[高等教育]第三章机械分离和固体流态化.ppt

第三章、非均相混合物分离及固体流态化,通过本章学习，掌握沉降、过滤、固体流态 化及气力输送等过程的原理、计算方法、典型设 备的结构特性，能够根据生产工艺的要求，合理 选择设备。,学习目的 与要求,第三章 非均相物系的分离和固体流态化,化工生产中，需要将混合物加以分离的情况非常多。 原料需经过分离提纯或净化后才符合加工要求； 从反应器送出的反应产物一般都与尚未反应的原料及副产物混在一起，也要从其中分离出纯度合格的产品及将未反应的原料送回反应器或另行处理。 生产中的废气、废液在排放前，应将其中所含的有害物尽量除去，以减轻环境污染，并有可能将其变为有用之物,混合物分为两类，即均相混合物（物系内部各处均匀且无相界面，如：石油、空气）和非均相混合物。,3.1 概述,3.1 概述,物系中存在相界面的混合物就是非均相混合物,非均相混合物,分散相或分散物质：处于分散状态的物质（如分散在流体中的固体颗粒、液滴、气泡等）,连续相或分散介质：包围着分散相而处于连续状态的物质（如气态非均相混合物中的气体、液态非均相混合物中的液体）。,非均相混合物包括：固体颗粒的混合物（颗粒间为气体分隔）、由固体颗粒与液体构成的悬浮液、由不互溶液体构成的乳浊液、由固体颗粒（或液滴）与气体构成的含尘气体（或含雾气体）等。,悬浮液（固-液混合物）:过滤 乳浊液（液-液混合物）:离心分离 含尘气体、含雾气体（气-液、固-气混合物）: 沉降(重力、离心力) 固、固分离 :筛分、分级沉降,2.非均相混合物的分离方法,3. 非均相分离的目的：, 收集分散物质； 净化分散介质； 环境保护与安全生产。 4. 非均相分离的基本方法： 机械分离 筛分、沉降、过滤、离心 电磁法 磁选、静电、（除尘）、电磁化 物理化学法 浮选、吸咐,3.2 颗粒及颗粒床层的特性,3.2.1 颗粒的特性： 表示颗粒大小的几何参数：大小（尺寸）、形状、表面积（或比表面积）。 1.单个颗粒的性质 1）球形颗粒（形状规则的颗粒, 尺寸由直径d确定。）,比表面积:,体积 :,表面积 :,2. 非球形颗粒：用当量直径和形状系数表示其特性,（1）球形度,（35）,颗粒的表面积,与该颗粒体积相等的球体的表面积,非球形颗粒,球形颗粒,一、颗粒的特性,(2)颗粒的当量直径：,体积当量直径deV，即体积等于颗粒体积的球形颗粒的直径为非球形颗粒的等体积当量直径。 表面积当量直径des ，即将表面积等于颗粒表面积的球形颗粒的直径定义为非球形颗粒的等表面积当量直径。 比表面积当量直径dea，即将比表面积等于颗粒比表面积的球形颗粒的直径定义为非球形颗粒的等比表面积当量直径。,1) 颗粒的大小（粒度）,粒度尺寸的表示：,粗颗粒：mm 细颗粒：筛孔号表示 超细颗粒：m,2、颗粒群的特性 常用筛分的方法测得粒度分布，再求其相应的平均特性参数 颗粒粒度测量：筛分法、沉降法、比表面法、显微镜法、电阻变化法、光的散射与衍射法等。,颗粒的筛分尺寸 筛分是用单层或多层筛面将松散的物料按颗粒粒度分成两个或多个不同粒级产品的过程。 将筛分所得结果在表或图上表示，可直观地表示出颗粒群的粒径分布: 用表格表示：筛孔尺寸每层筛上颗粒质量。 用图表示：各层筛网上颗粒的筛分尺寸质量分率,标准筛： 例如200目的筛子即指长度为1英寸的筛网上有200个筛孔。 所以筛号越大，筛孔越小。 筛号(目数)：每英寸边长的筛孔数目 筛过量：通过筛孔的颗粒量 筛余量：截留于筛面上的颗粒量,进行筛分分析时，将几个筛子按筛孔大小的次序从上到下叠置起来，筛孔尺寸最大的放在最上面，筛孔尺寸最小的放在最下面，在它底下放一无孔的底盘。 将称量过的颗粒样品放在上部筛子上，有规则地摇动一定时间，较小的颗粒通过各个筛的筛孔依次往下落。 称量各层筛网上的颗粒量，即得筛分分析的基本数据。筛析操作完成后，应检查各粒级的质量总和与取样量的差值（损失），其值不应超过12%，否则没有代表性，应重新取样筛析。,筛分,分布函数Fi定义为第i层筛网的筛过量占样品总量的质量分数，以dpi为横坐标，Fi为纵坐标得到的曲线即为分布函数曲线。,分布函数,频率函数,图 颗粒的分布函数曲线和频率函数曲线,2）颗粒的平均粒径,颗粒群的平均粒径有不同的表示法，但对于流体与颗粒之间的相对运动过程，主要涉及流体与颗粒表面间的相互作用，即颗粒的比表面积起重要作用，因此通常用等比表面积当量直径来表示颗粒的平均直径，则混合颗粒的平均比表面积dm。 xi第i层筛网上颗粒的质量分率 di=(di-1+di)/2,3）颗粒的密度,单位体积内粒子的质量称为密度，其单位为kg/m3。 若粒子的体积不包括颗粒之间空隙，则称为粒子的真密度，用S表示； 若粒子所占体积包括颗粒之间空隙，则称为堆积密度或表观密度，用b表示。 