1、1第三章、非均相混合物分离及固体流态化 通过本章学习，掌握沉降、过滤、固体流态化及气力输送等过程的原理、计算方法、典型设备的结构特性，能够根据生产工艺的要求，合理选择设备。学习目的与要求2概述物系中存在相界面的混合物就是非均相混合物 非均相混合物分散相或分散物质：处于分散状态的物质（如分散在流体中的固体颗粒、液滴、气泡等）连续相或分散介质：包围着分散相而处于连续状态的物质（如气态非均相混合物中的气体、液态非均相混合物中的液体）。 3概述 机械分离方法，即利用非均相混合物中两相的物理性质（如密度、颗粒形状、尺寸等）的差异，使两相之间发生相对运动而使其分离。 机械分离方法过滤沉降4概述非均相混和物
2、分离的应用：（1）收集分散物质。（2）净化分散介质。 （3）环境保护。 5一、颗粒的特性1. 球形颗粒：球形颗粒的尺寸由直径d确定。 36dV2Sd6SaVd比表面积比表面积 体积体积 表面积表面积 62. 非球形颗粒：需要形状和大小两个参数来描述其特性 （1）球形度 spSS（34） s颗粒的表面积与该颗粒体积相等的球体的表面积非球形颗粒 1s球形颗粒 1s一、颗粒的特性7（2）颗粒的当量直径体积当量直径 36epdV比表面积当量直径 6adaasedd两者关系一、颗粒的特性836peVd2epsdS6sead非球形颗粒的特性，即非球形颗粒的特性，即比表面积比表面积 体积体积 表面积表面积
3、一、颗粒的特性9二、 球形颗粒的自由沉降图3-1 沉降颗粒的受力情况 10颗粒受到三个力 重力浮力阻力36gSFdg36bFdg22duFA二、 球形颗粒的自由沉降阻力系数或曳力系数11根据牛顿第二运动定律 2323()()6426SSududgddd二、 球形颗粒的自由沉降分析颗粒运动情况：加速度最大阻力加速度0u tuutuuu加速度=0加速度=0加速段匀速段12 沉降速度 匀速阶段中颗粒相对于流体的运动速度称为沉降速度，由于该速度是加速段终了时颗粒相对于流体的运动速度，故又称为“终端速度”，也可称为自由沉降速度。 tu4()3stgdu（3-15） 二、 球形颗粒的自由沉降13三、 阻力
4、系数（曳力系数） 通过量纲分析可知， 是颗粒与流体相对运动时雷诺数Ret和球形度s的函数 Re ,tsfRettdu 随Ret及s 变化的实验测定结果见图3-2。14图3-2 关系曲线 Ret15对球形颗粒 关系曲线大致可分为三个区域 Ret爬流（又称蠕动流Creeping flow） 410Re1t24Ret（3-17） 滞流区或斯托克斯(Stokes)定律区 2()18stdgu（3-20） 三、 阻力系数（曳力系数）1631Re10t过渡区或艾仑（Allen）定律区 0.618.5Ret0.6()0.27Resttdgu（3-18） （3-21） 三、 阻力系数（曳力系数）173510R
5、e2 10t（3-19） （3-22） 湍流区或牛顿（Newton）定律区 0.44()1.74stdgu三、 阻力系数（曳力系数）18滞流区湍流区过渡区表面摩擦阻力形体阻力三、 阻力系数（曳力系数）19四、 影响沉降速度的因素自由沉降干扰沉降 沉降过程中，任一颗粒的沉降不因其它颗粒的存在而受到干扰 如果分散相的体积分率较高，颗粒间有明显的相互作用，容器壁面对颗粒沉降的影响不可忽略，这时的沉降称为干扰沉降或受阻沉降。 20在实际沉降操作中，影响沉降速度的因素有：1、颗粒的体积分数2、器壁效应3、颗粒形状的影响 四、 影响沉降速度的因素213.1.2 重力沉降一、 重力沉降速度的计算试差法 假设
