流体绕过颗粒及颗粒床层的流动.docx

1、第一节 流体绕过颗粒及颗粒床层的流动 1.1 颗粒、颗粒群及颗粒床层的特性一、单个颗粒的性质 形状规则（球形）的颗粒： 大 小：用颗粒的某一个或某几个特征尺寸表示，如球形颗粒的大小用直径dp表示。 比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积，其单位为m2/m3 ，对球形颗粒为： 形状不规则（非球形）的颗粒：(1)颗粒的形状系数：表示颗粒的形状，最常用的形状系数是球形度s，它的定义式为 ：相同体积的不同形状颗粒中，球形颗粒的表面积最小，所以对非球形颗粒而言，总有s1。当然，对于球形颗粒，=1。(2) 颗粒的当量直径：a.等体积当量直径dev b.等比表面积当量直径dea 对于非球形颗粒，若体积当量直径

2、为de:二、颗粒群的特性 v 粒度分布(Particle size distributions) v 粒度分布测定方法（筛分分析）：常用筛分法，再求其相应的平均特性参数。-泰勒（Tyler）标准筛（表3-1）v 颗粒粒度(Particle size)对于工业上常见的中等大小的混合颗粒，一般采用一套标准筛进行测量，这种方法称为筛分。用表格表示：筛孔尺寸颗粒质量；用图表示：颗粒尺寸质量分率分布函数：质量分数wi（dpi）与dpi频率函数：质量分数wi（dpi）与颗粒群的平均特性参数：颗粒群的平均粒径有不同的表示法，常用等比表面积当量直径来表示颗粒的平均直径，则混合颗粒的平均比表面积m为：由此可得颗

3、粒群的比表面积平均当量直径 dm为：三、颗粒床层的特性 (1)床层的空隙率:单位体积颗粒床层中空隙的体积（），即： 是颗粒床层的一个重要特性，它反映了床层中颗粒堆集的紧密程度，其大小与颗粒的形状、粒度分布、装填方法、床层直径、所处的位置等有关。 一般颗粒床层的空隙率为0.470.7。(2)床层的比表面积 单位体积床层中颗粒的表面积称为床层的比表面积。（忽略颗粒间的接触面积）影响b的主要因素：颗粒尺寸。一般颗粒尺寸越小，b越大。(3) 床层的自由截面积与空隙率 床层中某一床层截面上空隙所占的截面积(4) 床层的各向同性 对于乱堆的颗粒床层，颗粒的定位是随机的，所以堆成的床层可认为各向同性，即从各

4、个方位看，颗粒的堆积都是相同的。各向同性床层的一个重要特点：床层截面积上可供流体通过的自由截面(空隙截面)与床层截面之比在数值上等于空隙率。壁面处例外“壁效应”(4)床层通道特性 固体颗粒堆积形成的孔道的形状是不规则的、细小曲折的。 许多研究者将孔道视作流道，并将其简化成长度为Le的一组平行细管，并规定：（1）细管的内表面积等于床层颗粒的全部表面；（2）细管的全部流动等于颗粒床层的空隙容积。则这些虚拟细管的当量直径de为: 影响床层通道特性的因素：与床层颗粒的特性有关。 颗粒的粒度： 粒度愈小则所形成的通道数目愈多，通道截面积也愈小； 粒度分布的均匀性和颗粒表面状况： 粒度分布愈不均匀和表面愈

5、粗糙的颗粒所形成的通道就愈不规则，计算流体流动时应折算成当量直径(也称为水力直径)。1.2 流体与颗粒间的相对运动一、流体绕过颗粒的流动(一)、流体绕颗粒的流动状态(1) 理想流体绕流 (2) 实际流体绕流(二)、流体绕颗粒流动时的作用力(1)曳力 如图为流体流过固体时，固体表面的受力情况。经分析，得固体表面上所受的总曳力。 一般，总曳力由形体曳力和表面曳力两部分组成。 工程上大都将形体曳力和表面曳力合在一起，即研究总曳力，并用下式表示：(2) 曳力系数 流体沿一定方位绕过形状一定的颗粒时，影响曳力的因素可表示为： 其中 L为颗粒的特征尺寸，对于光滑球体，L 即为颗粒的直径ds。应用因次分析可

