《化工原理》课程教学资源（PPT讲稿）第三章 颗粒流体力学基础与机械分离

第三章颗粒流体力学基础与机械分离 3.1概述 3.2单颗粒与颗粒群的几何特性 33流体通过固定床层的流动与液体过滤 3.4颗粒沉降与沉降分离设备 3.5固体流态化 跳转到第一页

跳转到第一页 第三章 颗粒流体力学基础与机械分离 3.1 概述 3.2 单颗粒与颗粒群的几何特性 3.3 流体通过固定床层的流动与液体过滤 3.4 颗粒沉降与沉降分离设备 3.5 固体流态化

3.1概述 311流体非均相混合物的分离与颗粒流体力学 1.非均相物系: (1)定义:物系内部存在相界面且界面两侧的物理性质完全不同 (2)类型:①气态非均相物系:含尘气体,含雾气体 ②液态非均相物系:悬浮液,乳浊液,泡沫液 2.分散相(分散质):非均相物质中处于分散状态的物质。如悬浮 液中的固体颗粒。 3.连续相(分散介质):包围分散质的处于连续状态的流体。如悬 浮液中的液体。 4非均相物系分离的依据:分散相与连续相之间的物理性质的差异。 如密度、颗粒外径等 5.分离方法:机械法即使分散质与分散相之间发生相对运动,实现 分离 6.理论基础:颗粒流体力学 跳转到第一页

跳转到第一页 3.1 概述 3.1.1 流体非均相混合物的分离与颗粒流体力学 1. 非均相物系： (1)定义：物系内部存在相界面且界面两侧的物理性质完全不同。 (2)类型：①气态非均相物系：含尘气体，含雾气体 ②液态非均相物系：悬浮液，乳浊液，泡沫液 2. 分散相（分散质）：非均相物质中处于分散状态的物质。如悬浮 液中的固体颗粒。 3. 连续相（分散介质）：包围分散质的处于连续状态的流体。如悬 浮液中的液体。 4.非均相物系分离的依据：分散相与连续相之间的物理性质的差异。 如密度、颗粒外径等 5. 分离方法：机械法即使分散质与分散相之间发生相对运动，实现 分离。 6. 理论基础：颗粒流体力学

7.分离目的:①回收分散质,如从气固催化反应器的尾气中收集催 化剂颗粒 ②净化分散介质,如原料气中颗粒杂质的去除以净化 反应原料,环保方面烟道气中煤炭粉粒的除去。 32单颗粒与颗粒群的几何特性 321单颗粒的几何特性 1.球形颗粒 体积v=(x6)d3mi 表面积s=xd2m2 比表面积为a=yN=6/d1/md球形颗粒的直径,m 2.非球形颗粒 (1)常用的参量: ①等体积当量直径dν与非球形颗粒体积相等的球的直径。 da=(6v)13v为非球形颗粒的体积 跳转到第一页

跳转到第一页 7. 分离目的：①回收分散质，如从气固催化反应器的尾气中收集催 化剂颗粒 ②净化分散介质，如原料气中颗粒杂质的去除以净化 反应原料，环保方面烟道气中煤炭粉粒的除去。 3.2 单颗粒与颗粒群的几何特性 3.2.1 单颗粒的几何特性 1. 球形颗粒 体积v=(π/6)dp 3 m3 表面积 s=πdp 2 m2 比表面积为a=s/v=6/dp 1/m dp 球形颗粒的直径，m 2. 非球形颗粒 （1）常用的参量： ①等体积当量直径de,v：与非球形颗粒体积相等的球的直径。 de,v=(6v/π)1/3 v为非球形颗粒的体积

②球形系数ν:与非球形颗粒体积相等的球的表面积与该颗粒表面 积之比。v=7d2S为非球形颗粒的表面积 (2)非球形颗粒的体积、表面积、比表面积 体积v=(m6)d3 表面积s=rd2eym2 比表面积a=s/v=6/ydev1/m 322颗粒群的几何特性 了解固定床的几何特性首先要作筛分分析,确定粒度分布。 筛分分析 (1)定义 1.标准筛:一般使用的筛。有泰勒制,日本制,德国制及原苏联制等。 我国用泰勒制。 2筛号:指沿丝线走向1英寸长具有的孔数。 3.筛余量:截留在该筛面上的颗粒质量。 跳转到第一页

跳转到第一页 ②球形系数ψ ：与非球形颗粒体积相等的球的表面积与该颗粒表面 积之比。 ψ=πd2 e,v/s S为非球形颗粒的表面积。 （2）非球形颗粒的体积、表面积、比表面积 体积v=(π/6) d3 e,v m3 表面积s=πd2 e,v/ψ m2 比表面积a=s/v=6/ψde,v 1/m 3.2.2 颗粒群的几何特性 了解固定床的几何特性首先要作筛分分析，确定粒度分布。 一. 筛分分析 （1）定义: 1.标准筛:一般使用的筛。有泰勒制，日本制，德国制及原苏联制等。 我国用泰勒制。 2.筛号:指沿丝线走向1英寸长具有的孔数。 3.筛余量:截留在该筛面上的颗粒质量

