化工原理分离

化工原理分离第1页，课件共49页，创作于2023年2月混合颗粒大小的分布质量分率——颗粒直径（平均）曲线频率分布di~ai

累计分布

di~ai

颗粒的平均大小长度平均直径—算术平均数dLm；表面积平均直径dAm体积平均直径dVm；体积表面积平均直径dVAm

非球形颗粒当量直径法（某个特性相当）（体积）形状因数法球形度ψ表面积之比球/颗ψ13.1.2筛

操作原理筛分：筛过物筛留物往复、转动或振动设备：平板筛滚筒筛

有效性与生产能力分割直径dc有效性：<dc

通过率×>dc

截留率<1生产能力kg/m2.hm=kdc第2页，课件共49页，创作于2023年2月标准筛机振动筛滚动筛第3页，课件共49页，创作于2023年2月3.2重力沉降密度差大小重力差异重力—大颗粒离心力—小粒3.2.1沉降速度

球形颗粒的自由沉降——重力沉降P143重力Fg

浮力Fb

阻力Fd

加速阶段a≠0ΔF

≠0匀速阶段a=0ΔF=0

ut

沉降速度

ζ=f(Re=dutρ/)层流区Rep<0.3(<2)ζ=24/Re斯托克斯阻力定律P145重力Fg阻力Fd浮力Fbut第4页，课件共49页，创作于2023年2月过渡区Rep2~500ζ=18.5/Rep0.6阿仑区湍流区Rep500~200000ζ=0.44牛顿区边界层内湍流Rep>200000

ζ=0.1

第5页，课件共49页，创作于2023年2月沉降速度计算试差：用公式——

ut——

Rep

——

校对范围例1

分级沉降完全分离层流n=1/2,湍流n=1,过渡n=1/1.6漂走前后部

实际沉降干扰

公式应用：静止流体运动流体逆向同向3.2.2降尘室

P146图3-16降尘室.swf工作原理：扩大uut

θt=H/ut

θ

=L/uVs=bHu=bLut

θ

≥θtVs=ut

A0层流

例2第6页，课件共49页，创作于2023年2月重力沉降重力Fg阻力Fd浮力FbutLHuut宽度b第7页，课件共49页，创作于2023年2月教案10例1颗粒大小测定

已测得密度为ρp=1630kg/m3的塑料珠在20℃的CCl4液体中的沉降速度为1.7010-3m/s，20℃时CCl4的密度ρ=1590kg/m3，黏度=1.0310-3Pa.s，求此塑料珠的直径.解：设小珠沉降在斯托克斯定律区，按ut=[gdp2(ρp-ρ)]/18

可得dp=[(18ut)/g(ρp-ρ)]1/2=[（181.7010-31.0310-3)/9.81(1630-1590)]1/2

=2.8310-4m

校核ReRep=dputρ/

=2.8310-41.7010-31590/1.0310-3=0.744<2

计算有效，小珠直径约为0.283mm。第8页，课件共49页，创作于2023年2月教案10例2降尘室空气处理能力的计算现有一底面积为2m2的降尘室，用于处理20℃的常压含尘空气，尘粒密度为1800kg/m3，现需将直径为25m以上的颗粒全部除去，试求：（1）该降尘室的含尘气体处理能力,m3/s；（2）若在该降尘室中均匀设置9块水平隔板，则含尘气体的处理能力为多少m3/s？解：(1)据题意，由附录查得20℃常压空气ρ=1.2kg/m3,

=1.8110-5Pa.s

设100%除去的最小颗粒沉降处于斯托克斯定律区，则其沉降速度为ut=[gdmin2(ρp-ρ)]/18=[(2510-6)2(1800-1.2)9.81]/181.8110-5=0.034m/s

验Rep=dpminutρ/=2510-60.0341.2/1.8110-5=0.056<2原假设成立，气体处理量为Vs=A底ut=20.034=0.068m3/s(2)当均匀设置n块水平隔板时，实际降尘面积(n+1)A底，所以气体处理量为Vs=(n+1)A底ut=1020.034=0.68m3/s。第9页，课件共49页，创作于2023年2月3.2.3悬浮液沉聚P148图3-18干扰原因：1.附近颗粒干扰uFd