6、以得出关系式： 修正雷诺数的定义为： 注意: 此式中dp为颗粒直径（对非球形颗粒而言，则取等体积球形颗粒的当量直径），、为流体的物性。-Rep间的关系，经实验测定如图4-6所示 .图中球形颗粒（S=1）的曲线，在不同雷诺数范围内可用公式表示如下： (1) 滞流区（Rep 1）：(2) 过渡区（1 Rep 500）：(3) 湍流区（500 Rep 2105）：=0.1二、流体通过颗粒床层的流动食品工业中，最常见的流体通过颗粒床层的流动操作有： （1）固定化酶反应：流体（如淀粉溶液等）通过固定床反应器进行，此时组成固定床的颗粒表面载有酶制剂； （2）过滤：悬浮液（如果汁、蔬菜汁及葡萄糖和味精生产中

7、的含晶液体等）的过滤，此时可将由悬浮液中所含的固体颗粒形成的滤饼看作固定床，滤液通过颗粒之间的空隙流动。1 .流体通过颗粒床层的流动状态 流体通过固体颗粒床层时，流动情况复杂，流速分布不均匀(与空管流动比)。 流体在床层内的流动不流畅，产生的旋涡数目要比在直径与床层相等的空管中流动时多很多。 流体在固定床内的流动状态由层流转为湍流是一个逐渐过渡的过程，没有明显的分界线，固定床内常常会呈现某一部分流体的流动可能处于层流状态，但另一部分区域则已处于湍流状态。2. 流体通过颗粒床层的压降 流体通过颗粒床层孔道时，形成阻力的曳力是由两方面引起的：(1)粘滞力（Viscous drag force） (

8、2)惯性曳力(Inertia drag force) 总阻力为两者之总和： 规定(1) 圆筒形床层的直径为颗粒直径的10-20倍以上，在这个条件下壁效应可以忽略。(2) 固体颗粒在床层中的堆积是均匀的，因而床层的空隙率也是均匀的。 (3) 固体颗粒是致密的，流体通过颗粒与颗粒及颗粒与器壁的孔道流动，不包括流体通过颗粒本身的毛细管孔隙的扩散运动。则由床层通道特性可知，流体通过具有复杂几何边界的床层压降等同于流体通过一组当量直径为de，长度为Le的均匀圆管（即毛细管）的压降。故有 若u为流体的空管流速，通过床层孔道的实际流速 ue为： ue=u/ 康采尼方程: 仅适用于低雷诺数(Re)e2欧根方程

9、 :(P97)应用于较宽的(Re)e范围 欧根方程的误差约为25%，适用于各种流动条件下的阻力计算,但不适用于细长物体及环状填料。 康采尼或欧根公式可知，床层压降受以下因素的影响：操作变量u、流体物性和以及床层特性和，其中受的影响最大。因此，设计计算时空隙率的选取应相当慎重。第二节 颗粒在流体中的流动1. 固体颗粒沉降过程的作用力 固体颗粒沉降时，起重要作用的特征数仍是雷诺数。 静止或流速很慢的流体中，固体颗粒在重力（或离心力）作用下作沉降运动。此时颗粒的受到以下三方面的作用力: (1) 场力F 重力场 Fg = mg 离心力场 Fc = mr2 式中：r颗粒作圆周运动的旋转半径； 颗粒的旋转

10、角速度； m颗粒的质量，对球形颗粒m=dp3p /6。(2) 浮力Fb设流体的密度为，则有重力场Fb=gm/p 离心力场Fb= r2m/p (3) 曳力FD 固体颗粒在流体中相对运动时所产生的阻力。 式中：A-颗粒在垂直于其运动方向的平面上的投影面积，m2 -阻力系数，无因次； u-颗粒相对于流体的降落速度； 2 固体颗粒的沉降形态两种沉降形态:滞流和湍流。 圆球颗粒直径不大并以极慢的速度沉降时，流体成为一层一层地绕过物体，为滞流沉降。 当固体的沉降速度较大时，圆球颗粒背部出现尾迹，产生边界层分离，在球体后面和周围形成大量漩涡，为湍流沉降。衡量固体颗粒沉降的流动形态的依据也是雷诺数。 ut:颗

11、粒沉降速度用雷诺数判别沉降的流动形态时，对于球形颗粒的沉降，q 当Ret 500时，为明显而稳定的湍流；q 当1 Ret 500时，为过渡形态3 固体颗粒的沉降速度(一) 颗粒的自由沉降速度 根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为:上式表明：颗粒的沉降过程分为两个阶段：加速阶段；匀速阶段。沉降速度（terminal velocity） ：也称为终端速度，匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度。 当du/dq =0时，令u= ut，则可得沉降速度计算式对球形颗粒，加速度为零时， 应用该式时应具备两个条件：容器的尺寸要远远大于颗粒的尺寸，因器壁会对颗粒的沉降有阻滞作用；颗粒不可过分细微，因细

