機械分離和固體流態(tài)化原理和設(shè)備

1、機械分離和固體流態(tài)化原理和設(shè)備12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3第三章 機械分離與固體流態(tài)化 第三節(jié) 過濾 一、概述二、過濾基本方程三、過濾常數(shù)的測定四、濾餅洗滌五、過濾設(shè)備及過濾計算習題課4第三章 機械分離與固體流態(tài)化 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)5概述：均相物系：指物系內(nèi)部各處均勻且無相界面，包括溶液、氣體混合物等。非均相物系：指物系內(nèi)部有隔不同相的界面且界面兩側(cè)的物料性質(zhì)有差異。包括： 氣固系統(tǒng)（如空氣中的塵埃等含塵氣體）； 液固系統(tǒng)（如液體中的固體顆粒，懸浮

2、液）； 氣液系統(tǒng)（如氣體中的液滴，含霧氣體）； 液液系統(tǒng)（如乳濁液中的微滴）。6 非均相物系分離的依據(jù)是連續(xù)相與分散相具有不同的物理性質(zhì)（如密度），故可用機械方法進行分離。利用密度差進行分離時，必須使分散相與連續(xù)相產(chǎn)生相對運動，因此，分離非均相物系的單元操作遵循流體力學的基本規(guī)律，按兩相運動方式的不同分為篩分、沉降和離心分離和過濾。非均相物系的分離主要用于：1、回收有用物質(zhì)，如顆粒狀催化劑的回收；2、凈化氣體，如除塵、廢液、廢氣中有害物質(zhì)的清除等。 7非均相物系的分離方法 1、氣-固體系 旋風分離器 ：含塵氣體從入口導(dǎo)入除塵器的外殼和排氣管之間，形成旋轉(zhuǎn)向下的外旋氣流。懸浮于外旋流的粉塵在離心

3、力的作用下移向器壁，并隨外旋流旋轉(zhuǎn)到除塵器底部，由排塵孔排出。凈化后的氣體形成上升的內(nèi)旋流并經(jīng)過排氣管排出。 應(yīng)用范圍及特點 旋風除塵器適用于凈化大于510微米的非粘性、非纖維的干燥粉塵。它是一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、耐高溫、設(shè)備費用和阻力較低（80160毫米水柱）的裝置。 旋風除塵器廣泛應(yīng)用于空氣凈化、煙道除塵、細小顆?；厥盏阮I(lǐng)域。 例如，火力發(fā)電廠的鍋爐煙道上就裝有這種裝置，它有效的降低了排出的煙塵，否則，早晨起來時，電廠附近的馬路上會鋪滿一層煙灰。 8 2、固-固體系 如果是一個可溶而另一個難溶的話，可以加水溶解，然后過濾，蒸發(fā)就可以 如果都可溶，看它們的溶解度隨溫度變化大不大，如果是一個

4、大一個不大的話，可以加水溶解然后升溫，再加固體直至飽和，再降溫結(jié)晶。 3.液液分離 是兩種互不相溶的（如氯仿和水溶液）用分液漏斗，靜置分層后分離即可。原理是兩種溶液不相溶和密度不同會出現(xiàn)分層現(xiàn)象。 4.液固分離，簡單的用適當?shù)臑V器過濾，分別收集處理。另外就是使用離心機，原理是分子或顆粒的重量不同。 9第一節(jié)篩分一、顆粒的特性-分離固體顆粒群大?。剑┬螤畋砻娣e球形顆粒 非球形顆粒 直徑dp 當量直徑，如體積當量直徑 deV球形度 10第一節(jié)篩分二、顆粒群的特性粒度分布-頻率分布曲線（見下圖）。頻率分布曲線11二、顆粒群的特性平均直徑表面積平均直徑 -每個顆粒平均表面積等于全部顆粒的表面積之