设计颗粒贮存设备时，应以堆积密度为准。,1.床层的空隙率 ：单位体积颗粒床层中空隙的体积，即： 床层空隙率是颗粒床层的一个重要特性，它反映了床层中颗粒堆集的紧密程度，其大小与颗粒的形状、粒度分布、装填方法、床层直径、所处的位置等有关。 一般颗粒床层的空隙率为0.470.7。 测量床层的空隙率的方法：充水法和称量法。,3.2.2、颗粒床层的特性,2.床层的比表面积ab,单位体积床层中颗粒的表面积称为床层的比表面积。若忽略因颗粒相互接触而减小的裸露面积，则床层的比表面积b与颗粒的比表面积的关系为： b= (1- ) 床层的比表面积也可用颗粒的堆积密度估算，即：,颗粒的堆积密度kg/m3,颗粒的真实密度kg/m3,床层中某一床层截面上空隙所占的截面积（即流体可以通过的截面积）与床层截面积的比值称为床层的自由截面积。 对于乱堆的颗粒床层，颗粒的定位是随机的，所以可认为堆成的床层各向同性，即从各个方位看，颗粒的堆积都是相同的。对于这样的床层，其床层截面积在数值上与床层空隙率相等。 同样，由于壁效应的影响，壁面附近的床层自由截面积较大。当D/dp较小时，必须考虑壁效应。,3. 床层的自由截面积,3.2.3 流体通过床层流动的压降,1.固定床的床层简化模型（数学模型法） 流体通过固定床的阻力在数值上应等于床层中所有颗粒所受曳力的总和。 确定流体通过床层阻力的方法：实验方法。 目前比较通用的是采用数学模型化的方法：即把流体通过颗粒床层的流动看成是通过具有一组平行细管、当量直径为de的床层的流动。认为流体通过床层的阻力与通过这些小管的阻力相等。,模型化方法的优点： 用简化的模型来代替床层内的真实流动，便于用数学方法来处理，然后再通过实验加以校正。 设床层内为乱堆颗粒，床层各向同性，壁效应和端效应可忽略不计，仿照流体在管道中流动的情况，将实际颗粒床层简化为下面的简单模型。,a.颗粒床层由许多平行的细管组成，孔道长度le与床层高度L成正比； b.孔道内表面积之和等于全部颗粒的表面积，孔道内全部流动空间等于床层空隙的容积。,实际床层,简化模型,假定：,虚拟细管的当量直径 de,以1m3床层体积为基准，则床层流动空间为，每1m3床层的颗粒表面的比表面即床层的比表面积ab=a(1-）,（3-9）,流体通过固体颗粒床层（固定床）的压降,流体通过固定床的压力降主要有两方面： 一是流体与颗粒表面间的摩擦作用产生的压力降。 二是流动过程中，孔道截面积突然扩大和突然缩小以及流体对颗粒的撞击产生的压力降。,2流体通过床层压降的数学描述,根据前述简化模型，流体通过一组平行细管流动的压降为：,式中：,u1与按整个床层截面计算的空床流速u的关系为：,（3-10）,（3-11）,（3-12）,3模型参数的实验测定,（1）康采尼（Kozeny）的实验结果 康采尼通过实验发现，在流速较低，床层雷诺数Reb2的滞留情况下，模型参数 可较好的符合下式： 式中 称为康采尼常数，其值可取作5.0，Reb的定义为,（3-13）,（3-14）,（3-15）,（2）欧根（Ergun）的实验结果,欧根在较宽的Reb范围内进行实验，获得如下关联式,3.3沉降分离,沉降涉及由颗粒和流体组成的两相流动体系,属于流体相对于颗粒的绕流问题。 流固之间的相对运动有三种情况，即： 流体静止，固体颗粒作沉降运动； 固体静止，流体对固体作绕流； 流体和固体都运动，但二者保持一定的相对速度。 只要相对速度相同， 上述三种情况并无本质区别。,沉降运动发生的前提条件是固体颗粒与流体之间存在密度差，同时有外力场存在。外力场有重力场和离心力场， 沉降：颗粒物质受重力、离心力、或其他电、磁力而从分散介质中分离的过程称为沉降。 发生的沉降过程分别称为重力沉降和离心沉降。,重力沉降：分离颗粒较大的物质 离心沉降：粒度较小的物质,3.3.1 重力沉降分离,将表面光滑的刚性球形颗粒置于静止的流体介质中，若颗粒的密度大于流体的密度，则颗粒将在流体中降落,（一）球形颗粒的自由沉降 1沉降速度,1)颗粒沉降的基本假定, 颗粒为球形 各颗粒沉降时互不干扰（自由沉降，反之为干扰沉降） 容器壁效率忽略 分子布朗热运动对沉降无影响,图3-1 沉降颗粒的受力情况, 颗粒沉降过程受力：,重力：,阻力：,浮力：,阻力系数或曳力系数,分析颗粒运动情况：,加速度最大,阻力,加速度,加速度=0,加速段,匀速段,由此可得沉降速度：,式中,2.阻力系数,根据阻力随颗粒雷诺数变化的规律，可分为三个区域：,滞流区或斯托克斯定律区（10-4Ret1),过渡区或艾仑定律区（ 1Ret103）,湍流区或牛顿定律区（ 103Ret2105）,将阻力系数的计算式代入，得到不同颗粒雷诺数范围内ut的计算式：,湍流区,过渡区,滞流区,3）影响沉降速度的因素,（2）颗粒的体积浓度,当颗粒体积较高时,便发生干扰沉降,（3）器壁效应,（4）颗粒形状的影响,当容器尺寸远远大于颗粒尺寸时，器壁效应可忽略，否则需加以考虑,同一种固体物质，球形或近球形颗粒比同体积非球形颗粒的沉降快一些。