化工單元操作化工單元操作流體相對顆粒(床層)的流動及機械分離

流體相對顆粒(床層)的流動及機械分離《化工單元操作》流體相對顆粒(床層)的流動及機械分離(過濾與沉降)課件

第3章流體相對顆粒(床層)的流動及機械分離

3.1概述

(1)非均勻物系分離

氣、固分離--------

液、固分離-------

固、固分離-------

流化床：眾多固體顆粒懸浮于運動的流體中。基礎：流體及顆粒間的相對運動，相互作用。沉降過濾(2)非均相反應

固定床反應器、流化床反應器等。篩分、分級沉降固定床：眾多固體顆粒堆積成的靜止顆粒層。第3章流體相對顆粒(床層)的流動及機械分離流體相對顆粒流動(外流流動)

流體受顆粒作用產生壓降，研究顆粒及流體性質。流體在管道內流動(內流流動)

流體受管壁粘性阻力，研究管道及流體性質。相同點：同屬流體流動問題，研究問題方法及規律性相似。兩種流動流體相對顆粒流動(外流流動)兩種流動

3.2顆粒及顆粒床層的特性3.2.1 單顆粒的特性參數

(1)描述顆粒形狀1）顆粒的球形度φ

表明：顆粒形狀接近于球形的程度

φ↑，則顆粒越接近于球形。球形顆粒：3.2顆粒及顆粒床層的特性1）顆粒的球形度φ表

2）顆粒的比表面積aV相同時，a↓，則顆粒越接近球形a與φ關系：球形顆粒比表面積：

球形度φ、比表面積аV一定時，а↑,則φ↓，顆粒越偏離球形。描述顆粒形狀參數---2）顆粒的比表面積aV相同時，a↓，則顆粒越接近球形a(2)描述顆粒大小1）等體積當量直徑dv

指：與顆粒體積相等的球形顆粒的直徑。dv與a、φ關系：(2)描述顆粒大小dv與a、φ關系：

2）等比表面積當量直徑da

指：與非球形顆粒比表面積相等的球形顆粒的直徑2）等比表面積當量直徑da3.2.2混合顆粒的特性參數

(1)顆粒的篩分分析標準篩：有不同的系列，常用泰勒標準篩。篩號(目數)：每英寸邊長的篩孔數目篩過量：通過篩孔的顆粒量篩余量：截留于篩面上的顆粒量3.2.2混合顆粒的特性參數*顆粒的篩分尺寸*篩分尺寸與顆粒特性參數的關系較規則顆粒：

條形顆粒：*顆粒的篩分尺寸*篩分尺寸與顆粒特性參數的關系(2)顆粒群的平均特性參數*平均比表面積*顆粒群的等比表面積當量直徑(2)顆粒群的平均特性參數*顆粒群的等比表面積當量直徑3.2.3 顆粒床層的特性組成：

(1)床層空隙率

1)定義：床層中，空隙所占體積分率。表明：床層堆積的松散程度；

ε↑，空隙越大，床層越松散；

ε對流體流過床層的阻力影響很大。3.2.3 顆粒床層的特性(1)床層空隙率表明：床層堆積2)影響床層空隙率的因素①裝填方法：干裝濕裝②顆粒特性的影響

顆粒形狀：

靠壁面處：

粒徑分布：

3)空隙率測量---充水法、稱量法2)影響床層空隙率的因素②顆粒特性的影響3)(2)床層的自由截面積

即：床層中空隙的面積(流體的流通截面積)

自由截面積分率S0與ε關系：同樣表明顆粒堆積的松散程度均勻顆粒，則S0↑，ε↑。(2)床層的自由截面積S0與ε關系：同樣表明顆粒堆積的松(3)床層的比表面積aB

忽略顆粒相互重疊減少的面積，則：(3)床層的比表面積aB忽略顆粒相互重疊減少①顆粒靜止，流體繞過顆粒流動；②流體靜止，顆粒流動；③顆粒和流體都運動，維持一定相對速度。流體和顆粒相對運動的情況：3.3

流體和顆粒的相對運動①顆粒靜止，流體繞過顆粒流動；流體和顆粒相對運動的情況：3.3.1流體繞過顆粒的流動

(1)曳力阻力：顆粒對流體的作用力曳力：流體對顆粒的作用力3.3.1流體繞過顆粒的流動

水平方向，顆粒所受曳力：

水平方向，顆粒所受曳力：《化工單元操作》流體相對顆粒(床層)的流動及機械分離(過濾與沉降)課件●影響因素：●獲得：●影響因素：(2)曳力系數影響因素：①球形顆粒:(2)曳力系數①球形顆粒:

判斷流型：層流（斯托克斯區）

過渡流

湍流判斷流型：②非球形顆粒的曳力系數

計算方法：

近似用球形顆粒公式，ds→da

或dv

實測ξ-Rep

關系（書P168圖3.3.2）②非球形顆粒的曳力系數3.3.2顆粒在流體中的流動

(1)顆粒在力場中的受力分析

①質量力

②浮力③曳力

合力：3.3.2顆粒在流體中的流動(2)顆粒的運動情況運動方向：初始時，兩個階段--①加速階段

②恒速階段終端速度:

簡化：沿合力方向加速階段、恒速階段加速階段很短，忽略不計；認為全過程中，顆粒勻速運動(2)顆粒的運動情況沿合力方向加速階段、恒速階段加速階段很

目的：流體與固體顆粒分離

原理：利用顆粒與流體之間的密度差，將固體顆粒從流體中分離出來。

常用方法：

(1)重力沉降(分離較大的顆粒）

例：選礦3.4沉降（單元操作）(2)離心沉降

(分離尺寸小的顆粒）

例：氣體除塵

目的：流體與固體顆粒分離3.4沉降（單元操作）3.4.1重力沉降速度的計算

(1)球形顆粒的自由沉降

自由沉降：

干擾沉降：勻速階段受力分析：容器壁和其它顆粒不影響沉降速度實際顆粒的沉降3.4.1重力沉降速度的計算容器壁和其它顆粒不影響沉降速其它條件相同時，小顆粒后沉降◆

影響沉降速度的因素：

①顆粒直徑

②流體密度

③顆粒密度

其它條件相同時，密度大的顆粒先沉降。◆球形顆粒的沉降速度其它條件相同時，設備中空氣較水顆粒易沉降其它條件相同時，小顆粒后沉降◆影響沉降速度的因素：其它條2）過渡區關于曳力系數:1）層流區3）湍流區2）過渡區關于曳力系數:3）湍流區或：判據法(避免試差)問題：沉降速度ut未知，如何判斷流型方法：試差法或：判據法(避免試差)問題：沉降速度ut未知，如何判斷流型(2)非球形顆粒的沉降速度同樣條件下，因此，