5、和除以顆粒的總數(shù)長度平均直徑體積平均直徑 -每個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 -每個顆粒的平均比表面積等于全部顆粒的 比表面積平均值12三、篩分泰勒（Tyler）標準篩-其篩孔大小以每英寸長度篩網(wǎng)上的孔數(shù)表示，稱為“目”。例如100目的篩即指每英寸篩網(wǎng)上有100個篩孔。目數(shù)越大，篩孔越小。篩網(wǎng)用金屬絲制成，孔類似正方形。 將幾個篩子按篩孔從大到小的次序從上到下疊置起來，最底下置一無孔的盤-底盤。樣品加于頂端的篩上，搖動或振動一定的時間。通過篩孔的物料稱為篩過物，未能通過的稱為篩留物。篩留物的直徑等于相鄰兩號篩孔寬度的算術(shù)平均值，將篩留物取出稱重，可得樣品

6、質(zhì)量分率分布曲線。標準篩篩分13第二節(jié) 沉降分離一、沉降原理1、自由沉降極短，通?？梢院雎栽摱蔚念w粒運動速度稱為沉降速度，用u0表示。加速段：等速段：浮力Fb 曳力FD質(zhì)量力Fc顆粒在流體中沉降時受力-單個顆粒在無限流體 中的降落過程重力沉降速度：以球形顆粒為例 141、自由沉降Re0=du0/ 1或2 層流區(qū)-斯托克斯定律 151、自由沉降離心沉降速度對照重力場 離心加速度ar=2r=ut2/r不是常量 沉降過程沒有勻速段，但在小顆粒沉降時，加速度很小，可近似作為勻速沉降處理顆粒受力：類似重力沉降速度推導(dǎo)，得：161、自由沉降Rer=dur/ 1或2 層流區(qū)對照重力場數(shù)值約為幾千幾萬-離心分

7、離因數(shù)172、實際沉降由于干擾作用，實際沉降速度小于自由沉降速度。由于壁面效應(yīng)，實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?8二、沉降設(shè)備-用于除去75m以上顆粒-用于除去510m 顆粒191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：為什么氣體進入降塵室后，流通截面積要擴大？思考2：為什么降塵室要做成扁平的？結(jié)構(gòu)：除塵原理：為了增大停留時間。20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dm

8、in小的顆粒，被除去的百分數(shù)如何計算？21降塵室思考2：為什么降塵室要做成扁平的？ 可見，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)過高，以免將已沉降下來的顆粒重新?lián)P起。根據(jù)經(jīng)驗，多數(shù)灰塵的分離，可取u3m/s，較易揚起灰塵的，可取。最大處理量-能夠除去最小顆粒時的氣體流量Vs22降塵室降塵室優(yōu)、缺點結(jié)構(gòu)簡單，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。 23增稠器（沉降槽）請點擊觀看動畫結(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)能力是由截面積來保證的，與其高度無關(guān)。故沉降

9、槽多為扁平狀。 與降塵室相同24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，對沉降的干擾、阻力便愈大；沉降很快的大顆粒又會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。有時顆粒又會相互聚結(jié)成棉絮狀整團往下沉，這稱為絮凝現(xiàn)象，使沉降加快。這種過程中的沉降速度難以進行理論計算，通常要由實驗決定。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，高度卻都在幾米以內(nèi)。 特點：請點擊觀看動畫252離心沉降設(shè)備旋風分離器：請點擊觀看動畫結(jié)構(gòu)：除塵原理： 含塵氣體以切線方向進入，速度為1225 ms-1，按螺旋形路線向器底

10、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。 26旋風分離器 能夠從分離器內(nèi)100%分離出來的最小顆粒的直徑，用dc表示。其滿足：幾點假設(shè)：假設(shè)器內(nèi)氣體速度恒定，且等于進口氣速ui；假設(shè)顆粒沉降過程中所穿過的氣流的最大 厚度等于進氣口寬度B；假設(shè)顆粒沉降服從斯托克斯公式。uiui臨界粒徑27旋風分離器結(jié)論：旋風分離器越細、越長，dc越小 N值與進口氣速有關(guān)，對常用形式的旋風分離器，風速1225 ms-1范圍內(nèi)，一般可取N =3，風速愈大，N也愈大。 思