,（1）流体的粘度,在滞流沉降区内，由流体粘性引起的表面摩擦力占主要地位。,（1）试差法,由于在计算出ut之前Ret的大小未知，因此要通过试差确定应该选取的计算公式。,4）沉降速度的计算,（2）摩擦数群法,该法是将与雷诺数的关系曲线加以转换，使其两个坐标轴之一变成不包含ut的无量纲数群，进而便可得ut,假设沉降属于某一流型,计算沉降速度,核算Ret,又因为:,上两式相乘可消去ut，即:,再令:,得到:,（3）无因次判别因子,由：,在斯托克斯定律区，Ret1，则K2.62， 同理，将式3-33代入雷诺准数定义式，由Ret=1000可得牛顿定律区的下限值为69.1。 因此，K2.62为斯托克斯定律区， 2.6269.1为牛顿定律区。,图3-2 关系曲线,阻力系数Re0关系图,1) 降尘室 作用：分离气体中尘粒的重力沉降设备。 操作：在气体从降尘室入口流向出口的过程中，气体中的颗粒随气体向出口流动，同时向下沉降。如颗粒在到达降尘室出口前已沉到室底的集尘斗内，则颗粒从气体中分离出来，否则将被气体带出。,2.重力沉降设备,2.重力沉降设备,这是一个大空箱，含尘气体从一端进入，以流速u水平通过降尘室，尘埃以自由沉降速度ut 向室底沉降，只要能保证气体在室内停留时间足够长，以便颗粒达到室底面，便能在出口得到净化的气体。,重力沉降分离设备,(1)单层降尘室,（1）工作原理,气体入室减速,颗粒的沉降运动&随气体运动,沉降运动时间气体停留时间分离,说明, d，容易除去,气量V，容易除去,（2）能(100%)被除去的最小颗粒直径,100%去除室顶到室底,所需沉降时间 t=H/ut,气体通过降尘室的时间 =l/u,分离满足的条件：,分离所需最低沉降速度,最低沉降速度能被分离的最小颗径,说明,dmin颗粒、气体性质，气体处理量，底面积,考虑是dmin ，一般认为处在层流区,（3）最大处理量,说明,含尘气体的最大处理量与某一粒径对应的，是指 这一粒径及大于该粒径的颗粒都能100%被除去时 的最大气体量；,Vmax (100%去除的) d, A0，与H无关.,为什么降尘室多做成扁平状？,理论上 降尘室的生产能力只与降尘室的长度、宽度及沉降速度ut有关，与降尘室高度无关。因此不必将设备做得太高。所以降尘室一般采用扁平的几何形状，也可在室内加多层隔板，形成多层降尘室。常用的隔板间距为40100mm,（4）补充说明,气体均布重要性入口锥形,横截面大操作气速低不被卷起 底面积大分离效率高,为提高气体处理量，室内以水平隔板将降尘室分割居若干层，称为多层降尘室。隔板的间距应考虑出灰的方便。,图3-5 多层除尘室 1一隔板 2、6一调节闸阀 3一气体分配道 4一气体集聚道 5一气道 7一清灰口 若降尘室设置多层水平隔板，则多层降尘室的生产能力变为 Vs(n+1)blut,(2)多层除尘室,Vs (n+1) A底 ut n为隔板数 解题时，由Vs 、 A底可求出能分离的最小颗粒直径dmin,降尘室特点：结构简单，流动阻力小，但体积庞大，分离效率低，一般作预除尘用,适用于除去粒度50m的粗颗粒。,a. 设计时颗粒直径的选择：以上分析是基于颗粒在降尘室顶端能被分离的条件，显然，在此条件下，处于其他位置的同直径颗粒也都能被除去。由于所处理的气体中粉尘颗粒的大小不均，因此，作设计时应以所需分离的最小颗粒直径为基准。,注意：,b. 气体速度的选择： 降尘室中的气体流速不能过高，应保证气体流动的雷诺数处于层流区，防止将已沉降下来的颗粒重新卷起。 一般降尘室内气体速度应不大于3m/s，具体数值应根据要求除去的颗粒大小而定，对于易扬起的粉尘（如淀粉、炭黑等），气体速度应低于1m/s。 降尘室结构简单、阻力小，但体积庞大、分离效率低，只适合于分离直径在75m以上的粗粒，一般作预除尘用。,例题2 采用降尘室回收常压炉气中所含球形固体颗粒。降尘室底面积为10，高宽均为2m。操作条件下气体密度为0.75kg/m3，粘度为2.610-5Pas，颗粒密度为3000 kg/m3。气体体积流量为3m3/s。试求： （1）可完全回收的最小颗粒直径； (2) 粒径为40 m的颗粒的回收百分率. （3）如将降尘室改为多层以完全回收10m的颗粒，求多层降尘室的层数。,解：(1)理论上能完全捕集下来的最小颗粒直径 由式3-22可知，在降尘室中能够完全被分离出来 的最小颗粒的沉降速度为,由于粒径为待求参数，沉降雷诺准数Ret和判断因子K都无法计算故需采用试差法。 