宁夏大学化学化工学院：《化工原理》课程教学资源（电子教案）第三章 颗粒与流体之间的相对运动

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 第三章颗粒与流体之间的相对运动 前言:(本章:本质上讲:属于流体流动过程,从方法或手段上讲:属于非均相分离过程,下册讲的 蒸馏、吸收、萃取等单元操作都是均相分离过程)。 1、相:体系中具有相同组成,相同物理性质和相同化学性质的均匀物质。相与相之间有明确的 界面。 例如:气、液、固称为三态,每一态又称为一相。再例如:空气(或溶液)虽是混合物,但 由于内部完全均匀,所以是一个相。水和冰共存时,其组成虽同是H,O,但因有不同的 物理性质,所以是两个相:水、冰和蒸汽共存时是三个相。两块晶体相同的硫磺是一个 相,两块晶体不同的硫磺(如斜方硫和单斜硫)是两个相。 2、均相:凡物系内部各处物理料质均匀而不存在相界面者,称为均相混合物或均相物系。溶 液及混合气都是均相混合物。 3、非均相:凡物系内部有隔开两相的界面存在,而界面两侧的物料性质截然不同者,称为非 均相混合物或非均相物系 液体与固体离子组成悬浮液,(如碎木屑放在水面上)。 液态非均相,(含有气泡的液体即泡沫液) 非均相 气体与固体微粒组成含尘气体,(如:合成氨厂造气车 间煤气中夹杂煤渣子),属于气体非均相。 非均相物系里,处于分散状态的物质称为分散物质(或分散相),包围着分散物质而处于 连续状态的流体,称为分散介质(或连续相)。如:浮悬液中的固体颗粒,称为分散物质,液 体是分散介质。 4、非均相物系的分高:通过机械方法分离非均相物系的单元操作。具体点讲机械方法:沉降和 过滤。 二、工业上非均相物系分离的目的 1、收取分散物质:如从催化反应器出来的气体中,往往带有催化剂颗粒,必须把这些有 价值的颗粒回收利用。 2、净化分散介质:合成氨生产,半水煤气中含有CO,、HS灰尘等杂质,为了防止合 成触媒中毒,必须将这些杂质一一去除,以保证触媒的活性。 3、环境保护:对三废:废气、废液、废渣的处理,地球由于被污染加剧,环保越来越受 到人们的重视。综上所述,非均相物系分离的目的是除謇收益。 、本章解决的问题 以硫铁矿为原料生产硫酸,在沸腾炉中进行的主化学反应为 4Fes.+110,=2Fe.0,+8SO 在焙烧时还有一些副反应,如生成SO3、硫酸盐、砷与硒的氧化物、氟化氢等。同时SO2 炉气中含有大量矿尘,它们主要是铁、铅、铜、钴、钡、锑、铋的氧化物和硫酸盐,此外 还含有气体杂质。如:三氧化硫、三氧化二砷、二氧化硒、氟化氢等。这些杂质能够堵塞 管路和催化床,并使催化剂(V2O3)中毒,(二氧化硫催化氧化变成三氧化硫)。故炉气需

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 1/31 第三章 颗粒与流体之间的相对运动 一、前言：(本章:本质上讲:属于流体流动过程,从方法或手段上讲:属于非均相分离过程,下册讲的 蒸馏、吸收、萃取等单元操作都是均相分离过程)。 1、相：体系中具有相同组成，相同物理性质和相同化学性质的均匀物质。相与相之间有明确的 界面。 例如：气、液、固称为三态，每一态又称为一相。再例如：空气（或溶液）虽是混合物，但 由于内部完全均匀，所以是一个相。水和冰共存时，其组成虽同是 H O2 ，但因有不同的 物理性质，所以是两个相；水、冰和蒸汽共存时是三个相。两块晶体相同的硫磺是一个 相，两块晶体不同的硫磺（如 斜方硫和单斜硫）是两个相。 2、均相：凡物系内部各处物理料质均匀而不存在相界面者，称为均相混合物或均相物系。溶 液及混合气都是均相混合物。 3、非均相：凡物系内部有隔开两相的界面存在，而界面两侧的物料性质截然不同者，称为非 均相混合物或非均相物系。 非均相           间煤气中夹杂煤渣子）属于气体非均相 气体与固体微粒组成含尘气体（如 合成氨厂造气车 液态非均相（含有气泡的液体即泡沫液） 液体与固体离子组成悬浮液（如碎木屑放在水面上） , , : , , 非均相物系里，处于分散状态的物质称为分散物质（或分散相），包围着分散物质而处于 连续状态的流体，称为分散介质（或连续相）。如:浮悬液中的固体颗粒，称为分散物质，液 体是分散介质。 4、非均相物系的分离：通过机械方法分离非均相物系的单元操作。具体点讲机械方法:沉降和 过滤。 二、工业上非均相物系分离的目的 1、 收取分散物质：如从催化反应器出来的气体中，往往带有催化剂颗粒，必须把这些有 价值的颗粒回收利用。 2、 净化分散介质：合成氨生产，半水煤气中含有 CO2 、 H2 S 灰尘等杂质，为了防止合 成触媒中毒，必须将这些杂质一一去除，以保证触媒的活性。 3、 环境保护：对三废：废气、废液、废渣的处理，地球由于被污染加剧,环保越来越受 到人们的重视。综上所述,非均相物系分离的目的是除害收益。 三、本章解决的问题 以硫铁矿为原料生产硫酸，在沸腾炉中进行的主化学反应为： 4FeS2 +11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2 在焙烧时还有一些副反应，如生成 SO3 、 硫酸盐、砷与硒的氧化物、氟化氢等。同时 2 SO 炉气中含有大量矿尘，它们主要是铁、铅、铜、钴、钡、锑、铋的氧化物和硫酸盐，此外 还含有气体杂质。如：三氧化硫、三氧化二砷、二氧化硒、氟化氢等。这些杂质能够堵塞 管路和催化床,并使催化剂（ V2O5 ）中毒，（二氧化硫催化氧化变成三氧化硫）。故炉气需

