化工原理_第三章_机械分离与固体流态化

null目录目录第三章 机械分离与固体流态化 第一节 筛分 一、颗粒的特性 二、颗粒群的特性 三、筛分 第二节 沉降分离 一、沉降原理 二、沉降设备目录目录 第三节 过滤 一、概述 二、过滤基本方程 三、过滤常数的测定 四、滤饼洗涤 五、过滤设备及过滤计算 习题课目录目录 第四节 离心分离 第五节 固体流态化 一、什么是流态化 二、流化床的两种形态 三、流化床的主要特性 小结 第三版第18次印刷的教材更正第三章 机械分离与固体流态化第三章 机械分离与固体流态化均相混合物 非均相混合物 物系内部各处物料性质均匀而且不存在相界面的混合物。 例如：互溶溶液及混合气体 物系内部有隔开两相的界面存在且界面两侧的物料性质截然不同的混合物。固体颗粒和气体构成的含尘气体固体颗粒和液体构成的悬浮液 不互溶液体构成的乳浊液 液体颗粒和气体构成的含雾气体null 分散相 分散物质 处于分散状态的物质 如：分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡 连续相 分散相介质 包围着分散相物质且处于连续状态的流体 如：气态非均相物系中的气体 液态非均相物系中的连续液体 分离沉降 过滤 第一节 筛分第一节 筛分一、颗粒的特性----分离固体颗粒群大小（粒径）形状表面积球形颗粒 非球形颗粒 直径dp 当量直径，如体积当量直径 deV球形度 第一节 筛分第一节 筛分二、颗粒群的特性粒度分布-----频率分布曲线（见下图）、累计分布曲线(如图3-1所示)。频率分布曲线二、颗粒群的特性二、颗粒群的特性平均直径表面积平均直径 ----每个颗粒平均表面积等于全部颗粒的表面积之 和除以颗粒的总数长度平均直径体积平均直径 ----每个颗粒平均体积等于全部颗粒的体积之 和除以颗粒的总数体积表面积平均直径 ----每个颗粒的平均比表面积等于全部颗粒的 比表面积平均值三、筛分三、筛分泰勒（Tyler） 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 筛------其筛孔大小以每英寸长度筛网上的孔数表示，称为“目”。例如100目的筛即指每英寸筛网上有100个筛孔。 目数越大，筛孔越小。筛网用金属丝制成，孔类似正方形。 将几个筛子按筛孔从大到小的次序从上到下叠置起来，最底下置一无孔的盘-----底盘。样品加于顶端的筛上，摇动或振动一定的时间。通过筛孔的物料称为筛过物，未能通过的称为筛留物。筛留物的直径等于相邻两号筛孔宽度的算术平均值，将筛留物取出称重，可得样品质量分率分布曲线。标准筛筛分返回目录第二节 沉降分离第二节 沉降分离一、沉降原理1、自由沉降极短，通常可以忽略该段的颗粒运动速度称为沉降速度，用u0表示。颗粒在流体中沉降时受力---单个颗粒在无限流体 中的降落过程重力沉降速度：以球形颗粒为例 设颗粒的密度为ρs，直径为d，流体的密度为ρ， null而阻力随着颗粒与流体间的相对运动速度而变，可仿照流体流动阻力的计算式写为 ：null颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力Fd=0，a→max 颗粒开始沉降后，u ↑ →Fd ↑；u →ut 时，a=0 。 等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度ut 称为沉降速度。 当a=0时，u=ut，代入（a）式——沉降速度表达式null阻力系数ξ 通过因次 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 法得知，ξ值是颗粒与流体相对运动时的雷诺数Ret的 函 关于工期滞后的函关于工程严重滞后的函关于工程进度滞后的回复函关于征求同志党风廉政意见的函关于征求廉洁自律情况的复函 数。 