食品工程原理课件第四章颗粒与流体之间的相对流动.ppt

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1、第四章第四章颗粒与流体之间的相对流动颗粒与流体之间的相对流动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；流化过固体的流态化过程，流化床的类似液体的性质；流化过程的阻力变化；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其计算，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；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

2、，旋风分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；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用，过滤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、操作及洗涤特点、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。相关计算。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d dp p表示。表示。比表面积：单位体积颗粒所

3、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m m2 2/m/m3 3 ，对球形颗粒为：，对球形颗粒为：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形状不规则的颗粒：形状不规则的颗粒：(1)(1)颗粒的形状系数：颗粒的形状系数：表示颗粒的形状，最常用的形状系数是球形度表示颗粒的形状，最常用的形状系数是球形度s s，它的定义式为，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，所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，总有以对非球形颗粒而言，总有1。当然，对于球形颗粒，。当然，对于球形颗粒，=1。(2

4、)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 vb b.等比表面积当量直径等比表面积当量直径d deaea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:二、二、颗粒群的特性颗粒群的特性 v粒度分布粒度分布(Particlesizedistributions)v粒度分布测定方法粒度分布测定方法：常用筛分法，再求其相应的平均特性参数。：常用筛分法，再求其相应的平均特性参数。v颗粒粒度颗粒粒度(Particlesize)对于工业上常见的对于工业上常见的中等大小中等大小的混合颗的混合颗粒，一般采用一套标准筛进行测量，粒，一般采用一

5、套标准筛进行测量，这种方法称为这种方法称为筛分筛分。用用表格表格表示：筛孔尺寸表示：筛孔尺寸每层筛上每层筛上颗粒质量。颗粒质量。用用图表示图表示：各层筛网上颗粒的筛分尺：各层筛网上颗粒的筛分尺寸寸质量分率质量分率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，常用等比表面积当量直径等比表面积当量直径来来表示颗粒的平均直径，则混合颗粒的平均比表面积表示颗粒的平均直径，则混合颗粒的平均比表面积m 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：三、三、颗粒床层的特性颗粒床层的特性 (1)床层的

6、空隙率床层的空隙率:单位体积颗粒床层中空隙的体积（单位体积颗粒床层中空隙的体积（），即：，即：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、装填方法、床层直密程度，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。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。(2)(2)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，所以堆成的床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，颗粒的堆积都

7、是相同层可认为各向同性，即从各个方位看，颗粒的堆积都是相同的。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隙率于空隙率。(3)3)床层通道特性床层通道特性固体颗粒堆积形成的孔道的形状是不规则的、细小曲折的。固体颗粒堆积形成的孔道的形状是不规则的、细小曲折的。许许多多研研究究者者将将孔孔道道视视作作流流道道，并并将将其其简简化化成成长长度度为为L Le e的的一一组组平平行行细细管管，并并规规定定：（1 1）细细管管的的内内表表面面积积等等于

8、于床床层层颗颗粒粒的的全全部部表表面面；（2 2）细细管管的的全全部部流流动动等等于于颗颗粒粒床床层层的的空空隙隙容容积积。则则这些虚拟细管的当量直径这些虚拟细管的当量直径d de e为为:影响床层通道特性的因素：影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，通道截面积也愈小；粒度愈小则所形成的通道数目愈多，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通道就愈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，不规则，计算流体流动时

9、应折算成当量直径计算流体流动时应折算成当量直径(也称为水力直也称为水力直径径)。1.2 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图图 流体绕过颗粒的流动流体绕过颗粒的流动uFd 当流体相对于静止的固体颗粒流动时，或者固体颗粒在静当流体相对于静止的固体颗粒流动时，或者固体颗粒在静止流体中移动时，由于流体的粘性，两者之间会产生作用力，止流体中移动时，由于流体的粘性，两者之间会产生作用力，这种作用力通常称为曳力这种作用力通常称为曳力（drag force)drag force)或阻力。或阻力。(2)(2)曳力系数曳力系数流体沿一定方位绕过形状一

10、定的颗粒时，影响曳力的因素可表示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：为：其中其中 L 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 L 即为颗粒的直即为颗粒的直径径dsds。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：修正雷诺数的定义为：修正雷诺数的定义为：注意注意:此式中此式中dp为颗粒直径（对非球形颗粒而言，则取等体为颗粒直径（对非球形颗粒而言，则取等体积球形颗粒的当量直径），积球形颗粒的当量直径），、为流体的物性。为流体的物性。-Rep间的关系，经实验测定如图间的关系，经实验测定如图3-1所示所示.图图3-1流体绕固体颗粒流动

