成為一層一層地繞過物體，為層地繞過物體，為滯流沉降滯流沉降。當(dāng)固體的沉降速度較大時，圓當(dāng)固體的沉降速度較大時，圓球顆粒背部出現(xiàn)尾跡，產(chǎn)生邊球顆粒背部出現(xiàn)尾跡，產(chǎn)生邊界層分離，在球體后面和周圍界層分離，在球體后面和周圍形成大量漩渦，為形成大量漩渦，為湍流沉降湍流沉降。衡量固體顆粒沉降的流動形態(tài)的依據(jù)也是雷諾數(shù)。衡量固體顆粒沉降的流動形態(tài)的依據(jù)也是雷諾數(shù)。用雷諾數(shù)判別沉降的流動形態(tài)時，對于球形顆粒的沉降，用雷諾數(shù)判別沉降的流動形態(tài)時，對于球形顆粒的沉降，q當(dāng)當(dāng)ReRet t 1 500500時，為明顯而穩(wěn)定的湍流；時，為明顯而穩(wěn)定的湍流；q

32、當(dāng)當(dāng)1 Re1 Ret t 500 500時，為過渡形態(tài)時，為過渡形態(tài)tptudReut:顆粒沉降速度顆粒沉降速度3 3 固體顆粒的沉降速度固體顆粒的沉降速度( (一一) ) 顆粒的自由沉降速度顆粒的自由沉降速度u重力重力 Fg阻力阻力 Fd浮力浮力 Fb2422udFpdgdFppg36gdFpb36 p p為顆粒密度為顆粒密度ddumFFFdbg243)(udgddupppp根據(jù)牛頓第二定律，顆粒的重力沉降運動基本方程式應(yīng)為根據(jù)牛頓第二定律，顆粒的重力沉降運動基本方程式應(yīng)為: 隨著顆粒向下沉降，隨著顆粒向下沉降，u逐漸增大，逐漸增大，du/d逐漸減少。逐漸減少。 當(dāng)當(dāng)u增到一定數(shù)值增到一定

33、數(shù)值ui時，時， du/d =0。顆粒開始作勻速沉降運動。顆粒開始作勻速沉降運動。3)(4pptgdu上式表明：上式表明：顆粒的沉降過程分為兩個階段：顆粒的沉降過程分為兩個階段：沉降速度沉降速度（Settling/Falling velocity），也稱為終端速度也稱為終端速度（Terminal velocity），以），以ut表示表示 當(dāng)當(dāng)du/d =0時，令時，令u= ut，則可得沉降速度計算式，則可得沉降速度計算式加速階段加速階段(Accelerating settling stage) ；勻速階段勻速階段(Uniform settling stage) 。對球形顆粒，加速度為零時，對球

34、形顆粒，加速度為零時，34gduppt應(yīng)用該式時應(yīng)具備應(yīng)用該式時應(yīng)具備兩個條件兩個條件：q容器的尺寸要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒的尺寸，因器壁會對顆粒的沉容器的尺寸要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒的尺寸，因器壁會對顆粒的沉降有阻滯作用；降有阻滯作用；q顆粒不可過分細(xì)微，因細(xì)微顆粒易發(fā)生布朗運動。顆粒不可過分細(xì)微，因細(xì)微顆粒易發(fā)生布朗運動。由于該式的推導(dǎo)限于自由沉降（由于該式的推導(dǎo)限于自由沉降（Free settlingFree settling），即，任），即，任一顆粒的沉降不受流體中其他顆粒干擾。一顆粒的沉降不受流體中其他顆粒干擾。 假設(shè)流體流動類型；假設(shè)流體流動類型； 計算沉降速度；計算沉降速度； 計算計算ReRe，驗證

35、與假設(shè)是否相符；，驗證與假設(shè)是否相符； 如果不相符，則轉(zhuǎn)如果不相符，則轉(zhuǎn)。如果相符，。如果相符，OK !OK !1. 試差法。常采用試差法。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/。用試差求用試差求! ! 對于小顆粒，假設(shè)對于小顆粒，假設(shè)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，則假設(shè)成立，符合，則假設(shè)成立， ut為所求；為所求； 不符合，重新假設(shè)。不符合，重新假設(shè)。P116P116 (1) (1)滯流區(qū)（斯托克斯定滯流區(qū)（斯托克斯定律區(qū)，律區(qū)，1010-4-4ReRet t

