第三章 非均相物系的分离和固体流态化
一、填空
1、悬浮在静止流体中的固体微粒在重力作用下，沿重力方向作自由沿降时，会受到_____________三个力的作用。当此三个力的______________时，微粒即作匀速沉降运动。此时微粒相对于流体的运动速度，称为____________ 。
2．在斯托克斯沉降区，颗粒的沉降速度与其直径的________次方成正比；而在牛顿区，与其直径的________次方成正比。
3. 降尘室内，颗粒可被分离的必要条件是__ ___ ___。
4. 过滤速率是指___________________________ 。在恒压过滤时，过滤速率将随操作的进行而逐渐__________ 。
5. 助滤剂的作用是 。
6. 通常，＿＿＿＿悬浮物系一般可在旋液分离器或沉降离心机中进行分离，＿＿＿＿非均相物系的离心沉降是在旋风分离器中进行。
7．工业上的过滤操作分为两大类，分别是 和 。
8. 降尘宝做成多层的目的是____________________________________ 。
9. 固体流态化是指 。10. 流化床不正常的操作现象有 和 。
11. 在流化床阶段 ，整个床层压降保持 ，其值等于单位面积床层净重力。
二、选择题
1．含尘气体通过长4m 、宽3m 、高l m 的降尘室，己知颗粒的沉降速度为0.25 m/s ，则除尘室的生产能力为（ A ）。
A. 3 m 3 /s
B. 1m 3/s
C. 0.75 m 3 /s
D. 6 m 3 /s
2.欲提高降尘宝的生产能力，主要的措施是（ C ）。A. 提高降尘宝的高度； B. 延长沉降时间； C. 增大沉降面积
3．设降尘室的长、宽、高分别为L 、S 、H （单位均为m ），颗粒的尘降速度为t u （m/s ），气体的体积流量为Vs ，则颗粒能在降尘室分离的条
件是（ B ）。 A ． S t V LbH u H ≥ B S t V LbH u H ≤ C S t V HbH u L ≤ D S t
V HbH u L ≥ 4. 旋风分离器主要是利用（ B ）的作用使颗粒沉降而达到分离。 A. 重力； B. 惯性离心力； C. 静电场
5．在降尘室中，尘粒的尘降速度与下列因素无关（C ）。A 颗粒的几何尺寸； B 颗粒与流体的密度； C 流体的水平流速； D 颗粒的形状
6．恒压过滤时，当过滤时间增加1倍则过滤速率为原来的（B ）（设介质阻力可忽略，滤饼不可压缩）。 A 2倍； B 1/2倍； C 2倍； D 1/2倍
7．降尘室的生产能力取决于（B ）。
A ． 沉降面积和降尘室高度；
B 沉降面积和能100%除去的最小颗粒的沉降速度；
C 降尘室长度和能100%除去的最小颗粒的沉降速度；
D 降尘室的宽度和高度
8．下面哪个是过滤推动力（ D ）。
A ．液体经过过滤机的压强降；
B ．滤饼两侧的压差；
C ．介质两侧的压差；
D ．介质两侧压差加上滤饼两侧压差
9．旋风分离器是利用离心力分离（ D ）。
A ．气液混合物的设备；
B ．液固混合物的设备；
C ．液液混合物的设备；
D ．气固混合物的设备；
10．对滤饼进行洗涤，其目的是：①回收滤饼中的残留滤液；②除去滤饼中的可溶性杂质。下面哪一个回答是正确的（ c ）。
A 第一种说法对而第二种说法不对；
B 第二种说法对而第一种说法不对；
C 两种说法都对；
D 两种说法都不对
11．某粒径的颗粒在降尘室中沉降，若降尘室的高度增加一倍，则该降尘室的生产能力将（ C ）。
A. 增加一倍
B. 为原来1/2
C. 不变
D. 不确定
12. 粒径分别为16μm 及8μm 的两种颗粒在同一旋风分离器中沉降，则两种颗粒的离心沉降速度之比为（ B ）（沉降在斯托克斯区）。
A ．2
B ．4
C ．1
D ．1/2
13．下述说法中哪一个是错误的（C ）。
A 离心机可分离液液混合物
B 离心机可分离液固混合物；
C 离心机可分离气固混合物
D 离心机所分离的不均匀混合物中至少有一相是液相 14 ．降尘室的特点是（ D ）。
A 结构简单，流体阻力小，分离效率高，但体积庞大；
B 结构简单，分离效率高，但流体阻力，体积庞大；
C 结构简单，分离效率高，体积小，但流体阻力大；
D 结构简单，流体阻力小，但体积庞大，分离效率低
15．下述说法中正确的是（C ）。
A 离心沉降速度和重力沉降速度是恒定的；
B 离心沉降速度和重力沉降速度不是恒定的；
C 离心沉降速度不是恒定值，而重力沉降速度是恒定值；
D 离心沉降速度是恒定值，而重力沉降速度不是恒定值；
三、判断题
1. 通过旋风分离器能够完全分离出来的最大颗粒直径，称临界颗粒直径。（× ）
2. 沉降器的生产能力与沉降高度有关。（ × ）
3. 欲提高降尘室的生产能力一倍，应将降尘室的高度增加一倍。（× ）
4. 恒压过滤过程的过滤速度是恒定的。（ × ）
5.滤渣的比阻越大，说明越容易过滤。（× ）
一、1 ***答案*** 重力、阻力、浮力代数和为零沉降速度
4 ***答案*** 单位时间内通过单位面积的滤液体积变慢
2 2 1/2
3 气体的停留时间θ≥沉降时间t
5、为了降低过滤阻力，增加过滤速率或得到高度澄清的滤液所加入的一种辅助性的粉粒状物质6液—固、气—固7 深层过滤和饼层过滤8 ***答案*** 增大沉降面积，提高生产能力。9、利用流动流体的作用，将固体颗粒群悬浮起来，从而使固体颗粒具有某些流体表观特征10、沟流腾涌 11、恒定不变
第五节固体流态化 §3.5.1、概述 将大量固体颗粒悬浮于运动的流体中，使颗粒具有类似于流体的某些特性，这种流固接触状态称为固体流态化。 化工中使用固体流态化技术的例子很多，如催化流化床反应器、流化床干燥器、沸腾床焙烧炉及颗粒的输送。催化流化床反应器所用的催化剂颗粒要比固定床的小得多，颗粒的比表面积大，这样流体与固体之间的传热，传质速率就比固定床的高；对于流化床干燥器沸腾床焙烧炉也有类似的特点。 §3.5.2、流化床的基本概念 现在让我们一起来观察流体通过均匀颗粒时所出现的床层现象。 一、固定床阶段 当空床速度（表观速度）较低，此时