4筛过量通过该号筛的颗粒质量 (2)原始数据作出的颗粒粒径分布状况表达式有三种 1表格式(见下一页) 2分布函数曲线F~d(见下一页) 分布函数F即筛过量质量分数。D为筛孔尺寸。 从图上可以看出:孔径↑→F↑ 3频率函数曲线fdd(见下一页) 频率函数dFd(d),F="f(d) 频率函数曲线与横坐标之间的面积为1。由横坐标上d1~d间 作向上垂线截止于频率函数曲线上,则在此颗粒范围内频率函数 曲线与横轴之间的面积为该颗粒范围内颗粒的质量分数,表达了 各粒度颗粒出现的概率密度的大小 二.颗粒群的平均直径P97 ∑(x/dn) 跳转到第一页

跳转到第一页 4.筛过量:通过该号筛的颗粒质量。 （2）原始数据作出的颗粒粒径分布状况表达式有三种 1.表格式(见下一页) 2.分布函数曲线F~d(见下一页) 分布函数F即筛过量质量分数。D为筛孔尺寸。 从图上可以看出：孔径↑→F↑ 3.频率函数曲线f~dp (d)(见下一页) 频率函数f=dF/d(dp )， 频率函数曲线与横坐标之间的面积为1。由横坐标上di-1~di间 作向上垂线截止于频率函数曲线上，则在此颗粒范围内频率函数 曲线与横轴之间的面积为该颗粒范围内颗粒的质量分数，表达了 各粒度颗粒出现的概率密度的大小。 二. 颗粒群的平均直径P97  = d p i i dp F fd 0 ( ) p i m i d d x   6 ( ) 6 ,  =  = ( / ) 1 i p,i m x d d

表1石英砂的筛分数据 编号筛号范围平均粒径|质量分数筛孔尺寸筛过量 mm X d 质量分 数F 9/10 1.816 0.04 651(10号)0.96 10/12 1.524 0.061.397(12号)0.9 23456 12/14 1283 0.241.168(14号)06 14/ /16 1.08 0.220.991(16号)0.44 16/20 0.912 0.250.833(20号)0.19 20/24 0.767 0.160.701(24号)0.03 7242806450020589(28号)001 28/ 02950010(无孔底盘)0 其中平均粒径dn=(d4+1+d)/2,如1.524=(1.651+1.397)/2 跳转到第一页

跳转到第一页 表1 石英砂的筛分数据 其中平均粒径dpi=(di+1+di )/2，如1.524=(1.651+1.397)/2 编号 筛号范围 平均粒径 dp， mm 质量分数 x 筛孔尺寸 d， m 筛过量 质量分 数F 1 9/10 1.816 0.04 1.651（10号） 0.96 2 10/12 1.524 0.06 1.397 （12号） 0.9 3 12/14 1.283 0.24 1.168 （14号） 0.66 4 14/16 1.08 0.22 0.991 （16号） 0.44 5 16/20 0.912 0.25 0.833 （20号） 0.19 6 20/24 0.767 0.16 0.701 （24号） 0.03 7 24/28 0.645 0.02 0.589 （28号） 0.01 8 28/ 0.295 0.01 0（无孔底盘） 0

0.8 1.2 0.6 0.8 0.4 0.2 0.0 0.4 0.8 2.0 d(mm) 图3-2分布函数曲线与频率函数曲线

图 跳转到第一页 3-2分布函数曲线与频率函数曲线 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 d(mm) 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 f(1/mm) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 F

三.床层特性 固定床:众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒层 1床层空隙率 定义:床层空隙率ε=(床层体积-颗粒体积)/床层体积 对于同样的颗粒群,堆积方法不同,床层空隙率也不相同。 床层空隙率一般在0.47至07之间波动。 堆积密度:单位体积床层内固体颗粒的质量。 真实密度:颗粒的密度 2.床层各向同性:对于乱堆的床层,因各部位颗粒的大小、方向是随 机的,当床层足够大或者颗粒足够小时,可以认为床层是均匀的, 各局部区域的空隙率相等,床层是各向同性的。推论:床层内任 截面上空隙面积与截面总面积之比(即自由截面率)在数值上 等于空隙率。 3床层的比表面积a:颗粒的比表面积a指每m3颗粒具有的表面积, 而床层比表面积指每m3床层体积具有的颗粒表面积。显然, B=(1-8)a 跳转到第一页