11、时流体绕固体颗粒流动时-Rep关系关系层流区（斯托克斯层流区（斯托克斯StokesStokes区，区，ReRe1 1）注意：其中斯托克斯区的计算式是准确的，其它三个区域的注意：其中斯托克斯区的计算式是准确的，其它三个区域的计算式是近似的。计算式是近似的。过渡区（艾仑过渡区（艾仑AllenAllen区，区，ReRe500500）湍流区（牛顿湍流区（牛顿NewtonNewton区，区，500 Re 5002102105 5)图中曲线大致可分为三个区域，各区域的曲线可分别用不同图中曲线大致可分为三个区域，各区域的曲线可分别用不同的计算式表示为（球形颗粒）：的计算式表示为（球形颗粒）：二、流体通过颗粒

12、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作有：食品工业中，最常见的流体通过颗粒床层的流动操作有：（1 1）固固定定化化酶酶反反应应：流流体体（如如淀淀粉粉溶溶液液等等）通通过过固固定定床床反反应器进行，此时组成固定床的颗粒表面载有酶制剂；应器进行，此时组成固定床的颗粒表面载有酶制剂；（2 2）过过滤滤：悬悬浮浮液液（如如果果汁汁、蔬蔬菜菜汁汁及及葡葡萄萄糖糖和和味味精精生生产产中中的的含含晶晶液液体体等等）的的过过滤滤，此此时时可可将将由由悬悬浮浮液液中中所所含含的的固固体体颗颗粒粒形形成成的的滤滤饼饼看看作作固固定定床床，滤滤液液通通过过颗颗粒粒之之间

13、间的的空空隙隙流动。流动。1.1.流体通过颗粒床层的流动状态流体通过颗粒床层的流动状态流流体体通通过过固固体体颗颗粒粒床床层层时时，流流动动情情况况复复杂杂，流流速速分分布布不不均均匀匀(与空管流动比与空管流动比)。流流体体在在床床层层内内的的流流动动不不流流畅畅，产产生生的的旋旋涡涡数数目目要要比比在在直直径径与与床层相等的空管中流动时多很多。床层相等的空管中流动时多很多。流流体体在在固固定定床床内内的的流流动动状状态态由由层层流流转转为为湍湍流流是是一一个个逐逐渐渐过过渡渡的的过过程程，没没有有明明显显的的分分界界线线，固固定定床床内内常常常常会会呈呈现现某某一一部部分分流流体体的的流流动

14、动可可能能处处于于层层流流状状态态，但但另另一一部部分分区区域域则则已已处处于于湍湍流状态。流状态。2.2.流体通过颗粒床层的压降流体通过颗粒床层的压降流体通过颗粒床层孔道时，形成阻力的曳力是由两方面引流体通过颗粒床层孔道时，形成阻力的曳力是由两方面引起的：起的：(1)(1)粘滞力粘滞力（Viscous drag forceViscous drag force）(2)(2)惯性曳力惯性曳力(Inertia drag force)(Inertia drag force)总阻力为两者之总和：总阻力为两者之总和：规定规定:(1)1)圆筒形床层的直径为颗粒直径的圆筒形床层的直径为颗粒直径的10-201

15、0-20倍以上，在这个倍以上，在这个 条件下壁效应可以忽略。条件下壁效应可以忽略。(2)(2)固体颗粒在床层中的堆积是均匀的，因而床层的空隙固体颗粒在床层中的堆积是均匀的，因而床层的空隙 率也是均匀的。率也是均匀的。(3)(3)固体颗粒是致密的，流体通过颗粒与颗粒及颗粒与器固体颗粒是致密的，流体通过颗粒与颗粒及颗粒与器 壁的孔道流动，不包括流体通过颗粒本身的毛细管孔壁的孔道流动，不包括流体通过颗粒本身的毛细管孔 隙的扩散运动。隙的扩散运动。则由床层通道特性可知，流体通过具有复杂几何边界的床层压则由床层通道特性可知，流体通过具有复杂几何边界的床层压降等同于流体通过一组当量直径为降等同于流体通过一

16、组当量直径为de，长度为，长度为Le的均匀圆管的均匀圆管（即毛细管）的压降。故有（即毛细管）的压降。故有若若u u为为流流体体的的空空管管流流速速，通通过过床床层层孔孔道道的的实实际际流流速速 u ue e为为：u ue e=u/=u/康采尼方程康采尼方程:仅适用于低雷诺数仅适用于低雷诺数Re2欧根方程欧根方程 :(P115):(P115)应用于较宽的应用于较宽的Rep范围范围 欧欧根根方方程程的的误误差差约约为为25%，适适用用于于各各种种流流动动条条件件下下的的阻阻力力计算计算,但不适用于细长物体及环状填料。但不适用于细长物体及环状填料。康康采采尼尼或或欧欧根根公公式式可可知知，床床层层压

