化工原理課件第三章 機械分離和固體流態(tài)化

第三章機械分離(fēnlí)和固體流態(tài)化教學(xué)要求§3-0概述§3-1顆粒及顆粒床層的特性§3-2沉降過程(guòchéng)§3-3過濾復(fù)習(xí)化工原理1機械分離和固體流態(tài)化精品資料教學(xué)要求重點：沉降速率的計算；過濾(guòl(fā)ǜ)基本方程及恒壓過濾(guòl(fā)ǜ)計算。覆蓋內(nèi)容：顆粒及顆粒群的性質(zhì)（體積、表面積、比表面積、空隙率及平均自由截面積）；沉降的基本概念（重力沉降、離心沉降、自由沉降和干擾沉降）；沉降速度的計算；旋風(fēng)分離器的性能參數(shù)（臨界直徑、分離效率、粒級率、分割直徑）；降沉室的結(jié)構(gòu)與設(shè)計，旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)特點分離原理及設(shè)計方法。過濾(guòl(fā)ǜ)操作的基本概念，過濾(guòl(fā)ǜ)基本方程及計算（濾液量、過濾(guòl(fā)ǜ)時間、洗滌時間和生產(chǎn)能力）；常用過濾(guòl(fā)ǜ)設(shè)備（板筐壓濾機、葉濾機和回轉(zhuǎn)真空過濾(guòl(fā)ǜ)機）的結(jié)構(gòu)特點；過濾(guòl(fā)ǜ)常數(shù)的測定方法?；?huàgōng)原理2機械分離和固體流態(tài)化精品資料混合物分類(fēnlèi)機械分離的兩種操作(cāozuò)方式§3.0概述一種物質(zhì)以分子、離子狀態(tài)均勻分散在另一種物質(zhì)中。有明顯相界面；不同相間有明顯的物理化學(xué)性質(zhì)差異。通過施加適當(dāng)外力使兩相間發(fā)生相對運動，實現(xiàn)非均相混合物的分離。化工原理3機械分離和固體流態(tài)化精品資料1回收(huíshōu)有價值的分散物質(zhì)2凈化分散介質(zhì)以滿足生產(chǎn)工藝要求3環(huán)境保護和安全生產(chǎn)工業(yè)(gōngyè)上分離非均相混合物的目的：化工原理4機械分離和固體流態(tài)化精品資料§3.1顆粒(kēlì)及顆粒(kēlì)床層和特性§3.1.1顆粒的特性(tèxìng)一、單一顆粒的大小和形狀1、球形顆?；ぴ?機械分離和固體流態(tài)化精品資料2、非球形顆粒(kēlì)S----與實際(shíjì)顆粒體積相等的圓球的表面積；SP----顆粒的實際(shíjì)表面積以某種特性相當(dāng)?shù)那蛐晤w粒代表，相應(yīng)的球的直徑稱當(dāng)量直徑。當(dāng)量直徑化工原理6機械分離和固體流態(tài)化精品資料二、顆粒(kēlì)群的特性對球形顆粒，以一個參數(shù)即顆粒直徑dp便可唯一地確定其體積、表面積和比表面積；對非球形顆粒，則必須定義兩個參數(shù)才能確定其體積、表面積和比表面積。通常定義體積當(dāng)量直徑dev(以下為方便起見簡寫為de)和形狀系數(shù)ψ。體積相同(xiānɡtónɡ)時，球形顆粒的表面積最小，形狀系數(shù)總是?。ǖ龋┯?。1.粒度分布的測量與定量表示篩號或稱目數(shù)篩分分析結(jié)果圖示法分布函數(shù)頻率函數(shù)篩過量篩余量粒度分布的篩分分析化工原理7機械分離和固體流態(tài)化精品資料分布(fēnbù)函數(shù)曲線令某號篩子(其篩孔尺寸為dpi)的篩過量(即該篩號以下的顆粒質(zhì)量的總和)占試樣總量的分率為Fi，不同(bùtónɡ)篩號的Fi與其篩孔尺寸dpi可標(biāo)繪成圖所示的曲線，此曲線稱為分布函數(shù)。分布函數(shù)曲線有兩個重要特性：1.對應(yīng)于某一尺寸dpi的Fi值表示直徑小于dpi的顆粒占全部試樣的質(zhì)量分率。例如，當(dāng)某批顆粒中50%的顆粒直徑小于1.7μm，則簡單表示為d50=1.7μm。2.在該批顆粒的最大直徑dpmax處,其分布函數(shù)為1?；ぴ?機械分離和固體流態(tài)化精品資料頻率(pínlǜ)函數(shù)曲線設(shè)某號篩面上的顆粒占全部試樣的質(zhì)量百分率為xi，這些顆粒的直徑介于相鄰兩號篩孔直徑di與di-1之間?，F(xiàn)以粒徑dp為橫坐標(biāo)，將該粒徑范圍內(nèi)顆粒的質(zhì)量分率Xi用一矩形的面積表示(biǎoshì)(如圖所示)，矩形的高度等于：平均分布密度di

