化工原理多媒体课件
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化工原理多媒体课件. 淮阴工学院 生命科学与化学工程学院. 第三章 非均相物系的分离和固体流态化 Separations of Heterogeneous Mixture and Fluidization of Solids. 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 3.6 固体流态化. 上页. 3.1 概述 Overview. 下页. 1 混合物分类 均相混合物( homogeneous mixture) 溶液,混合气体

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化工原理多媒体课件

淮阴工学院

生命科学与化学工程学院


第三章 非均相物系的分离和固体流态化 Separationsof Heterogeneous Mixture and Fluidization of Solids

  • 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

  • 3.6 固体流态化


3 1 overview

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3.1 概述Overview

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  • 1 混合物分类

    • 均相混合物(homogeneous mixture)

      • 溶液,混合气体

    • 非均相混合物(heterogeneous mixture)

      • 气态:含尘气体、含雾气体

      • 液态:悬浮液、乳浊液、泡沫液

  • 2 非均相混合物的分离方法

    • 机械分离(mechanical separation)

      • 依靠外力使分散相与连续相发生相对运动

      • 外力:重力,离心力,压力


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3.1 概述

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  • 颗粒相对于流体运动

    • 气固系统

      • 沉降分离:重力沉降、离心沉降

    • 液固系统

      • 增浓:重力增稠器,离心沉降

    • 乳浊液:离心分离机

  • 流体相对于颗粒床层运动

    • 液固系统

      • 过滤:重力过滤、加压(真空)过滤、离心过滤


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3.1 概述

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  • 4 机械分离目的

    • 回收有价值的分散组分

    • 净化分散介质

    • 环境保护和安全生产


3 2 characterization of particles and particulate beds

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3.2 颗粒及颗粒床层的特性 Characterization of Particles and Particulate Beds

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  • 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


3 2 1

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3.2.1 颗粒的特性

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  • 1 单一颗粒特性

    • 1)球形颗粒

    • 2)非球形颗粒

      • (1)体积当量直径


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3.2.1 颗粒的特性

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  • (2)形状系数(球形度)

  • 非球形颗粒需要两个参数描述其性质


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3.2.1 颗粒的特性

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  • 2 颗粒群的特性

    • 1)粒度分布

      • 筛分:泰勒标准筛

      • 累计分布函数曲线和频率分布函数曲线

      • 平均比表面积粒径

    • 2)粒子的平均粒径


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3.2.2 颗粒床层的特性

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  • 1 床层空隙率

  • 2 床层的比表面积

  • 3 床层的自由截面积

    • 各向同性:自由截面等于床层孔隙率

    • 壁效应:流体分布不均匀


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3.2.3 流体通过床层流动的压降

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  • 1 床层的简化模型(物理模型)

    • 长度L,当量直径deb的一组平行细管

    • 细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积

    • 细管的内表面积等于颗粒床层的全部表面积


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3.2.3 流体通过床层流动的压降

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  • 2 流体通过床层压降的数学描述


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3.2.3 流体通过床层流动的压降

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  • 3 模型参数的实验测定(参数估计)

    • (1)康采尼实验结果(层流)


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3.2.3 流体通过床层流动的压降

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  • (2)欧根实验结果


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3.2.3 流体通过床层流动的压降

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  • 例3-1 在横截面积为1m2的固定床反应器中装填直径d=3mm、高度等于直径的圆柱形催化剂1m3。催化剂的质量G=980kg,其真密度s=1760kg/m3。试求(1)催化剂的当量直径de、球形度s、床层孔隙率及比表面积ab;(2)20ºC的空气从下向上通过催化剂层,空塔速度u=0.2m/s,空气流经催化剂床层的压降


3 3 sedimentation separations

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3.3 沉降分离Sedimentation Separations

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  • 定义:在外力场作用下,利用分散相和连续相之间的密度差,使之发生相对运动而实现非均相混合物分离的操作。