36、11） =24/Re=24/Ret t (2)(2)過渡區(qū)（艾倫區(qū)，過渡區(qū)（艾倫區(qū)，1Re1Ret t10103 3） =18.5/=18.5/（ReRet t0.60.6） gd.uppt）（ 741756040611540 .p.ptgd.u ）（(3)(3)湍流區(qū)（牛頓定律區(qū)，湍流區(qū)（牛頓定律區(qū)，500Ret2500Ret210105 5） =0.44 =0.4418)(2gduppt2.2.摩擦數(shù)群法摩擦數(shù)群法( (圖解法圖解法) )22222Retptud又兩式相乘，消去兩式相乘，消去ut，即，即23434tsppstugddgu23234Regdstpp32)(gdKp令3234R

37、eKt因為因為 一一對應(yīng)，對于非球形顆粒一一對應(yīng)，對于非球形顆粒一定，一定， 亦一一對應(yīng)，所以亦一一對應(yīng)，所以 必亦一一對應(yīng)。必亦一一對應(yīng)。在在 坐標(biāo)上標(biāo)繪出曲線，由坐標(biāo)上標(biāo)繪出曲線，由 計算值找到曲計算值找到曲線上對應(yīng)的點位置。線上對應(yīng)的點位置。再由再由ReRet t值值, , 求得求得 ，避免了試差。，避免了試差。若已知若已知u ut t，求顆粒直徑，求顆粒直徑d dp p, ,也可用類似方法。也可用類似方法。在在 曲線中查得曲線中查得ReRet t，再根據(jù)，再根據(jù)u ut t計算計算d dp p，即，即tRetRettReRe2ttReRe22Retdutt/Re32134Retstug

38、ttReRe1ttpudRe圖圖3- 13 3- 13 ReRe t t2 2-Re-Re t t和和Re Re t t -1-1-Re -Re t t 的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線P117例：計算直徑為例：計算直徑為9595 m m，密度為，密度為3000kg/m3000kg/m3 3的固體顆粒的固體顆粒在在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計算計算Re，核算流型：，核算流型：19244. 0Re33610005. 12 .99810797. 91095udp假設(shè)

39、正確，計算有效。假設(shè)正確，計算有效。解：在解：在20 20 的水中：的水中： 20 20 水的密度為水的密度為998.2kg/m998.2kg/m3 3，粘度為，粘度為1.0051.0051010-3 -3 PaPa s s先設(shè)為層流區(qū)。先設(shè)為層流區(qū)。 18)(2ppgdtu1) 1) 顆粒直徑顆粒直徑d dp p: :應(yīng)用：應(yīng)用：啤酒生產(chǎn)，采用絮狀酵母，啤酒生產(chǎn)，采用絮狀酵母，dpu ut t，使啤酒易于分離和澄清。，使啤酒易于分離和澄清。均質(zhì)乳化，均質(zhì)乳化， dput，使飲料不易分層。，使飲料不易分層。加絮凝劑，如水中加明礬。加絮凝劑，如水中加明礬。2) 2) 連續(xù)相的粘度連續(xù)相的粘度 ：

40、應(yīng)用：應(yīng)用：加酶：清飲料中添加果膠酶，使加酶：清飲料中添加果膠酶，使 ut，易于分離。，易于分離。增稠：濃飲料中添加增稠劑，使增稠：濃飲料中添加增稠劑，使 ut，不易分層。，不易分層。加熱：加熱：3) 兩相密度差兩相密度差( p- )： 兩相密度差兩相密度差 沉降速度沉降速度 ，但在一定懸浮液，但在一定懸浮液的沉降分離中，該數(shù)值很難改變。的沉降分離中，該數(shù)值很難改變。( (二二) ) 影響沉降速度的因素影響沉降速度的因素( (以層流區(qū)為例以層流區(qū)為例) ) (三三) 實際沉降速度實際沉降速度ut(1)顆粒的體積濃度顆粒的體積濃度 當(dāng)體積濃度當(dāng)體積濃度0.2%，各，各ut的理論計算值偏的理論計算

