课件：第三章机械分离与固体流态化《化工原理》课件要点.ppt

1,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,2,第三章 机械分离与固体流态化,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,3,第三章 机械分离与固体流态化,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,4/70,概述： 均相物系：指物系内部各处均匀且无相界面，包括溶液、气体混合物等。 非均相物系：指物系内部有隔不同相的界面且界面两侧的物料性质有差异。 包括： 气固系统（如空气中的尘埃等含尘气体）； 液固系统（如液体中的固体颗粒，悬浮液）； 气液系统（如气体中的液滴，含雾气体）； 液液系统（如乳浊液中的微滴）。,5/70,非均相物系分离的依据是连续相与分散相具有不同的物理性质（如密度），故可用机械方法进行分离。利用密度差进行分离时，必须使分散相与连续相产生相对运动，因此，分离非均相物系的单元操作遵循流体力学的基本规律，按两相运动方式的不同分为筛分、沉降和离心分离和过滤。 非均相物系的分离主要用于： 1、回收有用物质，如颗粒状催化剂的回收； 2、净化气体，如除尘、废液、废气中有害物质的清除等。,6/70,非均相物系的分离方法 1、气-固体系 旋风分离器 ：含尘气体从入口导入除尘器的外壳和排气管之间，形成旋转向下的外旋气流。悬浮于外旋流的粉尘在离心力的作用下移向器壁，并随外旋流旋转到除尘器底部，由排尘孔排出。净化后的气体形成上升的内旋流并经过排气管排出。 应用范围及特点 旋风除尘器适用于净化大于510微米的非粘性、非纤维的干燥粉尘。它是一种结构简单、操作方便、耐高温、设备费用和阻力较低（80160毫米水柱）的装置。 旋风除尘器广泛应用于空气净化、烟道除尘、细小颗粒回收等领域。 例如，火力发电厂的锅炉烟道上就装有这种装置，它有效的降低了排出的烟尘，否则，早晨起来时，电厂附近的马路上会铺满一层烟灰。,7/70,2、固-固体系 如果是一个可溶而另一个难溶的话，可以加水溶解，然后过滤，蒸发就可以 如果都可溶，看它们的溶解度随温度变化大不大，如果是一个大一个不大的话，可以加水溶解然后升温，再加固体直至饱和，再降温结晶。 3.液液分离 是两种互不相溶的（如氯仿和水溶液）用分液漏斗，静置分层后分离即可。原理是两种溶液不相溶和密度不同会出现分层现象。 4.液固分离，简单的用适当的滤器过滤，分别收集处理。另外就是使用离心机，原理是分子或颗粒的重量不同。,8/70,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,9/70,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）。,频率分布曲线,10/70,二、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,11/70,三、筛分,泰勒（Tyler）标准筛-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,12/70,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,13/70,1、自由沉降,Re0=du0/ 1或2 层流区,-斯托克斯定律,14/70,1、自由沉降,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：,15/70,1、自由沉降,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,16/70,2、实际沉降,由于干扰作用，实际沉降速度小于自由沉降速度。,由于壁面效应，实际沉降速度小于自由沉降速度。,干扰沉降,非球形颗粒的沉降,壁面效应,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。,17/70,二、沉降设备,-用于除去75m以上颗粒,-用于除去510m 颗粒,18/70,1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。,19/70,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？,20/70,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u3m/s，较易扬起灰尘的，可取u1.5m/s。,最大处理量-能够除去最小颗粒时的气体流量Vs,21/70,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75m以上)，或作为预分离设备。