17、压降降受受以以下下因因素素的的影影响响：操操作作变变量量u、流流体体物物性性和和以以及及床床层层特特性性和和a，其其中中受受的的影影响响最最大。因此，设计计算时空隙率大。因此，设计计算时空隙率的选取应相当慎重。的选取应相当慎重。u重力重力 Fg阻力阻力 Fd浮力浮力 Fb p p为颗粒密度为颗粒密度根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为:第二节第二节颗粒在流体中的流动颗粒在流体中的流动静止或流速很慢的流体中，固体颗粒在重力（或离心力）作用静止或流速很慢的流体中，固体颗粒在重力（或离心力）作用下作沉降运动。此时颗粒的受到以下三方面的作

18、用力：下作沉降运动。此时颗粒的受到以下三方面的作用力：随着颗粒向下沉降，随着颗粒向下沉降，u逐渐增大，逐渐增大，du/d 逐渐减少。逐渐减少。当当u增到一定数值增到一定数值ui时，时，du/d=0。颗粒开始作匀速沉降运动。颗粒开始作匀速沉降运动。上式表明：上式表明：颗粒的沉降过程分为两个阶段：颗粒的沉降过程分为两个阶段：沉降速度沉降速度（terminal velocity）：也称为终端速度，匀速阶段颗：也称为终端速度，匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度。粒相对于流体的运动速度。加速阶段；加速阶段；匀速阶段。匀速阶段。应用该式时应具备应用该式时应具备两个条件两个条件：q容器的尺寸要远远大于颗粒的尺

19、寸，因器壁会对颗粒的沉容器的尺寸要远远大于颗粒的尺寸，因器壁会对颗粒的沉降有阻滞作用；降有阻滞作用；q颗粒不可过分细微，因细微颗粒易发生布朗运动。颗粒不可过分细微，因细微颗粒易发生布朗运动。由于该式的推导限于自由沉降（由于该式的推导限于自由沉降（Free settlingFree settling），即，任一），即，任一颗粒的沉降不受流体中其他颗粒干扰。颗粒的沉降不受流体中其他颗粒干扰。当当du/d =0时，令时，令u=ut，则可得沉降速度计算式，则可得沉降速度计算式衡量固体颗粒沉降的流动形态的依据也是雷诺数。衡量固体颗粒沉降的流动形态的依据也是雷诺数。用雷诺数判别沉降的流动形态时，对于球形颗

20、粒的沉降，用雷诺数判别沉降的流动形态时，对于球形颗粒的沉降，q当当ReRep p 1 500500时，为明显而稳定的湍流；时，为明显而稳定的湍流；q当当1 Re1 Rep p 500 500时，为过渡形态时，为过渡形态ut:颗粒沉降速度颗粒沉降速度 (1)(1)、滞流区（斯托克斯定律区，、滞流区（斯托克斯定律区，ReRep p11）=24/Re=24/Rep p u ut t=d=dp p2 2（p p-）g/18 g/18 (2)(2)、过渡区（艾伦区，、过渡区（艾伦区，1Re1Rep p500500）=18.5/=18.5/（ReRep p0.60.6）(3)(3)、湍流区（牛顿定律区，、

21、湍流区（牛顿定律区，500Rep210500Rep2105 5）=0.44=0.44假设流体流动类型；假设流体流动类型；计算沉降速度；计算沉降速度；计算计算ReRe，验证与假设是否相符；，验证与假设是否相符；如果不相符，则转如果不相符，则转。如果相符，。如果相符，OK!OK!求沉降速度通常采用试差法。求沉降速度通常采用试差法。沉降速度的求法：沉降速度的求法：例：计算直径为例：计算直径为9595 m m，密度为，密度为3000kg/m3000kg/m3 3的固体颗粒的固体颗粒在在20 20 的水中的自由沉降速度。的水中的自由沉降速度。计算计算Re，核算流型：，核算流型：假设正确，计算有效。假设正

