大学科目《化工原理》教材精讲及课后习题解析.pdf

目 录第一章流体的流动.1第二章流体输送机械.18第三章非均相物系的分离与固体流态化.35第四章传热.45第五章蒸发.65第六章蒸储.76第七章吸收.96第八章 蒸储和吸收塔设备.in第九章液-液萃取.120第十章干燥.130第十一章结晶和膜分离.141拓展专题（一）搅拌.147拓展专题（二）吸附.154第一章流体的流动I、教材基本内家1.本章的框架结构,流体流动的主要参数流体物料衡算伯弟和方程能量衡第（11=0），管珞计算廉单管路或复杂管路)流体流动阻力的计算流速和流量的刈定I热力学基本方程式(u=0):压强的测定2.考研大纲分析A.考试内容(1)流体静力学及压强测定；(2)流体的流动现象(流体的黏性及黏度的概念、边界层的概念)(3)流体流动的连续性方程及其应用；(4)机械能守恒及伯努利方程的应用；(5)流动型态(层流和湍流)及判据；(6)流速分布及流动阻力分析计算；(7)因次分析方法；(8)管路计算(简单管路、并联管路、分支管路)；(9)流速和流量的测定、流量计(皮托管、孔板流量计、文丘里流量计、转子流量计)。B.考试要求掌握流体流动过程中的基本原理及流动规律,包括流体静力学和机械能守恒方程。能够灵活运用流体力学基本知识分析和计算流体流动问题，包括流体流动阻力计算和管路计算。3.重难点讲解一、流体静力学:主要研究流体在静止状态下所受的各种力之间的关系。1.流体的密度:单位体积内流体的质量,其影响因素有温度和压力。液体的密度:视为不可压缩流体，密度只随温度而变(极高压力下除外)O气体的密度:视为可压缩流体，密度与温度和压力有关。在低压，高温下可视为理想气体。p=群或P=2；p(0表示标准状态)混合液体的密度：若混合前后体积不变，则+、Pm PA Pb Pn混合气体的密度：若混合前后质量不变，则pm=pAXvA+pBXvB+,+pnXvn2.流体的作用力作用在流体微元上的力有表面力和质量力两种。表面力是指与该流体微元接触的外界(器壁，或流体微元周围的其它流体)施加于该流体微元上 的力;表面力与作用的表面积成正比。质量力是指不与流体接触而施加于整个流体上的力;质量力与质量成正比。3.流体的压强(1)压强的单位：各表示单位间的换算关系：1 a t m=10.33 mH2O 二 760 mmHg 二 1.0133 ba r 二 1.0133 x 105Pa(2)压强的基准绝对压强：以绝对真空为基准测得的压强。表压:以当时当地大气压为基准的压强，如表压值为负值称为真空度。(3)压力的特性A.在静止流体内部，任一点的静压力方向都与作业面相垂直，并指向该作业面；B.静压力的大小与作业面的方位无关，同一点处各个方向作用的静压力相等，即静压力是各项同 性的,只于所处位置相关。4.流体静力学基本方程式Pl P2T P g Zi+一=g z2+一或 g z+三 C 或 p=Po+pg h p p p流体静力学基本方程式，适用于重力场中静止的连续的不可压缩流体。各项的单位均为J/k go其中g z项是单位质量流体所具有的的位能，而p/p是单位质量流体所具 有的静压力。可见，连续静止流体中，流体内各点位能或静压能可能不相等,但两者可以相互转化，其 总和保持不变。应用静力学方程时要注意选取等压面。等压面是流体中压力相等的水平面，等压面必须同时满足静止的、连续的同一种流体、处于同一 个水平面三个条件。5.压力测量二、流体动力学：研究流体在流动时的规律性及能量转化规律1.流量与流速体积流量、质量流量与平均流速、质量流速间的关系WV=u A,W=Vp=u Ap,G=x=u pV-m3/sW-k g/su-m/sG-k g/(m2 s)由于气体的体积随温度和压强而变，故气体流速u也随T和P而变，因此，气体在管内流动时，有 时采用不随气体状态变化的质量流速G进行计算。2.稳态流动与非稳态流动若流动系统中，流体的流速、密度、压力等物理量仅是位置的函数，不随时间而变,则称此系统为 稳态流动系统；若上述参数不仅随位置而变,而且也随时间而变,则为非稳态系统。3.稳态流动时的连续性方程U A】p i=u 2A2P2 二 =u Ap=W=C对于不可压缩流体有ulA1=u2A2=,=u A=V=C4.伯努利方程用于不可压缩理想(无粘性)流体的伯努利方程为 2 2P，5 p2 U2 z i xgZi+3-=gZ2+7(J/k g)p 2 p 2上式可知:(1)不可压缩流体的理想流体在外界无能量交换的稳态流体系统中，机械能守恒,且可 以相互转换。