處理方法：可先假定為顆粒球形，然后校正。書P172圖3.4.1(3)不均勻顆粒的沉降速度

粒徑不同時，除去所有顆粒，顆粒分級時，大顆粒先沉降，小顆粒后沉降。應以最小顆粒直徑計算ut

。以不同粒度，分別進行計算ut

。(2)非球形顆粒的沉降速度可先假定為顆粒球形，然后校正。(4)影響沉降速度的其它因素1)干擾沉降------顆粒沉降時彼此影響

顆粒濃度對沉降速度的影響由于大量顆粒向下沉降而使流體被置換而產生顯著的向上運動

流體表觀物性的影響流體的表觀密度和表觀粘度（即混合物的密度和粘度）都增大顆粒的沉降速度減小(4)影響沉降速度的其它因素1)干擾沉降------顆粒③液滴或氣泡變形液滴或氣泡受曳力變形，影響計算準確性。②流體分子運動的影響顆粒直徑小于2~3μm以下時，抑制重力沉降。④壁效應和端效應時,器壁有影響③液滴或氣泡變形②流體分子運動的影響④壁效應和端效應時,3.4.2 重力沉降設備

(1)降塵室①結構及工作原理

入口：矩形隨氣體的水平流速u顆粒沉降速度ut降塵室底面積塵氣流通截面積塵氣體積流量顆粒速度分解：3.4.2 重力沉降設備隨氣體的水平流速u降塵室底面積顆粒的停留時間顆粒的沉降時間(2)顆粒分離(沉降)條件(3)生產能力

(可處理的塵氣體積流量q

V)說明：生產能力由底面積、沉降速度決定，

與降塵室高度無關多用扁平形狀或多層降塵室(層高40-100mm)顆粒的停留時間顆粒的沉降時間(2)顆粒分離(沉降②計算ut時，如何使塵粒完全分離應以最小顆粒直徑，計算ut

③如何選取氣體速度④重力沉降適于分離的粒徑范圍①如何計算可沉降顆粒的粒徑？提出問題?②計算ut時，如何使塵粒完全分(2)連續式沉降槽（自學）從液體中分離出固體顆粒。(2)連續式沉降槽（自學）3.4.3離心沉降1、作用原理在離心力作用下，靠流體與顆粒間密度差，分離顆粒。2、離心沉降的優點

1）可分離出直徑較小的顆粒(離心力>重力)2）對一定質量顆粒，離心力大小可調，可測粒徑分布，設備操作靈活、尺寸減小。3.4.3離心沉降2、離心沉降的優點3-4-1離心沉降速度

計算方法：同重力場，重力→離心力3-4-1離心沉降速度

重力沉降

離心沉降

對球形顆粒離心沉降速度ur：隨顆粒旋轉半徑r變化重力沉降離心沉降速度ur：隨顆粒旋轉半徑r變化

層流Stokes區：重力沉降離心沉降層流Stokes區：說明：1、ur與旋轉半徑r有關角速度一定時，線速度u一定時，

2、ur與轉數（ω、u）有關調節轉數，可測粒徑分布。

3、衡量離心分離性能的指標離心分離因素KC越大，分離效能越高說明：1、ur與旋轉半徑r有關3-4-4離心沉降設備一、旋風分離器

1、結構和工作原理(標準型)

進氣口形狀：矩形

尺寸：進口管A、B

圓柱筒直徑D(主要尺寸)

排氣口直徑D1

尺寸間關系：問題：生產能力的影響因素氣體種類、圓柱筒直徑D、進口氣速3-4-4離心沉降設備問題：生產能力的影響因素假設條件：（1）顆粒與氣體在器內等速運動，且均為進口氣速；（2）顆粒沉降時，圓周運動半徑增加，最大距離是旋風分離器進氣口寬度B；（3）沉降處于stokes區。2、旋風分離器的性能參數

1）臨界粒徑dc：能夠分離出的最小顆粒直徑。

沉降速度

沉降時間

假設條件：2、旋風分離器的性能參數沉降速度設：氣體旋轉圈數N，則氣流運行距離

氣體停留時間顆粒分離條件設：氣體旋轉圈數N，則氣流運行距離2）分離效率：（1）總效率（2）分級效率（粒級效率）

兩者關系：

分級效率曲線書P184圖3.4.92）分離效率：分級效率曲線按假設實際情況分割粒徑d50：

按假設3）旋風分離器的阻力

是旋風分離器的經濟指標3）旋風分離器的阻力3、旋風分離器的分離能力分離氣體中顆粒直徑：5-75μmd<5μm顆粒，可串聯袋濾器或灑水裝置4、常見旋風分離器的形式

1）進口方式切向進口：切向進口方式結構簡單，較常用。螺旋面進口：結構復雜，采用不便。蝸殼形進口：結構簡單，減小阻力。

2）常用型式標準型、CLT/A型、CLP型、擴散式等3、旋風分離器的分離能力2）常用型式5、旋風分離器組（并聯）目的：提高生產能力二、旋液分離器（自學）分離液-固非均相混合物三、離心沉降機（自學）分離液-固非均相混合物可用于分離、測粒徑分布5、旋風分離器組（并聯）二、旋液分離器（自學）

