1、第三章 非均相物系分離和固體流態化概念機械分離固體流態化非均相物系顆粒和顆粒床層特性沉降過濾非均相物系的分離和固體流態化目的基于流體力學（顆粒與流體間的相對運動），掌握非均相物系的機械分離方法、過程計算及其典型設備的結構、特性和選型。概念非均相物系混合物均相混合物（均相物系）非均相混合物（非均相物系）溶液與混合氣體分散物質（分散相）分散介質（連續相）氣態非均相物系（含塵氣體）液態非均相物系（懸浮液）1. 非均相物系固體顆粒、液滴或氣泡 非均相物系概念非均相物系 非均相物系的分離方法機械分離沉降顆粒相對于流體(靜止或運動)運動而實現懸浮物系分離，作用力是重力或離心力。過濾流體相對于固體顆粒床層運

2、動而實現固液分離，作用力是重力、壓強差或離心力。非均相物系分離目的收集分散相、凈化連續相及環保考慮概念顆粒2. 顆粒特性（形狀、體積和表面積） 球形顆粒球形顆粒特性只需直徑d 描述即可。36Vd2Sd6SaVd 非球形顆粒非球形顆粒特性用當量直徑和形狀系數描述。 體積當量直徑 （de）1/3pe6Vd3pe6Vd比表面積單位體積顆粒具有的表面積。等效依據實際顆粒的體積等于當量球形顆粒的體積。概念顆粒 形狀系數（球形度）形狀系數表征顆粒形狀與球形的差異程度。spSS36Vdpe2dSeps6adpsesss11球形；非球形；差異，概念顆粒3. 顆粒群特性 粒徑分布粒徑分布不同粒徑范圍內所含粒子的

3、個數或質量。篩分分析： 標準篩泰勒標準篩、日本JIS標準篩和德國標準篩。 篩分單位目數（篩孔大小），指每英寸長度篩網上的孔數。 篩分過程篩留物（篩余量）和篩過物（篩過量）。比如，100目泰勒篩的篩孔寬度，網線直徑為0.0042 in，1/1000.00420.0058in147 m或概念顆粒 顆粒群的平均粒徑1/iixdda22a133a166kiiikiiindddnd31a21kiiikiiinddnd3siiixK nd3siiixnKd顆粒群的平均粒徑常用平均比表面積直徑，即Sauter直徑。顆粒群的平均粒徑概念顆粒床層1. 床層空隙率床層空隙率（）表征顆粒群堆積而成的床層疏密程度。床

4、層體積-顆粒體積床層體積2. 床層比表面積1aab影響因素顆粒大小、形狀、粒徑分布與充填方式。一般亂堆床層的空隙率為0.470.7。6adbbs1 bs6 1adb概念顆粒床層3. 床層自由截面積（空隙截面積）床層自由截面積指床層截面上未被顆粒占據的、流體可以自由通過的面積。 壁效應：因壁面處床層床層內部 ，較多流體必趨向近壁處流過，故床層截面上的流體分布不均勻。 床層特性：各向同性。 各向同性床層特點： 。空隙截面積床層截面積概念顆粒床層4. 流體通過顆粒床層的壓強降（建模法）簡化模型：床層中不規則的通道一組平行細管（L、de ），規定 細管的全部流動空間顆粒床層的空隙容積。 細管的內表面積

5、顆粒床層的全部表面積。ebb4441daa床層流動空間細管的全部內表面積1uu21feb2uLpd2f31apuL流體通道：細小、曲折且相互交聯。流型：顆粒床層具有較大比表面積層流。流體通過固定床壓強降公式概念顆粒床層5KReKb；141d uuRea ebb223152a upReLfb 康采尼（Kozeny）方程4.170.29Reb22233114.170.29a ua upLf6adse22233111501.75uupLdd fsese4.17200Reb22311503upReLdfbse2311.1 0507upReLd fbse 歐根（Ergun）方程沉降分離重力沉降1. 沉降

6、分離沉降分離在外力場中，因分散相和連續相之間存在密度差，使之發生相對運動而實現非均相物系分離。重力沉降離心沉降外力場自由沉降干擾沉降顆粒是否受到其他顆粒或器壁的影響沉降：屬于流體相對于顆粒的繞流問題；流固間的相對運動有三種情形： 流體靜止，顆粒相對于流體作沉降或浮升運動。 顆粒靜止，流體對固體作繞流。 固體和流體都運動，但二者保持一定的相對速度。沉降分離重力沉降2. 重力沉降 球形顆粒的自由沉降3gs6Fdg3b6Fdg2323ssd6426duudgddgbdFFFma顆粒沉降時的受力22d24uFdst0043tuaaauuugd開m ax始 加速，；平衡 等速，剛性球形顆粒的沉降速度，即