2.有效密度、粘度ρμ

3.大小颗粒间互曳，壁面效应P145过程：清液区等浓区变浓区沉聚区四层清液与沉聚区两层设备：沉降槽（池、桶）清液区等浓区变浓区沉聚区悬浮液清液泥浆第10页，课件共49页，创作于2023年2月沉降槽第11页，课件共49页，创作于2023年2月3.3离心沉降——惯性离心力——旋转P149

Fg=mg固定向下uTFcd,rFc

沉降速度浮力—向心力重力—离心力

阻力—阻力ur

——

ut

力平衡

ur不恒定，ut恒定,ur为径向分量,合成,ur

与ut、uT

螺旋形轨迹层流时分离因数第12页，课件共49页，创作于2023年2月离心沉降离心力FcuruT向心力Fb阻力Fdr轨迹离心沉降速度圆周速度重力第13页，课件共49页，创作于2023年2月旋风分离器的操作原理（气固）P150

图3-20设备不动ui

—uT

旋风分离.swf

圆锥形切向进入螺旋形除尘区：外旋l流内旋流双层螺旋形ui15~20m/sd=5μm性能P150

临界粒径——最小完全分离直径

假设1.进口ui

等速(=圆周uT)

;2.沉降距离B;3.层流.沉降时间停留时间

DB

dcη并联Ne=0.5~3.0标5

第14页，课件共49页，创作于2023年2月旋风分离器第15页，课件共49页，创作于2023年2月旋风分离器Bui颗粒含尘气体去尘气体外旋内旋h第16页，课件共49页，创作于2023年2月分离效率

P151总粒级

ηpi~

di/dc粒级效率曲线P152图3-21理论di/dc≥1ηp=1实际相交有交界区吹起

di/dc<1ηp

=0近壁聚结

η0=∑xiηpixi质量分率压降摩擦阻力局部阻力动能损失——压降P152

ζc

=8.030~200mmH2O例3第17页，课件共49页，创作于2023年2月教案10例3旋风分离器计算气流中所含尘粒的密度ρp=2000kg/m3，气体的流量为5500标准m3/h,温度t=500℃,ρ=0.43kg/m3，黏度=3.610-5Pa.s，拟采用标准型旋风分离器进行除尘，要求分离效率不低于90%，且知相应的临界粒径不大于10m；要求压强降不超过700Pa，试决定旋风分离器的尺寸与个数。解：已知标准型旋风分离器的阻力系数ζc

=8.0，规定的允许压强降为：Δpf=ζc(ρui

2/2)=700Pa

可知ui=[2Δpf/ζcρ]1/2=[2700/8.00.43]1/2=20.2m/s又知按照要求的分离效率，临界粒径不大于10m，故取临界粒径dc=10mdc=[9μB/(πNeui

ρp)]=1010-6m，Ne=5，ui=20.2m/s则B=πNeuiρpdc2/9μ=[π5200020.2(1010-6)2]/9(3.610-5)=0.196m旋风分离器的直径:D=4B=40.196=0.78m进气管截面积为：hB=(D/2)(D/4)=D2/8=(0.78)2/8=0.076m2Nm3标准立方米D=4B(进口直径)第18页，课件共49页，创作于2023年2月每个旋风分离器的气体处理量为：Vs’=(hB)ui=0.07620.2=1.535m3/s含尘气体在操作条件下的总流量为：Vs=(5500/3600)

(273+500)/273=4.32m3/s

所需旋风分离器的台数为：n=Vs/Vs’=4.32/1.535=2.8台表明：为满足规定的气体处理量，压强降及分离效率三项指标，需要直径不大于的标准型旋风分离器至少三台。为便于安排，决定采用四台并联;以下按四台并联方案进行计算：每台的气体处理量为：Vs’=Vs/4=1.08m3/s为保证指定的分离效率，临界粒径仍取为10m；重复上述方法确定分离器直径，dc=[9μB/(πNeui

