1、第三章第三章 機械分離與固體流態化機械分離與固體流態化第一節第一節 顆粒及顆粒床層特性顆粒及顆粒床層特性第二節第二節 過濾過濾第三節第三節 沉降沉降第四節第四節 固體流態化固體流態化在化工生產中，經常遇到非均相混合物的分離及流動在化工生產中，經常遇到非均相混合物的分離及流動問題：問題： a.a.從含有粉塵或液滴的氣體中分離出粉塵或液滴；從含有粉塵或液滴的氣體中分離出粉塵或液滴； b. b.從含有固體顆粒的懸浮液中分離出固體顆粒；從含有固體顆粒的懸浮液中分離出固體顆粒； c. c.流體通過由大量固體顆粒堆集而成的顆粒或床層的流動（如流體通過由大量固體顆粒堆集而成的顆粒或床層的流動（如過濾、離子交

2、換器、催化反應器等）。過濾、離子交換器、催化反應器等）。上述過程均涉及上述過程均涉及流體相對于固體顆粒及顆粒床層流動流體相對于固體顆粒及顆粒床層流動時的基本規律時的基本規律以及與之有關的以及與之有關的非均相混合物的機械分非均相混合物的機械分離問題離問題。故本章先介紹。故本章先介紹流體繞過顆粒、顆粒床層的流流體繞過顆粒、顆粒床層的流動以及顆粒在流體中的流動動以及顆粒在流體中的流動。本章重點內容本章重點內容過濾操作的基本原理，恒壓過濾方程式及其應用，過濾過濾操作的基本原理，恒壓過濾方程式及其應用，過濾常數的計算方法，常用過濾機的結構、操作及洗滌特點常數的計算方法，常用過濾機的結構、操作及洗滌特點、

3、相關計算；、相關計算；重力沉降的基本原理，重力沉降速度的定義及其計算，重力沉降的基本原理，重力沉降速度的定義及其計算，降塵室的工藝計算；降塵室的工藝計算；離心沉降的基本原理，離心沉降速度及其計算，旋風分離心沉降的基本原理，離心沉降速度及其計算，旋風分離器的特點及計算；離器的特點及計算；固體的流態化過程，流化床的類似液體的性質；流化過固體的流態化過程，流化床的類似液體的性質；流化過程的阻力變化。程的阻力變化。本章難點本章難點非球形顆粒的表示方法；非球形顆粒的表示方法；洗滌速率與過濾速率的關系；洗滌速率與過濾速率的關系； 可壓縮濾餅比阻隨壓強的變化；可壓縮濾餅比阻隨壓強的變化；干擾沉降速度的計算。

4、干擾沉降速度的計算。 第一節第一節 顆粒及顆粒床層特性顆粒及顆粒床層特性1.1 1.1 顆粒及顆粒床層的特性顆粒及顆粒床層的特性單顆粒的特性參數單顆粒的特性參數顆粒群顆粒群( (混合顆粒混合顆粒) )的特性參數的特性參數 顆粒床層的特性顆粒床層的特性1.2 1.2 流體與顆粒間的相對運動流體與顆粒間的相對運動流體繞過顆粒的流動流體繞過顆粒的流動流體通過顆粒床層的流動流體通過顆粒床層的流動顆粒在流體中的流動顆粒在流體中的流動1.1 顆粒及顆粒床層的特性顆粒及顆粒床層的特性(P94)一、單個顆粒的性質一、單個顆粒的性質形狀規則的顆粒：形狀規則的顆粒： 大大 小：用顆粒的某一個或某幾個特征尺寸表示，

5、如球小：用顆粒的某一個或某幾個特征尺寸表示，如球形顆粒的大小用直徑形顆粒的大小用直徑d dp p表示。表示。 比表面積：單位體積顆粒所具有的表面積，其單位為比表面積：單位體積顆粒所具有的表面積，其單位為m m2 2/m/m3 3 ，對球形顆粒為：，對球形顆粒為：pppdddVSa66/32球形狀不規則的顆粒：形狀不規則的顆粒：(1)(1)顆粒的形狀系數：顆粒的形狀系數：表示顆粒的形狀，最常用的形狀系數是球形度表示顆粒的形狀，最常用的形狀系數是球形度s s，它的定義式為，它的定義式為 ： 相同體積的不同形狀顆粒中，球形顆粒的表面積最小，相同體積的不同形狀顆粒中，球形顆粒的表面積最小，所以對非球形

6、顆粒而言，總有所以對非球形顆粒而言，總有1。當然，對于球形顆粒，。當然，對于球形顆粒，=1。非球形顆粒的表面積的球的表面積與非球形顆粒體積相等 s (2) 顆粒的當量直徑：顆粒的當量直徑：b.等比表面積當量直徑等比表面積當量直徑dea將比表面積等于顆粒比表面積的將比表面積等于顆粒比表面積的球形顆粒的直徑定義為非球形顆球形顆粒的直徑定義為非球形顆粒的等比表面積當量直徑。粒的等比表面積當量直徑。3/16）（VdevSVadea66對于非球形顆粒，若體積當量直徑為對于非球形顆粒，若體積當量直徑為d de e: :esseedadSdV6,623比表面積表面積體積a.等體積當量直徑等體積當量直徑dev

7、: 與非球形顆與非球形顆粒等體積的球形顆粒的直徑定義為粒等體積的球形顆粒的直徑定義為非球形顆粒的等體積當量直徑。非球形顆粒的等體積當量直徑。二、顆粒群的特性參數二、顆粒群的特性參數 v粒度分布粒度分布(Particle size distributions)： 任何顆粒群中，粒度任何顆粒群中，粒度大小不等的顆粒所形成的一定尺寸分布。大小不等的顆粒所形成的一定尺寸分布。v粒度分布測定方法粒度分布測定方法：常用篩分法，再求其相應的平均特性：常用篩分法，再求其相應的平均特性參數。參數。v顆粒粒度顆粒粒度(Particle size)測量的方法測量的方法篩分法篩分法(Sieve method)顯微鏡法

