《大連理工大學(xué)化工原理課程講義-過(guò)濾1》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《大連理工大學(xué)化工原理課程講義-過(guò)濾1（28頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 第第3章章 流體相對(duì)顆粒流體相對(duì)顆粒(床層床層)的流動(dòng)及機(jī)械分離的流動(dòng)及機(jī)械分離 3.1 概述概述 非均勻混合物的分離及流動(dòng)：非均勻混合物的分離及流動(dòng)： 從含有粉塵或液滴的氣體中分離出粉塵或液滴； 從含有固體顆粒的懸浮液中分離出固體顆粒； 流體通過(guò)由大量固體顆粒堆集而成的顆?；虼矊拥牧鲃?dòng) （如過(guò)濾、離子交換器、催化反應(yīng)器等）。 均涉及到流體相對(duì)于固體顆粒及顆粒床層流動(dòng)時(shí)的基本規(guī)律以及與之有關(guān)的非均相混合物的機(jī)械分離問(wèn)題。 3.2 顆粒及顆粒床層的特性顆粒及顆粒床層的特性3.2.1 單顆粒的特性參數(shù)單顆粒的特性參數(shù) (1) (1) 描述顆粒形狀描述顆粒形狀 顆粒的球形度顆粒的球形度顆粒的表面積

2、粒的表面積與顆粒等體積的球形顆球形度AAs公式表示： 表明表明：顆粒形狀接近于球形的程度； ，則顆粒越接近于球形。 球形顆粒球形顆粒： 11球形顆粒非球形顆粒 顆粒的比表面積顆粒的比表面積 aVAa)m()m(32顆粒體積顆粒表面積VAas說(shuō)明說(shuō)明：V相同時(shí)，a，則顆粒越接近球形。a 與與關(guān)系：關(guān)系：s3s2sss66dddVAa球形顆粒比表面積：球形顆粒比表面積：(2) 描述顆粒大小描述顆粒大小 等體積當(dāng)量直徑等體積當(dāng)量直徑 dv 指指：與顆粒體積相等的球形顆粒的直徑。 V3ss6ddVV即：31V)6(Vd因此，dv 與與 a、關(guān)系：關(guān)系：aAVVAass31V)6(Vd3/12V3/12

3、V)6()/6(adadad6V因此， 等比表面積當(dāng)量直徑等比表面積當(dāng)量直徑 da 與非球形顆粒比表面積相等的球形顆粒的直徑。saa s3s2s/66dddadad/6a因此，ad6V比較：dd/aV得：)(VaVadddd3.2.2 混合顆粒的特性參數(shù)混合顆粒的特性參數(shù) (1) 顆粒的篩分尺寸顆粒的篩分尺寸 標(biāo)準(zhǔn)篩：標(biāo)準(zhǔn)篩：有不同的系列，常用泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩。 篩號(hào)篩號(hào)(目數(shù)目數(shù))：每英寸長(zhǎng)度篩網(wǎng)上的篩孔數(shù)目； 篩過(guò)量篩過(guò)量：通過(guò)篩孔的顆粒量； 篩余量篩余量：截留于篩面上的顆粒量。顆粒的篩分尺寸顆粒的篩分尺寸21p,iiiddd算術(shù)平均：iiiddd1p,幾何平均： 篩分尺寸與顆粒特性參數(shù)的關(guān)系篩

4、分尺寸與顆粒特性參數(shù)的關(guān)系顆粒顆粒不是明顯的長(zhǎng)或短不是明顯的長(zhǎng)或短： 顆粒在某方向上略長(zhǎng)顆粒在某方向上略長(zhǎng)： (2) 顆粒群的平均特性參數(shù)顆粒群的平均特性參數(shù) 平均比表面積：平均比表面積： iiddp,a,21) 2(p,a,長(zhǎng)短比iiddiiidwawaia,m6di-1didi+1di+2 顆粒群的等比表面積當(dāng)量直徑顆粒群的等比表面積當(dāng)量直徑iidwada,mma,1163.2.3 顆粒床層的特性顆粒床層的特性 (1) 床層空隙率床層空隙率 定義：定義：床層中，空隙所占體積分率。表明表明： 床層堆積的松散程度； ，空隙越大，床層越松散； 對(duì)流體流過(guò)床層的阻力影響很大?？障额w粒顆粒床層BBB