  • 分类:

    • 重力沉降,离心沉降

    • 自由沉降,干扰沉降

  • 刚性球形颗粒的自由沉降

  • 3.3.1 重力沉降

  • 3.3.2 离心沉降


  • 上页

    3.3.1 重力沉降 Gravity Sedimentation

    下页

    • 1 沉降速度

      • 1)球形颗粒的自由沉降

      • 重力:

      • 浮力:

      • 阻力:


    上页

    3.3.1 重力沉降

    下页

    • 沉降过程:加速段,恒速段

    • 沉降速度

  • 2)阻力系数


  • 上页

    3.3.1 重力沉降

    下页

    • 层流区,斯托克斯公式

    • 过渡区,艾伦公式

    • 湍流区,牛顿公式


    上页

    3.3.1 重力沉降

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    • 3)影响沉降速度的因素

      • 流体粘度:表面曳力,形体曳力

      • 颗粒的体积分数: 小于0.2%

      • 器壁效应

      • 颗粒形状的影响,注意微细颗粒

    • 4)沉降速度的计算

      • (1)试差法,假设为某一区,然后验证。

      • (2)摩擦数群法


    上页

    3.3.1 重力沉降

    下页

    • 已知颗粒直径求沉降速度

    • 已知沉降速度求颗粒直径


    上页

    3.3.1 重力沉降

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    • (3)无因次判据法(适用于已知粒径求速度)

      • 层流区

      • 过渡区

      • 湍流区


    上页

    3.3.1 重力沉降

    下页

    • 例3-2 试计算直径为95m、密度为3000kg/m3的固体颗粒分别在20ºC的空气和水中的自由沉降速度。

    • 2 重力沉降设备

      • 1)降尘室

        • (1)单层降尘室


    上页

    3.3.1 重力沉降

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    • 要求层流,气速一般小于1m/s,可除去大于50μm的颗粒

    • 位于降尘室最高点的颗粒沉降至底室需要的时间

    • 气体通过降尘室的时间


    上页

    3.3.1 重力沉降

    下页

    • (2)多层降尘室

    • 隔板间距:40-100mm


    上页

    3.3.1 重力沉降

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    • 降尘室可以完全除去的最小颗粒直径,假设在层流区,沉降速度:

    • 流动阻力小,分离50 m的粗颗粒,作预除尘

    • 流体处于层流区


    上页

    3.3.1 重力沉降

    下页


    上页

    3.3.1 重力沉降

    下页

    • 例3-3 拟采用降尘室回收常压炉气中所含的球形固体颗粒。降尘室底面积为10m2,宽和高均为2m。操作条件下,气体的密度为0.75kg/m3,粘度为2.6×10-5Pa.s;固体的密度为3000kg/m3;降尘室的生产能力为3m3/s。试求(1)理论上能完全捕集下来的最小颗粒直径;(2)粒径为40m的颗粒的回收百分率;(3)如欲完全回收直径为10m的尘粒,在原降尘室内需设置多少层水平隔板?


    上页

    3.3.1 重力沉降

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    • 2)沉降槽

      • 结构与操作

      • 作用

        • 提高悬浮液浓度

        • 得到澄清液体


    上页

    3.3.1 重力沉降

    下页

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    • 3)分级器

      • 不同粒度的颗粒进行分离

      • 不同密度的颗粒进行分离


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    3.3.2 离心沉降 Centrifugal Sedimentation

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    • 1 惯性离心力作用下的沉降速度


    上页

    3.3.2 离心沉降

    下页

    • 层流区

    • 离心分离因数

  • 例:已知旋转半径R=0.4m,切向速度u=20m/s。则

    离心分离因数:


  • 上页

    3.3.2 离心沉降

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    • 重力沉降与离心沉降比较

    • 1 形式:重力加速度,离心加速度

    • 2 方向:垂直向下,背离旋转中心

    • 3 性质:常数,与R有关


    上页

    3.3.2 离心沉降

    下页

    • 2 旋风分离器操作原理


    上页

    3.3.2 离心沉降

    下页

    旋风分离器实物图


    上页

    3.3.2 离心沉降

    下页


    上页

    3.3.2 离心沉降

    下页

    • 3 旋风分离器性能

      • 1)临界粒径

        • 螺旋等速运动,切向速度等于进口气速

        • 颗粒穿过整个进气宽度B到达壁面

        • 颗粒处于层流区,自由沉降

      • 颗粒沉降速度

      • 沉降时间


    上页

    3.3.2 离心沉降

    下页

    • 气体停留时间

    • 临界粒径

    • 2)分离效率

      • 总效率


    上页

    3.3.2 离心沉降

    下页

    • 粒级效率

    • 分割粒径

    • 总效率与粒级效率


    上页

    3.3.2 离心沉降

    下页

    • 3)压强降

    范围:500-2000Pa


    上页

    3.3.2 离心沉降

    下页

    • 例3-5 用如图3-7所示的标准旋风分离器出去气流中所含固体颗粒。已知固体密度为1100kg/m3,颗粒直径为4.5m;气体密度为1.2kg/m3,粘度为1.8 × 10-5Pa.s,流量为0.4m3/s;允许压强降为1780Pa。试估算采用以下方案时的设备尺寸及分离效率。(1)一台旋风分离器;(2)四台相同的旋风分离器串联(3)四台相同的旋风分离器并联。


    上页

    3.3.2 离心沉降

    下页

    • 例3-6 采用图3-7所示的标准旋风分离器出去气流中的尘粒,分离器的曲线见图3-9。已根据设备尺寸、操作条件及系统物性估算出分割粒径d50=5.7m,求除尘总效率。


    上页

    3.3.2 离心沉降

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    • 4 旋风分离器的结构型式与选用

      • 结构形式

        • XLT/A型

          • 倾斜螺旋面进口

        • XLP型

          • 旁路分离室,蜗壳进口,在顶盖以下

        • 扩散式

          • 上小下大,设有挡灰盘

      • 选用

        • 选择型号

        • 计算流量、分离效率、允许的压强降

        • 确定尺寸与个数


    3 4 filtration

    上页

    3.4 过滤 Filtration

    下页

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    • 3.4.1 基本概念

    • 3.4.2 过滤基本方程式

    • 3.4.3 恒压过滤

    • 3.4.4 恒速过滤与先恒速后恒压过滤

    • 3.4.5 过滤常数的测定

    • 3.4.6 过滤设备

    • 3.4.7 滤饼的洗涤

    • 3.4.8 过滤机的生产能力


    3 4 1

    上页

    3.4.1 过滤操作的基本概念

    下页

    • 1 过滤

      • 使悬浮液中的液体通过过滤介质的孔道,而固体颗粒被截留在介质上。

    • 2 过滤方式

      • 饼层过滤

      • 深床过滤

      • 错流过滤(膜分离)

    • 3 过滤介质

      • 滤布:饼层过滤

      • 堆积介质:深床过滤

      • 多孔固体介质:超滤、微滤


    3 4 11

    上页

    3.4.1 过滤操作的基本概念

    下页

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    • 4 滤饼的压缩性

      • 可压缩滤饼

      • 不可压缩滤饼

    • 5 助滤剂

      • 方法:预涂,预混

      • 要求:刚性,化学稳定性,不会污染滤液

      • 种类:硅藻土,珍珠岩,石棉,炭粉,纸浆粉等。


    3 4 2

    上页

    3.4.2 过滤基本方程式

    下页

    • 1 滤液通过饼层的流动

      • 1)滤液通过滤饼层流动的特点

        • 细小曲折,网状结构

        • 非稳态操作

        • 流动处于层流区

      • 2)数学描述


    3 4 21

    上页

    3.4.2 过滤基本方程式

    下页

    • 2 过滤速率和过滤速度

      • 过滤速度

      • 过滤速率


    3 4 22

    上页

    3.4.2 过滤基本方程式

    下页

    • 3 滤饼的阻力

      • 对于不可压缩滤饼

      • 定义滤饼的比阻,单位:1/m²(常数)

