化工原理(第四版)譚天恩-第三章-機械分離與固體流態(tài)化課件

目錄第三章機械分離與固體流態(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、沉降設備1化工原理》電子教案/目錄目錄第三章機械分離與固體流態(tài)化1化工原理》電子教案/目錄目錄第三節(jié)過濾一、概述二、過濾基本方程三、過濾常數的測定四、濾餅洗滌五、過濾設備及過濾計算習題課2化工原理》電子教案/目錄目錄第三節(jié)過濾2化工原理》電子教案/目錄目錄第四節(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3化工原理》電子教案/目錄目錄第四節(jié)離心分離3化工原理》電子教案/目錄第三章機械分離與固體流態(tài)化分離

懸浮液-----固-液混合物乳濁液-----液-液混合物含塵氣體----氣-固混合物

含霧氣體----氣-液混合物------篩分、沉降、過濾------將在下冊中介紹4第三章機械分離與固體流態(tài)化分離懸浮液-----固-液混第一節(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

當量直徑，如體積當量直徑

deV球形度

5第一節(jié) 篩分一、顆粒的特性----分離固體顆粒群大小（粒徑）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）、累計分布曲線(如圖3-1所示)。頻率分布曲線6第一節(jié) 篩分二、顆粒群的特性粒度分布-----頻率分布曲線（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

和除以顆粒的總數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7二、顆粒群的特性平均直徑表面積平均直徑----每個顆粒平均三、篩分泰勒（Tyler）標準篩------其篩孔大小以每英寸長度篩網上的孔數表示，稱為“目”。例如100目的篩即指每英寸篩網上有100個篩孔。目數越大，篩孔越小。篩網用金屬絲制成，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平均值，將篩留物取出稱重，可得樣品質量分率分布曲線。標準篩篩分返回目錄8三、篩分泰勒（Tyler）標準篩------其篩孔大小以每英第二節(jié)沉降分離一、沉降原理1、自由沉降極短，通常可以忽略該段的顆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

9第二節(jié)沉降分離一、沉降原理1、自由沉降極短，通?？梢院雎?、自由沉降Re0=du0/

1或2層流區(qū)如圖3-2中的實線所示。

----斯托克斯定律

作業(yè)：101、自由沉降Re0=du0/1或2層流區(qū)1、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，得：111、自由沉降離心沉降速度對照重力場離心加速度ar=2r=1、自由沉降Rer=dur/

1或2層流區(qū)對照重力場數值約為幾千～幾萬-----離心分離因數121、自由沉降Rer=dur/1或2層流區(qū)對照2、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，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球形度越小，沉降速度越?。活w粒的位向對沉降速度也有影響。132、實際沉降由于干擾作用，實際沉降速度小于自由沉降速度。由于二、沉降設備---用于除去>75m以上顆粒---用于除去>5～10m顆粒14二、沉降設備---用于除去>75m以上顆粒---用于除去>1．重力沉降設備降塵室則表明，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？結構：除塵原理：為了增大停留時間。151．重力沉降設備降塵室則表明，該顆粒能在降塵室中除去。思考1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，被除去的百分數如何計算？16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，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,而與降塵室高度無關。故降塵室多做成扁平的。

注意!!

降塵室內氣體流速不應過高，以免將已沉降下來的顆粒重新?lián)P起。根據經驗，多數灰塵的分離，可取u<3m/s，較易揚起灰塵的，可取u<1.5m/s。最大處理量------能夠除去最小顆粒時的氣體流量Vs17降塵室思考2：為什么降塵室要做成扁平的？可見，降塵室最大降塵室降塵室優(yōu)、缺點結構簡單，設備龐大、效率低只適用于分離粗顆粒(直徑75m以上)，或作為預分離設備。

作業(yè)：18降塵室降塵室優(yōu)、缺點結構簡單，作業(yè)：18增稠器（沉降槽）請點擊觀看動畫結構：除塵原理：用于分離出液-固混合物與降塵室一樣，沉降槽的生產能力是由截面積來保證的，與其高度無關。故沉降槽多為扁平狀。

與降塵室相同19增稠器（沉降槽）請點擊觀看動畫結構：除塵原理：用于分離出液-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，結果小顆粒被加速而大顆粒則變慢。有時顆粒又會相互聚結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100m以上，高度卻都在幾米以內。

特點：請點擊觀看動畫20增稠器（沉降槽）屬于干擾沉降特點：請點擊觀看動畫202．離心沉降設備旋風分離器：請點擊觀看動畫結構：除塵原理：含塵氣體以切線方向進入，速度為12～25ms-1，按螺旋形路線向器底旋轉，接近底部后轉而向上，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。