流動情況：在孔道中流動（外流）

阻力計算：所有顆粒所受曳力之和

復雜性：孔道的形狀、數目、流動狀態隨機，孔道中流動屬層流，但局部出現湍流。

處理方法：簡化床層，管外流問題→管內流問題3-5 流體通過固定床的流動流動情況：在孔道中流動（外流）3-5

一、床層的簡化模型

三點假設

1）床層孔道平行，孔道長度與床層高度成正比；

2）孔道內表面積=顆粒的全部外表面積；

3）孔道體積等于床層中的空隙體積；一、床層的簡化模型虛擬細管的當量直徑：以1m3床層為基準，以1m3床層為基準，二、流體流過固定床的阻力

1、層流

二、流體流過固定床的阻力2、湍流范寧公式變形：1、層流

2、湍流1、層流

適用：高度湍流，摩擦系數為常數。適用：高度湍流，摩擦系數為常數。

3、歐根(Ergun)方程

優點：適應于各種流型

將以上兩方程疊加3、歐根(Ergun)方程4、歐根方程的其它形式（找出關系）4、歐根方程的其它形式（找出關系）

1）層流

2）湍流1）層流2）湍流小結:1.顆粒床層的特性(1)床層空隙率

床層中，空隙所占體積分率。

(2)床層的自由截面積

(3)床層的比表面積aB

小結:1.顆粒床層的特性(1)床層空隙率

(1)曳力

2

流體和顆粒的相對運動(2)曳力系數對球形顆粒層流:過渡流:湍流:(3)顆粒的運動情況:

加速階段、恒速階段(1)曳力2流體和顆粒的相對

目的：流體與固體顆粒分離

原理：利用顆粒與流體之間的密度差，將固體顆粒從流體中分離出來。

常用方法：

(1)重力沉降(分離較大的顆粒）

例：選礦3.4沉降（單元操作）(2)離心沉降

(分離尺寸小的顆粒）

例：氣體除塵

目的：流體與固體顆粒分離3.4沉降（單元操作）3.4.1重力沉降速度的計算

(1)球形顆粒的自由沉降

自由沉降：

干擾沉降：勻速階段受力分析：容器壁和其它顆粒不影響沉降速度實際顆粒的沉降3.4.1重力沉降速度的計算容器壁和其它顆粒不影響沉降速其它條件相同時，小顆粒后沉降◆

影響沉降速度的因素：

①顆粒直徑

②流體密度

③顆粒密度

其它條件相同時，密度大的顆粒先沉降。◆球形顆粒的沉降速度其它條件相同時，設備中空氣較水顆粒易沉降其它條件相同時，小顆粒后沉降◆影響沉降速度的因素：其它條2）過渡區關于曳力系數:1）層流區3）湍流區2）過渡區關于曳力系數:3）湍流區或：判據法(避免試差)問題：沉降速度ut未知，如何判斷流型方法：試差法或：判據法(避免試差)問題：沉降速度ut未知，如何判斷流型(2)非球形顆粒的沉降速度同樣條件下，因此，

處理方法：可先假定為顆粒球形，然后校正。書P172圖3.4.1(3)不均勻顆粒的沉降速度

粒徑不同時，除去所有顆粒，顆粒分級時，大顆粒先沉降，小顆粒后沉降。應以最小顆粒直徑計算ut

。以不同粒度，分別進行計算ut

。(2)非球形顆粒的沉降速度可先假定為顆粒球形，然后校正。(4)影響沉降速度的其它因素1)干擾沉降------顆粒沉降時彼此影響

顆粒濃度對沉降速度的影響由于大量顆粒向下沉降而使流體被置換而產生顯著的向上運動

流體表觀物性的影響流體的表觀密度和表觀粘度（即混合物的密度和粘度）都增大顆粒的沉降速度減小(4)影響沉降速度的其它因素1)干擾沉降------顆粒③液滴或氣泡變形液滴或氣泡受曳力變形，影響計算準確性。②流體分子運動的影響顆粒直徑小于2~3μm以下時，抑制重力沉降。④壁效應和端效應時,器壁有影響③液滴或氣泡變形②流體分子運動的影響④壁效應和端效應時,3.4.2 重力沉降設備

(1)降塵室①結構及工作原理

入口：矩形隨氣體的水平流速u顆粒沉降速度ut降塵室底面積塵氣流通截面積塵氣體積流量顆粒速度分解：3.4.2 重力沉降設備隨氣體的水平流速u降塵室底面積顆粒的停留時間顆粒的沉降時間(2)顆粒分離(沉降)條件(3)生產能力

(可處理的塵氣體積流量q

V)說明：生產能力由底面積、沉降速度決定，

與降塵室高度無關多用扁平形狀或多層降塵室(層高40-100mm)顆粒的停留時間顆粒的沉降時間(2)顆粒分離(沉降②計算ut時，如何使塵粒完全分離應以最小顆粒直徑，計算ut

③如何選取氣體速度④重力沉降適于分離的粒徑范圍①如何計算可沉降顆粒的粒徑？提出問題?②計算ut時，如何使塵粒完全分(2)連續式沉降槽（自學）從液體中分離出固體顆粒。(2)連續式沉降槽（自學）3.4.3離心沉降1、作用原理在離心力作用下，靠流體與顆粒間密度差，分離顆粒。2、離心沉降的優點

1）可分離出直徑較小的顆粒(離心力>重力)2）對一定質量顆粒，離心力大小可調，可測粒徑分布，設備操作靈活、尺寸減小。3.4.3離心沉降2、離心沉降的優點3-4-1離心沉降速度

計算方法：同重力場，重力→離心力3-4-1離心沉降速度

重力沉降

離心沉降

對球形顆粒離心沉降速度ur：隨顆粒旋轉半徑r變化重力沉降離心沉降速度ur：隨顆粒旋轉半徑r變化

層流Stokes區：重力沉降離心沉降層流Stokes區：說明：1、ur與旋轉半徑r有關角速度一定時，線速度u一定時，

2、ur與轉數（ω、u）有關調節轉數，可測粒徑分布。

3、衡量離心分離性能的指標離心分離因素KC越大，分離效能越高說明：1、ur與旋轉半徑r有關3-4-4離心沉降設備一、旋風分離器

1、結構和工作原理(標準型)

進氣口形狀：矩形

尺寸：進口管A、B

圓柱筒直徑D(主要尺寸)

