高等教育机械分离和固体流态化.pptx
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1、第三章第三章非均相物系的分离和固体流态化非均相物系的分离和固体流态化化工生产中,需要将混合物加以分离的情况非常多。化工生产中,需要将混合物加以分离的情况非常多。化工生产中,需要将混合物加以分离的情况非常多。化工生产中,需要将混合物加以分离的情况非常多。原料需经过分离提纯或净化后才符合加工要求;原料需经过分离提纯或净化后才符合加工要求;原料需经过分离提纯或净化后才符合加工要求;原料需经过分离提纯或净化后才符合加工要求;从反应器送出的反应产物一般都与尚未反应的原料及副从反应器送出的反应产物一般都与尚未反应的原料及副从反应器送出的反应产物一般都与尚未反应的原料及副从反应器送出的反应产物一般都与尚未反
2、应的原料及副产物混在一起,也要从其中分离出纯度合格的产品及将未产物混在一起,也要从其中分离出纯度合格的产品及将未产物混在一起,也要从其中分离出纯度合格的产品及将未产物混在一起,也要从其中分离出纯度合格的产品及将未反应的原料送回反应器或另行处理。反应的原料送回反应器或另行处理。反应的原料送回反应器或另行处理。反应的原料送回反应器或另行处理。生产中的废气、废液在排放前,应将其中所含的有害物生产中的废气、废液在排放前,应将其中所含的有害物生产中的废气、废液在排放前,应将其中所含的有害物生产中的废气、废液在排放前,应将其中所含的有害物尽量除去,以减轻环境污染,并有可能将其变为有用之物尽量除去,以减轻环
3、境污染,并有可能将其变为有用之物尽量除去,以减轻环境污染,并有可能将其变为有用之物尽量除去,以减轻环境污染,并有可能将其变为有用之物混合物混合物分为两类,即分为两类,即均相混合物均相混合物(物系内部各处均匀且(物系内部各处均匀且无相界面,如:石油、空气)和无相界面,如:石油、空气)和非均相混合物非均相混合物。3.1概述概述3.1 3.1 概述概述物系中存在相界面的混合物就是非均相混合物物系中存在相界面的混合物就是非均相混合物 非均相混合物非均相混合物分分散散相相或或分分散散物物质质:处处于于分分散散状状态态的的物物质质(如如分分散散在在流流体体中中的的固固体颗粒、液滴、气泡等)体颗粒、液滴、气
4、泡等)连连续续相相或或分分散散介介质质:包包围围着着分分散散相相而而处处于于连连续续状状态态的的物物质质(如如气气态态非非均均相相混混合合物物中中的的气气体体、液液态态非均相混合物中的液体)。非均相混合物中的液体)。非均相混合物非均相混合物非均相混合物非均相混合物包括:包括:包括:包括:固体颗粒的混合物固体颗粒的混合物固体颗粒的混合物固体颗粒的混合物(颗粒间为气(颗粒间为气(颗粒间为气(颗粒间为气体分隔)、由固体颗粒与液体构成的体分隔)、由固体颗粒与液体构成的体分隔)、由固体颗粒与液体构成的体分隔)、由固体颗粒与液体构成的悬浮液悬浮液悬浮液悬浮液、由不互、由不互、由不互、由不互溶液体构成的溶液
5、体构成的溶液体构成的溶液体构成的乳浊液乳浊液乳浊液乳浊液、由固体颗粒(或液滴)与气体、由固体颗粒(或液滴)与气体、由固体颗粒(或液滴)与气体、由固体颗粒(或液滴)与气体构成的构成的构成的构成的含尘气体(或含雾气体)含尘气体(或含雾气体)含尘气体(或含雾气体)含尘气体(或含雾气体)等。等。等。等。悬浮液(固悬浮液(固-液混合物)液混合物):过滤过滤乳浊液(液乳浊液(液-液混合物)液混合物):离心分离离心分离含尘气体、含雾气体(气含尘气体、含雾气体(气-液、固液、固-气混合物)气混合物):沉降沉降(重力、离心力重力、离心力)固、固分离固、固分离:筛分、分级沉降筛分、分级沉降2.非均相混合物的分离方
