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化工原理 3 机械分离物系 均相 非均相 相界面 性质不同 分散相和连续相非均相物系分离 机械方法 筛分沉降过滤非均相物系类别 连续相分散相气相固体颗粒 尘 烟 霾液体颗粒 沫 雾液相固体颗粒 悬浮液液体颗粒 乳浊液3 1筛分 将大小不同的固体颗粒分开3 1 1固体颗粒大小 圆球 直径测量 筛 计数与量度沉降推算标准筛与筛析系列泰勒筛两倍面积正方形宽度 2倍目每英寸孔数号增大则直径减小10目孔直径2 00mm线直径0 900mm 50目孔直径0 297mm线直径0 215mm 100目孔直径0 149mm线直径0 110mm 200目孔直径0 074mm线直径0 053mm 筛析表示 平均值 上下筛号 质量分率 混合颗粒大小的分布质量分率 颗粒直径 平均 曲线频率分布di ai累计分布 di ai颗粒的平均大小长度平均直径 算术平均数dLm 表面积平均直径dAm体积平均直径dVm 体积表面积平均直径dVAm非球形颗粒当量直径法 某个特性相当 体积 形状因数法球形度 表面积之比球 颗 13 1 2筛操作原理筛分 筛过物筛留物往复 转动或振动设备 平板筛滚筒筛有效性与生产能力分割直径dc有效性 dc截留率 1生产能力kg m2 hm kdc 标准筛机振动筛 滚动筛 3 2重力沉降密度差大小重力差异重力 大颗粒离心力 小粒3 2 1沉降速度球形颗粒的自由沉降 重力沉降P143重力Fg浮力Fb阻力Fd加速阶段a 0 F 0匀速阶段a 0 F 0ut沉降速度 f Re dut 层流区Rep 0 3 2 24 Re斯托克斯阻力定律P145 重力Fg 阻力Fd 浮力Fb ut 过渡区Rep2 500 18 5 Rep0 6阿仑区湍流区Rep500 200000 0 44牛顿区边界层内湍流Rep 200000 0 1 沉降速度计算试差 用公式 ut Rep 校对范围例1分级沉降完全分离层流n 1 2 湍流n 1 过渡n 1 1 6漂走前后部实际沉降干扰公式应用 静止流体运动流体逆向同向3 2 2降尘室P146图3 16降尘室 swf工作原理 扩大u ut t H ut L uVs bHu bLut tVs utA0层流例2 重力沉降 重力Fg 阻力Fd 浮力Fb ut L H u ut 宽度b 教案10例1颗粒大小测定已测得密度为 p 1630kg m3的塑料珠在20 的CCl4液体中的沉降速度为1 70 10 3m s 20 时CCl4的密度 1590kg m3 黏度 1 03 10 3Pa s 求此塑料珠的直径 解 设小珠沉降在斯托克斯定律区 按ut gdp2 p 18 可得dp 18 ut g p 1 2 18 1 70 10 3 1 03 10 3 9 81 1630 1590 1 2 2 83 10 4m校核ReRep dput 2 83 10 4 1 70 10 3 1590 1 03 10 3 0 744 2计算有效 小珠直径约为0 283mm 教案10例2降尘室空气处理能力的计算现有一底面积为2m2的降尘室 用于处理20 的常压含尘空气 尘粒密度为1800kg m3 现需将直径为25 m以上的颗粒全部除去 试求 1 该降尘室的含尘气体处理能力 m3 s 2 若在该降尘室中均匀设置9块水平隔板 则含尘气体的处理能力为多少m3 s 解 1 据题意 由附录查得20 常压空气 1 2kg m3 1 81 10 5Pa s设100 除去的最小颗粒沉降处于斯托克斯定律区 则其沉降速度为ut gdmin2 p 18 25 10 6 2 1800 1 2 9 81 18 1 81 10 5 0 034m s验Rep dpminut 25 10 6 0 034 1 2 1 81 10 5 0 056 2原假设成立 气体处理量为Vs A底ut 2 0 034 0 068m3 s 2 当均匀设置n块水平隔板时 实际降尘面积 n 1 A底 所以气体处理量为Vs n 1 A底ut 10 2 0 034 0 68m3 s 3 2 3悬浮液沉聚P148图3 18干扰原因 1 附近颗粒干扰u Fd 2 有效密度 粘度 3 大小颗粒间互曳 壁面效应P145过程 清液区等浓区变浓区沉聚区四层清液与沉聚区两层设备 沉降槽 池 桶 清液区 等浓区 变浓区 沉聚区 悬浮液 清液 泥浆 沉降槽 3 3离心沉降 惯性离心力 旋转P149Fg mg固定向下uT Fc d r Fc 沉降速度浮力 向心力重力 离心力阻力 阻力ur ut力平衡ur不恒定 