即颗粒间空隙中流体的实际流速 小于颗粒的沉降速度 ，床层现象为颗 粒基本静止不动，颗粒层为固定床。颗粒床层高度为 ，此时流体通过颗粒床 层的压降为： ，可以用康采尼方程来估算； 在较大的 范围内，可以用欧根方程来估算，一般误差不超过 25%。 保持固定床的最大表观速度 二、流化床阶段 流化床阶段为表观速度增大至一定程度， 时，此时 ， 颗粒开始松动，颗粒位置可以在一定的区间内进行调整，床层略有膨胀，当 颗粒仍不能自由运动，这时床层处于初始或临界化状态，床层高度增至 ，如 左图所示，而当继续增加，即
此时床内全部颗粒将“浮起”，颗粒层将更膨胀，床层高度增大至L，床层内颗粒可以在流体中作随机运动，并同时发生固体颗粒沿不同的回路作上下运动，固体颗粒的这种运动就好象液体沸腾，故流化床也称为沸腾床。流化床内颗 粒与流体之间的摩擦力恰好与颗粒的净重力 相平衡，且 ，但 基本不变。 三、颗粒输送阶段 若继续增大，且 ，则颗粒将获得向 上上升的速度，其大小为 ， 此时，颗粒将带出容器外，这一阶段称为颗粒输送阶段。§3.5.3、两种不同流化形式
第三章 非均相混合物分离及固体流态化 1．颗粒在流体中做自由沉降，试计算（1）密度为2 650 kg/m 3，直径为0.04 mm 的球形石英颗粒在20 ℃空气中自由沉降，沉降速度是多少（2）密度为2 650 kg/m 3，球形度6.0=φ的非球形颗粒在20 ℃清水中的沉降速度为0.1 m/ s ，颗粒的等体积当量直径是多少（3）密度为7 900 kg/m 3，直径为6.35 mm 的钢球在密度为1 600 kg/m 3的液体中沉降150 mm 所需的时间为 s ，液体的黏度是多少 解：（1）假设为滞流沉降，则： 2 s t ()18d u ρρμ -= 查附录20 ℃空气31.205kg/m ρ=，s Pa 1081.15??=-μ，所以， ()()()m 1276.0s m 10 81.11881.9205.126501004.0185 2 3s 2t =???-??=-=--μρρg d u 核算流型： 3 t 5 1.2050.12760.04100.3411.8110 du Re ρμ--???===
一：实验目的： 1）. 观察聚式和散式流化现象； 2）. 掌握流体通过颗粒床层流动特性的测量方法； 3）. 测定床层的堆积密度和空隙率； 4）. 测定流化曲线（p~u曲线）和临界流化速度。 二：基本原理： 1）固体流态化过程的基本概念 将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒具有类似于流体的某些表观性质，这种流固接触状态称为固体流态化。而当流体通过颗粒床层时，随着流体速度的增加，床层中颗粒由静止不动趋向于松动。床层体积膨胀，流速继续增大至某一数值后，床层内固体颗粒上下翻滚，此状态的床层称为“流化床”。 床层高度L、床层压强降Δp对流化床表现流速u的变化关系如图（a）、（b）所示。图中b点是固定床与流化床的分界点，也称临界点，这时的表观流速称为临界流速或称最小流化速度 以u mf表示。 流化床的L、△P对流化床表观速度u的变化关系 图1—9 流化床的L、△P对流化床表观速度u的变化关系 对于气固系统，气体和粒子密度相差大或粒子大时气体流动速度必然比较高，在这种情况下流态化是不平稳的，流体通过床层时主要是呈大气泡形态，由于这些气泡上升和破裂，床层界面波动不定，更看不到清晰的上界面，这种气固系统的流态化称为“聚式流态化”。 对于液固系统，液体和粒子密度相差不大或粒子小、液体流动速度低的情况下，各粒子的运动以相对比较一致的路程通过床层而形成比较平稳的流动，且有相当稳定的上界面，由于固体颗粒均匀地分散在液体中，通常称这种流化状态为“散式流态化”。 2）床层的静态特性 床层的静态特性是研究动态特征和规律的基础，其主要特征（如密度和床层空隙率）的定义和测法如下： (1) 堆积密度和静床密度ρb=M/V（气固体系）可由床层中的颗粒质量和体积算出，它与 床层的堆积松紧程度有关，要求测算出最松和最紧两种极限状况下的数值。 (2)静床空隙率ε=1-（ρb/ρs）
实验六 固体流态化的流动特性实验 一、 实验目的 在化学工业中，经常有流体流经固体颗粒的操作，诸如过滤、吸附、浸取、离子交换以及气固、液固和气液固反应等。凡涉及这类流固系统的操作，按其中固体颗粒的运动状态，一般将设备分为固定床、移动床和流化床三大类。近年来，流化床设备得到愈来愈广泛的应用。 固体流态化过程又按其特性分为密相流化和稀相流化。密相流化床又分为散式流化床和聚式流化床。一般情况下，气固系统的密相流化床属于聚式流化床，而液固系统的密相流化床属于散式流化床。 本实验的目的，通过实验观察固定床向流化床转变的过程，以及聚式流化床和散式流化床流动特性的差异；实验测定流化曲线和临界流化速度，并实验验证固定床压降和流化床临界流化速度的计算公式。通过本实验希望能初步掌握流化床流动特性的实验研究方法，加深对流体流经固体颗粒层的流动规律和固体流态化原理的理解。 二、 实验原理 当流态流经固定床内固体颗粒之间的空隙时，随着流速的增大，流态与固体颗粒之间所产生阻力也随之增大，床层的压强降则不断升高。为表达流体流经固定床时的压强降与流速的函数关系，曾提出过多种经验公式。现将一种较为常用的公式介绍如下： 流体流经固定床的压降，可以仿照流体流经空管时的压降公式（Moody 公式）列出。即 2 20u d H p p m m ρλ??=? （1） 式中，H m 为固定床层的高度，m 、d p 为固体颗粒的直径，m 、u 0为流体的空管速度，m ·s －1；ρ为流体的密度，Kg ·m －3；λm 为固定床的摩擦系数。 固定床的摩擦系数λm 可以直接由实验测定，根据实验结果，厄贡(Ergun)提出如下经验公式： ???? ??+???? ??-=75.1Re 150123m m m m εελ （2） 式中，εm 为固定床的空隙率；Re m 为修正雷诺数。Re m 可由颗粒直径d p ，床层空隙率εm ，流体密度ρ，流体粘度μ和空管速度u 0，按下式计算： m p m u d εμρ-?=11Re 0 （3） 由固定床向流化床转变式的临界速度u mf ，也可由实验直径测定。实验测定不同流速下的床层压降，再降实验数据标绘在双对数坐标上，由作图法即可求得临界流化速度，如图1所示。 ΔP mf u 0 图1流体流经固定床和流化床时的压力降 为计算临界流化速度，研究者们也曾提出过各种计算公式，下面介绍的为一种半理论半
