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1、第3章 流體相對顆粒(床層)的流動及機械分離,3.1 概述 (1) 非均勻物系分離 氣、固分離- 液、固分離- 固、固分離-,流化床：眾多固體顆粒懸浮于運動的流體中。 基礎(chǔ)：流體及顆粒間的相對運動，相互作用。,沉降,過濾,(2) 非均相反應(yīng) 固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器等。,篩分、分級沉降,固定床：眾多固體顆粒堆積成的靜止顆粒層。,流體相對顆粒流動 (外流流動) 流體受顆粒作用產(chǎn)生壓降，研究顆粒及流體性質(zhì)。 流體在管道內(nèi)流動(內(nèi)流流動) 流體受管壁粘性阻力，研究管道及流體性質(zhì)。 相同點：同屬流體流動問題， 研究問題方法及規(guī)律性相似。,兩種流動,3.2 顆粒及顆粒床層的特性 3.2.1單顆粒的特性

2、參數(shù) (1) 描述顆粒形狀,1）顆粒的球形度,表明：顆粒形狀接近于球形的程度 ，則顆粒越接近于球形。 球形顆粒：,2）顆粒的比表面積 a,V相同時，a ，則顆粒越接近球形,a 與關(guān)系：,球形顆粒比表面積：,球形度、比表面積 V一定時，,則，顆粒越偏離球形。,描述顆粒形狀參數(shù)-,(2) 描述顆粒大小 1）等體積當量直徑 dv 指：與顆粒體積相等的球形顆粒的直徑。,dv 與 a、關(guān)系：,2）等比表面積當量直徑 da 指：與非球形顆粒比表面積相等的球形顆粒的直徑,3.2.2 混合顆粒的特性參數(shù) (1) 顆粒的篩分分析 標準篩：有不同的系列，常用泰勒標準篩。 篩號(目數(shù))：每英寸邊長的篩孔數(shù)目 篩過量

3、：通過篩孔的顆粒量 篩余量：截留于篩面上的顆粒量,* 顆粒的篩分尺寸,* 篩分尺寸與顆粒特性參數(shù)的關(guān)系 較規(guī)則顆粒： 條形顆粒：,(2) 顆粒群的平均特性參數(shù) * 平均比表面積,* 顆粒群的等比表面積當量直徑,3.2.3顆粒床層的特性 組成：,(1) 床層空隙率 1)定義：床層中，空隙所占體積分率。,表明： 床層堆積的松散程度； ，空隙越大，床層越松散； 對流體流過床層的阻力影響很大。,2) 影響床層空隙率的因素 裝填方法：干裝 濕裝,顆粒特性的影響 顆粒形狀： 靠壁面處： 粒徑分布：,3) 空隙率測量-充水法、稱量法,(2) 床層的自由截面積 即：床層中空隙的面積(流體的流通截面積) 自由截

4、面積分率,S0與關(guān)系：同樣表明顆粒堆積的松散程度 均勻顆粒，則S0，。,(3) 床層的比表面積 aB,忽略顆粒相互重疊減少的面積，則：,顆粒靜止，流體繞過顆粒流動； 流體靜止，顆粒流動； 顆粒和流體都運動，維持一定相對速度。,流體和顆粒相對運動的情況：,3.3 流體和顆粒的相對運動,3.3.1 流體繞過顆粒的流動 (1) 曳力 阻力：顆粒對流體的作用力 曳力：流體對顆粒的作用力,水平方向，顆粒所受曳力：,影響因素： 獲得：,(2) 曳力系數(shù) 影響因素：,球形顆粒:,判斷流型： 層流 （斯托克斯區(qū)） 過渡流 湍流,非球形顆粒的曳力系數(shù) 計算方法： 近似用球形顆粒公式，dsda 或 dv 實測-R

5、ep 關(guān)系（書P168 圖3.3.2）,3.3.2 顆粒在流體中的流動 (1) 顆粒在力場中的受力分析 質(zhì)量力 浮力 曳力 合力：,(2) 顆粒的運動情況 運動方向： 初始時， 兩個階段- 加速階段 恒速階段 終端速度 : 簡化：,沿合力方向,加速階段、恒速階段,加速階段很短，忽略不計； 認為全過程中，顆粒勻速運動,目的：流體與固體顆粒分離 原理：利用顆粒與流體之間的密度差， 將固體顆粒從流體中分離出來。 常用方法： (1)重力沉降(分離較大的顆粒） 例：選礦,3.4 沉降（單元操作）,(2) 離心沉降 (分離尺寸小的顆粒） 例：氣體除塵,3.4.1 重力沉降速度的計算 (1)球形顆粒的自由沉

6、降 自由沉降： 干擾沉降： 勻速階段受力分析：,容器壁和其它顆粒不影響沉降速度,實際顆粒的沉降,其它條件相同時，小顆粒后沉降,影響沉降速度的因素： 顆粒直徑 流體密度 顆粒密度,其它條件相同時，密度大的顆粒先沉降。,球形顆粒的沉降速度,其它條件相同時，設(shè)備中空氣較水顆粒易沉降,2）過渡區(qū),關(guān)于曳力系數(shù): 1）層流區(qū),3）湍流區(qū),或：判據(jù)法 (避免試差),問題：沉降速度ut未知，如何判斷流型 方法：試差法,(2) 非球形顆粒的沉降速度 同樣條件下， 因此， 處理方法：,可先假定為顆粒球形，然后校正。 書P172 圖3.4.1,(3) 不均勻顆粒的沉降速度 粒徑不同時， 除去所有顆粒， 顆粒分級時