排氣口直徑D1

尺寸間關系：問題：生產能力的影響因素氣體種類、圓柱筒直徑D、進口氣速3-4-4離心沉降設備問題：生產能力的影響因素假設條件：（1）顆粒與氣體在器內等速運動，且均為進口氣速；（2）顆粒沉降時，圓周運動半徑增加，最大距離是旋風分離器進氣口寬度B；（3）沉降處于stokes區。2、旋風分離器的性能參數

1）臨界粒徑dc：能夠分離出的最小顆粒直徑。

沉降速度

沉降時間

假設條件：2、旋風分離器的性能參數沉降速度設：氣體旋轉圈數N，則氣流運行距離

氣體停留時間顆粒分離條件設：氣體旋轉圈數N，則氣流運行距離2）分離效率：（1）總效率（2）分級效率（粒級效率）

兩者關系：

分級效率曲線書P184圖3.4.92）分離效率：分級效率曲線按假設實際情況分割粒徑d50：

按假設3）旋風分離器的阻力

是旋風分離器的經濟指標3）旋風分離器的阻力3、旋風分離器的分離能力分離氣體中顆粒直徑：5-75μmd<5μm顆粒，可串聯袋濾器或灑水裝置4、常見旋風分離器的形式

1）進口方式切向進口：切向進口方式結構簡單，較常用。螺旋面進口：結構復雜，采用不便。蝸殼形進口：結構簡單，減小阻力。

2）常用型式標準型、CLT/A型、CLP型、擴散式等3、旋風分離器的分離能力2）常用型式5、旋風分離器組（并聯）目的：提高生產能力二、旋液分離器（自學）分離液-固非均相混合物三、離心沉降機（自學）分離液-固非均相混合物可用于分離、測粒徑分布5、旋風分離器組（并聯）二、旋液分離器（自學）

流動情況：在孔道中流動（外流）

阻力計算：所有顆粒所受曳力之和

復雜性：孔道的形狀、數目、流動狀態隨機，孔道中流動屬層流，但局部出現湍流。

處理方法：簡化床層，管外流問題→管內流問題3-5 流體通過固定床的流動流動情況：在孔道中流動（外流）3-5

一、床層的簡化模型

三點假設1）床層孔道平行，孔道長度與床層高度成正比；

2）孔道內表面積=顆粒的全部外表面積；

3）孔道體積等于床層中的空隙體積；一、床層的簡化模型虛擬細管的當量直徑：以1m3床層為基準，以1m3床層為基準，二、流體流過固定床的阻力

1、層流

二、流體流過固定床的阻力2、湍流范寧公式變形：1、層流

2、湍流1、層流

適用：高度湍流，摩擦系數為常數。適用：高度湍流，摩擦系數為常數。

3、歐根(Ergun)方程

優點：適應于各種流型

將以上兩方程疊加3、歐根(Ergun)方程4、歐根方程的其它形式（找出關系）4、歐根方程的其它形式（找出關系）

1）層流

2）湍流1）層流2）湍流1沉降（單元操作）(1)重力沉降①球形顆粒的自由沉降速度層流區:過渡區:

湍流區:小結1沉降（單元操作）①球形顆粒的自由沉降速度層流區:過計算方法：試差法或判據法(避免試差)②非球形顆粒的沉降速度

處理方法：可先假定為顆粒球形，然后校正。③不均勻顆粒的沉降速度④影響沉降速度的其它因素

顆粒濃度對沉降速度的影響

流體表觀物性的影響計算方法：試差法或判據法(避免試差)②非球形②顆粒分離(沉降)條件③生產能力

(可處理的塵氣體積流量q

V)說明：生產能力由底面積、沉降速度決定，

與降塵室高度無關2重力沉降設備(1)降塵室①結構及工作原理②顆粒分離(沉降)條件③生產能力(可處理的塵氣體積流3離心沉降離心沉降速度離心沉降速度ur：隨顆粒旋轉半徑r變化3離心沉降離心沉降速度(2)衡量離心分離性能的指標離心分離因素KC越大，分離效能越高層流Stokes區(2)衡量離心分離性能的指標KC越大，分離效能越高層流St4離心沉降設備

(1)旋風分離器結構和工作原理(標準型)生產能力的影響因素:氣體種類、圓柱筒直徑D、進口氣速4離心沉降設備生產能力的影響因素:(2)旋風分離器的性能參數

◆臨界粒徑dc：能夠分離出的最小顆粒直徑。◆分離效率：（1）總效率（2）分級效率分割粒徑d50◆旋風分離器的阻力

是旋風分離器的經濟指標(2)旋風分離器的性能參數◆分離效率：分割粒(1)常見旋風分離器的形式

1）進口方式切向進口：切向進口方式結構簡單，較常用。螺旋面進口：結構復雜，設計制造不方便。蝸殼形進口：結構簡單，減小阻力。

2）常用型式標準型、CLT/A型、CLP型、擴散式等(1)常見旋風分離器的形式2）常用型式(1)床層的簡化模型

1）床層孔道平行，孔道長度與床層高度成正比；

2）孔道內表面積=顆粒的全部外表面積；

3）孔道體積等于床層中的空隙體積；5 流體通過固定床的流動(1)床層的簡化模型5 流體通過虛擬細管的當量直徑：以1m3床層為基準，虛擬細管的當量直徑：以1m3床層為基準，(2)流體流過固定床的阻力

層流

(2)流體流過固定床的阻力《化工單元操作》流體相對顆粒(床層)的流動及機械分離(過濾與沉降)課件2、湍流范寧公式變形：適用：高度湍流，摩擦系數為常數2、湍流適用：高度湍流，摩擦系數為常數

湍流層流

適用：高度湍流，摩擦系數為常數湍流層流適用：高度湍流，

歐根(Ergun)方程將以上兩方程疊加得到,優點：適應于各種流型

歐根方程的其它形式歐根(Ergun)方程歐根方程的其它形式《化工單元操作》流體相對顆粒(床層)的流動及機械分離(過濾與沉降)課件△

層流

△湍流△層流△湍流3.6過濾分離物系:液-固非均相混合物（懸浮液）

(1)工業過濾方式:深層、濾餅過濾過濾介質3.6過濾分離物系:液-固非均“架橋”現象(2)過濾介質

要求：具有多孔性，足夠的機械強度。

①絲織物品：棉、麻、合纖、金屬網(濾布、濾紙)

