化工原理第三章机械分离

1、第三章 机械分离学时数：10 学时机械分离： 非均相物系的分离 流体与固体颗粒间的相对运动过程1. 机械分离在化工中的普遍性： 气液、气固、液固、固固、液液。 固体流化、颗粒气力输送。2. 均相物系与非均相物系：以分子尺度的混合为参照来定义。 另：拟均相介于二者之间的混合物。如乳化液。3. 非均相物系中的连续相与分散相。 连续相（分散介质）：主要是对液体和气体固体的非均相而言。如：分散相连续相（分散介质）含尘气流尘粒气体气固非均相悬浊液固体颗粒液体（水）液固非均相A固体+B固体A、B固固非均相乳化油水（当水/油量小）油液液非均相含油废水油（当油/水量小）水液液非均相硫酸雾硫酸液滴气体气液非均相

2、4. 非均相分离的目的： 精制 回收产品 净化环境5. 非均相分离的基本方法： 机械分离 筛分、沉降、过滤、离心 电磁法 磁选、静电、（除尘）、电磁化 物理化学法 浮选、吸咐第一节 筛分3-2. 固体颗粒： 1. 颗粒的大小（粒度）粒度尺寸的表示：粗颗粒：mm细颗粒：筛孔号表示超细颗粒：m粒度的测量方法：筛析统计测量法沉降速度计算法2. 标准筛： 泰勒筛 筛号：（目数） 每英寸筛网上的孔数。3. 粒度分布： 即表示某一粒度（粒径）或某一粒径范围的颗粒占总颗粒质量百分数的一种函数关系。常用粒度分布曲线图表示。（又称粒度频率分布）4. 平均粒度的统计方法： 长度平均粒径（算术平均粒径）设颗粒真密度

3、为，总质量为m，则：对于筛析结果，其统计公式为： 表面积平均粒径： 目的和作用：用于与表面积有关的过程描述，如：吸咐、吸收定义： 体积平均粒径： 比表面平均粒径（又称邵特Sauter平均直径）5. 非球形颗粒粒度的表示： 当量直径：即用与颗粒体积、表面、比表面、投影面或投影线长相等的球形颗粒直径表示的非球形颗粒直径。 球形度：对正方体： = 0.805对正圆柱体： = 0.874对一般颗粒： = 0.6 0.7液体颗粒（在另一液体中） = 0.95 0.98 或 1.03-3. 筛：（分滚动筛和振动筛） 分离直径：dc 临界分离粒径 筛的生产能力 单位时间单位筛析面积所通过的物料量。 Ms =

4、 m/ ms = kdc（dc 亦可理解为筛孔尺寸） 一方面：质量 颗粒本身体积 di3 另一方面：过筛的质量 过筛面积di2即分离的颗粒或筛孔越小，筛分越困难，生产能力越小。故：第二节 沉降学时数：4 学时沉降：颗粒物质受重力、离心力、或其他电、磁力而从分散介质中分离的过程称为沉降。常有：重力沉降：分离颗粒较大的物质离心沉降：粒度较小的物质3-4. 重力沉降速度 颗粒沉降的基本假定 颗粒为球形 各颗粒沉降时互不干扰（自由沉降，反之为干扰沉降） 容器壁效率忽略 分子布朗热运动对沉降无影响 颗粒沉降过程受力：重力：浮力：阻力：合力： 颗粒沉降过程速度变化： 加速沉降：时间非常短，可以忽略。 等速

5、沉降：合外力为0。 于是在等速沉降阶段： 阻力系数法： 根据前述因次分析法可知：运动阻力：表面阻力 低速阶段形体阻力 高速阶段 实际测得：a. 当Re0.3时，（天大：0.01Re1.0）,流体为层流。b. 当0.3Re1000（天大：1.0Re500），流体在湍流区d. 当 Re2105 时 高度湍流区（边界层内为湍流）高度湍流区在沉降中很少出现。讨论：公式中u0的相对性。静止、运动、相对运动（同方向、反方向） 计算：a.计算u0的方法 (已知d)试差法：先按层流公式求u0 ，核对Re，再按Re大小用相应公式计算，直至准确为止。查图计算法：由再由 求 u0b.计算d的方法 （已知u0）试差：