-1->di,dpi

化工原理9機械分離和固體流態(tài)化精品資料如果相鄰兩號篩孔直徑無限接近，則矩形數(shù)目無限增多，而每個矩形的面積無限縮小并趨近一條直線。將這些直線的頂點連接起來，可得到一條光滑的曲線，稱為頻率函數(shù)曲線。曲線上任一點(yīdiǎn)的縱坐標(biāo)fi稱為粒徑為dpi的顆粒的頻率函數(shù)。頻率函數(shù)曲線(qūxiàn)有兩個重要特性：1.在一定粒度范圍內(nèi)的顆粒占全部顆粒的質(zhì)量分率等于該粒度范圍內(nèi)頻率函數(shù)曲線下的面積；原則上講，粒度為某一定值的顆粒的質(zhì)量分率為零。2.頻率函數(shù)曲線下的全部面積等于1。分布函數(shù)與頻率函數(shù)的關(guān)系化工原理10機械分離和固體流態(tài)化精品資料2.平均(píngjūn)直徑式中：da---------平均比表面積直徑，m；di---------篩分直徑，m；xi---------di粒徑段內(nèi)顆粒的質(zhì)量(zhìliàng)分率三、粒子的密度化工原理11機械分離和固體流態(tài)化精品資料§3.1.2顆粒(kēlì)床層的特性一床層空隙(kòngxì)率二床層的比表面積----單位體積床層具有的顆粒表面積當(dāng)忽略顆粒之間接觸面積的影響時，有：三床層的各向同性