5、1VVVVVLu 影響床層空隙率的因素影響床層空隙率的因素 （a）裝填方法：裝填方法：干裝 濕裝（b）顆粒特性的影響顆粒特性的影響 顆粒形狀：顆粒形狀： 靠壁面處：靠壁面處： 粒徑分布粒徑分布： 空隙率測(cè)量空隙率測(cè)量-充水法、稱量法(2) 床層的自由截面積床層的自由截面積 即即：床層中空隙的面積(流體的流通截面積)。 自由截面積分率：自由截面積分率：；， ；Dd /P。壁效應(yīng)，使；顆粒均勻，顆粒光滑，SSSSSSPPo1So與與關(guān)系關(guān)系：同樣表明顆粒堆積的松散程度 均勻顆粒，則So，。(3) 床層的比表面積床層的比表面積 aB BBVAa床層體積床層中顆粒的表面積)1 ()1 (BBaVAVA

6、aaaB忽略顆粒相互重疊減少的面積，則：顆粒靜止，流體繞過(guò)顆粒流動(dòng)； 流體靜止，顆粒流動(dòng)；顆粒和流體都運(yùn)動(dòng)，維持一定相對(duì)速度。3.3.1 流體繞過(guò)顆粒的流動(dòng)流體繞過(guò)顆粒的流動(dòng) (1) 曳力曳力 阻力：顆粒對(duì)流體的作用力； 曳力：流體對(duì)顆粒的作用力。 流體和顆粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況：3.3 流體和顆粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)流體和顆粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不同顆粒的形狀物體的不同形狀和位向?qū)σ妨Φ挠绊?a) 平板平行于流向(b) 平板垂直于流向(c) 流線型物體AApFdsindcosdwD顆粒微元：AApFAAdsindcoswD總曳力： 水平方向，顆粒所受曳力：水平方向，顆粒所受曳力： 流體流過(guò)固體時(shí)，固體表面的受力情況：

7、流體流過(guò)固體時(shí)，固體表面的受力情況：ApdApdcosAdwAdsinwAdu 作用在顆粒上的曳力狀、位向有關(guān)。：形體曳力，與顆粒形AApdcos有關(guān)。起，與顆粒表面積大?。罕砻嬉妨?，由摩擦引AAdsinw向，顆粒形狀、尺寸、位，流體物性)(u影響曳力的因素：影響曳力的因素：實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)公式2PD21uAF常用公式：(2) 曳力系數(shù)曳力系數(shù)，位向），不可壓縮流體：uLf (),(sudf球形顆粒球形顆?？傄妨τ?jì)算：總曳力計(jì)算：曳力系數(shù)與ReP的關(guān)系：（1）圓球（2）圓盤(pán)（3）圓柱udResp顆粒運(yùn)動(dòng)雷諾數(shù)：)(pRe量綱分析得：實(shí)驗(yàn)獲得與Rep的關(guān)系：10-410-310-210-11.0101

8、0210310410510610-11.010102103105ReP（1）（2）（3）pp241ReRe，表面曳力為主。曳力u6 . 0pp5 .1810001ReRe，體曳力增加。發(fā)生邊界層分離，使形44. 010210005p，Re曳力為主。，曳力系數(shù)恒定，形體曳力2u5p105 . 2Re層流區(qū)：層流區(qū)：過(guò)渡區(qū)：過(guò)渡區(qū)：湍流區(qū)：湍流區(qū)：湍流邊界層區(qū)：湍流邊界層區(qū)：。體曳力轉(zhuǎn)化為湍流邊界層，形非球形顆粒的曳力系數(shù)非球形顆粒的曳力系數(shù) 計(jì)算方法計(jì)算方法： 近似用球形顆粒公式，dsda 或 dV； 實(shí)測(cè)-Rep 關(guān)系。3.3.2 顆粒與流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)顆粒與流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng) (1) 顆粒在力場(chǎng)中

9、的受力分析顆粒在力場(chǎng)中的受力分析 esseeaVmaFesesbaVamF2PD21uAFtummaFFFFddDbe合力：合力： 質(zhì)量力質(zhì)量力 浮力浮力 曳力曳力顆粒受力分析FeFDFb(2) 顆粒的運(yùn)動(dòng)情況顆粒的運(yùn)動(dòng)情況運(yùn)動(dòng)方向：運(yùn)動(dòng)方向：沿合力方向00DFu初始時(shí)：顆粒運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)階段：顆粒運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)階段：加速階段、恒速階段，沿質(zhì)量力方向加速。時(shí)，besFF ，沿浮力方向加速。時(shí)，besFF 時(shí)，顆粒速度恒定合力0DbeFFF簡(jiǎn)化：簡(jiǎn)化：加速階段很短，忽略不計(jì)。認(rèn)為全過(guò)程中，顆粒勻速運(yùn)動(dòng)。esessaVaVF 加速階段：加速階段： 恒速階段：恒速階段： 終端速度終端速度 : 顆粒在流體中勻