6、法非均相混合物的分离方法3.非均相分离的目的:非均相分离的目的:收集分散物质;收集分散物质;净化分散介质;净化分散介质;环境保护与安全生产。环境保护与安全生产。4.非均相分离的基本方法:非均相分离的基本方法:机械分离机械分离筛分、沉降、过滤、离心筛分、沉降、过滤、离心电磁法电磁法磁选、静电、(除尘)、电磁化磁选、静电、(除尘)、电磁化物理化学法物理化学法浮选、吸咐浮选、吸咐3.2颗粒及颗粒床层的特性颗粒及颗粒床层的特性3.2.1颗粒的特性:颗粒的特性:表示颗粒大小的几何参数:大小(尺寸)、形状、表面积表示颗粒大小的几何参数:大小(尺寸)、形状、表面积(或比表面积)。(或比表面积)。1.单个颗粒
7、的性质单个颗粒的性质1)球形颗粒()球形颗粒(形状规则的颗粒形状规则的颗粒,尺寸由直径尺寸由直径d确定。确定。)比表面积比表面积:体积体积:表面积表面积:2.2.非球形颗粒:非球形颗粒:用当量直径和形状系数表示其特性用当量直径和形状系数表示其特性(1 1)球形度)球形度 (3 35 5)颗粒的表颗粒的表面积面积与该颗粒体与该颗粒体积相等的球积相等的球体的表面积体的表面积非球形颗粒非球形颗粒 球形颗粒球形颗粒 一、颗粒的特性一、颗粒的特性 (2)(2)颗粒的当量直径:颗粒的当量直径:体积当量直径体积当量直径d deVeV,即体积等于颗粒体积的球形颗粒的直径为非,即体积等于颗粒体积的球形颗粒的直径
8、为非球形颗粒的等体积当量直径。球形颗粒的等体积当量直径。表面积当量直径表面积当量直径des,即将表面积等于颗粒表面积的球形颗粒的,即将表面积等于颗粒表面积的球形颗粒的直径定义为非球形颗粒的等表面积当量直径。直径定义为非球形颗粒的等表面积当量直径。比表面积当量直径比表面积当量直径dea,即将比表面积等于颗粒比表面积的球形,即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粒的等比表面积当量直径。颗粒的直径定义为非球形颗粒的等比表面积当量直径。1)颗粒的大小(粒度)颗粒的大小(粒度)粒度尺寸的表示:粒度尺寸的表示:粗颗粒:粗颗粒:mm细颗粒:筛孔号表示细颗粒:筛孔号表示超细颗粒:超细颗粒:
9、m2、颗粒群的特性、颗粒群的特性常用筛分的方法测得粒度分布,再求其相应的平均特性常用筛分的方法测得粒度分布,再求其相应的平均特性参数参数颗粒粒度测量:筛分法、沉降法、比表面法、显微镜法、颗粒粒度测量:筛分法、沉降法、比表面法、显微镜法、电阻变化法、光的散射与衍射法等。电阻变化法、光的散射与衍射法等。颗粒的筛分尺寸颗粒的筛分尺寸筛分筛分是用单层或多层筛面将松散的物料按颗粒粒度是用单层或多层筛面将松散的物料按颗粒粒度分成两个或多个不同粒级产品的过程分成两个或多个不同粒级产品的过程。将筛分所得结果在表或图上表示,可直观地表示出将筛分所得结果在表或图上表示,可直观地表示出颗粒群的粒径分布颗粒群的粒径分
10、布:用表格表示:用表格表示:筛孔尺寸筛孔尺寸每层筛上颗粒质量。每层筛上颗粒质量。用图表示:用图表示: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质量分率量分率标准筛:标准筛:例如例如200目的筛子即指长度为目的筛子即指长度为1英寸的英寸的筛网上有筛网上有200个筛孔。个筛孔。所以筛号越大,筛孔越小。所以筛号越大,筛孔越小。筛号筛号(目数目数):每英寸边长的筛孔数目每英寸边长的筛孔数目筛过量:筛过量:通过筛孔的颗粒量通过筛孔的颗粒量筛余量:筛余量:截留于筛面上的颗粒量截留于筛面上的颗粒量进行筛分分析时,将几个筛子按筛孔大小的次序从上到进行筛分分析时,将几个筛子按筛孔大小的次序从上到下叠置起
