大学课件-化工原理-第3章过滤1

Lu(a)u(b)第3章流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离3.1概述(1)非均匀物系分离气、固分离--------液、固分离-------固、固分离-------流化床：众多固体颗粒悬浮于运动的流体中。基础：流体及颗粒间的相对运动，相互作用。沉降过滤(2)非均相反应固定床反应器、流化床反应器等。筛分、分级沉降固定床：众多固体颗粒堆积成的静止颗粒层。流体相对颗粒流动(外流流动)流体受颗粒作用产生压降，研究颗粒及流体性质。流体在管道内流动(内流流动)流体受管壁粘性阻力，研究管道及流体性质。相同点：同属流体流动问题，研究问题方法及规律性相似。两种流动3.2颗粒及颗粒床层的特性3.2.1单颗粒的特性参数(1)描述颗粒形状1）颗粒的球形度φ颗粒的表面积粒的表面积与颗粒等体积的球形颗球形度AAs公式表示：1表明：颗粒形状接近于球形的程度φ↑，则颗粒越接近于球形。球形颗粒：12）颗粒的比表面积aVAmma)()(32颗粒体积颗粒表面积VAasV相同时，a↓，则颗粒越接近球形a与φ关系：sssssdddVAa6632球形颗粒比表面积：球形度φ、比表面积аV一定时，а↑,则φ↓，颗粒越偏离球形。描述颗粒形状参数---(2)描述颗粒大小1）等体积当量直径dv指：与颗粒体积相等的球形颗粒的直径。36ssdVV31)6(VdVdv与a、φ关系：aAVVAass31)6(VdV3/123/12)6()/6(adadVVadV6因此，2）等比表面积当量直径da指：与非球形颗粒比表面积相等的球形颗粒的直径saasssddd/6632adada/6因此，adV6比较：/aVdd得：)(VaVadddd3.2.2混合颗粒的特性参数(1)颗粒的筛分分析标准筛：有不同的系列，常用泰勒标准筛。筛号(目数)：每英寸边长的筛孔数目筛过量：通过筛孔的颗粒量筛余量：截留于筛面上的颗粒量*颗粒的筛分尺寸21iipiddd算术平均：iipiddd1几何平均：*筛分尺寸与颗粒特性参数的关系较规则颗粒：条形颗粒：piaidd21)2(长短比piaidd(2)颗粒群的平均特性参数*平均比表面积aiiimdwawai6*颗粒群的等比表面积当量直径aiimamdwad116Lu(a)u(b)3.2.3颗粒床层的特性组成：(1)床层空隙率1)定义：床层中，空隙所占体积分率。表明：床层堆积的松散程度；ε↑，空隙越大，床层越松散；ε对流体流过床层的阻力影响很大。空隙颗粒颗粒床层BBBVVVVV12)影响床层空隙率的因素①装填方法：干装湿装②颗粒特性的影响颗粒形状：靠壁面处：粒径分布：;,,/DdP壁效应，使；颗粒均匀，颗粒光滑，3)空隙率测量---充水法、称量法(2)床层的自由截面积即：床层中空隙的面积(流体的流通截面积)自由截面积分率SSSSSSPPo1S0与ε关系：同样表明颗粒堆积的松散程度均匀颗粒，则S0↑，ε↑。(3)床层的比表面积aBBBVAa床层体积床层中颗粒的表面积)1()1(aVAVAaBBaaB忽略颗粒相互重叠减少的面积，则：①颗粒静止，流体绕过颗粒流动；②流体静止，颗粒流动；③颗粒和流体都运动，维持一定相对速度。