機(jī)械分離與固體流態(tài)化(1).ppt

化工原理電子教案/目錄,1,目錄,第三章 機(jī)械分離與固體流態(tài)化 第一節(jié) 篩分 一、顆粒的特性 二、顆粒群的特性 三、篩分 第二節(jié) 沉降分離 一、沉降原理 二、沉降設(shè)備,化工原理電子教案/目錄,2,目錄,第三節(jié) 過(guò)濾 一、概述 二、過(guò)濾基本方程 三、過(guò)濾常數(shù)的測(cè)定 四、濾餅洗滌 五、過(guò)濾設(shè)備及過(guò)濾計(jì)算 習(xí)題課,化工原理電子教案/目錄,3,目錄,第四節(jié) 離心分離 第五節(jié) 固體流態(tài)化 一、什么是流態(tài)化 二、流化床的兩種形態(tài) 三、流化床的主要特性 小結(jié) 第三版第18次印刷的教材更正,4/70,第三章 機(jī)械分離與固體流態(tài)化,分離,-篩分、沉降、過(guò)濾,-將在下冊(cè)中介紹,5/70,第一節(jié) 篩分,一、顆粒的特性,-分離固體顆粒群,大小（粒徑）,形狀,表面積,球形顆粒,非球形顆粒,直徑dp,當(dāng)量直徑，如體積當(dāng)量直徑 deV,球形度,6/70,第一節(jié) 篩分,二、顆粒群的特性,粒度分布,-頻率分布曲線（見(jiàn)下圖）、累計(jì)分布曲線(如圖3-1所示)。,頻率分布曲線,7/70,二、顆粒群的特性,平均直徑,表面積平均直徑,-每個(gè)顆粒平均表面積等于全部顆粒的表面積之 和除以顆粒的總數(shù),長(zhǎng)度平均直徑,體積平均直徑,-每個(gè)顆粒平均體積等于全部顆粒的體積之 和除以顆粒的總數(shù),體積表面積平均直徑,-每個(gè)顆粒的平均比表面積等于全部顆粒的 比表面積平均值,8/70,三、篩分,泰勒（Tyler）標(biāo)準(zhǔn)篩-其篩孔大小以每英寸長(zhǎng)度篩網(wǎng)上的孔數(shù)表示，稱(chēng)為“目”。例如100目的篩即指每英寸篩網(wǎng)上有100個(gè)篩孔。 目數(shù)越大，篩孔越小。,篩網(wǎng)用金屬絲制成，孔類(lèi)似正方形。,將幾個(gè)篩子按篩孔從大到小的次序從上到下疊置起來(lái)，最底下置一無(wú)孔的盤(pán)-底盤(pán)。樣品加于頂端的篩上，搖動(dòng)或振動(dòng)一定的時(shí)間。通過(guò)篩孔的物料稱(chēng)為篩過(guò)物，未能通過(guò)的稱(chēng)為篩留物。篩留物的直徑等于相鄰兩號(hào)篩孔寬度的算術(shù)平均值，將篩留物取出稱(chēng)重，可得樣品質(zhì)量分率分布曲線。,標(biāo)準(zhǔn)篩,篩分,返回目錄,9/70,第二節(jié) 沉降分離,一、沉降原理,1、自由沉降,極短，通?？梢院雎?該段的顆粒運(yùn)動(dòng)速度稱(chēng)為沉降速度，用u0表示。,顆粒在流體中沉降時(shí)受力,-單個(gè)顆粒在無(wú)限流體 中的降落過(guò)程,重力沉降速度：以球形顆粒為例,10/70,1、自由沉降,Re0=du0/ 1或2 層流區(qū), 如圖3-2中的實(shí)線所示。,-斯托克斯定律,作業(yè)：,11/70,1、自由沉降,離心沉降速度,對(duì)照重力場(chǎng),離心加速度ar=2r=ut2/r不是常量 沉降過(guò)程沒(méi)有勻速段，但在小顆粒沉降時(shí)，加速度很小，可近似作為勻速沉降處理,顆粒受力：,類(lèi)似重力沉降速度推導(dǎo)，得：,12/70,1、自由沉降,Rer=dur/ 1或2 層流區(qū),對(duì)照重力場(chǎng),數(shù)值約為幾千幾萬(wàn),-離心分離因數(shù),13/70,2、實(shí)際沉降,由于干擾作用，實(shí)際沉降速度小于自由沉降速度。,由于壁面效應(yīng)，實(shí)際沉降速度小于自由沉降速度。,干擾沉降,非球形顆粒的沉降,壁面效應(yīng),球形度越小，沉降速度越小； 顆粒的位向?qū)Τ两邓俣纫灿杏绊憽?14/70,二、沉降設(shè)備,-用于除去75m以上顆粒,-用于除去510m 顆粒,15/70,1重力沉降設(shè)備,降塵室,則表明，該顆粒能在降塵室中除去。