41、值偏差差100d時，器壁效應(yīng)可忽略。時，器壁效應(yīng)可忽略。(3) 顆粒形狀影響顆粒形狀影響顆粒形狀與球形間的差異程度可用形狀系數(shù)顆粒形狀與球形間的差異程度可用形狀系數(shù), ,即球形度即球形度S S表表征。征。非球形顆粒的形狀可用球形度非球形顆粒的形狀可用球形度 s 來描述。來描述。pSSs s 球形度；球形度；S 顆粒的表面積，顆粒的表面積，m2；Sp 與顆粒體積相等的圓球的表面積，與顆粒體積相等的圓球的表面積，m2。 不同球形度下阻力系數(shù)與不同球形度下阻力系數(shù)與ReRe的關(guān)系見課本圖示，的關(guān)系見課本圖示，ReRe中的中的d dp p用當(dāng)量直徑用當(dāng)量直徑d de e代替。代替。球形度球形度 s s

42、越小，阻力系數(shù)越小，阻力系數(shù) 越大，非球形顆粒與球形的差越大，非球形顆粒與球形的差異越大異越大, u, ut t , ,但在層流區(qū)不明顯。但在層流區(qū)不明顯。u ut t非球非球 u ut t球球 。對于細(xì)微顆粒對于細(xì)微顆粒( (d d0.55m的塵粒。對于顆粒含量高于的塵粒。對于顆粒含量高于200g/m3的氣的氣體，也可除去體，也可除去3m以上的塵粒。以上的塵粒。不適用于處理粘性大、含濕量高的腐蝕性的粉塵。不適用于處理粘性大、含濕量高的腐蝕性的粉塵。(2) (2) 旋風(fēng)分離器的性能旋風(fēng)分離器的性能 臨界粒徑臨界粒徑d dc c d dc c: :指理論上能完全被分離下來的最小顆粒直徑，它是判斷

43、指理論上能完全被分離下來的最小顆粒直徑，它是判斷分離效率高低的重要依據(jù)。分離效率高低的重要依據(jù)。一般旋風(fēng)分離器以圓筒直徑一般旋風(fēng)分離器以圓筒直徑D為參數(shù)，其它尺寸都與為參數(shù)，其它尺寸都與D成一成一定比例。定比例。通常通常B=D/4，Ddc分離效率分離效率。 Ne一般為一般為0.53.0，標(biāo)準(zhǔn)系列旋風(fēng)分離器，標(biāo)準(zhǔn)系列旋風(fēng)分離器Ne=5。 注意用該公式計算出的注意用該公式計算出的dc值與實際情況偏差大。值與實際情況偏差大。piecuNBd 9 分離效率分離效率總效率：總效率：指進(jìn)入旋風(fēng)分離器的全部顆粒中被分離下來的質(zhì)量分率。指進(jìn)入旋風(fēng)分離器的全部顆粒中被分離下來的質(zhì)量分率。1210CCC C1：進(jìn)

44、氣含塵濃度，：進(jìn)氣含塵濃度，g/m3；C2：出氣含塵濃度，：出氣含塵濃度，g/m3；分效率分效率（粒級效率）（粒級效率）粒級效率粒級效率:按各種粒度分別表明其被分離下來的質(zhì)量分率。按各種粒度分別表明其被分離下來的質(zhì)量分率。iiipiCCC121 C C1i1i ：進(jìn)口氣體中粒徑在第：進(jìn)口氣體中粒徑在第i i小段范圍內(nèi)的顆粒濃度，小段范圍內(nèi)的顆粒濃度，kg/mkg/m3 3； C C2i2i ：出口氣體中粒徑在第：出口氣體中粒徑在第i i小段范圍內(nèi)的顆粒濃度，小段范圍內(nèi)的顆粒濃度，kg/mkg/m3 3；粒級效率粒級效率p p與顆粒直徑與顆粒直徑d di i的對應(yīng)關(guān)系可用曲線表示，稱為的對應(yīng)關(guān)系