12、微颗粒易发生布朗运动。 由于该式的推导限于自由沉降（Free settling），即，任一颗粒的沉降不受流体中其他颗粒干扰。沉降速度的求法：求沉降速度通常采用试差法。 假设流体流动类型； 计算沉降速度； 计算Re，验证与假设是否相符； 如果不相符，则转。如果相符，OK !(1)、滞流区（斯托克斯定律区，Ret1）=24/Ret ut=dp2（p-）g/18 (2)、过渡区（艾伦区，1Ret500）=18.5/（Ret0.6）(3)、湍流区（牛顿定律区，500Ret2105） =0.442. 摩擦数群法 两式相乘，消去ut，即 因为 一一对应，对于非球形颗粒一定， 亦一一对应，所以 必亦一一对应

13、。 在坐标上标绘出曲线，由计算值找到曲线上对应的点位置。 再由Ret值, 求得，避免了试差。 若已知ut，求颗粒直径dp,也可用类似方法。 在曲线中查得Ret，再根据ut计算dp，即（二） 影响沉降速度的因素(以层流区为例)1) 颗粒直径dp:应用：啤酒生产，采用絮状酵母，dput，使啤酒易于分离和澄清。均质乳化， dput，使饮料不易分层。加絮凝剂，如水中加明矾。2) 连续相的粘度m：应用：加酶：清饮料中添加果胶酶，使m ut，易于分离。增稠：浓饮料中添加增稠剂，使m ut，不易分层。加热：3) 两相密度差(r p-r)：在实际沉降中：4) 颗粒形状非球形颗粒的形状可用球形度fs 来描述。不

14、同球形度下阻力系数与Re的关系见课本图示，Re中的dp用当量直径de代替。注意：球形度fs越小，阻力系数x 越大，但在层流区不明显。ut非球ut球 。对于细微颗粒(d0.5mm)，应考虑分子热运动的影响，不能用沉降公式计算ut；沉降公式可用于沉降和上浮等情况。5) 壁效应 (wall effect) ：当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，其沉降速度较自由沉降速度小，这种影响称为壁效应。6)干扰沉降（hindered settling）： 当非均相物系中的颗粒较多，颗粒之间相互距离较近时，颗粒沉降会受到其它颗粒的影响，这种沉降称为干扰沉降。干扰沉降速度比自由沉降的小。 用下述安特里斯公

15、式对沉降速度作修正，可得到实际沉降速度：(7) 液滴或气泡沉降 当分散相也是流体时，其粒子可不再视为刚体。这种运动的特点在于液滴或气泡内部产生了环流。层流时液滴的实际沉降速度为：式中i为分散相的粘度，0为连续相的粘度。第三节 固体流态化一、 概述l 固体流态化：流体以一定的流速通过固体颗粒组成的床层时，可将大量固体颗粒悬浮于流动的流体中，颗粒在流体作用下上下翻滚，类似于液体的沸腾。这种状态称为固体流态化。简单来说，固体流态化就是固体物质流体化。l 流态化技术是近50多年发展起来的一种新技术，设备结构简单、生产强度大、易于实现连续化、自动化操作。l 该技术在食品工业中，主要用于加热、冷却、冷冻、

16、干燥、混合、造粒、浸出、洗涤等方面。固体流态化的优点1、颗粒流动平稳，类似液体，可实现连续、自动控制；2、固体颗粒混合迅速，整个流化床内处于等温状态；3、流体与颗粒之间的传热和传质速率高；4、整个床层与浸没物体之间传热速率高。二、 床层的流态化过程(一)流态化现象a.固定床；b-c-d.流化床；e. 气力输送(1) 固定床阶段 特点： 通过床层的流速低； 颗粒受的曳力小，颗粒之间紧密相接，静止不动； 床层高度不变； u，流体通过床层的阻力 ，其关系可以用欧根公式表示，如图(a)。(2) 流化床阶段 特点： 当u一定值时，(颗粒的)曳力接近净重力（重力减去浮力），或者流体通过床层的阻力接近单位截