,思考1：為什么氣體進(jìn)入降塵室后，流通截面積要擴(kuò)大？,思考2：為什么降塵室要做成扁平的？,結(jié)構(gòu)：,除塵原理：,為了增大停留時(shí)間。,16/70,降塵室,思考3：要想使某一粒度的顆粒在降塵室中被100%除去，必須滿足什么條件？,思考4：能夠被100%除去的最小顆粒，必須滿足什么條件？,思考4：粒徑比dmin小的顆粒，被除去的百分?jǐn)?shù)如何計(jì)算？,17/70,降塵室,思考2：為什么降塵室要做成扁平的？,可見(jiàn)，降塵室最大處理量與底面積、沉降速度有關(guān),而與降塵室高度無(wú)關(guān)。 故降塵室多做成扁平的。,注意! 降塵室內(nèi)氣體流速不應(yīng)過(guò)高，以免將已沉降下來(lái)的顆粒重新?lián)P起。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，多數(shù)灰塵的分離，可取u3m/s，較易揚(yáng)起灰塵的，可取u1.5m/s。,最大處理量-能夠除去最小顆粒時(shí)的氣體流量Vs,18/70,降塵室,降塵室優(yōu)、缺點(diǎn),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 設(shè)備龐大、效率低 只適用于分離粗顆粒(直徑75m以上)，或作為預(yù)分離設(shè)備。,作業(yè)：,19/70,增稠器（沉降槽）,請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫(huà),結(jié)構(gòu)：,除塵原理：,用于分離出液-固混合物,與降塵室一樣，沉降槽的生產(chǎn)能力是由截面積來(lái)保證的，與其高度無(wú)關(guān)。故沉降槽多為扁平狀。,與降塵室相同,20/70,增稠器（沉降槽）,屬于干擾沉降 愈往下沉降速度愈慢-愈往下顆粒濃度愈高，其表觀粘度愈大，對(duì)沉降的干擾、阻力便愈大； 沉降很快的大顆粒又會(huì)把沉降慢的小顆粒向下拉，結(jié)果小顆粒被加速而大顆粒則變慢。 有時(shí)顆粒又會(huì)相互聚結(jié)成棉絮狀整團(tuán)往下沉，這稱(chēng)為絮凝現(xiàn)象，使沉降加快。 這種過(guò)程中的沉降速度難以進(jìn)行理論計(jì)算，通常要由實(shí)驗(yàn)決定。 因固-液密度相差不是很懸殊，故較難分離，因此，連續(xù)沉降槽的直徑可以大到100 m以上，高度卻都在幾米以?xún)?nèi)。,特點(diǎn)：,請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫(huà),21/70,2離心沉降設(shè)備,旋風(fēng)分離器：,請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫(huà),結(jié)構(gòu)：,除塵原理：,含塵氣體以切線方向進(jìn)入，速度為1225 ms-1，按螺旋形路線向器底旋轉(zhuǎn)，接近底部后轉(zhuǎn)而向上，成為氣芯，然后從頂部的中央排氣管排出。氣流中所夾帶的塵粒在隨氣流旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中逐漸趨向器壁，碰到器壁后落下，自錐形底落入灰斗（未繪出）。,上部為圓筒形，下部為圓錐形。,22/70,旋風(fēng)分離器,能夠從分離器內(nèi)100%分離出來(lái)的最小顆粒的直徑，用dc表示。其滿足：,假設(shè)顆粒沉降過(guò)程中所穿過(guò)的氣流的最大 厚度等于進(jìn)氣口寬度B；,假設(shè)顆粒沉降服從斯托克斯公式。,ui,ui,臨界粒徑,23/70,旋風(fēng)分離器,結(jié)論：旋風(fēng)分離器越細(xì)、越長(zhǎng)，dc越小,N值與進(jìn)口氣速有關(guān)，對(duì)常用形式的旋風(fēng)分離器，風(fēng)速1225 ms-1范圍內(nèi)，一般可取N =34.5，風(fēng)速愈大，N也愈大。