床層橫截面上可供流體通過的自由截面(即空隙截面)與床層截面之比在數(shù)值上等于空隙率，即床層中自由截面的大小與床層的軸向高度無關(guān)。自由截面沿半徑的不均勻壁效應(yīng)床層直徑顆粒直徑化工原理12機械分離和固體流態(tài)化精品資料§3.2沉降(chénjiàng)過程沉降操作：在某中力的作用下，利用分散相與連續(xù)相間的密度差異，使之發(fā)生相對運動(xiānɡduìyùndònɡ)而實現(xiàn)分離的操作過程。分為：重力沉降、離心沉降。§3.2.1重力沉降自由沉降：單個顆?；蝾w粒之間的距離很大使顆粒間互不影響。對單個球形顆粒受力分析：化工原理13機械分離和固體流態(tài)化精品資料化工(huàgōng)原理14機械(jīxiè)分離和固體流態(tài)化精品資料化工(huàgōng)原理15機械(jīxiè)分離和固體流態(tài)化精品資料二、影響(yǐngxiǎng)沉降的因素由于(yóuyú)干擾作用，大顆粒的實際沉降速度小于自由沉降速度；小顆粒的沉降速度增大。由于壁面效應(yīng)，實際沉降速度小于自由沉降速度。在Stokes區(qū)，器壁的影響：化工原理16機械分離和固體流態(tài)化精品資料三、沉降速度的計算(jìsuàn)1試差法2摩擦(mócā)數(shù)群法化工原理17機械分離和固體流態(tài)化精品資料Stokes區(qū)：K<2.62Nuwton區(qū)：K>69.1選擇相應(yīng)(xiāngyīng)公式計算ut化工(huàgōng)原理18機械分離和固體流態(tài)化精品資料三．重力沉降(chénjiàng)設(shè)備1降塵(jiàngchén)室化工原理19機械分離和固體流態(tài)化精品資料化工(huàgōng)原理20機械分離(fēnlí)和固體流態(tài)化精品資料化工(huàgōng)原理21機械分離(fēnlí)和固體流態(tài)化精品資料2降塵(jiàngchén)室的特點化工(huàgōng)原理22機械分離和固體流態(tài)化精品資料3沉降(chénjiàng)槽用來提高(tígāo)懸浮液濃度并同時得到澄清液體。(1)構(gòu)造化工原理23機械分離和固體流態(tài)化精品資料對照重力場§3.2.2離心(líxīn)沉降與重力(zhònglì)沉降的比較：沉降速度的大小、方向化工原理24機械分離和固體流態(tài)化精品資料二、離心分離因子(yīnzǐ)化工(huàgōng)原理25機械分離和固體流態(tài)化精品資料三、構(gòu)造(gòuzào)及操作原理旋風(fēng)分離器是得用慣性離心力有作用從氣流中分離出塵粒的設(shè)備，其外旋流(xuánliú)的上部是主要的除塵區(qū)。四、旋風(fēng)分離器的性能1臨界直徑：能100%分離出來的最小顆粒的直徑，用dc表示。其滿足：幾點假設(shè)：a．假設(shè)氣體速度恒定，且等于進口氣速ui；b．假設(shè)顆粒沉降過程中所穿過的氣流的最大厚度等于進氣口寬度B；c．假設(shè)顆粒沉降服從斯托克斯公式?；ぴ?6機械分離和固體流態(tài)化精品資料減小旋風(fēng)分離器直徑降低旋風(fēng)分離器的操作溫度提高操作流速增大顆粒密度改變旋風(fēng)分離器類型，增大有效圈數(shù)dc減小，分離效果更好，但有些因素(yīnsù)有雙重影響化工(huàgōng)原理27機械分離和固體流態(tài)化精品資料2旋風(fēng)(xuànfēng)分離器的分離效率分離效率是衡量氣流在旋風(fēng)分離器內(nèi)凈化程度的指標(biāo)?？傂剩罕恍L(fēng)分離器除掉的總的顆粒質(zhì)量(zhìliàng)占進口含塵氣體中全部顆粒質(zhì)量(zhìliàng)的分率c1、c2分別為進、出口氣體中顆粒的質(zhì)量濃度(g/cm3)。ci1、ci2分別為進、出口氣體中平均粒徑為di的顆粒的質(zhì)量濃度。分效率（粒級效率）：入口氣體中某一粒級di的顆粒被旋風(fēng)分離器除掉的分率xi為進口氣體中粒徑為di的顆粒的質(zhì)量分率。通常工業(yè)上用總效率表示旋風(fēng)分離器的效率?；ぴ?8機械分離和固體流態(tài)化精品資料總效率與設(shè)備(shèbèi)的操作性能及顆粒的粒度分布有關(guān)。同一臺設(shè)備(shèbèi)、同樣的操作條件和同樣的顆粒進口濃度，分離粗顆粒時的總效率遠(yuǎn)高于分離細(xì)塵粒。故粒級效率才能準(zhǔn)確表達旋風(fēng)分離器的工作性能。工程上更多地采用分割(fēngē)直徑d50（粒級效率為50%的顆粒的直徑）來評價旋風(fēng)分離器的性能。d50的物理意義：假定這樣的顆粒在旋風(fēng)分離器中會位于一個假想的旋轉(zhuǎn)柱面上，所受的離心力與流體對其徑向運動的阻力平衡，因此沉降于邊壁和被氣流帶出的機率各半。該參數(shù)可以更多地反映旋風(fēng)分離過程特征，所以粒級效率采用d50為基本量進行表達，即對標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器化工原理29機械分離和固體流態(tài)化精品資料實驗(shíyàn)測定的粒級效率曲線i~(d/d50)曲線(qūxiàn)只與旋風(fēng)分離器的類型有關(guān)，與器大小無關(guān)。ηi~d/dc化工原理30機械分離和固體流態(tài)化精品資料3旋風(fēng)(xuànfēng)分離器的阻力損失旋風(fēng)分離器的特點：流量大、壓頭低。(1)氣體的膨脹或壓縮引起的不可逆機械能損失；(2)消耗于氣流旋轉(zhuǎn)的加速度損失；(3)摩擦阻力損失以及各個部位(bùwèi)的局部阻力損失等。有理論或半理論式，但工程上主要采用經(jīng)驗公式：阻力系數(shù)主要由旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)決定。同一結(jié)構(gòu)型式、不論其尺寸大小，阻力系數(shù)接近定值。常用型號的旋風(fēng)分離器值在5.0～8.0之間；入口氣速，分離效率，但阻力，不經(jīng)濟。壓降一般控制在0.5~2kPa左右(入口氣速15～25m/s)，采取縮小直徑、多臺并聯(lián)的方式滿足分離效率與大氣量的要求。化工原理31機械分離和固體流態(tài)化精品資料五、旋風(fēng)(xuànfēng)分離器的結(jié)構(gòu)和形式為提高旋風(fēng)分離器的分離效率(xiàolǜ)和降低壓強降，在旋風(fēng)分離器的設(shè)計時主要考慮以下兩方面：