17、面床层的重量时，颗粒开始浮动，但仍未脱离原来的位置，如图(b)。 在此状态时， u稍稍 ，颗粒便互相离开，床层的高度也会有所提高，则这时的状态称为起始流化状态或临界流化状态，对应的流速称为起始流化速度(umf)或最小流化速度 。 在临界流化状态时，继续u ，则颗粒间的距离增大，颗粒作剧烈的随机运动，这个阶段称为流化床阶段(沸腾床)。 在流化床阶段，随流体空床流速的增加，床层高度增高，床层的空隙率也增大，使颗粒间的流体流速保持不变；此时床层空隙中的流速=颗粒的沉降速度，同时床层的阻力几乎保持不变，等于单位截面床层的重量。 流化床阶段还有一个特点是床层有明显的上界面，如图(c、d)所示。(3) 气

18、力（或液力）输送阶段 特点： 当流体流速（空塔速度u）=颗粒的沉降速度时，颗粒开始被流体带出器外，床层的上界面消失，此时的流速称为流化床的带出速度，流速高于带出速度后，为流体输送阶段，如图(e)所示。(二) 两种不同的流化形式（1） 散式流化（液-固系统）固体颗粒均匀地分散在流化介质中，亦称均匀流化或理想流化。 特点： a 在流化过程中有一个明显的临界流态化点和临界流化速度； b 流化床层的压降为一常数： c 床层有一个平稳的上界面； d 流态化床层的空隙率在任何流速下都有一个代表性的均匀值。不因床层内的位置而变化。（2） 聚式流化（气-固系统） 通常两相密度差较大的系统趋向于聚式流化。如气固

19、系统往往成为聚式流化。 聚式流化床一般存在两相： 连续相：是由空隙小，而固体浓度大的气固均匀混合物构成。 气泡相：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。 特点：床层无稳定的上界面，上界面以某种频率作上下波动，床层压降也随之作相应波动。判断流化形式（散式或聚式流化）的依据： 弗鲁特准数： 三、 流化床的类似液体的特性 流化床中的流-固运动很象沸腾着的液体，并且在很多方面表现出类似于液体的性质，如下图所示。(1) 密度比床层密度小的物体能浮在床层的上面，见图(a)；(2) 床层倾斜，床层表面仍能保持水平，见图(b)；(3) 床层中任意两截面间的压差可用静力学关系式表示(p=gL,其中

20、和L分别为床层的密度和高度)，见图c；(4) 有流动性，颗粒能像液体一样从器壁小孔流出，图(d)）；(5) 联通两个高度不同的床层时，床层能自动调整平衡，图(e)。 利用流化床的这种似液性，可以设计出不同的流-固接触方式，易于实现过程的连续化与自动化。四、 流体通过流化床的阻力 流体通过颗粒床层的阻力与流体表观流速（空床流速）之间的关系可由实验测得。 下图是以空气通过砂粒堆积的床层测得的床层阻力与空床气速之间的关系。 由图可见，最初流体速度较小时，床层内固体颗粒静止不动，属固定床阶段，在此阶段，床层阻力与流体速度间的关系符合欧根方程； 当流体速度达到最小流化速度后，床层处于流化床阶段，在此阶段

21、，床层阻力基本上保持恒定。 作为近似计算，可以认为流化颗粒所受的总曳力与颗粒所受的净重力（重力与浮力之差）相等，而总曳力等于流体流过流化床的阻力与床层截面积之积，即：式中A空床截面积,m2; m床层颗粒的总质量，kg； p ,分别为颗粒与流体的密度，kg/m3。式中 A-床层截面积，m2； L-床层高，m；-床层空隙率； s-固体颗粒的密度，kg/m3；-流体密度，kg/m3。 所以，单位高度流化床层的阻力可表示为： 对于气-固流化床，由于颗粒与流体的密度差较大，故又可近似表示为：上式表明，气体通过流化床的阻力与单位截面床层颗粒所受的重力相等。 流化床阶段床层阻力恒等于单位截面床层颗粒的净重力

22、。五、流化床的操作范围 (一) 临界流化速度umf（ umf =ut） 流化床的正常操作范围为气速高于临界流化速度umf，低于颗粒的带出速度ut(即沉降速度)。umf u1000的情况，可只考虑因局部阻力而造成的动能损失。对于球形颗粒，有mf=0.4，s=1.0，以上计算可进一步化简。 对于其它许多系统，发现存在以下关系：(二) 带出速度 颗粒带出速度即为颗粒的沉降速度，计算同前，即： 注意：计算umf时要用实际存在于床层中不同粒度颗粒的平均直径de，而计算ut时则必须用相当数量的最小颗粒的直径。(三)流化床的操作范围 流化床的操作范围即为空塔-截面速度的上下限，用比值ut/umf的大小来衡量