6、查图计算：由 查图求相应的Re数 先按层流 公式 d Re查图求相应的Re数再由 计算d 关于分级沉降b.竖流沉降：a.平流沉降:风车分离稻谷（丰实谷粒、半丰粒、瘪壳、稻草叶、茸毛叶）c.密度为a、 b的固体颗粒完全分离时粒径比db/da层流：或湍流：层流： ； 湍流 n = 1 ；过渡状态 n = 1/1.60分离条件： 关于非球形颗粒的沉降和干扰沉降及壁效应 a. 对于非球形颗粒：沉降存在方位问题，采用球形度系数对计算进行修正。结果仍只是粗略的。讨论（鱼的头尾形状问题） b. 干扰沉降的原因： 由于小颗粒在介质中分散，流体粘度、密度、有所增加；受力（浮力、阻力）增大 沉降时，相邻颗粒对运动

7、相互影响。 c. 校正方法：按自由沉降计算。参照密度或粘度进行校正。 壁效应：壁面曳力 物理学角度表现为固固运动摩擦，属弱电作用力。3-5. 沉降室重力沉降室 a. 特点：结构简单、效率低、设备庞大。 适用场所：初级除尘。d75 m（也有d 40 m ）的场所。 b. 沉降室的设计计算（平流式沉降室） 分离条件： t1沉降时间气流平均停留时间t2 即：又：故： 结论： 对于一定体积（容积）的平流式沉降室，其沉降能力Q与沉降器面积成正比，而与沉降室深度无关（浅池原理）。 颗粒沉降速度越大（即粒径越粗或密度越大），则相同的沉降室生产能力Q越大。 结论的应用： 根据结论，发展了多层平行隔板式与斜板式

8、沉降室。 工业中气流水平速度u一般取0.5 1.5或0.5 3.0m/s范围。视颗粒刻度 而定。颗粒粒度及密度越大相应的水平流速越大。c. 竖流式沉降槽的设计计算 别名：沉降槽、增稠器、增浓器、浓缩池。 主要部件：槽体、溢流堰、耙及刮板、进料分配筒。 特点：连续化、机械化、处理能力大、设备及占地大、效率低。 特适用场所：初级悬浊液净化分离。 设计计算： W 固体质量流量 kg/h X 固液质量比 kg固/kg液体（清） 液体密度 kg清液/m3清液 A0 沉降槽截面积A-A截面上：上流液体的平均流速流体流量流体质量流量任一截面底流固-液质量比设A-A截面上颗粒沉降速度为u0。 则：在正常沉降时

9、须使uAu0 即：式中：CX 悬浮液浓度 kg/m3悬浮液对含1kg固体的悬浮液进行体积计算：即 悬浮液体积 = 固体体积 + 清液体积因C、X及u0随截面位置变化，故各截面上所计算得到的A值亦有差别。为了保证操作可靠，须取A0最大值者为准。且考虑一定安全系数 s =1.21.5。即：A=（1.21.5）A0 3-6. 悬浮液的沉聚 絮凝沉降（混凝原理） P 151152 略（自学） 作业：P203 3、4、5（天大）， 例：3-4 P150 3-5 P154 略 3-7. 离心沉降分离 1. 离心沉降速度 离心力场中颗粒的受力平衡分析：惯性离心力：颗粒受流体浮力：沉降阻力：式中：A 颗粒在沉