8、顯微鏡法(Microscopic method)、沉降法沉降法(Sedimentation)、電阻變化法電阻變化法(Measuring resistance strain/variance)、光散射與衍射法光散射與衍射法 (Light attenuation and diffractometry)、表面積法表面積法(Specific surface method)等等。等等。注：注：上述方法基于不同的原理，適用于不同的粒徑范圍，所得上述方法基于不同的原理，適用于不同的粒徑范圍，所得的結果也往往略有不同的結果也往往略有不同(1) 顆粒的篩分尺寸顆粒的篩分尺寸 對于工業上常見的對于工業上常見的中等

9、大中等大小小的混合顆粒，一般采用一套的混合顆粒，一般采用一套標準篩進行測量，這種方法稱標準篩進行測量，這種方法稱為為篩分篩分。 將篩分所得結果在表或圖上表示，直觀地可表示出顆粒群將篩分所得結果在表或圖上表示，直觀地可表示出顆粒群的粒徑分布的粒徑分布:用用表格表格表示：篩孔尺寸表示：篩孔尺寸每層篩上顆粒質量。每層篩上顆粒質量。用用圖表示圖表示：各層篩網上顆粒的篩分尺寸：各層篩網上顆粒的篩分尺寸質量分率（見上圖質量分率（見上圖)顆粒的篩分尺寸顆粒的篩分尺寸質量分率質量分率(2)顆粒群的平均特性參數顆粒群的平均特性參數顆粒群的平均粒徑有不同的表示法，常用顆粒群的平均粒徑有不同的表示法，常用等比表面積

10、當量等比表面積當量直徑直徑來表示顆粒的平均直徑，則混合顆粒的平均比表面積來表示顆粒的平均直徑，則混合顆粒的平均比表面積am為：為：由此可得顆粒群的比表面積平均當量直徑由此可得顆粒群的比表面積平均當量直徑dam 為：為： ai第第i層篩網上顆粒的比表面積，層篩網上顆粒的比表面積， m2/m3 ； xi第第i層篩網上顆粒的質量分率；層篩網上顆粒的質量分率； am混合顆粒的平均比表面積，混合顆粒的平均比表面積， m2/m3 ； dai混合顆粒中各種尺寸顆粒的等比表面積當量直徑，混合顆粒中各種尺寸顆粒的等比表面積當量直徑，m。三、三、顆粒床層的特性顆粒床層的特性 (P98)(1)床層的空隙率床層的空隙

11、率:單位體積顆粒床層中空隙的體積（單位體積顆粒床層中空隙的體積（），即：，即：是顆粒床層的一個重要特性，它反映了床層中顆粒堆集的緊是顆粒床層的一個重要特性，它反映了床層中顆粒堆集的緊密程度，其大小與顆粒的形狀、粒度分布、裝填方法、床層直密程度，其大小與顆粒的形狀、粒度分布、裝填方法、床層直徑、所處的位置等有關。徑、所處的位置等有關。一般顆粒床層的空隙率為一般顆粒床層的空隙率為0.470.7。測量測量的方法：充水法和稱量法。的方法：充水法和稱量法。(2)床層的比表面積床層的比表面積單位體積床層中顆粒的表面積稱為床層的比表面積。單位體積床層中顆粒的表面積稱為床層的比表面積。aab 1影響影響b的主

12、要因素：顆粒尺寸。一般顆粒尺寸越小，的主要因素：顆粒尺寸。一般顆粒尺寸越小，b越大。越大。(3) 床層的自由截面積床層的自由截面積床層中某一床層截面上空隙所占的截面積與床層截面積的比床層中某一床層截面上空隙所占的截面積與床層截面積的比值稱為床層的自由截面積，即：值稱為床層的自由截面積，即：(4) (4) 床層的各向同性床層的各向同性對于亂堆的顆粒床層，顆粒的定位是隨機的，所以堆成的床對于亂堆的顆粒床層，顆粒的定位是隨機的，所以堆成的床層可認為各向同性，即從各個方位看，顆粒的堆積都是相同層可認為各向同性，即從各個方位看，顆粒的堆積都是相同的。的。各向同性床層的一個重要特各向同性床層的一個重要特點

13、：點：床層截面積上可供流體床層截面積上可供流體通過的自由截面通過的自由截面(空隙截面空隙截面)與床層截面之比在數值上等與床層截面之比在數值上等于空隙率于空隙率。(5)5)床層通道特性床層通道特性固體顆粒堆積形成的孔道的形狀是不規則的、細小曲折的。固體顆粒堆積形成的孔道的形狀是不規則的、細小曲折的。許多研究者將孔道視作流道，并將其簡化成長度為許多研究者將孔道視作流道，并將其簡化成長度為L Le e的一組的一組平行細管，并規定：（平行細管，并規定：（1 1）細管的內表面積等于床層顆粒的）細管的內表面積等于床層顆粒的全部表面；（全部表面；（2 2）細管的全部流動等于顆粒床層的空隙容積）細管的全部流動

14、等于顆粒床層的空隙容積。則這些虛擬細管的當量直徑。則這些虛擬細管的當量直徑d de e為為: :流體流動濕潤的周邊流道的截面積4edade)1 (4影響床層通道特性的因素：影響床層通道特性的因素：與床層顆粒的特性有關。與床層顆粒的特性有關。顆粒的粒度：顆粒的粒度： 粒度愈小則所形成的通道數目愈多，通道截面積也愈小；粒度愈小則所形成的通道數目愈多，通道截面積也愈小；粒度分布的均勻性和顆粒表面狀況：粒度分布的均勻性和顆粒表面狀況： 粒度分布愈不均勻和表面愈粗糙的顆粒所形成的通道就愈粒度分布愈不均勻和表面愈粗糙的顆粒所形成的通道就愈不規則，不規則，計算流體流動時應折算成當量直徑計算流體流動時應折算成

15、當量直徑(也稱為水力直也稱為水力直徑徑)。1.21.2 流體與顆粒間的相對運動流體與顆粒間的相對運動一、流體繞過顆粒的流動一、流體繞過顆粒的流動( (一一) ) 流體繞顆粒的流動狀態流體繞顆粒的流動狀態(1) 理想流體繞流理想流體繞流(2) 實際流體繞流實際流體繞流圖圖4-4 流體繞球形顆粒的流動流體繞球形顆粒的流動(二二) 流體繞顆粒流動時的作用力流體繞顆粒流動時的作用力 在流體與顆粒組成的非均相物系中，流體與顆粒間的相在流體與顆粒組成的非均相物系中，流體與顆粒間的相對運動有三種：對運動有三種： a.a.流體流過靜止顆粒表面；流體流過靜止顆粒表面；b.b.顆粒在靜止流體中運動；顆粒在靜止流體