,22/70,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,23/70,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,24/70,2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1225 ms-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。,25/70,旋风分离器,能够从分离器内100%分离出来的最小颗粒的直径，用dc表示。其满足：,假设颗粒沉降过程中所穿过的气流的最大 厚度等于进气口宽度B；,假设颗粒沉降服从斯托克斯公式。,ui,ui,临界粒径,26/70,旋风分离器,结论：旋风分离器越细、越长，dc越小,N值与进口气速有关，对常用形式的旋风分离器，风速1225 ms-1范围内，一般可取N =34.5，风速愈大，N也愈大。,思考：从上式可见，气体 ，入口B ，气旋圈数N ，进口气速ui ，临界粒径越小，why？,27/70,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5002000Pa左右,28/70,例题3-1 石英和方铅矿的混合球形颗粒在如图所示的水力分级器中进行分离。两者的密度分别为2650kg/m3和7500kg/m3，且粒度范围均为 。水温为20。假设颗粒在分级器中均作自由沉降。试计算能够得到纯石英和纯方铅矿的粒度范围及三个分级器中的水流速度,29/70,解：1、2、3号分级器直径逐渐增大而三者中上升水流量均相同，所以水在三者中流速逐渐减小。水在1号中的速度最大，可将密度小的石英颗粒全部带走，于是1号底部可得到纯方铅矿。但是，也有部分小颗粒的方铅矿随同全部石英被带走。在2号分级器，控制水流速度，将全部方铅矿全部沉降下来，但也有部分大颗粒石英会沉降下来。在3号分级器，控制水流速度，可将全部小石英粒子全部沉降下来。 综上所述，1号分级器的作用在于要带走所有石英粒子（最大为100），因此1号的水流速应该等于100石英的沉降速度；2号的作用在于截下全部方铅矿（最小为20），因此2号的水流速应该等于20方铅矿的沉降速度；3号的作用在于截下全部石英粒子（最小为20），因此3号水流速应该等于20石英的沉降速度。,30/70,31/70,32/70,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。,33/70,一、概述,滤浆,滤饼,过滤介质,滤液,-推动力：重力、压力、离心力,34/70,一、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。,35/70,一、概述,滤饼的压缩性：,空隙结构易变形的滤饼为可压缩滤饼。,36/70,一、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。,37/70,二、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,38/70,二、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,39/70,二、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）,由质量守恒得：,A,40/70,二、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？,41/70,二、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,1,c,思考：滤饼中全是固体物吗？,压缩指数 0s1（可压缩滤饼）s=0（不可压缩滤饼）,42/70,二、过滤基本方程,-过滤基本方程,过滤常数，由实验测定,思考：影响K的因素有哪些？ 影响Ve或qe的因素有哪些？,-滤液量V过滤时间的关系,2019/8/23,43,可编辑,44/70,二、过滤基本方程,-滤液量V过滤时间的关系,45/70,二、过滤基本方程,-滤液量V过滤时间的关系,2、恒压过滤,特点：,K为常数,积分得：,或,若过滤介质阻力可忽略不计，则,或,，过滤速度愈来愈小。,46/70,三、过滤常数的测定,恒压时：,logplogK作图求出压缩指数s,/qq图,47/70,四、滤饼洗涤,思考：洗涤阻力与哪些因素有关？,与滤饼厚度、滤饼性质、 洗涤液粘度、介质阻力有关,推动力、阻力不变 洗涤速度为常数。,思考：洗涤过程与过滤过程的有何异同？,48/70,四、滤饼洗涤,若推动力相同，则：,洗涤速度与过滤终了速度的关系?,49/70,五、过滤设备及过滤计算,过滤设备,50/70,五、过滤设备及过滤计算,1、板框压滤机,滤框、滤板,结构：,1060块不等， 过滤面积约为280m2,滤框和滤板的左上角与右上角均有孔。,51/70,1、板框压滤机,一个操作循环：,过滤,洗涤,卸渣、整理重装,思考：对板框压滤机，下式中V、Ve、A怎么取值？半个框的？一个框的？还是N个框的？,均可。,52/70,1、板框压滤机,属间歇式,特点：,横穿洗涤：Lw=2L， Aw=A/2,53/70,1、板框压滤机,生产能力：,操作周期：,单位时间内获得的滤液量或滤饼量 。