南工大化工原理第三章顆粒流體力學基礎與機械分離

1、第三章 顆粒流體力學基礎與機械分離非均相物系： 物系內(nèi)部存在相界面，為多相混合物氣態(tài)非均相物系：含塵氣體含霧氣體液態(tài)非均相物系：懸浮液乳濁液泡沫 非均相體系的應用與研究 分離 混合 輸送 滲流 射流 超常顆粒流體行為 計算顆粒流體力學分散相（被分散物質(zhì)）： 非均相物質(zhì)中處于分散狀態(tài)的物質(zhì)。 連續(xù)相（分散介質(zhì)）： 非均相中連續(xù)狀態(tài)的流體。分離方法： 機械法使分散介質(zhì)與分散相之間發(fā)生相對運動，實現(xiàn)分離。理論基礎：顆粒流體力學 分離目的： 回收分散相 凈化分散介質(zhì) 第三章第三章 顆粒流體力學基礎與機械分離顆粒流體力學基礎與機械分離3.1 3.1 單顆粒與顆粒群的幾何特性單顆粒與顆粒群的幾何特性3.2

2、 3.2 流體通過固定床層的流動流體通過固定床層的流動3.3 3.3 懸浮液濾餅過濾懸浮液濾餅過濾3.4 3.4 顆粒沉降與沉降分離設備顆粒沉降與沉降分離設備3.5 3.5 固體流態(tài)化固體流態(tài)化 3.3.1 1 單顆粒與顆粒群的幾何特性單顆粒與顆粒群的幾何特性 1.1 單顆粒的幾何特性單顆粒的幾何特性1. 1. 球形顆粒球形顆粒 若若 d dp p 為球形顆粒的直徑，為球形顆粒的直徑， mm 體積體積 v=(/6)dv=(/6)dp p3 3 mm3 3 表面積表面積 s=ds=dp p2 2 m m2 2 比表面積比表面積 a=s/v=6/da=s/v=6/dp p 1/ 1/

3、mm 1.1 單顆粒的幾何特性單顆粒的幾何特性2. 非球形顆粒（1）常用的表達： 等體積當量直徑de,v：與非球形顆粒體積相等的球的直徑。 d de,ve,v=(6v/)=(6v/)1/31/3 球形系數(shù) ：與非球形顆粒體積相等的球的表面積與該顆粒表面積之比。 =d =d2 2e,v e,v /s /s 式中 v為非球形顆粒的體積。S為非球形顆粒的表面積。（2）非球形顆粒的體積、表面積、比表面積 體積 v=(/6) d3e,v m3 表面積 s=d2e,v/ m2 比表面積 a=s/v=6/de,v 1/m3.3.1 1 單顆粒與顆粒群的幾何特性單顆粒與顆粒群的幾何特性3.3.1

4、.2 1.2 顆粒群的幾何特性顆粒群的幾何特性一. 篩分分析常用名詞1.標準篩: 一般使用的篩。有泰勒制，日本制，德國制及原蘇聯(lián)制等。我國用泰勒制。2.篩號: 指沿絲線走向1英寸長具有的孔數(shù)。3.篩余量: 截留在該篩面上的顆粒質(zhì)量。4.篩過量: 通過該號篩的顆粒質(zhì)量。二.顆粒粒徑分布狀況的表達方式1.表格式：表1 石英砂的篩分數(shù)據(jù)編號篩號范圍 平均粒徑dp， mm質(zhì)量分數(shù) x篩孔尺寸d， mm篩過量質(zhì)量分數(shù)F19/101.8160.041.651（10號）0.96210/121.5240.061.397 （12號）0.9312/141.2830.241.168 （14號）0.66414/161

5、.080.220.991 （16號）0.44516/200.9120.250.833 （20號）0.19620/240.7670.160.701 （24號）0.03724/280.6450.020.589 （28號）0.01828/0.2950.010（無孔底盤）0篩號大孔徑小篩上粒子的 d分布函數(shù)二. 顆粒粒徑分布狀況的表達方式2.分布函數(shù)曲線 分布函數(shù) 為 F（即篩過量質(zhì)量分數(shù)）與d （篩孔尺寸）的關系。3.頻率函數(shù)曲線 f 頻率函數(shù) iiiiiiiiiidpdpxdpdpFFdpddFf111)(pidpidfdF0)(圖圖3-2分布函數(shù)曲線與頻率函數(shù)曲線分布函數(shù)曲線與頻率函數(shù)曲線0.0