23、，称流化数。 对于细颗粒，ut/umf=91.76 大颗粒，ut/umf= 8.61 由此可以看出，细颗粒流化床较粗颗粒床有更宽的流速操作范围。 不同的生产工艺过程中，流化数可在很大的幅度上变化，有些流化床的流化数可高达数百，远远超过上述 的最高理论值。六、流化床的主要特点(一) 流化床中的两相流动 床内各处温度或浓度均匀一致，避免局部过热。但传热、传质推动力下降。 原因:在同一截面各处流体速度不完全相同，颗粒总是上下作往复循环运动；同时还作杂乱无章的不规则运动。流化床内部分流体也有相应的循环和混合现象。 (二) 流化床有类似液体的特点 流化床具有类似液体的流动性，故使操作易于实现连续化与自动

24、化。(三) 流化床的不正常现象1、节涌现象(腾涌现象) 床高：床径的比值（长径比）过大（床层为细长形），或气速过高时导致小气泡合并成大气泡的现象； 当气泡直径=床层直径时，则床层被形成相互间隔的气泡与颗粒层； 颗粒层被气泡向上推动，到达上部后气泡崩裂，而颗粒又分散下落，这种现象称为节涌现象。如图示： 出现节涌现象时，由于颗粒层与器壁的摩擦造成压强降大于理论值，而在气泡破裂值又低于理论值，因而 p u图上表现为p在理论值附近作大幅度的波动，如图所示： 床层发生节涌现象时，气固两相接触不良，且使容器受颗粒磨损加剧，同时引起设备振动。 防止节涌现象的措施：实际操作中应采用适宜的床层高度/床径之比值，

25、以及适宜的操作气速。2、沟流现象 在大直径床层中，由于颗粒堆积不匀或气体初始分布不良，可在床内局部地方形成沟流。沟流现象的出现主要与颗粒的特性和气体分布板有关。颗粒过细、密度过大，易于粘结的颗粒，以及气体在分布板的初始分布不均匀，都宜引起沟流。 沟流现象(四) 利用流化现象判断颗粒尺寸 流化质量：是指流化床中流体分布与流固接触的均匀程度。 能够进行良好流化的颗粒尺寸在20500m范围内。 粒径小于20 m时，极易形成沟流和死床难于流化。 粒径大于500 m的极粗颗粒，流化时床层极不稳定。 粒径在20100m的细颗粒开始时为散式流化，气速加大到某值后出现气泡变为聚式流化。 80500m的粗颗粒开

26、始不出现散式流化，而出现气泡。 所以用流化现象可粗略估计颗粒尺寸。七、流化床的高度与直径 流化床的两个主要尺寸：直径、高度 (1) 流化床的直径 确定操作气速后，即可根据气体的处理量确定流化床所需的直径D：V-气体的处理量，m3/s ；u-流化床的实际操作气速，m/s。(2) 床层高度（浓相区高度） 流化床的浓相区高度与气体的实际速度，也即与床层的空隙率有关。 也可将流化床中流体流动近似看作通过具有相同空隙率的固定床的流体流动，则有： 式中k是反映物系特性的系数。上式表明了流化床操作的空床气速与床层空隙率的关系。 联立上两式得： 注意：以上各式只是近似地表示流化床空床气速与床层空隙率及浓相区高

27、度之间的关系。对于0.8的液-固流化床，误差不大，但对于气-固流化床，则有较大的误差。(3) 分离高度TDH(又称稀相区)q 分离高度取决于：颗粒的粒度分布、密度和气体的密度、粘度以及床层的结构尺寸和气速等。q 目前尚无可靠的计算公式，一般说气速愈大，分离高度愈大。第四节 非均相混合物的分离自然界的混合物分为两大类：p 均相物系(honogeneous system): 均相混合物。物系内部各处均匀且无相界面。如溶液和混合气体都是均相物系。p 非均相物系(non-honogeneous system): 非均相混合物。物系内部有隔开不同相的界面存在，且界面两侧的物料性质有显著差异。如：悬浮液、