11、来,筛孔尺寸最大的放在最上面,筛孔尺寸最下叠置起来,筛孔尺寸最大的放在最上面,筛孔尺寸最小的放在最下面,在它底下放一无孔的底盘。小的放在最下面,在它底下放一无孔的底盘。将称量过的颗粒样品放在上部筛子上,有规则地摇动一将称量过的颗粒样品放在上部筛子上,有规则地摇动一定时间,较小的颗粒通过各个筛的筛孔依次往下落。定时间,较小的颗粒通过各个筛的筛孔依次往下落。称量各层筛网上的颗粒量,即得筛分分析的基本数据。称量各层筛网上的颗粒量,即得筛分分析的基本数据。筛析操作完成后,应检查各粒级的质量总和与取样量的筛析操作完成后,应检查各粒级的质量总和与取样量的差值(损失),其值不应超过差值(损失),其值不应超过
12、1 12%2%,否则没有代表性,否则没有代表性,应重新取样筛析。应重新取样筛析。筛分筛分 分分布布函函数数F Fi i定定义义为为第第i i层层筛筛网网的的筛筛过过量量占占样样品品总总量量的的质质量量分分数数,以以d dpipi为为横横坐坐标标,F Fi i为为纵纵坐坐标标得得到到的的曲曲线线即为分布函数曲线。即为分布函数曲线。分布函数频率函数图 颗粒的分布函数曲线和频率函数曲线2)颗粒的平均粒径)颗粒的平均粒径 颗粒群的平均粒径有不同的表示法,但对于流体与颗颗粒群的平均粒径有不同的表示法,但对于流体与颗粒之间的相对运动过程,主要涉及流体与颗粒表面间的相粒之间的相对运动过程,主要涉及流体与颗粒
13、表面间的相互作用,即颗粒的比表面积起重要作用,因此通常用互作用,即颗粒的比表面积起重要作用,因此通常用等比等比等比等比表面积当量直径表面积当量直径表面积当量直径表面积当量直径来表示颗粒的平均直径,则混合颗粒的平来表示颗粒的平均直径,则混合颗粒的平均比表面积均比表面积d dm m。x xi i第第i i层筛网上颗粒的质量分率层筛网上颗粒的质量分率 d di i=(d=(di-1i-1+d+di i)/2)/23)颗粒的密度)颗粒的密度单位体积内粒子的质量称为单位体积内粒子的质量称为密度密度,其单位为,其单位为kg/m3。若粒子的体积不包括颗粒之间空隙,则称为粒子的若粒子的体积不包括颗粒之间空隙,
14、则称为粒子的真密度,真密度,用用S表示;表示;若粒子所占体积包括颗粒之间空隙,则称为若粒子所占体积包括颗粒之间空隙,则称为堆积密堆积密度或表观密度度或表观密度,用,用b表示。表示。设计颗粒贮存设备时,应以堆积密度为准。设计颗粒贮存设备时,应以堆积密度为准。1.床层的空隙率床层的空隙率:单位体积颗粒床层中空隙的体:单位体积颗粒床层中空隙的体积,即:积,即:床层空隙率是颗粒床层的一个重要特性,它反映了床层中床层空隙率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、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、床层直径、所处的位置等有关。装填方
15、法、床层直径、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0.470.470.70.7。测量床层的空隙率的方法:测量床层的空隙率的方法:充水法和称量法。充水法和称量法。3.2.2、颗粒床层的特性、颗粒床层的特性2.床层的比表面积床层的比表面积ab单位体积床层中颗粒的表面积称为床层的比表单位体积床层中颗粒的表面积称为床层的比表面积。若忽略因颗粒相互接触而减小的裸露面面积。若忽略因颗粒相互接触而减小的裸露面积,则床层的比表面积积,则床层的比表面积b与颗粒的比表面积与颗粒的比表面积的关系为:的关系为:b=(1-)床层的比表面积也可用颗粒的堆积密度估算,床层的比表面积也可用颗粒的堆积
