机械分离与固体流态化习题解答.ppt

,第三章 机械分离与固体流态化,李富霞,一、概述,混合物分为两大类：,均相物系：,非均相物系：,溶液和混合气体,悬浮液、乳浊液、泡沫液 含尘气体、含雾气体,下册介绍：气体吸收、液体蒸馏、液液萃取、固体干燥、结晶、吸附、膜分离,机械方法：沉降、过滤,一、单颗粒的几何特性参数,颗粒最基本的特性：大小（粒径）、形状、表面积,1. 球形颗粒 体积v=(/6)dp3 m3 表面积 s=dp2 m2 比表面积为a=s/v=6/dp 1/m dp 球形颗粒的直径，m,球形度 ：与非球形颗粒体积相等的球的表面积与该颗粒表面积之比。 =d2e,v/s S为非球形颗粒的表面积。 （2）非球形颗粒的体积、表面积、比表面积 体积v=(/6) d3e,v m3 表面积s=d2e,v/ m2 比表面积a=s/v=6/de,v 1/m,2. 非球形颗粒 （1）常用的参量： 等体积当量直径de,v：与非球形颗粒体积相等的球的直径。 de,v=(6v/)1/3 v为非球形颗粒的体积。,二、颗粒群特性,1.粒度分布 颗粒群的粒度分布：某一粒度范围的颗粒的质量分数随粒度的变化,2.平均直径 长度平均直径、表面积平均直径、体积平均直径、体积表面积平均直径（其比表面积等于所有颗粒的比表面积的平均值）,筛分 分离固体颗粒群,筛分原理： 进行筛分时，将几个筛子按筛孔从大到小次序自上而下叠置起来，最底下置一无孔的底盘。样品加于顶端的筛上，摇动或振动一定的时间。颗粒就按粒径从大到小分别被截留在不同的筛盘上。若得知一种颗粒能通过某一号筛而截留于相邻的另一号孔眼较小的筛上，则这一颗粒的直径便可视为等于此两号筛孔宽度的算术平均值。将截留在每个筛面上的颗粒取出称重，即可算出每一号筛上所截留的样品质量分率。,第二节、沉降分离,一、重力沉降原理,（1）自由沉降,重力:,浮力:,阻力:,式中 -阻力系数,无因次； A -颗粒在垂直于其运动方向的平面上的投影面积，其值为A= ,m2； u0-颗粒相对于流体的降落速度，m/s。,根据牛顿第二定律有：,代入公式得：,m-颗粒的质量 ，kg； a-加速度，m/s2 -时间 ，s。,沉降刚开始时速度为零，因此阻力也为零，故加速度a有最大值，颗粒加速下降。沉降过程中阻力随速度增加而增大直至速度达到某一数值后，三力平衡，即合力为零。此时，加速度为零，颗粒开始做匀速运动。可见，以上过程可分为两阶段，先加速后匀速。,沉降速度的计算,等速段中颗粒相对于流体的运动速度u0 沉降速度的关系式：,因次分析,使用上式计算沉降速度要先知道阻力系数,层流区(Stokes区),斯托克斯定律,过渡区(Al len区),艾伦公式,湍流区(牛顿区) 500Re0200000,牛顿公式,Re02105 急剧下降。,阻力系数骤然下降，层流边界层湍流边界层，分离点后移，尾流区收缩，形体阻力突然下降，近似取 =0.1,试差法,对于小颗粒，假设Re02，用stokes公式求u0 校验Re0 = dpu0/ 是否小于2 ，符合，则假设成立，u0为所求；不符合，重新假设。,(2)干扰沉降,自由沉降条件：颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰；容器壁对颗粒沉降的阻滞作用可以忽略。,干扰沉降：颗粒间距离很小，即使没有相互接触，一个颗粒沉降时也会受到其他颗粒的影响,方法：干扰沉降速度可用自由沉降速度的计算方法计算，只是要根据颗粒的浓度对所用的流体的密度及黏度进行校正。,3-1求直径为60m的石英颗粒（密度2600kg/m3）分别在20水中和20空气中的沉降速度。,3-2一种测定液体黏度的仪器，由一钢球及玻璃筒组成，测试时筒内充有被测液体，记录钢球下落一定距离所需的时间即可测出液体黏度。已知球的直径为6mm下落距离为200mm。测试一种糖浆时记下的时间间隔为7.32s，此糖浆的密度为1300kg/m3，钢的密度为7900 kg/m3，求此糖浆黏度。,s- ,二、重力沉降分离设备,（一）沉降槽 从悬浮液中分离出清液而留下稠厚沉渣的重力沉降设备。,（二）降尘室,从气流中分离出尘粒的重力沉降设备,最常见的降尘室如图所示。,含尘气体进入降尘室后，因流道截面积扩大而速度减慢，只要颗粒能够在气体通过的时间内降至室底，便可从气流中分离出来。