非均相物系的分離和固體流態(tài)化

1、第三章 非均相物系的分離和固體流態(tài)化,均相混合物,非均相混合物,物系內(nèi)部各處物料性質(zhì)均勻而且不存在相界面的混合物。例如：互溶溶液及混合氣體,物系內(nèi)部有隔開兩相的界面存在且界面兩側(cè)的物料性質(zhì)截然不同的混合物。,固體顆粒和氣體構(gòu)成的含塵氣體,固體顆粒和液體構(gòu)成的懸浮液,不互溶液體構(gòu)成的乳濁液,液體顆粒和氣體構(gòu)成的含霧氣體,3.1 概述,分散相 分散物質(zhì),處于分散狀態(tài)的物質(zhì) 如：分散于流體中的固體顆粒、液滴或氣泡,連續(xù)相連續(xù)相

2、介質(zhì),包圍著分散相物質(zhì)且處于連續(xù)狀態(tài)的流體 如：氣態(tài)非均相物系中的氣體 液態(tài)非均相物系中的連續(xù)液體,分離,沉降,過濾,3.2 顆粒及顆粒床層的特性,2. 非球形顆粒： ① 體積當(dāng)量直徑：,② 球形度：,對正方體： φ = 0.805對正圓柱體： φ = 0.874對一般顆粒： φ = 0.6 - 0.7液體顆粒（在另一液體中） φ = 0.95 - 0.98 或 φ ≈ 1.0,1. 球形顆粒： 顆粒體

3、積、表面積和比表面積都可用顆粒的直徑來表示。,2). 標(biāo)準(zhǔn)篩：—— 泰勒篩 篩號：（目數(shù)）—— 每英寸篩網(wǎng)上的孔數(shù)。3). 粒度分布： 即表示某一粒度（粒徑）或某一粒徑范圍的顆粒占總顆粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的一種函數(shù)關(guān)系。常用粒度分布曲線圖表示。,1). 粒度尺寸的表示：,粗顆粒：mm細(xì)顆粒：篩孔號表示超細(xì)顆粒：μm,,粒度的測量方法：,篩析統(tǒng)計測量法沉降速度計算法,,3. 顆粒群特性,② 體積平均粒徑：,

4、③ 比表面平均粒徑（又稱邵特Sauter平均直徑）,4). 顆粒的平均粒徑： ① 長度平均粒徑（算術(shù)平均粒徑）,,沉降,在某種力場中利用分散相和連續(xù)相之間的密度差異，使之發(fā)生相對運動而實現(xiàn)分離的操作過程。,重力,慣性離心力,1、沉降速度,1）球形顆粒的自由沉降,設(shè)顆粒的密度為ρs，直徑為d，流體的密度為ρ，,3.3.1 重力沉降,3.3 沉降分離,重力,浮力,而阻力隨著顆粒與流體間的相對運動速度而變，可仿照流體流動阻力的計

5、算式寫為 ：,(a),顆粒開始沉降的瞬間，速度u=0，因此阻力Fd=0，a→max 顆粒開始沉降后，u ↑ →Fd ↑；u →ut 時，a=0 。等速階段中顆粒相對與流體的運動速度ut 稱為沉降速度。當(dāng)a=0時，u=ut，代入（a）式,——沉降速度表達(dá)式,2) 阻力系數(shù)ζ 通過因次分析法得知，ζ值是顆粒與流體相對運動時的雷諾數(shù)Ret的函數(shù)。 對于球形顆粒的曲線，按Ret值大致分為三個區(qū)： a

6、) 滯流區(qū)或托斯克斯(stokes)定律區(qū)（10 –4＜Ret<1）,——斯托克斯公式,——艾倫公式,c) 湍流區(qū)或牛頓定律區(qū)（Nuton）（103＜Ret ＜ 2×105）,——牛頓公式,b) 過渡區(qū)或艾倫定律區(qū)（Allen）（1＜Ret<103）,3) 影響沉降速度的因素 a）顆粒的體積濃度 在前面介紹的各種沉降速度關(guān)系式中，當(dāng)顆粒的體積濃度小于0.2%時，理論計算值的偏差在1%以內(nèi)，但當(dāng)顆粒濃度

7、較高時，由于顆粒間相互作用明顯，便發(fā)生干擾沉降，自由沉降的公式不再適用。b）器壁效應(yīng) 當(dāng)器壁尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒尺寸時，（例如在100倍以上）容器效應(yīng)可忽略，否則需加以考慮。,c）顆粒形狀的影響,球形度,對于球形顆粒，φs=1，顆粒形狀與球形的差異愈大，球形度φs值愈低對于非球形顆粒，雷諾準(zhǔn)數(shù)Ret中的直徑要用當(dāng)量直徑de代替 。,顆粒的球形度愈小，對應(yīng)于同一Ret值的阻力系數(shù)ζ愈大但φs值對ζ的影響在滯流區(qū)并不顯著，隨著Re

