化工原理课件第三章 机械分离和固体流态化

第三章机械分离(fēnlí)和固体流态化教学要求§3-0概述§3-1颗粒及颗粒床层的特性§3-2沉降过程(guòchéng)§3-3过滤复习化工原理1机械分离和固体流态化精品资料教学要求重点：沉降速率的计算；过滤(guòlǜ)基本方程及恒压过滤(guòlǜ)计算。覆盖内容：颗粒及颗粒群的性质（体积、表面积、比表面积、空隙率及平均自由截面积）；沉降的基本概念（重力沉降、离心沉降、自由沉降和干扰沉降）；沉降速度的计算；旋风分离器的性能参数（临界直径、分离效率、粒级率、分割直径）；降沉室的结构与设计，旋风分离器的结构特点分离原理及设计方法。过滤(guòlǜ)操作的基本概念，过滤(guòlǜ)基本方程及计算（滤液量、过滤(guòlǜ)时间、洗涤时间和生产能力）；常用过滤(guòlǜ)设备（板筐压滤机、叶滤机和回转真空过滤(guòlǜ)机）的结构特点；过滤(guòlǜ)常数的测定方法。化工(huàgōng)原理2机械分离和固体流态化精品资料混合物分类(fēnlèi)机械分离的两种操作(cāozuò)方式§3.0概述一种物质以分子、离子状态均匀分散在另一种物质中。有明显相界面；不同相间有明显的物理化学性质差异。通过施加适当外力使两相间发生相对运动，实现非均相混合物的分离。化工原理3机械分离和固体流态化精品资料1回收(huíshōu)有价值的分散物质2净化分散介质以满足生产工艺要求3环境保护和安全生产工业(gōngyè)上分离非均相混合物的目的：化工原理4机械分离和固体流态化精品资料§3.1颗粒(kēlì)及颗粒(kēlì)床层和特性§3.1.1颗粒的特性(tèxìng)一、单一颗粒的大小和形状1、球形颗粒化工原理5机械分离和固体流态化精品资料2、非球形颗粒(kēlì)S----与实际(shíjì)颗粒体积相等的圆球的表面积；SP----颗粒的实际(shíjì)表面积以某种特性相当的球形颗粒代表，相应的球的直径称当量直径。当量直径化工原理6机械分离和固体流态化精品资料二、颗粒(kēlì)群的特性对球形颗粒，以一个参数即颗粒直径dp便可唯一地确定其体积、表面积和比表面积；对非球形颗粒，则必须定义两个参数才能确定其体积、表面积和比表面积。通常定义体积当量直径dev(以下为方便起见简写为de)和形状系数ψ。体积相同(xiānɡtónɡ)时，球形颗粒的表面积最小，形状系数总是小（等）于1。1.粒度分布的测量与定量表示筛号或称目数筛分分析结果图示法分布函数频率函数筛过量筛余量粒度分布的筛分分析化工原理7机械分离和固体流态化精品资料分布(fēnbù)函数曲线令某号筛子(其筛孔尺寸为dpi)的筛过量(即该筛号以下的颗粒质量的总和)占试样总量的分率为Fi，不同(bùtónɡ)筛号的Fi与其筛孔尺寸dpi可标绘成图所示的曲线，此曲线称为分布函数。分布函数曲线有两个重要特性：1.对应于某一尺寸dpi的Fi值表示直径小于dpi的颗粒占全部试样的质量分率。例如，当某批颗粒中50%的颗粒直径小于1.7μm，则简单表示为d50=1.7μm。2.在该批颗粒的最大直径dpmax处,其分布函数为1。化工原理8机械分离和固体流态化精品资料频率(pínlǜ)函数曲线设某号筛面上的颗粒占全部试样的质量百分率为xi，这些颗粒的直径介于相邻两号筛孔直径di与di-1之间。现以粒径dp为横坐标，将该粒径范围内颗粒的质量分率Xi用一矩形的面积表示(biǎoshì)(如图所示)，矩形的高度等于：平均分布密度di