7、，,大顆粒先沉降，小顆粒后沉降。,應(yīng)以最小顆粒直徑計算ut 。,以不同粒度，分別進行計算ut 。,(4) 影響沉降速度的其它因素,1) 干擾沉降-顆粒沉降時彼此影響, 顆粒濃度對沉降速度的影響 由于大量顆粒向下沉降而使流體被置換而產(chǎn)生顯著的向上運動 流體表觀物性的影響 流體的表觀密度和表觀粘度（即混合物的密度和粘度）都增大 顆粒的沉降速度減小,液滴或氣泡變形 液滴或氣泡受曳力變形，影響計算準確性。, 流體分子運動的影響 顆粒直徑小于23 m 以下時，抑制重力沉降。, 壁效應(yīng)和端效應(yīng),時, 器壁有影響,3.4.2 重力沉降設(shè)備 (1) 降塵室 結(jié)構(gòu)及工作原理 入口：矩形,隨氣體的水平流速u 顆粒

8、沉降速度ut,降塵室底面積 塵氣流通截面積 塵氣體積流量 顆粒速度分解：,顆粒的停留時間 顆粒的沉降時間,(2) 顆粒分離(沉降)條件,(3) 生產(chǎn)能力 (可處理的塵氣體積流量q V),說明：生產(chǎn)能力由底面積、沉降速度決定， 與降塵室高度無關(guān) 多用扁平形狀或多層降塵室(層高40-100mm), 計算ut 時，如何使塵粒完全分離 應(yīng)以最小顆粒直徑，計算 ut 如何選取氣體速度, 重力沉降適于分離的粒徑范圍, 如何計算可沉降顆粒的粒徑？,提出 問題?,(2) 連續(xù)式沉降槽（自學(xué)） 從液體中分離出固體顆粒。,3.4.3 離心沉降 1、作用原理 在離心力作用下， 靠流體與顆粒間密度差，分離顆粒。,2、

9、離心沉降的優(yōu)點 1）可分離出直徑較小的顆粒 (離心力重力) 2）對一定質(zhì)量顆粒，離心力大小可調(diào)， 可測粒徑分布，設(shè)備操作靈活、尺寸減小。,3-4-1 離心沉降速度 計算方法：同重力場，重力離心力,重力沉降 離心沉降 對球形顆粒,離心沉降速度ur：隨顆粒旋轉(zhuǎn)半徑 r 變化,層流Stokes 區(qū)： 重力沉降 離心沉降,說明：1、ur 與 旋轉(zhuǎn)半徑 r 有關(guān) 角速度一定時， 線速度u一定時，,2、ur 與轉(zhuǎn)數(shù)（、u）有關(guān) 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)數(shù)，可測粒徑分布。 3、衡量離心分離性能的指標 離心分離因素,KC越大，分離效能越高,3-4-4 離心沉降設(shè)備 一、旋風(fēng)分離器 1、結(jié)構(gòu)和工作原理 (標準型) 進氣口形狀：矩

10、形 尺寸：進口管A、B 圓柱筒直徑D(主要尺寸) 排氣口直徑D1 尺寸間關(guān)系：,問題：生產(chǎn)能力的影響因素 氣體種類、圓柱筒直徑D、進口氣速,假設(shè)條件： （1）顆粒與氣體在器內(nèi)等速運動， 且均為進口氣速； （2）顆粒沉降時，圓周運動半徑增加， 最大距離是旋風(fēng)分離器進氣口寬度B； （3）沉降處于stokes 區(qū)。,2、旋風(fēng)分離器的性能參數(shù) 1） 臨界粒徑dc：能夠分離出的最小顆粒直徑。,沉降速度 沉降時間,設(shè)：氣體旋轉(zhuǎn)圈數(shù)N，則氣流運行距離 氣體停留時間 顆粒分離條件,2）分離效率： （1）總效率 （2）分級效率 （粒級效率） 兩者關(guān)系：,分級效率曲線 書P184圖3.4.9,按假設(shè) 實際情況 分

11、割粒徑 d50：,3）旋風(fēng)分離器的阻力 是旋風(fēng)分離器的經(jīng)濟指標,3、旋風(fēng)分離器的分離能力 分離氣體中顆粒直徑：5-75m d5m顆粒，可串聯(lián)袋濾器或灑水裝置 4、常見旋風(fēng)分離器的形式 1）進口方式 切向進口：切向進口方式結(jié)構(gòu)簡單，較常用。 螺旋面進口：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用不便。 蝸殼形進口：結(jié)構(gòu)簡單，減小阻力。,2）常用型式 標準型、CLT/A型、CLP型、擴散式等,5、旋風(fēng)分離器組（并聯(lián)） 目的：提高生產(chǎn)能力,二、旋液分離器（自學(xué)） 分離液-固非均相混合物 三、離心沉降機（自學(xué)） 分離液-固非均相混合物 可用于分離、測粒徑分布,流動情況：在孔道中流動（外流） 阻力計算：所有顆粒所受曳力之和 復(fù)雜性

12、：孔道的形狀、數(shù)目、流動狀態(tài)隨機， 孔道中流動屬層流，但局部出現(xiàn)湍流。 處理方法：簡化床層，管外流問題管內(nèi)流問題,3-5流體通過固定床的流動,一、床層的簡化模型 三點假設(shè) 1）床層孔道平行，孔道長度與床層高度成正比； 2）孔道內(nèi)表面積 = 顆粒的全部外表面積； 3）孔道體積等于床層中的空隙體積；,虛擬細管的當量直徑：,以1m3床層為基準，,二、流體流過固定床的阻力 1、層流,2、 湍流 范寧公式變形：,1、層流,適用：高度湍流，摩擦系數(shù)為常數(shù)。,3、歐根(Ergun)方程 優(yōu)點：適應(yīng)于各種流型 將以上兩方程疊加,4、歐根方程的其它形式（找出關(guān)系）,1）層流,2）湍流,作業(yè): P231 5 6 10,