(2)伯努利方程中的各项皆为机械能,但用不同单位表示机械能时，其形式也不同。5.实际流体流动的机械能衡算式实际流体在流动时存在流动阻力，为了克服流动阻力，系统必须消耗掉一部分机械能。机械能施 算式有多种导出形式：+区+，+We=+区+R(J/kg)p 2 p 2 一句+L+e=22+区+产+hf(m)gp 2g pg 2g J J2 2pgzi+Pi+等+PWe=Pgz?+，2+号+，2 R(N/m2)式中：WeHepWe分别是流体输送机械对1kg质量流体、每牛顿流体、每m3流体所做的功。消耗的机械能分别表示为阻力2 A(他)、压头损失2%(机)、压力降损失山水0。)等形式。6.机械能衡算式的应用实际流体流动的机械能衡算式(有时与连续性方程连用)可用于计算输送设备的有效功率、管道 中流体的流量、管道中流体的压力及设备间的相对位置等。公式应用条件：第一,稳定、连续不可压缩的流动系统；第二,在选定的两截面间，系统与周围无质量交换，满足连续性方程。应用时的注意点：(1)选定的两个界面必须垂直于流体的流动方向；(2)截面应该选择在数据多(p,u,z),计算方便处;(3)截面上的物理量均取该界面上的平均值；(4)位头的基准面必须是水平面，基准面的位置对结果无影响；(5)两截面压力的基准必须一致,即同为绝压或表压值。三、流体流动阻力1.流体的粘性与牛顿粘性定律 牛顿粘性定律表明流体在流动过程中产生的剪应力与法相速度梯度之间的关系，表达式如下、八 d u为?式中的比例系数称为粘度，其单位为Pa-s 粘度是度量流体粘性大小的物理量,其影响因素有温度和压力。一般来说，液体的粘度随着温度升高而减小，压力对它的影响可忽略;气体的粘度随温度升高 而增大,压力升高时粘度略有增加。底4 运动粘度上粘度N与密度p之比,单位为m2/s.牛顿型流体和非牛顿型流体服从牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体，如气体和大多数液体。凡不遵循牛顿粘性定律的流体,称为非牛顿型流体。(无屈服应力,与时间无关 I涨塑性流体-I I有屈服应力一宾汉塑性流体/粘性流体，I j触变性流体非牛顿流体j 与时间有汽流凝性(负触变性)流体粘弹性流体图1-27流体的流变图丁牛顿型流体 b-假塑性流体C-涨塑性流体 d-宾汉性流体2.流体的流动类型流体的流动分为层流和湍流两种类型。流动的类型可用雷诺数Re判断。Re-p u d/当流体在圆形直管内流动时:根据实验有(l)Re2000时为稳定的层流(2)Re24000时为稳定的湍流(3)2000 Re 4000；七查附录得5个标准弯头的当量长度：5 x 2.1=10.5m2个全开阀的当量长度：2 x 0.45=0.9m所以，局部阻力当量长度，Le=10.5+0.9=11.4m由于是粗糙管，X的计算可用尼库拉则和卡门公式(P55)假定 1/入2=2 l g(d/s)+1.14=2 l g(68/0.3)+1.14 得：入=0.029检验 d/(e x Re x 入in)=0.008 0.005符合假定 即人=0.029全流程阻力损失 h=X x(i+ie)/d x u2/2+(x u2/2二:0.029 x(50+11.4)/(68 x 103)+4 x 1.432/2二 30.863 J/Kg在反应槽和高位槽液面列伯努利方程得Pp+We=Zg+P2/p+2 hWe=Zg+(P1-P2)/p+二 15 x 9.81+26.7 x 103/1073+30.863二 202.9 J/Kg有效功率 Ne=We x 3s=202.9 x 5.56=1.128 x I O3轴功率 N=Ne/n=1.128 x 103/0.7=1.61 x 103W=1.61KW例5：如本题附图所示，贮水槽水位维持不变。槽底与内径为100mm的钢质放水管相连，管路上装 有一个闸阀,距管路入口端15m处安有以水银为指示液的U管差压计，其一臂与管道相连，另一臂通 大气。压差计连接管内充满了水，测压点与管路出口端之间的长度为20m。(1)当闸阀关闭时，测得R=600mm,h=1500mm；当闸阀部分开启时，测的R=400mm,h=1400mmo 摩擦系数可取0.025,管路入口处的局部阻力系数为0.5。问每小时从管中水流出若干立方米。(2)当闸阀全开时,U管压差计测压处的静压强为若干(Pa,表压)。闸阀全开时L/d-15,摩擦系 数仍取0.025。