-1->di,dpi

化工原理9机械分离和固体流态化精品资料如果相邻两号筛孔直径无限接近，则矩形数目无限增多，而每个矩形的面积无限缩小并趋近一条直线。将这些直线的顶点连接起来，可得到一条光滑的曲线，称为频率函数曲线。曲线上任一点(yīdiǎn)的纵坐标fi称为粒径为dpi的颗粒的频率函数。频率函数曲线(qūxiàn)有两个重要特性：1.在一定粒度范围内的颗粒占全部颗粒的质量分率等于该粒度范围内频率函数曲线下的面积；原则上讲，粒度为某一定值的颗粒的质量分率为零。2.频率函数曲线下的全部面积等于1。分布函数与频率函数的关系化工原理10机械分离和固体流态化精品资料2.平均(píngjūn)直径式中：da---------平均比表面积直径，m；di---------筛分直径，m；xi---------di粒径段内颗粒的质量(zhìliàng)分率三、粒子的密度化工原理11机械分离和固体流态化精品资料§3.1.2颗粒(kēlì)床层的特性一床层空隙(kòngxì)率二床层的比表面积----单位体积床层具有的颗粒表面积当忽略颗粒之间接触面积的影响时，有：三床层的各向同性

床层横截面上可供流体通过的自由截面(即空隙截面)与床层截面之比在数值上等于空隙率，即床层中自由截面的大小与床层的轴向高度无关。自由截面沿半径的不均匀壁效应床层直径颗粒直径化工原理12机械分离和固体流态化精品资料§3.2沉降(chénjiàng)过程沉降操作：在某中力的作用下，利用分散相与连续相间的密度差异，使之发生相对运动(xiānɡduìyùndònɡ)而实现分离的操作过程。分为：重力沉降、离心沉降。§3.2.1重力沉降自由沉降：单个颗粒或颗粒之间的距离很大使颗粒间互不影响。对单个球形颗粒受力分析：化工原理13机械分离和固体流态化精品资料化工(huàgōng)原理14机械(jīxiè)分离和固体流态化精品资料化工(huàgōng)原理15机械(jīxiè)分离和固体流态化精品资料二、影响(yǐngxiǎng)沉降的因素由于(yóuyú)干扰作用，大颗粒的实际沉降速度小于自由沉降速度；小颗粒的沉降速度增大。由于壁面效应，实际沉降速度小于自由沉降速度。在Stokes区，器壁的影响：化工原理16机械分离和固体流态化精品资料三、沉降速度的计算(jìsuàn)1试差法2摩擦(mócā)数群法化工原理17机械分离和固体流态化精品资料Stokes区：K<2.62Nuwton区：K>69.1选择相应(xiāngyīng)公式计算ut化工(huàgōng)原理18机械分离和固体流态化精品资料三．重力沉降(chénjiàng)设备1降尘(jiàngchén)室化工原理19机械分离和固体流态化精品资料化工(huàgōng)原理20机械分离(fēnlí)和固体流态化精品资料化工(huàgōng)原理21机械分离(fēnlí)和固体流态化精品资料2降尘(jiàngchén)室的特点化工(huàgōng)原理22机械分离和固体流态化精品资料3沉降(chénjiàng)槽用来提高(tígāo)悬浮液浓度并同时得到澄清液体。