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 要净化(净化分散介质),分级净化,工厂一般先用旋风分离器除去粗粒矿尘,然后再除去 其它杂质和有害气体 本章要解决的问题如下 颗粒性质 2、分离器的原理 个净化气体 含尘气体 尘粒 3、结构尺寸 分离效率 以下各节均以上为序进行讲解 第一节颗粒及颗粒床层的特性 沉降:依靠某种力的作用,利用分散物质与分散介质密度差异使之发生相对运动而分离的过程。 3.1.1颗粒的特性 、球形颗粒 非球形颗粒 、颗粒群 第二节沉降分离原理及方法 3.2.1重力沉降 、球形颗粒的自由沉降 工业上沉降操作所处理的颗粒甚小,因而颗粒与流体间的接触表面相对甚大,故阻力速度增长 很快,可在短暂时间内与颗粒所受到的净重力达到平衡,所以重力沉降过程中,加速度阶段常可忽略 不计 2/31

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 2/31 要净化（净化分散介质），分级净化，工厂一般先用旋风分离器除去粗粒矿尘,然后再除去 其它杂质和有害气体。 本章要解决的问题如下: 1、 颗粒性质 2、 分离器的原理 净化气体 含尘气体 尘粒 3、 结构尺寸 4、 分离效率 以下各节均以上为序进行讲解。 第一节 颗粒及颗粒床层的特性 沉降：依靠某种力的作用，利用分散物质与分散介质密度差异使之发生相对运动而分离的过程。 3.1.1 颗粒的特性 一、球形颗粒 一、非球形颗粒 三、颗粒群 第二节 沉降分离原理及方法 3.2.1 重力沉降 一、球形颗粒的自由沉降 工业上沉降操作所处理的颗粒甚小，因而颗粒与流体间的接触表面相对甚大，故阻力速度增长 很快,可在短暂时间内与颗粒所受到的净重力达到平衡，所以重力沉降过程中，加速度阶段常可忽略 不计

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 Fr -Fb-Fd F=s 或dp8-d图-57d2|mx dp, a 阻力Fa 浮力陴力F 重力F 当颗粒开始沉降的瞬间:a=0因为F4=0a最大 ↑F4↑ 当a=0=l—沉降速度“终端速度” 推导得4=,/48 p-p 丌 a= 0 glp 2 式中:l1--球形颗粒的自由沉降速度,[m/s] d-颗粒直径,m] p,颗粒密度,区g{m] p——流体密度,[kg/m g一一重力加速度园ms」 2——阻力系数,无因次 5=f(,R2).—球形度

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 3/31 Fg − Fb − Fd = ma 2 2 u Fd A  =  或 d a u d s g d g d  s         3 2 3 3 2 6 6 4 2 6 =        − − 阻力 Fd 浮力阻力 Fb 重力 Fg 当颗粒开始沉降的瞬间： u = 0 因为 Fd = 0 a 最大 u  Fd  a  当 a = 0 u = ut ——沉降速度“终端速度” 推导得 ( )    3 4 − = s t gd u a = 0 ( )     = −         d g s u d 3 2 2 4 2 6 式中： ut ——球形颗粒的自由沉降速度， m s ; d ——颗粒直径， m ;  s ——颗粒密度，  3 kg m ;  ——流体密度，   3 kg m ; g ——重力加速度   2 m s ;  ——阻力系数，无因次， ( ) s Ret  = f  . s ——球形度 p s s s  =