习题22附图门2分析：已知条件 所求量 已知与所求之间的关系V=-d2u4简单管路计算=0.005所以假设成立即 D,C 两点的流速 I=1.776 m/s,u2=1.49 m/s进而可计算BC段和BD的流量Vs,bc=32 x 10 x(tt/4)x 3600 x 1.776=5.14 m3/sVs,bd=26 x 10 x(k/4)x 3600 x 1.49=2.58 m3/s3第二章流体输送机械、教材基本内家1.本章的框架结构体送械 流输机C工作原理及构造高小泵安装特点：汽蚀现象和允许安装高度川”性能参数与特性参数液体输送 操作与调节：工作点其它泵往熨泵、旋转泵、旋涡泵r离心通风机、气体输送鼓风机 压缩机 I真空泵2.考研大纲分析A.考试内容(1)主要流体输送机械的类型及特点；(2)离心泵的类型、结构、工作原理、性能参数、特性曲线、流量调节、组合操作、安装和汽蚀现象；(3)往复泵的类型、工作原理、流量调节和特性曲线；(4)其它主要化工用泵(正位移泵和非正位移泵)、通风机、鼓风机、压缩机和真空泵的主要特性。B.考试要求了解各类化工用泵的主要结构、原理和主要用途。掌握离心泵的工作原理、特性曲线、流量调节和安装。能够进行涉及泵的基本计算。3.重难点讲解、离心泵：1.离心泵的主要部件(1)叶轮:将原动机的机械能直接传给液体，以增加液体的静压能和动能(主要是静压能)。(2)泵壳:不仅是汇集由叶轮甩出的流体,又能将液体的部分动能转变为静压能。(3)泵轴:防止泵壳内液体沿轴漏出，或外界空气漏人泵壳内。2.离心泵的工作原理(1)叶轮被泵轴带动旋转，对位于叶片间的流体做功，流体受离心力的作用，由叶轮中心被抛向外 围。当流体到达叶轮外周时,流速非常高。(2)泵壳汇集从各叶片间被抛出的液体，这些液体在壳内顺着蜗壳形通道逐渐扩大的方向流动,使流体的动能转化为静压能，减小能量损失。所以泵壳的作用不仅在于汇集液体,它更是一个能量转 换装置。(3)液体吸上原理:依靠叶轮高速旋转，迫使叶轮中心的液体以很高的速度被抛开,从而在叶轮中 心形成低压,低位槽中的液体因此被源源不断地吸上。气缚现象：如果离心泵在启动前壳内充满的是气体，则启动后叶轮中心气体被抛时不能在该处形 成足够大的真空度，这样槽内液体便不能被吸上。这一现象称为气缚。即:离心泵无自吸能力。为防止气缚现象的发生，离心泵启动前要用外来的液体将泵壳内空间灌满。这一步操作称为 灌泵。为防止灌入泵壳内的液体因重力流入低位槽内,在泵吸入管路的入口处装有止逆阀(底阀)；如果泵的位置低于槽内液面，则启动时无需灌泵。3.离心泵的主要性能参数离心泵的性能参数是用以描述一台离心泵的一组物理量。(1)转速 n(叶轮)：1000 3000r p m；2900r p m 最常见。(2)流量Q：以体积流量来表示的泵的输液能力，与叶轮结构、尺寸和转速有关。(3)压头(扬程)H：泵向单位重量流体提供的机械能。与流量、叶轮结构、尺寸和转速有关。扬程 并不代表升举高度。(4)功率:(A)有效功率Ne：离心泵单位时间内对流体做的功。此=HQp g=Wews(B)轴功率N：单位时间内由电机输入离心泵的能量。N=Ne/t|(5)效率中由于以下三方面的原因，电机传给泵的能量不可能100%地传给液体,因此离心泵都 有一个效率的问题,它反映了泵对外加能量的利用程度一n=Ne/N(A)容积损失：由泵的泄露造成；(B)水力损失:液体在泵内叶片间的环流损失、液体在泵内的摩擦阻力及冲击损失造成；(C)机械损失：泵在运转时泵轴与轴承、轴封之间的机械摩擦而引起。4.离心泵的特性曲线离心泵压头H、轴功率N及效率(均随流量Q而变,它们之间的关系可用泵的特性曲线或离心 泵工作性能曲线表示。在离心泵出厂前由泵的制造厂测定出H-Q、N-Qw-Q等曲线，列入产品样本或说明书中，供使用部门选泵和操作时参考。各种型号的离心泵都有其本身独有的特性曲线，且不受管路特性的 影响。但它们都具有一些共同的规律。(1)离心泵的压头一般随流量加大而下降(在流量极小时可能有例外)，这一点和离心泵的基本3方程式相吻合(2)离心泵的轴功率在流量为零时为最小，随流量的增大而上升。故在启动离心泵时，应关闭泵 出口阀门，以减小启动电流，保护电机。停泵时先关闭出口阀门主要是为了防止高压液体倒流损坏 叶轮。(3)额定流量下泵的效率最高。该最高效率点称为泵的设计点，对应的值称为最佳工况参数。离 心泵铭牌上标出的性能参数即是最高效率点对应的参数。