,思考：從上式可見(jiàn)，氣體 ，入口B ，氣旋圈數(shù)N ，進(jìn)口氣速u(mài)i ，臨界粒徑越小，why？,24/70,旋風(fēng)分離器,評(píng)價(jià)旋風(fēng)分離器性能的兩個(gè)主要指標(biāo)：,小好，一般在5002000Pa左右,25/70,旋液分離器,Why?,特點(diǎn)： 與旋風(fēng)分離器相比，直徑小、錐形部分長(zhǎng)。,請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫(huà),結(jié)構(gòu)：,返回目錄,26/70,第三節(jié) 過(guò)濾,一、概述,這種過(guò)濾是在過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行的，介質(zhì)表面無(wú)濾餅形成。過(guò)濾用的介質(zhì)為粒狀床層或素?zé)ú簧嫌缘模┨沾赏不虬濉?此法適用于從液體中除去很小量的固體微粒，例如飲用水的凈化。,27/70,一、概述,濾漿,濾餅,過(guò)濾介質(zhì),濾液,-推動(dòng)力：重力、壓力、離心力,28/70,一、概述,工業(yè)用過(guò)濾介質(zhì)主要有： 棉、麻、絲、毛、合成纖維、金屬絲等編織成的濾布。,過(guò)濾介質(zhì)：,多孔性介質(zhì)、耐腐蝕、耐熱并具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。,29/70,一、概述,濾餅的壓縮性：,空隙結(jié)構(gòu)易變形的濾餅為可壓縮濾餅。,30/70,一、概述,使用時(shí)，可預(yù)涂，也可以混入待濾的濾漿中一起過(guò)濾。 助濾劑能形成結(jié)構(gòu)疏松、而且?guī)缀跏遣豢蓧嚎s的濾餅?？筛纳圃瓰V餅的可壓縮性和過(guò)于致密的缺點(diǎn)。,助濾劑：,-是顆粒細(xì)小、粒度分布范圍較窄、堅(jiān)硬而懸浮性好 的顆粒狀或纖維固體，如硅藻土、纖維粉末、活性 炭、石棉。,31/70,二、過(guò)濾基本方程,-濾液量V過(guò)濾時(shí)間的關(guān)系,-即為流速，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位過(guò)濾面積的濾液體積,過(guò)濾速度u,濾餅過(guò)濾過(guò)程中，濾餅逐漸增厚，流動(dòng)阻力也隨之逐漸增大，所以過(guò)濾過(guò)程屬于不穩(wěn)定的流動(dòng)過(guò)程。故,A,32/70,二、過(guò)濾基本方程,-濾液量V過(guò)濾時(shí)間的關(guān)系,(1)細(xì)管長(zhǎng)度le與床層高度L成正比 (2)細(xì)管的內(nèi)表面積等于全部顆粒的表面積， 流體的流動(dòng)空間等于床層中顆粒之間的全部空隙體積。,1、過(guò)濾基本方程的推導(dǎo),簡(jiǎn)化模型：假定：,真實(shí)速度,u,顆粒的比表面積,33/70,二、過(guò)濾基本方程,-濾液量V過(guò)濾時(shí)間的關(guān)系,濾餅內(nèi)，雷諾數(shù)很小，屬層流流動(dòng)，,-哈根-泊謖葉方程,le、de表達(dá)式（見(jiàn)上頁(yè)）,由質(zhì)量守恒得：,A,34/70,二、過(guò)濾基本方程,-濾液量V過(guò)濾時(shí)間的關(guān)系,思考：影響過(guò)濾阻力的因素有哪些？ 影響過(guò)濾速度的因素有哪些？,35/70,二、過(guò)濾基本方程,-濾液量V過(guò)濾時(shí)間的關(guān)系,設(shè)每獲得單位體積濾液時(shí)，被截留在過(guò)濾介質(zhì)上的濾餅體積為c（m3濾餅/m3濾液），則,令,濾餅,濾液,1,c,思考：濾餅中全是固體物嗎？