对于球形颗粒的曲线，按Ret值大致分为三个区： a) 滞流区或托斯克斯(stokes)定律区（10 –4＜Ret<1） ——斯托克斯公式null——艾伦公式 c) 滞流区或牛顿定律区（Nuton）（103＜Ret ＜ 2×105） ——牛顿公式 b) 过渡区或艾伦定律区（Allen）（1＜Ret<103） null2、实际沉降2、实际沉降在前面介绍的各种沉降速度关系式中，当颗粒的体积浓度小于0.2%时，理论计算值的偏差在1%以内，但当颗粒浓度较高时，由于颗粒间相互作用明显，便发生干扰沉降，自由沉降的公式不再适用由于壁面效应，实际沉降速度小于自由沉降速度。 干扰沉降 壁面效应 当器壁尺寸远远大于颗粒尺寸时，（例如在100倍以上）容器效应可忽略，否则需加以考虑。null 非球形颗粒的沉降 球形度越小，沉降速度越小； 颗粒的位向对沉降速度也有影响。对于球形颗粒，φs=1，颗粒形状与球形的差异愈大，球形度φs值愈低。 对于非球形颗粒，雷诺准数Ret中的直径要用当量直径de代替 。颗粒的球形度愈小，对应于同一Ret值的阻力系数ξ愈大 但φs值对ξ的影响在滞流区并不显著，随着Ret的增大，这种影响变大。null沉降速度的计算 试差法 假设沉降属于层流区 方法：Ret＜1 Ret＞1 艾伦公式null例：试计算直径为95μm，密度为3000kg/m3的固体颗粒分别在20℃的水中的自由沉降速度。 解：1）在20℃水中的沉降。 用试差法计算 先假设颗粒在滞流区内沉降 ， 附录查得，20℃时水的密度为998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s核算流型 原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。二、沉降设备二、沉降设备---用于除去>75m以上颗粒---用于除去>5～10m 颗粒1．重力沉降设备1．重力沉降设备降尘室则表明，该颗粒能在降尘室中除去。思考1：为什么气体进入降尘室后，流通截面积要扩大？思考2：为什么降尘室要做成扁平的？结构：除尘原理：为了增大停留时间。降尘室降尘室思考3：要想使某一粒度的颗粒在降尘室中被100%除去，必须满足什么条件？思考4：能够被100%除去的最小颗粒，必须满足什么条件？思考4：粒径比dmin小的颗粒，被除去的百分数如何计算？降尘室降尘室思考2：为什么降尘室要做成扁平的？ 可见，降尘室最大处理量与底面积、沉降速度有关,而与降尘室高度无关。 故降尘室多做成扁平的。 注意!! 降尘室内气体流速不应过高，以免将已沉降下来的颗粒重新扬起。根据经验，多数灰尘的分离，可取u<3m/s，较易扬起灰尘的，可取u<1.5m/s。最大处理量------能够除去最小颗粒时的气体流量Vs降尘室降尘室降尘室优、缺点结构简单， 设备庞大、效率低 只适用于分离粗颗粒(直径75m以上)，或作为预分离设备。 null降尘室的计算 设计型操作型已知气体处理量和除尘要求，求降尘室的大小 用已知尺寸的降尘室处理一定量含尘气体时，计算可以完全除掉的最小颗粒的尺寸，或者计算要求完全除去直径dp的尘粒时所能处理的气体流量。null 例：拟采用降尘室除去常压炉气中的球形尘粒。降尘室的宽和长分别为2m和6m,气体处理量为1标m3/s，炉气温度为427℃，相应的密度ρ=0.5kg/m3，粘度μ=3.4×10-5Pa.s，固体密度ρS=400kg/m3操作条件下，规定气体速度不大于0.5m/s，试求： 1．降尘室的总高度H，m； 2．理论上能完全分离下来的最小颗粒尺寸； 3. 粒径为40μm的颗粒的回收百分率； 4. 欲使粒径为10μm的颗粒完全分离下来，需在降降尘室内设置几层水平隔板？null解：1）降尘室的总高度H2）理论上能完全出去的最小颗粒尺寸 用试差法由ut求dmin。 假设沉降在斯托克斯区 null核算沉降流型 ∴原假设正确 3、粒径为40μm的颗粒的回收百分率 粒径为40μm的颗粒定在滞流区 ，其沉降速度 null气体通过降沉室的时间为： 直径为40μm的颗粒在12s内的沉降高度为： 假设颗粒在降尘室入口处的炉气中是均匀分布的，则颗粒在降尘室内的沉降高度与降尘室高度之比约等于该尺寸颗粒被分离下来的百分率。 