(1)构造化工原理23机械分离和固体流态化精品资料对照重力场§3.2.2离心(líxīn)沉降与重力(zhònglì)沉降的比较：沉降速度的大小、方向化工原理24机械分离和固体流态化精品资料二、离心分离因子(yīnzǐ)化工(huàgōng)原理25机械分离和固体流态化精品资料三、构造(gòuzào)及操作原理旋风分离器是得用惯性离心力有作用从气流中分离出尘粒的设备，其外旋流(xuánliú)的上部是主要的除尘区。四、旋风分离器的性能1临界直径：能100%分离出来的最小颗粒的直径，用dc表示。其满足：几点假设：a．假设气体速度恒定，且等于进口气速ui；b．假设颗粒沉降过程中所穿过的气流的最大厚度等于进气口宽度B；c．假设颗粒沉降服从斯托克斯公式。化工原理26机械分离和固体流态化精品资料减小旋风分离器直径降低旋风分离器的操作温度提高操作流速增大颗粒密度改变旋风分离器类型，增大有效圈数dc减小，分离效果更好，但有些因素(yīnsù)有双重影响化工(huàgōng)原理27机械分离和固体流态化精品资料2旋风(xuànfēng)分离器的分离效率分离效率是衡量气流在旋风分离器内净化程度的指标。总效率：被旋风分离器除掉的总的颗粒质量(zhìliàng)占进口含尘气体中全部颗粒质量(zhìliàng)的分率c1、c2分别为进、出口气体中颗粒的质量浓度(g/cm3)。ci1、ci2分别为进、出口气体中平均粒径为di的颗粒的质量浓度。分效率（粒级效率）：入口气体中某一粒级di的颗粒被旋风分离器除掉的分率xi为进口气体中粒径为di的颗粒的质量分率。通常工业上用总效率表示旋风分离器的效率。化工原理28机械分离和固体流态化精品资料总效率与设备(shèbèi)的操作性能及颗粒的粒度分布有关。同一台设备(shèbèi)、同样的操作条件和同样的颗粒进口浓度，分离粗颗粒时的总效率远高于分离细尘粒。故粒级效率才能准确表达旋风分离器的工作性能。工程上更多地采用分割(fēngē)直径d50（粒级效率为50%的颗粒的直径）来评价旋风分离器的性能。d50的物理意义：假定这样的颗粒在旋风分离器中会位于一个假想的旋转柱面上，所受的离心力与流体对其径向运动的阻力平衡，因此沉降于边壁和被气流带出的机率各半。该参数可以更多地反映旋风分离过程特征，所以粒级效率采用d50为基本量进行表达，即对标准旋风分离器化工原理29机械分离和固体流态化精品资料实验(shíyàn)测定的粒级效率曲线i~(d/d50)曲线(qūxiàn)只与旋风分离器的类型有关，与器大小无关。ηi~d/dc化工原理30机械分离和固体流态化精品资料3旋风(xuànfēng)分离器的阻力损失旋风分离器的特点：流量大、压头低。(1)气体的膨胀或压缩引起的不可逆机械能损失；(2)消耗于气流旋转的加速度损失；(3)摩擦阻力损失以及各个部位(bùwèi)的局部阻力损失等。有理论或半理论式，但工程上主要采用经验公式：阻力系数主要由旋风分离器的结构决定。同一结构型式、不论其尺寸大小，阻力系数接近定值。常用型号的旋风分离器值在5.0～8.0之间；入口气速，分离效率，但阻力，不经济。压降一般控制在0.5~2kPa左右(入口气速15～25m/s)，采取缩小直径、多台并联的方式满足分离效率与大气量的要求。化工原理31机械分离和固体流态化精品资料五、旋风(xuànfēng)分离器的结构和形式为提高旋风分离器的分离效率(xiàolǜ)和降低压强降，在旋风分离器的设计时主要考虑以下两方面：