,壓縮指數(shù) 0s1（可壓縮濾餅）s=0（不可壓縮濾餅）,36/70,二、過(guò)濾基本方程,-過(guò)濾基本方程,過(guò)濾常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定,思考：影響K的因素有哪些？ 影響Ve或qe的因素有哪些？,-濾液量V過(guò)濾時(shí)間的關(guān)系,37/70,二、過(guò)濾基本方程,-濾液量V過(guò)濾時(shí)間的關(guān)系,38/70,二、過(guò)濾基本方程,-濾液量V過(guò)濾時(shí)間的關(guān)系,2、恒壓過(guò)濾,特點(diǎn)：,K為常數(shù),積分得：,或,若過(guò)濾介質(zhì)阻力可忽略不計(jì)，則,或,，過(guò)濾速度愈來(lái)愈小。,39/70,三、過(guò)濾常數(shù)的測(cè)定,恒壓時(shí)：,logplogK作圖求出壓縮指數(shù)s,/qq圖,40/70,四、濾餅洗滌,思考：洗滌阻力與哪些因素有關(guān)？,與濾餅厚度、濾餅性質(zhì)、 洗滌液粘度、介質(zhì)阻力有關(guān),推動(dòng)力、阻力不變 洗滌速度為常數(shù)。,思考：洗滌過(guò)程與過(guò)濾過(guò)程的有何異同？,41/70,四、濾餅洗滌,若推動(dòng)力相同，則：,洗滌速度與過(guò)濾終了速度的關(guān)系?,42/70,五、過(guò)濾設(shè)備及過(guò)濾計(jì)算,過(guò)濾設(shè)備,43/70,五、過(guò)濾設(shè)備及過(guò)濾計(jì)算,1、板框壓濾機(jī),濾框、濾板,結(jié)構(gòu)：,1060塊不等， 過(guò)濾面積約為280m2,請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫(huà),濾框和濾板的左上角與右上角均有孔。,請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫(huà),注：教材圖3-12有誤，應(yīng)將“濾液進(jìn)口”改為“濾漿進(jìn)口”；將“濾漿出口”改為“濾液出口”。圖下方代表濾液流動(dòng)方向的箭頭均改為向左方向,44/70,1、板框壓濾機(jī),一個(gè)操作循環(huán)：,過(guò)濾,洗滌,卸渣、整理重裝,思考：對(duì)板框壓濾機(jī)，下式中V、Ve、A怎么取值？半個(gè)框的？一個(gè)框的？還是N個(gè)框的？,均可。,45/70,1、板框壓濾機(jī),屬間歇式,特點(diǎn)：,橫穿洗滌：Lw=2L， Aw=A/2,46/70,1、板框壓濾機(jī),生產(chǎn)能力：,操作周期：,單位時(shí)間內(nèi)獲得的濾液量或?yàn)V餅量 。,其中：,47/70,1、板框壓濾機(jī),最佳操作周期：,生產(chǎn)能力最大時(shí)的操作周期,令dQdV=0可得：,若過(guò)濾、洗滌的操作壓力相同 濾液洗滌液w 介質(zhì)阻力忽略不計(jì),-最佳操作周期,48/70,2、葉濾機(jī),屬間歇式,置換洗滌：Lw=L ，Aw=A,濾葉,一個(gè)操作循環(huán)：,過(guò)濾、洗滌、卸渣、整理重裝,特點(diǎn)：,結(jié)構(gòu)：,請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫(huà),思考：對(duì)葉濾機(jī)，下式中V、Ve、A怎么取值？一個(gè)濾葉的？還是N個(gè)的？,均可。,49/70,2、葉濾機(jī),操作周期：,與板框機(jī)相同,生產(chǎn)能力：,與板框機(jī)類(lèi)似,最佳操作周期：,與板框機(jī)相同,50/70,3、轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī),置換洗滌：Lw=L ，Aw=A,屬連續(xù)式,過(guò)濾、洗滌、吹松、刮渣,轉(zhuǎn)筒-筒的側(cè)壁上覆蓋有金屬網(wǎng)，長(zhǎng)、徑之比約為1/22， 濾布-蒙在筒外壁上。 