8、t的增大，這種影響變大。,4) 沉降速度的計算 1）試差法,假設(shè)沉降屬于層流區(qū),方法：,Ret＜1,Ret＞1,艾倫公式,2) 摩擦數(shù)群法,令,因ζ是Ret的已知函數(shù)， ζ Ret2必然也是Ret的已知函數(shù)，ζ ～Ret曲線便可轉(zhuǎn)化成 ζ Ret2～Ret曲線。 計算ut時，先由已知數(shù)據(jù)算出ζ Ret2的值，再由ζ Ret2～Ret曲線查得Ret值，最后由Ret反算ut 。,圖3-3 及

9、 關(guān)系曲線,,,,,計算顆粒的直徑d ：令ξ與Ret-1相乘，,將ξRet-1～Ret關(guān)系繪成曲線 ，由ξRet-1值查得Ret的值；,判別流型,再根據(jù)沉降速度ut值計算d。,當(dāng)Ret=1 時，K=2.62，為斯托克斯區(qū)的上限 牛頓定律區(qū)的下限K值為69.1 。,圖3-3 及 關(guān)系曲線,,,,,例：試計算直徑為95μm，密度為3000kg/m3的固體顆粒分別在20℃的空氣和水中的自由沉

10、降速度。 解：1）在20℃水中的沉降。用試差法計算先假設(shè)顆粒在滯流區(qū)內(nèi)沉降 ，,附錄查得，20℃時水的密度為998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s,核算流型,原假設(shè)滯流區(qū)正確，求得的沉降速度有效。,2） 20℃的空氣中的沉降速度用摩擦數(shù)群法計算20℃空氣：ρ=⒈205 kg/m3，μ=⒈81×10-5 Pa.s根據(jù)無因次數(shù)K值判別顆粒沉降的流型,2.61＜K<69.1，沉降

11、在過渡區(qū)。用艾倫公式計算沉降速度。,a）降塵室的結(jié)構(gòu),b）降塵室的生產(chǎn)能力 降塵室的生產(chǎn)能力是指降塵室所處理的含塵氣體的體積流量，用Vs表示，m3/s。,降塵室內(nèi)的顆粒運動,1) 降塵室,2、重力沉降設(shè)備,則表明，該顆粒能在降塵室中除去。,思考1：為什么氣體進(jìn)入降塵室后，流通截面積要擴大？,思考2：為什么降塵室要做成扁平的？,顆粒在降塵室的停留時間,顆粒沉降到室底所需的時間,思考3：要想使某一粒度的顆粒在降塵室中被100%除去，必須滿

12、足什么條件？,,,<100%,思考5：粒徑比dmin小的顆粒，被除去的百分?jǐn)?shù)為多少？,粒徑比dmin大的顆粒，被除去的百分?jǐn)?shù)為多少？,100%,,注意：降塵室內(nèi)氣體流速不應(yīng)過高，以免將已沉降下來的顆粒重新?lián)P起。根據(jù)經(jīng)驗，多數(shù)灰塵的分離，可取u<3m/s，較易揚起灰塵的，可取u<1.5m/s。,可見：降塵室生產(chǎn)能力與底面積、沉降速度有關(guān)，而與降塵室高度無關(guān),2) 多層降塵室,n 層隔板的多層降塵室生產(chǎn)能力：,降塵室的計算

13、,降塵室的計算,,設(shè)計型,操作型,已知氣體處理量和除塵要求，求降塵室的大小,用已知尺寸的降塵室處理一定量含塵氣體時，計算可以完全除掉的最小顆粒的尺寸，或者計算要求完全除去直徑 d 的塵粒時所能處理的氣體流量。,例：擬采用降塵室除去常壓爐氣中的球形塵粒。降塵室的寬和長分別為2m和6m,氣體處理量為1標(biāo)m3/s，爐氣溫度為427℃，相應(yīng)的密度ρ=0.5kg/m3，粘度μ=3.4×10-5Pa.s，固體密度ρS=400kg/m3操作

14、條件下，規(guī)定氣體速度不大于0.5m/s，試求：1．降塵室的總高度H，m；2．理論上能完全分離下來的最小顆粒尺寸；3. 粒徑為40μm的顆粒的回收百分率；4. 欲使粒徑為10μm的顆粒完全分離下來，需在降降塵室內(nèi)設(shè)置幾層水平隔板？,解：1）降塵室的總高度H,2）理論上能完全出去的最小顆粒尺寸,用試差法由ut求dmin。假設(shè)沉降在斯托克斯區(qū),核算沉降流型,∴原假設(shè)正確 3）粒徑為40μm的顆粒的回收百分率粒徑為40μm的顆粒定

15、在滯流區(qū) ，其沉降速度,氣體通過降沉室的時間為：,直徑為40μm的顆粒在12s內(nèi)的沉降高度為：,假設(shè)顆粒在降塵室入口處的爐氣中是均勻分布的，則顆粒在降塵室內(nèi)的沉降高度與降塵室高度之比約等于該尺寸顆粒被分離下來的百分率。直徑為40μm的顆粒被回收的百分率為：,4）水平隔板層數(shù) 由規(guī)定需要完全除去的最小粒徑求沉降速度， 再由生產(chǎn)能力和底面積求得多層降塵室的水平隔板層數(shù)。 粒徑為10μm的顆粒的沉降必在滯流區(qū)，,取3