16、密度估算,即:即:颗粒的堆积密颗粒的堆积密度度kg/mkg/m3 3颗粒的真颗粒的真实密度实密度kg/mkg/m3 3床层中某一床层截面上空隙所占的截面积(即流体可床层中某一床层截面上空隙所占的截面积(即流体可以通过的截面积)与床层截面积的比值称为床层的自以通过的截面积)与床层截面积的比值称为床层的自由截面积。由截面积。对于乱堆的颗粒床层,颗粒的定位是随机的,所对于乱堆的颗粒床层,颗粒的定位是随机的,所以可认为堆成的以可认为堆成的床层各向同性床层各向同性,即从各个方位看,颗,即从各个方位看,颗粒的堆积都是相同的。对于这样的床层,其床层截面粒的堆积都是相同的。对于这样的床层,其床层截面积在数值上
17、与床层空隙率相等。积在数值上与床层空隙率相等。同样,由于壁效应的影响,壁面附近的床层自由截面同样,由于壁效应的影响,壁面附近的床层自由截面积较大。当积较大。当D/dD/dp p较小时,必须考虑壁效应。较小时,必须考虑壁效应。3.床层的自由截面积床层的自由截面积3.2.3流体通过床层流动的压降1.固定床的床层简化模型(数学模型法)固定床的床层简化模型(数学模型法)流体通过固定床的阻力在数值上应等于床层中流体通过固定床的阻力在数值上应等于床层中所有颗粒所受曳力的总和。所有颗粒所受曳力的总和。确定流体通过床层阻力的方法:确定流体通过床层阻力的方法:实验方法实验方法。目前比较通用的是采用数学模型化的方
18、法:目前比较通用的是采用数学模型化的方法:即把流体通过颗粒床层的流动看成是即把流体通过颗粒床层的流动看成是通过具有一通过具有一组平行细管、当量直径为组平行细管、当量直径为dede的床层的流动的床层的流动。认为。认为流体通过床层的阻力与通过这些小管的阻力相等。流体通过床层的阻力与通过这些小管的阻力相等。模型化方法的优点:模型化方法的优点:用简化的模型来代替床层内的真实流动,便于用数用简化的模型来代替床层内的真实流动,便于用数用简化的模型来代替床层内的真实流动,便于用数用简化的模型来代替床层内的真实流动,便于用数学方法来处理,然后再通过实验加以校正。学方法来处理,然后再通过实验加以校正。学方法来处
19、理,然后再通过实验加以校正。学方法来处理,然后再通过实验加以校正。设床层内为乱堆颗粒,床层各向同性,壁效应设床层内为乱堆颗粒,床层各向同性,壁效应设床层内为乱堆颗粒,床层各向同性,壁效应设床层内为乱堆颗粒,床层各向同性,壁效应和端效应可忽略不计,仿照流体在管道中流动的和端效应可忽略不计,仿照流体在管道中流动的和端效应可忽略不计,仿照流体在管道中流动的和端效应可忽略不计,仿照流体在管道中流动的情况,将实际颗粒床层简化为下面的简单模型。情况,将实际颗粒床层简化为下面的简单模型。情况,将实际颗粒床层简化为下面的简单模型。情况,将实际颗粒床层简化为下面的简单模型。a.a.颗粒床层由许多平行的细管组成,
20、孔道长度颗粒床层由许多平行的细管组成,孔道长度le与床与床层高度层高度L成正比;成正比;b.b.孔道内表面积之和等于全部颗粒的表面积,孔道内孔道内表面积之和等于全部颗粒的表面积,孔道内全部流动空间等于床层空隙的容积。全部流动空间等于床层空隙的容积。实际床层实际床层简化模型简化模型假定:假定:虚拟细管的当量直径 de以以1m3床层体积为基准,则床层流动空间为床层体积为基准,则床层流动空间为,每,每1m3床层的颗粒表面的比表面即床层的比表面积床层的颗粒表面的比表面即床层的比表面积ab=a(1-)(3-9)流体通过固体颗粒床层(固定床)的压降流体通过固体颗粒床层(固定床)的压降 流体通过固定床的压力