分配頭-轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)、固定盤(pán),浸沒(méi)于濾漿中的過(guò)濾面積約占全部面積的3040% 轉(zhuǎn)速為0.1至23（轉(zhuǎn)/分）,一個(gè)操作循環(huán)：,特點(diǎn)：,結(jié)構(gòu)：,請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫(huà),51/70,3、轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī),其中：,操作周期：,生產(chǎn)能力：,思考：對(duì)轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)，上式中V、Ve、A、 怎么取值？按過(guò)濾區(qū)？還是按整個(gè)轉(zhuǎn)筒？,均可。 按整個(gè)轉(zhuǎn)筒?。篤，Ve，A，= T 按過(guò)濾區(qū)?。?V， Ve， A，= T,浸沒(méi)分?jǐn)?shù)（轉(zhuǎn)筒浸入面積占全部轉(zhuǎn)筒面積的分率）,52/70,3、轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī),若介質(zhì)阻力忽略不計(jì)，則,53/70,習(xí)題課,【例】 某板框過(guò)濾機(jī)有5個(gè)濾框，框的尺寸為635635 25mm。過(guò)濾操作在20、恒定壓差下進(jìn)行，過(guò)濾常數(shù)K=4.2410-5m2/s，qe=0.0201m3/m2，濾餅體積與濾液體積之比c=0.08 m3/m3，濾餅不洗滌，卸渣、重整等輔助時(shí)間為10分鐘。試求框全充滿所需時(shí)間。 現(xiàn)改用一臺(tái)回轉(zhuǎn)真空過(guò)濾機(jī)過(guò)濾濾漿，所用濾布與前相同，過(guò)濾壓差也相同。轉(zhuǎn)筒直徑為1m，長(zhǎng)度為1m，浸入角度為120。問(wèn)轉(zhuǎn)鼓每分鐘多少轉(zhuǎn)才能維持與板框過(guò)濾機(jī)同樣的生產(chǎn)能力？ 假設(shè)濾餅不可壓縮。,54/70,以一個(gè)框?yàn)榛鶞?zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。,濾液量,過(guò)濾面積,再根據(jù)恒壓過(guò)濾方程得：,K=4.2410-5m2/s qe=0.0201m3/m2,思考：以5個(gè)框?yàn)榛鶞?zhǔn)，如何求解？,【解】,框全充滿所需時(shí)間？,（框全充滿）,55/70,改用回轉(zhuǎn)真空過(guò)濾機(jī)后，壓差不變，故K不變； 濾布不變，故qe不變。 K=4.2410-5m2/s，qe=0.0201m3/m2 過(guò)濾面積,板框：,設(shè)轉(zhuǎn)筒每分鐘轉(zhuǎn)n轉(zhuǎn)，則回轉(zhuǎn)真空過(guò)濾機(jī)生產(chǎn)能力,回轉(zhuǎn)真空過(guò)濾機(jī)：,轉(zhuǎn)鼓每分鐘多少轉(zhuǎn)才能維持與板框過(guò)濾機(jī)同樣的生產(chǎn)能力？,56/70,習(xí)題課,作業(yè)：,返回目錄,57/70,第四節(jié) 離心分離,利用離心力分離非均相混合物。其設(shè)備除前述的旋風(fēng)（液）分離器外，還有離心機(jī) 。,返回目錄,58/70,第五節(jié) 固體流態(tài)化,固體流態(tài)化運(yùn)用在粉粒狀物料的輸送、混合、加熱或冷卻、干燥、吸附、煅燒和氣固反應(yīng)等過(guò)程中。,一、什么是流態(tài)化？,此時(shí)流體的真正速度 u 顆粒的沉降速度u0,此時(shí)u= u0 顆粒懸浮于流體中，床層有一個(gè)明顯的上界面，與沸騰水的表面相似,此時(shí)u u0,59/70,二、流化床的兩種形態(tài),床內(nèi)顆粒的分散狀態(tài)和擾動(dòng)程度