假设沉降在滞流区，则可用斯托克斯公式求最小颗粒直径，即,=6.9110-5m,=3/10=0.3ms,Ret=,=0.5981,原设在滞流区沉降正确，求得的最小粒径有效。,2)40m颗粒的回收百分率 假设颗粒在炉气中的分布是均匀的，则在气体的停留时内颗粒的沉降高度与降尘室高度之比即为该尺寸颗粒被分离下来的分率。,核算沉降流型,由于各种尺寸颗粒在降尘室内的停留时间均相同，故40 m颗粒的回收率也可用其沉降速度ut与 69.1m颗粒的沉降速度ut之比来确定， 在斯托克斯定律区则为 回收率=ut /ut=(d/dmin)2=(4069.1)2=0.335 即回收率为33.5。,(3)需设置的水平隔板层数 多层降尘室中需设置的水平隔板层数用式3-22a计算。,由上面计算可知，l0m颗粒的沉降必在滞流区， 可用斯托克斯公式计算沉降速度，即,=6.2910-3ms,，取47层,n=,ut=,隔板间距为 h,核算气体在多层降尘室内的流型：若忽略隔板厚度所占的空间，则气体的流速为,0.75ms .,0.042,u=,0.082m,=1774,所以 Re,即气体在降尘室的流动为滞流，设计合理。,有一降尘室，长、宽、高分别为1164m，沿沉降室高度的中间加一层隔板。现需使用此降尘室处理常压下的烟气。已知烟气处理量为12500标准m3/h，烟气的温度为150，密度为0.85kg/m3,粘度为2.510-5Pa.s。问此降尘室能否沉降密度为1600 kg/m3 ,直径为35m以上的尘粒？,例 题3,Vs=V0T/T0=12500423/273=19368.13m3/h=5.38m3/s （2） 求ut u=Vs/A=5.38/(46)=0.224m/s Ut(uH/L)=0.224(4/2)/11=0.041m.s-1 （3）求dp 设为层流沉降,则 dp=(180.022510-30.041)/(1600-0.85)9.8070.5 =32.510-6m=32.5m 验算：Rep=(32.510-60.0410.85)/(0.022510-3) =0.051 假设正确 （4）因为32.535，所以此降尘室能除去直径为35m以上的尘粒。,（1） 求Vs,2) 沉降槽,沉降槽是利用重力沉降来提高悬浮液浓度并同时得到澄清液体的设备。所以，沉降槽又称为增浓器和澄清器。沉降槽可间歇操作也可连续操作。 间歇沉降槽通常是带有锥底的圆槽。需要处理的悬浮液在槽内静置足够时间后，增浓的沉渣由槽底排出，清液则由槽上部排出管抽出。,连续沉降槽是底部略成锥状的大直径浅槽， 如图3-6所示。 悬浮液经中央进料口送到液面以下0.31.0处，在尽可能减小扰动的情况下，迅速分散到整个横截面上，液体向上流动，清夜经由槽顶端四周的溢流堰连续流出，称为溢流； 固体颗粒下沉至底部，槽底有徐徐旋转的耙将沉渣缓慢地聚拢到底部中央的排渣口连续排出。排出的稠浆称为底流。,2) 沉降槽,连续沉降槽的直径，小者为数米，大者可达数百米； 连续沉降槽适合于处理量大，浓度不高，颗粒不太细的悬浮液，常见的污水处理就是一例。 经沉降槽处理后的沉渣内仍有约50%的液体。 沉降槽有澄清液体和增浓悬浮液的双重功能。,为了获得澄清液体，沉降槽必须有足够大的横截面积，以保证任何瞬间液体向上的速度小于颗粒的沉降速度。 为了把沉渣增浓到指定的稠度，要求颗粒在槽中有足够的停留时间。 所以沉降槽的加料口以下的增浓段必须有足够的高度，以保证压紧沉渣所需要的时间。 在沉降槽的增浓段中，大都发生颗粒的干扰沉降，所进行的过程称为沉聚过程。,为了在给定尺寸的沉降槽内获得最大可能的生产能力，应尽可能提高沉降速度。 向悬浮液中添加少量电解质或表面活性剂，使颗粒发生“凝聚”或“絮凝”； 改变一些物理条件（如加热、冷冻或震动），使颗粒的粒度或相界面积发生变化，都有利于提高沉降速度； 沉降槽中的装置搅拌耙，除能把沉渣导向排出口外，还能减低非牛顿型悬浮物物系的表观粘度，并能促使沉淀物的压紧，从而加速沉聚过程。,3) 分级器,利用重力沉降可将悬浮液中不同粒度的颗粒进行粗略的分离，或将两种不同密度的颗粒进行分类，这样的过程统称为分级，实现分级操作的设备称为分级器。 a.平流沉降: 风车分离稻谷（丰实谷粒、半丰粒、瘪壳、稻草叶、茸毛叶）,b.竖流沉降：,3.3.2离心沉降,依靠惯性离心力作用下实现的沉降过程称为离心沉降。 对于两相密度差较小，颗粒较细的非均相物系，在离心力场中可得到较好的分离。 通常，气固非均相物质的离心沉降是在旋风分离器中进行，液固悬浮物系的离心沉降可在旋液分离器或离心机中进行。,离心沉降原理 离心沉降利用沉降设备使流体和颗粒旋转，在离心力作用下，由于流体和颗粒间存在密度差，所以颗粒沿径向与流体产生相对运动，从而使颗粒和流体分离。 由于在高速旋转的流体中，颗粒所受的离心力比重力大得多，且可依需要调节，所以其分离效果好于重力沉降。