16、3層,板間距為,降塵室,結(jié)構(gòu)簡單，但設(shè)備龐大、效率低，只適用于分離粗顆粒------直徑75?m以上的顆粒，或作為預(yù)分離設(shè)備。,2) 增稠器（沉降槽）,3) 分級器,例：本題附圖所示為一雙錐分級器，利用它可將密度不同或尺寸不同的粒子混合物分開?；旌狭Ｗ佑缮喜考尤耄?jīng)可調(diào)錐與外壁的環(huán)形間隙向上流過。沉降速度大于水在環(huán)隙處上升流速的顆粒進(jìn)入底流，而沉降速度小于該流速的顆粒則被溢流帶出,利用雙錐分級器對方鉛礦與石英兩種粒子混合物分離。已知

17、：粒子形狀 正方體 粒子尺寸 棱長為0.08~0.7mm方鉛礦密度 ρs1=7500kg/m3 石英密度 ρs2=2650kg/m320℃水的密度和粘度ρ=998.2kg/m3 μ=1.005×10-3 Pa·s假定粒子在上升水流中作自由沉降，試求

18、：1）欲得純方鉛礦粒，水的上升流速至少應(yīng)取多少m/s？2）所得純方鉛礦粒的尺寸范圍。,解：1)水的上升流速 為了得到純方鉛礦粒，應(yīng)使全部石英粒子被溢流帶出，應(yīng)按最大石英粒子的自由沉降速度決定水的上升流速。 對于正方體顆粒，先算出其當(dāng)量直徑和球形度。 設(shè) l 代表棱長，Vp 代表一個顆粒的體積。,用摩擦數(shù)群法求最大石英粒子的沉降速度,φs=0.806，查圖3-3的，Ret=60，則：,2）純方鉛礦的尺寸范圍

19、 所得到的純方鉛礦粒尺寸最小的沉降速度應(yīng)等于0.0696m/s 用摩擦數(shù)群法計算該粒子的當(dāng)量直徑。,與此當(dāng)量直徑相對應(yīng)的正方體的棱長為：,所得方鉛礦的棱長范圍為0.2565~0.7mm。,φs=0.806，查圖3-3的，Ret=22，則：,離心沉降：,依靠慣性離心力的作用而實現(xiàn)的沉降過程 適于分離兩相密度差較小，顆粒粒度較細(xì)的非均相物系。,3.3.2 離心沉降,慣性離心力場與重力場的區(qū)別,1、離心沉降速度,離心力：,徑向向外

20、,浮力：(向心力）,指向中心,受力平衡時，徑向速度ur為該點的離心沉降速度。,表達(dá)式：重力沉降速度公式中的重力加速度改為離心加速度數(shù)值：重力沉降速度基本上為定值 離心沉降速度為絕對速度在徑向上的分量， 隨顆粒在離心力場中的位置而變。,離心沉降速度與重力沉降速度的比較,阻力系數(shù) ：層流時,離心加速度ac=?2r=ut2/r不是常量 沉降過程沒有勻速段，但在小顆粒沉降時，加速度很小，可近似作

21、為勻速沉降處理,同一顆粒在同一種介質(zhì)中的離心沉降速度與重力沉降速度的比值為 ：,比值 Kc 就是粒子所在位置上的慣性離心力場強度與重力場強度之比稱為離心分離因數(shù)。 例如；當(dāng)旋轉(zhuǎn)半徑 R = 0.4m，切向速度uT = 20m/s時，求分離因數(shù)。,一般離心設(shè)備 Kc 在 5～2500 之間，高速離心機 Kc 可達(dá)幾萬～數(shù)十萬。,2 旋風(fēng)分離器的工作原理,構(gòu)造及氣、固運動軌跡,圖3-7 標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器,圖3-8 氣體在旋風(fēng)分

22、離器內(nèi)的運動情況,1）氣體處理量 旋風(fēng)分離器的處理量由入口的氣速決定，入口氣體流量是旋風(fēng)分離器最主要的操作參數(shù)。一般入口氣速ui在15～25m/s。 旋風(fēng)分離器性能的主要操作參數(shù)為氣體處理量，旋風(fēng)分離器的處理量,3 旋風(fēng)分離器的性能,判斷旋風(fēng)分離器分離效率高低的重要依據(jù)是臨界粒徑。臨界粒徑 ： 理論上在旋風(fēng)分離器中能完全分離下來的最小顆粒直徑。,① 臨界粒徑的計算式 a

23、) 進(jìn)入旋風(fēng)分離器的氣流嚴(yán)格按照螺旋形路線作等速運動，且切線速度恒定，等于進(jìn)口氣速uT=ui； b) 顆粒沉降過程中所穿過的氣流厚度為進(jìn)氣口寬度B,表示,c) 顆粒在滯流情況下做自由沉降，徑向速度可用,2）臨界粒徑,∵ρ<<ρS，故ρ可略去，而旋轉(zhuǎn)半徑R可取平均值Rm，并用進(jìn)口速度ui代替uT。,氣流中顆粒的離心沉降速度為：,顆粒到達(dá)器壁所需要的時間：,停留時間為：,對某尺寸的顆粒所需的沉降時間θt恰好等于停留時間θ，該