16、中運動；c.c.流體與顆粒均處于運動狀態流體與顆粒均處于運動狀態，但二者之間維持一定的相對，但二者之間維持一定的相對速度。速度。 就流體對顆粒的作用力而言，只要相對運動速度相同，就流體對顆粒的作用力而言，只要相對運動速度相同，上述三者之間并無本質區別。可假設顆粒靜止，流體以一定上述三者之間并無本質區別。可假設顆粒靜止，流體以一定的速度對之作繞流；或流體靜止，顆粒在流體中運動，分析的速度對之作繞流；或流體靜止，顆粒在流體中運動，分析流體對顆粒的作用力。流體對顆粒的作用力。(1)(1)曳力曳力 當流體以一定速度繞過顆粒流動當流體以一定速度繞過顆粒流動時，將流體作用于顆粒上的力稱為時，將流體作用于顆

17、粒上的力稱為曳力曳力，而將顆粒作用于流體上的力，而將顆粒作用于流體上的力稱為稱為阻力阻力。 一般，總曳力由形體曳力和表面一般，總曳力由形體曳力和表面曳力兩部分組成。曳力兩部分組成。 工程上大都將工程上大都將形體曳力形體曳力和和表面曳力表面曳力合在一起，即研究總合在一起，即研究總曳力，并用下式表示：曳力，并用下式表示：22uAFpD(3.3.3)(3.3.3)n曳力與阻力的關系？曳力與阻力的關系？n形體曳力和表面曳力的影響因素各是什么？形體曳力和表面曳力的影響因素各是什么？n答：當流體以一定速度繞過顆粒流動時，流體與顆粒之間答：當流體以一定速度繞過顆粒流動時，流體與顆粒之間產生一對大小相等、方向

18、相反的作用力，我們將流體作用產生一對大小相等、方向相反的作用力，我們將流體作用于顆粒上的力稱為曳力，而將顆粒作用于流體上的力稱為于顆粒上的力稱為曳力，而將顆粒作用于流體上的力稱為阻力。阻力。 n 答：組成總曳力的兩部分力中，答：組成總曳力的兩部分力中， 為壓力改變所導致的曳力，主要取決于顆粒的形狀和位向，為壓力改變所導致的曳力，主要取決于顆粒的形狀和位向，稱為稱為形體曳力；而；而 n則是由于流體和顆粒表面的摩擦所導致的曳力，主要由顆則是由于流體和顆粒表面的摩擦所導致的曳力，主要由顆粒表面積的大小決定，稱為粒表面積的大小決定，稱為表面曳力。 dAsin(2) (2) 曳力系數曳力系數流體沿一定方

19、位繞過形狀一定的顆粒時，影響曳力的因素可表示流體沿一定方位繞過形狀一定的顆粒時，影響曳力的因素可表示為：為：),(uLfFD其中其中 L L為顆粒的特征尺寸，對于光滑球體，為顆粒的特征尺寸，對于光滑球體，L L 即為顆粒的直即為顆粒的直徑徑d dp p。應用因次分析可以得出關系式：。應用因次分析可以得出關系式：)(Rep修正雷諾數的定義為：修正雷諾數的定義為： udppRe注意注意: 此式中此式中dp為顆粒直徑（對非球形顆粒而言，則取等體為顆粒直徑（對非球形顆粒而言，則取等體積球形顆粒的當量直徑），積球形顆粒的當量直徑），、為流體的物性。為流體的物性。-Rep間的關系，經實驗測定如圖間的關系，

20、經實驗測定如圖4-6所示所示 . .(P115)圖4-6 流體繞固體顆粒流動時- Rep關系圖中球形顆粒（圖中球形顆粒（S S=1=1）的曲線，在不同雷諾數范圍內可用公）的曲線，在不同雷諾數范圍內可用公式表示如下：式表示如下： (1) (1) 滯流區（滯流區（ReRep p 1 1）：）：(2) (2) 過渡區（過渡區（1 Re1 Rep p 500 500）：）：pRe246 . 0Re5 .18p(3) (3) 湍流區（湍流區（500 Re500 Rep p 2 2 210105 5） =0.1=0.1二、流體通過顆粒床層的流動二、流體通過顆粒床層的流動(P99) 食品工業中，最常見的流體

21、通過顆粒床層的流動操作有：食品工業中，最常見的流體通過顆粒床層的流動操作有： （1 1）固定化酶反應：固定化酶反應：流體（如淀粉溶液等）通過固定床反流體（如淀粉溶液等）通過固定床反應器進行，此時組成固定床的顆粒表面載有酶制劑；應器進行，此時組成固定床的顆粒表面載有酶制劑； （2 2）過濾：過濾：懸浮液（如果汁、蔬菜汁及葡萄糖和味精生產懸浮液（如果汁、蔬菜汁及葡萄糖和味精生產中的含晶液體等）的過濾，此時可將由懸浮液中所含的固中的含晶液體等）的過濾，此時可將由懸浮液中所含的固體顆粒形成的濾餅看作固定床，濾液通過顆粒之間的空隙體顆粒形成的濾餅看作固定床，濾液通過顆粒之間的空隙流動。流動。1 .1 .