,1.惯性离心力作用下的沉降速度,当流体围绕某一中心轴作圆周运动时，便形成了惯性 离心力场。在与转轴距离为R、切向速度为uT的位置上，惯性离心力场强度为 (即离心加速度)。,显然，惯性离心力场强度不是常数，随位置及切向速度而变，其方向是沿旋转半径从中心指向外周。重力场强度g(即重力加速度)基本上可视作常数，其方向指向地心。,惯性离心力场中颗粒在径向上也受到三个力的作用， 即惯性离心力;向心力(与重力场中的浮力相当，其方向为沿半径指向旋转中心) ;阻力(与颗粒径向运动方向相反，其方向为沿半径指向中心)。,惯性离心力=,向心力=,阻力=,球形颗粒的直径为d、密度为s; 流体密度为，颗粒与中心轴的距离为R，切向速度为uT; ur代表颗粒与流体在径向上的相对速度，ms。,如果上述三个力达到平衡，则,-,-,平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度ur， 便是它在此位置上的离心沉降速度。上式对ur求解得,比较式3-33与式3-20可以看出，颗粒的离心沉降 速度ur与重力沉降速度ut具有相似的关系式， 若将重力加速度g改为离心加速度,则式320便变为式3-33。,=0,(3-33),二者又有明显的区别，首先，离心沉降速度ur不是颗粒运动的绝对速度，而是绝对速度在径向上的分量; 且方向不是向下而是沿半径向外； 再者，离心沉降速度ur不是恒定值，随颗粒在离心力场中的位置(R)而变，而重力沉降速度ut则是恒定的. 离心沉降时，如果颗粒与流体的相对运动属于滞流, 阻力系数也可用式321表示，于是得到,(3-34),式3-34与式324相比可知，同一颗粒在同种介质中 的离心沉降速度与重力沉降速度的比值为,比值Kc就是粒子所在位置上的惯性离心力场强度与重力场强度之比，称为离心分离因数。 分离因数是离心分离设备的重要指标。,(3-35),层流时n = 1/2 过渡流 0.5n1（0.67） 湍流时 n = 1,u离/u重 = kn, 气体离心设备 旋风分离器 液体离心设备 ,离心沉降 离心过滤 过滤章节内容,2. 离心分离设备：,Kc,离心沉降设备,重力沉降的不足与离心沉降的优势,设备体积小而分离效率高,1旋风分离器,（1）构造与工作原理,圆筒、圆锥、矩形切线入口,气流获得旋转,向下锥口,向上，气芯,顶部中央排气口,颗粒器壁滑落,3. 旋风分离器的性能,结 构 与 操 作：气体进口速度 1025 m/s 或 1520 m/s，最小分离粒径约5m。 标准型旋风器：结构比例见图 特 点：流动阻力大、易磨损、效率7090%。 压 力 分 布：（40-80mmH2O）从筒壁往中心逐渐降压到达气芯处可降至负压。 故易在出灰口产生漏风，使效率下降，必须采取密封。,假设：a. 气流入口速度u入基本上等于气流的切线速度u且不变。 b. 气流中颗粒所穿过气体厚度等于进气口宽度B。 c. 气流与颗粒之间的相对运动为层流。（径向运动）,1） 旋风分离器性能估算 临界分离粒径dc,各部分尺寸按比例,(见教材),（2）分离性能估计,能被分离出的最小颗粒直径,临界直径dc,假定,Ut保持不变，ui,穿越最大气层厚=B,相对运动为层流,Stokes公式可用,将g换为,Rm-平均旋转半径,颗粒沉降速度,假设(2)沉降时间,气芯前圈数=N,运行距离,有效停留时间,某一粒径能(100%)被分离出的条件,其穿越B所需时间停留时间,一般取,dc气体性能、结构、处理量,假定勉强，粗略估计,分离效率,粒级效率 :,混合物经旋风分离器后某一(范围的)粒径被分离出来的质量分数,ddc的颗粒=1,如颗粒入器时均布，,与器壁距离B的所有颗粒所占分率,ddc的,入器时如其BB，也可以被(100%)分离,由前式，能被(100%)分离颗粒的dB1/2,入器时距离B的，直径为d的都能被(100%)分离,所占分率为,总效率O：,被分离出来的颗粒点全部颗粒的质量分数,旋风分离器的总效率O，不仅取决于各种尺寸颗粒的分级效率，而且取决于气流中所含尘粒的粒度分布。如果已知气流中尘粒的质量分率xi，且又知分级效率曲线，则可按下式计算总效率，即：,压降,能量损失,进气管、排气管、器壁、各各局部，气旋,常表示为,阻力系数实测,经验,（3）选型与计算,A、B 进口截面积 D1 排气管直径,有时也把旋风分离器的分级效率 标绘成粒径比 的函数曲线， d50是分级效率恰为50%的颗粒直径，称为分割粒径(dpc 或 d50)。上图为标准旋风分离器的 曲线，对于同一形式且尺寸及比例相同的旋风分离器，无论大小，皆可通用同一条曲线。,型式：CLT水平出口旋至进口 ； CLT/A 倾斜出口旋至进口 CLP 带旁路分离室蜗壳式进口，分A、B二类型。 