1)采用细而长的器身

2)减小涡流的影响采用带有旁路分离室或采用异形进气管的旋风分离器可以改善上涡流的影响化工原理32机械分离和固体流态化精品资料§3.3过滤(guòlǜ)与沉降分离相比，过滤(guòlǜ)操作可使悬浮液的分离更迅速和彻底§3.3.1过滤操作的基本概念化工原理33机械分离和固体流态化精品资料一、过滤(guòlǜ)方式1过滤操作的推动力：重力(zhònglì)、压力差、惯性离心力饼层过滤：架桥现象→滤饼→过滤b)深床过滤特点：不形成滤饼，颗粒沉积于较厚的粒状过滤介质床层内部2过滤的两种方式化工原理34机械分离和固体流态化精品资料特性：多孔性介质要求：耐腐蚀、耐热、足够的机械强度。工业用过滤介质主要(zhǔyào)有：织物介质：能截流颗粒的最小直径为5~65m（多用于饼层过滤）.堆积介质：多种固体颗粒或非编织纤维(多用于深床过滤中)3多孔性固体介质：如素瓷板或管、烧结金属等;能拦截直径为1~3m的小颗粒。二、过滤(guòlǜ)介质：化工原理35机械分离和固体流态化精品资料三、滤饼(lǜbǐnɡ)的压缩性和助滤剂1可压缩滤饼：2不可(bùkě)压缩滤饼：3助滤剂：要求：刚性颗粒；化学稳定性；不可(bùkě)压缩性常用：不可(bùkě)压缩的粉状或纤维状固体如硅藻土、纤维粉末、活性炭、石棉。使用：可预涂，也可以混入待滤的滤浆中一起过滤。化工原理36机械分离和固体流态化精品资料§3.3.2过滤(guòlǜ)基本方程式一、滤液(lǜyè)通过饼层的流动床层的简化物理模型颗粒床层中不规则的通道→长度

le

平行细管原则：流通截面积=床层自由截面积细管表面积=床层表面积化工原理37机械分离和固体流态化精品资料将流体通过颗粒床层的流动简化为在长为Le、当量直径deb的管内(ɡuǎnnèi)流动，床层的压降p表达为u1—流体在虚拟细管内的流速(liúsù)，等价于流体在床层颗粒空隙间的实际(平均)流速(liúsù)。u1与空床流速(又称表观流速)u、空隙率

的关系工程上，对单位床层高度上的压降：’

—固定床流动摩擦系数化工原理38机械分离和固体流态化精品资料康采尼（Kozeny）式：Reb<2床层雷诺数K——康采尼常数(chángshù)，=5.0——康采尼（Kozeny）方程(fāngchéng)欧根（Ergun）关联式：Reb=（0.17~420）与管内~