28、乳浊液、泡沫液属于液态非均相物系，含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。非均相物系由分散相和连续相组成p 分散相： 分散物质。在非均相物系中，处于分散状态的物质。p 连续相： 分散介质。包围着分散物质而处于连续状态的流体。p 非均相物系的分离原理：根据两相物理性质(如密度等)的不同而进行的分离。p 非均相物系分离的理论基础：要实现分离，必须使分散相和连续相之间发生相对运动。因此，非均相物系的分离操作遵循流体力学的基本规律。p 非均相物系的分离方法：由于非均相物的两相间的密度等物理特性差异较大，因此常采用机械方法进行分离。按两相运动方式的不同，机械分离大致分为沉降和过滤两种操作。p 均相物系的分

29、离：通常先造成一个两相物系，再用机械分离的方法分离，如蒸馏，萃取等。非均相物系的分离方法1. 沉降 -利用分散相和连续相之间的密度差异，在某种力场中，使之发生相对运动而实现分离。 如： 水中的d=510m的沙粒或粘土 v 重力沉降v 离心沉降v 电场,磁场,絮凝沉降 (在浊水中加入少量的明矾)2. 过滤分离 - d=410m3. 离子交换分离-如: 水中的Ca2+, Mg2+)4. 膜分离-如 ：果蔬汁超滤、超滤处理啤酒、海水的脱盐、造纸废水的处理等。4.1 沉降 沉降的目的：从含有固体颗粒的流体中将固体和液体(气体)分离开 沉降的基本原理：利用流体和颗粒之间的密度差，在质量力的作用下使颗粒与

30、流体之间产生相对运动，从而实现两者的分离。 沉降的分类：重力沉降和离心沉降。一、重力沉降1 重力沉降的应用p 依靠颗粒本身重力的沉降。常用于直径0.1 mm以上的颗粒，它的应用主要在以下几个方面：1）气体的除尘(Dust elimination/removal）2）悬浮液的增稠(Thickening)3）固体物料的分级(Sizing/Size grading/sorting)从沉降速度公式可以得出，同一物料不同直径的颗粒，在沉降时ut1/ut2=( dp1/ dp2)0.52 根据沉降速度不同，可以对直径不同的物料予以分级。如图4-36，在缓慢水流中，不同直径的颗粒将在不同的位置沉降下来。4)

31、固体物料的分类 (Sorting)相同直径不同物料的颗粒沉降时，从沉降速度公式可得:同样，根据沉降速度的不同，可以将密度不同的物料分离，这也是水力选矿的原理。2 重力沉降速度的计算 颗粒在重力场中沉降可只考虑恒速段，这个恒定的速度就是颗粒在重力场中运动的终端速度，称为沉降速度。(1) 单个球形颗粒的自由沉降 自由沉降：颗粒的沉降速度不受器壁及其他颗粒的影响的沉降。 以光滑球形颗粒在静止流体中沉降为例，可推导沉降速度为： 将不同Rep范围内的曳力系数（三个区域）代入上式可得沉降处于层流区、过渡区和湍流区时沉降速度的三个计算式： 层流区：斯托克斯公式 过渡区：艾伦公式 湍流区：牛顿公式 计算颗粒沉

32、降速度的方法有试差法和图解法等。 (2)非球形颗粒的自由沉降 球形度影响颗粒的沉降速度。当Rep相同时，颗粒的球形度越小，其沉降速度也越小。(3)大小不均匀颗粒的沉降 为使颗粒与流体达到规定的分离程度，在计算沉降速度时，应以能够达到规定分离程度的最小颗粒的沉降速度为准。(4) 影响沉降速度的其他因素主要要考虑端效应和壁效应、颗粒浓度（干扰沉降）、气泡和液滴及分子运动的影响。3 重力沉降设备-降尘室作用：分离气体中尘粒的重力沉降设备。结构：见左图操作：在气体从降尘室入口流向出口的过程中，气体中的颗粒随气体向出口流动，同时向下沉降，如颗粒在到达降尘室出口前已沉到室底的集尘斗内，则颗粒从气体中分离出

33、来，否则将被气体带出。沉降室计算： 假设粒运动的水平分速度与气体的流速 u 相同； 停留时间ql/u 沉降时间qtH/ ut 颗粒分离出来的条件是 l/uH/ ut临界粒径dpc（critical particle diameter）：能100除去的最小粒径。 即：满足L/uH/ut 条件的粒径当含尘气体的体积流量为Vs时， u= Vs / Hb故与临界粒径dpc相对应的临界沉降速度为utc=Vs / bl临界沉降速度utc是流量和面积的函数。当尘粒的沉降速度小，处于斯托克斯区时，临界粒径为：ut=dp2（p-）g/18 当降尘室用水平隔板分为N层，则每层高度为H/N。水平速度u不变。此时：