第三章 非均相混合物分离及固体流态化 1．颗粒在流体中做自由沉降，试计算（1）密度为2 650 kg/m 3，直径为0.04 mm 的球形石英颗粒在20 ℃空气中自由沉降，沉降速度是多少（2）密度为2 650 kg/m 3，球形度6.0=φ的非球形颗粒在20 ℃清水中的沉降速度为0.1 m/ s ，颗粒的等体积当量直径是多少（3）密度为7 900 kg/m 3，直径为6.35 mm 的钢球在密度为1 600 kg/m 3的液体中沉降150 mm 所需的时间为 s ，液体的黏度是多少 解：（1）假设为滞流沉降，则： 2s t ()18d u ρρμ -= 查附录20 ℃空气31.205kg/m ρ=，s Pa 1081.15??=-μ，所以， ()()()m 1276.0s m 1081.11881.9205.126501004.01852 3s 2t =???-??=-=--μρρg d u 核算流型： 3t 5 1.2050.12760.04100.3411.8110du Re ρμ--???===
非均相物系分离 一、填空题 1.球形颗粒从静止开始降落，经历________和________两个阶段。沉降速度是指________阶段颗粒相对于流体的运动速度。 2．在斯托克斯沉降区，颗粒的沉降速度与其直径的________次方成正比；而在牛顿区，与其直径的________次方成正比。 3．沉降雷诺准数越大，流体粘度对沉降速度的影响________。 4. 降尘室内，颗粒可被分离的必要条件是________。 5. 降尘室操作时，气体的流动应控制在________流型。 6. 在规定的沉降速度t u条件下，降尘室的生产能力只取决于________而与其________无关。 7．选择旋风分离器的主要依据是：（1）________；（2）________；(3) ________。 8．除去气流中尘粒的设备类型有________，________，________等。 9. 饼层过滤是指________；深床过滤是指________。 10. 板框压滤机中横穿洗涤法，在流体粘度与推动力相同条件下，洗涤速率与最终过滤速率之比为________；叶滤机中置换洗涤法，洗涤速率与过滤速率之比为________。 11. 工业上应用较多的压滤型间歇过滤机有________与________；吸滤型连续操作过滤机有________ 12. 根据操作目的（或离心机功能），离心机分为________、________和________三种类型。 13. 根据分离因数大小，离心机分为________、________和________。 二、选择题 1．在重力场中，固体颗粒的沉降速度与下列因素无关的是（）。 A．粒子几何形状B. 粒子几何尺寸C．粒子与流体密度D．流体的流速2．含尘气体通过长4m、宽3m、高l m的降尘室，己知颗粒的沉降速度为0.25 m/s，则除尘室的生产能力为（）。 A. 3 m3 /s B. 1m3/s C. 0.75 m3 /s D. 6 m3 /s 3．某粒径的颗粒在降尘室中沉降，若降尘室的高度增加一倍，则该降尘室的生产能力将（）。 A. 增加一倍 B. 为原来1/2 C. 不变 D. 不确定 4. 粒径分别为16μm及8μm的两种颗粒在同一旋风分离器中沉降，则两种颗粒的离心沉降速度之比为（）（沉降在斯托克斯区）。 A ．2 B．4 C．1 D．1/2 5．以下表达式中正确的是（）。 A. 过滤速率与过滤面积平方A2成正比； B. 过滤速率与过滤面积A成正比 C. 过滤速率与所得滤液体积V成正比； D. 过滤速率与虚拟滤液体积V e成反比 6．在转筒真空过滤机上过滤某种悬浮液，将转筒转速n提高一倍，其他条件保持不变，则生产能力将为原来的（）。 A. 2倍 B. 2倍 C. 4倍 D. 1/2 三、计算题 1. 粒径为60μm、密度为1800kg/m3的颗粒分别在20℃的空气和水中作自由沉降，试计算在空气中的沉降速度是水中沉降速度的多少倍（沉降在斯托克斯区）。
1、固体流态化方法以提高氨合成塔的工作强度 在合成氦厂中,氨含量在混合气中的增加量总共只有10~玲%。由于触媒层中部的过热,就不可能应用蛟活渡的触媒,并提高尾气中的氨含量。 采用固体流态化层来合成氨,就能防止触媒层中的过热现象。在适宜的温度条件下,用蚊活俄触媒操作,并采用蚊小颗粒的触媒提高其内表面的利用率, 使操作过程得以实行。如动力学方面的研究所指出,合成氨触 媒内表面的利用率构为50%。牌粒子尺寸精小到1.5毫米,郎 可保愈翠位容积触媒的生产率提高一倍。 使用固体流态化层的氮合成塔如图所示。原始混合气樱换 热器,加热到330oC,进入第一层触媒(在现有固定层塔的耗稀 中温度等于450oC)。降低入口温度可大大精小换热器的尺寸, 并增大塔中触媒所占有的容积分率。触媚层中的温度对应于 每一层中最后棘化牵的适宜温度。樱合成塔后,氨在混合气中 的滇度可提高到22%。由于能够装埙蛟大数量的活澳触媒,更 好地利用了它的内表面,井实施了适宜的温度条件,整个塔的 生产率就可以提高一倍。 应用固体流态化方法以提高氨合成塔的工作强度，r.K.波列斯 抖夫,M.r.斯林尼柯著平成舫摘祥 2、 采用流态化气力输送技术设计一套应用于施工现场的水泥输送系统。流态化实际上是一种状态,是固体物料颗粒在流体介质作用下的流化状态,是一种介于固定床与输送床之间的相对稳定状态。 流态化气力输送系统,该系统在高于大气压力的状态下工作流态化气力输送系统是一种更加高效、可靠的气力输送系统,适用于流动性较好的物料。流态化气力输送具有输送压力低、气流速度小、管路磨损小等优点,而且可以有较高的混合比,一般在30左右,气流速度低于20in/s,最长输送距离可达1500m。流态化力气输送采用气固两相流理论,利用压缩空气的动压和静压来输送物料,其关键技术是使物料在输送器内充分流化,在输送管内边流化边输送。如图5-1所示:空气压缩机提供压缩气体,设置储气罐和汽水分离器来收集由于压力脉动和冷凝水的产生。空气与发送罐装入的物料形成气固混合物,通过输料管送到卸料点,在卸料处气固分离器将物料卸出,空气经风管和除尘器排入大气中。电子皮带秤和料位计为辅助设备,主要是为了实现自动计量和料位测量的功能。流态化气力输送水泥系统的研究，毛北平，2012年6月