1)采用細(xì)而長的器身

2)減小渦流的影響采用帶有旁路分離室或采用異形進氣管的旋風(fēng)分離器可以改善上渦流的影響化工原理32機械分離和固體流態(tài)化精品資料§3.3過濾(guòl(fā)ǜ)與沉降分離相比，過濾(guòl(fā)ǜ)操作可使懸浮液的分離更迅速和徹底§3.3.1過濾操作的基本概念化工原理33機械分離和固體流態(tài)化精品資料一、過濾(guòl(fā)ǜ)方式1過濾操作的推動力：重力(zhònglì)、壓力差、慣性離心力餅層過濾：架橋現(xiàn)象→濾餅→過濾b)深床過濾特點：不形成濾餅，顆粒沉積于較厚的粒狀過濾介質(zhì)床層內(nèi)部2過濾的兩種方式化工原理34機械分離和固體流態(tài)化精品資料特性：多孔性介質(zhì)要求：耐腐蝕、耐熱、足夠的機械強度。工業(yè)用過濾介質(zhì)主要(zhǔyào)有：織物介質(zhì)：能截流顆粒的最小直徑為5~65m（多用于餅層過濾）.堆積介質(zhì)：多種固體顆?；蚍蔷幙椑w維(多用于深床過濾中)3多孔性固體介質(zhì)：如素瓷板或管、燒結(jié)金屬等;能攔截直徑為1~3m的小顆粒。二、過濾(guòl(fā)ǜ)介質(zhì)：化工原理35機械分離和固體流態(tài)化精品資料三、濾餅(lǜbǐnɡ)的壓縮性和助濾劑1可壓縮濾餅：2不可(bùkě)壓縮濾餅：3助濾劑：要求：剛性顆粒；化學(xué)穩(wěn)定性；不可(bùkě)壓縮性常用：不可(bùkě)壓縮的粉狀或纖維狀固體如硅藻土、纖維粉末、活性炭、石棉。使用：可預(yù)涂，也可以混入待濾的濾漿中一起過濾?；ぴ?6機械分離和固體流態(tài)化精品資料§3.3.2過濾(guòl(fā)ǜ)基本方程式一、濾液(lǜyè)通過餅層的流動床層的簡化物理模型顆粒床層中不規(guī)則的通道→長度