7、終端速度。沉降分離重力沉降 阻力系數ttst,duf ReRe 層流區或斯托克斯（Stokes）定律區 過渡區或艾侖（Allen）定律區 湍流區或牛頓（Newton）定律區 （P147, 圖3-2）tRe2st4tt2410118ReRedgu，s30.6ttt0.6t18.51100.27dgReuReRe，s35tt102 100.441.74dgReu，沉降分離重力沉降 沉降速度的影響因素 流體黏度層流區內摩擦力占優；湍流區形體阻力占優；過渡區內摩擦力和形體阻力均有。 。 顆粒體積分數顆粒體積分數 0.2%，偏差1%。顆粒體積分數較高，發生干擾沉降。 器壁效應容器壁面和底面增加顆粒沉降阻

8、力實際沉降速度自由沉降速度。 顆粒形狀對同一固體而言，球形或近球形顆粒比同體積非球形顆粒沉降快。tRe 摩擦力，形體阻力沉降分離重力沉降 求解 試差法 摩擦數群法tuuRett假設顆粒沉降的流型根據相應的沉降公式求按 檢驗st43gdus2t43dguttduRe2222tt2d uRe3s2t243dgRe 1/3s2gdK 23t43ReK2tttReReRe關系（P147，圖3-2）關系（P150，圖3-3）ttReud沉降分離重力沉降求某介質中具有 u t 的顆粒直徑：12343gReu sttRedutt 流型判據K值218dgustttdu Re3st218dgRe 1tttReR

9、eRe關系（P147，圖3-2）關系（P150，圖3-3）3t18KRe 2.622.62 69.169.1KKK層流區；過渡區；湍流區。K值判斷流型避免試差1/3s2gKd 沉降分離重力沉降設備1. 降塵室HuttlutlHuutVu HbsVublst單層降塵室的生產能力降塵室塵粒在降塵室內的運動降塵室生產能力僅與沉降面積及沉降速度有關，而與降塵室高度無關。 單層降塵室沉降分離重力沉降設備 多層降塵室st1Vnblu2. 沉降槽和分級器（自習）多層降塵室 沉降速度根據需要完全分離下來的最小顆粒尺寸計算。 氣體在降塵室內的速度不應過高層流。單層降塵室優點：結構簡單，流動阻力小；缺點：體積龐大

10、，分離效率低預除塵（大于50 的粗顆粒）。多層降塵室優點：分離較細顆粒，節省地面；缺點：清灰麻煩。m沉降分離離心沉降1. 離心沉降23ts6udr離心力=23t6udr向心力=22r24ud阻力=222332ttrs06624uuudddrr2str43duur顆粒在離心力場中的運動離心沉降速度沉降分離離心沉降sstrt24433ugrdduu 形式上相似。 離心沉降速度是顆粒運動的徑向速度，方向為沿半徑向外。 離心沉降速度不是恒定值，隨顆粒位置而變；而重力沉降速度則是恒定值。沉降分離離心沉降r24Re2218duurstr218dugst2uuKugrrttc離心分離因數離心沉降分離兩相密度

11、差小、細顆粒的非均相物系。層流：2str43duurc52500K 旋風或旋液分離器： 。 比如，旋轉半徑為0.4 m、切向速度為20 m/s，2c201029.81 0.4K 沉降分離旋風分離器1. 旋風分離器旋風分離器依靠離心力從氣流中分離出塵粒的裝置。內旋流亦稱氣芯，指上行的螺旋形氣流，具有低壓性。兩者的旋轉方向一致。標準旋風分離器氣體在旋風分離器里的運動外旋流下行的螺旋形氣流。 結構簡單、低成本、操作條件范圍寬、分離效率較高。200m5m5200m的顆粒，用重力沉降除去；的顆粒，用袋濾器或濕法捕集；的顆粒，用旋風分離器除去。 不宜處理黏性粉塵、含濕量高的粉塵及 腐蝕性粉塵。沉降分離旋風