CLZ 轴向进口 CLK 扩散旋风 选型主要参数： 处理气量；压降；粘光性质（密度、粒度、磨损腐蚀性等）； 总去除效率（或某一分级效率，在已知要去除的颗粒粒度要求时）, 旋风器的选型：,3.4 过滤,过滤操作的基本概念 过滤基本方程式，过滤常数的测定 提高过滤生产能力的措施,3.4.1过滤操作的基本概念,1.重力沉降的不足： 沉降时间长、脱除分离不彻底、固体物含水率高、设备庞大占地。 发展： 离心沉降； 过滤：压滤、真空过滤、离心过滤。,原理：使悬浮液在外力（压力、重力、真空或离心力）作用下强制通过多孔（毛细孔）过滤介质（滤布、滤饼），从而将其中悬浮颗粒截留。,2. 过滤原理及方法,滤浆：需过滤的悬浮液 滤渣（滤饼）：被截流的固体颗粒物 滤液：过滤后清液 1.过滤方式 饼层过滤 固体物质沉积于过滤介质表面而形成滤饼层的操作，真正发挥截留颗粒作用的主要是滤饼本身，因此称作饼层过滤。饼层过滤主要用于含固量较大（1%）的场合。,固体颗粒并不形成滤饼，而是沉积于较厚的粒状对滤介质床层内部的过滤操作。深床过滤主要用于净化含固量很少（0.1%）流体，如水净化等。,过滤的操作：,过滤操作方式：,过滤操作分为间歇式与连续式。,根据过滤推动力的方式，又有加压过滤、真空过滤和离心过滤,深床过滤,2.过滤介质,织物介质 最常用的过滤介质，工业上称为滤布(网)，由天然纤维、玻璃纤维、合成纤维或者金属丝编织而成。可截留的最小颗粒的直径为5-65微米。 多孔固体介质 具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶瓷、多孔金属及多孔性塑料制成的管或板，能截留1-3m的微小颗粒。 堆积介质 由沙、木炭之类的固体颗粒堆积而成的床层，称作滤床，用作过滤介质使含少量悬浮物的液体澄清。 多孔膜 用于膜过滤的各种有机分子膜和无机材料膜。,2） 过滤介质的要求： 多孔、阻力小、有良好的截留分离作用。 性能稳定、耐热耐腐。 强度高。,3.滤饼的压缩性和助滤剂： 主要是对滤饼作支承作用。 防止可压缩性滤饼堵塞毛细孔。 材料：硅藻土、珍珠岩, 使用方法：,预涂在过滤介质上 加入悬浮液中同时过滤,1. 滤液通过饼层的流动 简化流动模型： 层流直管中流动阻力 泊稷叶Poiseulle公式,即, 滤渣层中流动特点：,I 滤渣层中存在曲折流动通道 （基本事实1） II 通道很小、流速很低（基本事实2） III 层流（基本假定）,3.4.2 过滤基本方程式,3.4.2 过滤基本方程式,过滤速率,过滤速度,单位时间获得的滤液体积,单位过滤面积上的过滤速率,若过滤过程中其他因素维持不变，则由于滤饼厚度不断增加过滤速度会逐渐变小。任一瞬间的过滤速度应写成如下形式,过滤阻力,滤饼阻力,介质阻力,过滤总阻力,为方便起见，假设过滤介质对滤液流动的阻力相当于厚度为Le的滤饼层的阻力，即,则上式可写为,r-滤饼的比阻，l/m2 R-滤饼阻力，l/m,过滤基本方程式,不可压缩滤饼,可压缩滤饼,所以,过滤过程的数学描述 物料衡算 对固体颗粒在液体中不发生溶胀（体积无变化）的物系，以每Kg悬浮液为基准，按体积加和原则可得:,总物料体积衡算,固体体积衡算,所以,对一定的悬浮液 一定,若滤饼 一定，,一般,，则,提高过滤生产能力的措施,助滤剂：改变滤饼结构，使之较为疏松且不被压缩，则可提高过滤与洗涤速率。 絮凝剂：使分散的细颗粒凝聚成团从而更容易过滤。絮凝剂有聚合电解质类的如明胶、聚丙烯酰胺等，其长链高分子结构为固体颗粒架桥而成絮团； 流动或机械搅动：限制滤饼厚度的增长，或者借用离心力使滤饼在带锥度的转鼓中自动移动等动态过滤技术，也可以有效地提高过滤速率,增大过滤面积、提高转速、缩短辅助操作时间、改善过滤特性以提高过滤和洗涤速率。,滤液量与过滤时间,(1)过滤操作方式 在过滤计算中，将前一种操作方式称为恒压过滤，后一种操作方式称为恒速过滤。 工业上所使用的过滤机大多为间歇式，不宜于在整个过程中都采用恒压过滤或恒速过滤。 因为在恒压操作开始阶段，过滤介质表面还没有滤饼层生成，较小的颗粒会穿过介质，得到的是浑浊的滤液，或使介质的孔道堵塞，造成较大的阻力； 而在恒速过滤操作的后期，过滤压力增大到较大值，这会导致设备的泄露或动力设备超负荷。 为克服这些问题，一般先恒速后恒压过滤。,对于一定的悬浮液，若,、r，及v皆可视为常数，令,式中 k表征过滤物料特性的常数，m4(Ns)或m2(Pas) 将式3-54代人式3-53，得,恒压过滤时，压强差p不变，k、A、s、Ve又都是常数，,（3-54）,（3-53a）,3.4.3 恒压过滤,则有,（3-53b),K称为过滤常数，单位m2/s,是物料特性和过滤压强差所决定的常数；,a.