      • 比阻的意义:粘度为1Pa.s的滤液以1m/s的平均速度通过厚度为1m的滤饼层时所产生的压强降。

      • 床层空隙率越小,颗粒的比表面积越大,阻力越大

      • 滤饼阻力,1/m(与滤饼厚度L成正比)


    3 4 23

    上页

    3.4.2 过滤基本方程式

    下页

    • 4 过滤介质的阻力

      • 过滤介质的阻力一般为常数


    3 4 24

    上页

    3.4.2 过滤基本方程式

    下页

    • Le:过滤介质的当量滤饼厚度或虚拟滤饼厚度,m。

  • 例3-8 直径为0.1mm的球形颗粒状物质悬浮于水中,用过滤方法予以分离。过滤时形成不可压缩滤饼,其空隙率为60%,试求滤饼的比阻r。又知此悬浮液中固相所占的体积分数为10%,求每平方米过滤面积上获得0.5m3滤液时的滤饼阻力R。


  • 3 4 25

    上页

    3.4.2 过滤基本方程式

    下页

    • 5 过滤基本方程式

      • 设获得1m³滤液所形成的滤饼体积为υm³

      • Ve:虚拟滤液体积


    3 4 26

    上页

    3.4.2 过滤基本方程式

    下页

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    • 注意:操作条件一定、过滤介质一定、悬浮液一定,虚拟滤液体积为定值。

  • 可压缩滤饼

    • S为滤饼的压缩性指数,无因次。S=0~1, 不可压缩s=0.

  • 过滤基本方程式


  • 3 4 3 constant pressure filtration

    上页

    3.4.3 恒压过滤constant-pressure filtration

    下页

    • 过滤方程式的建立

      • k:表征过滤物料特性的常数


    3 4 3

    上页

    3.4.3 恒压过滤

    下页

    • 虚拟过滤阶段

    • 有效过滤阶段


    3 4 31

    上页

    3.4.3 恒压过滤

    下页

    • 忽略过滤介质阻力

    • 过滤常数K

      单位:m²/s


    3 4 32

    上页

    3.4.3 恒压过滤

    下页

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    • 例3-9 拟在9.81×103Pa的恒定压强差下过滤例3-8中的悬浮液。已知水的粘度为1.0 × 10-3Pa.s,过滤介质阻力可以忽略,试求:(1)每平方米过滤面积上获得1.5m3滤液所需的过滤时间;(2)若将此过滤时间延长一倍,可再得滤液多少?


    3 4 4

    上页

    3.4.4 恒速过滤与先恒速后恒压过滤

    下页

    • 1 恒速过滤constant-rate filtration

      • 滤液量与时间关系


    3 4 41

    上页

    3.4.4 恒速过滤与先恒速后恒压过滤

    下页

    • 压强差与时间关系

      • 对于不可压缩滤饼


    3 4 42

    上页

    3.4.4 恒速过滤与先恒速后恒压过滤

    下页

    • 2 先恒速后恒压


    3 4 43

    上页

    3.4.4 恒速过滤与先恒速后恒压过滤

    下页

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    • 例3-10 在0.04m2的过滤面积上,以1 × 10-4m3/s的速率对不可压缩的滤饼进行过滤实验,测得的两组数据列于本题附表1中。今欲在框内尺寸为635mm × 635mm × 60mm的板框过滤机内处理同一料浆,所用滤布与实验时的相同。过滤开始时,以与实验相同的滤液流速进行恒速过滤,至过滤压强差达到6 × 104Pa时改为恒压操作。每获得1m3滤液所生成的滤饼体积为0.02m3。试求框内充满滤饼所需的时间。