12、分離器2. 旋風分離器性能 臨界粒徑假定： 進口氣流作嚴格的等速螺旋運動，切向速度為進口氣速。 顆粒必須穿過厚度為B的氣流層方能到達壁面而被分離。 顆粒在層流下作自由沉降。2218duurstrssmrr2218duursirm2218 r BBudumtrsi2Nruemi9 BdNucesi臨界粒徑理論上被旋風分離器完全分離的最小顆粒直徑。臨界粒徑cdD，ee0.5 35NN標準旋風分離器，沉降分離旋風分離器 分離效率1201CCCCCC1, i2,ip,i1,i0ip,i1nix粒級效率曲線50s0.27iDdu分割粒徑粒級效率恰為50%的顆粒直徑。總效率粒級效率沉降分離旋風分離器 壓強

13、降22iup 旋風分離器 。 標準旋風分離器： 。8500 2000 Pap 物系：顆粒的密度大、粒徑大及粉塵濃度高利于分離。 操作條件：進口氣速保持在1025 m/s。 旋風分離器性能的影響因素沉降分離旋風分離器3. 旋風分離器選型選型根據系統物性與任務要求，結合設備特點，選定旋風分離器的形式，通過計算決定其尺寸與個數。旋風分離器的計算依據有：含塵氣的體積流量、所要求的分離效率和允許的壓強降。旋液分離器亦稱水力旋流器，利用離心沉降從懸浮液中分離固體顆粒的設備，其結構與原理類似于旋風分離器。旋液分離器（自習）過濾概念 1. 過濾過濾以某種多孔物質為介質，在外力下使懸浮液中的液體通過介質孔道，顆

14、粒被截留在介質上，實現固液分離。 過濾 過濾注意：工程上常用的過濾是以壓強差為推動力。過濾概念過濾方式餅層過濾和深床過濾架橋現象 過濾方式 餅層過濾過濾初期，發生顆粒架橋。真正攔截顆粒的是濾餅層而不是過濾介質。處理固相體積分數1%的懸浮液。 深床過濾顆粒不形成濾餅，沉積在較厚的過濾介質床層內部。處理細小顆粒、固相體積分數0.1%的懸浮液。過濾概念 織物介質（濾布）被截留的顆粒最小直徑為565 。 堆積介質多用于深床過濾，如細砂等。 多孔固體介質具有很多微細孔道的固體材料，截攔13 顆粒。 過濾介質過濾介質濾餅的支撐物，具有足夠的力學強度、盡可能小的流動阻力、一定的耐腐蝕性和耐熱性。mm 濾餅

15、濾餅由截留下的顆粒堆積而成的床層。過濾進行濾餅厚度，流動阻力 根據顆粒特性不可壓縮濾餅和可壓縮濾餅。 不可壓縮濾餅單位厚度床層的流動阻力恒定。過濾基本方程過濾基本方程描述過濾速率與過濾推動力、過濾面積、濾漿性質、介質特性以及濾餅性質等因素之間的數學關系。1. 濾液通過濾餅的流動濾液流動特點 流道為細小、曲折和不規則的網狀結構； 非穩態流動； 層流。3c2251puLa 22315a upLf/速度推動力 阻力過濾基本方程2. 過濾速率和過濾速度過濾速率單位時間內獲得的濾液體積。過濾速度單位時間內通過單位過濾面積的濾液體積。過濾速率3c22dd51pVuALa 3c22dd51A pVLa過濾速

16、度3. 濾餅阻力cccpppRurrLRLuL22351raRrLR濾餅阻力；r濾餅比阻3c22dd51pVuALa 過濾基本方程4. 過濾介質阻力pVARmmddppVuARRRpRcmmmddmeRrLVppArLrLr LLeedd 過濾介質的當量濾餅厚度或虛擬濾餅厚度。 過濾cddpVAR意義：用濾液通過串聯的濾餅與濾布的總壓強降表示過濾推動力；用兩層的阻力之和表示總阻力。eL過濾基本方程5. 過濾的基本方程VLAVpAr LLedd假定1 m3 濾液濾餅體積為 m3，rrps2VAprVV1edd-s過濾基本方程s 濾餅壓縮指數1LAV：VLAeeeV過濾介質的當量濾液體積或虛擬濾液