ρp)]B=D/4,ui=Vs’/hB=8Vs’/D2则D=[(32πNeρs

Vs’dc2)/9]1/3=[32π520001.08(1010-6)2/93.610-5]1/3=0.695m核算压强降：ui

=8Vs’/D2=81.08/（0.695）2=17.9m/s第19页，课件共49页，创作于2023年2月Δpf=ζc(ρui

2/2)=8.00.43(17.9)2/2=550Pa<700Pa;或者以维持指定的最大允许压强降数值为前提，求得每台分离器的最小直径，当Δpf=700Pa时，进口气速应为20.2m/s，则进口截面积为：hB=D2/8=Vs’/ui=1.08/20.2=0.0535m2,D=(80.0535)1/2=0.654m核算临界直径：dc={9μ(D/4)/[πNe(8Vs’/D2)ρs]}=[9μD3/(32πNeρs

Vs’)]1/2=9.110-6m=9.1m<10m临界直径小于10m，分离效率必能满足要求。这表明：采用四台并联，只要旋风分离器直径在0.654~0.695m之间即能满足本本题要求。第20页，课件共49页，创作于2023年2月结构形式与选用

CLGCLTCLT/ACLP/A.B进气方式等细而长先定型式再定尺寸与个数依据Vsηordc

Δpf

要知粒级效率与粒度分布多台并联窜流/灰均匀分布旋液分离器（液固）（液液）底流（含液）溢流空气芯增稠分级——调流速互不相溶分液不能完全分开液固

ui=10m/s第21页，课件共49页，创作于2023年2月3.4离心机分离

P153离心机.swf

三足式离心机.swf概念:液态非均相混合物分离,液—固\液—液（轻、重不溶）设备转动：高速旋转转鼓

rn则Fr

r太大，机械强度要求高设备固定时uT

一定时r

则Fr；

r或n则Fr

分类及结构间歇、连续/立式卧式/过滤式、沉降式（液-固），分离式（液-液）管式\碟片式\螺旋式常速Kc<3000高速Kc=3000-50000超速Kc>50000第22页，课件共49页，创作于2023年2月

三足离心机第23页，课件共49页，创作于2023年2月碟片沉降自动出渣卧式螺旋卸料第24页，课件共49页，创作于2023年2月普通管式超速第25页，课件共49页，创作于2023年2月卧式刮刀第26页，课件共49页，创作于2023年2月滤液过滤介质滤浆滤饼3.5过滤过滤示意图滤浆第27页，课件共49页，创作于2023年2月3.5.1过滤操作的基本概念

P126图3-1

多孔介质处理悬浮液（滤浆）外力（重力，压力差，离心力等）滤液与滤饼（滤渣）固液分离分类：饼层过滤（1℅含固量）；滤饼过滤.swf深层过滤-介质床层内部0.1℅含固量水厂深层过滤.swf

过滤介质：要求多孔阻力小截留率高机械强度好饼支承物支承作用滤布粒状介质多孔固体介质

滤饼：固定底层厚度阻力空隙率Δp

ε可压缩性，Δp

ε不变不可压缩,单位厚度阻力恒定

助滤剂：可压缩性饼添加支撑渗透好阻力小不反应不溶解不压缩

1、先涂2、加入悬浮液第28页，课件共49页，创作于2023年2月3.5.2设备

分间歇机：板框压滤机板框压滤机.swf叶滤机P134-136图3-5、8板框叶滤第29页，课件共49页，创作于2023年2月第30页，课件共49页，创作于2023年2月连续机：转筒真空过滤机转鼓.swf圆盘真空过滤机P137图3-12转鼓圆盘操作步骤：间歇：装合过滤、洗涤(横穿、置换）、卸渣、整理连续：工作循环过滤、洗涤、卸渣第31页，课件共49页，创作于2023年2月3.5.3过滤的基本理论