离心泵一般不大可能恰好在设计点运行,但应尽可能在高效区(在最高效率的92%范围内，如图中波折号所示的区域)工作。Q图2-1 1离心泵特性曲线5.影响离心泵性能的因素分析影响离心泵的性能的因素很多，其中包括液体性质(密度p和粘度四等)、泵的结构尺寸(如D2 和眼)、泵的转速n等。当这些参数任一个发生变化时，都会改变泵的性能，此时需要对泵的生产厂 家提供的性能参数或特性曲线进行换算。(1)液体物性的影响A.密度的影响离心泵的流量、压头均与液体密度无关,效率也不随液体密度而改变，因而当被输送液体密度发 生变化时,H-Q与I 1-Q曲线基本不变，但泵的轴功率与液体密度成正比。W=HQp g=Wews(B)粘度的影响当被输送液体的粘度大于常温水的粘度时，泵内液体的能量损失增大，导致泵的流量、压头减小,效率下降，但轴功率增加,泵的特性曲线均发生变化。(C)离心泵转速的影响由离心泵的基本方程式可知，当泵的转速发生改变时，泵的流量、压头随之发生变化，并引起泵的 效率和功率的相应改变。当液体的粘度不大，效率变化不明显，不同转速下泵的流量、压头和功率与 转速的关系可近似表达成如下各式,即,=土 mq=户)3 一离心泵的比例定律Q2 n2 H2 n2/N2 n2/适用条件是离心泵的转速变化不大于20%。旌。(D)离心泵叶轮直径的影响当离心泵的转速一定时，泵的基本方程式表明,其流量、压头与叶轮直径有关。对于同一型号的 泵，可换用直径较小的叶轮(除叶轮出口其宽度稍有变化外，其它尺寸不变)，此时泵的流量、压头和功 率与叶轮直径的近似关系为Q-d2 h n-dJ离心泵的切割定律其适用条件是固定转速下，叶轮直径的车削不大于5%D2o6.管路特性曲线和离心泵的工作点当离心泵安装在特定管路系统操作时，实际的工作压头和流量，不仅遵循特性曲线上二者的对应 关系,而且还受管路特性所制约。(A)管路特性方程式和特性曲线当离心泵安装到特定的管路系统中操作时，若贮槽与受液槽两液面保持恒定，则泵对单位重量(1N)流体所做的净功为昆+纽+2%pg 2g 上式中：He 输送机械对I N流体做的静功,或四Az下游与上游截面间的位压头差,m；Ap/pg下游与上游截面间的静压头差，叫Al/2g一 下游与上游截面间的动压头差,m；2 Hf两截面之间压头损失品。图278管路输送系统示意图在特定的管路系统中，于一定条件下操作，上式中一项Ad/2g常可忽略,缶与Ap/p g均为定值，令K=4+迎Pg对于直径均一的管路系统，压头损失可表达(人八+山(ett/4,d2/2g21、图2-19管路特性曲线与泵的工作点对特定的管路，若忽略入随心的变化，且、肥、均为常数，于是可令则得：%二 GQ：进而得出e=K+GQ上式表明管路流体的压头与流量之间的关系，称为管路特性方程式。He与Qe的关系曲线，称为 管路特性曲线。此曲线的形状由管路布局和流量等条件来确定，与泵的性能无关。(B)离心泵的工作点离心泵在管路中正常运行时，泵所提供的流量和压头应与管路系统所要求的数值一致。此时，安 装于管路中的离心泵必须同时满足管路特性方程与泵的特性方程,即：管路特性方程 He=K+GQe2泵的特性方程 H=f(Q)联解上述两方程所得到两特性曲线的交点，即离心泵的工作点Mo对所选定的泵以一定转速在此管路系统操作时，只能在此点工作。在此点,H=也足=(X。7.离心泵的流量调节通常，所选择离心泵的流量和压头可能会和管路中要求的不完全一致,或生产任务发生变化，此 时都需要对泵进行流量调节,实质上是改变泵的工作点。由于工作点是由泵及管路特性共同决定的，因此,改变任一条特性曲线均可达到流量调节的目的。图2-20改变出口阀开度时工作点变化 2 x 105因此，假设成立u1-u2(d2/dx)2-1.23 m/s允许气蚀余量 九二(Pi-P?)/pg+/2gPr=Pa-P真空度-28.02 KpaA/i=(28.02-2.3346)x 103/998.2 x 9.81=2.7 m允许吸上高度 Hg=(Pa-Pv)/pg XhfHf因离心泵离槽面道路很短可以看作2%=0得 Hg=(P0-Py)/pg-Ah二(101.4-2.3346)x 103/(998.2 x 9.81)-2.7=1.42 m例4：用离心泵从敞口贮槽向密闭高位槽送清水，两槽液面恒定。输水量为40/K两槽液面之 间的垂直距离为12m,管径为3102 mm x 4 mm,管长(包括所有局部阻力的长度)为100%密闭高位 槽内表压力为9.81 x 104 Pa,流动在阻力平方区,摩擦系数为0.015，试求：(1)管路特性方程；(2)泵的压头。