ut恒定 ur为径向分量 合成 ur与ut uT螺旋形轨迹层流时分离因数 离心沉降 离心力Fc ur uT 向心力Fb 阻力Fd r 轨迹 离心沉降速度 圆周速度 重力 旋风分离器的操作原理 气固 P150图3 20设备不动ui uT旋风分离 swf圆锥形切向进入螺旋形除尘区 外旋l流内旋流双层螺旋形ui15 20m sd 5 m性能P150临界粒径 最小完全分离直径假设1 进口ui等速 圆周uT 2 沉降距离B 3 层流 沉降时间停留时间D B dc 并联Ne 0 5 3 0标5 旋风分离器 旋风分离器 B ui 颗粒 含尘气体 去尘气体 外旋内旋 h 分离效率P151总粒级 pi di dc粒级效率曲线P152图3 21理论di dc 1 p 1实际相交有交界区吹起di dc 1 p 0近壁聚结 0 xi pixi质量分率压降摩擦阻力局部阻力动能损失 压降P152 c 8 030 200mmH2O例3 教案10例3旋风分离器计算气流中所含尘粒的密度 p 2000kg m3 气体的流量为5500标准m3 h 温度t 500 0 43kg m3 黏度 3 6 10 5Pa s 拟采用标准型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10 m 要求压强降不超过700Pa 试决定旋风分离器的尺寸与个数 解 已知标准型旋风分离器的阻力系数 c 8 0 规定的允许压强降为 pf c ui2 2 700Pa可知ui 2 pf c 1 2 2 700 8 0 0 43 1 2 20 2m s又知按照要求的分离效率 临界粒径不大于10 m 故取临界粒径dc 10 mdc 9 B Neui p 10 10 6m Ne 5 ui 20 2m s则B Neui pdc2 9 5 2000 20 2 10 10 6 2 9 3 6 10 5 0 196m旋风分离器的直径 D 4B 4 0 196 0 78m进气管截面积为 hB D 2 D 4 D2 8 0 78 2 8 0 076m2 Nm3 标准立方米D 4B 进口直径 每个旋风分离器的气体处理量为 Vs hB ui 0 076 20 2 1 535m3 s含尘气体在操作条件下的总流量为 Vs 5500 3600 273 500 273 4 32m3 s所需旋风分离器的台数为 n Vs Vs 4 32 1 535 2 8台表明 为满足规定的气体处理量 压强降及分离效率三项指标 需要直径不大于的标准型旋风分离器至少三台 为便于安排 决定采用四台并联 以下按四台并联方案进行计算 每台的气体处理量为 Vs Vs 4 1 08m3 s为保证指定的分离效率 临界粒径仍取为10 m 重复上述方法确定分离器直径 dc 9 B Neui p B D 4 ui Vs hB 8Vs D2则D 32 Ne sVs dc2 9 1 3 32 5 2000 1 08 10 10 6 2 9 3 6 10 5 1 3 0 695m核算压强降 ui 8Vs D2 8 1 08 0 695 2 17 9m s pf c ui2 2 8 0 0 43 17 9 2 2 550Pa 700Pa 或者以维持指定的最大允许压强降数值为前提 求得每台分离器的最小直径 当 pf 700Pa时 进口气速应为20 2m s 则进口截面积为 hB D2 8 Vs ui 1 08 20 2 0 0535m2 D 8 0 0535 1 2 0 654m核算临界直径 dc 9 D 4 Ne 8Vs D2 s 9 D3 32 Ne sVs 1 2 9 1 10 6m 9 1 m 10 m临界直径小于10 m 分离效率必能满足要求 这表明 采用四台并联 只要旋风分离器直径在0 654 0 695m之间即能满足本本题要求 结构形式与选用CLGCLTCLT ACLP A B进气方式等细而长先定型式再定尺寸与个数依据Vs ordc pf要知粒级效率与粒度分布多台并联窜流 灰均匀分布旋液分离器 液固 液液 底流 含液 溢流空气芯增稠分级 调流速互不相溶分液不能完全分开液固ui 10m s 3 4离心机分离P153离心机 swf三足式离心机 swf概念 液态非均相混合物分离 液 固 液 液 轻 重不溶 设备转动 高速旋转转鼓r n 则Fr r太大 机械强度要求高设备固定时uT一定时r 则Fr r 或n 则Fr 分类及结构间歇 连续 立式卧式 过滤式 沉降式 液 固 分离式 液 液 管式 碟片式 螺旋式常速Kc50000 三足离心机 碟片沉降自动出渣 卧式螺旋卸料 普通管式超速 