第四章(1-2)颗粒与流体间的相对流动课件.ppt
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1、第四章第四章 颗粒流体力学基础与机械分离颗粒流体力学基础与机械分离第一节第一节 流体绕过颗粒及颗粒床层的流动流体绕过颗粒及颗粒床层的流动第二节第二节 颗粒在流体中的流动颗粒在流体中的流动第三节第三节 固体流态化固体流态化第四节第四节 非均相物系的分离非均相物系的分离 4.1 沉降沉降 4.2 过滤过滤概述概述在化工、食品生产中,经常遇到非均相混合物的分离及流动问题,其中最常见的有: a.a.从含有粉尘或液滴的气体中分离出粉尘或液滴;从含有粉尘或液滴的气体中分离出粉尘或液滴; b. b.从含有固体颗粒的悬浮液中分离出固体颗粒;从含有固体颗粒的悬浮液中分离出固体颗粒; c. c.流体通过由大量固体
2、颗粒堆集而成的颗粒或床层流体通过由大量固体颗粒堆集而成的颗粒或床层的流动(如过滤、离子交换器、催化反应器等)。的流动(如过滤、离子交换器、催化反应器等)。上述过程均涉及流体相对于固体颗粒及颗粒床层流流体相对于固体颗粒及颗粒床层流动时的基本规律动时的基本规律以及与之有关的非均相混合物的机非均相混合物的机械分离问题械分离问题。故本章先介绍流体绕过颗粒、颗粒床流体绕过颗粒、颗粒床层的流动以及颗粒在流体中的流动层的流动以及颗粒在流体中的流动。本章重点内容本章重点内容固体的流态化过程,流化床的类似液体的性质;固体的流态化过程,流化床的类似液体的性质;流化床的类型;流化床的类型;流化过程的阻力变化;流化过
3、程的阻力变化;重力沉降的基本原理,重力沉降速度的定义及重力沉降的基本原理,重力沉降速度的定义及其计算,降尘室的工艺计算;其计算,降尘室的工艺计算;离心沉降的基本原理,离心沉降速度及其计算,离心沉降的基本原理,离心沉降速度及其计算,旋风分离器的特点及计算;旋风分离器的特点及计算;过滤操作的基本原理,恒压过滤方程式及其应过滤操作的基本原理,恒压过滤方程式及其应用,过滤常数的计算方法,常用过滤机的结构、用,过滤常数的计算方法,常用过滤机的结构、操作及洗涤特点、相关计算。操作及洗涤特点、相关计算。本章难点本章难点非球形颗粒的表示方法;非球形颗粒的表示方法;干扰沉降速度的计算;干扰沉降速度的计算; 可压
4、缩滤饼比阻随压强的变化;可压缩滤饼比阻随压强的变化;洗涤速率与过滤速率的关系洗涤速率与过滤速率的关系。 第一节第一节 流体绕过颗粒及颗粒床层的流动流体绕过颗粒及颗粒床层的流动1.1 颗粒及颗粒床层的特性颗粒及颗粒床层的特性单颗粒的特性参数单颗粒的特性参数颗粒群颗粒群(混合颗粒混合颗粒)的特性参数的特性参数 颗粒床层的特性颗粒床层的特性1.2 流体与颗粒间的相对运动流体与颗粒间的相对运动流体绕过颗粒的流动流体绕过颗粒的流动流体通过颗粒床层的流动流体通过颗粒床层的流动1.1 颗粒及颗粒床层的特性颗粒及颗粒床层的特性一、一、单个颗粒的性质单个颗粒的性质表示颗粒大小的几何参数:大小(尺寸)、形状、表示
5、颗粒大小的几何参数:大小(尺寸)、形状、表面积(或比表面积)。表面积(或比表面积)。形状规则的颗粒:形状规则的颗粒: 大大 小:用颗粒的某一个或某几个特征尺寸表示,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如球形颗粒的大小用直径dp表示。表示。 比表面积:单位体积颗粒所具有的表面积,其单比表面积:单位体积颗粒所具有的表面积,其单位为位为m2/m3 ,对球形颗粒为:,对球形颗粒为:pppd/ddVS6632 球形状不规则的颗粒:形状不规则的颗粒:(1)颗粒的形状系数:颗粒的形状系数:表示颗粒的形状,最常用的形状表示颗粒的形状,最常用的形状系数是球形度系数是球形度s,它的定义式
6、为,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,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,总有所以对非球形颗粒而言,总有1。当然,对于球形。当然,对于球形颗粒,颗粒,=1。非球形颗粒的表面积的球的表面积与非球形颗粒体积相等 s (2) 颗粒的当量直径:颗粒的当量直径:a a. .等体积当量直径等体积当量直径d de ev v,即体积等于球形颗粒体积的直径为非球,即体积等于球形颗粒体积的直径为非球形颗粒的等体积当量直径:形颗粒的等体积当量直径:b b. .等比表面积当量直径等比表面积当量直径d deaea,即比表面积等于球形颗粒比表面,即比表面积等