分析:已知条件 所求量 已知与所求之间的关系若贮槽与受液槽两液面保持恒定，则泵对单位重量(1N)流体所做的净功为比=Az+纽+%K=A?+加pg 2g J pg在特定的管路系统中，于一定条件下操作，上式中一项A/2g常可忽略/z与Ap/p g均为定值312%=(入+a2道山+4（Qe tt/4,d2/2g2%二咫管路特性方程:He=K+【解】由已知条件,可计算以下参数:A=7T2=3.14 x0.09422=0.069m2dK儿+为二 12+981x104pg 1000 x 9.81G t112g(36004)20.015 x100T)2 x 9.81(36004)2=0.0013=1.3 x I O-所以：e=K+GQQe：m3/h)=22+1.3 x l O-3将Qe=40/4带入上式得:HK+GQ；=24.08m例5：水对某离心泵做实验,得到下列各实验数据:Q,L/m in01 002 003004005 00H,m37.2383734.531.82 8.5泵输送液体的管路管径为4）76 x 4mm,长为355m（包括局部阻力的当量长度），吸入和排出空间为常压设备，两者液面间的垂直距离为4.8m,摩擦系数可取为0.03。试求该泵在运转时的流量。若排出空间为密闭容器，其内压强为129.5k Pa（表压），再求此时泵的流量。被输送液体的性质与水相近。分析:已知条件所求量已知与所求之间的关系求该泵在运转时的流蚩即泵的工作点流量。泵的工作点即为泵的特性曲线与管路特性曲线的交点求管路特性曲线【解】根据管路所需要压头He与液体流量Qe的关系:H K+BQe2因K=/XZ+AP/p g且吸入排出空间为常压设备,得：口二 0所以：K=AZ4.87 32B=X (i+Sie)/d-l/2g(60 x l 03A)2二(0.03 x355/0.068)/2 x 9.81(0.0682 x tt x 60 x 103/4)2=1.683 x l O-4综上:管道特性方程为：氏=4.8+1.683 x 10-4Qe2管道特性方程为：凡=4.8+1.683 x 10-4Qe2由下列数据绘出管道特性曲线 凡一（XQe,L/m in01 002 003004005 00He,m4.86.481 1.5 31 9.9531.7346.88绘出离心泵的特性曲线HQ于同一坐标系中，两曲线的交点即为该泵在运转时的流量。读出工作点的横坐标，即泵的流量为400L/min同理:若排出空间为密闭容器，则K=%+AP/p g=4.8+129.5 x 103/998.2 x 9.81=1.802而B的值保持不变得:管路的特性方程为He=18.02+1.683 x 10-4Qe2 重新绘出管路的特性曲线和泵的特性曲线Qe,L/m in01 002 003004005 00He,m1 8.021 9.702 4.7533.1 744.9560.1 0可以得到泵的流量为310L/min例6：某型号的离心泵，其压头与流量的关系可表示为H=18-0.6x1（）6q2（h单位为m,Q单位 为m3/s）若用该泵从常压贮水池将水抽到渠道中，已知贮水池截面积为l OOn?,池中水深7m。输水之 初池内水面低于渠道水平面2m,假设输水渠道水面保持不变，且与大气相通。管路系统的压头损失 为Hf=0.4x 10 Q2（Hf单位为m,Q单位为m3/s）。试求将贮水池内水全部抽出所需时间。分析：已知条件 所求量 已知与所求之间的关系t 二Yt=体积流量 质量流量Q=/（）=/（幻声。【解】列出管路特性方程He=K+凡K=AZ+AP/p g33.贮水池和渠道均保持常压/.AP/p g=0 K=AZ/.He=AZ+0.4 x106Q2在输水之初=2m凡=2+0.4 x106Q2联立 H=18-0.6x1()6q2,解出此时的流量 q=4x l 0-3m3/s将贮水槽的水全部抽出NL=9m凡=9+0.4x106Q2再次联立H=18-0.6乂1()6(,解出此时的流量、，=3 x l O-3m3/sv流量Q随着水的不断抽出而不断变小/.取 Q 的平均值 Q 平均=(Q+Q)/2=3.5 X10-3m3/s把水抽完所需时间丁二V/Q平均=55.6 h用两台离心泵从水池向高位槽送水，单台泵的特性曲线方程为H=251 x 106Q2管路特性曲线方程可近似表示为H=10+1 x106Q2两式中Q的单位为m3/s,H的单位为mo试问两泵如何组合才能使输液量最大？