11、考：從上式可見，氣體 ，入口B ，氣旋圈數(shù)N ，進口氣速ui ，臨界粒徑越小，why？28旋風分離器評價旋風分離器性能的兩個主要指標：小好，一般在5002000Pa左右29例題3-1 石英和方鉛礦的混合球形顆粒在如圖所示的水力分級器中進行分離。兩者的密度分別為2650kg/m3和7500kg/m3，且粒度范圍均為 。水溫為20。假設(shè)顆粒在分級器中均作自由沉降。試計算能夠得到純石英和純方鉛礦的粒度范圍及三個分級器中的水流速度30解：1、2、3號分級器直徑逐漸增大而三者中上升水流量均相同，所以水在三者中流速逐漸減小。水在1號中的速度最大，可將密度小的石英顆粒全部帶走，于是1號底部可得到純方鉛礦。但

12、是，也有部分小顆粒的方鉛礦隨同全部石英被帶走。在2號分級器，控制水流速度，將全部方鉛礦全部沉降下來，但也有部分大顆粒石英會沉降下來。在3號分級器，控制水流速度，可將全部小石英粒子全部沉降下來。綜上所述，1號分級器的作用在于要帶走所有石英粒子（最大為100），因此1號的水流速應(yīng)該等于100石英的沉降速度；2號的作用在于截下全部方鉛礦（最小為20），因此2號的水流速應(yīng)該等于20方鉛礦的沉降速度；3號的作用在于截下全部石英粒子（最小為20），因此3號水流速應(yīng)該等于20石英的沉降速度。313233第三節(jié) 過濾 一、概述深層過濾 這種過濾是在過濾介質(zhì)內(nèi)部進行的，介質(zhì)表面無濾餅形成。過濾用的介質(zhì)為粒狀床層

13、或素燒（不上釉的）陶瓷筒或板。 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。34一、概述濾漿濾餅過濾介質(zhì)濾液-推動力：重力、壓力、離心力 濾餅過濾35一、概述濾漿濾餅過濾介質(zhì)濾液濾餅過濾工業(yè)用過濾介質(zhì)主要有： 棉、麻、絲、毛、合成纖維、金屬絲等編織成的濾布。過濾介質(zhì)：多孔性介質(zhì)、耐腐蝕、耐熱并具有足夠的機械強度。36一、概述濾漿濾餅過濾介質(zhì)濾液濾餅過濾濾餅的壓縮性： 空隙結(jié)構(gòu)易變形的濾餅為可壓縮濾餅。 37一、概述濾漿濾餅過濾介質(zhì)濾液濾餅過濾 使用時，可預(yù)涂，也可以混入待濾的濾漿中一起過濾。 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。可改善原濾餅的可壓縮性和過于致密的缺點。

14、 助濾劑：-是顆粒細小、粒度分布范圍較窄、堅硬而懸浮性好 的顆粒狀或纖維固體，如硅藻土、纖維粉末、活性 炭、石棉。38二、過濾基本方程-濾液量V過濾時間的關(guān)系-即為流速，單位時間內(nèi)通過單位過濾面積的濾液體積過濾速度u 濾餅過濾過程中，濾餅逐漸增厚，流動阻力也隨之逐漸增大，所以過濾過程屬于不穩(wěn)定的流動過程。故 A39二、過濾基本方程-濾液量V過濾時間的關(guān)系(1)細管長度le與床層高度L成正比(2)細管的內(nèi)表面積等于全部顆粒的表面積， 流體的流動空間等于床層中顆粒之間的全部空隙體積。1、過濾基本方程的推導(dǎo)簡化模型：假定：真實速度 u濾餅體積濾餅的比表面積顆粒的比表面積40二、過濾基本方程-濾液量V

15、過濾時間的關(guān)系濾餅內(nèi)，雷諾數(shù)很小，屬層流流動，-哈根-泊謖葉方程le、de表達式（見上頁）由質(zhì)量守恒得：濾餅截面積A41二、過濾基本方程 p2 p1u-濾液量V過濾時間的關(guān)系思考：影響過濾阻力的因素有哪些？ 影響過濾速度的因素有哪些？42二、過濾基本方程-濾液量V過濾時間的關(guān)系 設(shè)每獲得單位體積濾液時，被截留在過濾介質(zhì)上的濾餅體積為c（m3濾餅/m3濾液），則 令濾餅濾液1c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）43二、過濾基本方程-過濾基本方程過濾常數(shù)，由實驗測定 pu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過濾時間的關(guān)系44二