24、顆粒就是理論上能被完全分離下來的最小顆粒，用dc表示這種顆粒的直徑，即臨界粒徑 。,——臨界粒徑的表達(dá)式,② 臨界粒徑的影響因素,即臨界粒徑隨分離器尺寸的增大而增大。分離效率隨分離器尺寸的增大而減小。,b)入口氣速ui愈大，dc愈小，效率愈高。,3）分離效率,分離效率,,總效率ηo,進(jìn)入旋風(fēng)分離器的全部粉塵中被分離下來的粉塵的質(zhì)量分率,粒級效率ηpi,進(jìn)入旋風(fēng)分離器的粒徑為di的顆粒被分離下來的質(zhì)量分率,粒級效率ηpi與顆粒直徑di

25、 的對應(yīng)關(guān)系可通過實測得到，稱為粒級效率曲線。,如圖，臨界粒徑約為10μm。理論上，凡直徑大于10μm的顆粒，其粒級效率都應(yīng)為100%而小于10μm的顆粒，粒級效率都應(yīng)為零，圖中折線obcd。,直徑小于dc的顆粒中有些在旋風(fēng)分離器進(jìn)口處已很靠近壁面，在停留時間內(nèi)能夠達(dá)到壁面上有些在器內(nèi)聚結(jié)成了大的顆粒，因而具有較大的沉降速度直徑大于dc的顆粒氣體渦流的影響，可能沒達(dá)到器壁。 即使沉到器壁也會被重新?lián)P起,實測的粒級效率曲線，直

26、徑小于10μm的顆粒，也有可觀的分離效果，而直徑大于dc的顆粒，還有部分未被分離下來,有時也把旋風(fēng)分離器的粒級效率標(biāo)繪成d/d50的函數(shù)曲線，d50為粒級效率為50%的顆粒直徑，稱為分割粒徑。 對于標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器,4) 壓強降,氣體通過旋風(fēng)分離器時，由于進(jìn)氣管、排氣管及主體器壁所引起的摩擦阻力，氣體流動時的局部阻力以及氣體旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的動能損失造成了氣體的壓強降，,對型式不同或尺寸比例不同的設(shè)備ζ的值也不同，要通過實驗測定，對于標(biāo)準(zhǔn)

27、旋風(fēng)分離器ζ=8.0。旋風(fēng)分離器的壓降一般在500～2000Pa內(nèi)。,為了保證高速氣流進(jìn)入旋風(fēng)分離器時形成較規(guī)則的旋轉(zhuǎn)流，減少局部渦流與死角，設(shè)計了傾斜螺旋進(jìn)口，螺殼形進(jìn)口、軸向進(jìn)口等。,旋風(fēng)分離器的形式多種多樣，主要是在對標(biāo)準(zhǔn)型式的旋風(fēng)分離器的改進(jìn)設(shè)計出來的。,進(jìn)氣口 ：,主體結(jié)構(gòu)與各部分尺寸比例的優(yōu)化：,根據(jù)流場與顆粒流動規(guī)律設(shè)計旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)。,4 旋風(fēng)分離器的選型與計算,1）旋風(fēng)分離器的型式,一般細(xì)長的旋風(fēng)分離器效率高，但

28、超過一定限度，分離效率的提高不明顯，而壓降卻增加。改進(jìn)下灰口 ：,防止已分離下來的粉塵重新?lián)P起 。,2）旋風(fēng)分離器的設(shè)計計算 例如，已知氣體流量VS(m3/s)、原始含塵量C1(g/m3)、粉塵的粒度分布，除塵要求及氣體通過旋風(fēng)分離器允許的壓強降，要求選擇旋風(fēng)分離器的形式，確定旋風(fēng)分離器的直徑和個數(shù)。,步驟： a) 根據(jù)具體情況選擇合適型式，選型時應(yīng)在高效率與低阻力者之間作權(quán)衡，一般長、徑比大且出入口截面小

29、的設(shè)備效率高且阻力大，反之，阻力小效率低。 b) 根據(jù)允許的壓降確定氣體在入口的流速ui c) 根據(jù)分離效率或除塵要求，求出臨界粒徑dC d) 根據(jù)ui和dc計算旋風(fēng)分離器的直徑D e) 根據(jù)ui與D計算旋風(fēng)分離器的處理量，再根據(jù)氣體流量確定旋風(fēng)分離器的數(shù)目。 f) 校核分離效率與壓力降,例：氣體中所含塵粒的密度為2000kg/m3，氣體的流量為5500標(biāo)m3/h，