(输水过程为定 态流动)两台泵有串联和并联两种组合方法串联时单台泵的送水量即为管路中的总量，泵的压头为单台泵的两倍；并联时泵的压头即为单台泵的压头，单台送水量为管路总送水量的一半。串联此二2H10+1 x l O5Qe2=2 x(25-1 x 106Q2)/.Qe=0.436 x 10-2m2/s并联Q二Qe/225-1 x 106 x Qe2=10+1 x l O5(Qe/2)2/.Qe=0.383 x l 0-2m2/s总送水量 Qe=2(X=0.765 x 10-2m2/s并联组合输送量大34第三章非均相物系的分离与固体流态化I、教材基本内家1.本章的框架结构2.考研大纲分析A.考试内容(1)单颗粒、颗粒群和颗粒床层的特性；(2)流体通过固定床的压降及简化模型；(3)过滤原理和分类；(4)过滤过程的数学描述及计算、滤饼的洗涤；(5)压滤和吸滤设备、离心过滤设备。(6)曳力和颗粒自由沉降；(7)降尘室、旋风分离器等主要沉降分离设备及操作原理；(8)流化床基本概念和主要特性；(9)流化床操作及计算；(1。)气力输送原理、分类和主要流动特性。B.考试要求了解颗粒床层的特性和流动压降计算。掌握过滤操作的基本原理、基本方程式及应用、不同过滤方式的操作计算。了解典型过滤设备的结构和特点。掌握分析颗粒运动的基本方法。掌握流态化的原理和计算。能够对颗粒运动过程进行分析和计算。了解沉降分离设备和气力输送设备的分类和应用。3.重难点讲解35二、颗粒与颗粒床层的特性1.单颗粒的特性颗粒最基本的特征是形状和大小。对于球形颗粒，仅用直径即可说明颗粒的形状和大小;而对非 球形颗粒，其特征参数有:球形度(形状系数)、比表面积、当量直径(包括等比表面积当量直径和等体 积当量直径)。2.颗粒群的特性为了表示颗粒群的特性，应对其进行筛分,求的颗粒的粒度分布，然后求其相应的平均特性参数。3.颗粒床层的特性(1)床层的空隙率颗粒床层中颗粒之间的空隙体积与床层体积之比称为床层体积。它反映了床层中颗粒堆集的紧 密程度，对流体流动阻力影响很大。床层孔隙率与床层装填方法、颗粒特性及床层直径等因素有关。(2)床层自由截面积床层横截面上，未被颗粒占据的空隙截面积与床层总截面的比值称为床层的自由截面积。即单 位面积床层上流体能够自由通过的那部分界面。如颗粒堆积均匀，则床层的自由截面积在数值上等 于床层孔隙率。(3)床层的比表面积单位体积床层中颗粒的表面积称为床层比表面积。二、流体与颗粒间的相对运动1.流体绕过颗粒的流动当流体以一定的速度绕过颗粒流动时，流体与颗粒之间产生一对大小相等、方向相反的力，我们 将流体作用在颗粒上的力称为曳力，而将颗粒对流体的作用力称为阻力。流体作用在颗粒上的总曳 力Fd由表面曳力和形体曳力组成。1 9二 g-yp u上式中:A。为颗粒在流体流动方向上的投影面积能为曳力系数。2.颗粒在流体中的运动颗粒在流体中运动，受到质量力、浮力和曳力共三个力的作用。当受到的合力为零时，颗粒即在 流体中作匀速运动,称此速度为颗粒运动的终端速度。三、重力沉降依靠重力作用使流体中颗粒沉降达到分离目的的操作称为重力沉降，若颗粒在沉降过程中不受 周围颗粒沉降的影响则称为自由沉降。361.重力沉降速度的计算（1）球形重力沉降速度%的计算 3 g,pPs和P分别为颗粒和流体的密度；d s为颗粒的直径；N为流体的粘度；g为重力加速度;g曳力系数。求解巴的关键是求取g,g与Red相关。g=24/Kep（Rep W1，层流区）%=宣3 托克斯公式=18.5/皤$（1 Re。W1000,过渡区）1 1.6 7 0.71 4787 a段阿伦公式L p四 g=0.44（1。.2 x 1炉,湍流区）u,=1.74 J（Ps；P）g 牛顿公式（2）非球形颗粒的沉降一般来说，当Rep相同时，非球形颗粒的球形度越小，其沉降速度与球形颗 粒相比也越小。工程上采用的办法是查图。（3）影响沉降的其它因素干扰沉降:如果流体中颗粒浓度较高，则颗粒在沉降过程中会相互影响，这种沉降称为干扰 沉降。不均匀颗粒的沉降:当大小不同、密度相同的颗粒在流体中沉降时，沉降速度的求取应以能够 达到分离程度的最小颗粒的沉降速度为准。布朗运动的影响:对直径2-3p n以下的颗粒,布朗运动的影响起主要作用，前面所述的计算 公式不再适用。应考虑其它分离方法。液滴或气泡的变形:较大的液滴或气泡在曳力作用下会产生变形及内部的流体循环运动，前面 所述的计算公式不再适用。