6、沉降属于某一流型 计算沉降速度 核算Ret 22二、重力沉降设备1、降尘室降尘室是依靠重力沉降从气流中分离出固体颗粒的设备 23图3-4 降尘室示意图二、重力沉降设备气流水平通过降尘室速度沉降速度动画1324ttHulut 或或 tlHuu 位于降尘室最高点的颗粒沉降到室底所需的时间为位于降尘室最高点的颗粒沉降到室底所需的时间为气体通过降尘室的时间为气体通过降尘室的时间为 欲使颗粒被分离出来，则降尘室高沉降速度降尘室长气流水平通过降尘室速度二、重力沉降设备25, v squHb,v stqblu根据降尘室的生产能力，气体在降尘室内的水平通过速度为整理得整理得降尘室生产能力（3-30） 上式表明
7、，理论上降尘室的生产能力只与其沉降面积及颗粒的沉降速度有关，而与降尘室高度H无关。 二、重力沉降设备26对设置了n层水平隔板的降尘室，其生产能力为：1stVnblu（3-30a） 二、重力沉降设备动画1427 降尘室结构简单，流动阻力小，但体积庞大，分离效率低，通常只适用于分离粒度大于50 m的粗粒，一般作为预除尘使用。多层降尘室虽能分离较细的颗粒且节省占地面积，但清灰比较麻烦。 二、重力沉降设备282沉降槽 沉降槽是利用重力沉降来提高悬浮液浓度并同时得到澄清液体的设备。 3分级器 利用重力沉降可将悬浮液中不同粒度的颗粒进行粗略的分离，或将两种不同密度的颗粒进行分类，这样的过程统称为分级，实现
8、分级操作的设备称为分级器。二、重力沉降设备动画2829双锥分级器二、重力沉降设备30重力沉降分级器二、重力沉降设备31惯性离心力作用下实现的沉降过程称为离心沉降。颗粒受到三个力 颗粒与流体在径向上的相对速度236TudR向心力236TsudR惯性离心力2242rud阻力3.1.3 离心沉降一、离心沉降速度及分离因数颗粒的圆周运动速度32上述三个力达到平衡时：22233206642TTrsuuudddRR 平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度ur便是它在此位置上的离心沉降速度：24 ()3sTrduuR离心沉降速度(3-35) 一、离心沉降速度及分离因数33一、离心沉降速度及分离因数离心沉降时
9、，若颗粒与流体的相对运动处于滞流区，则可得 22()18sTrduuR2TcuKgR同一颗粒所受的离心力与重力之比称为离心分离因数。 离心分离因素34二、离心沉降设备1. 旋风分离器（1）旋风分离器的结构与操作原理 动画1535（2）旋风分离器的性能9cesiBdNu临界粒径旋风分离器的进气口宽度旋风分离器的进口气速气流的有效旋转圈数临界粒径是判断旋风分离器分离效率高低的重要依据。临界粒径越小，说明旋风分离器的分离性能越好。二、离心沉降设备361201CCC分离效率总效率0 121iip iiCCC粒级效率pi 01nip iix二、离心沉降设备3722iup压力降阻力系数标准旋风分离器为8操
10、作温度，颗粒密度、粒径、进口气速度及粉尘浓度等情况。 影响旋风分离器性能的因素 二、离心沉降设备38（3）旋风分离器类型二、离心沉降设备XLT/A型 39XLP/B型 二、离心沉降设备40XLK型(扩散式) 二、离心沉降设备41（4）旋风分离器的选用 首先应根据系统的物性，结合各型设备的特点，选定旋风分离器的类型； 然后依据含尘气的体积流量，要求达到的分离效率，允许的压力降计算决定旋风分离器的型号与个数。 二、离心沉降设备422. 旋液分离器 旋液分离器又称水力旋流器，是利用离心沉降原理从悬浮液中分离固体颗粒的设备，它的结构与操作原理和旋风分离器类似。 二、离心沉降设备433.2 过滤分离原理