直径为40μm的颗粒被回收的百分率为： null4、水平隔板层数 由规定需要完全除去的最小粒径求沉降速度， 再由生产能力和底面积求得多层降尘室的水平隔板层数。 粒径为10μm的颗粒的沉降必在滞流区， 取33层 板间距为 增稠器（沉降槽）增稠器（沉降槽）请点击观看动画结构：除尘原理：用于分离出液-固混合物与降尘室一样，沉降槽的生产能力是由截面积来保证的，与其高度无关。故沉降槽多为扁平状。 与降尘室相同增稠器（沉降槽）增稠器（沉降槽）属于干扰沉降 愈往下沉降速度愈慢-----愈往下颗粒浓度愈高，其表观粘度愈大，对沉降的干扰、阻力便愈大； 沉降很快的大颗粒又会把沉降慢的小颗粒向下拉，结果小颗粒被加速而大颗粒则变慢。 有时颗粒又会相互聚结成棉絮状整团往下沉，这称为絮凝现象，使沉降加快。 这种过程中的沉降速度难以进行理论计算，通常要由实验决定。 因固-液密度相差不是很悬殊，故较难分离，因此，连续沉降槽的直径可以大到100 m以上，高度却都在几米以内。 特点：请点击观看动画离心沉降离心沉降离心沉降速度对照重力场 离心加速度ar=2r=ut2/r不是常量 沉降过程没有匀速段，但在小颗粒沉降时，加速度很小，可近似作为匀速沉降处理颗粒受力：类似重力沉降速度推导，得：离心沉降离心沉降Rer=dur/ 1或2 层流区对照重力场数值约为几千～几万-----离心分离因数null离心沉降： 依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程 适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。 惯性离心力场与重力场的区别 重力加速度gut2/R 指向地心 沿旋转半径从中心指向外周 Fg=mg 离心沉降设备离心沉降设备旋风分离器：请点击观看动画结构：除尘原理： 含尘气体以切线方向进入，速度为12～25 ms-1，按螺旋形路线向器底旋转，接近底部后转而向上，成为气芯，然后从顶部的中央排气管排出。气流中所夹带的尘粒在随气流旋转的过程中逐渐趋向器壁，碰到器壁后落下，自锥形底落入灰斗（未绘出）。上部为圆筒形，下部为圆锥形。 旋风分离器的性能 旋风分离器的性能 旋风分离器性能的主要操作参数为气体处理量， 分离效率和气体通过旋风分离器的压强降。 1、气体处理量 旋风分离器的处理量由入口的气速决定，入口气体流量是旋风分离器最主要的操作参数。一般入口气速ui在15～25m/s。 旋风分离器的处理量 null2、临界粒径 判断旋风分离器分离效率高低的重要依据是临界粒径。 临界粒径 ： 理论上在旋风分离器中能完全分离下来的最小颗粒直径。 1） 临界粒径的计算式 a) 进入旋风分离器的气流严格按照螺旋形路线作等速运动，且切线速度恒定，等于进口气速ut=ui； b) 颗粒沉降过程中所穿过的气流厚度为进气口宽度Bnull∵ρ<<ρS，故ρ可略去，而旋转半径R可取平均值Rm，并用进口速度ui代替ut。气流中颗粒的离心沉降速度为： 颗粒到达器壁所需要的时间： 停留时间为： 对某尺寸的颗粒所需的沉降时间θt恰好等于停留时间θ，该颗粒就是理论上能被完全分离下来的最小颗粒，用dc表示这种颗粒的直径，即临界粒径 。null——临界粒径的表达式 2）临界粒径的影响因素 即临界粒径随分离器尺寸的增大而增大。 分离效率随分离器尺寸的增大而减小。 b)入口气速ui愈大，dc愈小，效率愈高。 null3、分离效率 分离效率 总效率ηo 进入旋风分离器的全部粉尘中被分离下来的粉尘的质量分率 粒级效率ηpi 进入旋风分离器的粒径为di的颗粒被分离下来的质量分率 null 粒级效率ηpi与颗粒直径di 的对应关系可通过实测得到，称为粒级效率曲线。 如图，临界粒径约为10μm。理论上，凡直径大于10μm的颗粒，其粒级效率都应为100%而小于10μm的颗粒，粒级效率都应为零，图中折线obcd。