,沉降运动时间 气体停留时间分离,颗粒在降尘室停留的时间时间为： 位于降尘室最高点的颗粒沉降至室底需要的时间为：,分离满足的条件：,分离所需最低沉降速度：,能被分离的最小颗径： （若斯托克斯定律适用）,降沉室的生产能力与其高度无关。,当降尘室用水平隔板分为N层，则每层高度为H/N。水平速度u不变。此时：,尘粒沉降高度为原来的1/N倍； 降尘室生产能力为原来的N倍 utc降为原来的1/N倍 (utc= Vs / bl) ； 临界粒径为原来的 倍； 一般可分离20m以上的颗粒。多层隔板降尘室排灰不方便。,例 采用降尘室回收常压炉气中所含球形固体颗粒。降尘室底面积为10，高1.6m。操作条件下气体密度为0.5kg/m3，粘度为210-5Pas，颗粒密度为3000 kg/m3。气体体积流量为5m3/s。试求： 可完全回收的最小颗粒直径；,若这三个力达到平衡，则有,三、离心沉降原理,离心沉降:依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程,离心沉降速度为:,ur与ut比较，ut式中的g改用uT2/R 层流时,分离因数：,将离心沉降速度ur计算式与重力沉降速度ut相除则可得,Kc=(uT2/R)/g Kc为分离因数,对于一定的悬浮液，当采用离心沉降时，可加快沉降过程。K值大小是反映离心分离设备性能的重要指标。,四、离心沉降设备,工作原理：含尘气体自进风口切向引入，在分离器内受器壁约束做由上向下，再由下向上的螺旋运动，然后从中心管引出。在上、下螺旋运动过程中，尘粒与气体发生相对运动被甩向器壁后顺壁石掉落至灰斗，这样尘粒得以与气体分离。,旋风分离器是常用的气固系离心分离设备。标准型旋风分离器的结构如左图：,旋风分离器的主要性能,一、临界粒径 所谓临界粒径，是理论上在旋风分离器中能被完全分离下来的最小颗粒直径。临界粒径是判断分离效率高低的重要依据。 计算临界粒径的关系式，可在如下简化条件下推导出来。 （1）颗粒与气体在旋风分离器内的切线速度ut恒定，且等于进口处的气速ui。 （2）颗粒沉降过程中时所穿过的气流的最大厚度等于进气口宽度B。 （3）颗粒与气流的相对运动为层流，,由假设（1）、（3）可推出气流中颗粒的离心沉降速度： 由假设（2）可得到颗粒到达器壁所需沉降时间： 令气体进入排气管以前在器内旋转的圈数为N，则运行的距离为2rmN,故停留时间：,若某种尺寸的颗粒所需的沉降时间恰好等于停留时间，则该颗粒就是理论上能被完全分离下来的最小颗粒。即临界粒径,解得,比s小很多故略去，用进口速度代替切线速度,二、分离效率 （1）粒级效率 指某一粒径的颗粒被分离的质量分数 （2）总分离效率 指单位时间内被除去的固体颗粒质量占进入分离器的全部颗粒质量的分率。 （3）压降,第三节 过滤,一、过滤方式 过滤,深层过滤,滤饼过滤,以某种多孔物质为介质，在外力的作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的单元操作。,二、过滤设备,（1）压滤机 （2）叶滤机 （3）转筒真空过滤机 板框过滤机 （1）结构与工作原理,1-非洗涤板； 2-滤框； 3-洗涤板； 四角均开孔 滤布框的两侧 组装: 1-2-3-2-1-2-3-2-1-2-3-2-1 过滤 滤浆由总管入框 框内形成滤饼 滤液穿过滤饼和滤布 经每板上旋塞排出(明流) 从板流出的滤液汇集于某总管排出(暗流) 洗涤,横穿洗涤： 洗涤液由总管入板 排出洗涤面=(1/2)过滤面积 置换洗涤： 洗涤液行程与滤液相同。洗涤面=过滤面 间歇操作装合、过滤、洗涤、卸渣、整理,滤布,滤框,滤布,非洗涤板,滤饼,三、过滤的基本理论,1.颗粒床层的物理模型与基本参数 颗粒床层 一组平行细管-流体通道 细管内表面之和=滤饼内颗粒的全部表面 细管的全部流动空间=滤饼内的全部空隙体积 2.基本参数 空隙率：床层的空隙体积/床层的总体积 比表面积a：颗粒表面积/颗粒体积 孔道(细管)当量直径de。, 滤液流速u1:,3.过滤速度,过滤速度是指单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积,u瞬时过滤速度，m/s V滤液体积，m3 A过滤面积，m2 q单位过滤面积所得的滤液量，m3/m2，q=V/A 过滤时间，s,4.