    3 4 5

    上页

    3.4.5 过滤常数的测定

    下页

    • 1 恒压下K、qe、θe的测定


    3 4 51

    上页

    3.4.5 过滤常数的测定

    下页

    • 2 压缩指数s与物料特性常数k的测定

    • 例3-11 在25下对每升水中含25g某种颗粒的悬浮液进行了三次过滤实验,所得数据见本例附表1。试求(1)各压差下的过滤常数;(2)压缩性指数s


    3 4 52

    上页

    3.4.5 过滤常数的测定

    下页


    3 4 53

    上页

    3.4.5 过滤常数的测定

    下页

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    3 4 6

    上页

    3.4.6 过滤设备

    下页

    • 1 板框压滤机plate-and-frame press filter

      • 结构与操作


    3 4 61

    上页

    3.4.6 过滤设备

    下页

    • 板、框排列方式:1-2-3-2-1-2-3-2-1


    3 4 62

    上页

    3.4.6 过滤设备

    下页


    3 4 63

    上页

    3.4.6 过滤设备

    下页


    3 4 64

    上页

    3.4.6 过滤设备

    下页

    • 2 加压叶滤机pressure leaf filter


    3 4 65

    上页

    3.4.6 过滤设备

    下页

    • 3 转筒真空过滤机 drum vacuum filter

      • 结构与工作原理


    3 4 66

    上页

    3.4.6 过滤设备

    下页

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    • 转筒及分配头的结构

    • 1-7格:过滤区,8-10格:吸干区,11格:不工

    • 作,12-13格:洗涤区,14格:吸干区,15格:

    • 不工作,16-17格:吹松区,18格:不工作。


    3 4 7

    上页

    3.4.7 滤饼的洗涤

    下页

    • 1 洗涤速率与洗涤时间

    • 2 洗涤速率与过滤速率

      • 叶滤机:置换洗涤法


    3 4 71

    上页

    3.4.7 滤饼的洗涤

    下页

    • 板框压滤机:横穿洗涤法


    3 4 72

    上页

    3.4.7 滤饼的洗涤

    下页

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    • 操作条件不同时的校正


    3 4 8

    上页

    3.4.8 过滤机的生产能力

    下页

    • 1 间歇过滤机的生产能力

      • 操作步骤:过滤、洗涤、卸渣、清理。

    • 例3-12 对例3-11中的悬浮液用有26个框的BMS20/635-25板框压滤机进行过滤。在过滤机入口处滤浆的表压为3.39×105Pa,所用滤布与实验时的相同,浆料温度仍为25ºC。每次过滤完毕用清水洗涤滤饼,洗水温度及表压与滤浆相同而洗水体积为滤液体积的8%。每次卸渣、清理、装合等辅助操作时间为15min。已知固相密度为2930kg/m3,又测得湿饼密度为1930kg/m3。求此板框压滤机的生产能力。


    3 4 81

    上页

    3.4.8 过滤机的生产能力

    下页

    • 2 连续过滤机的生产能力

      • 浸没度

      • 转鼓旋转一周时间

      • 过滤时间


    3 4 82

    上页

    3.4.8 过滤机的生产能力

    下页

    • 转筒旋转一周获得的滤液量

    • 生产能力

    • 滤布阻力忽略时


    3 4 83

    上页

    3.4.8 过滤机的生产能力

    下页

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    • 例3-13 用转筒真空过滤机过滤某种悬浮液,料浆处理量为20m3/h,已知每得1m3滤液可得滤饼0.04m3,要求转筒的浸没角为0.35,过滤表面上滤饼厚度不低于5mm。试求过滤机的过滤面积A和转筒的转速n。


    3 6 fluidization of solids

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    3.6 固体流态化 Fluidization of Solids