212．離心沉降設備旋風分離器：請點擊觀看動畫結構：除塵原理：旋風分離器能夠從分離器內100%分離出來的最小顆粒的直徑，用dc表示。其滿足：幾點假設：假設器內氣體速度恒定，且等于進口氣速ui；假設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；假設顆粒沉降服從斯托克斯公式。uiui臨界粒徑＝22旋風分離器能夠從分離器內100%分離出來的最小顆粒的直旋風分離器結論：旋風分離器越細、越長，dc越小N值與進口氣速有關，對常用形式的旋風分離器，風速1225ms-1范圍內，一般可取N=34.5，風速愈大，N也愈大。思考：從上式可見，氣體，入口B，氣旋圈數N

，進口氣速ui

，臨界粒徑越小，why？23旋風分離器結論：旋風分離器越細、越長，dc越小N值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24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50旋液分離器Why?特點：

與旋風分離器相比，直徑小、錐形部分長。請點擊觀看動畫結構：返回目錄25旋液分離器Why?特點：請點擊觀看動畫結構：返回目錄25第三節(jié)過濾一、概述深層過濾這種過濾是在過濾介質內部進行的，介質表面無濾餅形成。過濾用的介質為粒狀床層或素燒（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。26第三節(jié)過濾一、概述深層過濾這種過濾是在過濾介一、概述濾漿濾餅過濾介質濾液----推動力：重力、壓力、離心力

濾餅過濾27一、概述濾漿濾餅過濾介質濾液----推動力：重力、壓力、離心一、概述濾漿濾餅過濾介質濾液濾餅過濾工業(yè)用過濾介質主要有：棉、麻、絲、毛、合成纖維、金屬絲等編織成的濾布。過濾介質：多孔性介質、耐腐蝕、耐熱并具有足夠的機械強度。28一、概述濾漿濾餅過濾介質濾液濾餅過濾工業(yè)用過濾介質主要有：過一、概述濾漿濾餅過濾介質濾液濾餅過濾濾餅的壓縮性：

空隙結構易變形的濾餅為可壓縮濾餅。

29一、概述濾漿濾餅過濾介質濾液濾餅過濾濾餅的壓縮性：空隙結構一、概述濾漿濾餅過濾介質濾液濾餅過濾使用時，可預涂，也可以混入待濾的濾漿中一起過濾。助濾劑能形成結構疏松、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。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。30一、概述濾漿濾餅過濾介質濾液濾餅過濾使用時，可預涂，也二、過濾基本方程------濾液量V～過濾時間的關系----即為流速，單位時間內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

A31二、過濾基本方程------濾液量V～過濾時間的關系---二、過濾基本方程------濾液量V～過濾時間的關系(1)細管長度le與床層高度L成正比(2)細管的內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32二、過濾基本方程------濾液量V～過濾時間的關系(1)二、過濾基本方程------濾液量V～過濾時間的關系濾餅內，雷諾數很小，屬層流流動，------哈根-泊謖葉方程le、de表達式（見上頁）由質量守恒得：濾餅截面積A33二、過濾基本方程------濾液量V～過濾時間的關系濾餅內二、過濾基本方程△p2△p1u------濾液量V～過濾時間的關系思考：影響過濾阻力的因素有哪些？影響過濾速度的因素有哪些？34二、過濾基本方程△p2△p1u------濾液量V～過濾二、過濾基本方程------濾液量V～過濾時間的關系

設每獲得單位體積濾液時，被截留在過濾介質上的濾餅體積為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0<s<1（可壓縮濾餅）s=0（不可壓縮濾餅）35二、過濾基本方程------濾液量V～過濾時間的關系二、過濾基本方程-----過濾基本方程過濾常數，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～過濾時間的關系36二、過濾基本方程-----過濾基本方程過濾常數，由實驗測定二、過濾基本方程------濾液量V～過濾時間的關系影響K的因素：影響qe或Ve

的因素：濾餅性質（s、、a）濾漿性質（c、）推動力（p）過濾介質的性質（孔的結構、、r0、厚度）△pu37二、過濾基本方程------濾液量V～過濾時間的關系影響K二、過濾基本方程------濾液量V～過濾時間的關系2、恒壓過濾△pu表觀速度特點：

K為常數

積分得：

或若過濾介質阻力可忽略不計，則

或，過濾速度愈來愈小。恒壓過濾方程38二、過濾基本方程------濾液量V～過濾時間的關系2、恒三、過濾常數的測定恒壓時：logp~logK作圖求出壓縮指數s

/q~q圖39三、過濾常數的測定恒壓時：logp~logK作圖求出壓縮指四、濾餅洗滌思考：洗滌阻力與哪些因素有關？與濾餅厚度、濾餅性質、洗滌液粘度、介質阻力有關

推動力、阻力不變洗滌速度為常數。思考：洗滌過程與過濾過程的有何異同？40四、濾餅洗滌思考：洗滌阻力與哪些因素有關？與濾餅厚度、濾餅性四、濾餅洗滌若推動力相同，則：洗滌速度與過濾終了速度的關系?41四、濾餅洗滌若推動力相同，則：洗滌速度與過濾終了速度的關系?五、過濾設備及過濾計算過濾設備