②多孔性固體介質：多孔塑料

③堆積介質：砂、木炭、石棉粉等(3)過濾推動力

克服流體流動阻力，提高過濾速度。

推動力:重力、離心力、壓力差濾餅過濾中，流體→濾餅層(固定床)+過濾介質“架橋”現象(2)過濾介質(3)過濾推動力濾餅過濾中，(5)助濾劑

目的：減小過濾阻力；

使用方法：預涂法、預混法

(6)過濾過程特點

▲服從流體經過固定床的流動規律，

▲隨過濾進行，床層厚度↑，過濾阻力↑(4)濾餅的壓縮性不可壓縮濾餅：

可壓縮濾餅：推動力↑時，ε不變；阻力隨厚度↑推動力↑時，ε↓，阻力↑↑。(5)助濾劑(4)濾餅的壓縮性推動力↑時，ε不變；阻力隨

衡算基準：

(1)濾餅中固體顆粒質量

=濾漿質量×濾漿中固體顆粒質量分率x

設：獲得單位體積濾液所形成濾餅體積v

3.6.2 過濾過程的物料衡算

衡算基準：設：獲得單位體積濾液所形成濾(2)衡算濾餅質量

用途：測濾餅空隙率ε(2)衡算濾餅質量用途：測濾餅空隙率ε3.6.3過濾基本方程式(1)過濾速度與過濾速率過濾速率：過濾速度：3.6.3過濾基本方程式計算過濾阻力計算前提：*過濾可歸為流體通過固定床的流動*過濾多處于層流區1）濾餅層阻力

計算過濾阻力2）過濾介質(濾布)阻力

Le：濾布阻力折成濾餅阻力的折合厚度

（當量濾餅厚度）3）過濾總阻力2）過濾介質(濾布)阻力3）過濾總阻力(2)過濾的基本方程式

濾餅厚度：當量濾餅厚度：(2)過濾的基本方程式(3)濾餅比阻r及常數k

1）濾餅比阻

反映：濾餅結構對過濾阻力的影響，大小與濾餅特性常數a、ε有關。(3)濾餅比阻r及常數k反映：濾餅結構對過濾阻力r與壓差關系不可壓縮濾餅:可壓縮濾餅：a、ε=常數，則r與Δp無關r0：單位壓差下的濾餅比阻，與Δp無關

s：壓縮指數不可壓縮濾餅s=0

可壓縮濾餅s≠0(0.2-0.8)r與壓差關系a、ε=常數，則r與Δp無關r0：單位壓

反映物料特性的常數

影響因素：濾液性質、濾漿濃度、濾餅性質k與Δp無關2）濾餅常數反映物料特性的常數k與Δp無關2）濾餅常數△計算內容（設計型）已知：生產任務(濾液量V)，選定過濾面積A

求：所需過濾時間τ

△過濾的操作方式

三種方式：恒壓過濾：Δp一定，過濾阻力↑，u↓

恒速過濾：u一定，則需Δp↑

先恒速，后恒壓組合操作。明確：過濾過程----非穩態過程3.6.4 過濾計算△計算內容（設計型）3.6.4 過濾計算

一、恒壓過濾過濾基本方程式

一、恒壓過濾《化工單元操作》流體相對顆粒(床層)的流動及機械分離(過濾與沉降)課件《化工單元操作》流體相對顆粒(床層)的流動及機械分離(過濾與沉降)課件(2)恒速過濾特點：速度恒定，V均勻，要求Δp↑

。(2)恒速過濾(3)先恒速，后恒壓過濾

分段計算（注意邊界條件）(3)先恒速，后恒壓過濾(4)過濾常數的測定測定數據：

實驗條件：同種懸浮液，恒定壓差、恒定溫度1、實驗測K，qe，τe(4)過濾常數的測定同種懸浮液，恒定壓差、恒定溫度1、實驗問題：Δp與過濾常數K的關系不可壓縮濾餅

可壓縮濾餅：問題：Δp與過濾常數K的關系不可壓縮濾餅可壓縮濾餅：

不同壓差下，測K，做圖求s，r0，2、實驗測s，r0不同壓差下，測K，做圖求s，r0，3-6-5濾餅的洗滌

目的：回收濾餅中濾液，或除去濾餅中可溶性雜質

方法：恒壓洗滌，壓差為過濾的最終壓差特點：洗滌速率恒定（濾餅厚度不變，阻力恒定）3-6-5濾餅的洗滌3過濾（1）基本概念：

①工業過濾方式:深層、濾餅過濾

②過濾介質要求：具有多孔性，足夠的機械強度。③過濾推動力

重力、離心力、壓力差④濾餅的壓縮性⑤助濾劑3過濾（1）基本概念：（2）過濾過程的物料衡算①獲得單位體積濾液所形成濾餅體積v

②空隙率（2）過濾過程的物料衡算①獲得單位體積濾液所形成濾(3)過濾基本方程式

(1)過濾速度與過濾速率過濾速率：過濾速度：

（2）過濾基本方程式(3)過濾基本方程式（2）過濾基本方程式（3）關于k，r和s①濾餅常數※k與Δp無關②濾餅比阻

不可壓縮濾餅:可壓縮濾餅：a、ε=常數，則r與Δp無關③壓縮指數

不可壓縮濾餅s=0

可壓縮濾餅s≠0(0.2-0.8)（3）關于k，r和s①濾餅常數※k與Δp無關②△計算內容設計型、操作型

△過濾的操作方式

三種方式：恒壓過濾：Δp一定，過濾阻力↑，u↓

恒速過濾：u一定，則需Δp↑

先恒速，后恒壓組合操作明確：過濾過程----非穩態過程3.6.4 過濾計算△計算內容3.6.4 過濾計算

（1）恒壓過濾（1）恒壓過濾《化工單元操作》流體相對顆粒(床層)的流動及機械分離(過濾與沉降)課件(2)恒速過濾特點：速度恒定，V均勻，要求Δp↑

。(2)恒速過濾(3)先恒速，后恒壓過濾——分段計算（注意邊界條件）(3)先恒速，后恒壓過濾——分段計算（注意邊界條件）(4)過濾常數的測定測定數據：

實驗條件：同種懸浮液，恒定壓差、恒定溫度①實驗測K，qe，τe(4)過濾常數的測定同種懸浮液，恒定壓差、恒定溫度①實驗問題：Δp與過濾常數K的關系不可壓縮濾餅：根據定義：

