筛析与旋风分离实验.doc

951化工實驗（一）實驗三 篩析與旋風分離Screen Analysis and Cyclone Separator一、實驗目的1.學習標準篩(Sieve)及篩振盪機(Sieve shaker)之使用方法。2.利用篩析法來測定粉粒體之粒徑分佈。3.瞭解皮托管流量計原理。4.測定頻率、風速對旋風分離效率之影響。二、原理2.1 篩析篩析在化工廠中常用於控制與分析固體顆粒之大小，粉體粒徑以通過標準篩之網眼決定。篩網每邊長一吋所含之篩孔數為網目(mesh)及篩號，現今最通用者為泰勒(Tyler)標準篩，其線徑有一定的規定，例如泰勒200號篩，每邊長一吋有篩孔200個，線徑0.0021吋，因此篩孔長度為0.005吋扣除0.0021吋，孔徑大小為0.0029吋(0.074 mm)。粒徑分佈表示法常以累積分佈曲線、頻率分佈曲線、R-R-S 分佈曲線表示。(1)累積分佈曲線：包括殘留率曲線(R)及通過率曲線(D)殘留率指累積殘留在篩網上之粒子重，佔全部試料重的百分比R(%)如式（1），以篩網孔徑代表粒徑DP，以R對DP做圖，即為殘留率曲線。（1）對第i篩網而言，殘留率為：（2）式中，DP為粒子直徑(mm)，DP, max為最大粒子之直徑(mm)，f(DP)為粒徑頻率分佈(%)，SWi為累積在第i層及更上層篩網之試料總重(kg)，W0為總試料重(kg)通過率即累積通過篩網之試料佔試料總重量之百分比D(%)，以D對Dp做圖，即為通過率曲線。數學式表示為：（3）對第i篩網而言，對應之粒徑為()，而通過率為：（4）式中，SWi+1：累積在第i+1層及更下層篩網之試料總重殘留率與通過率之關係為D+R=100（5）(2)頻率分佈曲線(f)：各篩上粒子重佔試料總重之百分比對平均粒徑作圖。圖3-1 粒徑分佈曲線圖 (3)R-R-S 分佈曲線(Rosin-Rammler Size distribution)：以方程式表示累積分佈狀態如下：（6）其中b、n為常數，此方程式適合於以球磨機處理之情況。n值對於大多數之礦物而言約為 1 。將上式取兩次對數，得log (2-log R) = log(b log e)+ n logDP（7）以log (2-log R) 對log DP作圖，可得斜率n，截距為log(b log e)。2.2 旋風分離器旋風分離器是利用粒子在氣流中做高速旋轉時，離心力遠大於重力，且因速度愈大，粒子所獲得之離心沈降速度也愈大，使固體與氣體達到分離的目的，其主體如圖3-2。含固態粒子之氣體自圓筒導入管沿切線方向，以10 20 m/s 之速度送入錘型圓筒，此時氣流碰撞器壁，旋轉下降至集塵袋中而氣體則沿中央上昇氣流自圓筒上。集塵粒徑範圍10 200 mm，性能較佳者可處理至5 mm。旋風機之分離效率由式（8）表示，視粉體的粒徑分佈而異h被分離出來之粉粒重/總粉粒重100%（8）以Stokes定律計算最小粒徑Dp,min，如式（9），大於此粒徑之粒子集塵效率為100 %，小於此粒徑之粒子則無法全部被收集。（9）式中，DP, min為可百分之百被分離之最小粒徑(mm)，m為空氣之黏度 (kg/ms)，B為旋風機入口之寬度(m)，N為氣體在旋風機內之迴旋次數，ua為進入旋風分離器氣體之速度(m/s)rs為粒子之密度(kg /m3)，r為運送氣體的密度(kg /m3)。氣體的迴流數N依旋風機的幾何形狀及內表面光滑的程度及流體的性質而異，標準旋風機約為N=2。就經濟觀點，旋風機的入口速度愈大，DP,min 愈小，分離的效率越佳，設計時一般皆定在15 20 m/s，不宜低於10 m/s以下，此乃通過旋風分離器的壓力降落與入口速度的平方成正比之故。又入口寬度 B 越小則 DP,min 越小，小型的旋風機之分離效率較佳。2.旋風分離器之壓降係數旋風分離器之理論壓降係數F可由本身之尺寸決定：（13）圖3-2 旋風分離機內部圖其中 K：常數(其值約為30)A：旋風分離器入口截面積p()2 (m2)d：出口導管直徑(m)L：旋風分離器圓筒部份高度(m)D：旋風分離器圓筒部份直徑(m)H：旋風分離器圓錐部份高度(m)一般工業上所用的旋風分離器，壓降約在 50 200 mmH2O經濟範圍內。壓降可由白努利(Bernoulli)方程式求得：（10）（11）旋風分離器實驗壓降係數F定義如式（12），F通常在4 10之間。