22、确，计算有效。解：在解：在20 20 的水中：的水中：20 20 水的密度为水的密度为998.2kg/m998.2kg/m3 3，粘度为，粘度为1.005101.00510-3-3 PaPa s s先设为层流区。先设为层流区。1)1)颗粒直径颗粒直径d dp p:应用：应用：啤酒生产，采用絮状酵母，啤酒生产，采用絮状酵母，dpu ut t，使啤酒易于分离和澄清。，使啤酒易于分离和澄清。均质乳化，均质乳化，dput，使饮料不易分层。，使饮料不易分层。加絮凝剂，如水中加明矾。加絮凝剂，如水中加明矾。2)2)连续相的粘度连续相的粘度：应用：应用：加酶：清饮料中添加果胶酶，使加酶：清饮料中添加果胶酶，

23、使 ut，易于分离。，易于分离。增稠：浓饮料中添加增稠剂，使增稠：浓饮料中添加增稠剂，使 ut，不易分层。，不易分层。加热：加热：3)两相密度差两相密度差(p-)：2 2 影响沉降速度的因素影响沉降速度的因素(以层流区为例以层流区为例)4)颗粒形状颗粒形状在实际沉降中：在实际沉降中：非球形颗粒的形状可用球形度非球形颗粒的形状可用球形度 s 来描述。来描述。s 球形度；球形度；S 颗粒的表面积，颗粒的表面积，m2；Sp与颗粒体积相等的圆球的表面积，与颗粒体积相等的圆球的表面积，m2。不同球形度下阻力系数与不同球形度下阻力系数与ReRe的关系见课本图示，的关系见课本图示，ReRe中的中的d dp

24、p用当量直径用当量直径d de e代替。代替。球形度球形度 s s越小，阻力系数越小，阻力系数 越大，但在层流区不明显。越大，但在层流区不明显。u ut t非球非球 u ut t球球 。对于细微颗粒对于细微颗粒(d d0.50.5 m)m)，应考虑分子热运动的影响，不能用沉降公式，应考虑分子热运动的影响，不能用沉降公式计算计算u ut t；沉降公式可用于沉降和上浮等情况。沉降公式可用于沉降和上浮等情况。注意：注意：6)干扰沉降干扰沉降（hindered settling）：当非均相物系中的颗粒较多，颗粒之间相互距离较近时，颗当非均相物系中的颗粒较多，颗粒之间相互距离较近时，颗粒沉降会受到其它颗

25、粒的影响，这种沉降称为干扰沉降。干扰粒沉降会受到其它颗粒的影响，这种沉降称为干扰沉降。干扰沉降速度比自由沉降的小。沉降速度比自由沉降的小。5)壁效应壁效应(wall effect)：当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，其沉当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，其沉降速度较自由沉降速度小，这种影响称为壁效应。降速度较自由沉降速度小，这种影响称为壁效应。用下述用下述安特里斯公式安特里斯公式对沉降速度作修正，可得到实际沉降速度：对沉降速度作修正，可得到实际沉降速度：(7)液滴或气泡沉降液滴或气泡沉降当分散相也是流体时，其粒子可不再视为刚体。这种运动的当分散相也是流体时，其粒子可不再

26、视为刚体。这种运动的特点在于液滴或气泡内部产生了环流。层流时液滴的实际沉特点在于液滴或气泡内部产生了环流。层流时液滴的实际沉降速度为：降速度为：式中式中i i为分散相的粘度，为分散相的粘度，0 0为连续相的粘度。为连续相的粘度。一、一、概述概述固体流态化：固体流态化：流体以一定的流速通过固体颗粒组成的床层时，流体以一定的流速通过固体颗粒组成的床层时，可将大量固体颗粒悬浮于流动的流体中，颗粒在流体作用下可将大量固体颗粒悬浮于流动的流体中，颗粒在流体作用下上下翻滚，类似于液体的沸腾。这种状态称为固体流态化。上下翻滚，类似于液体的沸腾。这种状态称为固体流态化。简单来说，简单来说，固体流态化就是固体物

27、质流体化。固体流态化就是固体物质流体化。流态化技术是近流态化技术是近3030多年发展起来的一种新技术，设备结构简多年发展起来的一种新技术，设备结构简单、生产强度大、易于实现连续化、自动化操作。单、生产强度大、易于实现连续化、自动化操作。该技术在食品工业中，主要用于该技术在食品工业中，主要用于加热加热、冷却冷却、冷冻冷冻、干燥干燥、混合混合、造粒造粒、浸出浸出、洗涤洗涤等方面。等方面。第三节第三节 固体流态化固体流态化固体流态化的优点固体流态化的优点1 1、颗粒流动平稳，类似液体，可实现连续、自动控制；、颗粒流动平稳，类似液体，可实现连续、自动控制；2 2、固体颗粒混合迅速，整个流化床内处于等温

