化工原理第三章機械分離

1、第三章 機械分離學(xué)時數(shù)：10 學(xué)時機械分離： 非均相物系的分離 流體與固體顆粒間的相對運動過程1. 機械分離在化工中的普遍性： 氣液、氣固、液固、固固、液液。 固體流化、顆粒氣力輸送。2. 均相物系與非均相物系：以分子尺度的混合為參照來定義。 另：擬均相介于二者之間的混合物。如乳化液。3. 非均相物系中的連續(xù)相與分散相。 連續(xù)相（分散介質(zhì)）：主要是對液體和氣體固體的非均相而言。如：分散相連續(xù)相（分散介質(zhì)）含塵氣流塵粒氣體氣固非均相懸濁液固體顆粒液體（水）液固非均相A固體+B固體A、B固固非均相乳化油水（當(dāng)水/油量?。┯鸵阂悍蔷嗪蛷U水油（當(dāng)油/水量?。┧阂悍蔷嗔蛩犰F硫酸液滴氣體氣液非均相

2、4. 非均相分離的目的： 精制 回收產(chǎn)品 凈化環(huán)境5. 非均相分離的基本方法： 機械分離 篩分、沉降、過濾、離心 電磁法 磁選、靜電、（除塵）、電磁化 物理化學(xué)法 浮選、吸咐第一節(jié) 篩分3-2. 固體顆粒： 1. 顆粒的大?。６龋┝６瘸叽绲谋硎荆捍诸w粒：mm細顆粒：篩孔號表示超細顆粒：m粒度的測量方法：篩析統(tǒng)計測量法沉降速度計算法2. 標(biāo)準(zhǔn)篩： 泰勒篩 篩號：（目數(shù)） 每英寸篩網(wǎng)上的孔數(shù)。3. 粒度分布： 即表示某一粒度（粒徑）或某一粒徑范圍的顆粒占總顆粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的一種函數(shù)關(guān)系。常用粒度分布曲線圖表示。（又稱粒度頻率分布）4. 平均粒度的統(tǒng)計方法： 長度平均粒徑（算術(shù)平均粒徑）設(shè)顆粒真密度

3、為，總質(zhì)量為m，則：對于篩析結(jié)果，其統(tǒng)計公式為： 表面積平均粒徑： 目的和作用：用于與表面積有關(guān)的過程描述，如：吸咐、吸收定義： 體積平均粒徑： 比表面平均粒徑（又稱邵特Sauter平均直徑）5. 非球形顆粒粒度的表示： 當(dāng)量直徑：即用與顆粒體積、表面、比表面、投影面或投影線長相等的球形顆粒直徑表示的非球形顆粒直徑。 球形度：對正方體： = 0.805對正圓柱體： = 0.874對一般顆粒： = 0.6 0.7液體顆粒（在另一液體中） = 0.95 0.98 或 1.03-3. 篩：（分滾動篩和振動篩） 分離直徑：dc 臨界分離粒徑 篩的生產(chǎn)能力 單位時間單位篩析面積所通過的物料量。 Ms =

4、 m/ ms = kdc（dc 亦可理解為篩孔尺寸） 一方面：質(zhì)量 顆粒本身體積 di3 另一方面：過篩的質(zhì)量 過篩面積di2即分離的顆粒或篩孔越小，篩分越困難，生產(chǎn)能力越小。故：第二節(jié) 沉降學(xué)時數(shù)：4 學(xué)時沉降：顆粒物質(zhì)受重力、離心力、或其他電、磁力而從分散介質(zhì)中分離的過程稱為沉降。常有：重力沉降：分離顆粒較大的物質(zhì)離心沉降：粒度較小的物質(zhì)3-4. 重力沉降速度 顆粒沉降的基本假定 顆粒為球形 各顆粒沉降時互不干擾（自由沉降，反之為干擾沉降） 容器壁效率忽略 分子布朗熱運動對沉降無影響 顆粒沉降過程受力：重力：浮力：阻力：合力： 顆粒沉降過程速度變化： 加速沉降：時間非常短，可以忽略。 等速