流体和颗粒相对运动的情况：3.3流体和颗粒的相对运动APτm(a)(b)(c)图3-5物体的不同形状和位向对曳力的影响（a）-平板平行于流向；（b）-平板垂直于流向；（c）-流线型物体3.3.1流体绕过颗粒的流动(1)曳力阻力：颗粒对流体的作用力曳力：流体对颗粒的作用力dAdApdFwDsincos颗粒微元：dAdApFAAwDsincos总曳力：水平方向，颗粒所受曳力：dAα流向uτwsinadAτwdAPdAAPcosadA图3-4作用于颗粒上的形体曳力和表面曳力dAα流向uτwsinadAτwdAPdAAPcosadA图3-4作用于颗粒上的形体曳力和表面曳力状、位向有关：形体曳力，与颗粒形AAdpcos起：表面曳力，由摩擦引dAAwsin向，颗粒形状、尺寸、位流体性质),,(u●影响因素：●获得：实验或经验公式221uAFPD常用公式：(2)曳力系数影响因素：位向）不可压缩流体：,,,,(udf),,,(udfs①球形颗粒:udRsep颗粒运动雷诺数：)(epR量纲分析得：判断流型：层流（斯托克斯区）过渡流湍流epepRR241，多为层流，表面曳力为主，实际曳力u6.05.1810001epepRR，体曳力增加发生边界层分离，使形44.010210005，epR曳力为主，曳力系数恒定，形体曳力2u体曳力转化为湍流边界层，形时，左右;0.1曳力系数降为105.25epR221uAFPD②非球形颗粒的曳力系数计算方法：◇近似用球形颗粒公式，ds→da或dv◇实测ξ-Rep关系（书P168图3.3.2）FDFeFb颗粒受力分析3.3.2颗粒在流体中的流动(1)颗粒在力场中的受力分析①质量力②浮力③曳力合力：esseeaVmaFesesbaVamF221uAFPDdtdummaFFFFDbeFDFeFb颗粒受力分析(2)颗粒的运动情况运动方向：初始时，两个阶段--①加速阶段②恒速阶段终端速度:简化：沿合力方向0,0DFu加速阶段、恒速阶段，沿质量力方向加速时，besFF，沿浮力方向加速时，besFF时，颗粒速度恒定合力0DbeFFF常数tu加速阶段很短，忽略不计；认为全过程中，颗粒匀速运动esessaVaVF进气排气出灰口图3-14旋风分离器B目的：流体与固体颗粒分离原理：利用颗粒与流体之间的密度差，将固体颗粒从流体中分离出来。常用方法：(1)重力沉降(分离较大的颗粒）例：选矿3.4沉降（单元操作）(2)离心沉降(分离尺寸小的颗粒）例：气体除尘FDFeFb颗粒受力分析3.4.1重力沉降速度的计算(1)球形颗粒的自由沉降自由沉降：干扰沉降：匀速阶段受力分析：容器壁和其它颗粒不影响沉降速度实际颗粒的沉降s设：022uAmgmgFPs合sPstAmgu)(2:)(速度终端沉降其它条件相同时，小颗粒后沉降3)(4sstgdu球形颗粒：◆影响沉降速度的因素：①颗粒直径②流体密度③颗粒密度tsud，则tu，则tsu，则其它条件相同时，密度大的颗粒先沉降。◆球形颗粒的沉降速度,42sPdA因为：ssdm36其它条件相同时，设备中空气较水颗粒易沉降18)()(2gduStokessst公式：斯托克斯2）过渡区6.05.1810001epepRR，6.0)(27.0:)(epsstgRduAllen公式阿伦44.010210005，epRgduNewdonsst)(74.1)(公式：牛顿关于曳力系数:1）层流区epepRR241，3）湍流区或：判据法(避免试差)3181kRep则：312)(gdkss令：6.2k层流：1.606.2k过渡流：23641.60k湍流：问题：沉降速度ut未知，如何判断流型方法：试差法udRsep3)(4sstgdu(2)非球形颗粒的沉降速度同样条件下，因此，处理方法：球非球球非球,,ttuu可先假定为颗粒球形，然后校正。书P172图3.4.1(3)不均匀颗粒的沉降速度粒径不同时，除去所有颗粒，颗粒分级时，大颗粒先沉降，小颗粒后沉降。应以最小颗粒直径计算ut。以不同粒度，分别进行计算ut。