45、可用曲線表示，稱為粒級效率曲線粒級效率曲線。理論上，凡直徑大于理論上，凡直徑大于d dc c的顆粒，其粒級效率都應(yīng)等于的顆粒，其粒級效率都應(yīng)等于100%100%，小于小于d dc c的顆粒效率為零。如圖示：的顆粒效率為零。如圖示：實踐中常把粒級效率曲線繪成粒級效率實踐中常把粒級效率曲線繪成粒級效率與與d/dd/d5050的關(guān)系曲線。的關(guān)系曲線。分割粒徑分割粒徑：粒級效率為：粒級效率為50%時的顆粒直徑。時的顆粒直徑。xi：i粒級所占質(zhì)量粒級所占質(zhì)量% 總效率與粒級效總效率與粒級效率的關(guān)系：率的關(guān)系：p 實測粒級效率曲線卻是一條曲線，小于實測粒級效率曲線卻是一條曲線，小于d dc c的顆粒也有可

46、觀的分離效的顆粒也有可觀的分離效果，而大于果，而大于d dc c的顆粒還有部分未分離下來。的顆粒還有部分未分離下來。 為什么？為什么？靠近壁面的小顆粒，所需沉降時間短；靠近壁面的小顆粒，所需沉降時間短；小顆粒在器內(nèi)聚結(jié)成為大顆粒，因而有較大的沉降速度；小顆粒在器內(nèi)聚結(jié)成為大顆粒，因而有較大的沉降速度；大顆粒可能受氣體渦流影響未到達(dá)器壁。或者沉降后又被氣流重新卷大顆粒可能受氣體渦流影響未到達(dá)器壁。或者沉降后又被氣流重新卷起而帶走。起而帶走。 壓強降壓強降評價旋風(fēng)分離器的一個重要性能指標(biāo)，它是決定分離過程評價旋風(fēng)分離器的一個重要性能指標(biāo)，它是決定分離過程的能耗和合理選擇風(fēng)機(jī)的依據(jù)。的能耗和合理選擇

47、風(fēng)機(jī)的依據(jù)。P:P:表示為與進(jìn)口氣體動能成正比。表示為與進(jìn)口氣體動能成正比。 ：阻力系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)型：阻力系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)型 =8.0(=8.0(實測實測) )(3)(3)分離的影響因素：分離的影響因素：(1) 入口氣體流量入口氣體流量 V,(2) 入口氣速入口氣速 ui p=5002000Pa ， ui, 渦流加劇渦流加劇, 壓降壓降 ui=1525m/s(3) 較小的分離器較小的分離器 當(dāng)處理量較大時，常并聯(lián)使用幾個小的分離器當(dāng)處理量較大時，常并聯(lián)使用幾個小的分離器 (4)出口管的長度出口管的長度 (5)分離器的直徑分離器的直徑 D:d = 3:1(6)排氣設(shè)備排氣設(shè)備在塵粒出口出為負(fù)壓在塵粒出口出

48、為負(fù)壓,若不密封，空氣將會進(jìn)入，阻礙塵粒的若不密封，空氣將會進(jìn)入，阻礙塵粒的下降。下降。(4) (4) 常用旋風(fēng)分離器的型式常用旋風(fēng)分離器的型式常用型式：標(biāo)準(zhǔn)型、常用型式：標(biāo)準(zhǔn)型、CLTCLT、CLT/ACLT/A、CLPCLP等。等。傾斜螺傾斜螺旋面進(jìn)旋面進(jìn)口，減口，減小渦流小渦流影響。影響。氣流阻氣流阻力系數(shù)力系數(shù)較低，較低，=55.5帶有旁帶有旁室結(jié)構(gòu)，室結(jié)構(gòu)，蝸殼式蝸殼式進(jìn)氣口，進(jìn)氣口，可聚結(jié)可聚結(jié)被上旋被上旋流帶到流帶到頂部的頂部的細(xì)粒。細(xì)粒。=4.85.8結(jié)構(gòu)上小結(jié)構(gòu)上小下大，下下大，下設(shè)擋灰盤，設(shè)擋灰盤，可有效防可有效防止已沉降止已沉降的細(xì)粒被的細(xì)粒被重新卷起。重新卷起。CLT/