42五、過濾設備及過濾計算過濾設備42五、過濾設備及過濾計算濾布洗板板框壓濾機框非洗板洗板1、板框壓濾機濾框、濾板結構：請點擊觀看動畫濾框和濾板的左上角與右上角均有孔

43五、過濾設備及過濾計算濾布洗板板框壓濾機框非洗板1、板框壓濾1、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。441、板框壓濾機洗板板框壓濾機框非洗板一個操作循環(huán)：過濾濾液流1、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451、板框壓濾機屬間歇式特點：橫穿洗滌：Lw=2L，Aw=A1、板框壓濾機生產能力：

操作周期：

單位時間內獲得的濾液量或濾餅量。其中：461、板框壓濾機生產能力：操作周期：單位時間內獲得的濾液量1、板框壓濾機最佳操作周期：

生產能力最大時的操作周期令dQ／dV=0可得：若過濾、洗滌的操作壓力相同濾液＝洗滌液w

介質阻力忽略不計------最佳操作周期

471、板框壓濾機最佳操作周期：生產能力最大時的操作周期令dQ2、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：結構：請點擊觀看動畫思考：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。482、葉濾機屬間歇式置換洗滌：Lw=L，Aw=A濾葉一個操作2、葉濾機操作周期：

與板框機相同生產能力：

與板框機類似最佳操作周期：

與板框機相同492、葉濾機操作周期：與板框機相同生產能力：與板框機類似最3、轉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、刮渣轉筒---筒的側壁上覆蓋有金屬網，長、徑之比約為1/22，濾布---蒙在筒外壁上。分配頭---轉動盤、固定盤浸沒于濾漿中的過濾面積約占全部面積的3040%轉速為0.1至23（轉/分）

一個操作循環(huán)：特點：結構：請點擊觀看動畫503、轉筒真空過濾機置換洗滌：Lw=L，Aw=A屬連續(xù)式過濾3、轉筒真空過濾機其中：操作周期：

生產能力：

思考：對轉筒真空過濾機，上式中V、Ve、A、怎么取值？按過濾區(qū)？還是按整個轉筒？均可。按整個轉筒?。篤，Ve，A，=T按過濾區(qū)?。篤，Ve，A，=T

浸沒分數（轉筒浸入面積占全部轉筒面積的分率）513、轉筒真空過濾機其中：操作周期：生產能力：思考：對轉筒3、轉筒真空過濾機若介質阻力忽略不計，則

可見：但這類方法受到一定的限制

523、轉筒真空過濾機若介質阻力忽略不計，則可見：但這類方法受習題課【例】

某板框過濾機有5個濾框，框的尺寸為635635

25mm。過濾操作在20℃、恒定壓差下進行，過濾常數K=4.2410-5m2/s，qe=0.0201m3/m2，濾餅體積與濾液體積之比c=0.08m3/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。轉筒直徑為1m，長度為1m，浸入角度為120。問轉鼓每分鐘多少轉才能維持與板框過濾機同樣的生產能力？假設濾餅不可壓縮。53習題課【例】某板框過濾機有5個濾框，框的尺寸為6356以一個框為基準進行計算。濾液量

過濾面積再根據恒壓過濾方程得：K=4.2410-5m2/sqe=0.0201m3/m2思考：以5個框為基準，如何求解？【解】框全充滿所需時間？（框全充滿）54以一個框為基準進行計算。濾液量過濾面積再根據恒壓過濾方程得改用回轉真空過濾機后，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過濾面積板框：設轉筒每分鐘轉n轉，則回轉真空過濾機生產能力回轉真空過濾機：轉鼓每分鐘多少轉才能維持與板框過濾機同樣的生產能力？55改用回轉真空過濾機后，壓差不變，故K不變；板框：設轉筒每分鐘習題課作業(yè)：返回目錄56習題課作業(yè)：返回目錄56第四節(jié) 離心分離利用離心力分離非均相混合物。其設備除前述的旋風（液）分離器外，還有離心機。返回目錄57第四節(jié) 離心分離利用離心力分離非均相混合物。其設第五節(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、煅燒和氣固反應等過程中。

一、什么是流態(tài)化？此時流體的真正速度u<顆粒的沉降速度u0此時u=u0顆粒懸浮于流體中，床層有一個明顯的上界面，與沸騰水的表面相似此時u>u058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二、流化床的兩種形態(tài)床內顆粒的分散狀態(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）兩種不正常現(xiàn)象騰涌現(xiàn)象溝流現(xiàn)象59二、流化床的兩種形態(tài)床內顆粒的分散狀態(tài)和擾動程