30、溫度為500℃，密度為0.43kg/m3，粘度為3.6×10-5Pa.s，擬采用標(biāo)準(zhǔn)形式的旋風(fēng)分離器進(jìn)行除塵，要求分離效率不低于90%，且知相應(yīng)的臨界粒徑不大于10μm，要求壓降不超過700Pa，試決定旋風(fēng)分離器的尺寸與個數(shù)。 解： 根據(jù)允許的壓強降確定氣體在入口的流速ui,ζ=8.0,按分離要求，臨界粒徑不大于10μm，故取臨界粒徑dc=10μm來計算粒徑的尺寸。 由ui與dc計算D,

31、N=5,旋風(fēng)分離器的直徑 ：,D=4B=4×0.196=0.78m,根據(jù)D與ui計算每個分離器的處理量，再根據(jù)氣體流量確定旋風(fēng)分離器的數(shù)目。進(jìn)氣管截面積,每個旋風(fēng)分離器的氣體處理量為：,所需旋風(fēng)分離器的臺數(shù)為：,為滿足規(guī)定的氣體處理量、壓強降及分離效率三項指標(biāo)，需要直徑不大于0.78m的標(biāo)準(zhǔn)分離器至少三臺，為了便于安排，現(xiàn)采用四臺并聯(lián)。校核壓力降與分離效率四臺并聯(lián)時，每臺旋風(fēng)分離氣分?jǐn)偟臍怏w處理量為：,為了保證指定的分離

32、效率，臨界粒徑仍取為10μm。,含塵氣體在操作狀況下的總流量為：,校核ΔP,或者從維持指定的最大允許壓降數(shù)值為前提，求得每臺旋風(fēng)分離器的最小直徑,ΔP=700Pa ui=20.2m/s,校核臨界粒徑,根據(jù)以上計算可知，當(dāng)采用四個尺寸相同的標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)分離器并聯(lián)操作來處理本題中的含塵氣體時，只要分離器在（0.654～0.695m）范圍內(nèi)，便可同時滿足氣量、壓強降及效率指標(biāo)。倘若直徑D>0.695m，則在規(guī)定的氣量下不能達(dá)到規(guī)

33、定的分離效率。倘若直徑D<0.654m，則在規(guī)定的氣量下，壓降將超出允許的范圍。,3.4 過濾,過濾操作的基本概念過濾基本方程式恒壓過濾恒速過濾過濾常數(shù)的測定過濾設(shè)備濾餅的洗滌過濾機的生產(chǎn)能力,3.4.1 過濾操作的基本概念,過濾：利用能讓液體通過而截留固體顆粒的多孔介質(zhì)（過濾介質(zhì)），使懸浮液中固液得到分離的單元操作。濾漿：過濾操作中所處理的懸浮液。 濾液：通過多孔介質(zhì)的液體 。濾渣（濾餅）：被截留住的固體

34、物質(zhì),1、過濾的概念,實現(xiàn)過濾操作的外力有重力、壓力、離心力，化工中應(yīng)用最多的是壓力過濾。,2、過濾方式,深層過濾,濾餅過濾,固體顆粒的沉積發(fā)生在較厚的粒狀過濾介質(zhì)床層內(nèi)部，懸浮液中的顆粒直徑小于床層直徑，當(dāng)顆粒隨流體在床層的曲折孔邊穿過時，便粘附在過濾介質(zhì)上。 適用于懸浮液中顆粒甚小且含量甚微（固相體積分率在0.1%以下）的場合,固體顆粒成餅層狀沉積于過濾介質(zhì)表面，形成濾餅適用于處理固相含量稍高（固相體積分率在1%以上）的懸浮液。

35、,3、過濾介質(zhì) 過濾介質(zhì)是濾餅的支承物，應(yīng)具有下列條件： a) 多孔性，孔道適當(dāng)?shù)男?，對流體的阻力小，又能截住要分離的顆粒。 b) 物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐熱，耐化學(xué)腐蝕。 c)足夠的機械強度，使用壽命長 d) 價格便宜工業(yè)常用的過濾介質(zhì)主要有 ： a) 織物介質(zhì)：又稱濾布，棉、毛、絲等天然纖維，玻璃絲和各種合成纖維制成的織物及金屬網(wǎng)。截留的粒徑的范圍從幾十μm到1μm。 優(yōu)點：織物介質(zhì)薄，阻力小，清洗與更新方便，價

36、格比較便宜，是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的過濾介質(zhì)。,b)多孔固體介質(zhì)：如素?zé)沾?，燒結(jié)金屬．塑料細(xì)粉粘成的多 孔塑料，棉花餅等。這類介質(zhì)較厚，孔道細(xì) 阻力大，能截留1～3μm的顆粒。c) 堆積介質(zhì)：由各種固體顆粒（砂、木炭、石棉粉等）或非編織

37、 的纖維（玻璃棉等）堆積而成，層較厚。d) 多孔膜：由高分子材料制成，膜很?。◣资蘭到200μm）， 孔很小，可以分離小到0.05μm的顆粒，應(yīng)用多孔膜 的過濾有超濾和微濾。,4、助濾劑,濾餅,,不可壓縮濾餅:,顆粒有一定的剛性，所形成的濾餅并不因所受的壓力差而變形,可壓縮濾餅:,顆粒比較軟，所形成的濾餅在壓差的作用下變形，使濾