22、流體通過顆粒床層的流動狀態流體通過顆粒床層的流動狀態流體通過固體顆粒床層時，流體通過固體顆粒床層時，流動情況復雜，流速分布不均流動情況復雜，流速分布不均勻勻( (與空管流動比與空管流動比) )。流體在床層內的流動不流暢，產生的旋渦數目要比在直徑流體在床層內的流動不流暢，產生的旋渦數目要比在直徑與床層相等的空管中流動時多很多。與床層相等的空管中流動時多很多。流體在固定床內的流動狀態由層流轉為湍流是一個逐漸過流體在固定床內的流動狀態由層流轉為湍流是一個逐漸過渡的過程，沒有明顯的分界線，固定床內常常會呈現某一渡的過程，沒有明顯的分界線，固定床內常常會呈現某一部分流體的流動可能處于層流狀態，但另一部分

23、區域則已部分流體的流動可能處于層流狀態，但另一部分區域則已處于湍流狀態。處于湍流狀態。2. 流體通過顆粒床層的壓降流體通過顆粒床層的壓降流體通過顆粒床層孔道時，形成阻力的曳力是由兩方面引流體通過顆粒床層孔道時，形成阻力的曳力是由兩方面引起的：起的：(1)粘滯力粘滯力（Viscous drag force），是流體流過孔道時因顆粒），是流體流過孔道時因顆粒表面粘附流體所形成流體與流體間的摩擦力，與流體的流表面粘附流體所形成流體與流體間的摩擦力，與流體的流速成正比速成正比(2)慣性曳力慣性曳力(Inertia drag force)，由流動的流體沖擊顆粒形成，由流動的流體沖擊顆粒形成渦流的尾渦所引

24、起的流體壓頭損耗，與流體的流速的平方渦流的尾渦所引起的流體壓頭損耗，與流體的流速的平方(相當于流體的動壓頭相當于流體的動壓頭)成正比。成正比。總阻力為兩者之總和：總阻力為兩者之總和：221ukdukFR規定規定: : ( (1) 1) 圓筒形床層的直徑為顆粒直徑的圓筒形床層的直徑為顆粒直徑的10-2010-20倍以上，在這個倍以上，在這個 條件下壁效應可以忽略。條件下壁效應可以忽略。 (2) (2) 固體顆粒在床層中的堆積是均勻的，因而床層的空隙固體顆粒在床層中的堆積是均勻的，因而床層的空隙 率也是均勻的。率也是均勻的。 (3) (3) 固體顆粒是致密的，流體通過顆粒與顆粒及顆粒與器固體顆粒是

25、致密的，流體通過顆粒與顆粒及顆粒與器 壁的孔道流動，不包括流體通過顆粒本身的毛細管孔壁的孔道流動，不包括流體通過顆粒本身的毛細管孔 隙的擴散運動。隙的擴散運動。 總阻力大小體現為流體壓降的大小，又曳力與阻力互為作用總阻力大小體現為流體壓降的大小，又曳力與阻力互為作用力和反作用力，故床層的壓降力和反作用力，故床層的壓降-p可以用來取代總曳力可以用來取代總曳力FR。則由床層通道特性可知，流體通過具有復雜幾何邊界的床層壓則由床層通道特性可知，流體通過具有復雜幾何邊界的床層壓降等同于流體通過一組當量直徑為降等同于流體通過一組當量直徑為de，長度為，長度為Le的均勻圓管（的均勻圓管（即毛細管）的壓降。故

26、有即毛細管）的壓降。故有若若u u為流體的空管流速，通過床層孔道的實際流速為流體的空管流速，通過床層孔道的實際流速 u ue e為：為： u ue e=u/=u/康采尼方程康采尼方程: :22eeefudLphLuaKp3221僅適用于低雷諾數僅適用于低雷諾數(Re)e2歐根方程歐根方程 :(P100):(P100)應用于較寬的應用于較寬的(Re)(Re)e e范圍范圍 歐根方程的誤差約為歐根方程的誤差約為25%，適用于各種流動條件下的阻，適用于各種流動條件下的阻力計算力計算,但不適用于細長物體及環狀填料。但不適用于細長物體及環狀填料。康采尼或歐根公式可知，床層壓降受以下因素的影響：操康采尼或

27、歐根公式可知，床層壓降受以下因素的影響：操作變量作變量u、流體物性、流體物性和和以及床層特性以及床層特性和和a，其中受，其中受的影的影響最大。因此，設計計算時空隙率響最大。因此，設計計算時空隙率的選取應相當慎重。的選取應相當慎重。三三. . 顆粒在流體中的流動顆粒在流體中的流動1. 固體顆粒沉降過程的作用力固體顆粒沉降過程的作用力2. 固體顆粒的沉降形態固體顆粒的沉降形態3. 固體顆粒的沉降速度固體顆粒的沉降速度自由沉降速度的計算自由沉降速度的計算影響沉降速度的因素影響沉降速度的因素實際沉降速度實際沉降速度簡簡 述述 顆粒在流體中的流動，較常見的有：顆粒在流體中的流動，較常見的有： (1) 沉

28、降沉降（Sedimentation）非均相固體物料分級非均相固體物料分級(Sizing)(沉降時因顆粒大小不同而分級沉降時因顆粒大小不同而分級) 非均相固體物料分類非均相固體物料分類( Classification/Sorting)(沉降時因顆沉降時因顆粒比重不同而分類粒比重不同而分類)懸浮液的液固分離懸浮液的液固分離(包括離心分離包括離心分離(Centrifugal separation)氣固物系的分離氣固物系的分離(包括旋風分離包括旋風分離(Cyclone separation) (2) 流化輸送流化輸送1.1.固體顆粒沉降過程的作用力固體顆粒沉降過程的作用力(P114)(P114)固體顆

29、粒沉降時，起重要作用的特征數仍是雷諾數。固體顆粒沉降時，起重要作用的特征數仍是雷諾數。靜止或流速很慢的流體中，固體顆粒在重力（或離心力）作靜止或流速很慢的流體中，固體顆粒在重力（或離心力）作用下作沉降運動。此時顆粒的受到以下三方面的作用力用下作沉降運動。此時顆粒的受到以下三方面的作用力: (1) 場力場力F重力場重力場 Fg = mg離心力場離心力場 Fc = mr2 式中：式中：r顆粒作圓周運動的旋轉半徑；顆粒作圓周運動的旋轉半徑； 顆粒的旋轉角速度；顆粒的旋轉角速度； m顆粒的質量，對球形顆粒顆粒的質量，對球形顆粒m=dp3p /6。(2) (2) 浮力浮力F Fb b 設流體的密度為設流

30、體的密度為，則有，則有重力場重力場 F Fb b=gm/=gm/p p 離心力場離心力場 F Fb b= r= r2 2m/m/p p (3) (3) 曳力曳力F FD D固體顆粒在流體中相對運動時所產生固體顆粒在流體中相對運動時所產生的阻力。的阻力。22uAFD式中：式中：A-顆粒在垂直于其運動方向的平面上的投影面積，顆粒在垂直于其運動方向的平面上的投影面積，m2 -阻力系數，無因次；阻力系數，無因次； u-顆粒相對于流體的降落速度；顆粒相對于流體的降落速度； 2 2 固體顆粒的沉降形態固體顆粒的沉降形態兩種沉降形態兩種沉降形態:滯流和湍流。滯流和湍流。 圓球顆粒直徑不大并以極慢的速度沉降時