(4)影响沉降速度的其它因素1)干扰沉降------颗粒沉降时彼此影响◇颗粒浓度对沉降速度的影响由于大量颗粒向下沉降而使流体被置换而产生显著的向上运动◇流体表观物性的影响流体的表观密度和表观粘度（即混合物的密度和粘度）都增大颗粒的沉降速度减小③液滴或气泡变形液滴或气泡受曳力变形，影响计算准确性。②流体分子运动的影响颗粒直径小于2~3μm以下时，抑制重力沉降。④壁效应和端效应01.0Ddp时,器壁有影响312图3-10降尘室1-气体入口；2-气体出口；3-集尘斗3.4.2重力沉降设备(1)降尘室①结构及工作原理入口：矩形LbAHbubHqV随气体的水平流速u颗粒沉降速度ut降尘室底面积尘气流通截面积尘气体积流量颗粒速度分解：颗粒的停留时间颗粒的沉降时间ttuHVqLHbuLt沉降时间停留时间tuHuL即：tVbLuq由分离条件得：(2)颗粒分离(沉降)条件(3)生产能力(可处理的尘气体积流量qV)说明：生产能力由底面积、沉降速度决定，与降尘室高度无关多用扁平形状或多层降尘室(层高40-100mm)②计算ut时，如何使尘粒完全分离应以最小颗粒直径，计算ut③如何选取气体速度④重力沉降适于分离的粒径范围区）（多为一般，Stokessmu/3smu/5.1易扬粉尘时，mds75较大颗粒，18)(2gdusst如：①如何计算可沉降颗粒的粒径？tuHuL分离条件：提出问题?(2)连续式沉降槽（自学）从液体中分离出固体颗粒。进气排气出灰口图3-14旋风分离器B3.4.3离心沉降1、作用原理在离心力作用下，靠流体与颗粒间密度差，分离颗粒。2、离心沉降的优点1）可分离出直径较小的颗粒(离心力重力)2）对一定质量颗粒，离心力大小可调，可测粒径分布，设备操作灵活、尺寸减小。3-4-1离心沉降速度计算方法：同重力场，重力→离心力重力沉降离心沉降对球形颗粒sPstAmgu)(2sPsrAmru)(23)(4rdussr离心沉降速度ur：随颗粒旋转半径r变化层流Stokes区：重力沉降离心沉降18)(2gdusst18)(22rdussrrudussr18)(22或：说明：1、ur与旋转半径r有关角速度一定时，线速度u一定时，2、ur与转数（ω、u）有关调节转数，可测粒径分布。3、衡量离心分离性能的指标离心分离因素rurrur1gaKrCrgugr22KC越大，分离效能越高进气排气出灰口图3-14旋风分离器B3-4-4离心沉降设备一、旋风分离器1、结构和工作原理(标准型)进气口形状：矩形尺寸：进口管A、B圆柱筒直径D(主要尺寸)排气口直径D1尺寸间关系：2,4,21DDDBDA问题：生产能力的影响因素气体种类、圆柱筒直径D、进口气速假设条件：（1）颗粒与气体在器内等速运动，且均为进口气速；（2）颗粒沉降时，圆周运动半径增加，最大距离是旋风分离器进气口宽度B；（3）沉降处于stokes区。2、旋风分离器的性能参数1）临界粒径dc：能够分离出的最小颗粒直径。沉降速度沉降时间mssrrudu18222218udBruBscmrr设：气体旋转圈数N，则气流运行距离气体停留时间颗粒分离条件Nrm2uNrm2rscNuBd9临界粒径：5~3,/25~10Nsmu条件：2）分离效率：（1）总效率（2）分级效率（粒级效率）两者关系：%100全部颗粒质量分离出的颗粒质量%100颗粒的总质量直径颗粒质量分离出的直径iiiddiiw分级效率曲线书P184图3.4.9按假设实际情况分割粒径d50：时，cidd0i时，cidd1i时，cidd0i时，cidd1i的颗粒的直径%50i10.4.3184,50，图的关系：书Pddii3）旋风分离器的阻力是旋风分离器的经济指标22up阻力：)0.8(1621或标准型：DAB时，进口气速：smu/25~10Pap2000~1000