49、A型型CLT型型擴(kuò)散型擴(kuò)散型標(biāo)準(zhǔn)型標(biāo)準(zhǔn)型2. 2. 旋液分離器旋液分離器旋液分離器用于旋液分離器用于從液體中分離出固從液體中分離出固體顆粒，其結(jié)構(gòu)和體顆粒，其結(jié)構(gòu)和操作原理與旋風(fēng)分操作原理與旋風(fēng)分離器類似。離器類似。如圖所示。懸浮如圖所示。懸浮液在旋液分離器中液在旋液分離器中被分為頂部溢流和被分為頂部溢流和底部底流的乳濁液底部底流的乳濁液兩部分。由于液體粘度大、密度也大，顆粒沉降分離比較困兩部分。由于液體粘度大、密度也大，顆粒沉降分離比較困難，所以一般頂流中往往帶有部分顆粒。因此旋液分離器可難，所以一般頂流中往往帶有部分顆粒。因此旋液分離器可用于懸浮液的增稠或分級，也可用于液液萃取等操作中。用

50、于懸浮液的增稠或分級，也可用于液液萃取等操作中。與旋風(fēng)分離器相比，與旋風(fēng)分離器相比，旋液分離器的特點旋液分離器的特點是：形狀細(xì)長、直是：形狀細(xì)長、直徑小，圓錐部分長，以利于分離；中心有一個處于負(fù)壓的徑小，圓錐部分長，以利于分離；中心有一個處于負(fù)壓的氣柱，有利于提高分離效率。氣柱，有利于提高分離效率。旋液分離器結(jié)構(gòu)簡單，沒有運動部件，體積小、處理量大旋液分離器結(jié)構(gòu)簡單，沒有運動部件，體積小、處理量大；但由于顆粒沿器體壁面高速運動，產(chǎn)生較大阻力，同時；但由于顆粒沿器體壁面高速運動，產(chǎn)生較大阻力，同時也會造成設(shè)備嚴(yán)重磨損，一般應(yīng)采用耐磨材料制造。也會造成設(shè)備嚴(yán)重磨損，一般應(yīng)采用耐磨材料制造。3. 3

51、. 離心機(jī)離心機(jī)離心機(jī)離心機(jī): :利用慣性離心力分離液態(tài)非均相混合物的機(jī)械利用慣性離心力分離液態(tài)非均相混合物的機(jī)械. .與與旋液分離器的主要區(qū)別在于離心力是由設(shè)備旋液分離器的主要區(qū)別在于離心力是由設(shè)備( (轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)鼓) )本身旋本身旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。按分離方式可分為：按分離方式可分為： 過濾式離心機(jī)過濾式離心機(jī)( (轉(zhuǎn)鼓上開孔，內(nèi)壁覆以濾布轉(zhuǎn)鼓上開孔，內(nèi)壁覆以濾布) )。 沉降式：沉降式：( (用來處理懸浮液用來處理懸浮液) ) 分離式：分離式：( (用來處理乳濁液，兩種液體按輕重分層用來處理乳濁液，兩種液體按輕重分層) )按分離因素按分離因素(K(Kc c) )分：分： 常速離心機(jī)常速

52、離心機(jī) K Kc c3000(5000050000常用的離心沉降機(jī)有：常用的離心沉降機(jī)有： 轉(zhuǎn)鼓式離心沉降機(jī)轉(zhuǎn)鼓式離心沉降機(jī) 蝶片式離心機(jī)蝶片式離心機(jī) 管式超速離心機(jī)管式超速離心機(jī) 螺旋式沉降離心機(jī)螺旋式沉降離心機(jī)(1) 轉(zhuǎn)鼓式離心沉降機(jī)(2) 蝶片式離心機(jī)用用 途：分離乳濁液和從液體中分離少量極細(xì)的固體途：分離乳濁液和從液體中分離少量極細(xì)的固體顆粒。顆粒。(3) 管式超速離心機(jī)管式超速離心機(jī)分離因素一般高達(dá)分離因素一般高達(dá)1500060000，轉(zhuǎn)速高達(dá)，轉(zhuǎn)速高達(dá)800050000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分。為了減分。為了減小轉(zhuǎn)筒所受的應(yīng)力，轉(zhuǎn)筒設(shè)小轉(zhuǎn)筒所受的應(yīng)力，轉(zhuǎn)筒設(shè)計成細(xì)長形，轉(zhuǎn)筒直徑計成細(xì)長形，轉(zhuǎn)筒直徑