跳转到第一页 三. 床层特性 固定床：众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒层。 1.床层空隙率 定义:床层空隙率ε=（床层体积-颗粒体积）/床层体积 对于同样的颗粒群，堆积方法不同，床层空隙率也不相同。 床层空隙率一般在0.47至0.7之间波动。 堆积密度：单位体积床层内固体颗粒的质量。 真实密度：颗粒的密度。 2.床层各向同性: 对于乱堆的床层，因各部位颗粒的大小、方向是随 机的，当床层足够大或者颗粒足够小时，可以认为床层是均匀的， 各局部区域的空隙率相等，床层是各向同性的。 推论：床层内任 一截面上空隙面积与截面总面积之比（即自由截面率）在数值上 等于空隙率。 3.床层的比表面积aB：颗粒的比表面积a指每m3颗粒具有的表面积， 而床层比表面积指每m3床层体积具有的颗粒表面积。显然， aB =（1- ε）a

33流体通过固定床层的流动与液体过滤 331流体通过固定床层的流动 基本概念 过滤:是指以某种多孔物质作为介质,在外力的作用下,流体通 过介质的孔道,而使固体颗粒被截留下来,从而实现固体颗粒与 流体分离目的的操作。过滤可去除气固体中的固体颗粒,也可去 除液固体中的固体颗粒,化工生产过程中,过滤大多用于悬浮液 中固液分离,本节只介绍悬浮液的过滤操作 实现过滤操作的外力:可以是重力,压差或惯性离心力,在化工 生产过程中应用最多的是以压强差为推动力的过滤 3.滤浆(料浆):指被处理的悬浮液。 4.过滤介质过滤操作中采用的多孔物质。 5.滤液:是指通过介质孔道的液体。 6.滤饼:是指被截留的固体颗粒。 7.过滤目的:获得洁净的液体或获得作为产品的固体颗粒。 跳转到第一页

跳转到第一页 3.3 流体通过固定床层的流动与液体过滤 3.3.1 流体通过固定床层的流动 一. 基本概念 1. 过滤: 是指以某种多孔物质作为介质，在外力的作用下，流体通 过介质的孔道，而使固体颗粒被截留下来，从而实现固体颗粒与 流体分离目的的操作。过滤可去除气固体中的固体颗粒，也可去 除液固体中的固体颗粒，化工生产过程中，过滤大多用于悬浮液 中固液分离，本节只介绍悬浮液的过滤操作。 2. 实现过滤操作的外力: 可以是重力，压差或惯性离心力，在化工 生产过程中应用最多的是以压强差为推动力的过滤。 3. 滤浆（料浆):指被处理的悬浮液。 4. 过滤介质 :过滤操作中采用的多孔物质。 5. 滤液:是指通过介质孔道的液体。 6. 滤饼:是指被截留的固体颗粒。 7. 过滤目的: 获得洁净的液体或获得作为产品的固体颗粒

过滤操作的分类 1、饼层过滤(滤饼过滤) (1)定义:若悬浮液中固体颗粒的体积百分数大于1%,则过滤过程中 在过滤介质表面会形成固体颗粒的滤饼层,这种过滤操作称为饼 层过滤。 (2)特点:在饼层过滤中,由于悬浮液中的部分固体颗粒的粒径可能 会小于介质孔道的孔径,因而过滤之初会有一些幼小颗粒穿过介 质而使液体浑浊,但颗粒会在孔道内很快发生“架桥”现象,并 开始形成滤饼层,滤液由浑浊变为清澈。此后过滤就能有效进行 (3)小结:在饼层过滤中,真正起截留颗粒作用的是滤饼层而不是过 滤介质,在饼层过滤过程中,滤饼会不断增厚。过滤的阻力随之 增加,在推动力不变下,过滤速度会愈来愈小 2、深层过滤 (1)定义:当悬浮液中固体颗粒的百分数在0.1%以下且固体颗粒 的粒度很小时,若以小而坚硬的固体颗粒堆积生成的固定床 作为过滤介质,将悬浮于液体中的固体颗粒截留在床层肉部

跳转到第一页 二. 过滤操作的分类 1、饼层过滤（滤饼过滤） (1) 定义: 若悬浮液中固体颗粒的体积百分数大于1%，则过滤过程中 在过滤介质表面会形成固体颗粒的滤饼层，这种过滤操作称为饼 层过滤。 (2) 特点: 在饼层过滤中，由于悬浮液中的部分固体颗粒的粒径可能 会小于介质孔道的孔径，因而过滤之初会有一些幼小颗粒穿过介 质而使液体浑浊，但颗粒会在孔道内很快发生“架桥”现象，并 开始形成滤饼层，滤液由浑浊变为清澈。此后过滤就能有效进行 了。 (3)小结: 在饼层过滤中，真正起截留颗粒作用的是滤饼层而不是过 滤介质，在饼层过滤过程中，滤饼会不断增厚。过滤的阻力随之 增加，在推动力不变下，过滤速度会愈来愈小。 2、深层过滤 (1) 定义: 当悬浮液中固体颗粒的百分数在0.1%以下且固体颗粒 的粒度很小时，若以小而坚硬的固体颗粒堆积生成的固定床 作为过滤介质，将悬浮于液体中的固体颗粒截留在床层内部 且过滤介质表面不生成滤饼的过滤称为深层过滤