le

平行細(xì)管原則：流通截面積=床層自由截面積細(xì)管表面積=床層表面積化工原理37機械分離和固體流態(tài)化精品資料將流體通過顆粒床層的流動簡化為在長為Le、當(dāng)量直徑deb的管內(nèi)(ɡuǎnnèi)流動，床層的壓降p表達為u1—流體在虛擬細(xì)管內(nèi)的流速(liúsù)，等價于流體在床層顆粒空隙間的實際(平均)流速(liúsù)。u1與空床流速(又稱表觀流速)u、空隙率

的關(guān)系工程上，對單位床層高度上的壓降：’

—固定床流動摩擦系數(shù)化工原理38機械分離和固體流態(tài)化精品資料康采尼（Kozeny）式：Reb<2床層雷諾數(shù)K——康采尼常數(shù)(chángshù)，=5.0——康采尼（Kozeny）方程(fāngchéng)歐根（Ergun）關(guān)聯(lián)式：Reb=（0.17~420）與管內(nèi)~

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關(guān)系不同的是，’~

Reb

的變化是一條連續(xù)光滑曲線，說明流體在顆粒床層中由滯流到湍流是漸變過程，這反映了顆粒床層對流體速度分布的均化作用?；ぴ?9機械分離和固體流態(tài)化精品資料可用A與deV的乘積(chéngjī)(AdeV)代替dea。——歐根(Ergun)方程(fāngchéng)當(dāng)Reb<2.8(Rep<10)時，歐根方程右側(cè)第二項可忽略。即流動為層流時，壓降與流速和粘度的一次方均成正比。當(dāng)Reb>280(Rep>1000)時，歐根方程右側(cè)第一項可忽略。即流動為湍流時，壓降與流速的平方成正比而與粘度無關(guān)?；ぴ?0機械分離和固體流態(tài)化精品資料對過濾，床層Reb<2，采用(cǎiyòng)Kozeny方程進行描述，K值可取為5，于是：過濾速度二、過濾(guòl(fā)ǜ)速率單位時間內(nèi)獲得的濾液體積三、濾餅的阻力(濾餅的比阻)，則濾餅的阻力：化工原理41機械分離和固體流態(tài)化精品資料四、過濾介質(zhì)(jièzhì)的阻力過濾介質(zhì)的阻力一般較小，但有時不可忽略，特別是在過濾初始濾餅層較薄的期間(qījiān)，通常將過濾介質(zhì)的阻力視為常數(shù)，于是：過濾介質(zhì)上、下游兩側(cè)的壓強差，pa過濾介質(zhì)的阻力，1/m化工原理42機械分離和固體流態(tài)化精品資料五、過濾(guòl(fā)ǜ)基本方程式代入過濾(guòl(fā)ǜ)速度表達式中：令故設(shè)每獲得單位體積濾液時，被截留在過濾介質(zhì)上的濾餅體積為ν（m3濾餅/m3濾液），則任一瞬間的濾餅厚度L與當(dāng)時的濾液體積V的關(guān)系為：化工原理43機械分離和固體流態(tài)化精品資料§3.3.3恒壓過濾(guòl(fā)ǜ)過濾操作是在恒定壓強差下進行的。隨著操作的進行，濾餅不斷變厚，致使(zhìshǐ)過濾阻力逐漸增加，但推動力不變，因而過濾速率逐漸變小。對一定的懸浮液，K可視為常數(shù)。