38、餅中的流動通道變小，阻力增大。,助濾劑：可減少可壓縮濾餅的流動阻力,加入方法,,預(yù)涂：,預(yù)混： 將助濾劑混在濾漿中一起過濾,用助濾劑配成懸浮液，在正式過濾前用它進(jìn)行過濾，在過濾介質(zhì)上形成一層由助濾劑組成的濾餅。,3.4.2 過濾的基本方程,1、濾液通過餅層的流動 空隙率: 單位體積床層中的空隙體積，用ε表示。 ε=空隙體積 / 床層體積 m3/m3顆粒比表面積：單位體積顆粒所具有的表面積，

39、用a表示。 a=顆粒表面積 / 顆粒體積 de=4×水力半徑=4×管道截面積 / 潤濕周邊,(1)細(xì)管長度le與床層高度L成正比(2)細(xì)管的內(nèi)表面積等于全部顆粒的表面積， 流體的流動空間等于床層中顆粒之間的全部空隙體積。,簡化模型：假定：,,,,,,,流體在固定床內(nèi)流動的簡化模型,,顆粒床層的當(dāng)量直徑可寫為：,de∝流通截面積×流道長度∕潤濕周

40、邊長度×流道長度de∝流道容積∕流道表面積 取面積為1m2厚度為1m 的濾餅考慮：床層體積＝1×1＝1m3 流道容積＝1×ε＝εm3,流道表面積＝顆粒體積×顆粒比表面＝（1－ε）a m2所以床層的當(dāng)量直徑為 ：,濾液通過餅層的流動常屬于滯流流型 ，,(1),濾液通過餅床層的流速與壓強降的關(guān)系為：,（2）,在與過濾介質(zhì)層相垂直的方向上床層空隙中的濾液流速u’與按整個床層截面積計算的濾

41、液平均流速u之間的關(guān)系為 ：,（3）,將（1）、（3）代入（2）并寫成等式,比例常數(shù)K’與濾餅的空隙率、粒子形狀、排列及粒度范圍等因素有關(guān)。對于顆粒床層的滯流流動，K’值可取為5。,——過濾速度表達(dá)式,2、過濾速率,3、濾餅的阻力,,---單位時間內(nèi)通過單位過濾 面積的濾液體積,濾餅的比阻，1/m2,,令,——濾餅阻力,由R＝ r L 可知，比阻 r 是單位厚度濾餅的阻力， 數(shù)值上等于粘度為 1Pa.s 的濾液以 1

42、 m/s 的平均流速通過厚度為 1m 的濾餅層時，所產(chǎn)生的壓強降 。 反映了顆粒形狀、尺寸及床層空隙率對濾液流動的影響 床層空隙率ε愈小及顆粒比表面積α愈大，則床層愈致密，對流體流動的阻滯作用也愈大。,濾液穿過過濾介質(zhì)層的速度關(guān)系式 ：,式中：ΔP=ΔP1+ΔP2，代表濾餅與濾布兩側(cè)的總壓強降，稱為過濾壓強差。也稱為過濾設(shè)備的表壓強 。,4、過濾介質(zhì)的阻力 過濾介質(zhì)的阻力與其厚度及本身的致密程度有關(guān)，通

43、常把過濾介質(zhì)的阻力視為常數(shù)。,可用濾液通過串聯(lián)的濾餅與濾布的總壓強降來表示過濾推動力，用兩層的阻力之和來表示總阻力。,設(shè)想以一層厚度為Le的濾餅來代替濾布，,式中：Le——過濾介質(zhì)的當(dāng)量濾餅厚度，或稱為虛擬濾餅厚度，m 在一定的操作條件下，以一定介質(zhì)過濾一定懸浮液時，Le為定值，但同一介質(zhì)在不同的過濾操作中，Le值不同。,5、過濾基本方程式,設(shè)每獲得單位體積濾液時，被截留在過濾介質(zhì)上的濾餅體積為v（m3濾餅/m3濾液），則,代

44、入過濾速度表達(dá)式中：,過濾介質(zhì)的當(dāng)量濾液體積，或稱虛擬濾液體積，m3 在一定的操作條件下，以一定介質(zhì)過濾一定的懸浮液時，Ve為定值，但同一介質(zhì)在不同的過濾操作中，Ve值不同。,,——過濾速率的一般關(guān)系式,,,令,-----過濾基本方程,所以,3.4.3 恒壓過濾,恒壓過濾：在恒定壓強差下進(jìn)行的過濾操作。 恒壓過濾時，濾餅不斷變厚致使阻力逐漸增加。但推動力ΔP 恒定，過濾速率逐漸變小。,令,——表征過濾

45、物料特性的常數(shù)（m4/N.s）,過濾速率,,對于一定的懸浮液，μ,r’及ν均可視為常數(shù)。,假定獲得體積為Ve濾液所需的虛擬過濾時間為θe,則積分的邊界條件為： 過濾時間 濾液體積 0 →θe 0→Ve θe→θ+θe Ve→V+Ve,積分得 ：,積分兩式，并令 K=2kΔP1-s,兩式相加，得：,

