3 机械分离和固体流态化

料被截留在筛面上的尺寸大于筛孔尺寸的 物料的量
12
2. 颗粒群的特性
2）颗粒的平均粒径
i层筛网的筛余量
平均比 表面积 直径，m
xi 1 1 Gi da di G di
颗粒总质量
质量分数
筛分直径：i-1和i 层筛网的平均孔径
13
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
3.2.1 颗粒的特性 3.2.2 颗粒床层的特性
7
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
3.2.1 颗粒的特性 3.2.2 颗粒床层的特性
3.2.3 流体通过床层流动的压降
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1. 单一颗粒的特性
1）球形颗粒
用粒径d（球形颗粒的直径）表示。
V 体积 6 2 S d m2 表面积 m2/m3。 比表面积 a 6 / d
非球形颗粒比等体积球形颗粒沉降速度小， φs ，ut，
35
练 习 题 目
思考题 1.描述非球形颗粒的参数有哪些？ 2.颗粒沉降分为哪两个阶段？沉降速度是指哪个阶 段的速度？
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2. 重力沉降设备
降尘室 — —气固体系 沉降槽 — —液固体系
37
2. 重力沉降设备
1）降尘室
气体 进口
对乱堆床层，各向同性，床层自由截面积与床 层截面积之比等于空隙率； 受壁效应影响，壁面附近床层空隙率大于床层 内部。改善壁效应的方法通常是限制床层直径与 颗粒直径之比不得小于某极限值。若床层的直径 比颗粒的直径大得多，则壁效应可忽略。
17
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
3.2.1 颗粒的特性 3.2.2 颗粒床层的特性
根据牛顿第二运动定律 π 3 π 2 u 2 π 3 du d ( s ) g d ( ) d s 6 4 2 6 d 分析颗粒运动情况： u0 加速段 u 加速度最大
阻力
加速度=0
加速度
匀速段
u ut
加速段极短，一般仅考虑匀速段的运动。
30
1.沉降速度
沉降速度
ut
14
1. 床层空隙率e
床层体积－颗粒体积 e 床层体积
影响因素：
颗粒大小、形状、粒度分布、充填方式等。
一般非均匀、非球形颗粒的乱堆床层：0.47～0.7。 均匀的球体最松排列时: 0.48，最紧密排列 时:0.26。
15
2. 床层的比表面积ab
单位体积床层中具有的颗粒表面积（即颗粒与流 体接触的表面积）,ab。
合成高分子絮凝剂：有离子和非离子型高分子聚合 物，如聚丙烯酰胺、羰基纤维素和聚乙烯基乙醇等。 43
3.3 沉降分离
3.3.1 重力沉降 3.3.2 离心沉降
44
1. 惯性离心力作用下的沉降速度
对处于离心力场半径为R处的粒子受力分析: 2 3 uT 惯性离心力 Fc d s ur 6 R 2 3 uT R 向心力 Fb d u 6 R uT 2 O 2 u r 阻力 FD d 4 2 Fc Fb FD ma 离心加速度ac=2R=uT2/R不是常量;
Reb<20时，层流流动，上式右边第二项可忽略；
Reb>1000时，湍流流动，上式右边第一项可忽略。
26
3.3 沉降分离
3.3.1 重力沉降 3.3.2 离心沉降
27
概述
沉降：悬浮在流体中的固体颗粒借助于外场作用力 产生定向运动，从而实现与流体相分离，或者使颗 粒相增稠、流体相澄清的一类操作。
自由沉降 受其它颗粒或壁面影响 干扰沉降 沉降不受影响
p f L 4.17 (1 e ) 2 a 2 u
e
3
0.29
(1 e )au 2
e
3
25
3. 模型参数的实验测定
（2）欧根实验结果：
p f L
'
(1 e )a
e3
u 2
p f
(1 e ) 2 u (1 e ) u 2 150 3 1.75 3 2 L e (s de ) e (s de )
第3章 非均相物系的分离和 固体流态化
1
主要内容
3.1 概述 3.2 颗粒及颗粒床层的特性
3.3 沉降分离
3.4 过滤 3.5 离心机（自学） 3.6 固体流态化
2
基本要求
掌握单个颗粒、颗粒群、颗粒床层特性的表示方法； 掌握重力沉降和离心沉降的基本原理、沉降速度的定 义和基本表示方法； 了解并熟悉降尘室、旋风分离器的结构特点、工作原 理及其性能参数； 掌握过滤的基本操作过程、典型的设备，熟练掌握恒 压过滤的操作及计算； 了解流化床的主要特征和操作范围； 掌握数学模型法。
用颗粒比表面积a表示 如忽略床层中颗粒间相互重叠的接触面积）： ab a(1 e ) 颗粒的 用堆积密度表示 堆积密度
6 b 6(1 e ) ab sd d
颗粒的 真实密 度
16
3. 床层的自由截面积
定义：床层截面上未被颗粒占据的、流体可以 自由通过的面积