34、尘粒沉降高度为原来的1/N倍； utc降为原来的1/N倍(utc=Vs / bl) ； 临界粒径为原来的倍； 一般可分离20m以上的颗粒。多层隔板降尘室排灰不方便。二、离心沉降（centrifugal settling）依靠离心力的作用，使流体中的颗粒产生沉降运动，称为离心沉降。1 离心分离因数离心分离因数（separation factor）K：离心力与重力比。 K=R 2/g如果以R为转鼓半径，则K值可作为衡量离心机分离能力的尺度。分离因素的极值与转动部件的材料强度有关。2.离心沉降速度颗粒在离心力场中沉降时，在径向沉降方向上受力分析。若这三个力达到平衡，则有离心沉降速度：颗粒在径向上相对

35、于流体的速度，就是这个位置上的离心沉降速度。注：在一定的条件下，重力沉降速度是一定的，而离心沉降速度随着颗粒在半径方向上的位置不同而变化。在离心沉降分离中，当颗粒所受的流体阻力处于斯托克斯区，则：ur 和 ut的区别:离心沉降速度ur不是颗粒运动的绝对速度,而是绝对速度在径向上的分量,且方向不是向下而是沿半径向外；ur=f(r) r , ur;而重力沉降速度ut是恒定的。(二) 离心分离设备 工业上应用的离心沉降设备有两种型式：旋流器和离心沉降机。它们在原理上有所不同。1. 旋风分离器（1）基本结构与操作原理基本结构：见左图 一种最简单的旋风分离器，主要组成:进气管、外圆筒； 内圆筒；锥形筒。

36、操作原理 含尘气体从圆筒上部长方形切线进口进入。入口气速约为1520m/s。 含尘气体沿圆筒内壁作旋转流动。颗粒的离心力较大，被甩向外层，气流在内层。气固得以分离。 在圆锥部分，旋转半径缩小而切向速度增大，气流与颗粒作下螺旋运动。 在圆锥的底部附近，气流转为上升旋转运动，最后由上部出口管排出； 固相沿内壁落入灰斗。(2) 旋风分离器的性能 临界粒径dc dc:指理论上能完全被分离下来的最小颗粒直径，它是判断分离效率高低的重要依据。 一般旋风分离器以圆筒直径D为参数，其它尺寸都与D成一定比例。 通常B=D/4，Ddc分离效率。 Ne一般为0.53.0，标准系列旋风分离器Ne=5。 注意用该公式计

37、算出的dc值与实际情况偏差大。 分离效率 总效率：指进入旋风分离器的全部颗粒中被分离下来的质量分率。C1：进气含尘浓度，g/m3；C2：出气含尘浓度，g/m3； 分效率（粒级效率）粒级效率:按各种粒度分别表明其被分离下来的质量分率。C1i ：进口气体中粒径在第i小段范围内的颗粒浓度，kg/m3；C2i ：出口气体中粒径在第i小段范围内的颗粒浓度，kg/m3； 粒级效率p与颗粒直径di的对应关系可用曲线表示，称为粒级效率曲线。 理论上，凡直径大于dc的颗粒，其粒级效率都应等于100%，小于dc的颗粒效率为零。如图示：实践中常把粒级效率曲线绘成粒级效率与d/d50的关系曲线。总效率与粒级效率的关系

38、： xi：i粒级所占质量% 分割粒径：粒级效率为50%时的颗粒直径。实测粒级效率曲线却是一条曲线，小于dc的颗粒也有可观的分离效果，而大于dc的颗粒还有部分未分离下来。 为什么？ 靠近壁面的小颗粒，所需沉降时间短； 小颗粒在器内聚结成为大颗粒，因而有较大的沉降速度； 大颗粒可能受气体涡流影响未到达器壁。或者沉降后又被气流重新卷起而带走。 压强降评价旋风分离器的一个重要性能指标，它是决定分离过程的能耗和合理选择风机的依据。P:表示为与进口气体动能成正比。 ：阻力系数，标准型 =8.0(实测)(3)分离的影响因素：(1) 入口气体流量 V,(2) 入口气速 ui p=5002000Pa ， ui,