恒压过滤方程 悬浮液一定，压差恒定，K为常数，且过滤开始即为恒压操作， 令q=V/A及qe=Ve/A 则由式(3-53b)可得：,3.4.3 恒压过滤,恒压过滤方程式,若介质阻力可忽略不计，则可简化为： Ve和e间的关系为： qe单位面积上的当量滤液量,恒压过滤方程式,图中的ob线表示实际过滤中的滤液量V与过滤时间的关系，而OeO则表示与介质阻力相对应的虚拟过滤时间e虚拟体积之间的关系。,恒压过滤的特点 : 滤饼不断变厚致使阻力逐渐增加，但推动力维持不变，因而过滤速度不断变小 应用恒压过滤方程式，可进行恒压过滤各种计算。 a.设计型：已知要求处理的悬浮液量及操作压差p，求所需的过滤面积。 b.操作型：已知过滤面积A和操作压差p，求能处理的悬浮液量，或已知滤面积和悬浮液处理量,求所需的操作压差p,(3)恒速过滤 在恒速过滤过程中，过滤速度保持恒定，因滤饼不断变厚致使阻力逐渐增加，过滤压差要不断增大（与成正比）。 恒速过滤方程,(4)先恒速后恒压过滤 这是一种复合操作方式，如果在恒速阶段结束时获得滤液量为V1，相应的过滤时间为1， 此后在恒定压差p下开始进行恒压过滤， 若恒压过滤一段时间后得到的累积总滤液量为V， 累积操作总过滤时间为，则可用下式进行计算。,b. 如果恒压过滤是在已经得到滤液量V1，则积分时，时间从 1到，滤液量应从 V1到V (从q1到q),恒压过滤讨论： 恒压过滤时滤液体积与过滤时间的关系为抛物线； 当过滤介质阻力可忽略不计，则：,过滤常数的测定,恒压下K、qe、e的测定,将恒压过滤方程式,微分得,即在恒压过滤条件下，/q 与 q 的函数 关系是以 1/K 为斜率、2qe/K 为截距的直线， 实验测得不同时刻单位过滤面积的累积滤液量 q，即可由上式回归出 K 和 qe。,压缩性指数s的测定,由过滤常数 K 的定义式,K p)为直线方程，斜率为 (1-s)、截距为2k。 在不同压差 p 下进行恒压过滤实验，求得一系列与之对应的过滤常数 K，再通过上式回归出滤饼常数 k 和压缩指数 s。,例 :恒压过滤，若介质阻力可以忽略，滤饼不可压缩。 （1）过滤液量增大一倍，则过滤速率为原来的（0.5） （2）当操作压差增加1倍，过滤速率为原来的 倍，在同样时间内所得到的滤液量将增大到原来的 倍。 2、1.414 （3）由于温度升高粘度降低75，则在同一时刻，滤液量增大_。 200% （4）过滤面积恒定，则所得的滤液量与过滤时间的_次方成正比，而对一定的滤液量则需要的过滤时间与过滤面积的_次方成_比。 0.5,2,反,【例 2】在9.81103Pa的恒定压力差下过滤某种的悬浮液。悬浮液中固相为直径0.1mm的球形颗粒，固相体积分率为10%，过滤时形成空隙率为60%的不可压缩滤饼。已知水的粘度为1.010-3Pas，过滤介质阻力可以忽略， 试求： （1）每平方米过滤面积上获得1.5m3滤液所需的过滤时间； （2）若将此过滤时间延长一倍，可再得滤液多少？,解：（1）过滤时间 已知过滤介质阻力可以忽略时的恒压过滤方程式为：,单位面积上所得滤液量q=1.5m3/m2,过滤常数,对于不可压缩滤饼，s=0,常数，,已知,=9.81103Pa,球形颗粒的比表面为,=1.010-3Pas，,滤饼的空隙率0.6,m2/m3,于是,过滤常数,m2,又根据料浆中的固相含量及滤饼的空隙率， 可求出滤饼体积与滤液体积之比。 形成1m3滤饼需要固体颗粒0.4m3， 所对应的料浆量是4m3， 因此，形成1m3滤饼可得到4-1=3m3滤液，则,m3/m3,则,所以,s,3.4.6 过滤设备,1板框过滤机,（1）结构与工作原理,1-非洗涤板；,2-框；,3-洗涤板；,四角均开孔,组装: 1-2-3-2-1-2-3-2-1-2-3-2-1,滤布框的两侧,滤浆由总管入框,框内形成滤饼,滤液穿过饼和布,经每板上旋塞排出(明流),从板流出的滤液汇集于某总管排出(暗流),过滤,横穿洗涤：,洗涤液由总管入板,滤布,滤饼,滤布,非洗涤板,排出,洗涤面=(1/2)过滤面积,洗涤液行程与滤液相同。洗涤面=过滤面,置换洗涤：,说明,间歇操作过滤、洗涤、卸渣、整理、装合,主要优缺点,2.加压叶滤机,3转筒真空过滤机,（1）结构与工作原理,水平转筒分为若干段，滤布蒙于侧壁段,管分配头转动盘(多孔)分配头固定盘,(凹槽2、凹槽1、凹槽3) 三个通道的入口,滤液真空管,洗水真空管,吹气管,工作过程跟综一段, 当浸入滤浆中时，对应滤布对应管转动盘孔凹槽2 滤液真空管 滤液通道过滤,当位于水喷头下，对应滤饼、滤布对应管转动盘孔凹槽1 洗水真空管 洗水通道洗涤,吹气管凹槽3转动盘孔 对应管滤布滤饼 压缩空气通道吹松, 遇到刮刀 卸渣,两凹槽之间的空白处：没有通道 停工两区不致串通,3.4.7 滤饼的洗涤 洗涤的目的：回收滞留在颗粒缝隙间的滤液，净化滤饼颗粒，在过滤终了时，需要对滤饼进行洗涤。