4 固体流态化实验 实验目的 (1) 掌握测定颗粒静态床层时的静床堆积密度ρb 和空隙率ε的方法； (2) 测定流体通过颗粒床层时的压降Δp m 与空塔气速u 的曲线和临界流化速u mf ; 实验原理 4.2.1 固定床 1) 基本概念 当流体以较低的空速u 通过颗粒床层时床层仍处于静止状态，称这种固体颗粒床层为固定床。床层的静态特性是研究床层动态特性和规律的基础，其主要的特征有静床堆积密度ρb 和空隙率ε两个，它们的定义分别如下： 1. 静床堆积密度：ρb =M/V, 它由静止床层中的固体颗粒的质量M 除以静止床层的体积V 计算而得。ρb 数值的大小与床层中颗粒的堆积松紧程度有关，因此ρb 在流体通过颗粒床层时不是一个定值，如颗粒床层在最紧与最松两种极限状态时，ρb 就有两种数值，它们的大小在床层最紧与最松时分别测量出相应的床层高度就可以计算得到。 2. 静床空隙率ε : ε=1–(ρb /ρs ), 它是由颗粒的静床堆积密度ρb 和固体颗粒密度ρs 计算而得。 2) 固定床阶段压降Δp m 与空速u 的关系 当流体通过固定床的空速较小时，床层的高度基本不变；当流体空速趋于某一临界速度时，颗粒开始松动，床层才略有膨胀。因此，在此临界速度以前，单位高度的床层的压降(Δp m /L)与空速u 的关系可由欧根公式来表示，并把欧根公式改写成如下形式： m m m d u K d K uL p ψ-+ψ-=?ρεεμεε322 321)1() ()1( (1) 式(1)中，以实验数据的空速u 为横坐标，以（Δp m /uL ）为纵坐标画图得一直线，从直线的 斜率中求出欧根系数K 2，从直线的截距中计算出欧根系数K 1。 4.2.2 流化床 1) 基本概念 当流体空速趋近某一临界速度u mf 时，颗粒开始松动，床层略有膨胀，床层高度有所增加；当空速继续加大，此时固体颗粒悬浮在流体中作上下、自转、摇摆等随机运动，好象沸腾的液体在翻腾，此时的颗粒床层称为流化床或沸腾床，临界速度u mf 称为起始流化速度。 流化床现象在一定的流体空速内出现，在此流速范围内，随着流速的加大，流化床高度不断增加，床层空隙率相应增大。流化床根据流体有性质不同，可分为以下两种类型。 1. 散式流化——若流化床中固体颗粒均匀地分散于流体中，床层中各处空隙率大致相等， 床层有稳定的上界面，这种流化型式称为散式流化。当流体与固体的密度相差较小时会发生散式流化，如液-固体系。 2. 聚式流化——对气固体系，因流化床中气体与固体的密度相差较大，气体对固体的浮力很小，气体对颗粒的支撑主要靠曳力，此时气体通过床层主要以大气泡的形式出现，气泡上升到一定高度处会自动破裂，造成床层上界面有较大的波动，这种气固体系的流态化称为聚式流化。 2) 流化床阶段压降Δp m 与空速u 的关系 1. 流化床层的压降Δp m 对散式流化，流化阶段床层修正压强降Δp m 等于单位截面积床层固体颗粒的净重，即 Δp m = m( ρs –ρ)g/(A ρs )=L(1–ε)( ρs –ρ)g (2)
第三章机械分离和固体流态化 具有不同物理性质（如密度差别）的分散物质和连续介质所组成的物系称为非均相混合物或非均相物系。 颗粒相对于流体（静止或运动）运动的过程称为沉降分离。流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程称为过滤。 工业上分离非均相混合物的目的是：1、回收有价值的分散物质。2、净化分散介质以满足后继生产工业的要求。3、环境保护和安全生产。 第一节颗粒及颗粒床层的特性 ；表 单一的颗粒：1、球形颗粒体积： 面积：；比表面积： 2、非球形颗粒：体积当量直径 形状系数（又称球形度）： ，任何非球形颗粒 的形状系数皆小于1。 不同粒径范围内所含粒子的个数或质量，即粒径分
布。 当使用某一号筛子时，通过筛孔的颗粒量称为筛过量，截留于筛面上的颗粒量则称为筛余量。称取各号筛面上的颗粒筛余量即得筛分分析的基础数据。 颗粒的平均直径：最常用的是平均比表面积直径： 由颗粒群堆积成的床层疏密程度可用空隙率来表示： 床层的比表面积： 壁面附近床层的空隙率总是大于床层内部的，较多的流体必然趋向近壁处流过，使床层截面上流体分布不均匀，这种现象称为壁效应。 第二节沉降过程 沉降操作是指在某种力场中利用分散相和连续相 之间的密度差异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。实现沉降操作的作用力可以是重力，也可以是惯性离心力。因此，沉降过程有重力沉降和离心沉降两种方式。静止流体中颗粒的沉降过程可分为两个