11、及设备3.2.1 流体通过固体颗粒床层的流动44一、固体颗粒群的特性1.颗粒群的粒度分布 筛分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。 分布函数Fi定义为第i层筛网的筛过量占样品总量的质量分数，以dpi为横坐标，Fi为纵坐标得到的曲线即为分布函数曲线。 筛分分布函数45 频率函数 pdFfd d一、固体颗粒群的特性图3-16 颗粒的分布函数曲线和频率函数曲线462. 颗粒群的平均直径1pipidxd 粒群的平均直径计算式为 （3-46） 一、固体颗粒群的特性47二、固体颗粒床层的特性-床层体积 颗粒体积床层体积1. 床层的空隙率 空隙率以表示，即482. 床层
12、的自由截面积 床层截面上未被颗粒占据的流体可以自由通过的面积，称为床层的自由截面积。 3. 床层的比表面积 床层的比表面积是指单位体积床层中具有的颗粒与流体接触的表面积。 若忽略床层中颗粒间相互重叠的接触面积。 二、固体颗粒床层的特性49(1)baa6 16bbsadd床层的比表面积也可用颗粒的堆积密度估算，即 二、固体颗粒床层的特性颗粒的堆积密度颗粒的真实密度504. 床层的当量直径二、固体颗粒床层的特性 简化模型是将床层中不规则的通道假设成长度为 L，当量直径为 的一组平行细管，并且规定：（1）细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积；（2）细管的内表面积等于颗粒床层的全部表面积。ebd5
13、14ebd床层流动空间细管的全部内表面积1ebda（ ）依照非圆形管当量直径的定义，可推出 （3-49） 二、固体颗粒床层的特性52三、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。二是流动过程中，孔道截面积突然扩大和突然缩小以及流体对颗粒的撞击产生的压力降。 53 采用计算床层当量直径时所用的简化模型，将流体通过床层的流动看作流体通过一组当量直径为deb的平行细管流动，可得到其压力降为： 23(1)fPauL（3-52） 1Re(1)ebbd uua 床层雷诺数 床层的摩擦系数，是床层雷诺数的函数三、流体通过固体颗粒床层
14、（固定床）的压降54223(1)5fPa uL22323(1)(1)1501.75()()fsesePuuLdd 康采尼（Kozeny）方程Re2b欧根（Ergun）方程0.17Re330b（3-55） （3-58） 三、流体通过固体颗粒床层（固定床）的压降55第三章、非均相混合物分离及固体流态化3.2.2 过滤操作的原理56 过滤是在外力作用下，使悬浮液中的液体通过多孔介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固、液分离的操作。 过滤57图3-17 过滤操作示意图动画1658一、过滤方式1饼层过滤2深床过滤3膜过滤饼层过滤时发生“架桥”现象图3-1859二、过滤介质（1）对过滤介质的性能
15、要求 具有足够的机构强度和尽可能小的流动阻力，同时，还应具有相应的化学稳定性，耐腐蚀性和耐热性。应用于食品和生物制品过滤的介质还应考虑无毒，不易滋生微生物，易清洗消毒等。 （2）工业上常用的过滤介质的种类 织物介质(又称滤布) 堆积介质 多孔固体介质 多孔膜 60三、滤饼的压缩性和助滤剂不可压缩滤饼可压缩滤饼 当滤饼两侧的压力差增大时，颗粒的形状和颗粒间的空隙不会发生明显变化，单位厚度床层的流动阻力可视作恒定。 当滤饼两侧的压力差增大时，颗粒的形状和颗粒间的空隙会有明显的改变，单位厚度饼层的流动阻力随压力差增大而增大。 61助滤剂 助滤剂是某种质地坚硬而能形成疏松饼层的固体颗粒或纤维状物质，将