28、状态；、固体颗粒混合迅速，整个流化床内处于等温状态；3 3、流体与颗粒之间的传热和传质速率高；、流体与颗粒之间的传热和传质速率高；4 4、整个床层与浸没物体之间传热速率高。、整个床层与浸没物体之间传热速率高。二、二、床层的流态化过程床层的流态化过程(一一)流态化现象流态化现象a.固定床；固定床；b-c-d.流化床；流化床；e.气力输送气力输送(1)(1)固定床阶段固定床阶段特点：特点：通过床层的流速低；通过床层的流速低；颗粒受的曳力小，颗粒之间紧密相接，静止不动；颗粒受的曳力小，颗粒之间紧密相接，静止不动；床层高度不变；床层高度不变；uu，流体通过床层的阻力，流体通过床层的阻力 ，其关系可以用

29、欧根公式表，其关系可以用欧根公式表示，如图示，如图(a)(a)。(2)(2)流化床阶段流化床阶段 特点：特点：当当uu一一定定值值时时，(颗颗粒粒的的)曳曳力力接接近近净净重重力力（重重力力减减去去浮浮力力），或或者者流流体体通通过过床床层层的的阻阻力力接接近近单单位位截截面面床床层层的的重重量量时时，颗颗粒粒开始浮动，但仍未脱离原来的位置，如图开始浮动，但仍未脱离原来的位置，如图(b)(b)。在在此此状状态态时时，u u稍稍稍稍 ，颗颗粒粒便便互互相相离离开开，床床层层的的高高度度也也会会有有所所提提高高，则则这这时时的的状状态态称称为为起起始始流流化化状状态态或或临临界界流流化化状状态态，

30、对应的流速称为对应的流速称为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 。在临界流化状态时，继续在临界流化状态时，继续u，则颗粒间的距离增大，颗粒，则颗粒间的距离增大，颗粒作剧烈的随机运动，这个阶段称为作剧烈的随机运动，这个阶段称为流化床阶段流化床阶段(沸腾床沸腾床)。在在流化床阶段流化床阶段，随流体空床流速的增加，床层高度增高，床，随流体空床流速的增加，床层高度增高，床层的空隙率也增大，使颗粒间的流体流速保持不变；此时层的空隙率也增大，使颗粒间的流体流速保持不变；此时床床层空隙中的流速层空隙中的流速=颗粒的沉降速度颗粒的沉降速度，同时床层的阻力几乎保，同时床层的阻

31、力几乎保持不变，等于单位截面床层的重量。持不变，等于单位截面床层的重量。流化床阶段还有一个特点是流化床阶段还有一个特点是床层有明显的上界面床层有明显的上界面，如图，如图(c、d)所示。所示。(3)(3)气力输送阶段气力输送阶段 特点：特点：当流体流速（空塔速度当流体流速（空塔速度u）=颗粒的沉降速度时，颗粒被流颗粒的沉降速度时，颗粒被流体带出器外，体带出器外，床层的上界面消失，此时的流速称为流化床床层的上界面消失，此时的流速称为流化床的带出速度的带出速度，流速高于带出速度后，为，流速高于带出速度后，为流体输送阶段流体输送阶段，如，如图图(e)所示。所示。(二二)两种不同的流化形式两种不同的流化

32、形式（1 1）散式流化（液散式流化（液-固系统固系统）固体颗粒均匀地分散在流化介质中，亦称固体颗粒均匀地分散在流化介质中，亦称均匀流化或理想流化均匀流化或理想流化。特点特点：a在流化过程中有一个明显的临界流态化点和临界流化速度；在流化过程中有一个明显的临界流态化点和临界流化速度；b流化床层的压降为一常数：流化床层的压降为一常数：c床层有一个平稳的上界面；床层有一个平稳的上界面；d流态化床层的空隙率在任何流速下都有一个代表性的均匀值。流态化床层的空隙率在任何流速下都有一个代表性的均匀值。不因床层内的位置而变化。不因床层内的位置而变化。（2 2）聚式流化（气聚式流化（气-固系统）固系统）通常两相密

33、度差较大的系统趋向于聚式流化。如气固系统往往通常两相密度差较大的系统趋向于聚式流化。如气固系统往往成为成为聚式流化聚式流化。聚式流化床一般存在两相：聚式流化床一般存在两相：连续相：连续相：是由空隙小，而固体浓度大的气固均匀混合物构成。是由空隙小，而固体浓度大的气固均匀混合物构成。气泡相：气泡相：是夹带有少量固体颗粒而以气泡形式通过床层的不连续是夹带有少量固体颗粒而以气泡形式通过床层的不连续相。相。特点：床层无稳定的上界面，上界面以某种频率作上下波动，特点：床层无稳定的上界面，上界面以某种频率作上下波动，床层压降也随之作相应波动。床层压降也随之作相应波动。判断流化形式（判断流化形式（散式或聚式流