阶段，起初为加速段而后为等速段。 滞流区或斯托克斯定律区（10-4 第十四章固体流态化现象 使颗粒状物料与流动的气体或液体相接触，并在后者作用下呈现某种类似于流体的状态，这就是固体流态化。借助这种流化状态以完成某种处理过程的技术，称为流态化技术。 流态化技术用于工业操作有以下优点： (1)颗粒流动平稳，类似液体流动，操作易于实现连续化和自动化。 (2)由于固体颗粒的激烈运动和迅速混合，使床层温度均匀，便于凋节和维持所需的韫度。 (3)由于流化床所用固体颗粒尺寸小，比表面大，因此，气体与固体颗粒之间的传热、传质速率高。又因为流化床颗粒的运动使得流化床与传热壁面之间有较高的传热速率。 由于上述优点，近几十年来，流态化技术广泛用在化学工业中的物理操作和化学操作中。 但是，流态化技术在应用中还存在以下一些问题： (1)由于气体返混和气泡的存在，使气固接触效率降低。 (2)由于固体颗粒在床层内迅速混合，在连续进料的情况下，将导致颗粒在床层内停留时间不均，使得产品质量不均匀。 (3)由于固体颗粒的磨蚀作用，管子和容器的壁面磨损严重。脆性固体颗粒易被磨成粉末被气流带走，需要考虑由此引起的各种问题。 对上述的存在问题应有充分认识，以便在应用时扬长避短，获得更好的技术经济效果。另外，由于流态化现象比较复杂，人们对它的规律性了解还很不够，无论在设计方面或操作方面，都还存在许多有待进一步研究的内容。而且，鉴于目前绝大多数工业应用都是气一固流化系统，因此，本章主要讨论气一固流化系统。 一.固体流态化过程的几个阶段 在玻璃圆筒底部装一块多孔板，板上堆放一层砂粒，从多孔板下方通入空气。当气速小时，砂粒静止不动，空气仅仅是从砂粒间缝隙穿过，这就是固定床。如图14-1(a)。 气流速度加大，则固体颗粒开始松动，有些颗粒虽然轻微地抖动，但不能脱离其原来的位置，各颗粒仍然保持接触，床层高度无明显增加。此称为膨胀床。 流速再增到某一数值，各颗粒刚好被上升气流推起，彼此脱离接触，床层高度也有明显增加。达到这一状态时，称为起始流态化。如图14-1(b)所示。 流速超过起始流态化速度以后，颗粒便在床内翻滚，作不规则运动，总体上是在中央上升而沿器壁落下。气流速度愈大，运动愈剧烈，此即为流化床，如图14-1的（c1）与（c2）(代表两种不同形式的流态化，见后)所示。此阶段中颗粒虽然剧烈运动，但基本上并不脱离床层，被吹起之后仍要落回，因此床层仍维持一个明显的上界面，与沸腾水的表面相似。 如果继续提高气流速度，到了一定数值，则颗粒便为气流所夹带而从圆筒顶部被吹走，原来的床层不复存在，自然就无所谓上界面。这种状况，称为气力输送，如图14-1(d)所示。 二.流化床类似于液体的特性 从流化床所显示出的流化现象来看，很象沸腾中的液层，因此流化床又称沸腾床。实质上，处于流化状态下的颗粒群的确具有许多与液体相似的特性。例如，流化床不仅具有基本上呈水平的上界面，而且若将较轻的物体按进床层内部，则放开以后，轻物便冒出浮在界面上，如图14-2(a)、(b)所示；在床层的侧壁上开孔，固体颗粒可以像液体一样流出，如图14-2(c)所示；若将不等高的两流化床连通，两床的床面可以彼此拉平，如图14 -2(d) 所示；床层内部任何两点间的静压差， 化工原理考试题及答案 第三章非均相分离 ____________班级____________学号_____________成绩______________ 一、填空题： 1.（2分）悬浮液属液态非均相物系，其中分散内相是指_____________；分散外相是指______________________________。 ***答案*** 固体微粒，包围在微粒周围的液体 2.（3分）悬浮在静止流体中的固体微粒在重力作用下，沿重力方向作自由沿降时，会受到_____________三个力的作用。当此三个力的______________时，微粒即作匀速沉降运动。此时微粒相对于流体的运动速度，称为____________ 。 ***答案*** 重力、阻力、浮力代数和为零沉降速度 3.（2分）自由沉降是___________________________________ 。 ***答案*** 沉降过程颗粒互不干扰的沉降 4.（2分）当微粒在介质中作自由沉降时，若粒子沉降的Rep相同时，球形度越大的微粒，介质阻力系数越________ 。球形粒子的球形度为_________ 。 ***答案*** 小 1 5.（2分）沉降操作是使悬浮在流体中的固体微粒，在_________力或__________力的作用下，沿受力方向发生运动而___________ ，从而与流体分离的过程。 ***答案*** 重离心沉积 6.（3分）球形粒子在介质中自由沉降时，匀速沉降的条件是_______________ 。滞流沉降时，其阻力系数=____________. ***答案*** 粒子所受合力的代数和为零24/ Rep 7.（2分）降尘宝做成多层的目的是____________________________________ 。 ***答案*** 增大沉降面积，提高生产能力。 8.（3分）气体的净制按操作原理可分为_____________________________________ ___________________.旋风分离器属_________________ 。 ***答案*** 重力沉降、离心沉降、过滤离心沉降 9.（2分）过滤是一种分离悬浮在____________________的操作。 ***答案*** 液体或气体中固体微粒 10.（2分）过滤速率是指___________________________ 。在恒压过滤时，过滤速率将随操作的进行而逐渐__________ 。 ***答案*** 单位时间内通过单位面积的滤液体积变慢 11.（2分）悬浮液中加入助滤剂进行过滤的目的是___________________________ ___________________________________________________。 ***答案*** 在滤饼中形成骨架，使滤渣疏松，孔隙率加大，滤液得以畅流 12.（2分）过滤阻力由两方面因素决定：一方面是滤液本身的性质，即其_________；另一方面是滤渣层本身的性质，即_______ 。 ***答案*** μ γL 13.（2分）板框压滤机每个操作循环由______________________________________五个阶段组成。 ***答案*** 装合板框、过滤、洗涤、卸渣、整理 14.