16、其混入悬浮液或预涂于过滤介质上，可以改善饼层的性能，使滤液得以畅流。 三、滤饼的压缩性和助滤剂623.2.3 过滤基本方程式一、滤液通过饼层的流动（1）非定态过程（2）滞流流动可用康采尼公式描述 322()5(1)cpuaL(3-59) 63二、过滤速率与过滤速度过滤速度过滤速率单位时间通过单位过滤面积的滤液体积，单位m/s。 322()5(1)cpdVuAdaL单位时间获得的滤液体积，单位为m3/s。 322()5(1)cA pdVdaL(3-59a) (3-59b) 64三、滤饼的阻力2235(1)ar滤饼的比阻 反映了颗粒形状、尺寸及床层的空隙率对滤液流动的影响，为单位厚度床层的阻力，单
17、位1/m2。(3-60) 65滤饼的阻力 RrL单位 1/m。()()ccppdVAdrLR因此=推力速度阻力(3-62) (3-61) 三、滤饼的阻力66四、过滤介质的阻力mmpdVAdR(3-62) 仿照式3-61可以写出滤液穿过过滤介质层的速度关系式： 过滤介质阻力, 1/m。67五、过滤基本方程式()()cmmmppdVpAdRRRR 假设过滤介质对滤液流动的阻力相当于厚度为Le的滤饼层的阻力，即把过滤介质与滤饼联合起来考虑 emrLR当量滤饼厚度虚拟滤饼厚度68 一定操作条件下，以一定介质过滤一定悬浮液时，Le为定值；但同一介质在过滤不同悬浮液的操作中，Le值不同。五、过滤基本方程式
18、emrLR69()()eedVppAdrLrLr LL则上式变为则上式变为 任一瞬间的滤饼厚度与当时已经获得的滤液体积之间的关系为： VLA滤饼体积与相应的滤液体积之比，m3/m3五、过滤基本方程式70eeVLA同理有过滤介质的当量滤液体积，虚拟滤液体积所以2()edVApdrVV （3-69） 五、过滤基本方程式71VqAeeVqA()edqpdrqq 令则有（3-69a） 五、过滤基本方程式单位过滤面积所得滤液体积单位过滤面积所得当量滤液体积72()srrp 对可压缩滤饼，比阻在过滤过程中不再是常数，它是两侧压力差的函数。（3-70） 滤饼的压缩性指数，量纲为一。一般情况下，s=01。对于
19、不可压缩滤饼，s=0。几种典型物料的压缩性指数值，列于表32中。五、过滤基本方程式73或21()sedVApdrVV 1)(sedqpdrqq 最后可得过滤基本方程式（3-71） （3-71a） 五、过滤基本方程式741kr 对于一定的悬浮液，k可视为常数。 令：21 sedVkApdVV1)(sedqk pdqq过滤基本方程式（3-73） （3-73a） （3-72） 五、过滤基本方程式753.2.4 恒压过滤 在恒定压力差下进行的过滤操作称为恒压过滤。恒压过滤时，滤饼不断变厚使得阻力逐渐增加，但推动力恒定，因而过滤速率逐渐变小。 K是由物料特性及过滤压力差所决定的，恒压过滤时其为常数，称为
20、过滤常数，其单位为m2/s。 12sKk p令：76恒压过滤时过滤基本方程式变为： 22()edVKAdVV)2(edqKdqq积分，得到 222eVVVKA22eqq qK(3-76) (3-76a) 恒压过滤方程式或恒压过滤77当过滤介质阻力可以忽略时， 恒压过滤方程式22VKA2qK恒压过滤78过滤常数 介质常数 eVeqK由实验测定 恒压过滤79恒速过滤 恒速过滤是维持过滤速率恒定的过滤方式。在这种情况下，由于随着过滤的进行，滤饼不断增厚，过滤阻力不断增大，要维持过滤速率不变，必须不断增大过滤的推动力压力差。 RdVVquAdA常数常数3.2.5恒速过滤与先恒速后恒压的过滤80代入过滤