46、——恒壓過濾方程式,K ——過濾常數(shù),由物料特性及過濾壓強差所決定 ，m2/s,θe和 qe —— 介質(zhì)常數(shù),反映過濾介質(zhì)阻力大小 ，s及m3/m2，由過濾介質(zhì)的性質(zhì)（孔的結(jié)構(gòu)、?、r0、厚度）決定。,當(dāng)介質(zhì)阻力可以忽略時，,表明：恒壓過濾時，濾液體積與過濾時間的關(guān)系為拋物線方程 當(dāng)介質(zhì)阻力可以忽略時，Ve=0，θe=0，則,令,,3.4.4 恒速過濾,特點：,K不為常數(shù)，而u為常數(shù)。,整理得：,若過濾介質(zhì)阻力可忽略不計，則,或,3

47、.4.5 過濾常數(shù)的測定,1、恒壓下K、qe、θe的測定 實驗原理：,對于一定恒壓下過濾的懸浮液，測出延續(xù)的時間及濾液的累計量q（按單位面積計）的數(shù)據(jù)，然后算出一系列的Δθ與Δq的對應(yīng)值。,由恒壓過濾方程,微分,,然后在直角坐標(biāo)紙上以Δθ/Δq為縱坐標(biāo)，以q為橫坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)繪，可得到一斜率為2/K，截距為2qe/K的直線。,求得：,由：,,2、壓縮性指數(shù)s的測定,由,兩端取對數(shù)，得,＝常數(shù),∴l(xiāng)gK與lg(△p)的關(guān)系在對數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)

48、繪時應(yīng)是直線,直線的斜率為1-s，截距為lg(2k)。由此可得到濾餅的壓縮性指數(shù)s及物料特性常數(shù)k。,3.4.6 過濾設(shè)備,圖3-18 板框壓縮機1-壓緊裝置 2-可動頭 3-濾框 4-濾板 5-固定頭 6-濾液出口 7-濾漿進(jìn)口 8-濾布,1、板框壓濾機,,圖3-19 濾板和濾框,板框壓濾機為間歇操作，每個操作循環(huán)由裝合、過濾、洗滌、卸餅、清理5個階段組成。 懸浮液在指定壓強下經(jīng)濾漿通路

49、由濾框角上的孔道并行進(jìn)入各個濾框。 濾液分別穿過濾框兩側(cè)的濾布，沿濾板板面的溝道至濾液出口排出 顆粒被濾布截留而沉積在濾布上，待濾餅充滿全框后，停止過濾。,2）板框壓濾機的操作,橫穿洗滌法： 洗滌時，先將洗滌板上的濾液出口關(guān)閉 ，洗滌水經(jīng)洗水通路從洗滌半角上的孔道并行進(jìn)入各個洗滌板的兩側(cè)。特點：洗滌水穿過的途徑正好是過濾終了時濾液穿過途徑的二倍。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，設(shè)備緊湊，過濾面積大而占地

50、小，操作壓強高，濾餅含水少，對各種物料的適應(yīng)能力強。缺點：間歇手工操作，勞動強度大，生產(chǎn)效率低。,2、加壓葉濾機 葉濾機是由許多不同寬度的長方形濾葉裝合而成。濾葉由金屬絲網(wǎng)制造，內(nèi)部具有空間，外罩濾布。,一個操作循環(huán)：,過濾、洗滌、卸渣、整理重裝,特點：,優(yōu)點：設(shè)備緊湊，密閉操作，勞動條件較好，每次循環(huán)濾布不用裝卸，勞動力較省。,圖3-21 加壓葉濾機 1-濾餅 2-濾布 3-拔出裝置 4-

51、橡膠圈,3、轉(zhuǎn)筒真空過濾機1）轉(zhuǎn)筒真空過濾機的結(jié)構(gòu),置換洗滌：Lw= L,屬連續(xù)式,轉(zhuǎn)筒---筒的側(cè)壁上覆蓋有金屬網(wǎng)，長、徑之比約為1/2?2，濾布---蒙在筒外壁上。分配頭---轉(zhuǎn)動盤、固定盤,構(gòu)造：,一個操作循環(huán)：,浸沒于濾漿中的過濾面積約占全部面積的30?40%，轉(zhuǎn)速為0.1至2?3（轉(zhuǎn)/分） 。,特點：,過濾、洗滌、吹松、刮渣,3.4.7 濾餅的洗滌,洗滌速率：,特點：洗滌時推動力、阻力不變，洗滌速度為常數(shù)。,濾餅洗滌的目