31、，流體成為一層一圓球顆粒直徑不大并以極慢的速度沉降時，流體成為一層一層地繞過物體，為層地繞過物體，為滯流沉降滯流沉降。當固體的沉降速度較大時，圓當固體的沉降速度較大時，圓球顆粒背部出現尾跡，產生邊球顆粒背部出現尾跡，產生邊界層分離，在球體后面和周圍界層分離，在球體后面和周圍形成大量漩渦，為形成大量漩渦，為湍流沉降湍流沉降。衡量固體顆粒沉降的流動形態的依據也是雷諾數。衡量固體顆粒沉降的流動形態的依據也是雷諾數。用雷諾數判別沉降的流動形態時，對于球形顆粒的沉降，用雷諾數判別沉降的流動形態時，對于球形顆粒的沉降，q當當ReRet t 1 500500時，為明顯而穩定的湍流；時，為明顯而穩定的湍流；q

32、當當1 Re1 Ret t 500 500時，為過渡形態時，為過渡形態tptudReut:顆粒沉降速度顆粒沉降速度3 3 固體顆粒的沉降速度固體顆粒的沉降速度( (一一) ) 顆粒的自由沉降速度顆粒的自由沉降速度u重力重力 Fg阻力阻力 Fd浮力浮力 Fb2422udFpdgdFppg36gdFpb36 p p為顆粒密度為顆粒密度ddumFFFdbg243)(udgddupppp根據牛頓第二定律，顆粒的重力沉降運動基本方程式應為根據牛頓第二定律，顆粒的重力沉降運動基本方程式應為: 隨著顆粒向下沉降，隨著顆粒向下沉降，u逐漸增大，逐漸增大，du/d逐漸減少。逐漸減少。 當當u增到一定數值增到一定

33、數值ui時，時， du/d =0。顆粒開始作勻速沉降運動。顆粒開始作勻速沉降運動。3)(4pptgdu上式表明：上式表明：顆粒的沉降過程分為兩個階段：顆粒的沉降過程分為兩個階段：沉降速度沉降速度（Settling/Falling velocity），也稱為終端速度也稱為終端速度（Terminal velocity），以），以ut表示表示 當當du/d =0時，令時，令u= ut，則可得沉降速度計算式，則可得沉降速度計算式加速階段加速階段(Accelerating settling stage) ；勻速階段勻速階段(Uniform settling stage) 。對球形顆粒，加速度為零時，對球

34、形顆粒，加速度為零時，34gduppt應用該式時應具備應用該式時應具備兩個條件兩個條件：q容器的尺寸要遠遠大于顆粒的尺寸，因器壁會對顆粒的沉容器的尺寸要遠遠大于顆粒的尺寸，因器壁會對顆粒的沉降有阻滯作用；降有阻滯作用；q顆粒不可過分細微，因細微顆粒易發生布朗運動。顆粒不可過分細微，因細微顆粒易發生布朗運動。由于該式的推導限于自由沉降（由于該式的推導限于自由沉降（Free settlingFree settling），即，任），即，任一顆粒的沉降不受流體中其他顆粒干擾。一顆粒的沉降不受流體中其他顆粒干擾。 假設流體流動類型；假設流體流動類型； 計算沉降速度；計算沉降速度； 計算計算ReRe，驗證

35、與假設是否相符；，驗證與假設是否相符； 如果不相符，則轉如果不相符，則轉。如果相符，。如果相符，OK !OK !1. 試差法。常采用試差法。常采用沉降速度的求法：沉降速度的求法： 例如例如: :欲求欲求ut? Ret?=dtut/。用試差求用試差求! ! 對于小顆粒，假設對于小顆粒，假設Ret 1，用用stocksstocks公式求公式求ut，校核校核Ret=dtut/是否小于是否小于1。 符合，則假設成立，符合，則假設成立， ut為所求；為所求； 不符合，重新假設。不符合，重新假設。P116P116 (1) (1)滯流區（斯托克斯定滯流區（斯托克斯定律區，律區，1010-4-4ReRet t

36、11） =24/Re=24/Ret t (2)(2)過渡區（艾倫區，過渡區（艾倫區，1Re1Ret t10103 3） =18.5/=18.5/（ReRet t0.60.6） gd.uppt）（ 741756040611540 .p.ptgd.u ）（(3)(3)湍流區（牛頓定律區，湍流區（牛頓定律區，500Ret2500Ret210105 5） =0.44 =0.4418)(2gduppt2.2.摩擦數群法摩擦數群法( (圖解法圖解法) )22222Retptud又兩式相乘，消去兩式相乘，消去ut，即，即23434tsppstugddgu23234Regdstpp32)(gdKp令3234R

37、eKt因為因為 一一對應，對于非球形顆粒一一對應，對于非球形顆粒一定，一定， 亦一一對應，所以亦一一對應，所以 必亦一一對應。必亦一一對應。在在 坐標上標繪出曲線，由坐標上標繪出曲線，由 計算值找到曲計算值找到曲線上對應的點位置。線上對應的點位置。再由再由ReRet t值值, , 求得求得 ，避免了試差。，避免了試差。若已知若已知u ut t，求顆粒直徑，求顆粒直徑d dp p, ,也可用類似方法。也可用類似方法。在在 曲線中查得曲線中查得ReRet t，再根據，再根據u ut t計算計算d dp p，即，即tRetRettReRe2ttReRe22Retdutt/Re32134Retstug

38、ttReRe1ttpudRe圖圖3- 13 3- 13 ReRe t t2 2-Re-Re t t和和Re Re t t -1-1-Re -Re t t 的關系曲線的關系曲線P117例：計算直徑為例：計算直徑為9595 m m，密度為，密度為3000kg/m3000kg/m3 3的固體顆粒的固體顆粒在在20 20 的水中的自由沉降速度。的水中的自由沉降速度。smugdtpp/10797. 9310005. 11881. 9)2 .9983000()1098(18)(362計算計算Re，核算流型：，核算流型：19244. 0Re33610005. 12 .99810797. 91095udp假設