2.重力沉降设备（1）沉降室颗粒在沉降室中能被完全分离的条件是颗粒在设备中的沉降时间M小于停留时间丁,即L HH为沉降室高度，为沉降室长度,u为流体在沉降3室内的水平流速,以为颗粒的沉降速度。沉降室的生产能力为单位时间所能处理的流体量，它只与沉降室的底面积bL有关，而与高度无 关，故沉降室多制成扁平形或多层。(2)连续式沉降槽(增稠器)连续沉降槽是利用重力从悬浮液中分离出固体颗粒的设备，它常以取得稠厚的浆状物料为目的。悬浮液中颗粒的沉降多属于干扰沉降，与自由沉降相比，有颗粒在沉降过程中受到比自由沉降时更大 阻力等特点。四、离心沉降依靠离心力作用使流体中颗粒沉降达到分离目的的操作称为离心沉降。对于一些密度小或直径小的颗粒，用重力沉降法难以从流体中去除，此时可考虑用离心沉降法。a 2工程上，常用离心分离因数Kc来评价离心分离设备的性能：凡二二二工g g r%和g分别为离心加速度和重力加速度,r为颗粒旋转半径,u为圆周速度。L离心沉降速度%的计算离心沉降时，如颗粒与流体的运动属于层流，则凡的计算式为ur二黑-p)止l o p,r2.离心沉降设备(1)旋风分离器旋风分离器是一种常用的用于除去气体中粉尘的离心分离设备。评价旋风分离器性能的参数有 三项：临界直径可：旋风分离器能够分离出来的最小颗粒的直径。d 二 p HC。q w Np sN为流体粘度,B进气口宽度,u进气口速度,N为气体旋转圈数,Ps为颗粒密度。分离效率总效率中进入分离器的全部粉尘能被分离出来的质量分率。分级效率八:进入分离器的某一尺寸粉尘被分离出来的质量分率。如已知各粒径颗粒的质量分率为七时，总效率与分级效率的关系为：71=2 n x i旋风分离器的阻力气体流经旋风分离器的阻力包括气体流经进气管、排气管的阻力及器壁的摩擦阻力，局部阻力及气体旋转运动引起的动力损失等,可用下式计算Ap=gU为进口气速,C为阻力系数(2)旋液分离器旋液分离器是离心沉降分离悬浮液的设备。由于液固间密度差小于气固间密度差,所以旋液分离器直径比旋风分离器直径小，而圆锥部分 长,这样既可增大离心力，又可增长停留时间。五、流体通过颗粒床层的流动1.流体通过固定床的阻力流体通过固定床的阻力在数值上应等于床层中所有颗粒所受曳力的总和。可用欧根方程加以描述。2.流体通过流化床的阻力(1)床层的流态化过程流体通过固体颗粒床层时，按照流体速度从小到大的变化，床层可分别经历固定床阶段、流化床 阶段、气(液)力输送阶段。(2)流态化的似液性流化床的似液性包括以下几项:流动性、具有水平的上界面、连通性、压差可测性。(3)流化床的分类床层内颗粒和流体的行为取决于颗粒和流体的性质。按照颗粒分散程度的不同,流化床可分为散式流 化床和聚式流化床,一般液-固系统流化床多属散式流化床，气-固系统流化床多属聚式流化床。(4)流体通过流化床的阻力流体通过颗粒床的阻力与表观速度之间的关系可由实验测定,如下图所示:OM lu-ucV1 2 3 5 10 20 30 40 50 100空气流速 u cm，s流化床阻力损失与渣速的关系(空气、沙粒系统)在流化床阶段，床层阻力基本上不随流体速度的改变而变化,可认为其值等于床层中颗粒所受重 力和浮力之差。(5)流化床的操作范围流化床中的流体的操作速度介于最小流化速度和带出速度之间，带出速度即床层中颗粒刚被带 出时的速度,它等于床层中颗粒的沉降速度。六、过滤1.过滤基本概念过滤是从悬浮液中分离出固体颗粒的一种操作，是在外力作用下，使悬浮液中的液体通过多孔性 介质，而固体颗粒则被截留,从而使液固两相得以分离。工业上的过滤基本方式有两种:深层过滤和滤饼过滤。深层过滤常用于净化含颗粒尺寸甚小，目 3K含量甚微的场合,而滤饼过滤适合于处理颗粒含量较高的悬浮液。2.过滤速率与过滤单位时间、单位过滤面积上所得滤液量为过滤速度,而单位时间内所得的滤液量为过滤速率。一、由、击缶r4 一 4 d V k A2Ap1-s过滤速率可表示为:而二F V7上式称为过滤基本方程式。式中k为滤饼常数,反应过滤物料的特性，其值与滤液性质、滤浆浓度及滤饼特性有关;V及Ve 分别为滤液体积和过滤介质的当量滤液量，Ap为过滤总推动力(压差)，A为过滤面积,s为压缩指 数，一般s=。-1,对于不可压缩滤饼，s=0。滤饼常数k=1/模”N为滤液粘度;为单位压差下的滤饼比阻；P为获得I n?滤液得到的滤饼体积,n?滤饼/n?滤液。3.过滤过程的计算工业生产上有两种典型的操作方式:恒压过滤和恒速过滤。