5、沉降：合外力為0。 于是在等速沉降階段： 阻力系數(shù)法： 根據(jù)前述因次分析法可知：運動阻力：表面阻力 低速階段形體阻力 高速階段 實際測得：a. 當(dāng)Re0.3時，（天大：0.01Re1.0）,流體為層流。b. 當(dāng)0.3Re1000（天大：1.0Re500），流體在湍流區(qū)d. 當(dāng) Re2105 時 高度湍流區(qū)（邊界層內(nèi)為湍流）高度湍流區(qū)在沉降中很少出現(xiàn)。討論：公式中u0的相對性。靜止、運動、相對運動（同方向、反方向） 計算：a.計算u0的方法 (已知d)試差法：先按層流公式求u0 ，核對Re，再按Re大小用相應(yīng)公式計算，直至準(zhǔn)確為止。查圖計算法：由再由 求 u0b.計算d的方法 （已知u0）試差：

6、查圖計算：由 查圖求相應(yīng)的Re數(shù) 先按層流 公式 d Re查圖求相應(yīng)的Re數(shù)再由 計算d 關(guān)于分級沉降b.豎流沉降：a.平流沉降:風(fēng)車分離稻谷（豐實谷粒、半豐粒、癟殼、稻草葉、茸毛葉）c.密度為a、 b的固體顆粒完全分離時粒徑比db/da層流：或湍流：層流： ； 湍流 n = 1 ；過渡狀態(tài) n = 1/1.60分離條件： 關(guān)于非球形顆粒的沉降和干擾沉降及壁效應(yīng) a. 對于非球形顆粒：沉降存在方位問題，采用球形度系數(shù)對計算進行修正。結(jié)果仍只是粗略的。討論（魚的頭尾形狀問題） b. 干擾沉降的原因： 由于小顆粒在介質(zhì)中分散，流體粘度、密度、有所增加；受力（浮力、阻力）增大 沉降時，相鄰顆粒對運動

7、相互影響。 c. 校正方法：按自由沉降計算。參照密度或粘度進行校正。 壁效應(yīng)：壁面曳力 物理學(xué)角度表現(xiàn)為固固運動摩擦，屬弱電作用力。3-5. 沉降室重力沉降室 a. 特點：結(jié)構(gòu)簡單、效率低、設(shè)備龐大。 適用場所：初級除塵。d75 m（也有d 40 m ）的場所。 b. 沉降室的設(shè)計計算（平流式沉降室） 分離條件： t1沉降時間氣流平均停留時間t2 即：又：故： 結(jié)論： 對于一定體積（容積）的平流式沉降室，其沉降能力Q與沉降器面積成正比，而與沉降室深度無關(guān)（淺池原理）。 顆粒沉降速度越大（即粒徑越粗或密度越大），則相同的沉降室生產(chǎn)能力Q越大。 結(jié)論的應(yīng)用： 根據(jù)結(jié)論，發(fā)展了多層平行隔板式與斜板式

8、沉降室。 工業(yè)中氣流水平速度u一般取0.5 1.5或0.5 3.0m/s范圍。視顆?？潭?而定。顆粒粒度及密度越大相應(yīng)的水平流速越大。c. 豎流式沉降槽的設(shè)計計算 別名：沉降槽、增稠器、增濃器、濃縮池。 主要部件：槽體、溢流堰、耙及刮板、進料分配筒。 特點：連續(xù)化、機械化、處理能力大、設(shè)備及占地大、效率低。 特適用場所：初級懸濁液凈化分離。 設(shè)計計算： W 固體質(zhì)量流量 kg/h X 固液質(zhì)量比 kg固/kg液體（清） 液體密度 kg清液/m3清液 A0 沉降槽截面積A-A截面上：上流液體的平均流速流體流量流體質(zhì)量流量任一截面底流固-液質(zhì)量比設(shè)A-A截面上顆粒沉降速度為u0。 則：在正常沉降時

9、須使uAu0 即：式中：CX 懸浮液濃度 kg/m3懸浮液對含1kg固體的懸浮液進行體積計算：即 懸浮液體積 = 固體體積 + 清液體積因C、X及u0隨截面位置變化，故各截面上所計算得到的A值亦有差別。為了保證操作可靠，須取A0最大值者為準(zhǔn)。且考慮一定安全系數(shù) s =1.21.5。即：A=（1.21.5）A0 3-6. 懸浮液的沉聚 絮凝沉降（混凝原理） P 151152 略（自學(xué)） 作業(yè)：P203 3、4、5（天大）， 例：3-4 P150 3-5 P154 略 3-7. 離心沉降分離 1. 離心沉降速度 離心力場中顆粒的受力平衡分析：慣性離心力：顆粒受流體浮力：沉降阻力：式中：A 顆粒在沉