,其中：,54/70,1、板框压滤机,最佳操作周期：,生产能力最大时的操作周期,令dQdV=0可得：,若过滤、洗涤的操作压力相同 滤液洗涤液w 介质阻力忽略不计,-最佳操作周期,55/70,2、叶滤机,属间歇式,置换洗涤：Lw=L ，Aw=A,滤叶,一个操作循环：,过滤、洗涤、卸渣、整理重装,特点：,结构：,思考：对叶滤机，下式中V、Ve、A怎么取值？一个滤叶的？还是N个的？,均可。,56/70,2、叶滤机,操作周期：,与板框机相同,生产能力：,与板框机类似,最佳操作周期：,与板框机相同,57/70,3、转筒真空过滤机,置换洗涤：Lw=L ，Aw=A,属连续式,过滤、洗涤、吹松、刮渣,转筒-筒的侧壁上覆盖有金属网，长、径之比约为1/22， 滤布-蒙在筒外壁上。 分配头-转动盘、固定盘,浸没于滤浆中的过滤面积约占全部面积的3040% 转速为0.1至23（转/分）,一个操作循环：,特点：,结构：,请点击观看动画,58/70,3、转筒真空过滤机,其中：,操作周期：,生产能力：,思考：对转筒真空过滤机，上式中V、Ve、A、 怎么取值？按过滤区？还是按整个转筒？,均可。 按整个转筒取：V，Ve，A，= T 按过滤区取： V， Ve， A，= T,浸没分数（转筒浸入面积占全部转筒面积的分率）,59/70,60/70,3、转筒真空过滤机,若介质阻力忽略不计，则,61/70,例题：3-1 某板框压滤机共有20只滤框，框的尺寸为 0.45*0.45*0.025m，用以过滤某种水悬浮液， 悬浮液中每立方米清水中带有固体质量25kg， 滤饼中含水50（质量百分率） 试求：滤框被滤饼完全充满时，过滤所得的滤 液量（m3) (固体密度=1500kg/m3,水的密度=1000kg/m3）,62/70,例题3-2 拟用板框压滤机恒压过滤含CaCO3质量百分率为8的水悬浮液2立方米，每立方米滤饼中含固体1000kg，CaCO3密度为2800kg/m3，过滤常数K=0.162m2/h，过滤时间为30分钟。 试求：（1）滤液体积为多少立方米？ （2）现有56056050mm规格的板框压滤机，问需要多少只滤框？（过滤介质忽略）,63/70,解： 1：V悬=V滤+V滤饼 V滤=V悬-V滤饼 _ 悬浮液的平均密度: =X固/固+X液/液 =0.08/2800+0.92/1000 =1054kg/m3 2m3悬浮液的质量=V悬悬 M悬=21054=2108kg 质量百分率为8% M固=21080.08=168.64kg,64/70,每立方米滤饼中含固体1000kg 1/1000=V饼/168.64（m固=168.64kg） V滤饼=0.16864m3 V滤=V悬-V滤饼=2-0.16864=1.83m3 (2) V2=KA2 A= n0.5622=6.43 左右各有一块滤布需乘2，n为滤布数 n=10.2511只 检验滤饼是否能放下 110.5620.05=0.172m30.16864m3,65/70,例题3-3 某板框过滤机有5个滤框，框的尺寸为635635 25mm。过滤操作在20、恒定压差下进行，过滤常数K=4.2410-5m2/s，qe=0.0201m3/m2，滤饼体积与滤液体积之比c=0.08 m3/m3，滤饼不洗涤，卸渣、重整等辅助时间为10分钟。试求框全充满所需时间。 现改用一台回转真空过滤机过滤滤浆，所用滤布与前相同，过滤压差也相同。转筒直径为1m，长度为1m，浸入角度为120。问转鼓每分钟多少转才能维持与板框过滤机同样的生产能力？ 假设滤饼不可压缩。,66/70,以一个框为基准进行计算。,滤液量,过滤面积,再根据恒压过滤方程得：,K=4.2410-5m2/s qe=0.0201m3/m2,【解】,框全充满所需时间？,（框全充满）,67/70,改用回转真空过滤机后，压差不变，故K不变； 滤布不变，故qe不变。 K=4.2410-5m2/s，qe=0.0201m3/m2 过滤面积,板框：,设转筒每分钟转n转，则回转真空过滤机生产能力,回转真空过滤机：,转鼓每分钟多少转才能维持与板框过滤机同样的生产能力？,68/70,69/70,第四节 离心分离,利用离心力分离非均相混合物。其设备除前述的旋风（液）分离器外，还有离心机 。,70/70,第五节 固体流态化,固体流态化运用在粉粒状物料的输送、混合、加热或冷却、干燥、吸附、煅烧和气固反应等过程中。,一、什么是流态化？,此时流体的真正速度 u 颗粒的沉降速度u0,此时u= u0 颗粒悬浮于流体中，床层有一个明显的上界面，与沸腾水的表面相似,此时u u0,71/70,二、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,72/70,三、流化床的主要特性,液体样特性：,73/70,三、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,又,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：,74/70,三、流化床的主要特性,床层净重量 （重力浮力）,常数,75/70,例3-3 画出流化床压力损失与气速关系图，并简单解释各段意义？ 压力损失与气速关系图 AB段为固定床阶段，随着气速增大，压力损失增大