39、 涡流加剧, 压降 ui=1525m/s(3) 较小的分离器 当处理量较大时，常并联使用几个小的分离器 (4)出口管的长度 (5)分离器的直径 D:d = 3:1(6)排气设备在尘粒出口出为负压,若不密封，空气将会进入，阻碍尘粒的下降。(4) 常用旋风分离器的型式常用型式：标准型、CLT、CLT/A、CLP等。2. 旋液分离器 旋液分离器用于从液体中分离出固体颗粒，其结构和操作原理与旋风分离器类似。 如图所示。悬浮液在旋液分离器中被分为顶部溢流和底部底流的乳浊液两部分。由于液体粘度大、密度也大，颗粒沉降分离比较困难，所以一般顶流中往往带有部分颗粒。因此旋液分离器可用于悬浮液的增稠或分级，也可用

40、于液液萃取等操作中。 与旋风分离器相比，旋液分离器的特点是：形状细长、直径小，圆锥部分长，以利于分离；中心有一个处于负压的气柱，有利于提高分离效率。 旋液分离器结构简单，没有运动部件，体积小、处理量大；但由于颗粒沿器体壁面高速运动，产生较大阻力，同时也会造成设备严重磨损，一般应采用耐磨材料制造。3. 离心机 离心机:利用惯性离心力分离液态非均相混合物的机械.与旋液分离器的主要区别在于离心力是由设备(转鼓)本身旋转而产生的。 按分离方式可分为： 过滤式离心机(转鼓上开孔，内壁覆以滤布)。 沉降式：(用来处理悬浮液) 分离式：(用来处理乳浊液，两种液体按轻重分层) 按分离因素(Kc)分： 常速离心

41、机 Kc50000 常用的离心沉降机有： 转鼓式离心沉降机 蝶片式离心机 用 途：分离乳浊液和从液体中分离少量极细的固体颗粒。 管式超速离心机螺旋式沉降离心机4.2过 滤一、 过滤操作的基本概念 1 过滤(filtration)以某种多孔物质为介质，在外力的作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的单元操作。 过滤介质: 过滤采用的多孔物质； 滤浆: 所处理的悬浮液； 滤液: 通过多孔通道的液体； 滤饼或滤渣: 被截留的固体物质。2 过滤方式过滤的操作基本方式有两种：滤饼过滤和深层过滤2.1 滤饼过滤(cake filtration)：饼层过滤滤饼过滤

42、过程： 刚开始：有细小颗粒通过孔道，滤液混浊。 开始后：迅速发生“架桥现象”，颗粒被拦截，滤液澄清。 所以，在滤饼过滤时真正起过滤作用的是滤饼本身，而非过滤介质。注意：所选过滤介质的孔道尺寸一定要使“架桥现象”能够过发生。饼层过滤适于处理固体含量较高的悬浮液。2.2 深层过滤(deep bed filtration)：深床过滤 特点：颗粒(粒子)沉积于介质内部。 过滤对象：悬浮液中的固体颗粒小而少。 过滤介质：堆积较厚的粒状床层。 过滤原理：颗粒尺寸 介质通道尺寸，颗粒通过细长而弯曲的孔道，靠静电和分子的作用力附着在介质孔道上。 应用：适于处理生产能力大而悬浮液中颗粒小而且含量少的场合，如水处

43、理和酒的过滤。3 过滤介质过滤介质的分类： 织物介质(又称滤布)：由棉、毛、麻、丝等天然纤维及合成纤维制成的织物，以及玻璃丝、金属丝等织成的网； 堆积介质：由各种固体颗粒（细砂、硅藻土等）堆积而成， 多用于深床过滤； 多孔固体介质：这类介质具有很多细微孔道，如多孔陶瓷、多孔塑料等。多用于含少量细微颗粒的悬浮液，如白酒等的精滤。4 滤饼的压缩性和助滤剂随着过滤的进行，滤饼的厚度增大，滤液的流动阻力亦逐渐增大，导致滤饼两侧的压强差增大。滤饼的压缩性对压强差有较大影响。不可压缩滤饼：若颗粒由不易变形的坚硬固体组成，则当压强差增大时，滤饼的结构不发生明显变化，单位厚度滤饼的流动阻力可视作恒定，这类滤饼称为不可压缩滤饼。可压缩滤饼：若滤饼为胶体物质时，当压强差增大时，滤饼则被