null实测的粒级效率曲线，直径小于10μm的颗粒，也有可观的分离效果，而直径大于dc的颗粒，还有部分未被分离下来 直径小于dc的颗粒中 有些在旋风分离器进口处已很靠近壁面，在停留时间内能够达到壁面上 有些在器内聚结成了大的颗粒，因而具有较大的沉降速度 直径大于dc的颗粒 气体涡流的影响，可能没达到器壁。 即使沉到器壁也会被重新扬起 null有时也把旋风分离器的粒级效率标绘成d/d50的函数曲线， d50为粒级效率为50%的颗粒直径，称为分割粒径。 对于标准旋风分离器 null4、压强降气体通过旋风分离器时，由于进气管、排气管及主体器壁所引起的摩擦阻力，气体流动时的局部阻力以及气体旋转所产生的动能损失造成了气体的压强降， 对型式不同或尺寸比例不同的设备ξc的值也不同，要通过实验测定，对于标准旋风分离器ξc=8.0。 旋风分离器的压降一般在300～2000Pa内。 旋风分离器旋风分离器评价旋风分离器性能的两个主要指标：小好，一般在5002000Pa左右旋风分离器的选型与计算 旋风分离器的选型与计算 1、旋风分离器的型式 旋风分离器的形式多种多样，主要是在对标准型式的旋风分离器的改进设计出来的。 进气口 ： 为了保证高速气流进入旋风分离起时形成较规则的旋转流，减少局部涡流与死角，设计了倾斜螺旋进口，螺壳形进口、轴向进口等。 主体结构与各部分尺寸比例的优化： 根据流场与颗粒流动规律设计旋风分离器的结构，null一般细长的旋风分离器效率高，但超过一定限度，分离效率的提高不明显，而压降却增加。 改进下灰口 ：防止已分离下来的粉尘重新扬起 。 目前，我国已定型了旋风分离器，制定了标准流型系列， 如CLT,CLT/A,CLP/A,CLP/B以及扩散式旋风分离器。 2、旋风分离器的设计计算 例如，已知气体流量VS(m3/s)、原始含尘量C1(g/m3)、粉尘的粒度分布，除尘要求及气体通过旋风分离器允许的压强降，要求选择旋风分离器的形式，确定旋风分离器的直径和个数。null步骤： a) 根据具体情况选择合适的型式，选型时应在高效率与低阻力者之间作权衡，一般长、径比大且出入口截面小的设备效率高且阻力大，反之，阻力小效率低。 b) 根据允许的压降确定气体在入口的流速ui c) 根据分离效率或除尘要求，求出临界粒径dC d) 根据ui和dc计算旋风分离器的直径D e) 根据ui与D计算旋风分离器的处理量，再根据气体流量确定旋风分离器的数目。 f) 校核分离效率与压力降 null 例：气体中所含尘粒的密度为2000kg/m3，气体的流量为5500标m3/h，温度为500℃，密度为0.43kg/m3，粘度为3.6×10-5Pa.s，拟采用标准形式的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10μm，要求压降不超过700Pa，试决定旋风分离器的尺寸与个数。 解： 根据允许的压强降确定气体在入口的流速ui ξ=8.0 null 按分离要求，临界粒径不大于10μm，故取临界粒径dc=10μm来计算粒径的尺寸。 由ui与dc计算D N=5 null旋风分离器的直径 ：D=4B=4×0.196=0.78m 根据D与ui计算每个分离器的处理量，再根据气体流量确定旋风分离器的数目。 进气管截面积 每个旋风分离器的气体处理量为： 含尘气体在操作状况下的总流量为： null所需旋风分离器的台数为： 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0.78m的标准分离器至少三台，为了便于安排，现采用四台并联。 校核压力降与分离效率 四台并联时，每台旋风分离气分摊的气体处理量为： 为了保证指定的分离效率，临界粒径仍取为10μm。null校核ΔP 或者从维持指定的最大允许压降数值为前提，求得每台旋风分离器的最小直径。 nullΔP=700Pa ui=20.2m/s 校核临界粒径 根据以上计算可知，当采用四个尺寸相同的标准型旋风分离器并联操作来处理本题中的含尘气体时，只要分离器在null（0.654～0.695m）范围内，便可同时满足气量、压强降及效率指标。 