39、正確，計算有效。假設正確，計算有效。解：在解：在20 20 的水中：的水中： 20 20 水的密度為水的密度為998.2kg/m998.2kg/m3 3，粘度為，粘度為1.0051.0051010-3 -3 PaPa s s先設為層流區。先設為層流區。 18)(2ppgdtu1) 1) 顆粒直徑顆粒直徑d dp p: :應用：應用：啤酒生產，采用絮狀酵母，啤酒生產，采用絮狀酵母，dpu ut t，使啤酒易于分離和澄清。，使啤酒易于分離和澄清。均質乳化，均質乳化， dput，使飲料不易分層。，使飲料不易分層。加絮凝劑，如水中加明礬。加絮凝劑，如水中加明礬。2) 2) 連續相的粘度連續相的粘度 ：

40、應用：應用：加酶：清飲料中添加果膠酶，使加酶：清飲料中添加果膠酶，使 ut，易于分離。，易于分離。增稠：濃飲料中添加增稠劑，使增稠：濃飲料中添加增稠劑，使 ut，不易分層。，不易分層。加熱：加熱：3) 兩相密度差兩相密度差( p- )： 兩相密度差兩相密度差 沉降速度沉降速度 ，但在一定懸浮液，但在一定懸浮液的沉降分離中，該數值很難改變。的沉降分離中，該數值很難改變。( (二二) ) 影響沉降速度的因素影響沉降速度的因素( (以層流區為例以層流區為例) ) (三三) 實際沉降速度實際沉降速度ut(1)顆粒的體積濃度顆粒的體積濃度 當體積濃度當體積濃度0.2%，各，各ut的理論計算值偏的理論計算

41、值偏差差100d時，器壁效應可忽略。時，器壁效應可忽略。(3) 顆粒形狀影響顆粒形狀影響顆粒形狀與球形間的差異程度可用形狀系數顆粒形狀與球形間的差異程度可用形狀系數, ,即球形度即球形度S S表表征。征。非球形顆粒的形狀可用球形度非球形顆粒的形狀可用球形度 s 來描述。來描述。pSSs s 球形度；球形度；S 顆粒的表面積，顆粒的表面積，m2；Sp 與顆粒體積相等的圓球的表面積，與顆粒體積相等的圓球的表面積，m2。 不同球形度下阻力系數與不同球形度下阻力系數與ReRe的關系見課本圖示，的關系見課本圖示，ReRe中的中的d dp p用當量直徑用當量直徑d de e代替。代替。球形度球形度 s s

42、越小，阻力系數越小，阻力系數 越大，非球形顆粒與球形的差越大，非球形顆粒與球形的差異越大異越大, u, ut t , ,但在層流區不明顯。但在層流區不明顯。u ut t非球非球 u ut t球球 。對于細微顆粒對于細微顆粒( (d d0.55m的塵粒。對于顆粒含量高于的塵粒。對于顆粒含量高于200g/m3的氣的氣體，也可除去體，也可除去3m以上的塵粒。以上的塵粒。不適用于處理粘性大、含濕量高的腐蝕性的粉塵。不適用于處理粘性大、含濕量高的腐蝕性的粉塵。(2) (2) 旋風分離器的性能旋風分離器的性能 臨界粒徑臨界粒徑d dc c d dc c: :指理論上能完全被分離下來的最小顆粒直徑，它是判斷

43、指理論上能完全被分離下來的最小顆粒直徑，它是判斷分離效率高低的重要依據。分離效率高低的重要依據。一般旋風分離器以圓筒直徑一般旋風分離器以圓筒直徑D為參數，其它尺寸都與為參數，其它尺寸都與D成一成一定比例。定比例。通常通常B=D/4，Ddc分離效率分離效率。 Ne一般為一般為0.53.0，標準系列旋風分離器，標準系列旋風分離器Ne=5。 注意用該公式計算出的注意用該公式計算出的dc值與實際情況偏差大。值與實際情況偏差大。piecuNBd 9 分離效率分離效率總效率：總效率：指進入旋風分離器的全部顆粒中被分離下來的質量分率。指進入旋風分離器的全部顆粒中被分離下來的質量分率。1210CCC C1：進

44、氣含塵濃度，：進氣含塵濃度，g/m3；C2：出氣含塵濃度，：出氣含塵濃度，g/m3；分效率分效率（粒級效率）（粒級效率）粒級效率粒級效率:按各種粒度分別表明其被分離下來的質量分率。按各種粒度分別表明其被分離下來的質量分率。iiipiCCC121 C C1i1i ：進口氣體中粒徑在第：進口氣體中粒徑在第i i小段范圍內的顆粒濃度，小段范圍內的顆粒濃度，kg/mkg/m3 3； C C2i2i ：出口氣體中粒徑在第：出口氣體中粒徑在第i i小段范圍內的顆粒濃度，小段范圍內的顆粒濃度，kg/mkg/m3 3；粒級效率粒級效率p p與顆粒直徑與顆粒直徑d di i的對應關系可用曲線表示，稱為的對應關系

45、可用曲線表示，稱為粒級效率曲線粒級效率曲線。理論上，凡直徑大于理論上，凡直徑大于d dc c的顆粒，其粒級效率都應等于的顆粒，其粒級效率都應等于100%100%，小于小于d dc c的顆粒效率為零。如圖示：的顆粒效率為零。如圖示：實踐中常把粒級效率曲線繪成粒級效率實踐中常把粒級效率曲線繪成粒級效率與與d/dd/d5050的關系曲線。的關系曲線。分割粒徑分割粒徑：粒級效率為：粒級效率為50%時的顆粒直徑。時的顆粒直徑。xi：i粒級所占質量粒級所占質量% 總效率與粒級效總效率與粒級效率的關系：率的關系：p 實測粒級效率曲線卻是一條曲線，小于實測粒級效率曲線卻是一條曲線，小于d dc c的顆粒也有可