6、1.62.0d(mm)0.01.62.0f(1/mm)0.00.81.0F三. 顆粒群的平均直徑：按比表面積等效原則，可按下式計算粒徑)/(1,ipimdxd四. 床層特性固定床：固體顆粒堆積而成的靜止顆粒層。 1.床層空隙率=（床層體積-顆粒體積）/床層體積 2.床層的比表面積aB：床層比表面積指每m3床層體積具有的顆粒表面積。 aB=（1- ）a 床層空隙率一般在0.47至0.7之間波動。 堆積密度b：單位體積床層內(nèi)固體顆粒的質(zhì)量。真實密度s：顆粒的密度。3.床層各向同性: 對于亂堆的床層，因各部位顆粒的大小、方向是隨機的，當床層足夠大

7、或者顆粒足夠小時，可以認為床層是均勻的，各局部區(qū)域的空隙率相等，稱為床層是各向同性的。自由截面率： 床層內(nèi)任一截面上空隙面積與截面總面積之比。推論：自由截面率在數(shù)值上等于空隙率3.2 流體通過固定顆粒床層的壓降流體通過固定顆粒床層的壓降 固定床的基本問題壓降流速關系壓降流速關系 物理-數(shù)學模型法 固定床的一維簡化模型 建立數(shù)學模型的一般步驟：1.建立物理模型: 合理的抽象和簡化，建立物理模型2.建立數(shù)學模型: 在物理模型的基礎上用數(shù)學的方式來表達物理模型，建立數(shù)學模型。3.檢驗模型那些因素影響壓降和流量？一維模型認為： 床層空隙率和比表面積是最關鍵因素 令：模型與顆粒床層 ，a 相同，則：相同

8、，則：22244(1)4eeeeeendLDLndLaDL模型參數(shù)的 de 確定模型參數(shù)的 de 確定4(1)dea細管流速 u1=u /14(1)eduR eua 范寧方式： p=(Le/de)(u12/2 ) 令 =(Le/8L) ,則：23)1(8uaLLeLp231uaLp可得單參數(shù)方程為：: 模型參數(shù)，物理意義為床層摩擦系數(shù)。 上述的簡化處理只是一種假設，其有效性必須通過實驗檢驗，其中的模型參數(shù)亦經(jīng)由實驗結(jié)果確定29.0eR17.4uaLp322)1 (0 .522233111501. 5 7mmupuLdd歐根方程3.3 3.3 過濾過濾 過濾操作的基本概念過濾操作的基本概念 過濾

9、基本方程式過濾基本方程式 過濾的操作方式過濾的操作方式 過濾常數(shù)的測定過濾常數(shù)的測定 提高過濾生產(chǎn)能力的措施提高過濾生產(chǎn)能力的措施過濾：利用壓差使懸浮液通過多孔性過濾介質(zhì)，將固體顆粒截留，從而實現(xiàn)固-液分離的單元操作?？椢锝橘|(zhì) 最常用的過濾介質(zhì)，工業(yè)上稱為濾布(網(wǎng))，由天然纖維、玻璃纖維、合成纖維或者金屬絲編織而成。可截留的最小顆粒的直徑為5-65微米。多孔固體介質(zhì) 具有很多微細孔道的固體材料，如多孔陶瓷、多孔金屬及多孔性塑料制成的管或板，能截留1-3m的微小顆粒。堆積介質(zhì) 由沙、木炭之類的固體顆粒堆積而成的床層，稱作濾床，用作過濾介質(zhì)使含少量懸浮物的液體澄清。多孔膜 用于膜過濾的各種有機分子

10、膜和無機材料膜。餅層過濾與深床過濾餅層過濾 固體物質(zhì)沉積于過濾介質(zhì)表面而形成濾餅層的操作，真正發(fā)揮截留顆粒作用的主要是濾餅本身，因此稱作餅層過濾。餅層過濾主要用于含固量較大（1%）的場合。深床過濾 固體顆粒并不形成濾餅，而是沉積于較厚的過濾介質(zhì)層內(nèi)部的過濾操作。深床過濾主要用于凈化含固量很少（0.1%）流體，如水凈化等。過濾的操作懸浮液(濾漿)濾餅過濾介質(zhì)濾液過濾操作示意圖過濾操作方式過濾操作分為間歇式與連續(xù)式。根據(jù)過濾推動力的方式，又有加壓過濾、真空過濾和離心過濾過濾基本方程式過濾速率過濾速率單位面積獲得的濾液量（單位面積獲得的濾液量（q，m3/m2）：）：VqA3122()5(1)mpdq