17、體積過濾基本方程6. 應用 恒壓過濾（最常見）1kr 1 s2Kk p2edd2VKAVVVVqqAAee；222VKAqKConstp ；濾餅，阻力，過濾速率2VAprVV 1edd-s22e2VV VKA2e2qq qK恒壓過濾方程eeKVq過濾常數、和過濾基本方程 恒速過濾（過濾初期）Rqu2Rar u Rebr u q pab 不可壓縮濾餅RddConstConstddVVupA ，濾餅，阻力，RddVVquAA2eddVAprVV Reddqpurqq 2RRepr ur u q 恒速過濾時，壓強差隨過濾時間成線性增加。過濾基本方程 復合式過濾（先恒速后恒壓）RVR恒速段終了瞬間的濾

18、液體積。恒速段終了瞬間的過濾時間。恒壓階段的過濾方程先恒速后恒壓過濾21eddsVkApVVRR21eddVsVVVVkAp222ReRR2VVV VVKARVVR恒壓段的濾液體積。恒壓段的過濾時間。過濾基本方程 過濾常數的測定恒壓過濾e12qKKqq12sKk plglg1lg 2Kpsk測定壓縮性指數，eeKVq過濾常數、與eeKVq由斜率和截距、與（P179，例3-10）2e2qq qK過濾設備1. 板框壓濾機排列方式（1232）（1232）板框壓濾機操作方式間歇過濾機板框壓濾機 和加壓葉濾機連續過濾機轉筒真空過濾機壓濾機吸濾機離心過濾機壓強差濾板和濾框（型號：BMY50/810-25）

19、過濾設備過濾階段洗滌階段（橫穿洗滌法） 洗水通道面積0.5過濾面積。 洗水流經長度2過濾終了時濾液流經長度。2. 加壓葉濾機（自學）洗滌時采用置換洗滌法。過濾設備3. 轉筒真空過濾機轉筒真空過濾機圓筒轉動一周時，在轉筒表面不同位置上依次進行過濾吸干洗滌吹松卸餅操作。優點連續自動操作，生產能力大，適宜處理量大而容易過濾的濾漿。缺點附屬設備多，費用大，過濾面積不大，過濾推動力有限。過濾設備4. 離心機2uKgrtcc3000K c300050000Kc50000K 常速離心機 高速離心機 超速離心機離心機利用離心力分離液態非均相混合物。沉降離心機、分離離心機和過濾離心機（自學）分離膠體顆粒和破壞乳

20、濁液過濾洗滌濾餅目的 回收滯留在顆粒縫隙間濾液或凈化構成濾餅的顆粒。 洗滌速率即 ，指單位時間內消耗的洗水體積。VWdd洗滌時間 。VVWWWdd1-eddsVpArLL22VVKAVVWEedddd2148VVKAVVWEeddddeeWELLLLeeWE2LLLLW12AAWAA1. 置換洗滌法2. 橫穿洗滌法1-eddsVpArLL過濾過濾機生產能力1. 間歇過濾機的生產能力wDT36003600VVQTWD2. 連續過濾機的生產能力60Tn60Tn22eeVVKA2ee60VKAVn22ee606060Qn VKAnnnV465QA Kn360浸沒角度板框壓濾機生產能力nQ （P185

21、，例3-11） （P187，例3-12）固體流態化固體流態化：顆粒懸浮于流動的流體中，顆粒在流體作用下作類似于液體沸騰的翻滾運動。2. 流態化現象1. 固定床2. 流化床3. 顆粒輸送1. 固體流態化不同流速時床層變化固體流態化流化類型散式流化亦稱均勻流化；流速，床層，床層中各處空隙率，床高；有一穩定上界面。聚式流化床層中有乳化相和氣泡相；不穩定的上界面。散式流化聚式流化固體流態化3. 流化床的主要特性 壓強降ttmfmfs1p AWA Lgmfmfs1pLg s1pLg 理想流化床 關系pu 2fb23se2fb3se1315011001.75upReLdupReLd ；fp 固定床lglgpu 成線性增函數流化床壓強降不變氣流輸送：密相稀相；兩相同向流動固體流態化 駝峰BCD因顆粒靠緊需要更大的推動力； DE向上傾斜絕大部分壓強降用于平衡床層顆粒的重力，還有一小部分壓強降用于克服顆粒間碰撞以及顆粒與器壁間摩擦； 臨界點位移臨界流化速度和臨界空隙率； 壓強降波動 氣