10、降方向的投影面积。 对球形颗粒m流 颗粒排开流体质量 ms 颗粒质量在等速沉降过程：Fc = Ff + F阻 离心沉降与重力沉降的比较 分离因数 当 Re1. 0（层流时）于是： 越大、Fc越大。对于分离同一物系，则所需的设备尺寸减小或生产能力增大。 离心设备的性能常用值表示。 由 ut = r = 2nr 及 D = 2r 可得u离/u重 = n 气体离心设备 旋风分离器 液体离心设备 离心沉降离心过滤 过滤章节内容层流时n = 1/2过渡流 0.5n dc者，全部去除 对于颗粒直径d dc者，部分去除 分级效率与粒径的关系：总效率与分级效率的关系：因xi 粒径为di的颗粒占全部颗粒质量分率

11、。 压降损失（阻力）对标准型旋风器：A、B 进口截面积D1 排气管直径 旋风器的选型： 型式：CLT 水平出口旋至进口 CLT/A 倾斜出口旋至进口 CLP 带旁路分离室蜗壳式进口，分A、B二类型。 CLZ 轴向进口 CLK 扩散旋风思考题：分离器漏风时，即漏风系数 0，对除尘效率和效果如何影响？选型主要参数：处理气量压降粘光性质（密度、粒度、磨损腐蚀性等）总去除效率（或某一分级效率，在已知要去除的颗粒粒度要求时）3-10. 旋液分离器 旋流器（自学） P161 略第三节 过滤学时；4 学时3-11. 概述 1.重力沉降的不足：沉降时间长、脱除分离不彻底、固体物含水率高、设备庞大占地。 发展：

12、 离心沉降； 过滤：压滤、真空过滤、离心过滤。 2. 过滤原理及方法： 原理：使悬浮液在外力（压力、重力、真空或离心力）作用下强制通过多孔（毛细孔）过滤介质（滤布、滤饼），从而将其中悬浮颗粒截留。滤浆：需过滤的悬浮液滤渣（滤饼）：被截流的固体颗粒物滤液：过滤后清液方法： 深层过滤：滤饼在过滤介质内部形成。如自来水过滤（砂滤池），处理较清洁液体。（ 1%) 架桥现象及作用3. 过滤介质与助滤剂： a. 过滤介质的要求： 多孔、阻力小、有良好的截留分离作用。 性能稳定、耐热耐腐。 强度高。 常用过滤介质： 织物状介质 滤布。如：棉、毛、麻、尼纶及其他纤维。 粒状介质 砂、木炭。 多孔介质 陶瓷、塑

13、料微孔板。 网状介质 金属丝网。 b. 助滤剂：主要是对滤饼作支承作用。防止可压缩性滤饼堵塞毛细孔。 材料：硅藻土、珍珠岩 使用方法： 预涂在过滤介质上加入悬浮液中同时过滤3-12. 过滤设备 板框压滤机： 结构：板框、非洗板（过滤板）（1钮）、框（2钮）、洗板（3钮） 排列：按1-2-3-2-1-2顺序排列特点：间歇作业：装 压 洗 卸 整 五阶段压力大：35 kgf/m2 最高 15kgf/m2 过滤面积大：近100 m2 占地少、滤饼含水率低 20%设备笨重、劳动强度高、生产能力有限 叶滤机（内滤式）：略 真空转筒过滤： 结构：转筒长/径 = 0.5 2.0，轴速n = 0.1 (23)

14、转/分特点：连续作业：每转一周包括：过滤 洗涤 吸干 吹松 刮渣 五个阶段 且各阶段同时进行。转筒体积大：过滤面积小（与相同体积板框式比较）推动力小： 1atm（真空）滤饼含液率高：可达4050%3-13. 过滤基本理论： 1. 过滤速度 定义：单位时间单位过滤面积所通过的滤液（清液）量。（过滤速度）关于过滤速率与过滤速度在天大教材中明确规定为过滤速率 天大姚为过滤速率 华东陈、清华蒋、浙大谭教材中认为为过滤速率2. 液体通过滤渣层的流动 简化流动模型： 层流直管中流动阻力 泊稷叶Poiseulle公式即 滤渣层中流动特点：I 滤渣层中存在曲折流动通道 （基本事实1）II 通道很小、流速很低（