46、觀的分離效的顆粒也有可觀的分離效果，而大于果，而大于d dc c的顆粒還有部分未分離下來。的顆粒還有部分未分離下來。 為什么？為什么？靠近壁面的小顆粒，所需沉降時間短；靠近壁面的小顆粒，所需沉降時間短；小顆粒在器內聚結成為大顆粒，因而有較大的沉降速度；小顆粒在器內聚結成為大顆粒，因而有較大的沉降速度；大顆粒可能受氣體渦流影響未到達器壁。或者沉降后又被氣流重新卷大顆粒可能受氣體渦流影響未到達器壁。或者沉降后又被氣流重新卷起而帶走。起而帶走。 壓強降壓強降評價旋風分離器的一個重要性能指標，它是決定分離過程評價旋風分離器的一個重要性能指標，它是決定分離過程的能耗和合理選擇風機的依據。的能耗和合理選擇

47、風機的依據。P:P:表示為與進口氣體動能成正比。表示為與進口氣體動能成正比。 ：阻力系數，標準型：阻力系數，標準型 =8.0(=8.0(實測實測) )(3)(3)分離的影響因素：分離的影響因素：(1) 入口氣體流量入口氣體流量 V,(2) 入口氣速入口氣速 ui p=5002000Pa ， ui, 渦流加劇渦流加劇, 壓降壓降 ui=1525m/s(3) 較小的分離器較小的分離器 當處理量較大時，常并聯使用幾個小的分離器當處理量較大時，常并聯使用幾個小的分離器 (4)出口管的長度出口管的長度 (5)分離器的直徑分離器的直徑 D:d = 3:1(6)排氣設備排氣設備在塵粒出口出為負壓在塵粒出口出

48、為負壓,若不密封，空氣將會進入，阻礙塵粒的若不密封，空氣將會進入，阻礙塵粒的下降。下降。(4) (4) 常用旋風分離器的型式常用旋風分離器的型式常用型式：標準型、常用型式：標準型、CLTCLT、CLT/ACLT/A、CLPCLP等。等。傾斜螺傾斜螺旋面進旋面進口，減口，減小渦流小渦流影響。影響。氣流阻氣流阻力系數力系數較低，較低，=55.5帶有旁帶有旁室結構，室結構，蝸殼式蝸殼式進氣口，進氣口，可聚結可聚結被上旋被上旋流帶到流帶到頂部的頂部的細粒。細粒。=4.85.8結構上小結構上小下大，下下大，下設擋灰盤，設擋灰盤，可有效防可有效防止已沉降止已沉降的細粒被的細粒被重新卷起。重新卷起。CLT/

49、A型型CLT型型擴散型擴散型標準型標準型2. 2. 旋液分離器旋液分離器旋液分離器用于旋液分離器用于從液體中分離出固從液體中分離出固體顆粒，其結構和體顆粒，其結構和操作原理與旋風分操作原理與旋風分離器類似。離器類似。如圖所示。懸浮如圖所示。懸浮液在旋液分離器中液在旋液分離器中被分為頂部溢流和被分為頂部溢流和底部底流的乳濁液底部底流的乳濁液兩部分。由于液體粘度大、密度也大，顆粒沉降分離比較困兩部分。由于液體粘度大、密度也大，顆粒沉降分離比較困難，所以一般頂流中往往帶有部分顆粒。因此旋液分離器可難，所以一般頂流中往往帶有部分顆粒。因此旋液分離器可用于懸浮液的增稠或分級，也可用于液液萃取等操作中。用

50、于懸浮液的增稠或分級，也可用于液液萃取等操作中。與旋風分離器相比，與旋風分離器相比，旋液分離器的特點旋液分離器的特點是：形狀細長、直是：形狀細長、直徑小，圓錐部分長，以利于分離；中心有一個處于負壓的徑小，圓錐部分長，以利于分離；中心有一個處于負壓的氣柱，有利于提高分離效率。氣柱，有利于提高分離效率。旋液分離器結構簡單，沒有運動部件，體積小、處理量大旋液分離器結構簡單，沒有運動部件，體積小、處理量大；但由于顆粒沿器體壁面高速運動，產生較大阻力，同時；但由于顆粒沿器體壁面高速運動，產生較大阻力，同時也會造成設備嚴重磨損，一般應采用耐磨材料制造。也會造成設備嚴重磨損，一般應采用耐磨材料制造。3. 3

51、. 離心機離心機離心機離心機: :利用慣性離心力分離液態非均相混合物的機械利用慣性離心力分離液態非均相混合物的機械. .與與旋液分離器的主要區別在于離心力是由設備旋液分離器的主要區別在于離心力是由設備( (轉鼓轉鼓) )本身旋本身旋轉而產生的。轉而產生的。按分離方式可分為：按分離方式可分為： 過濾式離心機過濾式離心機( (轉鼓上開孔，內壁覆以濾布轉鼓上開孔，內壁覆以濾布) )。 沉降式：沉降式：( (用來處理懸浮液用來處理懸浮液) ) 分離式：分離式：( (用來處理乳濁液，兩種液體按輕重分層用來處理乳濁液，兩種液體按輕重分層) )按分離因素按分離因素(K(Kc c) )分：分： 常速離心機常速

52、離心機 K Kc c3000(5000050000常用的離心沉降機有：常用的離心沉降機有： 轉鼓式離心沉降機轉鼓式離心沉降機 蝶片式離心機蝶片式離心機 管式超速離心機管式超速離心機 螺旋式沉降離心機螺旋式沉降離心機(1) 轉鼓式離心沉降機(2) 蝶片式離心機用用 途：分離乳濁液和從液體中分離少量極細的固體途：分離乳濁液和從液體中分離少量極細的固體顆粒。顆粒。(3) 管式超速離心機管式超速離心機分離因素一般高達分離因素一般高達1500060000，轉速高達，轉速高達800050000轉轉/分。為了減分。為了減小轉筒所受的應力，轉筒設小轉筒所受的應力，轉筒設計成細長形，轉筒直徑計成細長形，轉筒直徑

53、0.10.2m，管高，管高0.751.5m。(4) 螺旋式沉降離心機第四節第四節 固體流態化固體流態化 P125P125一、一、 概述概述 二、二、 床層的流態化過程床層的流態化過程三、三、 流化床的類似液體的特性流化床的類似液體的特性四、四、 流體通過流化床的阻力流體通過流化床的阻力五、流化床的操作范圍五、流化床的操作范圍六、六、 流化床的主要特點流化床的主要特點七、流化床的高度與直徑七、流化床的高度與直徑八、氣力輸送簡介八、氣力輸送簡介一、一、 概述概述固體流態化：固體流態化：流體以一定的流速通過固體顆粒組成的床層流體以一定的流速通過固體顆粒組成的床層時，可將大量固體顆粒懸浮于流動的流體中

