課件：第三章機械分離與固體流態(tài)化《化工原理》課件要點.ppt

1,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,2,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、過濾設備及過濾計算 習題課,3,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,4/70,概述： 均相物系：指物系內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：指物系內部有隔不同相的界面且界面兩側的物料性質有差異。 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）。,5/70,非均相物系分離的依據是連續(xù)相與分散相具有不同的物理性質（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，如顆粒狀催化劑的回收； 2、凈化氣體，如除塵、廢液、廢氣中有害物質的清除等。,6/70,非均相物系的分離方法 1、氣-固體系 旋風分離器 ：含塵氣體從入口導入除塵器的外殼和排氣管之間，形成旋轉向下的外旋氣流。懸浮于外旋流的粉塵在離心力的作用下移向器壁，并隨外旋流旋轉到除塵器底部，由排塵孔排出。凈化后的氣體形成上升的內旋流并經過排氣管排出。 應用范圍及特點 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。它是一種結構簡單、操作方便、耐高溫、設備費用和阻力較低（80160毫米水柱）的裝置。 旋風除塵器廣泛應用于空氣凈化、煙道除塵、細小顆?；厥盏阮I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。,7/70,2、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。,8/70,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,當量直徑，如體積當量直徑 deV,球形度,9/70,第一節(jié) 篩分,二、顆粒群的特性,粒度分布,-頻率分布曲線（見下圖）。,頻率分布曲線,10/70,二、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(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,11/70,三、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(shù)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(shù)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,12/70,第二節(jié) 沉降分離,一、沉降原理,1、自由沉降,極短，通?？梢院雎?該段的顆粒運動速度稱為沉降速度，用u0表示。,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,13/70,1、自由沉降,Re0=du0/ 1或2 層流區(qū),-斯托克斯定律,14/70,1、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：,15/70,1、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,-離心分離因數(shù),16/70,2、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??； 顆粒的位向對沉降速度也有影響。,17/70,二、沉降設備,-用于除去75m以上顆粒,-用于除去510m 顆粒,18/70,1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。,19/70,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，被除去的百分數(shù)如何計算？,20/70,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(shù)灰塵的分離，可取u3m/s，較易揚起灰塵的，可取u1.5m/s。,最大處理量-能夠除去最小顆粒時的氣體流量Vs,21/70,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。,22/70,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,23/70,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100 m以上，高度卻都在幾米以內。,特點：,請點擊觀看動畫,24/70,2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1225 ms-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。,25/70,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：,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。,ui,ui,臨界粒徑,26/70,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1225 ms-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(shù)N ，進口氣速ui ，臨界粒徑越小，why？,27/70,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,28/70,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,29/70,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號水流速應該等于20石英的沉降速度。,30/70,31/70,32/70,第三節(jié) 過濾,一、概述,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。,33/70,一、概述,濾漿,濾餅,過濾介質,濾液,-推動力：重力、壓力、離心力,34/70,一、概述,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。,35/70,一、概述,濾餅的壓縮性：,空隙結構易變形的濾餅為可壓縮濾餅。,36/70,一、概述,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?？筛纳圃瓰V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。,37/70,二、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,A,38/70,二、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,顆粒的比表面積,39/70,二、過濾基本方程,-濾液量V過濾時間的關系,濾餅內，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）,由質量守恒得：,A,40/70,二、過濾基本方程,-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？,41/70,二、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,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）,42/70,二、過濾基本方程,-過濾基本方程,過濾常數(shù)，由實驗測定,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過濾時間的關系,2019/8/23,43,可編輯,44/70,二、過濾基本方程,-濾液量V過濾時間的關系,45/70,二、過濾基本方程,-濾液量V過濾時間的關系,2、恒壓過濾,特點：,K為常數(shù),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。,46/70,三、過濾常數(shù)的測定,恒壓時：,logplogK作圖求出壓縮指數(shù)s,/qq圖,47/70,四、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(shù)。,思考：洗滌過程與過濾過程的有何異同？,48/70,四、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?,49/70,五、過濾設備及過濾計算,過濾設備,50/70,五、過濾設備及過濾計算,1、板框壓濾機,濾框、濾板,結構：,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。,51/70,1、板框壓濾機,一個操作循環(huán)：,過濾,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。,52/70,1、板框壓濾機,屬間歇式,特點：,橫穿洗滌：Lw=2L， Aw=A/2,53/70,1、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：,54/70,1、板框壓濾機,最佳操作周期：,生產能力最大時的操作周期,令dQdV=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,55/70,2、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：,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。,56/70,2、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,57/70,3、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,58/70,3、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)?。?V， Ve， A，= T,浸沒分數(shù)（轉筒浸入面積占全部轉筒面積的分率）,59/70,60/70,3、轉筒真空過濾機,若介質阻力忽略不計，則,61/70,例題：3-1 某板框壓濾機共有20只濾框，框的尺寸為 0.45*0.45*0.025m，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量25kg， 濾餅中含水50（質量百分率） 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）,62/70,例題3-2 擬用板框壓濾機恒壓過濾含CaCO3質量百分率為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)K=0.162m2/h，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？（過濾介質忽略）,63/70,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 =0.08/2800+0.92/1000 =1054kg/m3 2m3懸浮液的質量=V懸懸 M懸=21054=2108kg 質量百分率為8% M固=21080.08=168.64kg,64/70,每立方米濾餅中含固體1000kg 1/1000=V餅/168.64（m固=168.64kg） V濾餅=0.16864m3 V濾=V懸-V濾餅=2-0.16864=1.83m3 (2) V2=KA2 A= n0.5622=6.43 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 110.5620.05=0.172m30.16864m3,65/70,例題3-3 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(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。,66/70,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/s qe=0.0201m3/m2,【解】,框全充滿所需時間？,（框全充滿）,67/70,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？,68/70,69/70,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 。,70/70,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 u0,71/70,二、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?，F(xiàn)象,騰涌現(xiàn)象,溝流現(xiàn)象,72/70,三、流化床的主要特性,液體樣特性：,73/70,三、流化床的主要特性,恒定的壓力損失：,床層顆粒質量,床內流體質量,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：,74/70,三、流化床的主要特性,床層凈重量 （重力浮力）,常數(shù),75/70,例3-3 畫出流化床壓力損失與氣速關系圖，并簡單解釋各段意義？ 壓力損失與氣速關系圖 AB段為固定床階段，隨著氣速增大，壓力損失增大