53、0.10.2m，管高，管高0.751.5m。(4) 螺旋式沉降離心機(jī)第四節(jié)第四節(jié) 固體流態(tài)化固體流態(tài)化 P125P125一、一、 概述概述 二、二、 床層的流態(tài)化過程床層的流態(tài)化過程三、三、 流化床的類似液體的特性流化床的類似液體的特性四、四、 流體通過流化床的阻力流體通過流化床的阻力五、流化床的操作范圍五、流化床的操作范圍六、六、 流化床的主要特點流化床的主要特點七、流化床的高度與直徑七、流化床的高度與直徑八、氣力輸送簡介八、氣力輸送簡介一、一、 概述概述固體流態(tài)化：固體流態(tài)化：流體以一定的流速通過固體顆粒組成的床層流體以一定的流速通過固體顆粒組成的床層時，可將大量固體顆粒懸浮于流動的流體中

54、，顆粒在流體時，可將大量固體顆粒懸浮于流動的流體中，顆粒在流體作用下上下翻滾，類似于液體的沸騰。這種狀態(tài)稱為固體作用下上下翻滾，類似于液體的沸騰。這種狀態(tài)稱為固體流態(tài)化。簡單來說，流態(tài)化。簡單來說，固體流態(tài)化就是固體物質(zhì)流體化。固體流態(tài)化就是固體物質(zhì)流體化。流態(tài)化技術(shù)是近流態(tài)化技術(shù)是近5050多年發(fā)展起來的一種新技術(shù)，設(shè)備結(jié)構(gòu)多年發(fā)展起來的一種新技術(shù)，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)強度大、易于實現(xiàn)連續(xù)化、自動化操作。簡單、生產(chǎn)強度大、易于實現(xiàn)連續(xù)化、自動化操作。該技術(shù)在食品工業(yè)中，主要用于該技術(shù)在食品工業(yè)中，主要用于加熱加熱、冷卻冷卻、冷凍冷凍、干燥干燥、混合混合、造粒造粒、浸出浸出、洗滌洗滌等方面。等方

55、面。固體流態(tài)化的優(yōu)點固體流態(tài)化的優(yōu)點1 1、顆粒流動平穩(wěn)，類似液體，可實現(xiàn)連續(xù)、自動控制；、顆粒流動平穩(wěn)，類似液體，可實現(xiàn)連續(xù)、自動控制；2 2、固體顆粒混合迅速，整個流化床內(nèi)處于等溫狀態(tài)；、固體顆粒混合迅速，整個流化床內(nèi)處于等溫狀態(tài)；3 3、流體與顆粒之間的傳熱和傳質(zhì)速率高；、流體與顆粒之間的傳熱和傳質(zhì)速率高；4 4、整個床層與浸沒物體之間傳熱速率高。、整個床層與浸沒物體之間傳熱速率高。二、二、 床層的流態(tài)化過程床層的流態(tài)化過程(一一)流態(tài)化現(xiàn)象流態(tài)化現(xiàn)象a.固定床；固定床；b-c-d.流化床；流化床；e. 氣力輸送氣力輸送(1) (1) 固定床階段固定床階段 特點：特點：通過床層的流速低；

56、通過床層的流速低；顆粒受的曳力小，顆粒之間緊密相接，靜止不動；顆粒受的曳力小，顆粒之間緊密相接，靜止不動；床層高度不變；床層高度不變；uu，流體通過床層的阻力，流體通過床層的阻力 ，其關(guān)系可以用歐根公式表，其關(guān)系可以用歐根公式表示，如圖示，如圖(a)(a)。(2) (2) 流化床階段流化床階段 特點：特點：當(dāng)當(dāng)uu一定值時，一定值時，( (顆粒的顆粒的) )曳力接近凈重力曳力接近凈重力（重力減去浮力）（重力減去浮力），或者流體通過，或者流體通過床層的阻力接近單位截面床層的重量床層的阻力接近單位截面床層的重量時，顆時，顆粒開始浮動，但仍未脫離原來的位置，如圖粒開始浮動，但仍未脫離原來的位置，如圖