15、基本事实2）III 层流（基本假定）则：又设： 床层空隙率为 （m3空隙/ m3床层表观体积） 颗粒比表面积a0，对颗粒则：由定义可知：康采尼Kozeny常数 K1 = 510%令：Kozeny公式，r称为比阻，难于测定则：Darcy公式 即过滤速度方程比阻单位：r （1/m2）定义：滤渣层阻力 R = rL 单位（1/m）, L为渣层厚度（m） 3. 过滤基本方程： a. 设：c 单位体积滤液所具有的滤渣表观体积（ m3渣/ m3滤液） V 滤液体积（清液） 则：滤渣体积V = cV = LA 即b. 同理：对于过滤介质其阻力可虚拟为一厚度为Le的滤饼所具有的阻力 即有：式中：Ve 虚拟滤液

16、量，即产生相当于过滤介质阻力Le时所获得的滤液量。故又称当量滤液量。实际上是不存在的。c. 过滤总推动力与总阻力：故：d. 过滤基本方程：或：e. 恒压过滤方程： 对于一定悬浮液、r、c为定值，当采用恒压过滤时 P总 = 常数, 令：k、K 均称过滤常数于是积分上式： ：0 e V：0 Ve Ve2 = KA2 e （a） ：0 V：0 V V2+2VeV = KA2 （b）将（a）式代入得: (V+Ve)2 = KA2( + e ) （c） 若令 q = V/A，即单位过滤面积所获得的滤液量，又称滤液通量。 则： (q + qe)2 = K( + e )2 （d）恒压过滤速率方程f. 可压缩

17、滤渣及其比阻 对不可压缩滤渣：r= 常数 = r 对可缩性滤渣： r= rPs，s 压缩性指数S的取值： 见表3-3 P173g. 过滤常数 K、qe的测定：（化工原理实验九 P40） 微分：(q + qe)2 = K( + e ) 得：方法 a. 若已知A，测得V与 的对应关系，则可算得q 关系。绘图如右上： b. 对应一点q0作切线即为 在d /dq q 座标中绘点（ d /dq ，q） c. 重复步骤 b 8 10次 d. 在右下图中连直线求斜率和截距按最小二乘法求直线斜率与截距 e. 斜率截距方法 a. 将微分改为增量： 则： b. 测定一系列： 1 ， 2 ， n q1 ， q2 ，

18、 qn c. 计算 、 q： 1 ， 2 ， n-1 q1 ， q2 ， qn-1 d. 计算 / q： 1/ q1 ， 2/ q21 , n-1/ qn-1 e. 对应( / q)i (i+ i+1)/2最小二乘法求斜率、截距作图求斜率、截距f. 同方法中e思考题： 如何求可压缩性指数S？ 自重力变压（减压）过滤方程？方法 积分法故：即：关于思考题 的解答： 设：C 悬浮液浓度，m3固体/ m3清液 V0 初始悬浮液体积 m3 Ve 0于是：又：故：积分： ：0 e V：0 Ve 式中：3-14. 过滤计算 1. 间歇过滤和计算： a. 操作周期 C = 过滤时间F + 洗涤时间w +装卸时间R 洗涤速率与洗涤方式有关置换洗涤：洗水与滤液通道相同 过滤终速 = 1倍洗涤速度（洗涤过程压力与过滤过程相同且维持不变，下同）横穿洗涤： 洗水穿过滤饼厚度等于2倍过滤终了时滤饼厚度 洗水流通截面等于1/2滤液通道截面 洗涤速度 = 1/4倍过滤终速(前提条件同上)横穿洗涤法置换洗涤法b. 最佳操作周期： 设过滤介质阻力为0 则q2 = K，过滤终速：洗涤速率： 视洗涤方式而定：对置换法 = 1； 横穿法 = 1/