Re

关系不同的是，’~

Reb

的变化是一条连续光滑曲线，说明流体在颗粒床层中由滞流到湍流是渐变过程，这反映了颗粒床层对流体速度分布的均化作用。化工原理39机械分离和固体流态化精品资料可用A与deV的乘积(chéngjī)(AdeV)代替dea。——欧根(Ergun)方程(fāngchéng)当Reb<2.8(Rep<10)时，欧根方程右侧第二项可忽略。即流动为层流时，压降与流速和粘度的一次方均成正比。当Reb>280(Rep>1000)时，欧根方程右侧第一项可忽略。即流动为湍流时，压降与流速的平方成正比而与粘度无关。化工原理40机械分离和固体流态化精品资料对过滤，床层Reb<2，采用(cǎiyòng)Kozeny方程进行描述，K值可取为5，于是：过滤速度二、过滤(guòlǜ)速率单位时间内获得的滤液体积三、滤饼的阻力(滤饼的比阻)，则滤饼的阻力：化工原理41机械分离和固体流态化精品资料四、过滤介质(jièzhì)的阻力过滤介质的阻力一般较小，但有时不可忽略，特别是在过滤初始滤饼层较薄的期间(qījiān)，通常将过滤介质的阻力视为常数，于是：过滤介质上、下游两侧的压强差，pa过滤介质的阻力，1/m化工原理42机械分离和固体流态化精品资料五、过滤(guòlǜ)基本方程式代入过滤(guòlǜ)速度表达式中：令故设每获得单位体积滤液时，被截留在过滤介质上的滤饼体积为ν（m3滤饼/m3滤液），则任一瞬间的滤饼厚度L与当时的滤液体积V的关系为：化工原理43机械分离和固体流态化精品资料§3.3.3恒压过滤(guòlǜ)过滤操作是在恒定压强差下进行的。随着操作的进行，滤饼不断变厚，致使(zhìshǐ)过滤阻力逐渐增加，但推动力不变，因而过滤速率逐渐变小。对一定的悬浮液，K可视为常数。则恒压过滤时的过滤方程为：-----过滤基本方程过滤常数则有：化工原理44机械分离和固体流态化精品资料§3.3.4恒速过滤(guòlǜ)和先恒速后恒压过滤(guòlǜ)特点：过滤速率为常数(chángshù)，K不为常数(chángshù)一、恒速过滤化工原理45机械分离和固体流态化精品资料随着恒压过滤的进行，过滤阻力不断增大，为维持过滤速率恒定，操作压强差随时间(shíjiān)的变化呈如下规律：上式表明，对不可压缩滤饼进行恒速过滤时，其压强差随着过滤时间成直线增高。实际上很少采用(cǎiyòng)把恒速过滤进行到底的操作方法，而是采用(cǎiyòng)先恒速后恒压的复合过滤操作方法。化工原理46机械分离和固体流态化精品资料二、先恒速后恒压过滤(guòlǜ)恒速过滤的时间(shíjiān)为R，得滤液VR，恒速结束的压差为PR。RV~(dV/d)~P~化工原理47机械分离和固体流态化精品资料§3.3.5过滤(guòlǜ)常数的测定一、恒压下K、qe、e的测定(cèdìng)化工原理48机械分离和固体流态化精品资料由截距可求出qe的值。e由下式求得：二、压缩性指数(zhǐshù)s的测定§3.3.6滤饼(lǜbǐnɡ)的洗涤特点：洗涤推动力、阻力不变，洗涤速度为常数化工原理49机械分离和固体流态化精品资料2．洗涤(xǐdí)时间w叶滤机采用置换洗涤法，洗水与滤液的路径相同,其洗涤速率与过滤终了时的过滤速率相等；板框过滤机采用的是贯穿洗涤法，洗水横穿两层滤布及整个厚度的滤饼，流经长度约为过滤终了时滤液流动路径的两倍，而供洗水流通的面积又仅为过滤面积的一半，故板框过滤机上洗涤速率约为过滤终了速率时的四分之一。化工(huàgōng)原理50机械分离和固体流态化精品资料§3.3.7过滤(guòlǜ)设备以压力差为推动力：如叶滤机、板框压滤机、回转真空过滤机等；以离心力为推动力：如各种离心机一、板框过滤机1.结构(jiégòu):滤框、滤板（洗涤板、过滤板）化工原理51机械分离和固体流态化精品资料板框过滤机的滤板，滤框和过滤过程板框过滤机的滤板，滤框和洗涤过程化工(huàgōng)原理52机械(jīxiè)分离和固体流态化精品资料2操作(cāozuò)特点4生产能力(shēnɡchǎnnénɡlì)单位时间获得的滤液量其中：3洗涤速率操作条件与过滤终了相同，则：化工原理53机械分离和固体流态化精品资料二、叶滤机叶滤机示意图化工(huàgōng)原理54机械(jīxiè)分离和固体流态化精品资料三、转筒真空(zhēnkōng)过滤机回转筒真空过滤机及分配头结构1－转筒；2－滤饼；3－割刀；4－分配头5－吸走滤液的真空凹槽；6－吸走洗水的真空凹槽；7－通入压缩空气的凹槽I－过滤区；II－洗涤脱水区；III－卸渣区1.结构(jiégòu)化工原理55机械分离和固体流态化精品资料2操作(cāozuò)特点化工(huàgōng)原理56机械分离和固体流态化精品资料3生产能力(shēnɡchǎnnénɡlì)Q：其中：设转筒浸入面积占全部(quánbù)转筒面积的分率为浸没分数，则