則恒壓過濾時的過濾方程為：-----過濾基本方程過濾常數(shù)則有：化工原理44機械分離和固體流態(tài)化精品資料§3.3.4恒速過濾(guòl(fā)ǜ)和先恒速后恒壓過濾(guòl(fā)ǜ)特點：過濾速率為常數(shù)(chángshù)，K不為常數(shù)(chángshù)一、恒速過濾化工原理45機械分離和固體流態(tài)化精品資料隨著恒壓過濾的進行，過濾阻力不斷增大，為維持過濾速率恒定，操作壓強差隨時間(shíjiān)的變化呈如下規(guī)律：上式表明，對不可壓縮濾餅進行恒速過濾時，其壓強差隨著過濾時間成直線增高。實際上很少采用(cǎiyòng)把恒速過濾進行到底的操作方法，而是采用(cǎiyòng)先恒速后恒壓的復(fù)合過濾操作方法?；ぴ?6機械分離和固體流態(tài)化精品資料二、先恒速后恒壓過濾(guòl(fā)ǜ)恒速過濾的時間(shíjiān)為R，得濾液VR，恒速結(jié)束的壓差為PR。RV~(dV/d)~P~化工原理47機械分離和固體流態(tài)化精品資料§3.3.5過濾(guòl(fā)ǜ)常數(shù)的測定一、恒壓下K、qe、e的測定(cèdìng)化工原理48機械分離和固體流態(tài)化精品資料由截距可求出qe的值。e由下式求得：二、壓縮性指數(shù)(zhǐshù)s的測定§3.3.6濾餅(lǜbǐnɡ)的洗滌特點：洗滌推動力、阻力不變，洗滌速度為常數(shù)化工原理49機械分離和固體流態(tài)化精品資料2．洗滌(xǐdí)時間w葉濾機采用置換洗滌法，洗水與濾液的路徑相同,其洗滌速率與過濾終了時的過濾速率相等；板框過濾機采用的是貫穿洗滌法，洗水橫穿兩層濾布及整個厚度的濾餅，流經(jīng)長度約為過濾終了時濾液流動路徑的兩倍，而供洗水流通的面積又僅為過濾面積的一半，故板框過濾機上洗滌速率約為過濾終了速率時的四分之一?；?huàgōng)原理50機械分離和固體流態(tài)化精品資料§3.3.7過濾(guòl(fā)ǜ)設(shè)備以壓力差為推動力：如葉濾機、板框壓濾機、回轉(zhuǎn)真空過濾機等；以離心力為推動力：如各種離心機一、板框過濾機1.結(jié)構(gòu)(jiégòu):濾框、濾板（洗滌板、過濾板）化工原理51機械分離和固體流態(tài)化精品資料板框過濾機的濾板，濾框和過濾過程板框過濾機的濾板，濾框和洗滌過程化工(huàgōng)原理52機械(jīxiè)分離和固體流態(tài)化精品資料2操作(cāozuò)特點4生產(chǎn)能力(shēnɡchǎnnénɡlì)單位時間獲得的濾液量其中：3洗滌速率操作條件與過濾終了相同，則：化工原理53機械分離和固體流態(tài)化精品資料二、葉濾機葉濾機示意圖化工(huàgōng)原理54機械(jīxiè)分離和固體流態(tài)化精品資料三、轉(zhuǎn)筒真空(zhēnkōng)過濾機回轉(zhuǎn)筒真空過濾機及分配頭結(jié)構(gòu)1－轉(zhuǎn)筒；2－濾餅；3－割刀；4－分配頭5－吸走濾液的真空凹槽；6－吸走洗水的真空凹槽；7－通入壓縮空氣的凹槽I－過濾區(qū)；II－洗滌脫水區(qū)；III－卸渣區(qū)1.結(jié)構(gòu)(jiégòu)化工原理55機械分離和固體流態(tài)化精品資料2操作(cāozuò)特點化工(huàgōng)原理56機械分離和固體流態(tài)化精品資料3生產(chǎn)能力(shēnɡchǎnnénɡlì)Q：其中：設(shè)轉(zhuǎn)筒浸入面積占全部(quánbù)轉(zhuǎn)筒面積的分率為浸沒分?jǐn)?shù)，則