7、于球形颗粒比表面积积的直径为非球形颗粒的等比表面积当量直径:的直径为非球形颗粒的等比表面积当量直径:316/evVd)( SVdea66 对于非球形颗粒,若体积当量直径为对于非球形颗粒,若体积当量直径为d de e: :esseed,dS,dV 6623 比表面积表面积体积二、二、颗粒群的特性颗粒群的特性 v粒度分布粒度分布(Particle size distributions): 任何颗粒群任何颗粒群中,粒度大小不等的颗粒所形成的一定尺寸分布中,粒度大小不等的颗粒所形成的一定尺寸分布。v粒度分布测定方法粒度分布测定方法:常用筛分法,再求其相应的平:常用筛分法,再求其相应的平均特性参数。均特
8、性参数。v颗粒粒度颗粒粒度(Particle size)测量的方法筛分法筛分法(Sieve method)显微镜法显微镜法(Microscopic method)、沉降法沉降法(Sedimentation)、电阻变化法电阻变化法(Measuring resistance strain/variance)、光散射与衍射法光散射与衍射法 (Light attenuation and diffractometry)、表面积法表面积法(Specific surface method)等等。等等。注:注:上述方法基于不同的原理,适用于不同的粒径范上述方法基于不同的原理,适用于不同的粒径范围,所得的结果也
9、往往略有不同围,所得的结果也往往略有不同(1) 颗粒的筛分尺寸颗粒的筛分尺寸对于工业上常见的对于工业上常见的中等大中等大小小的混合颗粒,一般采用的混合颗粒,一般采用一套标准筛进行测量,这一套标准筛进行测量,这种方法称为种方法称为筛分筛分。将筛分所得结果在表或图将筛分所得结果在表或图上表示,可直观地表示出颗粒群的粒径分布上表示,可直观地表示出颗粒群的粒径分布:用用表格表格表示:筛孔尺寸表示:筛孔尺寸每层筛上颗粒质量。每层筛上颗粒质量。用用图表示图表示:各层筛网上颗粒的筛分尺寸:各层筛网上颗粒的筛分尺寸质量分率质量分率(见上图(见上图)(2)颗粒群的平均特性参数颗粒群的平均特性参数颗粒群的平均粒径
10、有不同的表示法,常用颗粒群的平均粒径有不同的表示法,常用等比表面等比表面积当量直径积当量直径来表示颗粒的平均直径,则混合颗粒的来表示颗粒的平均直径,则混合颗粒的平均比表面积平均比表面积m为:为:由此可得颗粒群的比表面积平均当量直径由此可得颗粒群的比表面积平均当量直径 dm为:为: ai第第i层筛网上颗粒的比表面积,层筛网上颗粒的比表面积, m2/m3 ; xi第第i层筛网上颗粒的质量分率;层筛网上颗粒的质量分率; am混合颗粒的平均比表面积,混合颗粒的平均比表面积, m2/m3 ; dm混合颗粒中各种尺寸颗粒的等比表面积当量直径,混合颗粒中各种尺寸颗粒的等比表面积当量直径,m。 piiiimd
11、xaxa6 piimdxd1三、三、颗粒床层的特性颗粒床层的特性 (1)床层的空隙率床层的空隙率:单位体积颗粒床层中空隙的体积为单位体积颗粒床层中空隙的体积为床层的空隙率床层的空隙率,即:,即:是颗粒床层的一个重要特性,它反映了床层中颗粒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、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。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一般颗粒床层的空隙率为0.470.7。测量测量的方法:充水法和称量法。的方法:充水法和称量法。(2)床层的比表面积床层的比表面积
12、单位体积床层中颗粒的表面积称为床层的比表面积。单位体积床层中颗粒的表面积称为床层的比表面积。若忽略因颗粒相互接触而减小的裸露面积,则床层若忽略因颗粒相互接触而减小的裸露面积,则床层的比表面积的比表面积b与颗粒的比表面积与颗粒的比表面积的关系为:的关系为: 1b影响影响b的主要因素:颗粒尺寸。的主要因素:颗粒尺寸。一般颗粒尺寸越小,一般颗粒尺寸越小, b越大。越大。(3) 床层的自由截面积床层的自由截面积床层中某一床层截面上空隙所占的截面积(即流体床层中某一床层截面上空隙所占的截面积(即流体可以通过的截面积)与床层截面积的比值称为床层可以通过的截面积)与床层截面积的比值称为床层的自由截面积,即:
13、的自由截面积,即: S0床层自由截面积;床层自由截面积; Sp 颗粒所占截面积,颗粒所占截面积,m2 ; S 整个床层截面积,整个床层截面积, m2 。(4) 床层的各向同性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,即从各个方位看,颗堆成的床层可认为各向同性,即从各个方位看,颗粒的堆积都是相同的。粒的堆积都是相同的。各向同性床层的一个重要特各向同性床层的一个重要特点:点:床层截面积上可供流体床层截面积上可供流体通过的自由截面通过的自由截面(空隙截面空隙截面)与床层截面之比在数值上等与床层截面之比在数值上等于空