可壓縮濾餅：問題：Δp與過濾常數K的關系不可壓縮濾餅：根據定義：

不同壓差下，測K，做圖求s，r0，②實驗測定s，r0不同壓差下，測K，做圖求s，r0，3.6.5濾餅的洗滌

目的：回收濾餅中濾液，或除去濾餅中可溶性雜質

方法：恒壓洗滌，壓差為過濾的最終壓差特點：洗滌速率恒定（濾餅厚度不變，阻力恒定）3.6.5濾餅的洗滌3.6.6 過濾機及其生產能力

過濾機分類：

壓力差：板框式壓濾機（間歇操作）葉濾機（間歇操作）回轉真空過濾機（連續操作）

離心力：離心過濾機

(1)板框式壓濾機①結構和工作原理濾框、濾板---洗滌板，非洗滌板料液通道2鈕1鈕3鈕洗滌液通道洗滌板框非洗滌板3.6.6 過濾機及其生產能力(1)板框式壓濾機料液通道2排列方式：板、框交替，個數可調。

操作方式：間歇操作

操作周期：裝合→過濾→洗滌→卸渣→整理

過濾濾液濾漿洗滌洗液廢洗液優點：操作靈活，過濾面積大，可承受較大壓力；缺點：勞動強度大，操作不連續，生產效率低。排列方式：過濾濾液濾漿洗滌洗液廢洗液優點：操作靈活，過濾面《化工單元操作》流體相對顆粒(床層)的流動及機械分離(過濾與沉降)課件

②板框過濾機的生產能力生產能力：一個周期內，單位時間可獲得濾液量②板框過濾機的生產能力▲

過濾時間τ的計算▲過濾時間τ的計算洗滌L過濾L濾液穿過濾餅厚度L/2L流通截面2A(A框面積)A推動力過濾終了Δp洗滌Δp速率▲洗滌時間τw的計算

洗滌條件：洗滌壓差=過濾最終壓差洗滌時，濾餅厚度不變洗滌液粘度與濾液相近采用方法：橫穿洗滌法

速率間關系洗滌L過濾L濾液穿過濾餅厚度L/2L流通截面2A(A框面積洗滌速率最終過濾速率洗滌速率③最佳過濾周期最佳：安排操作周期，使生產能力最大。dVh/dV=0時，過濾機生產能力最大③最佳過濾周期dVh/dV=0時，過濾機生產能力最大(2)葉濾機

①結構和工作原理主要部件：機殼，濾葉

操作方式：間歇操作

操作周期：過濾→洗滌→卸渣

洗滌方式：置換法

(2)葉濾機②葉濾機的生產能力②葉濾機的生產能力③最佳操作周期③最佳操作周期(3)回轉真空過濾機①結構和工作原理

主要部件：水平轉筒、分配頭

操作方式：恒壓、連續操作

操作周期(旋轉一周)：過濾→洗滌→吸干→吹松→卸渣(3)回轉真空過濾機《化工單元操作》流體相對顆粒(床層)的流動及機械分離(過濾與沉降)課件《化工單元操作》流體相對顆粒(床層)的流動及機械分離(過濾與沉降)課件

設：轉筒過濾面積A，一生產周期得濾液量V，轉筒浸沒分率，轉數n（rps）

生產周期：過濾時間：

過濾基本方程式：②生產能力Vh設：轉筒過濾面積A，一生產周期得濾液量V，②n：0.1-3rpm，過高，濾餅薄，不易卸料；

：過濾面積為轉筒總面積的30%-40%為宜。

(4)其它過濾設備自學n：0.1-3rpm，過高，濾餅薄，不易卸料；3.6.7離心過濾

(1)工作原理過濾推動力：離心力

(2)

離心過濾的計算忽略介質阻力,離心過濾的基本方程式為:3.6.7離心過濾若濾餅厚度相對轉鼓半徑可忽略不計,過濾面積可視為常數(3)離心過濾機型式及操作(自學)若濾餅厚度相對轉鼓半徑可忽略不計,過濾面積可視為常數(3)3.7.1床層的流態化過程三個階段：固定床、流化床、顆粒輸送3.7固體流態化及氣力輸送3.7.1床層的流態化過程3.7固體流態化及氣力輸送(1)固定床階段

顆粒靜止（流體空床流速小，顆粒受曳力小）

床層高度、空隙率，均保持不變，阻力服從歐根方程(）(1)固定床階段顆粒靜止（流體空床流速小，顆粒受曳力小）(2)流化床(沸騰床)階段空床流速↑，顆粒受曳力↑，把顆粒托起；

問題：

1）如何由固定床達到流化態

臨界流化狀態：

最小流化速度(2)流化床(沸騰床)階段臨界流化狀態：2）如何保持流化態空床流速一定時，有一個穩定的床層上界面。流化床層阻力=單位面積床層中顆粒的總重力，因此流化床階段，床層壓降基本恒定。(3)顆粒（氣力或液力）輸送當u=ut時，顆粒被帶走。

帶出速度：顆粒被吹出的臨界速度。2）如何保持流化態空床流速一定時，有一個穩定的床層上界面3.7.2流化床類似液體的特性3.7.2流化床類似液體的特性(1）密度比床層密度小的物體能浮在床層的上面;