如滤液为水溶液，一般就用水洗涤。 洗涤过程计算的内容：确定使用一定量洗涤液时所需要的洗涤时间。 为此需要确定洗涤速率。,洗涤速度 是单位时间通过单位面积的洗涤液量。 如果洗涤液量为VW ，则滤饼的洗涤时间为W 洗涤液用量取决于对滤渣的质量要求或滤液的回收要求。由于在洗涤过程中，滤饼的厚度不再增加，所以洗涤速率基本上为常数，其大小与洗涤液的性质及洗涤方法有关，后者又与所用的过滤设备结构有关。,洗涤时间,规 定,洗涤速率与过滤末速率的关系？,(1)叶滤机：置换洗涤法 特点：洗涤液流经滤饼通道与过滤终了时滤液通道相同 （L+Le）W=（L+Le）E AW=AE,洗涤速率,洗涤时间,(2)板框过滤机 ：横穿洗涤法 特点：过滤终了，滤液通过滤饼层的厚度为框厚的一半，过滤面积为全部滤框面积的2倍。 洗涤时，洗涤液将通过两倍于过滤终了时滤液 的途径。洗涤面积为过滤面积的一半。 （L+Le）W=2（L+Le）E AW=0.5AE,若洗水粘度、洗水表压与滤液相差较大，按右式校正：,1.间歇过滤机的生产能力 过滤机的生产能力可用单位时间内所得的滤液量或滤渣量表示。 在一个过滤操作循环中，过滤装置的拆装、整理、重装等所占的辅助时间D是固定的，而过滤及洗涤时间W却要随产量的增加而增加。,3.4.8 过滤机的生产能力,操作周期：T= + W + D,生产能力Q=V/ T:单位时间得到的滤液量。,过滤时间的相对长短，直接影响过滤机的生产能力 若一个操作周期中过滤时间短，则形成的滤饼薄，过滤速率大，但非过滤时间所占的比例相对较大，生产能力不一定就大。 相反，过滤时间长，形成的滤饼则厚，过滤速率小，生产能力也可能小。,2连续过滤机的生产能力,(1)操作周期与过滤时间,间歇过滤机：部分时间，全部面积过滤,连续过滤机：部分面积，全部时间过滤,转筒过滤机，转速为n,，则T=60/n,转筒表面浸入分数：,过滤时间:T=60/n,（2）生产能力,由恒压过滤方程式,可知转筒转一周所得的滤液体积为,生产能力为,忽略滤布阻力，e=0,Ve=0,例1：用一板框过滤机，对某种悬浮液进行恒压过滤，过滤时间为20min,得到滤液20m3, 滤饼不洗涤，拆装时间为15min,滤饼不可压缩，介质阻力可忽略不计。 试求该机的生产能力，以m3(滤液)/h表示之。 如果将该机的过滤压力增加20%，拆装时间不变，试求该机的生产能力为多少m3(滤液)/h？,解：单位滤液形成的滤饼体积为：,例4 某板框过滤机有5个滤框，框的尺寸为63563525mm。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 =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。,解：以一个框为基准进行计算。框全充满时滤饼的体积为：,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,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,板框过滤机的生产能力为：,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,第三节 离心分离简介,旋风(液)分离器,利用混合物中不同成分所受离心力Fr不同,Fr源自物料以切线方向进入设备,离心机,Fr源自设备本身旋转,高速旋转的转鼓,转鼓直径、转速，则Fr ，分离效果,离心机的分离因数KC,其产生的离心加速度与重力加速度之比,常速（ KC 500000 ）,（1）过滤式离心机,（2）沉降式离心机,（3）分离式离心机,图3-27 三足式离心机 1一支脚 2一外壳 3一转鼓 4一电动机 5一皮带轮,图3-28 卧式刮刀卸料离心机 1一进料管 2一转鼓 3一滤网 4一外壳 5一滤饼 6一滤液 7一冲洗管 8一刮刀 9一溜槽 10一液压缸,图3-29 活塞推料离心机 1一转鼓 2一滤网 3一进料管 4一滤饼 5一活塞推进器 6一进 料斗.7一滤液出口 8一冲洗管 9-固体排出 10一洗水出口,3.6 固体流态化,流态化： 使颗粒状固体与流动的液体或气体接触，并在流体中受力而表现出类似流体流动的现象。,流态化技术优点、用途： 用途： 实现化学反应 硫铁矿焙烧 干燥固体物料 流化干燥（如：谷物干燥、粉料干燥） 吸附传质分离 流化床吸咐与再生（活性炭吸附、工业触媒再生） 气力输送 煤粉、散装水泥远距离输送、喷粉技术 物料混合分散、机械分离,优点： 对操作而言：便于连续化、自动化 对反应而言：传质传热均匀、便于调节 例：催化反应：颗粒比表面大、传质速率高 干燥过程：干燥