11、udaL五.懸浮液濾餅過濾的物料衡算V+LAVLAp1p2放空放空壓縮空氣壓縮空氣壓力表壓力表南京工業(yè)大學設過濾面積設過濾面積Am2 ，濾液，濾液Vm3 ，濾餅厚，濾餅厚度度Lm ，濾餅空隙率，濾餅空隙率 LA餅餅V LA 液液 LA(1-) 固固 VLA33/(1)PLAmmV 濾餅濾液(1)(1)PPVL AVLqA 濾餅厚度和濾液量的關系濾餅體積和濾液量的關系3(1)/PLAVLAkg m 懸浮液濃度：固體質(zhì)量液體體積過濾阻力令濾餅阻力餅層阻力過濾速率par32)1(5推動力速率阻力1mpdqdr q Rr q 過濾阻力考慮介質(zhì)阻力過濾速率12meq()mmpppddRRrqq 介質(zhì)（2

12、mpdqdR介質(zhì)eRr q 介質(zhì)通過介質(zhì)的濾液速率過濾基本方程式不可壓縮濾餅：s=0 可壓縮濾餅sprr)(010()sedqpdrqq 壓縮性指數(shù) s= 0 1 過濾基本方程式過濾基本方程102()spKr 2()edqKdqq過濾設備1.過濾設備種類過濾設備種類按操作方式：間歇式：連續(xù)式：南京工業(yè)大學 按壓強差n 壓濾n 吸濾n 離心過濾機2.加壓葉濾機1） 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：南京工業(yè)大學南京工業(yè)大學3. 板框壓濾機1 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：南京工業(yè)大學比較 板框式壓濾機的優(yōu)點板框式壓濾機的優(yōu)點是是: :結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，占地面積結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，占地面積小而過濾面積大，操作壓強高，適應能力強，應用廣

13、泛。小而過濾面積大，操作壓強高，適應能力強，應用廣泛。 缺點缺點是：間隙操作，生產(chǎn)效率低，勞動強度大，濾布損耗也是：間隙操作，生產(chǎn)效率低，勞動強度大，濾布損耗也較快。各種自動操作的出現(xiàn)，有一定改善。較快。各種自動操作的出現(xiàn)，有一定改善。 與板框壓濾機比較，與板框壓濾機比較，葉濾機葉濾機有如下優(yōu)點：有如下優(yōu)點：密閉操作，密閉操作，改善了操作條件，過濾速度大，洗滌效果好。改善了操作條件，過濾速度大，洗滌效果好。 缺點缺點是是:造價高，更換濾布造價高，更換濾布(尤對圓形濾葉）比較麻煩尤對圓形濾葉）比較麻煩 洗滌方式不同洗滌方式不同 洗滌速率與過濾終了時的速率不同洗滌速率與過濾終了時的速率不同 都是壓

14、濾間歇操作過濾機都是壓濾間歇操作過濾機南京工業(yè)大學課后習題課后習題 P131 3-7, 3-9, 3-1022222eeqqqKVVVKA00()2qeKqq dqd102 ()spKr恒壓時為常數(shù)2qKv恒壓過濾方程的工程意義： 操作型計算：操作型計算：已知 A、 P ，求懸浮液處理量，或已知A 、處理量，求P 設計型計算：設計型計算：已知要求處理的懸浮液量和推動力P ，求所需過濾面積A 測定恒壓過濾常數(shù)測定恒壓過濾常數(shù)K例3-5討論：過濾面積，過濾常數(shù)（測定），（比較板框過濾）1. 恒壓過濾常數(shù)恒壓過濾常數(shù)K，qe， e的測定的測定圖圖3-8 恒壓過濾常數(shù)恒壓過濾常數(shù)K和和qe的確定的確定