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    • 3.6.1 流态化的基本概念

    • 3.6.2 流化床的主要特征

    • 3.6.3 流化床的操作范围

    • 3.6.4 提高流化质量的措施

    • 3.6.5 气力输送简介


    3 6 1

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    3.6.1 流态化的基本概念

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    • 1 流态化现象

      • 概念:大量固体颗粒悬浮于流体中,并作翻滚运动,类似于液体的沸腾

      • 应用:强化传热、传质,化学反应,物理加工,颗粒输送等

      • 过程

        • 固定床阶段

        • 流化床阶段

        • 气力输送(液力输送)


    3 6 11

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    3.6.1 流态化的基本概念

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    流态化过程图示

    • a图:固定床,b图:流化开始,c图:散式流化

    • d图:聚式流化,e图:固体输送。


    3 6 2

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    3.6.2 流化床的主要特征

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    • 1 恒定的压强降

      • 1)理想流化床的压强降

        • (1)固定床阶段


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    3.6.2 流化床的主要特征

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    • (2)流化床阶段

    • (3)气流输送阶段


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    3.6.2 流化床的主要特征

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    • 2)实际流化床的压强降


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    3.6.2 流化床的主要特征

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    • 固定床→流化床,沿ABCDE,出现驼峰BCD,反向沿EDC’A’,没有驼峰。

    • C’点为临界点,对应临界流化速度,临界空隙率

    • 流化床特点:表观流速增加,床层高度增加,床层空隙率增加,压强降基本不变,实际速度基本不变

  • 2 类似液体的特点

    • 轻物浮起

    • 表面水平

    • 颗粒喷出

    • 床面拉平

    • 压强降


  • 3 6 24

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    3.6.2 流化床的主要特征

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    • 3 流化床中的两相流动

      • 颗粒、流体上下往复循环流动

      • 颗粒、流体的轴向混合

      • 温度、浓度均匀,促进反应,但传热、传质推动力下降

  • 4 流化床的不正常现象

    • 1)腾涌现象

      • 气泡合并,压强降波动

    • 2)沟流现象

      • 气体短路,压强降低于正常值


  • 3 6 3

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    3.6.3 流化床的操作范围

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    • 1 临界流化速度

      • 1)实测法

      • 2)计算法


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    3.6.3 流化床的操作范围

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    3 6 32

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    3.6.3 流化床的操作范围

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    • 2 带出速度

      • 计算umf采用平均粒径

      • 计算ut采用最小粒径

  • 3 流化床的操作范围

    • 流化数:带出速度与临界流化速度之比

    • 小颗粒

    • 大颗粒


  • 3 6 33

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    3.6.3 流化床的操作范围

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    • 例3-14 欲使颗粒群直径范围为50-175 μm 、平均粒径为98μm的固体颗粒床层流化,同时必须避免颗粒的带出,求允许空塔气速的最小和最大值。已知条件如下:

      • 临界流化速度,采用颗粒群的平均粒径计算


    3 6 34

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    3.6.3 流化床的操作范围

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    • 带出速度,采用最小颗粒计算


    3 6 35

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    3.6.3 流化床的操作范围

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    • 考核最大颗粒能否被流化


    3 6 4

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    3.6.4 提高流化质量的措施

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    • 影响流化质量的因素

      • 设备因素:高径比,直径,床层高度,分布板等

      • 物性参数:固体密度、粘度,流体密度、粘度等

  • 1 分布板

    • 1)分布板的作用

      • 支撑固体颗粒

      • 防止漏料

      • 气体分布均匀

      • 分散气流

    • 2)分布板的形式

      • 直流式,测流式,填充式


  • 3 6 41

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    3.6.4 提高流化质量的措施

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    • 3)分布板的计算


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    3.6.4 提高流化质量的措施

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    • 2 设备内部构件

      • 作用:防止气泡长大,并破碎气泡。

      • 类型:

        • 挡网

        • 挡板

        • 垂直管束

    • 3 采用小粒径、宽分布的颗粒

      • 20-500 μm


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