16、、過濾基本方程-濾液量V過濾時間的關(guān)系影響K的因素：影響qe或Ve 的因素：濾餅性質(zhì)（s、a）濾漿性質(zhì)（c、）推動力（p）過濾介質(zhì)的性質(zhì)（孔的結(jié)構(gòu)、r0、厚度） pu45二、過濾基本方程-濾液量V過濾時間的關(guān)系2、恒壓過濾 pu 表觀速度特點： K為常數(shù) 積分得： 或若過濾介質(zhì)阻力可忽略不計，則 或，過濾速度愈來愈小。恒壓過濾方程46三、過濾常數(shù)的測定恒壓時：logplogK作圖求出壓縮指數(shù)s /qq圖47四、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) 推動力、阻力不變洗滌速度為常數(shù)。思考：洗滌過程與過濾過程的有何異同？48四、濾餅洗滌若推動力相同，則

17、：洗滌速度與過濾終了速度的關(guān)系?49五、過濾設(shè)備及過濾計算過濾設(shè)備 50五、過濾設(shè)備及過濾計算1、板框壓濾機濾框、濾板結(jié)構(gòu)：洗板板框壓濾機框非洗板洗板1060塊不等，過濾面積約為280m2 濾框和濾板的左上角與右上角均有孔。 511、板框壓濾機洗板板框壓濾機框非洗板洗板一個操作循環(huán)：過濾濾液流出懸浮液入口洗滌液流出洗滌液入口洗滌卸渣、整理重裝思考：對板框壓濾機，下式中V、Ve、A怎么取值？半個框的？一個框的？還是N個框的？均可。521、板框壓濾機屬間歇式特點：橫穿洗滌：Lw=2L， Aw=A/2洗板板框壓濾機框非洗板洗板洗滌液流出洗滌液入口531、板框壓濾機生產(chǎn)能力： 操作周期： 單位時間內(nèi)獲

18、得的濾液量或濾餅量 。其中：541、板框壓濾機最佳操作周期： 生產(chǎn)能力最大時的操作周期令dQdV=0可得： 若過濾、洗滌的操作壓力相同 濾液洗滌液w 介質(zhì)阻力忽略不計-最佳操作周期 552、葉濾機屬間歇式置換洗滌：Lw=L ，Aw=A濾葉一個操作循環(huán)：過濾、洗滌、卸渣、整理重裝 特點：結(jié)構(gòu)：思考：對葉濾機，下式中V、Ve、A怎么取值？一個濾葉的？還是N個的？均可。562、葉濾機操作周期： 與板框機相同生產(chǎn)能力： 與板框機類似最佳操作周期： 與板框機相同573、轉(zhuǎn)筒真空過濾機置換洗滌：Lw=L ，Aw=A屬連續(xù)式過濾、洗滌、吹松、刮渣轉(zhuǎn)筒-筒的側(cè)壁上覆蓋有金屬網(wǎng)，長、徑之比約為1/22，濾布-蒙

19、在筒外壁上。分配頭-轉(zhuǎn)動盤、固定盤 浸沒于濾漿中的過濾面積約占全部面積的3040%轉(zhuǎn)速為至23（轉(zhuǎn)/分） 一個操作循環(huán)：特點：結(jié)構(gòu)：請點擊觀看動畫583、轉(zhuǎn)筒真空過濾機其中：操作周期： 生產(chǎn)能力： 思考：對轉(zhuǎn)筒真空過濾機，上式中V、Ve、A、 怎么取值？按過濾區(qū)？還是按整個轉(zhuǎn)筒？均可。按整個轉(zhuǎn)筒?。篤，Ve，A，= T按過濾區(qū)取： V， Ve， A，= T 浸沒分數(shù)（轉(zhuǎn)筒浸入面積占全部轉(zhuǎn)筒面積的分率）59603、轉(zhuǎn)筒真空過濾機若介質(zhì)阻力忽略不計，則 可見：但這類方法受到一定的限制 61例題：3-1某板框壓濾機共有20只濾框，框的尺寸為，用以過濾某種水懸浮液，懸浮液中每立方米清水中帶有固體質(zhì)量2