10、速運(yùn)動(dòng)的速度。顆粒受力分析FeFDFb 目的目的：流體與固體顆粒分離流體與固體顆粒分離 原理：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(lái)。 常用方法常用方法： (1) 重力沉降重力沉降(分離較大的顆粒） 例例：選礦 3.4 沉沉 降降(2) 離心沉降離心沉降 (分離尺寸小的顆粒） 例例：氣體除塵 3.4.1 重力沉降速度的計(jì)算重力沉降速度的計(jì)算 (1)球形顆粒的自由沉降球形顆粒的自由沉降 自由沉降自由沉降：容器壁和其它顆粒不影響沉降速度； 干擾沉降干擾沉降：實(shí)際顆粒的沉降。 勻速階段受力分析：勻速階段受力分析：s設(shè)：022PsuAmgmgF合sPst)(2)(Amgu速度：

11、終端沉降 顆粒受力分析FeFDFb其它條件相同時(shí)，小顆粒后沉降。3)(4sstgdu球形顆粒： 影響沉降速度的因素影響沉降速度的因素tsud，則tu，則tsu，則其它條件相同時(shí)，密度大的顆粒先沉降。球形顆粒的沉降速度球形顆粒的沉降速度2sP4dA 因?yàn)椋簊3s6dm 其它條件相同時(shí)，顆粒在空氣較在水中易沉降。 顆粒直徑顆粒直徑 流體密度流體密度 顆粒密度顆粒密度 18)()Stokes(s2stgdu公式：斯托克斯 過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū) 6 . 0pp5 .1810001ReRe，6 . 0psst)(27. 0:)Allen(gRedu公式阿倫44. 010210005p，Regdu)(74. 1)

12、Newton(sst公式：牛頓 沉降速度計(jì)算沉降速度計(jì)算pp241ReRe， 湍流區(qū)湍流區(qū) 層流區(qū)層流區(qū)問(wèn)題：?jiǎn)栴}：沉降速度ut未知，如何判斷流型？解決方法：解決方法：試差法 或 判據(jù)法（避免試差）判據(jù)法：判據(jù)法：18)()Stokes(s2stgdu公式：斯托克斯將上式代入Rep中，得到：2s3sp)(181gdduRet3p181kRe 則：312ss)(gdk令：采用斯托克斯公式層流區(qū)：26 . 2k采用阿倫公式過(guò)渡區(qū)：1 .6062.2 k采用牛頓公式湍流區(qū)：23641.60 k令1pRe則62. 2k(2) 非球形顆粒的沉降速度非球形顆粒的沉降速度球非球球非球, t, tuu處理方法

13、處理方法：可先假定為顆粒球形，然后校正。同樣條件下因此ReP 顆粒球形度對(duì)沉降速度的影響ut（非球形）/ ut（球形）1.00.950.90.80.60.30.2球形度(3) 不均勻顆粒的沉降速度不均勻顆粒的沉降速度粒徑不同時(shí)，粒徑不同時(shí)，大顆粒沉降速度快，小顆粒沉降速度慢。除去所有顆粒，除去所有顆粒，應(yīng)以最小顆粒直徑計(jì)算ut。 顆粒分級(jí)時(shí)，顆粒分級(jí)時(shí)，以不同粒度，分別進(jìn)行計(jì)算ut。(4) 影響沉降速度的其它因素影響沉降速度的其它因素 干擾沉降干擾沉降-顆粒沉降時(shí)彼此影響顆粒沉降時(shí)彼此影響 顆粒濃度對(duì)沉降速度的影響顆粒濃度對(duì)沉降速度的影響 大量顆粒沉降，造成流體反向運(yùn)動(dòng)。attmuuu則：)1(tma AuuAtma1uuttmuu因此，tmu，則流體體積分率反向運(yùn)動(dòng)速度： 表明表明： 流體表觀物性的影響流體表觀物性的影響 顆粒存在，改變了流體的表觀密度和表觀粘度。表觀粘度：表觀粘度：m)1 (82. 1101校正因子：表觀密度：表觀密度：sm)1 (tmtmmuu 、求 液滴或氣泡變形液滴或氣泡變形 液滴或氣泡受曳力變形，影響計(jì)算準(zhǔn)確性。 流體分子運(yùn)動(dòng)的影響流體分子運(yùn)動(dòng)的影響 顆粒直徑小于 23 m 以下時(shí)，抑制重力沉降。計(jì)算干擾沉降速度：計(jì)算干擾沉降速度： 壁效應(yīng)和端效應(yīng)壁效應(yīng)和端效應(yīng)01. 0pDd時(shí), 器壁有影響。作業(yè)：作業(yè)： p231 5 、 6