34、化散式或聚式流化）的依据：）的依据：弗鲁特准数弗鲁特准数三、三、流化床的类似液体的特性流化床的类似液体的特性流化床中的流流化床中的流-固运动很象沸腾着的液体，并且在很多方面固运动很象沸腾着的液体，并且在很多方面表现出类似于液体的性质，如下图所示。表现出类似于液体的性质，如下图所示。(1)(1)密度比床层密度小的物体能浮在床层的上面，见图密度比床层密度小的物体能浮在床层的上面，见图(a)(a)；(2)(2)床层倾斜，床层表面仍能保持水平，见图床层倾斜，床层表面仍能保持水平，见图(b)(b)；(3)(3)床层中任意两截面间的压差可用静力学关系式表示床层中任意两截面间的压差可用静力学关系式表示(p=

35、gL,(p=gL,其中其中和和L L分别为床层的密度和高度分别为床层的密度和高度)，见图，见图c c；(4)(4)有流动性，颗粒能像液体一样从器壁小孔流出，图有流动性，颗粒能像液体一样从器壁小孔流出，图(d)(d)）；）；(5)(5)联通两个高度不同的床层时，床层能自动调整平衡，图联通两个高度不同的床层时，床层能自动调整平衡，图(e)(e)。利利用用流流化化床床的的这这种种似似液液性性，可可以以设设计计出出不不同同的的流流-固固接接触触方方式，易于实现过程的连续化与自动化。式，易于实现过程的连续化与自动化。四、四、流体通过流化床的阻力流体通过流化床的阻力流体通过颗粒床层的阻力与流体表观流速（空

36、床流速）之间流体通过颗粒床层的阻力与流体表观流速（空床流速）之间的关系可由实验测得。的关系可由实验测得。下图是以空气通过砂粒堆积的床层测得的床层阻力与空床气下图是以空气通过砂粒堆积的床层测得的床层阻力与空床气速之间的关系。速之间的关系。由图可见，最初流体速度较小时，床层内固体颗粒静止不动，属由图可见，最初流体速度较小时，床层内固体颗粒静止不动，属固定床阶段，在此阶段，床层阻力与流体速度间的关系符合欧根固定床阶段，在此阶段，床层阻力与流体速度间的关系符合欧根方程；方程；当流体速度达到最小流化速度后，床层处于流化床阶段，在当流体速度达到最小流化速度后，床层处于流化床阶段，在此阶段，床层阻力基本上保

37、持恒定。此阶段，床层阻力基本上保持恒定。作为近似计算，可以认为流化颗粒所受的总曳力与颗粒所受作为近似计算，可以认为流化颗粒所受的总曳力与颗粒所受的净重力（重力与浮力之差）相等，而总曳力等于流体流过的净重力（重力与浮力之差）相等，而总曳力等于流体流过流化床的阻力与床层截面积之积，即：流化床的阻力与床层截面积之积，即：式中式中 L-L-床层高，床层高，m m；-床层空隙率；床层空隙率；s s-固体颗粒的密度，固体颗粒的密度，kg/mkg/m3 3；-流体密度，流体密度，kg/mkg/m3 3。式式中中A A空床截面积空床截面积,m,m2 2;m;m床层颗粒的总质量，床层颗粒的总质量，kgkg；p

38、p,分别为颗粒与流体的密度，分别为颗粒与流体的密度，kg/mkg/m3 3。所以，单位高度流化床层的阻力可表示为：所以，单位高度流化床层的阻力可表示为：对于气对于气-固流化床，由于颗粒与流体的密度差较大，故固流化床，由于颗粒与流体的密度差较大，故又可近似表示为：又可近似表示为：上上式式表表明明，气气体体通通过过流流化化床床的的阻阻力力与与单单位位截截面面床床层层颗粒所受的重力相等。颗粒所受的重力相等。流流化化床床阶阶段段床床层层阻阻力力恒恒等等于于单单位位截截面面床床层层颗颗粒粒的的净净重力。重力。五、流化床的操作范围五、流化床的操作范围 (一一)临界流化速度临界流化速度u umfmf流化床的