倘若直径D>0.659m，则在规定的气量下不能达到规定的分离效率。 倘若直径D<0.654m，则在规定的气量下，压降将超出允许的范围。 旋液分离器旋液分离器Why?特点： 与旋风分离器相比，直径小、锥形部分长。请点击观看动画结构：返回目录第三节 过滤 第三节 过滤 一、概述 这种过滤是在过滤介质内部进行的，介质表面无滤饼形成。过滤用的介质为粒状床层或素烧（不上釉的）陶瓷筒或板。 此法适用于从液体中除去很小量的固体微粒，例如饮用水的净化。一、概述一、概述滤浆滤饼过滤介质滤液----推动力：重力、压力、离心力 一、概述一、概述工业用过滤介质主要有： 棉、麻、丝、毛、合成纤维、金属丝等编织成的滤布。过滤介质：多孔性介质、耐腐蚀、耐热并具有足够的机械强度。一、概述一、概述滤饼的压缩性： 空隙结构易变形的滤饼为可压缩滤饼。 一、概述一、概述 使用时，可预涂，也可以混入待滤的滤浆中一起过滤。 助滤剂能形成结构疏松、而且几乎是不可压缩的滤饼。可改善原滤饼的可压缩性和过于致密的缺点。 助滤剂：----是颗粒细小、粒度分布范围较窄、坚硬而悬浮性好 的颗粒状或纤维固体，如硅藻土、纤维粉末、活性 炭、石棉。二、过滤基本方程二、过滤基本方程------滤液量V～过滤时间的关系----即为流速，单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积过滤速度u 滤饼过滤过程中，滤饼逐渐增厚，流动阻力也随之逐渐增大，所以过滤过程属于不稳定的流动过程。故 A二、过滤基本方程二、过滤基本方程------滤液量V～过滤时间的关系(1)细管长度le与床层高度L成正比 (2)细管的内表面积等于全部颗粒的表面积， 流体的流动空间等于床层中颗粒之间的全部空隙体积。1、过滤基本方程的推导简化模型：假定：真实速度 u颗粒的比表面积二、过滤基本方程二、过滤基本方程------滤液量V～过滤时间的关系滤饼内，雷诺数很小，属层流流动，------哈根-泊谡叶方程le、de表达式（见上页）A二、过滤基本方程二、过滤基本方程------滤液量V～过滤时间的关系思考：影响过滤阻力的因素有哪些？ 影响过滤速度的因素有哪些？二、过滤基本方程二、过滤基本方程------滤液量V～过滤时间的关系 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c（m3滤饼/m3滤液），则 令滤饼滤液1c思考：滤饼中全是固体物吗？压缩指数 0 u0二、流化床的两种形态二、流化床的两种形态 床内颗粒的分散状态和扰动程度平缓地加大，床层的上界面较为清晰。 散式流化床：液固体系聚式流化床：气固体系乳化相（密相）气泡相（稀相）两种不正常现象腾涌现象沟流现象三、流化床的主要特性三、流化床的主要特性液体样特性： 三、流化床的主要特性三、流化床的主要特性恒定的压力损失：床层颗粒质量床内流体质量不变变整个床层受力平衡，即合力为零。 流化床的机械能衡算： 三、流化床的主要特性三、流化床的主要特性床层净重量 （重力－浮力）＝常数返回目录小结小结沉降 设备：降尘室结构 公式：（Re<2）降尘室： 能100%去除的最小颗粒满足 气体处理能力与底面积呈正比，与高度无关。重要概念：自由沉降、沉降速度、影响沉降速度的因素斯托克斯公式小结小结1、重要概念： 滤浆 滤饼 过滤介质 滤液 生产能力过滤：小结小结2、公式：与滤饼性质有关（比阻r0、比表面积a、空隙率、压缩指数s） 与滤浆的性质（浓度、密度、粘度）有关。 与推动力有关r与滤饼的结构、性质（比表面积a、空隙率）有关Ve与过滤介质的性质有关恒压过滤方程小结小结洗涤：小结小结小结小结板框机、叶滤机、转筒真空过滤机的结构、特点 3、设备：小结小结固体流态化重要概念： 什么是流态化？ 流化床的主要特性第三版第18次印刷的教材更正第三版第18次印刷的教材更正习题3-4 答案 八年级地理上册填图题岩土工程勘察试题省略号的作用及举例应急救援安全知识车间5s试题及答案 ：52.5改为81.5