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 综合实验结果,上式为表面光滑的球形颗粒在流体中的自由沉降公式 滞留区10-<Re,<1 d2(e, -p)g 斯托克斯公式 18 过波区11o0c-15x=0p=-pkR 艾仑公式 湍流区103<Re,<2×1005=0444=1740- 牛顿公式 该计算公式(自由沉降公式)有两个条件: 1.容器的尺寸要远远大于颗粒尺寸(譬如100倍以上)否则器壁会对颗粒的沉降有显著的阻滞 作用,(自由沉降一是指任一颗粒的沉降不因流体中存在其他颗粒而受到干扰。自由沉降发生 在流体中颗粒稀松的情况下,否则颗粒之间便会发生相互影响,使沉降的速度不同于自由沉 降速度,这时的沉降称为干扰沉降。干扰沉降多发生在液态非均相系的沉降过程中。) 2.颗粒不可过分细微,否则由于流体分子的碰撞将使颗粒发生布朗运动 二、非球形颗粒的自由沉降 球面积公式S球=47R2R一半径 S一与颗粒体积相等的一个圆球的表面积 Sn一颗粒的表面积 3=VnVn-颗粒体积m] de颗粒当量直径m] 三、沉降速度的计算 1、试差法见讲义例题,计算l l4→Re以判断流型后选计算式,先确定流型→求出l1→>计算出Rer→检验Re是否符 合假设。 2、摩擦数群法 使及Re坐标之一变成l1的已知数群 gap,-p 解得5 (e, -plg r Re du, p 3 3

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 4/31 综合实验结果，上式为表面光滑的球形颗粒在流体中的自由沉降公式。 滞留区 10 Re 1 4   − t Re 24  = ( )    18 2 d g u s t − = 斯托克斯公式 过渡区 3 1  Ret  10 0.6 Re 18.5  = ( ) 0.27 0.6 Re t s t d g u   −  = 艾仑公式 湍流区 3 5 10  Ret  210  = 0.44 ( )  d   g u s t − = 1.74 牛顿公式  t  t du Re = 该计算公式（自由沉降公式）有两个条件： 1.容器的尺寸要远远大于颗粒尺寸（譬如 100 倍以上）否则器壁会对颗粒的沉降有显著的阻滞 作用，（自由沉降—是指任一颗粒的沉降不因流体中存在其他颗粒而受到干扰。自由沉降发生 在流体中颗粒稀松的情况下，否则颗粒之间便会发生相互影响，使沉降的速度不同于自由沉 降速度，这时的沉降称为干扰沉降。干扰沉降多发生在液态非均相系的沉降过程中。） 2.颗粒不可过分细微，否则由于流体分子的碰撞将使颗粒发生布朗运动。 二、非球形颗粒的自由沉降 p s s s  = 球面积公式 2 S球 = 4R R —半径; S —与颗粒体积相等的一个圆球的表面积; p S —颗粒的表面积   2 m 。 de = Vp 3 6  Vp -颗粒体积   3 m ; de Vp  6 3 = de—颗粒当量直径 m 。 三、沉降速度的计算 1、试差法见讲义例题,计算 t u t t u → Re 以判断流型后选计算式，先确定流型 → 求出 t u → 计算出 f Re → 检验 t Re 是否符 合假设。 2、摩擦数群法 使  及 t Re 坐标之一变成 t u 的已知数群 ( )    3 4 − = s t gd u 解得 ( ) 2 3 4 t s u d g     − = 又  t  t du Re =

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 4d'p(,)g 令与Re相乘可消去u 查Re2~~R图求2Re2→查Re,→>l1= Re, u 另也可用Re;消去颗粒直径d Re 四、重力沉降设备 1、降尘室 净 尘 化 气 体 体 令1一降尘室长度[m] H-降尘室高度[m b降尘室宽度[m] L1一颗粒沉降速度[ms u-气体在降尘室内水平通过的速度[m/s] 颗粒沉降时间:、∥ 气体通过时间:日 颗粒被分离出来的条件:O≥日1即≥ H 令:V一降尘室处理含尘气体体积流量(又称为降尘室生产能力

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 5/31 令  与 t Re 相乘可消去 2 t u ( ) 2 3 2 3 4      d g Re s t − = 查 2 t Re ~~~ Rt 图 求    d Re Re Re u t t → 查 t → t = 2 另也可用 −1 t Re 消去颗粒直径 d −1 t Re ~~~ Ret → de = t t u Re   四、重力沉降设备 1、降尘室： 净 化 气 体 含 尘 气 体 尘粒 令 l —降尘室长度[m]; H—降尘室高度[m]; b—降尘室宽度[m]; ut —颗粒沉降速度[m/s]; u—气体在降尘室内水平通过的速度[m/s]; 颗粒沉降时间： t t u H  = ， 气体通过时间： u l  = 颗粒被分离出来的条件：    t 即 ut H u l  令： VS －降尘室处理含尘气体体积流量,(又称为降尘室生产能力)