39、正常操作范围为气速高于临界流化速度流化床的正常操作范围为气速高于临界流化速度umf，低于颗，低于颗粒的带出速度粒的带出速度ut(即沉降速度即沉降速度)。umfu10001000的情况，可只考虑因局部阻力而造成的情况，可只考虑因局部阻力而造成的动能损失。的动能损失。对于球形颗粒，有对于球形颗粒，有mf=0.4，s=1.0，以上计算可进一步化简。，以上计算可进一步化简。对于其它许多系统，发现存在以下关系：对于其它许多系统，发现存在以下关系：对于小颗粒对于小颗粒对于大颗粒对于大颗粒(二二)带出速度带出速度颗粒带出速度即为颗粒的沉降速度，计算同前，即：颗粒带出速度即为颗粒的沉降速度，计算同前，即：注意

40、：计算注意：计算u umfmf时要用实际存在于床层中不同粒度颗粒的平均时要用实际存在于床层中不同粒度颗粒的平均直径直径d de e，而计算，而计算u ut t时则必须用相当数量的最小颗粒的直径。时则必须用相当数量的最小颗粒的直径。(三三)流化床的操作范围流化床的操作范围流化床的操作范围即为空塔流化床的操作范围即为空塔-截面速度的上下限，用比值截面速度的上下限，用比值u ut t/u/umfmf的大小来衡量，称流化数。的大小来衡量，称流化数。对于细颗粒，对于细颗粒，u ut t/u/umfmf=91.6=91.6 大颗粒，大颗粒，u ut t/u/umfmf=8.61=8.61由此可以看出，细颗

41、粒流化床较粗颗粒床有更宽的流速操由此可以看出，细颗粒流化床较粗颗粒床有更宽的流速操作范围。作范围。不同的生产工艺过程中，流化数可在很大的幅度上变化，有不同的生产工艺过程中，流化数可在很大的幅度上变化，有些流化床的流化数可高达数百，远远超过上述些流化床的流化数可高达数百，远远超过上述 的最高理论的最高理论值。值。六、流化床的主要特点六、流化床的主要特点(一一)流化床中的两相流动流化床中的两相流动床内各处温度或浓度均匀一致，避免局部过热。但传热、传床内各处温度或浓度均匀一致，避免局部过热。但传热、传质推动力下降。质推动力下降。原因原因:在同一截面各处流体速度不完全相同，颗粒总是上下在同一截面各处流

42、体速度不完全相同，颗粒总是上下作往复循环运动；同时还作杂乱无章的不规则运动。流化床作往复循环运动；同时还作杂乱无章的不规则运动。流化床内部分流体也有相应的循环和混合现象。内部分流体也有相应的循环和混合现象。(二二)流化床有类似液体的特点流化床有类似液体的特点流化床具有类似液体的流动性，故使操作易于实现连续化与流化床具有类似液体的流动性，故使操作易于实现连续化与自动化。自动化。(三三)流化床的不正常现象流化床的不正常现象1、节涌现象节涌现象(腾涌现象腾涌现象)床高：床径的比值（长径比）过大（床床高：床径的比值（长径比）过大（床层为细长形），或气速过高时导致小气层为细长形），或气速过高时导致小气泡

43、合并成大气泡的现象；泡合并成大气泡的现象；当气泡直径当气泡直径=床层直径时，则床层被形成床层直径时，则床层被形成相互间隔的气泡与颗粒层；相互间隔的气泡与颗粒层；颗粒层被气泡向上推动，到达上部后气颗粒层被气泡向上推动，到达上部后气泡崩裂，而颗粒又分散下落，这种现象泡崩裂，而颗粒又分散下落，这种现象称为节涌现象。如图示：称为节涌现象。如图示：出现节涌现象时，由于颗粒层与器壁的摩擦造成压强降大于出现节涌现象时，由于颗粒层与器壁的摩擦造成压强降大于理论值，而在气泡破裂值又低于理论值，因而理论值，而在气泡破裂值又低于理论值，因而 p p u u图上图上表现为表现为p p在理论值附近作大幅度的波动在理论值

44、附近作大幅度的波动，如图所示：，如图所示：床层发生节涌现象时，气固两相床层发生节涌现象时，气固两相接触不良，且使容器受颗粒磨损接触不良，且使容器受颗粒磨损加剧，同时引起设备振动。加剧，同时引起设备振动。防止节涌现象的措施：实际操作防止节涌现象的措施：实际操作中应采用适宜的床层高度中应采用适宜的床层高度/床径之床径之比值，以及适宜的操作气速。比值，以及适宜的操作气速。2 2、沟流现象、沟流现象在大直径床层中，由于颗粒堆积不匀或气体初始分布不良，在大直径床层中，由于颗粒堆积不匀或气体初始分布不良，可在床内局部地方形成沟流。沟流现象的出现主要与颗粒的可在床内局部地方形成沟流。沟流现象的出现主要与颗粒