（4分）板框压滤机主要由____________________________________________，三种板按________________的顺序排列组成。 ***答案*** 滤板、滤框、主梁（或支架）压紧装置等组成 一、填空题 1．某颗粒的重力沉降服从斯托克斯定律，若在水中的沉降速度为u 1,在空气中为u 2，则u 1 u 2；若在热空气中的沉降速度为u 3，冷空气中为u 4，则u 3 u 4。(＞，＜，＝) 答：μρρ18) (2-= s t g d u ，因为水的粘度大于空气的粘度，所以21u u < 热空气的粘度大于冷空气的粘度，所以43u u < 2．用降尘室除去烟气中的尘粒，因某种原因使进入降尘室的烟气温度上升，若气体质量流量不变，含尘情况不变，降尘室出口气体含尘量将 （上升、下降、不变），导致此变化的原因是1） ；2） 。 答：上升， 原因：粘度上升，尘降速度下降； 体积流量上升，停留时间减少。 3．含尘气体在降尘室中除尘，当气体压强增加，而气体温度、质量流量均不变时，颗粒的沉降速度 ，气体的体积流量 ，气体停留时间 ，可100%除去的最小粒径min d 。（增大、减小、不变） 答：减小、减小、增大，减小。 ρξρρ3)(4-= s t dg u ，压强增加，气体的密度增大，故沉降速度减小， 压强增加， p nRT V = ，所以气体的体积流量减小， 气体的停留时间 A V L u L t s /= = ，气体体积流量减小，故停留时间变大。 最小粒径在斯托克斯区 )(18min ρρμ-= s t g u d ，沉降速度下降，故最小粒径减小。 4．一般而言，同一含尘气以同样气速进入短粗型旋风分离器时压降为P 1，总效率为1η，通过细长型旋风分离器时压降为P 2，总效率为2η，则：P 1 P 2， 1η 2η。 答：小于，小于 5．某板框过滤机恒压操作过滤某悬浮液，滤框充满滤饼所需过滤时间为τ，试推算下列情况下的过滤时间τ'为原来过滤时间τ的倍数： 1）0=s ，压差提高一倍，其他条件不变，τ'= τ； 2）5.0=s ，压差提高一倍，其他条件不变，τ'= τ； 3）1=s ，压差提高一倍，其他条件不变，τ'= τ； 1）0. 5；2）0.707；3）1 s p -?∝1)/(1τ，可得上述结果。 6．某旋风分离器的分离因数k=100，旋转半径R=0.3m ，则切向速度u t = m/s 。 答：17.1m/s 7．对板框式过滤机，洗涤面积W A 和过滤面积A 的定量关系为 ，洗水走过的 距离w L 和滤液在过滤终了时走过的距离L 的定量关系为 ，洗涤速率（W d dV )θ和终了时的过滤速率E d dV )( θ的定量关系为 。 答案： A A w 21= ；L L w 2=; (W d dV )θ=E d dV )(41θ 8．转筒真空过滤机，转速越大，则生产能力就越 ，每转一周所获得的滤 非均相物系的分离 一、填空题： ⒈ 除去液体中混杂的固体颗粒，在化工生产中可以采用重力沉降、 离心沉降、过滤等方法（列举三种方法）。 ⒉ 粒子沉降过程分 加速阶段和 恒速 阶段。沉降速度是 指加速阶段终了时，粒子相对于流体的速度。 ⒊ 在除去某粒径的颗粒时，若降尘室的高度增加一倍，则沉降 时间增大一倍、气流速度减小一倍，生产能力_不变。 ⒋ 含尘气体通过长为4m ，宽为3m ，高为1m 的除尘室，已知颗粒的 沉降速度为0.03m/s ，则该除尘室的最大生产能力为0.36 m 3 /s 。 ⒌ 选择旋风分离器形式及决定其主要尺寸的依据是含尘气体流量、 要求达到的分离效率和允许压降。 ⒍ 评价旋风分离器性能好坏有两个主要指标，一是分离效率， 一是气体经过旋风分离器的压降。 ⒎ 对恒压过滤，当过滤面积A 增大一倍时，如滤饼不可压缩得到 相同滤液量时，则过滤速率)d d (τ V 增大为原来的 四 倍，如滤饼可压缩， 过滤速率)d d (τ V 增大为原来的 四 倍。 t v Au q =u L LBH ＝ ＝v v r q q AH =τt t u H = τs o P r r ?=) (2d d e 2 V V KA V +=τφμ r P K ?=2 ⒏ 回转真空过滤机，整个转鼓回转操作时大致可分为过滤区、洗涤脱水区 和_卸渣区三个区域。 9. 回转真空过滤机，回转一周所需时间为T ，转鼓的表面积为A ， 转鼓的沉浸度为φ，则一个过滤周期中，过滤时间为ΨT ，过滤面积为A 。 ⒑ 间歇过滤机的生产能力可写为Ｑ＝Ｖ／∑τ，此处Ｖ为一个操作循环中 得到的滤液体积，∑τ表示一个操作循环所需的总时间，∑τ等于 一个操作循环中过滤时间τ，洗涤时间τW 和辅助时间τ D 三项之和。 ⒒ 临界粒径是指在理论上能被完全分离下来的最小颗粒直径。 二、选择题： ⒈ 密度相同而直径不同的两球形颗粒在水中自由沉降。沉降处于层流区， 大颗粒直径d 1是小颗粒直径d 2的两倍，则沉降速度D 。 A) u t1 = u t2 ； B) u t1 = 2u t2 ； C) u t1 =2u t2 ； D) u t1 = 4u t2 。 ⒉ 降尘室的生产能力A 。 A) 只与沉降面积A 和颗粒沉降速度t u 有关； B)与A ，t u 及降尘室高度H 有关； C) 只与沉降面积A 有关； D) 只与t u 和H 有关。 ()μ ρρ182 -=P P t gd u t v Au q = 非均相物系分离习题及答案 1、试计算直径为30μm 的球形石英颗粒（其密度为2650kg/ m 3 ），在20℃水中和20℃常压空气中的自由沉降速度。 解：已知d =30μm 、ρs =2650kg/m 3 （1）20℃水 μ=1.01×10-3Pa ·s ρ=998kg/m 3 设沉降在滞流区，根据式（2-15） m/s 1002.810 01.11881.9)9982650()1030(18)(43262---?=???-??=-=μρρg d u s t 校核流型 )2~10(1038.210 01.19981002.8103042346-----∈?