21、基本方程式，得到 2RRepr ur u q 2Rar u Rebr u q pab 令：于是对不可压缩滤饼进行恒速过滤时，其操作压力差随过滤时间成直线增高。 恒速过滤与先恒速后恒压的过滤81先恒速后恒压图3-19 先恒速后恒压过滤装置恒速过滤与先恒速后恒压的过滤82恒压阶段的过滤方程 222()2()()ReRRVVV VVKA()R()RVV转入恒压操作后所经历的过滤时间。 转入恒压操作后所得的滤液体积。 恒速过滤与先恒速后恒压的过滤83一、恒压下 的测定,()eeK V q 过滤常数通常是在相同条件下，用相同物料，在小型实验设备上进行恒压过滤实验而获得。 将恒压过滤方程式12eqqqKK
22、2K2eqK直线的斜率为 ，截距为 。22eqq qK变换为84二、压缩性指数s的测定 先求出若干过滤压力差下的K值，然后对Kp数据加以处理 12sKk p上式两端取对数，得 lg1lglg 2KspkK与p的关系在双对数坐标上标绘时应是直线，直线的斜率为(1-s)，截距为lg(2k)。 85一、板框压滤机86一、板框压滤机87一、板框压滤机88一、板框压滤机动画1789二、加压叶滤机动画2790三、转筒真空过滤机91滤饼的洗涤 洗涤滤饼的目的是回收滞留在颗粒缝隙间的滤液，或净化构成滤饼的颗粒。 ()WdVd()WWWVdVd单位时间内消耗的洗水容积洗涤速率洗涤时间922()()2()WEed
23、VdVKAddVV 对于连续式过滤机及叶滤机等所采用的是置换洗涤法洗涤速率大致等于过滤终了时的过滤速率，即滤饼的洗涤93板框压滤机采用的是横穿洗涤法，21()()48()WEedVdVKAddVVW2eeELLLL12WAA因此滤饼的洗涤94 若洗水黏度、洗水表压与滤液黏度、过滤压力差有明显差异时，依照过滤基本方程式，洗涤时间应做如下修正： ()()WWWWpp滤饼的洗涤95一、间歇过滤机的生产能力则生产能力的计算式为36003600WDVVQT 一个操作周期的总时间为 wDT卸渣、清理、装合等辅助操作时间过滤时间洗涤时间96二、连续过滤机的生产能力 连续过滤机（以转筒真空过滤机为例）的特点是
24、过滤、洗涤、卸饼等等操作在转筒表面的不同区域内同时进行。任何一块表面在转筒回转一周过程中都只有部分时间进行过滤操作。 一个操作周期就是转筒旋转一周所用时间： 60Tn转筒转速97 在一个过滤周期内，转筒表面上任何一块过滤面积所经历的过滤时间均为： 60Tn浸没度代入恒压过滤方程，得每小时所得滤液体积，即生产能力为： 2226060 60)eeQnVKAnV nV n二、连续过滤机的生产能力98当滤布阻力可以忽略时， Ve=0，则上式简化为： 26060465Qn KAA Knn二、连续过滤机的生产能力99一般概念 离心机是利用惯性离心力分离非均相混合物的机械。它既可用于沉降操作，也可用于过滤操
25、作。 离心机100过滤式沉降式分离式 分离方式离心机的分类间歇式连续式 操作方式立式卧式 转鼓轴线的方向一般概念101分离因数 常速离心机 高速离心机 超速离心机33 10cK 343 105 10cK 45 10cK 一般概念102一、流态化现象 当流体由下向上通过固体颗粒床层时，随流速的增加，会出现以下几种情况 固定床阶段流化床阶段稀相输送床阶段气速增加 动画19103图3-31 不同流速时床层的变化一、流态化现象104二、两种不同流化形式散式流化 散式流化亦称均匀流化。其特点是固体颗粒均匀地分散在流化介质中。随流速增大，颗粒间的距离均匀增大，床层逐渐膨胀而没有气泡产生，并保持稳定的上界面