(

2）床層傾斜，床層表面仍能保持水平；

(

3）床層中任意兩截面間的壓差可用靜力學關系式表示（△p=ρgL,）；

(

4）有流動性，顆粒能像液體一樣從器壁小孔流出

(

5）聯通兩個高度不同的床層時，床層能自動調整平衡(1）密度比床層密度小的物體能浮在床層的上面;3.7.3流體通過流化床的阻力固定床階段，阻力服從歐根方程，如圖中a段流化床階段，床層壓降基本恒定。如圖中cd段3.7.3流體通過流化床的阻力3.7.5流化床的流化類型與不正常現象

(1)散式流化:液-固系統常見，顆粒分散均勻，混合程度高

(2)聚式流化:氣-固系統常見，分散程度不大

(3)騰涌

(4)溝流現象3.7.5流化床的流化類型與不正常現象《化工單元操作》流體相對顆粒(床層)的流動及機械分離(過濾與沉降)課件《化工單元操作》流體相對顆粒(床層)的流動及機械分離(過濾與沉降)課件3.7.5流化床的操作范圍

(1)臨界流化速度umf

臨界流化狀態：可按固定床計算

(2)帶出速度ut流化床的帶出速度等于顆粒在流體中的沉降速度。

計算不均勻顆粒床層的帶出速度，用最小顆粒直徑。3.7.5流化床的操作范圍(3)流化床操作范圍操作范圍

較小顆粒較大顆粒(3)流化床操作范圍濃相區高度：床層上界面以下的床層高度濃相區高度與操作氣速、床層孔隙率間關系書P2243.7.6流化床的高度與直徑高度=濃相區高度+稀相區高度

(1)濃相區濃相區稀相區濃相區高度：床層上界面以下的床層高度3.7.6流化床的高度(2)稀相區高度

濃相區上部某一區域，顆粒濃度明顯低于濃相區，濃度隨高度增加而逐步減少，最終恒定。分離空間：濃相區上界面到稀相區顆粒濃度恒定處的距離，為顆粒減速提供時間。(2)稀相區高度分離空間：(3)流化床的直徑

確定好流化床的操作氣速后，即可根據氣體的處理量確定流化床所需的直徑DV-氣體的處理量，

u-流化床的實際操作氣速，m/s(3)流化床的直徑確定好流化床的操作氣速后，即可根據氣體3.7.7氣力輸送的一般概念氣力輸送：顆粒被流體從床層帶出而與流體一起流動，

利用氣體進行顆粒輸送的過程。主要優點：(1)系統密閉,避免物料飛揚，減少物料損失,改善勞動條件。(2)輸送管線受地形與設備布置的限制小。(3)在輸送的同時易于進行物料的干燥、加熱、冷卻等操作。(4)設備緊湊，易于實現過程的連續化與自動化。3.7.7氣力輸送的一般概念氣力輸送：顆粒被流體從床層帶出化工單元操作化工單元操作流體相對顆粒(床層)的流動及機械分離

流體相對顆粒(床層)的流動及機械分離《化工單元操作》流體相對顆粒(床層)的流動及機械分離(過濾與沉降)課件

第3章流體相對顆粒(床層)的流動及機械分離

3.1概述

(1)非均勻物系分離

氣、固分離--------

液、固分離-------

固、固分離-------

流化床：眾多固體顆粒懸浮于運動的流體中。基礎：流體及顆粒間的相對運動，相互作用。沉降過濾(2)非均相反應

固定床反應器、流化床反應器等。篩分、分級沉降固定床：眾多固體顆粒堆積成的靜止顆粒層。第3章流體相對顆粒(床層)的流動及機械分離流體相對顆粒流動(外流流動)

流體受顆粒作用產生壓降，研究顆粒及流體性質。流體在管道內流動(內流流動)

流體受管壁粘性阻力，研究管道及流體性質。相同點：同屬流體流動問題，研究問題方法及規律性相似。兩種流動流體相對顆粒流動(外流流動)兩種流動

3.2顆粒及顆粒床層的特性3.2.1 單顆粒的特性參數

(1)描述顆粒形狀1）顆粒的球形度φ

表明：顆粒形狀接近于球形的程度

φ↑，則顆粒越接近于球形。球形顆粒：3.2顆粒及顆粒床層的特性1）顆粒的球形度φ表

2）顆粒的比表面積aV相同時，a↓，則顆粒越接近球形a與φ關系：球形顆粒比表面積：

球形度φ、比表面積аV一定時，а↑,則φ↓，顆粒越偏離球形。描述顆粒形狀參數---2）顆粒的比表面積aV相同時，a↓，則顆粒越接近球形a(2)描述顆粒大小1）等體積當量直徑dv

指：與顆粒體積相等的球形顆粒的直徑。dv與a、φ關系：(2)描述顆粒大小dv與a、φ關系：

2）等比表面積當量直徑da

指：與非球形顆粒比表面積相等的球形顆粒的直徑2）等比表面積當量直徑da3.2.2混合顆粒的特性參數

(1)顆粒的篩分分析標準篩：有不同的系列，常用泰勒標準篩。篩號(目數)：每英寸邊長的篩孔數目篩過量：通過篩孔的顆粒量篩余量：截留于篩面上的顆粒量3.2.2混合顆粒的特性參數*顆粒的篩分尺寸*篩分尺寸與顆粒特性參數的關系較規則顆粒：

條形顆粒：*顆粒的篩分尺寸*篩分尺寸與顆粒特性參數的關系(2)顆粒群的平均特性參數*平均比表面積*顆粒群的等比表面積當量直徑(2)顆粒群的平均特性參數*顆粒群的等比表面積當量直徑3.2.3 顆粒床層的特性組成：

(1)床層空隙率

1)定義：床層中，空隙所占體積分率。表明：床層堆積的松散程度；

ε↑，空隙越大，床層越松散；

ε對流體流過床層的阻力影響很大。3.2.3 顆粒床層的特性(1)床層空隙率表明：床層堆積2)影響床層空隙率的因素①裝填方法：干裝濕裝②顆粒特性的影響

顆粒形狀：

靠壁面處：

粒徑分布：

3)空隙率測量---充水法、稱量法2)影響床層空隙率的因素②顆粒特性的影響3)(2)床層的自由截面積

即：床層中空隙的面積(流體的流通截面積)