P128过滤速度

m3/m2.s

层流

式中：L厚度；le当量长度；μLr过滤阻力；

r比阻单位厚度滤饼的阻力，r

=

Δpf/(uμL)1/m2含空隙率ε、通道长与厚之比例K0、比表面积A0,实测

Δpf

u,

r

u

,

μu

,

Lu

第32页，课件共49页，创作于2023年2月基本方程式

P128速率公式变换式中：L=CV/A

C单位m3饼/m3滤液,式中：r´=r/ρm/kg,C´=Cρkg/m3,

Ve过滤介质当量滤液体积，虚拟

第33页，课件共49页，创作于2023年2月恒压：Δp定L

Δpf

则u

恒速：u不变Δpf

—

Δp

恒压过滤方程式P131

p常数μ

rC均为常数则分离变量积分Ve(V+Ve)，0θ

为过滤常数

pKs压缩性指数，不可压缩s=0

第34页，课件共49页，创作于2023年2月如何测?书：实验作曲线实验测定K,Ve,θe,

改变p，测定各自的K,再作lnK

~lnΔp曲线测定r0,sP132

恒速过滤方程式

P131

恒速时为常数,则故可得方程假设K不变（实际由于压差增大，K有变化）第35页，课件共49页，创作于2023年2月过滤计算

a知A、θ,

求V;b知V、θ,

求A两者前提是已知方程及K

间歇机计算

P138

过滤洗涤重装操作周期：θC=θF+θw+θR

θF方程计算，θw

洗涤水量、洗涤速率计算，θR可定

洗涤速率=δ最终过滤速率P133横穿（滤饼厚度是过滤的两倍，而面积只是1/2）δ=1/4，置换δ=1

最佳操作周期P143

第36页，课件共49页，创作于2023年2月

µ不同Δp不同则需校例1、2生产能力

m3/s(m3/h)连续机

P139

操作周期θC

=1/n

Φ=浸入角度/360θF=φθC生产能力

θe

=0则Ve=0，

φn

—Vh

，n太高则饼薄，φ太高，操作困难，洗涤吸干吹松例3第37页，课件共49页，创作于2023年2月教案11例1叶滤机过滤面积的计算—过滤过程的计算

某固体粉末水悬浮液固含量的质量百分数w=0.02，温度为20℃，固体密度ρs

=3200kg/m3，已通过小试过滤实验测得滤饼的比阻r=1.821013m-2，滤饼不可压缩，滤饼空隙率ε=0.6，过滤介质阻力的当量滤液量qe=0，现工艺要求每次过滤时间30min，每次处理悬浮液8m3，选用操作压强Δp=0.12MPa，若用叶滤机来完成此任务，则该叶滤机过滤面积为多大？解：由题意：θ=1800s,μ=110-3Pa.s,ρ=1000kg/m3,悬浮液体积分数为Φ=（w/ρs）/[（w/ρs）+(1-w)/ρ]=(0.02/3200)/[(0.02/3200)+(1-0.02)/1000]=6.3410-3固m3/m3悬浮液滤液V=V悬[1-Φ/(1-ε)]=8[1-6.3410-3/(1-0.6)]=7.87m3C=8Φ/(1-ε)V=1.6110-4

(cm3饼/m3滤液）K=2Δp/rcμ=20.12106/(1.8210131.6110-4

110-3)=8.2810-4m2/s当qe=0时，Ve=0

由V2+2VVe=KA2θ得：

A=V/(Kθ)1/2=7.87/(8.2810-41800)1/2=6.45m2第38页，课件共49页，创作于2023年2月教案11例2板框压滤机的生产能力计算拟用一台板框压滤机过滤悬浮液CaCO3，CaCO3密度为2930kg/m3，含固量质量分率w=0.023，滤框的容渣体积为45045025mm，有40个滤框，过滤温度25℃，Δp=3105Pa，待滤框充满后在同样压差下用清水横穿洗涤滤饼，洗涤水量为滤液体积的1/10，已知每m3滤液可形成0.025m3的滤饼，试求：（1）过滤时间θF；（2）洗涤时间θw；（3）压滤机的生产能力（设辅助时间为60min）。已知qe=0.0268,µ=0.89410-3Pa.sK=7.4510-5m-2/s解：此例属操作型问题(1)计算滤框中充满滤饼所经历的过滤时间θF

框内滤饼总体积400.4520.025=0.203m3滤液量V=0.203/0.025=8.1m3

过滤面积A=400.4522=16.2m2q=V/A=8.1/16.2=0.5m3/m2第39页，课件共49页，创作于2023年2月过滤时间θF=(q2+2qqe)/K=(0.52+20.50.0268)/7.4510-5=3720s（2）洗涤时间θw；