（12）Dh係由旋風分離器出入口接上一U型管差壓計所測出之水柱差。3.皮托管風速皮托管為測點速度的流量計，構造如圖3-3，內管中截面積與流體流向互相垂直，點1可測流體的動壓(Dynamic Pressure)；外管前端鑽有固定口徑的小孔點2，藉以測定靜止流體所具有壓力，即靜壓(Static Pressure)。靜壓之測定面與流動方向水平；動壓為垂直方向。依白努利方程式： （14）由於點2測定面與流動方向水平，u20，P2P1，故（15）若以差壓計表示量測其流速，則為（16）其中 Cp：皮托管流量係數，良好設計的皮托管，Cp值幾乎為 1。rm：差壓計內封液密度h：皮托管差壓計讀數圖3-3 皮托管三、實驗裝置適當粒徑範圍之氧化鋁粉粒。圖3-4 旋風分離裝置圖圖3-5 篩析振盪機及標準篩四、實驗步驟利用阿基米得原理，測出氧化鋁粉粒之密度。4.1 第一次篩析1. 氧化鋁粉粒樣品稱重400 10g。2. 將七個篩網依網目小大由上往下疊置。3. 將原始樣品放入上層篩網，篩網組置於振盪機上振盪約10分鐘（至各篩網上重量停止變化止），取出各層篩網粉粒稱重紀錄，並計算與繪圖。（頻率分佈曲線、累積通過率曲線、累積殘留率曲線）4.2 旋風分離與篩析1. 上述篩析樣品重新混合後，分成四份，依序紀錄四份試料重量Win克。2. 開啟牆上局部抽氣裝置，朝緩衝槽抽氣。3. 啟動旋風分離機電源與鼓風器開關，以最大頻率60清除機內殘餘粉粒。4. 不含粉粒下，調整變頻器頻率10 60，紀錄皮托管壓差與入口壓差。5. 調整變頻器讀數25，將第一份試料倒入加料斗中，緩慢轉動進料閥，同時紀錄皮托管壓差。6. 待試料完全進入空氣管道後，約三、四分鐘即停止鼓風機。7. 稱取集塵室之試料重為Wout克，再作一次篩析，測定其粒徑分佈曲線、通過率曲線、殘留率曲線。8. 將變頻器調至最大，啟動鼓風機約2分鐘，清除機內殘餘廢棄粉粒。9. 改變變頻器讀數35、45、55，重覆步驟59。五、注意事項1. 務必開啟局部抽器裝置，自備防塵口罩。2. 確認天平之water level guage（水位儀）水珠是否在圓圈範圍內。3. 使用旋風分離機前後均需以最大頻率清理，丟棄殘留粉粒。4. 篩析時，請勿接近振盪機軸中心敲打處，避免危險。5. 為保持一定空氣流量，淨空旋風分離機之空氣入處。6. 清理場地、器材歸位方可離開。六、實驗結果Sample No.氧化鋁密度：g/cm36.1 篩析記錄頻率：rpm進料重量： g篩號粒徑Dp(mm)篩上試料重Wi (g)過粗粒子重SWi (g)篩上試料百分比fWi/Wo100(%)累積殘留率R=SWi/Wo100(%)累積通過率D=100R607080100120140170篩底Wo10006.2 旋風分離器記錄（1） 不含粉粒下鼓風機頻率f (rpm)皮托管計讀數Dh(mmH2O)風速Vi(m/s)差壓計之讀數速度高差rVi2/2Dh(mmH2O)DP(Pa)102030405060（2）含粉粒下（進料後）進料重Win(g)鼓風機頻率f (rpm)皮托管計讀數Dh(mmH2O)風速Vi(m/s)收集重量Wout(g)實驗效率Dp,min(mm)253545556.3 結果整理1. 累積殘留率R 曲線、累積通過率D曲線、頻率分佈曲線f。（參考圖3-1）2. 針對第一次篩析之數據，以 log (2log R)對 log Dp 作圖，求得 R-R-S 分佈參數值n、b與R-R-S 分佈實驗式。3. 將旋風分離器各部之尺寸代入計算理論F值。4. 以DP(Pa)對入口處之速度高差(Velocity Head)作圖，可得一直線，由直線之斜率決定旋風分離器壓降係數實驗F值。5. 根據式(11)，假設AaAb，帶入求出之實驗F值，找出摩擦損失lwf與入口速度Ua之關係。6. 以DP,min對鼓風機頻率作圖，說明頻率對DP,min之影響。7. 以分離效率對風速作圖，說明風速對分離效率之影響。七、討論1. 說明下列三種情況之分離方式：(1)固體與固體；(2)固體與液體；(3)固體與氣體。2. 在做旋風分離進料時，為何不做低於變頻器讀數25之頻率?3. 本次實驗之粒徑主要集中在何範圍?4. 粒子經四種頻率旋風分離後，各個頻率殘留的粒徑範圍為何？何種粒徑範圍之粒子被分離出去？又這些粒子被分離至何處？5. 說明旋風分離器