10、降方向的投影面積。 對球形顆粒m流 顆粒排開流體質(zhì)量 ms 顆粒質(zhì)量在等速沉降過程：Fc = Ff + F阻 離心沉降與重力沉降的比較 分離因數(shù) 當(dāng) Re1. 0（層流時）于是： 越大、Fc越大。對于分離同一物系，則所需的設(shè)備尺寸減小或生產(chǎn)能力增大。 離心設(shè)備的性能常用值表示。 由 ut = r = 2nr 及 D = 2r 可得u離/u重 = n 氣體離心設(shè)備 旋風(fēng)分離器 液體離心設(shè)備 離心沉降離心過濾 過濾章節(jié)內(nèi)容層流時n = 1/2過渡流 0.5n dc者，全部去除 對于顆粒直徑d dc者，部分去除 分級效率與粒徑的關(guān)系：總效率與分級效率的關(guān)系：因xi 粒徑為di的顆粒占全部顆粒質(zhì)量分率

11、。 壓降損失（阻力）對標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)器：A、B 進口截面積D1 排氣管直徑 旋風(fēng)器的選型： 型式：CLT 水平出口旋至進口 CLT/A 傾斜出口旋至進口 CLP 帶旁路分離室蝸殼式進口，分A、B二類型。 CLZ 軸向進口 CLK 擴散旋風(fēng)思考題：分離器漏風(fēng)時，即漏風(fēng)系數(shù) 0，對除塵效率和效果如何影響？選型主要參數(shù)：處理氣量壓降粘光性質(zhì)（密度、粒度、磨損腐蝕性等）總?cè)コ剩ɑ蚰骋环旨壭?，在已知要去除的顆粒粒度要求時）3-10. 旋液分離器 旋流器（自學(xué)） P161 略第三節(jié) 過濾學(xué)時；4 學(xué)時3-11. 概述 1.重力沉降的不足：沉降時間長、脫除分離不徹底、固體物含水率高、設(shè)備龐大占地。 發(fā)展：

12、 離心沉降； 過濾：壓濾、真空過濾、離心過濾。 2. 過濾原理及方法： 原理：使懸浮液在外力（壓力、重力、真空或離心力）作用下強制通過多孔（毛細孔）過濾介質(zhì)（濾布、濾餅），從而將其中懸浮顆粒截留。濾漿：需過濾的懸浮液濾渣（濾餅）：被截流的固體顆粒物濾液：過濾后清液方法： 深層過濾：濾餅在過濾介質(zhì)內(nèi)部形成。如自來水過濾（砂濾池），處理較清潔液體。（ 1%) 架橋現(xiàn)象及作用3. 過濾介質(zhì)與助濾劑： a. 過濾介質(zhì)的要求： 多孔、阻力小、有良好的截留分離作用。 性能穩(wěn)定、耐熱耐腐。 強度高。 常用過濾介質(zhì)： 織物狀介質(zhì) 濾布。如：棉、毛、麻、尼綸及其他纖維。 粒狀介質(zhì) 砂、木炭。 多孔介質(zhì) 陶瓷、塑

13、料微孔板。 網(wǎng)狀介質(zhì) 金屬絲網(wǎng)。 b. 助濾劑：主要是對濾餅作支承作用。防止可壓縮性濾餅堵塞毛細孔。 材料：硅藻土、珍珠巖 使用方法： 預(yù)涂在過濾介質(zhì)上加入懸浮液中同時過濾3-12. 過濾設(shè)備 板框壓濾機： 結(jié)構(gòu)：板框、非洗板（過濾板）（1鈕）、框（2鈕）、洗板（3鈕） 排列：按1-2-3-2-1-2順序排列特點：間歇作業(yè)：裝 壓 洗 卸 整 五階段壓力大：35 kgf/m2 最高 15kgf/m2 過濾面積大：近100 m2 占地少、濾餅含水率低 20%設(shè)備笨重、勞動強度高、生產(chǎn)能力有限 葉濾機（內(nèi)濾式）：略 真空轉(zhuǎn)筒過濾： 結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)筒長/徑 = 0.5 2.0，軸速n = 0.1 (23)

14、轉(zhuǎn)/分特點：連續(xù)作業(yè)：每轉(zhuǎn)一周包括：過濾 洗滌 吸干 吹松 刮渣 五個階段 且各階段同時進行。轉(zhuǎn)筒體積大：過濾面積?。ㄅc相同體積板框式比較）推動力?。?1atm（真空）濾餅含液率高：可達4050%3-13. 過濾基本理論： 1. 過濾速度 定義：單位時間單位過濾面積所通過的濾液（清液）量。（過濾速度）關(guān)于過濾速率與過濾速度在天大教材中明確規(guī)定為過濾速率 天大姚為過濾速率 華東陳、清華蔣、浙大譚教材中認(rèn)為為過濾速率2. 液體通過濾渣層的流動 簡化流動模型： 層流直管中流動阻力 泊稷葉Poiseulle公式即 濾渣層中流動特點：I 濾渣層中存在曲折流動通道 （基本事實1）II 通道很小、流速很低（