45、的特性和气体分布板有关。颗粒过细、密度过大，易于粘结的特性和气体分布板有关。颗粒过细、密度过大，易于粘结的颗粒，以及气体在分布板的初始分布不均匀，都宜引起沟流。颗粒，以及气体在分布板的初始分布不均匀，都宜引起沟流。沟流现象沟流现象(四四)利用流化现象判断颗粒尺寸利用流化现象判断颗粒尺寸流化质量：流化质量：是指流化床中流体分布与流固接触的均匀程度。是指流化床中流体分布与流固接触的均匀程度。能够进行良好流化的颗粒尺寸在能够进行良好流化的颗粒尺寸在20500m20500m范围内。范围内。粒径小于粒径小于20 m20 m时，极易形成沟流和死床难于流化。时，极易形成沟流和死床难于流化。粒径大于粒径大于5

46、00 m500 m的极粗颗粒，流化时床层极不稳定。的极粗颗粒，流化时床层极不稳定。粒径在粒径在20100m20100m的细颗粒开始时为散式流化，气速加大到某的细颗粒开始时为散式流化，气速加大到某值后出现气泡变为聚式流化。值后出现气泡变为聚式流化。80500m80500m的粗颗粒开始不出现散式流化，而出现气泡。的粗颗粒开始不出现散式流化，而出现气泡。所以用流化现象可粗略估计颗粒尺寸。所以用流化现象可粗略估计颗粒尺寸。p均均相相物物系系(honogeneous system):均均相相混混合合物物。物物系系内内部部各处均匀且无相界面。如溶液和混合气体都是均相物系。各处均匀且无相界面。如溶液和混合气

47、体都是均相物系。自然界的混合物分为两大类：自然界的混合物分为两大类：p非非均均相相物物系系(non-honogeneous system):非非均均相相混混合合物物。物物系系内内部部有有隔隔开开不不同同相相的的界界面面存存在在，且且界界面面两两侧侧的的物物料料性性质质有有显显著著差差异异。如如：悬悬浮浮液液、乳乳浊浊液液、泡泡沫沫液液属属于于液液态态非非均均相相物物系系，含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。第四节第四节非均相混合物的分离非均相混合物的分离p分散相分散相：分散物质。在非均相物系中，处于分散状分散物质。在非均相物系中，处于分散状态的物质。态的

48、物质。p连续相连续相：分散介质。包围着分散物质而处于连续状分散介质。包围着分散物质而处于连续状态的流体。态的流体。非均相物系由分散相和连续相组成非均相物系由分散相和连续相组成例如例如:悬浮在悬浮在空气空气中的中的粉尘粉尘 连续相连续相 分散相分散相 由于非均相物的两相间的密度等物理特性差异较大，由于非均相物的两相间的密度等物理特性差异较大，因此常采用因此常采用机械方法机械方法进行分离。按两相运动方式的不进行分离。按两相运动方式的不同，机械分离大致分为同，机械分离大致分为沉降和过滤沉降和过滤两种操作。两种操作。p非均相物系的分离方法：非均相物系的分离方法：p非均相物系分离的理论基础：非均相物系分

49、离的理论基础：要要实实现现分分离离，必必须须使使分分散散相相和和连连续续相相之之间间发发生生相相对对运运动动。因因此此，非非均均相相物物系系的的分分离离操操作作遵遵循循流流体体力力学学的的基本规律。基本规律。p 定义：定义：p沉降力场：重力、离心力。沉降力场：重力、离心力。在某种力场的作用下，利用分散物质与分散介质的在某种力场的作用下，利用分散物质与分散介质的密度差异，使之发生相对运动而分离的单元操作。密度差异，使之发生相对运动而分离的单元操作。p 沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。4.1沉降沉降重力沉降的应用重力沉降的应用p依依靠靠颗颗粒粒本本身身重重力力的

50、的沉沉降降。常常用用于于直直径径0.1 0.1 mmmm以以上上的的颗颗粒粒，它的应用主要在以下几个方面：它的应用主要在以下几个方面：1 1）气体的除尘）气体的除尘(Dust elimination/removal(Dust elimination/removal）2)2)悬浮液的增稠悬浮液的增稠(Thickening)(Thickening)3)3)固体物料的分级固体物料的分级(Sizing/Size grading/sorting)(Sizing/Size grading/sorting)从沉降速度公式可以得出，同一物料不同直径的颗粒，从沉降速度公式可以得出，同一物料不同直径的颗粒，在沉降