26、。通常，两相密度差小的系统趋向于散式流化。大多数液固流化呈现“散式流化”。 散式流化105聚式流化 床层内分为两相，一相是空隙小而固体浓度大的气固均匀混合物构成的连续相，称为乳化相；另一相则是夹带有少量固体颗粒而以气泡形式通过床层的不连续相，称为气泡相。对于密度差较大的气固流化系统，一般趋向于形成聚式流化。 聚式流化二、两种不同流化形式106三、流化床的主要特点具有液体的某些性质107系统颗粒混和均匀，温度、浓度分布均匀强化了颗粒与流体间的传热、传质 易于连续自动操作 颗粒易磨损反混，颗粒在床层内的停留时间不均 三、流化床的主要特点1083.4.2 流化床的流体力学特性一、流化床的压降1. 理
27、想流化床 图3-33 理想情况下p-u关系曲线1092. 实际流化床 图3-34 气体流化床实际p-u关系曲线一、流化床的压降110二、流化床的不正常现象1.腾涌现象图3-35 腾涌发生后p-u关系曲线1112. 沟流现象图3-36 沟流发生后p-u关系曲线二、流化床的不正常现象112三、流化床的操作范围 流化床的操作范围应在临界流化速度和带出速度之间。 1临界流化速度umf 实验测定：实验装置如右图113三、流化床的操作范围可得到如图3-34的曲线 临界流化速度114三、流化床的操作范围经验关联式计算：对于小颗粒 对于大颗粒 2()1650psmfdgu2()24.5psmfdgu1152带
28、出速度 当流化床内气速达到颗粒的沉降速度时，大量颗粒会被流体带出器外，因此，颗粒带出速度即颗粒的沉降速度。三、流化床的操作范围1163流化床的操作范围与流化数 带出速度与临界流化速度的比值反映了流化床的可操作范围。 对均匀细颗粒 /91.7tmfuu对大颗粒 /8.62tmfuu流化床实际操作速度与临界流化速度的比值称为流化数。 三、流化床的操作范围117气力输送气力输送一、概述 当气速大于颗粒的带出速度时，颗粒会被气流带出，并随气体一起流动，形成稀相输送床，利用这种方式来输送固体颗粒的方法称为气力输送（当输送介质为液体时称为水力输送）。气力输送输送介质 通常是空气，对易燃易爆粉料，可采用惰性
29、气体，如氮气等。118（1）可长距离连续输送，自动化操作，生产效率高。（2）设备结构简单、紧凑，占地面积小，使用、维修方便。（3）输送系统密闭，避免了物料的飞扬、受潮、受污染，改善了劳动条件。（4）可在运输过程中（或输送终端同时进行粉碎、分级、加热、冷却以及干燥等操作。气力输送的优点一、概述119混合比R（或固气比）sGRG单位质量气体所输送的固体质量，即 混合比在25以下（通常R=0.15）的气力输送称为稀相输送。混合比大于25的气力输送称为密相输送。 一、概述120二、稀相输送（1）吸引式（2）压送式 1. 稀相输送的分类 2. 稀相输送的流动特性 （1）水平管内输送（2）垂直管中的输送
30、（3）倾斜管中输送 121三、密相输送 密相输送的特点是低风量高固气比，物料在管内呈流态化或柱塞状运动。此类装置的输送能力大，输送距离可长达1001000m，尾部所需的气固分离设备简单。由于物料或多或少呈集团状低速运动，物料的破碎及管道磨损较轻，但操作较困难。目前密相输送多用于水泥、塑料粉、纯碱、催化剂等粉料物料的输送。 122图3-42 脉冲式密相输送 三、密相输送123v 重力沉降 学 习 指 导本章重点掌握的内容v离心沉降 重力沉降的基本原理重力沉降设备降尘室的设计 离心沉降与重力沉降的差别离心沉降设备旋风分离器的选型 124v过滤学 习 指 导v流态化 过滤操作的原理过滤基本方程式的推导思路恒压过滤的计算过滤常数的测定方法过滤机生产能力的计算。 了解固体流态化的基本概念了解气力输送过程的一般概念。