57、(b)(b)。在此狀態(tài)時，在此狀態(tài)時， u u稍稍稍稍 ，顆粒便互相離開，床層的高度也會，顆粒便互相離開，床層的高度也會有所提高，則這時的狀態(tài)稱為有所提高，則這時的狀態(tài)稱為起始流化狀態(tài)起始流化狀態(tài)或或臨界流化狀態(tài)臨界流化狀態(tài)，對應(yīng)的流速稱為，對應(yīng)的流速稱為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 。在臨界流化狀態(tài)時，繼續(xù)在臨界流化狀態(tài)時，繼續(xù)u ，則顆粒間的距離增大，顆粒，則顆粒間的距離增大，顆粒作劇烈的隨機(jī)運動，這個階段稱為作劇烈的隨機(jī)運動，這個階段稱為流化床階段流化床階段(沸騰床沸騰床)。在在流化床階段流化床階段，隨流體空床流速的增加，床層高度增高，床，隨

58、流體空床流速的增加，床層高度增高，床層的空隙率也增大，使顆粒間的流體流速保持不變；此時層的空隙率也增大，使顆粒間的流體流速保持不變；此時床床層空隙中的流速層空隙中的流速=顆粒的沉降速度顆粒的沉降速度，同時床層的阻力幾乎保，同時床層的阻力幾乎保持不變，等于單位截面床層的重量。持不變，等于單位截面床層的重量。流化床階段還有一個特點是流化床階段還有一個特點是床層有明顯的上界面床層有明顯的上界面，如圖，如圖(c、d)所示。所示。(3) (3) 氣力（或液力）輸送階段氣力（或液力）輸送階段 特點：特點：當(dāng)當(dāng)流體流速（空塔速度流體流速（空塔速度u）=顆粒的沉降速度顆粒的沉降速度時，顆粒被流時，顆粒被流體帶

59、出器外，體帶出器外，床層的上界面消失，此時的流速稱為流化床床層的上界面消失，此時的流速稱為流化床的帶出速度的帶出速度，流速高于帶出速度后，為，流速高于帶出速度后，為流體輸送階段流體輸送階段，如，如圖圖(e)所示。所示。( (二二) ) 兩種不同的流化形式兩種不同的流化形式（1 1） 散式流化（液散式流化（液- -固系統(tǒng)固系統(tǒng)）固體顆粒均勻地分散在流化介質(zhì)中，亦稱固體顆粒均勻地分散在流化介質(zhì)中，亦稱均勻流化或理想流化均勻流化或理想流化。特點特點： a 在流化過程中有一個明顯的臨界流態(tài)化點和臨界流化速度；在流化過程中有一個明顯的臨界流態(tài)化點和臨界流化速度； b 流化床層的壓降為一常數(shù)：流化床層的壓

60、降為一常數(shù)： c 床層有一個平穩(wěn)的上界面；床層有一個平穩(wěn)的上界面； d 流態(tài)化床層的空隙率在任何流速下都有一個代表性的均勻值流態(tài)化床層的空隙率在任何流速下都有一個代表性的均勻值。不因床層內(nèi)的位置而變化。不因床層內(nèi)的位置而變化。（2 2） 聚式流化（氣聚式流化（氣- -固系統(tǒng)）固系統(tǒng)）通常兩相密度差較大的系統(tǒng)趨向于聚式流化。如氣固系統(tǒng)往往通常兩相密度差較大的系統(tǒng)趨向于聚式流化。如氣固系統(tǒng)往往成為成為聚式流化聚式流化。聚式流化床一般存在兩相：聚式流化床一般存在兩相： 連續(xù)相：連續(xù)相：是由空隙小，而固體濃度大的氣固均勻混合物構(gòu)成。是由空隙小，而固體濃度大的氣固均勻混合物構(gòu)成。 氣泡相：氣泡相：是夾帶