横穿洗涤（dV/dθ）w==1/4（dV/dθ）F=1/8KA2/(V+Ve)=2.86410-4m3/sVw=0.1V=0.18.1=0.81m3

故θw=Vw/（dq/dθ）w=0.81/2.86410-4=2830s

（3）生产能力QQ=V/(θF+θw+θR)=8.1/(3720+2830+3600)=7.9810-4m3/s=2.87m3/h.第40页，课件共49页，创作于2023年2月教案11例3连续机的计算密度为1116kg/m3的某种悬浮液于53300Pa的真空度下用小型转筒真空过滤机作试验，测得过滤常数K=5.1510-6m2/s，每送出1m3滤液所得的滤饼中含有固相594kg，固相密度为1500kg/m3，液相为水。现用一直径1.75m，长0.98m的转筒真空过滤机进行生产操作，维持与试验时相同的真空度，转速为1r/min，浸没角度为125.50，且知滤布阻力可忽略，滤饼不可压缩，求：（1）过滤机的生产能力Q；（2）转筒表面的滤饼厚度L.解：（1）生产能力Q

转筒过滤面积A=πDL=π1.750.98=5.39m2

转筒的浸没度Φ=125.5/360=0.349,

每分钟转速为1次，n=1/60,过滤常数K=5.1510-6m2/s，将数据代入Vh=3600A(KΦn)1/2

=36005.39(5.1510-60.3491/60)1/2=3.36m3/h.（2）滤饼厚度L应先物料衡算，求出饼/滤液体积比，以1m3悬浮液为准，设其中固相质量分率为x,

第41页，课件共49页，创作于2023年2月则1116x/1500+1116(1-x)/1000=1x=0.312，故知，1m3悬浮液中的固相质量=11160.312=348kg,1m3悬浮液所得滤液体积=348/594=0.586m3,1m3悬浮液所得滤饼体积=1-0.586=0.414m3

于是，饼液体积比c=0.414/0.586=0.706饼m3/滤液m3

转筒每转一周所得滤液量应为V=Vhθc/3600=3.3660/3600=0.056m3

则相应的滤饼体积为Vc=cV=0.7060.056=0.0394m3

故知滤饼厚度为L=Vc/A=0.0394/5.39=0.0073m=7.3mm第42页，课件共49页，创作于2023年2月机械分离重点：过滤原理

P126过滤基本方程P135过滤常数K与Δp、µ的关系P130恒压过滤、恒速过滤、过滤常数测定方法P131横穿、置换洗涤速率、洗涤时间P133过滤设备P134操作周期与生产能力、计算例题P138沉降速度计算公式的推导P144

、自由与离心沉降、Kc的含义P149沉降分区及公式

P145沉降影响因素P145设备及计算

P146旋风分离器的性能dc

P151

Δpf

P152

ηP151离心机P153第43页，课件共49页，创作于2023年2月分离习题课1、用双锥分级器对方铅矿与石英两种粒子的混合物进行分离，分级器工质为20℃的水。已知粒子尺寸范围d=0.08—0.7mm.方铅矿ρp1

=7500kg/m3，石英ρp2

=2650kg/m3，水20℃ρ

=998kg/m3，μ=1.00410-3Pa.s,假定为球形粒子，且作自由沉降，试求：（1）欲获得纯方铅矿粒，水的上升速度至少应为多少？（2）所得纯方铅矿粒的最大尺寸范围如何？解：因方铅矿密度比石英大，尺寸相等的两种粒子中以方铅矿沉降较快，因此应该按大石英粒子自由沉降速度决定水的流速。这样能带走全部石英粒子而获得尽可能多的纯方铅矿。设与最大石英粒子的沉降速度相对应的Re处在2—500过渡状态区（阿仑区），则第44页，课件共49页，创作于2023年2月ζ=18.5/Rep0.6

ut=0.269[

gdp(ρpρ)Re0.6/ρ]Re=duρ/μ代入ut=0.269[9.810.710-3

(2650998)/998]

[0.710-3

ut

998/1.00410-3]0.6ut0.7=0.2690.10667.124=0.2043ut

=0.103m/s校Re范围Re=0.710-3

0.103998/1.00410-3=72在阿仑区，假定正确。水流上升速度为u

=0.103m/s（2）所得的纯方铅矿粒中尺寸最小者应是其沉降速度恰等于0.103m/s的粒