康采尼常 数K′=5
u a (1 e )
p f L
5
(1 e ) 2 a 2 u
e
3
康采尼方程
24
3. 模型参数的实验测定
（2）欧根实验结果： 当Reb＝0.17～330时， 4.17 0.29 Reb
p f L ' (1 e )a
e3
u 2
a 6 /(s d e )
非均相物系分离的依据：分散相与连续相之间 的物理性质的差异。如密度、颗粒外径等。 非均相物系的分离方法：机械法，使分散质与分 散相之间发生相对运动，实现分离。
5
6
概述
非均相混合物分离的目的 回收分散质，如从气固催化反应器的尾气中收 集催化剂颗粒； 净化分散介质，如原料气中颗粒杂质的去除以 净化反应原料，环保方面烟道气中煤炭粉粒的 除去。 环境保护与安全生产
降尘室 生产能力
Vs bHu blut A底ut
可见：降尘室的生产能力与底面积、沉降速度有关， 而与降尘室的高度无关。因此通常做成扁平状。 注意：降尘室内气体流速不应过高，以免将已沉降 下来的颗粒重新扬起。根据经验，多数灰尘的分离， 可取u<3m/s，较易扬起灰尘，可取u<1.5m/s。 多层降尘室 40
2）沉降槽 生产能力：一般以澄清液溢出量（清液流量Q0)表示 为了提高沉降槽的生产能力，可以采用向槽内添加絮 凝剂的方法。常用的絮凝剂主要有： 无机絮凝剂：石灰、硫酸、明矾、硫酸亚铁、苛性 钠、盐酸和氯化锌等； 天然高分子絮凝剂：有淀粉和含淀粉的蛋白质物质， 如马铃薯、玉米粉、红薯粉及动物胶等；
2. 重力沉降设备
1）降尘室
结构简单， 但设备庞大、效率低， 只适用于分离粗颗粒------直径 75m 以上的颗粒， 或作为预分离设备。
41
2. 重力沉降设备
2）沉降槽
利用颗粒的自然沉降实现分离，但由于分离效果差，一 般得到含固体颗粒50％的增稠液，所以也叫增稠器。 42
2. 重力沉降设备
等速阶段中颗粒相对于流体的运动速度 ut称 为沉降速度。由于这个速度是加速阶段终了时颗 粒相对于流体的速度，故又称为“终端速度”。
4 gd ( s ) ut 3
31
2. 阻力系数
f (Ret , )
Ret
dut ρ μ
32
2. 阻力系数
ut
4d s g 3
层流区（斯托克斯Stokes定律区） 2 24 d s g ut （ 4 Re t 1 10 ） Re t 18 过渡区（艾仑Allen区） 18.5 gd s Re t0.6 0 .6 （ Re t 1000） 1 ut 0.27 Re t 湍流区（牛顿Nuwton定律区） gd s （ 1000 Re t 200000） 0.44 ut 1.74
'
p f L

'
(1 e )a
e
3
u
2
说明：λ′是模型参数，固定床的流动摩擦系数， 须由实验检验和测定。
23
3. 模型参数的实验测定
（1）康采尼实验结果： 流速较低，床层雷诺数Reb<2时：
p f L ' (1 e )a
e3
u 2
Re b
d ebu1
K Re b
d 3
m3
单位体积颗粒具有的表面积
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1. 单一颗粒的特性
2）非球形颗粒
用当量直径和形状系数表示。
de 3 6Vp
非球形颗粒体积
体积当量直径 与非球形颗粒体积相等的球形颗粒的直径。 形状系数（球形度）表示颗粒形状与球形的差异
S s Sp
该颗粒体积相等的圆 球的表面积，m2； 颗粒的表面积，m2；
气体
出口
思考1：为什么气体进入降尘 室后，流通截面积要扩大？
思考2：为什么降尘室要做成扁 平的？ l 停留时间 u
集灰斗 降尘室
l
u ut
b
H
38
若 t 则表明，该颗粒能在
降尘室中除去。
H 沉降时间 t ut
气体
颗粒在降尘室中的运动
思考 3：要想使某一粒度的颗粒在降尘室中被 100%除去， 必须满足什么条件？ d 2 g
3.2.3 流体通过床层流动的压降
18
1.床层的简化模型
流体通过颗粒层产生压降的主要原因：
1）粘性摩擦阻力 2）形体阻力 流体通过颗粒层的流动多呈爬流，无边界层脱 体现象发生，流动阻力主要为粘性摩擦阻力，由颗 粒层内固体表面积大小决定，而颗粒形状并不重要。