20、5kg，濾餅中含水50（質(zhì)量百分率）試求：濾框被濾餅完全充滿時，過濾所得的濾液量（m3)(固體密度=1500kg/m3,水的密度=1000kg/m3）62例題3-2擬用板框壓濾機恒壓過濾含CaCO3質(zhì)量百分率為8的水懸浮液2立方米，每立方米濾餅中含固體1000kg，CaCO3密度為2800kg/m3，過濾常數(shù)，過濾時間為30分鐘。試求：（1）濾液體積為多少立方米？ （2）現(xiàn)有56056050mm規(guī)格的板框壓濾機，問需要多少只濾框？（過濾介質(zhì)忽略）63解：1：V懸=V濾+V濾餅 V濾=V懸-V濾餅 _懸浮液的平均密度: =X固/固+X液/液 =1054kg/m3 2m3懸浮液的質(zhì)量=V懸懸 M懸

21、=21054=2108kg 質(zhì)量百分率為8% M固64每立方米濾餅中含固體1000kg1/1000=V餅（m固）V濾餅3V濾=V懸-V濾餅3(2) V2=KA2A=2左右各有一塊濾布需乘2，n為濾布數(shù)n=10.2511只檢驗濾餅是否能放下3365例題3-3 某板框過濾機有5個濾框，框的尺寸為63563525mm。過濾操作在20、恒定壓差下進行，過濾常數(shù)K10-5m2/s，qe3/m2，濾餅體積與濾液體積之比c=0.08 m3/m3，濾餅不洗滌，卸渣、重整等輔助時間為10分鐘。試求框全充滿所需時間。 現(xiàn)改用一臺回轉(zhuǎn)真空過濾機過濾濾漿，所用濾布與前相同，過濾壓差也相同。轉(zhuǎn)筒直徑為1m，長度為1m，

22、浸入角度為120。問轉(zhuǎn)鼓每分鐘多少轉(zhuǎn)才能維持與板框過濾機同樣的生產(chǎn)能力？ 假設(shè)濾餅不可壓縮。66以一個框為基準進行計算。濾液量 過濾面積再根據(jù)恒壓過濾方程得：K10-5m2/sqe3/m2【解】框全充滿所需時間？（框全充滿）67改用回轉(zhuǎn)真空過濾機后，壓差不變，故K不變；濾布不變，故qe不變。K10-5m2/s，qe3/m2過濾面積板框：設(shè)轉(zhuǎn)筒每分鐘轉(zhuǎn)n轉(zhuǎn)，則回轉(zhuǎn)真空過濾機生產(chǎn)能力回轉(zhuǎn)真空過濾機：轉(zhuǎn)鼓每分鐘多少轉(zhuǎn)才能維持與板框過濾機同樣的生產(chǎn)能力？6869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（液）分離器外，還有離心機 。70第五節(jié) 固體流態(tài)化 固體流態(tài)化運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)等過程中。 一、什么是流態(tài)化？此時流體的真正速度 u u071二、流化床的兩種形態(tài) 床內(nèi)顆粒的分散狀態(tài)和擾動程度平緩地加大，床層的上界面較為清晰。 散式流化床：液固體系聚式流化床：氣固體系乳化相（密相）氣泡相（稀相）兩種不正?，F(xiàn)象騰涌現(xiàn)象溝流現(xiàn)象72三、流化床的主要特性液體樣特性： 73三、流化床的主要特性恒定的壓力損失：床層顆粒質(zhì)量床內(nèi)流體質(zhì)量又不變變整個床層受力平衡，即合力為零。 流化床的機械能衡算： 74三、流化床的主要特性床層凈重量（重力浮力）常數(shù)75例3-3 畫出流化床壓力