恒压过滤方程,积分式 或者 若过滤介质阻力可忽略不计，则上式可简化为：,3过滤常数的实验测定,对过滤方程进行微分,微分用增量代替,连续测定，q，算出一系列及对应q，将/q对q作图，得一直线，直线斜率=2/K，截距=2qe/K。,或,恒压过滤方程同除以Kq,试验中记录下不同过滤时间内的单位面积滤液量q,将 /q对q作图，可得一直线，直线斜率=1/K，截距=2qe/K,四、过滤计算,1间歇过滤机的计算 （1）操作周期与生产能力 操作周期总时间 生产能力,总时间 = 过滤时间+ 洗涤时间 +卸渣、清理、装合,（2）洗涤时间 对于板框式压滤机，属横穿洗涤，洗涤液所穿过的滤饼厚度2倍于最终过滤时滤液所通过的厚度，而洗涤液的流通截面却只有滤液的流通截面的一半，假定洗涤液粘度与滤液黏度相等 则洗涤速度 洗涤时间,例题 在实验装置中过滤钛白的水悬浮液，过滤压力为0.3MPa，求得过滤常数为：K=510-5m2/s,qe=0.01m3/m2。又测出滤饼体积与滤液体积之比c=0.08m3/m3先要用工业型板框压滤机过滤同样的料液，过滤压力、所用的滤布亦与实验时相同。滤框长与宽均为810mm，厚度为45mm，共有26个框，过滤面积为33m2，框内总容量为0.760mm。 试计算：（1）过滤进行到框内全部充满滤饼所需的过滤时间（2）过滤后用总滤液体积的1/10清水进行洗涤，求洗涤时间（3）洗涤后卸渣、清理、重装等共需40min，球每台压滤机的生产能力，以平均每小时可得到的滤饼体积计。,3-7 在实验室内用一片过滤面积为0.05 m2滤液在36KPa（绝）下进行吸滤。在300s内共吸出400cm3滤液，再过600s，又吸出400cm3滤液，求（1）减压过滤下的过滤常数K和qe ；（2）估算在收集400 cm3滤液所需时间。滤液黏度为1mPas。,3-8 某板框压滤机恒压过滤1h，共送出滤液11m3，停止过滤后用3m3清水（其黏度与滤液相同，在同样压力下进行滤饼的横穿洗涤。设忽略滤布阻力，求洗涤时间。,补充题 板框过滤机的过滤面积为0.4m3，在表压150Kpa恒压下过滤，某种悬浮液。4h后得滤液80m3，过滤介质阻力忽略不计。求 （1）当其它情况不变，过滤面积加倍，可得滤液多少？ （2）当其它情况不变，操作时间缩短为2h，可得滤液多少？ （3）若过滤4h后，再用5m3性质与滤液相近的水洗涤滤饼，问需多少洗涤时间？,第四节 固体流态化,流态化是一种使固体颗粒层通过与流体接触而具有类似于流体某些表观特性的过程 一 固体流态化的基本概念 如果流体自下而上地流过颗粒层，则根据流速的不同，会出现三种不同的情况。 （一）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ut，则颗粒基本上保持静止不动，颗粒层为固定床,（二）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ut大了，此时床层内较小的颗粒将松动或“浮起”，颗粒床层高度也有明显增大。但随着床层的膨胀，床内空隙率也增大，而u1=u/ ，所以，真实速度u1随后又下降，直至降到沉降速度ut为止。也就是说，在一定的表观速度下，颗粒床层膨胀到一定程度后将不再膨胀，此时颗粒悬浮于流体中，床层有一个明显的上界面，与沸腾水的表面相似，这种床层称为流化床 （三）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大于颗粒沉降速度ut，则颗粒将被流体所带走，此时床层上界面消失，达到了颗粒输送阶段。可以实现固体颗粒的气力输送或液力输送,二、流化床的两种状态,根据颗粒在流体中分散的是否均匀，可将流态化分为散式流态化和聚式流态化。聚式流态化现象一般发生于气-固系统,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,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，亦称节涌。 腾涌严重地降低床层的稳定性，使气-固之间的接触状况恶化，并使床层受到冲击，发生震动，损坏内部构件，加