54、，顆粒在流體時，可將大量固體顆粒懸浮于流動的流體中，顆粒在流體作用下上下翻滾，類似于液體的沸騰。這種狀態稱為固體作用下上下翻滾，類似于液體的沸騰。這種狀態稱為固體流態化。簡單來說，流態化。簡單來說，固體流態化就是固體物質流體化。固體流態化就是固體物質流體化。流態化技術是近流態化技術是近5050多年發展起來的一種新技術，設備結構多年發展起來的一種新技術，設備結構簡單、生產強度大、易于實現連續化、自動化操作。簡單、生產強度大、易于實現連續化、自動化操作。該技術在食品工業中，主要用于該技術在食品工業中，主要用于加熱加熱、冷卻冷卻、冷凍冷凍、干燥干燥、混合混合、造粒造粒、浸出浸出、洗滌洗滌等方面。等方

55、面。固體流態化的優點固體流態化的優點1 1、顆粒流動平穩，類似液體，可實現連續、自動控制；、顆粒流動平穩，類似液體，可實現連續、自動控制；2 2、固體顆粒混合迅速，整個流化床內處于等溫狀態；、固體顆粒混合迅速，整個流化床內處于等溫狀態；3 3、流體與顆粒之間的傳熱和傳質速率高；、流體與顆粒之間的傳熱和傳質速率高；4 4、整個床層與浸沒物體之間傳熱速率高。、整個床層與浸沒物體之間傳熱速率高。二、二、 床層的流態化過程床層的流態化過程(一一)流態化現象流態化現象a.固定床；固定床；b-c-d.流化床；流化床；e. 氣力輸送氣力輸送(1) (1) 固定床階段固定床階段 特點：特點：通過床層的流速低；

56、通過床層的流速低；顆粒受的曳力小，顆粒之間緊密相接，靜止不動；顆粒受的曳力小，顆粒之間緊密相接，靜止不動；床層高度不變；床層高度不變；uu，流體通過床層的阻力，流體通過床層的阻力 ，其關系可以用歐根公式表，其關系可以用歐根公式表示，如圖示，如圖(a)(a)。(2) (2) 流化床階段流化床階段 特點：特點：當當uu一定值時，一定值時，( (顆粒的顆粒的) )曳力接近凈重力曳力接近凈重力（重力減去浮力）（重力減去浮力），或者流體通過，或者流體通過床層的阻力接近單位截面床層的重量床層的阻力接近單位截面床層的重量時，顆時，顆粒開始浮動，但仍未脫離原來的位置，如圖粒開始浮動，但仍未脫離原來的位置，如圖

57、(b)(b)。在此狀態時，在此狀態時， u u稍稍稍稍 ，顆粒便互相離開，床層的高度也會，顆粒便互相離開，床層的高度也會有所提高，則這時的狀態稱為有所提高，則這時的狀態稱為起始流化狀態起始流化狀態或或臨界流化狀態臨界流化狀態，對應的流速稱為，對應的流速稱為起始流化速度起始流化速度(u(umfmf) )或或最小流化速度最小流化速度 。在臨界流化狀態時，繼續在臨界流化狀態時，繼續u ，則顆粒間的距離增大，顆粒，則顆粒間的距離增大，顆粒作劇烈的隨機運動，這個階段稱為作劇烈的隨機運動，這個階段稱為流化床階段流化床階段(沸騰床沸騰床)。在在流化床階段流化床階段，隨流體空床流速的增加，床層高度增高，床，隨

58、流體空床流速的增加，床層高度增高，床層的空隙率也增大，使顆粒間的流體流速保持不變；此時層的空隙率也增大，使顆粒間的流體流速保持不變；此時床床層空隙中的流速層空隙中的流速=顆粒的沉降速度顆粒的沉降速度，同時床層的阻力幾乎保，同時床層的阻力幾乎保持不變，等于單位截面床層的重量。持不變，等于單位截面床層的重量。流化床階段還有一個特點是流化床階段還有一個特點是床層有明顯的上界面床層有明顯的上界面，如圖，如圖(c、d)所示。所示。(3) (3) 氣力（或液力）輸送階段氣力（或液力）輸送階段 特點：特點：當當流體流速（空塔速度流體流速（空塔速度u）=顆粒的沉降速度顆粒的沉降速度時，顆粒被流時，顆粒被流體帶

59、出器外，體帶出器外，床層的上界面消失，此時的流速稱為流化床床層的上界面消失，此時的流速稱為流化床的帶出速度的帶出速度，流速高于帶出速度后，為，流速高于帶出速度后，為流體輸送階段流體輸送階段，如，如圖圖(e)所示。所示。( (二二) ) 兩種不同的流化形式兩種不同的流化形式（1 1） 散式流化（液散式流化（液- -固系統固系統）固體顆粒均勻地分散在流化介質中，亦稱固體顆粒均勻地分散在流化介質中，亦稱均勻流化或理想流化均勻流化或理想流化。特點特點： a 在流化過程中有一個明顯的臨界流態化點和臨界流化速度；在流化過程中有一個明顯的臨界流態化點和臨界流化速度； b 流化床層的壓降為一常數：流化床層的壓

60、降為一常數： c 床層有一個平穩的上界面；床層有一個平穩的上界面； d 流態化床層的空隙率在任何流速下都有一個代表性的均勻值流態化床層的空隙率在任何流速下都有一個代表性的均勻值。不因床層內的位置而變化。不因床層內的位置而變化。（2 2） 聚式流化（氣聚式流化（氣- -固系統）固系統）通常兩相密度差較大的系統趨向于聚式流化。如氣固系統往往通常兩相密度差較大的系統趨向于聚式流化。如氣固系統往往成為成為聚式流化聚式流化。聚式流化床一般存在兩相：聚式流化床一般存在兩相： 連續相：連續相：是由空隙小，而固體濃度大的氣固均勻混合物構成。是由空隙小，而固體濃度大的氣固均勻混合物構成。 氣泡相：氣泡相：是夾帶