52、的：為了回收濾餅里存留的濾液，或者凈化構(gòu)成濾餅顆粒。,單位時間內(nèi)消耗的洗水容積,,洗滌時間：,洗滌液量,,洗滌速率與過濾終了時的過濾速率有關(guān)，這個關(guān)系取決于濾液設(shè)備上采用的洗滌方式。,橫穿洗滌法：洗水橫穿兩層濾布及整個厚度的濾餅，流徑長度約為過濾終了時濾液流動的兩倍。而供洗水流通的面積僅為過濾面積的一半 。,當(dāng)操作壓強差和洗水與濾液粘度相同時,當(dāng)洗水粘度、洗水表壓與濾液粘度、過濾壓強差有明顯差異時，所需的過濾時間可進(jìn)行校正。,葉濾機采用

53、的置換洗滌法，洗水與過濾終了時的濾液流過的路徑就完全相同。當(dāng)操作壓強差和洗水與濾液粘度相同時,過濾機的生產(chǎn)能力 ：,單位時間的濾液體積或濾渣體積，m3/s,1、間歇過濾機的計算 一個操作周期時間為：,生產(chǎn)能力為：,3.4.8 過濾機的生產(chǎn)能力,2、連續(xù)過濾機的生產(chǎn)能力 浸沒度: 轉(zhuǎn)筒表面浸入濾漿中的分?jǐn)?shù)，φ＝浸沒角度/360°,若轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速為n r/min,轉(zhuǎn)筒回轉(zhuǎn)一周所用時間：,轉(zhuǎn)筒上任一塊過濾面積所經(jīng)歷的過濾時

54、間為：,一臺總過濾面積為A，浸沒角度為φ，轉(zhuǎn)速為n r/min的連續(xù)式轉(zhuǎn)筒真空過濾機，與一臺同樣條件下操作的過濾面積為A，操作周期為T=60/n，每次過濾時間,的間歇式板框壓濾機是等效的。,轉(zhuǎn)筒每轉(zhuǎn)一周所得濾液的體積為：,生產(chǎn)能力：,當(dāng)濾布阻力可以忽略不計時,其中：,D-轉(zhuǎn)筒直徑 L-轉(zhuǎn)筒的長度,轉(zhuǎn)速n愈高，浸沒度愈大，生產(chǎn)能力愈大。,3.6 固體流態(tài)化3.6.1 流態(tài)化的基本概念,將大量固體顆粒懸浮于流動的流體之中，并在流體作用

55、下使顆粒作翻滾運動，類似于液體的沸騰，故稱這種狀態(tài)為固體流態(tài)化?；瘜W(xué)工業(yè)中廣泛使用固體流態(tài)化技術(shù)以強化傳熱、傳質(zhì)，并實現(xiàn)某些化學(xué)反應(yīng)、物理加工乃至顆粒的輸送等過程。,當(dāng)一種流體自下而上流過顆粒床層時，隨著流速的加大，會出現(xiàn)以下三種不同的情況。,固定床階段流化床階段稀相輸送床階段,,氣速增加,圖3-31 不同流速時床層的變化(a)固定床 (b)初始或臨界流化床 (c)散式流化床 (d)聚式流化床 (e)輸送

56、床,散式流化,散式流化狀態(tài)的特點為固體顆粒均勻地分散在流化介質(zhì)中，故亦稱均勻流化。當(dāng)流速增大時，床層逐漸膨脹而沒有氣泡產(chǎn)生，顆粒彼此分開，顆粒間的平均距離或床層中各處的空隙率均勻增大，床層高度上升，并有一穩(wěn)定的上界面。通常兩相密度差小的系統(tǒng)趨向散式流化，故大多數(shù)液—固流化屬于“散式流化”。,散式流化,聚式流化,床層內(nèi)分為兩相:乳化相和氣泡相。由于氣泡在上界面處破裂，所以上界面是以某種頻率上下波動的不穩(wěn)定界面，床層壓強降也隨之作相應(yīng)的波動

57、。對于密度差較大的氣－固流化系統(tǒng)，一般趨向于形成聚式流化。,聚式流化,理想流化床 的壓強降,圖3-32 理想流化床的Δp-u關(guān)系圖,3.6.2 流化床的主要特征,2. 實際流化床 的壓強降,圖3-33 實際流化床的Δp-u關(guān)系曲線,駝峰,類似液體的特點,圖3-34 氣體流化床類似液體的特性,流化床中兩相流動特點： ①顆粒軸向混合，系統(tǒng)顆?；旌途鶆?； ②溫度、濃度分布均勻，避免局部過熱；

58、③但溫度、濃度不均勻會使床層內(nèi)傳熱、傳質(zhì)推動力下降，反應(yīng)進(jìn)行得不完全； ④易于連續(xù)自動操作。,騰涌現(xiàn)象,圖3-35 騰涌發(fā)生后Δp-u關(guān)系曲線,2. 溝流現(xiàn)象,圖3-36 溝流發(fā)生后Δp-u關(guān)系曲線,要使固體顆粒床層在流化狀態(tài)下操作，必須使氣速高于臨界流速umf，而最大氣速又不得超過顆粒的沉降速度，以免顆粒被氣流帶走。,1．實測法 測取流化床回到固定床的一系列壓降與氣體流速的對應(yīng)數(shù)值。 測定時常用空氣作流化介