自由截面積分率S0與ε關系：同樣表明顆粒堆積的松散程度均勻顆粒，則S0↑，ε↑。(2)床層的自由截面積S0與ε關系：同樣表明顆粒堆積的松(3)床層的比表面積aB

忽略顆粒相互重疊減少的面積，則：(3)床層的比表面積aB忽略顆粒相互重疊減少①顆粒靜止，流體繞過顆粒流動；②流體靜止，顆粒流動；③顆粒和流體都運動，維持一定相對速度。流體和顆粒相對運動的情況：3.3

流體和顆粒的相對運動①顆粒靜止，流體繞過顆粒流動；流體和顆粒相對運動的情況：3.3.1流體繞過顆粒的流動

(1)曳力阻力：顆粒對流體的作用力曳力：流體對顆粒的作用力3.3.1流體繞過顆粒的流動

水平方向，顆粒所受曳力：

水平方向，顆粒所受曳力：《化工單元操作》流體相對顆粒(床層)的流動及機械分離(過濾與沉降)課件●影響因素：●獲得：●影響因素：(2)曳力系數影響因素：①球形顆粒:(2)曳力系數①球形顆粒:

判斷流型：層流（斯托克斯區）

過渡流

湍流判斷流型：②非球形顆粒的曳力系數

計算方法：

近似用球形顆粒公式，ds→da

或dv

實測ξ-Rep

關系（書P168圖3.3.2）②非球形顆粒的曳力系數3.3.2顆粒在流體中的流動

(1)顆粒在力場中的受力分析

①質量力

②浮力③曳力

合力：3.3.2顆粒在流體中的流動(2)顆粒的運動情況運動方向：初始時，兩個階段--①加速階段

②恒速階段終端速度:

簡化：沿合力方向加速階段、恒速階段加速階段很短，忽略不計；認為全過程中，顆粒勻速運動(2)顆粒的運動情況沿合力方向加速階段、恒速階段加速階段很

目的：流體與固體顆粒分離

原理：利用顆粒與流體之間的密度差，將固體顆粒從流體中分離出來。

常用方法：

(1)重力沉降(分離較大的顆粒）

例：選礦3.4沉降（單元操作）(2)離心沉降

(分離尺寸小的顆粒）

例：氣體除塵

目的：流體與固體顆粒分離3.4沉降（單元操作）3.4.1重力沉降速度的計算

(1)球形顆粒的自由沉降

自由沉降：

干擾沉降：勻速階段受力分析：容器壁和其它顆粒不影響沉降速度實際顆粒的沉降3.4.1重力沉降速度的計算容器壁和其它顆粒不影響沉降速其它條件相同時，小顆粒后沉降◆

影響沉降速度的因素：

①顆粒直徑

②流體密度

③顆粒密度

其它條件相同時，密度大的顆粒先沉降。◆球形顆粒的沉降速度其它條件相同時，設備中空氣較水顆粒易沉降其它條件相同時，小顆粒后沉降◆影響沉降速度的因素：其它條2）過渡區關于曳力系數:1）層流區3）湍流區2）過渡區關于曳力系數:3）湍流區或：判據法(避免試差)問題：沉降速度ut未知，如何判斷流型方法：試差法或：判據法(避免試差)問題：沉降速度ut未知，如何判斷流型(2)非球形顆粒的沉降速度同樣條件下，因此，

處理方法：可先假定為顆粒球形，然后校正。書P172圖3.4.1(3)不均勻顆粒的沉降速度

粒徑不同時，除去所有顆粒，顆粒分級時，大顆粒先沉降，小顆粒后沉降。應以最小顆粒直徑計算ut

。以不同粒度，分別進行計算ut

。(2)非球形顆粒的沉降速度可先假定為顆粒球形，然后校正。(4)影響沉降速度的其它因素1)干擾沉降------顆粒沉降時彼此影響

顆粒濃度對沉降速度的影響由于大量顆粒向下沉降而使流體被置換而產生顯著的向上運動

流體表觀物性的影響流體的表觀密度和表觀粘度（即混合物的密度和粘度）都增大顆粒的沉降速度減小(4)影響沉降速度的其它因素1)干擾沉降------顆粒③液滴或氣泡變形液滴或氣泡受曳力變形，影響計算準確性。②流體分子運動的影響顆粒直徑小于2~3μm以下時，抑制重力沉降。④壁效應和端效應時,器壁有影響③液滴或氣泡變形②流體分子運動的影響④壁效應和端效應時,3.4.2 重力沉降設備

(1)降塵室①結構及工作原理

入口：矩形隨氣體的水平流速u顆粒沉降速度ut降塵室底面積塵氣流通截面積塵氣體積流量顆粒速度分解：3.4.2 重力沉降設備隨氣體的水平流速u降塵室底面積顆粒的停留時間顆粒的沉降時間(2)顆粒分離(沉降)條件(3)生產能力

(可處理的塵氣體積流量q

V)說明：生產能力由底面積、沉降速度決定，

與降塵室高度無關多用扁平形狀或多層降塵室(層高40-100mm)顆粒的停留時間顆粒的沉降時間(2)顆粒分離(沉降②計算ut時，如何使塵粒完全分離應以最小顆粒直徑，計算ut

③如何選取氣體速度④重力沉降適于分離的粒徑范圍①如何計算可沉降顆粒的粒徑？提出問題?②計算ut時，如何使塵粒完全分(2)連續式沉降槽（自學）從液體中分離出固體顆粒。(2)連續式沉降槽（自學）3.4.3離心沉降1、作用原理在離心力作用下，靠流體與顆粒間密度差，分離顆粒。2、離心沉降的優點

1）可分離出直徑較小的顆粒(離心力>重力)2）對一定質量顆粒，離心力大小可調，可測粒徑分布，設備操作靈活、尺寸減小。3.4.3離心沉降2、離心沉降的優點3-4-1離心沉降速度

計算方法：同重力場，重力→離心力3-4-1離心沉降速度

重力沉降

離心沉降

對球形顆粒離心沉降速度ur：隨顆粒旋轉半徑r變化重力沉降離心沉降速度ur：隨顆粒旋轉半徑r變化

層流Stokes