15、基本事實2）III 層流（基本假定）則：又設(shè)： 床層空隙率為 （m3空隙/ m3床層表觀體積） 顆粒比表面積a0，對顆粒則：由定義可知：康采尼Kozeny常數(shù) K1 = 510%令：Kozeny公式，r稱為比阻，難于測定則：Darcy公式 即過濾速度方程比阻單位：r （1/m2）定義：濾渣層阻力 R = rL 單位（1/m）, L為渣層厚度（m） 3. 過濾基本方程： a. 設(shè)：c 單位體積濾液所具有的濾渣表觀體積（ m3渣/ m3濾液） V 濾液體積（清液） 則：濾渣體積V = cV = LA 即b. 同理：對于過濾介質(zhì)其阻力可虛擬為一厚度為Le的濾餅所具有的阻力 即有：式中：Ve 虛擬濾液

16、量，即產(chǎn)生相當(dāng)于過濾介質(zhì)阻力Le時所獲得的濾液量。故又稱當(dāng)量濾液量。實際上是不存在的。c. 過濾總推動力與總阻力：故：d. 過濾基本方程：或：e. 恒壓過濾方程： 對于一定懸浮液、r、c為定值，當(dāng)采用恒壓過濾時 P總 = 常數(shù), 令：k、K 均稱過濾常數(shù)于是積分上式： ：0 e V：0 Ve Ve2 = KA2 e （a） ：0 V：0 V V2+2VeV = KA2 （b）將（a）式代入得: (V+Ve)2 = KA2( + e ) （c） 若令 q = V/A，即單位過濾面積所獲得的濾液量，又稱濾液通量。 則： (q + qe)2 = K( + e )2 （d）恒壓過濾速率方程f. 可壓縮

17、濾渣及其比阻 對不可壓縮濾渣：r= 常數(shù) = r 對可縮性濾渣： r= rPs，s 壓縮性指數(shù)S的取值： 見表3-3 P173g. 過濾常數(shù) K、qe的測定：（化工原理實驗九 P40） 微分：(q + qe)2 = K( + e ) 得：方法 a. 若已知A，測得V與 的對應(yīng)關(guān)系，則可算得q 關(guān)系。繪圖如右上： b. 對應(yīng)一點q0作切線即為 在d /dq q 座標(biāo)中繪點（ d /dq ，q） c. 重復(fù)步驟 b 8 10次 d. 在右下圖中連直線求斜率和截距按最小二乘法求直線斜率與截距 e. 斜率截距方法 a. 將微分改為增量： 則： b. 測定一系列： 1 ， 2 ， n q1 ， q2 ，

18、 qn c. 計算 、 q： 1 ， 2 ， n-1 q1 ， q2 ， qn-1 d. 計算 / q： 1/ q1 ， 2/ q21 , n-1/ qn-1 e. 對應(yīng)( / q)i (i+ i+1)/2最小二乘法求斜率、截距作圖求斜率、截距f. 同方法中e思考題： 如何求可壓縮性指數(shù)S？ 自重力變壓（減壓）過濾方程？方法 積分法故：即：關(guān)于思考題 的解答： 設(shè)：C 懸浮液濃度，m3固體/ m3清液 V0 初始懸浮液體積 m3 Ve 0于是：又：故：積分： ：0 e V：0 Ve 式中：3-14. 過濾計算 1. 間歇過濾和計算： a. 操作周期 C = 過濾時間F + 洗滌時間w +裝卸時間R 洗滌速率與洗滌方式有關(guān)置換洗滌：洗水與濾液通道相同 過濾終速 = 1倍洗滌速度（洗滌過程壓力與過濾過程相同且維持不變，下同）橫穿洗滌： 洗水穿過濾餅厚度等于2倍過濾終了時濾餅厚度 洗水流通截面等于1/2濾液通道截面 洗滌速度 = 1/4倍過濾終速(前提條件同上)橫穿洗滌法置換洗滌法b. 最佳操作周期： 設(shè)過濾介質(zhì)阻力為0 則q2 = K，過濾終速：洗滌速率： 視洗滌方式而定：對置換法 = 1； 橫穿法 = 1/