14、隙率于空隙率。(4)床层通道特性床层通道特性固体颗粒堆积所形成的孔道的形状是不规则的、细固体颗粒堆积所形成的孔道的形状是不规则的、细小曲折的。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:(的一组平行细管,并规定:(1)细管的内表面积)细管的内表面积等于床层颗粒的全部表面;(等于床层颗粒的全部表面;(2)细管的全部流动等)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于颗粒床层的空隙容积。则这些虚拟细管的当量直径径de为为:流体流动湿润的周边流道的截面积4edade)1 (4影响床层通道特性的因素:影
15、响床层通道特性的因素:与床层颗粒的特性有关。与床层颗粒的特性有关。颗粒的粒度:颗粒的粒度:粒度愈小则所形成的通道数目愈多,粒度愈小则所形成的通道数目愈多,通道截面积也愈小;通道截面积也愈小;粒度分布的均匀性和颗粒表面状况:粒度分布的均匀性和颗粒表面状况: 粒度分布愈不均匀和表面愈粗糙的颗粒所形成的粒度分布愈不均匀和表面愈粗糙的颗粒所形成的通道就愈不规则,通道就愈不规则,计算流体流动时应折算成当量计算流体流动时应折算成当量直径直径(也称为水力直径也称为水力直径)。1.2 流体与颗粒间的相对运动流体与颗粒间的相对运动一、流体绕过颗粒的流动一、流体绕过颗粒的流动(一一)、流体绕颗粒的流动状态流体绕颗
16、粒的流动状态(1) 理想流体绕流理想流体绕流(2) 实际流体绕流实际流体绕流图图4-4 流体绕球形颗粒的流动流体绕球形颗粒的流动(二二)、流体绕颗粒流动时的作用力、流体绕颗粒流动时的作用力在流体与颗粒组成的非均相物系中,流体与颗粒间的相对运动有三种三种: a.a.流体流过静止颗粒表面;流体流过静止颗粒表面;b.b.颗粒在静止流体中运动;颗粒在静止流体中运动;c.c.流体与颗粒均处于运动状态,但二者之间维持一流体与颗粒均处于运动状态,但二者之间维持一定的相对速度。定的相对速度。就流体对颗粒的作用力而言,只要相对运动速度相同,上述三者之间并无本质区别。可假设颗粒静止,流体以一定的速度对之作绕流;或
17、流体静止,颗粒在流体中运动,分析流体对颗粒的作用力。(1)(1)曳力曳力如图为流体流过固体时,如图为流体流过固体时,固体表面的受力情况。经固体表面的受力情况。经分析,得固体表面上所受分析,得固体表面上所受的总曳力。的总曳力。一般,总曳力由形体曳力一般,总曳力由形体曳力和表面曳力两部分组成。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:研究总曳力,并用下式表示:22uAFpD(2) 曳力系数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:的因素可表
18、示为:),(uLfFD其中其中 L为颗粒的特征尺寸,对于光滑球体,为颗粒的特征尺寸,对于光滑球体,L 即为即为颗粒的直径颗粒的直径ds。应用因次分析可以得出关系式:。应用因次分析可以得出关系式:)(Rep修正雷诺数的定义为:修正雷诺数的定义为: udppRe注意注意: 此式中此式中dp为颗粒直径(对非球形颗粒而言,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),则取等体积球形颗粒的当量直径),、为流体的为流体的物性。物性。动画动画-Rep间的关系,经实验测定如图间的关系,经实验测定如图4-6所示所示 (P114)图图4-6 流体绕固体颗粒流动时流体绕固体颗粒流动时- Rep关系关
19、系图中球形颗粒(图中球形颗粒(S=1)的曲线,在不同雷诺数范围内)的曲线,在不同雷诺数范围内可用公式表示如下:可用公式表示如下: (1) 滞流区(滞流区(Rep 1):):(2) 过渡区(过渡区(1 Rep 500):pRe246 . 0Re5 .18p(3) 湍流区(湍流区(500 Rep 2105) =0.1二、流体通过颗粒床层的流动二、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食品工业中,最常见的流体通过颗粒床层的流动操作有:作有: (1)固定化酶反应:固定化酶反应:流体(如淀粉溶液等)通过流体(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固定床
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