卧式刮刀 滤液 过滤介质 滤浆 滤饼 3 5过滤过滤示意图 滤浆 3 5 1过滤操作的基本概念P126图3 1多孔介质处理悬浮液 滤浆 外力 重力 压力差 离心力等 滤液与滤饼 滤渣 固液分离分类 饼层过滤 1 含固量 滤饼过滤 swf深层过滤 介质床层内部 0 1 含固量水厂深层过滤 swf过滤介质 要求多孔阻力小截留率高机械强度好饼支承物支承作用滤布粒状介质多孔固体介质滤饼 固定底层厚度 阻力 空隙率 p 可压缩性 p 不变不可压缩 单位厚度阻力恒定助滤剂 可压缩性饼添加支撑渗透好阻力小不反应不溶解不压缩1 先涂2 加入悬浮液 3 5 2设备分间歇机 板框压滤机板框压滤机 swf叶滤机P134 136图3 5 8板框叶滤 连续机 转筒真空过滤机转鼓 swf圆盘真空过滤机P137图3 12转鼓圆盘操作步骤 间歇 装合过滤 洗涤 横穿 置换 卸渣 整理连续 工作循环过滤 洗涤 卸渣 3 5 3过滤的基本理论P128过滤速度m3 m2 s层流式中 L厚度 le当量长度 Lr过滤阻力 r比阻单位厚度滤饼的阻力 r pf u L 1 m2含空隙率 通道长与厚之比例K0 比表面积A0 实测 pf u r u u L u 基本方程式P128速率公式变换式中 L CV AC单位m3饼 m3滤液 式中 r r m kg C C kg m3 Ve过滤介质当量滤液体积 虚拟 恒压 p定L pf 则u 恒速 u不变 pf p 恒压过滤方程式P131p常数 rC均为常数则分离变量积分Ve V Ve 0 为过滤常数 p K s压缩性指数 不可压缩s 0 如何测 书 实验作曲线实验测定K Ve e 改变p 测定各自的K 再作lnK ln p曲线测定r0 sP132恒速过滤方程式P131恒速时为常数 则故可得方程假设K不变 实际由于压差增大 K有变化 过滤计算a知A 求V b知V 求A两者前提是已知方程及K间歇机计算P138过滤洗涤重装操作周期 C F w R F方程计算 w洗涤水量 洗涤速率计算 R可定洗涤速率 最终过滤速率P133横穿 滤饼厚度是过滤的两倍 而面积只是1 2 1 4 置换 1最佳操作周期P143 不同 p不同则需校例1 2生产能力m3 s m3 h 连续机P139操作周期 C 1 n 浸入角度 360 F C生产能力 e 0则Ve 0 n Vh n太高则饼薄 太高 操作困难 洗涤吸干吹松例3 教案11例1叶滤机过滤面积的计算 过滤过程的计算某固体粉末水悬浮液固含量的质量百分数w 0 02 温度为20 固体密度 s 3200kg m3 已通过小试过滤实验测得滤饼的比阻r 1 82 1013m 2 滤饼不可压缩 滤饼空隙率 0 6 过滤介质阻力的当量滤液量qe 0 现工艺要求每次过滤时间30min 每次处理悬浮液8m3 选用操作压强 p 0 12MPa 若用叶滤机来完成此任务 则该叶滤机过滤面积为多大 解 由题意 1800s 1 10 3Pa s 1000kg m3 悬浮液体积分数为 w s w s 1 w 0 02 3200 0 02 3200 1 0 02 1000 6 34 10 3固m3 m3悬浮液滤液V V悬 1 1 8 1 6 34 10 3 1 0 6 7 87m3C 8 1 V 1 61 10 4 cm3饼 m3滤液 K 2 p rc 2 0 12 106 1 82 1013 1 61 10 4 1 10 3 8 28 10 4m2 s当qe 0时 Ve 0由V2 2VVe KA2 得 A V K 1 2 7 87 8 28 10 4 1800 1 2 6 45m2 教案11例2板框压滤机的生产能力计算拟用一台板框压滤机过滤悬浮液CaCO3 CaCO3密度为2930kg m3 含固量质量分率w 0 023 滤框的容渣体积为450 450 25mm 有40个滤框 过滤温度25 p 3 105Pa 待滤框充满后在同样压差下用清水横穿洗涤滤饼 洗涤水量为滤液体积的1 10 已知每m3滤液可形成0 025m3的滤饼 试求 1 过滤时间 F 2 洗涤时间 w 3 压滤机的生产能力 设辅助时间为60min 已知qe 0 0268 0 894 10 3Pa sK 7 45 10 5m 2 s解 此例属操作型问题 1 计算滤框中充满滤饼所经历的过滤时间 F框内滤饼总体积40 0 452 0 025 0 203m3滤液量V 0 203 0 025 8 1m3过滤面积A 40 0 452 2 16 2m2q V A 8 1 16 2 0 5m3 m2 过滤时间 F q2 2qqe K 0 52 2 0 5 0 0268 7 