15、pm一定一定V/V22KAVe21KA2222221eeVVVKAVVVKAKA過濾常數(shù)的測定2.壓縮指數(shù)s與比阻r0的測定 圖圖3-9 濾餅壓縮指數(shù)的確定濾餅壓縮指數(shù)的確定斜率斜率(1-s)lgpmlgK南京工業(yè)大學)2lg()lg()1 (lg2001rpsKrpKmsm)2lg(0r三.用最小二乘法處理直線規(guī)律的實驗數(shù)據(jù)p107 例3-9xyyixif(xi)南京工業(yè)大學nyynxxxbyaxxyyxxbiiiii/)()(2，為該點的偏差)(iixfy 2()edqqKdqq常數(shù)22eKqqq11()2qeqKqq dqd221112)()eqqq qqK（- 洗滌時間當洗滌液量為當洗

16、滌液量為VW時，洗滌時間為：時，洗滌時間為：wwwddVV)(22()wweVKAVV葉濾機：當當VW= JVF時時2)(2KAVVJVeFFw當當Ve= 0時時2222107FwFJVJPKA當洗滌液量為當洗滌液量為VW時，過濾時間為：時，過濾時間為：wwwddVV)(28()wweVKAVV板框過濾機：當當VW= JVF時時2)(8KAVVJVeFFw當當Ve= 0時時FwJKAJVF8822 洗滌時間 生產(chǎn)能力計算生產(chǎn)能力計算 定義：定義： 間歇過濾機的操作特點：間歇過濾機的操作特點：RwFFVGRwFF，清理組裝），洗滌（過濾時間iltrate最大生產(chǎn)能力計算RFFRwFFJVVG)2

17、1 (設設Ve可忽略可忽略)()21 (FRFFfJKAGFRFKAJGH)21 (10022FdHdddHFRWF南京工業(yè)大學例題例題:P107 例例3-7回轉(zhuǎn)真空過濾機1)一種連續(xù)操作的過濾機，整個轉(zhuǎn)筒按與分一種連續(xù)操作的過濾機，整個轉(zhuǎn)筒按與分配頭的不同管路接通，分為三個操作區(qū)域：配頭的不同管路接通，分為三個操作區(qū)域：過濾區(qū)；洗滌吸干區(qū)；吹松卸渣區(qū)。過濾區(qū)；洗滌吸干區(qū)；吹松卸渣區(qū)。i)回轉(zhuǎn)真空過濾機的特點：回轉(zhuǎn)真空過濾機的特點：優(yōu)點是：優(yōu)點是：連續(xù)自動操作，節(jié)省人力，生產(chǎn)能力大，連續(xù)自動操作，節(jié)省人力，生產(chǎn)能力大，特別適宜處理量大而容易過濾的料漿，對難于過濾特別適宜處理量大而容易過濾的料漿

18、，對難于過濾的膠體物系或細微顆粒的懸浮物，采用預涂助濾劑的膠體物系或細微顆粒的懸浮物，采用預涂助濾劑也比較方便。也比較方便。缺點是：缺點是：附屬設備較多，投資費用高，過濾面積不附屬設備較多，投資費用高，過濾面積不大，由于是真空，過濾推動力有限，不能過濾溫度大，由于是真空，過濾推動力有限，不能過濾溫度較高（飽和蒸汽壓高）的濾漿，濾餅的洗滌不充分。較高（飽和蒸汽壓高）的濾漿，濾餅的洗滌不充分。ii）回轉(zhuǎn)真空過濾機的相關計算回轉(zhuǎn)真空過濾機的相關計算（a）濾液量與時間的關系）濾液量與時間的關系回轉(zhuǎn)真空過濾機的特點及相關計算可看為間歇過濾過程：可看為間歇過濾過程：過濾時間過濾時間 =60 /n 每轉(zhuǎn)的濾液量由此可計算，再算每轉(zhuǎn)的濾液量由此可計算，再算出生產(chǎn)能力。出生產(chǎn)能力。)60(6022nVnnKAGeem3/h（3）討論：（b）回轉(zhuǎn)真空過濾機的生產(chǎn)能力）回轉(zhuǎn)真空過濾機的生產(chǎn)能力a. 若介質(zhì)阻力不計，若介質(zhì)阻力不計， e=0，Ve=0KnAnKAnG46560602b. 如何提高生產(chǎn)能力？如何提高生產(chǎn)能力？N G A G提高過