=?????==μρ t t du Re 假设成立， u t =8.02×10-4m/s 为所求 （2）20℃常压空气 μ=1.81×10-5Pa ·s ρ=1.21kg/m 3 设沉降在滞流区 m/s 1018.710 81.11881.9)21.12650()1030(18)(25262---?=???-??=-=μρρg d u s t 校核流型： )2~10(144.010 81.121.11018.710304526----∈=?????==μρ t t du Re 假设成立，u t =7.18×10-2m/s 为所求。 2、密度为2150kg/ m 3的烟灰球形颗粒在20℃空气中在滞流沉降的最大颗粒直径是多少？ 解：已知ρs =2150kg/m 3 查20℃空气 μ=1.81×10-5Pa.s ρ=1.21kg/m 3 当2==μρ t t du Re 时是颗粒在空气中滞流沉降的最大粒径，根据式（2-15）并整理 218)(23==-μρμ ρρρt s du g d 所以 化工原理单元练习（三） （第三章机械分离与固体流态化） 班级学号姓名 一、填空题 1、描述单个非球形颗粒的形状和大小的主要参数为、。 2、固体颗粒在气体中自由沉降时所受的力有力、力和 力。固体颗粒的自由沉降分为阶段和阶段。 3、沉降速度是指，此速度亦称为速度。 4、在斯托克斯定律区，颗粒的沉降速度与流体黏度的次方成反比，在牛顿定律区，颗粒的沉降速度与流体黏度的次方成反比。 5、降尘室的设计原则是时间大于等于时间。 6、理论上降尘室的生产能力与和有关，而与无关。 7、分离因数的定义式为。如果颗粒在离心力场内作圆周运动，其旋转半径为0.2m，切线速度为20m/s，则其分离因数为。 8、选用旋风分离器时主要依据是、、。 9、旋风分离器的分割粒径d50是。 10、描述固体颗粒床层特性的主要参数有、、 和。 11、过滤方式主要有、和。 12、板框过滤机由810m m×810m m×25mm的20个框组成，则其过滤面积为。 13、板框过滤机处理某悬浮液，已知过滤终了时的过滤速率 E d dV ? ? ? ? ? θ 为0.04m3/s，现采用横穿洗涤法洗涤10min，洗涤时操作压力差与过滤时相同，洗水和滤液为相同温度的水，则洗涤速率 W d dV ? ? ? ? ? θ 为，所消耗的洗水体积为。 14、用38个635m m×635m m×25mm的框构成的板框过滤机过滤某悬浮液，操作条件下的恒压过滤方程为：θ4 210 3 06 .0- ? = +q q，式中q的单位为m3/m2，θ的单位为s。则过滤常数K= ，V e= 。 15、用叶滤机过滤固含量10%（体积分数）的某悬浮液，已知形成的滤饼的空隙率为50%，则滤饼体积与滤液体积之比υ= 。 16、根据分离因数可将离心机分为、和。 17、流体通过固体颗粒床层时，当气速大于速度、小于速度时，固体颗粒床层为流化床。 18、流化床的两种流化形式为和。 19、流化床的不正常现象有和。 20、气力输送按气流压力分类，可分为和。按气流中固相浓度分类，可分为和。 二、选择题 1、颗粒的球形度越（），说明颗粒越接近于球形。 A．接近0 B．接近1 C．大D．小 2、在重力场中，微小颗粒沉降速度与（）无关。 A．颗粒几何形状B．粒子几何尺寸 C．流体与粒子的密度D．流体流速 3、一球形固体颗粒在空气中作自由沉降，若沉降在斯托克斯定律区，空气的温度提高时，颗粒的沉降速度将（）。若沉降在牛顿定律区，空气的温度提高时，颗粒的沉降速度将（）。忽略温度变化对空气密度的影响。 A．不变B．增加C．减小D．不确定 4、在斯托克斯定律区，颗粒的沉降速度与其直径的（）次方成正比。 实验十一 固体流态化实验 一、实验目的 1.观察散式和聚式流态化现象； 2.测定液固与气固流态化系统中流体通过固体颗粒床层的压降和流速之间的关系。 二、基本原理 流体（液体或气体）自下而上通过一固体颗粒床层，当流速较低时流体自固体颗粒间隙穿过，固体颗粒不动；流速加大固体颗粒松动，流速继续增大至某一数值，固体颗粒被上升流体推起，上下左右翻滚，作不规则运动，如沸腾状，此即固体流态化。 液固系统的流态化，固体颗粒被扰动的程度比较平缓，液固两相混合均匀，这种流化状态称为“散式流态化”；气固系统的流态化，由于气体与固体的密度差较大，气流推动固体颗粒比较困难，大部分气体形成气泡穿过床层，固体颗粒也被成团地推起，这种流化状态称为“聚式流态化”。 流态化床层的压降可由下式表达： g L P s )1)((ερρ--=? 对于球形颗粒，起始流化速度（又称临界流速）可由下式表达： μρρg d u s p mf )(00059 .02-= 以上两式中：L ——床层高度，m ； ρs ——固体颗粒密度，kg/m 3； ρ——流体密度，kg/m 3； ε——床层空隙率； g ——重力加速度，m/s 2； d P ——固体颗粒平均直径，m ； μ——流体粘度，N ·s/m 2。 由以上两式可知，影响流化床层和起始流化速度的因素主要为床层高度、流体与颗 粒的密度、颗粒空隙率和颗粒尺寸、流体粘度等。另外可根据佛鲁德准数（P 2mf mf gd u )Fr ( 判断两种流化状态，（Fr ）mf 小于1时为散式流态化，大于1时为聚式流态化。上述各关 系可以通过实验进行验证。 三、实验装置 实验装置流程见附图所示，分液固和气固两种流化床，均为矩形透明有机玻璃结构，床层横截面积尺寸为150×20mm ，分布板上放置约1公斤φ575μm 玻璃球固体颗粒。液固系统的水由旋涡式水泵自塑料水箱抽取经转子流量计送入流化床底部，床层压降由倒置的U 型管压差计计量，流经床层的水由顶部溢流槽流回水箱。气固系统的空气由离心式鼓风机送来，经孔板流量计 （孔径φ9mm ，管径24.8mm ）送入流化床底部，孔板压差 固体流态化实验 4 固体流态化实验 4.1 实验目的 (1) 掌握测定颗粒静态床层时的静床堆积密度ρ和空隙率ε的方法; b (2) 测定流体通过颗粒床层时的压降Δp与空塔气速u的曲线和临界流化速u; mmf4.2实验原理 4.2.1 固定床 1) 基本概念 当流体以较低的空速u通过颗粒床层时床层仍处于静止状态，称这种固体颗粒床层为固定床。