45 10 5 3720s 2 洗涤时间 w 横穿洗涤 dV d w 1 4 dV d F 1 8 KA2 V Ve 2 864 10 4m3 sVw 0 1V 0 1 8 1 0 81m3故 w Vw dq d w 0 81 2 864 10 4 2830s 3 生产能力QQ V F w R 8 1 3720 2830 3600 7 98 10 4m3 s 2 87m3 h 教案11例3连续机的计算密度为1116kg m3的某种悬浮液于53300Pa的真空度下用小型转筒真空过滤机作试验 测得过滤常数K 5 15 10 6m2 s 每送出1m3滤液所得的滤饼中含有固相594kg 固相密度为1500kg m3 液相为水 现用一直径1 75m 长0 98m的转筒真空过滤机进行生产操作 维持与试验时相同的真空度 转速为1r min 浸没角度为125 50 且知滤布阻力可忽略 滤饼不可压缩 求 1 过滤机的生产能力Q 2 转筒表面的滤饼厚度L 解 1 生产能力Q转筒过滤面积A DL 1 75 0 98 5 39m2转筒的浸没度 125 5 360 0 349 每分钟转速为1次 n 1 60 过滤常数K 5 15 10 6m2 s 将数据代入Vh 3600A K n 1 2 3600 5 39 5 15 10 6 0 349 1 60 1 2 3 36m3 h 2 滤饼厚度L应先物料衡算 求出饼 滤液体积比 以1m3悬浮液为准 设其中固相质量分率为x 则1116x 1500 1116 1 x 1000 1 x 0 312 故知 1m3悬浮液中的固相质量 1116 0 312 348kg 1m3悬浮液所得滤液体积 348 594 0 586m3 1m3悬浮液所得滤饼体积 1 0 586 0 414m3于是 饼液体积比c 0 414 0 586 0 706饼m3 滤液m3转筒每转一周所得滤液量应为V Vh c 3600 3 36 60 3600 0 056m3则相应的滤饼体积为Vc cV 0 706 0 056 0 0394m3故知滤饼厚度为L Vc A 0 0394 5 39 0 0073m 7 3mm 机械分离重点 过滤原理P126过滤基本方程P135过滤常数K与 p 的关系P130恒压过滤 恒速过滤 过滤常数测定方法P131横穿 置换洗涤速率 洗涤时间P133过滤设备P134操作周期与生产能力 计算例题P138沉降速度计算公式的推导P144 自由与离心沉降 Kc的含义P149沉降分区及公式P145沉降影响因素P145设备及计算P146旋风分离器的性能dcP151 pfP152 P151离心机P153 分离习题课 1 用双锥分级器对方铅矿与石英两种粒子的混合物进行分离 分级器工质为20 的水 已知粒子尺寸范围d 0 08 0 7mm 方铅矿 p1 7500kg m3 石英 p2 2650kg m3 水20 998kg m3 1 004 10 3Pa s 假定为球形粒子 且作自由沉降 试求 1 欲获得纯方铅矿粒 水的上升速度至少应为多少 2 所得纯方铅矿粒的最大尺寸范围如何 解 因方铅矿密度比石英大 尺寸相等的两种粒子中以方铅矿沉降较快 因此应该按大石英粒子自由沉降速度决定水的流速 这样能带走全部石英粒子而获得尽可能多的纯方铅矿 设与最大石英粒子的沉降速度相对应的Re处在2 500过渡状态区 阿仑区 则 18 5 Rep0 6ut 0 269 gdp p Re0 6 Re du 代入ut 0 269 9 81 0 7 10 3 2650 998 998 0 7 10 3 ut 998 1 004 10 3 0 6ut0 7 0 269 0 1066 7 124 0 2043ut 0 103m s校Re范围Re 0 7 10 3 0 103 998 1 004 10 3 72在阿仑区 假定正确 水流上升速度为u 0 103m s 2 所得的纯方铅矿粒中尺寸最小者应是其沉降速度恰等于0 103m s的粒子 设Re在阿仑区 则ut 0 269 gdp p Re0 6 0 103 0 269 9 81d 7500 998 998 d 0 103 998 1 004 10 3 0 6 0 269 63 91d d0 6 1014 24 68 5d0 8 d 2 96 10 4m 0 296mm校Re范围Re 2 96 10 4 0 103 998 1 004 10 3 30 3在阿仑区 假定正确 则最大尺寸范围为0 296 0 7mm 2 用直径为2m 长为8m的转筒真空过滤机过滤 料液中固相质量分率为0 08 固相密度为1800