21、降主要有两方面:流体通过固定床的压力降主要有两方面:一是流体与颗粒表面间的摩擦作用产生的压力降。一是流体与颗粒表面间的摩擦作用产生的压力降。二二是是流流动动过过程程中中,孔孔道道截截面面积积突突然然扩扩大大和和突突然然缩缩小以及流体对颗粒的撞击产生的压力降。小以及流体对颗粒的撞击产生的压力降。2流体通过床层压降的数学描述流体通过床层压降的数学描述根据前述简化模型,流体通过一组平行细管流动根据前述简化模型,流体通过一组平行细管流动的压降为:的压降为:式中:式中:pf流体通过床层的压降,流体通过床层的压降,Pa;Pa;L L床层高度,床层高度,m m;d debeb床层流道的当量直径,床层流道的当
22、量直径,m m;u u1 1流体在床层内的实际流速,流体在床层内的实际流速,m/sm/s;u1与按整个床层截面计算的空床流速与按整个床层截面计算的空床流速u的关系为:的关系为:(3-10)(3-11)(3-12)3模型参数的实验测定模型参数的实验测定(1)康采尼()康采尼(Kozeny)的实验结果)的实验结果康采尼通过实验发现,在流速较低,床层雷诺数康采尼通过实验发现,在流速较低,床层雷诺数Reb 2的滞留情况下,模型参数的滞留情况下,模型参数可较好的符合下式:可较好的符合下式:式中式中称为康采尼常数,其值可取作称为康采尼常数,其值可取作5.0,Reb的定义为的定义为(3-13)(3-14)(
23、3-15)(2)欧根(Ergun)的实验结果欧根在较宽的Reb范围内进行实验,获得如下关联式3.3沉降分离沉降分离沉降涉及由颗粒和流体组成的两相流动体系沉降涉及由颗粒和流体组成的两相流动体系,属属于流体相对于颗粒的绕流问题。于流体相对于颗粒的绕流问题。流固之间的相对运动有三种情况,即:流固之间的相对运动有三种情况,即:流体静止流体静止,固体颗粒作沉降运动;,固体颗粒作沉降运动;固体静止固体静止,流体对固体作绕流;,流体对固体作绕流;流体和固体都运动流体和固体都运动,但二者保持一定的相对速,但二者保持一定的相对速度。度。只要相对速度相同,只要相对速度相同,上述三种情况并无本质区别。上述三种情况并
24、无本质区别。沉降运动发生的前提条件是固体颗粒与流体之间存在沉降运动发生的前提条件是固体颗粒与流体之间存在密密度差度差,同时有外力场存在。,同时有外力场存在。外力场有重力场和离心力场外力场有重力场和离心力场,沉降:沉降:颗粒物质受重力、离心力、或其他电、磁力而从分颗粒物质受重力、离心力、或其他电、磁力而从分散介质中分离的过程称为沉降。散介质中分离的过程称为沉降。发生的沉降过程分别称为发生的沉降过程分别称为重力沉降重力沉降和和离心沉降离心沉降。重力沉降:重力沉降:分离颗粒较大的物质分离颗粒较大的物质离心沉降:离心沉降:粒度较小的物质粒度较小的物质3.3.1重力沉降分离 将表面光滑的刚性球形颗粒置于
25、静止的流体介质中,若将表面光滑的刚性球形颗粒置于静止的流体介质中,若颗粒的密度大于流体的密度,则颗粒将在流体中降落颗粒的密度大于流体的密度,则颗粒将在流体中降落(一)球形颗粒的自由沉降(一)球形颗粒的自由沉降1沉降速度沉降速度1)颗粒沉降的基本假定颗粒沉降的基本假定颗粒为球形颗粒为球形各颗粒沉降时互不干扰(自由沉降,反之为干扰沉降)各颗粒沉降时互不干扰(自由沉降,反之为干扰沉降)容器壁效率忽略容器壁效率忽略分子布朗热运动对沉降无影响分子布朗热运动对沉降无影响图3-1 沉降颗粒的受力情况 颗粒沉降过程受力:颗粒沉降过程受力:重力:重力:阻力:阻力:浮力:浮力:阻力系数或阻力系数或曳力系数曳力系数
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