床层的静态特性是研究床层动态特性和规律的基础，其主要的特征有静床堆积密度ρ和空隙率ε两个，它们的定义分别如下: b 1. 静床堆积密度:ρ=M/V, 它由静止床层中的固体颗粒的质量M除以静止床层的体积V计b 算而得。ρ数值的大小与床层中颗粒的堆积松紧程度有关，因此ρ在流体通过颗粒床层时bb 不是一个定值，如颗粒床层在最紧与最松两种极限状态时，ρ就有两种数值，它们的大小b 在床层最紧与最松时分别测量出相应的床层高度就可以计算得到。 2. 静床空隙率ε : ε=1–(ρ/ρ), 它是由颗粒的静床堆积密度ρ和固体颗粒密度ρbsbs计算而得。 2) 固定床阶段压降Δp与空速u的关系 m 当流体通过固定床的空速较小时，床层的高度基本不变;当流体空速趋于某一 临界速度时，颗粒开始松动，床层才略有膨胀。因此，在此临界速度以前，单位高 度的床层的压降(Δp/L)与空速u的关系可由欧根公式来表示，并把欧根公式改写成如下形式: m 2,p,,u(1,),(1,),m (1) ,K，K12332uL,d,,d,()mm 式(1)中，以实验数据的空速u为横坐标，以(Δp/uL)为纵坐标画图得一直线，从直线的m 斜率中求出欧根系数K，从直线的截距中计算出欧根系数K。 21 4.2.2 流化床 1) 基本概念 当流体空速趋近某一临界速度u时，颗粒开始松动，床层略有膨胀，床层高度有所增mf 加;当空速继续加大，此时固体颗粒悬浮在流体中作上下、自转、摇摆等随机运动，好象沸腾的液体在翻腾，此时的颗粒床层称为流化床或沸腾床，临界速度u 称为起始流化速度。 mf 流化床现象在一定的流体空速内出现，在此流速范围内，随着流速的加大，流化床高度不断增加，床层空隙率相应增大。流化床根据流体有性质不同，可分为以下两种类型。 1. 散式流化——若流化床中固体颗粒均匀地分散于流体中，床层中各处空隙率大致相等， 床层有稳定的上界面，这种流化型式称为散式流化。当流体与固体的密度相差较小时会 发生散式流化，如液-固体系。 2. 聚式流化——对气固体系，因流化床中气体与固体的密度相差较大，气体对固体的浮力很小，气体对颗粒的支撑主要靠曳力，此时气体通过床层主要以大气泡的形式出现，气泡上升到一定高度处会自动破裂，造成床层上界面有较大的波动，这种气固体系的流态化称为聚式流化。 固体流态化实验装置实验指导书 固体流态化实验 一．实验目的 1. 观察聚式和散式流态化的实验现象。 2. 学会流体通过颗粒层时流动特性的测量方法。 3. 测定临界流化速度，并作出流化曲线图。 二．基本原理 流态化是一种使固体颗粒通过与流体接触而转变成类似于流体状态的操作。近年来，这种技术发展很快，许多工业部门在处理粉粒状物料的输送、混合、涂层、换热、干燥、吸附、煅烧和气－固反应等过程中，都广泛地应用了流态化技术。 1. 固体流态化过程的基本概念 如果流体自下而上地流过颗粒层，则根据流速的不同，会出现三种不同的阶段，如图12－1所示。 （a）固定床（b）流化床（c）气力输送 图12－1流态化过程的几个阶段 固定床阶段如果流体通过颗粒床层的表观速度（即空床速度）u较低，使颗粒空隙中流体的真实速度u1小于颗粒的沉降速度u t，则颗粒基本上保持静止不动，颗粒称为固定床。如图12－1（a）。 流化床阶段当流体的表观速度u加大到某一数值时，真实速度u1比颗粒的沉降速度u t大了，此时床层内较小的颗粒将松动或“浮起”，颗粒层高度也有明显增大。但随着床层的膨胀，床内空隙率ε也增大，而u1＝u/ε,所以，真实速度u1随后又下降，直至降到沉降速度u t为止。也就是说， 一个明显的上界面，与沸腾水的表面相似，这种床层称为流化床。如图12－1（b）。 因为流化床的空袭率随流体表观速度增大而变大，因此，能够维持流化床状态的表观速度可以有一个较宽的范围。实际流化床操作的流体速度原则上要大于起始流化速度,又要小于带出速度，而这两个临界速度一般均由实验测出。 颗粒输送阶段如果继续提高流体的表观速度u，使真实速度u1大于颗粒的沉降速度u t，则颗粒将被气流带走，此时床层上界面消失，这种状态称为气力输送。如图12－1（c）。 2．固体流态化的分类 流态化按其性状的不同，可以分成两类，即散式流态化和聚式流态化。 散式流态化一般发生在液－固系统。此种床层从开始膨胀直到气力输送，床内颗粒的扰动程度是平缓地加大的，床层的上界面较为清晰。 聚式流态化一般发生在气－固系统，这也是目前工业上应用较多的流化床形式。从起始流态化开始，床层的波动逐渐加剧，但其膨胀程度却不大。因为气体与固体的密度差别很大，气流要将固体颗粒推起来比较困难，所以只有小部分气体在颗粒间通过，大部分气体则汇成气泡穿过床层，而气泡穿过床层时造成床层波动，它们在上升过程中逐渐长大和互相合并，到达床层顶部则破裂而将该处的颗粒溅散，使得床层上界面起伏不定。床层内的颗粒则很少分散开来各自运动，而多是聚结成团地运动，成团地被气泡推起或挤开。 图12－2聚式流态化 聚式流化床中有以下两种不正常现象： 腾涌现象如果床层高度与直径的比值过大，气速过高时，就容易产生气泡的相互聚合，而成为大气泡，在气泡直径长大到与床径相等时，就将床层分成几段，床内物料以活塞推进的方式向上运动，在达到上部后气泡破裂，部分颗粒又重新回落，这即是腾涌，又称节涌。腾涌严重地降第十四章 固体流态化现象
化工原理非均相分离试题及答案
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非均相物系的分离习题
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第三章 机械分离与固体流态化练习题
固体流态化实验
固体流态化实验
固体流态化实验指导书
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