前者随着过滤时间的延长,滤液量不断增加,滤饼厚度也不断增加，故过滤阻力也不断增加；后者在过滤过程中，维持过滤速度不变，故随着滤饼的增加，过滤的压力也要相应增大。工业上 常采用先恒速后恒压过滤的操作方式。(1)恒压过滤恒压过滤是在恒定的压差下操作的一种过滤过程。当过滤体系确定时，滤饼常数k也确定，对过 滤基本方程式直接积分可得：(V+Ve)2=KA2(t+Te)(q+qe)2=K(t+Te)Ve 2=KA2Te 或 qe 2=I Te上式中K=2k Ap-s称为过滤常数，由物料特性及过滤压力差所决定。Ve表示生成厚度为Le的滤 饼所应获得的滤液体积,称为过滤介质的当量滤液体积或虚拟滤液体积。q=V/A及q e=Ve/A分别称为单位过滤量和单位当量过滤量。Ve和Qe是反映过滤介质阻力大小的常数，均称为介质常数。当介质阻力可忽略，即Ve=0,qe=0,Te=0以上方程可简化为V2=KA2t 或 q之二 Kt(2)恒速过滤对于恒速过滤d V/Ad T恒定的过滤,其过程可用以下方程描述：V2+VVe=k A2Ap1-sT 或 q 2+q qe=k Ap1-st4.洗涤速率与洗涤时间单位时间所用的洗涤液量称为洗涤速率，用(2)W表示。若洗涤液用量为Vw,则洗涤时间为:Tw二本(d Tw5.过滤机及其生产能力过滤机的生产能力多指单位时间内获得的滤液体积。(1)板框式压滤机板框式压滤机以恒定的压力差为推动力，属间歇操作设备。在一个操作周期内，依次可进行过滤、洗涤、卸渣、整理等阶段，其生产能力Vh也以一个操作周期为准:”二 一1-T+TW+Td分为为过滤、洗涤及辅助时间(包括卸渣、重装等)o板框压滤机常用横穿洗涤法，其洗涤面积是过滤面积的1/2,洗涤液所穿过的滤板厚度是最终滤 饼厚度的2倍.若洗涤压差与最终压差相同，洗涤液粘度与滤液粘度相近，则因洗涤面积的减少使洗 涤速率将为最终洗涤速率的1/2,而洗涤时滤饼厚度的增加，又是洗涤速率下降到最终过滤速率的 1/2,因此洗涤速率为最终过滤速率的1/4,即(祟=1(辞)e)若以j表示洗涤液量又和最终得到的滤液量V的比值，则洗涤时间为：tw=8隈(:VVe)KA若过滤介质阻力不计，则有tw=8awT为使一个操作周期中生产能力最大，可对生产能力进行积分求解，可知板框过滤机的最佳生产周 期是：(1+8aw)y=td当介质阻力不计时T+Tw=Td即过滤时间与洗涤时间之后等于辅助时间时，过滤机生产能力最大。(2)叶滤机叶滤机也属恒压，间歇式过滤设备.在一个操作周期内，过滤机的生产能力的表达式同板框压滤机.叶滤机的洗涤方法为置换洗涤法.若洗涤压差与过滤压差相同,洗涤液粘度与滤液粘度相近，则 洗涤速率与过滤终了时过滤速率相同.洗涤时间为：Tw=2叫(：VVe)KA若过滤介质阻力不计，则有tw=2awT在一个操作周期内，叶滤机满足以下关系时，生产能力最大：(1+2aw)TD当介质阻力不计时丁+、二丁d,此即为叶滤机的最佳操作周期。(3)回转真空过滤机回转真空过滤机属连续式恒压过滤设备.过滤机的转筒每转一周，都要经历过滤，洗涤，吸干、吹 送、卸渣等阶段。41回转真空过滤机的生产能力为：Vh=3600A yK(n(p+n2Te)-n Ve,m3/h若介质阻力不计，则有Vh=3600A/Kn(p,m3/h以上两式中,n为转筒的转速修为滤筒的浸没率(即浸没面积占全筒面积的百分率)，其它符号 意义如前。二、课后典型习题解析例1:密度为2650k g/m3的球型石英颗粒在20工空气中自由沉降，计算服从斯托克斯公式的最大 颗粒直径及服从牛顿公式的最小颗粒直径。分析:已知条件 所求量 已知与所求之间的关系g=24/Kep(&p Wl,层流区),g 斯托克斯公式g=0.44(1000 7?ep2x I O,湍流区)%=1.74产 牛顿公式Rep=d utp/|jl【解】(1)服从斯托克斯公式查有关数据手册：20工时空气的密度p=1.205 Kg/m3,粘度四=1.81 x l O-5Pa s要使颗粒服从斯托克斯公式，必须满足Re 1即Re=d utp/1 1,而 4 二p)g/18|由此可以得到d3 18 u2/(Ps-p)p g最大颗粒直径 d.=U8 U2/(Ps-P)Pg 1/3二18 x(1.81 x l O Sy/。_i.2O5)x 9.81 x l.2051/3=0.573 x l 0-4m二57.3|mm(2)要使颗粒服从牛顿公式，必须满足10 3 氏2x 10 3即103 106Fji7