第三章非均相物系的分离及固体流态化..ppt

,第三章机械分离和固体流态化,教学要求3-0概述3-1颗粒及颗粒床层的特性3-2沉降分离3-3过滤复习,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,2/45,教学要求,重点:沉降速率的计算；过滤基本方程及恒压过滤计算。覆盖内容：颗粒及颗粒群的性质（体积、表面积、比表面积、空隙率及平均自由截面积）；沉降的基本概念（重力沉降、离心沉降、自由沉降和干扰沉降）；沉降速度的计算；旋风分离器的性能参数（临界直径、分离效率、粒级率、分割直径）；降沉室的结构与设计，旋风分离器的结构特点分离原理及设计方法。过滤操作的基本概念，过滤基本方程及计算（滤液量、过滤时间、洗涤时间和生产能力）；常用过滤设备（板筐压滤机、叶滤机和回转真空过滤机）的结构特点；过滤常数的测定方法。,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,3/45,3-0概述,混合物分类,机械分离,有明显相界面；不同相间有明显的物理化学性质差异。,悬浮液(液固混合物）乳浊液（液液混合物）含尘气体、含雾气体,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,4/45,3-1颗粒及颗粒床层和特性,3.1.1颗粒的特性一、单一颗粒的大小和形状球形颗粒,直径(d)：,非球形颗粒当量直径,体积相同时，球形颗粒的表面积最小，1。,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,5/45,3-1颗粒及颗粒床层和特性,二、颗粒群的特性,粒度分布的测量与定量表示,筛号或称目数,筛分分析结果图示法,分布函数,频率函数,分布函数曲线,频率函数曲线,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,6/45,3-1颗粒及颗粒床层和特性,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,7/45,3-1颗粒及颗粒床层和特性,平均直径设所有颗粒的形状系数相等,按比表面积相等,则,三、粒子的密度真密度(s):kg/m3堆积密度(b):kg/m3,3-1-2颗粒床层的特性,一、床层空隙率,颗粒直径颗粒分布床层半径,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,8/45,3-1颗粒及颗粒床层和特性,二、床层的比表面积单位体积床层具有的颗粒表面积,三床层的各向同性,自由截面与床层高度无关空隙率与床层高度无关,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,9/45,3-2沉降分离,沉降操作：在外力场作用下，利用分散相与连续相间的密度差异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。分为：重力沉降、离心沉降。,3.2.1重力沉降,自由沉降,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,10/45,3-2沉降分离,一、重力沉降速度,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,11/45,3-2沉降分离,二、影响沉降的因素,大颗粒的实际沉降速度小于自由沉降速度；小颗粒的沉降速度增大。,实际沉降速度小于自由沉降速度,在Stokes区，器壁的影响：,颗粒浓度,颗粒的球形度,壁面效应,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,12/45,3-2沉降分离,三、沉降速度的计算,试差法,摩擦数群法,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,13/45,3-2沉降分离,Stokes区：K69.1,选择相应公式计算ut,三、重力沉降设备,降尘室,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,14/45,3-2沉降分离,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,15/45,3-2沉降分离,特点：结构简单、设备庞大、效率低，适合分离75m以上的颗粒,沉降槽,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,16/45,3-2沉降分离,3.2.2离心沉降,比较：沉降速度的大小、方向,一、离心沉降速度,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,17/45,3-2沉降分离,二、离心分离因子,三、构造及操作原理,旋风分离器,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,18/45,3-2沉降分离,四、旋风分离器的性能,临界直径条件：,假设：1)假设气体速度恒定，且等于进口气速ui；2)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；3)假设颗粒沉降服从斯托克斯公式。,影响因素：设备类型及尺寸、操作温度及流速、颗粒密度,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,19/45,3-2沉降分离,分离效率,总效率,分效率（粒级效率）,分割直径d50,对标准旋风分离器,粒级效率曲线,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,20/45,3-2沉降分离,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,21/45,3-2沉降分离,旋风分离器的阻力损失,旋风分离器的特点：流量大、压头低。(1)气体的膨胀或压缩引起的不可逆机械能损失；(2)消耗于气流旋转的加速度损失；(3)摩擦阻力损失以及各个部位的局部阻力损失等。,阻力系数主要由旋风分离器的结构决定。常用型号的旋风分离器值在5.08.0之间；入口气速，分离效率，但阻力，不经济。压降一般控制在0.52kPa左右(入口气速1525m/s)，采取缩小直径、多台并联的方式满足分离效率与大气量的要求。,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,22/45,3-2沉降分离,五、旋风分离器的结构和形式,改进目的：提高分离效率、降低压强降,采用细而长的器身,减小涡流的影响,采用带有旁路分离室或采用异形进气管的旋风分离器可以改善上涡流的影响,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,23/45,3-3过滤,3-3-1过滤操作的基本概念,一、过滤方式,推动力：重力、压力差、惯性离心力,饼层过滤：架桥现象滤饼过滤,深床过滤：不形成滤饼，颗粒沉积于较厚的床层内部,过滤的两种方式,特性：多孔性介质要求：耐腐蚀、耐热、足够的机械强度。织物介质：最小直径为565m；堆积介质：深床过滤多孔性固体介质：如素瓷板或管、烧结金属等;能拦截直径为13m的小颗粒。,二、过滤介质：,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,24/45,3-3过滤,三、滤饼的压缩性和助滤剂,可压缩滤饼不可压缩滤饼助滤剂：要求：刚性颗粒；化学稳定性；不可压缩性常用：不可压缩的粉状或纤维状固体如硅藻土、纤维粉末、活性炭、石棉。使用：可预涂，也可以混入待滤的滤浆中一起过滤。,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,25/45,3-3过滤,3-3-2过滤基本方程式,一、滤液通过饼层的流动,床层的简化物理模型,颗粒床层中不规则的通道长度le平行细管原则：流通截面积=床层自由截面积、细管表面积=床层表面积,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,26/45,3-3过滤,对并联管路：,固定床流动摩擦系数,床层雷诺数,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,27/45,3-3过滤,K康采尼常数，=5.0,康采尼（Kozeny）方程,与管内Re关系不同的是，Reb的变化是一条连续光滑曲线，说明流体在颗粒床层中由滞流到湍流是渐变过程，这反映了颗粒床层对流体速度分布的均化作用。,欧根(Ergun)方程,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,28/45,3-3过滤,Reb2.8(Rep280,过滤Reb2，采用Kozeny方程进行描述，K值可取为5,二、过滤速率,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,29/45,3-3过滤,三、滤饼的阻力,比阻：,滤饼阻力：,四、过滤介质的阻力,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,30/45,3-3过滤,五、过滤基本方程式,：获得单位体积滤液时，被截留在过滤介质上的滤饼体积为（m3滤饼/m3滤液）,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,31/45,3-3过滤,3-3-3恒压过滤,恒定压强差:,V,L,过滤速率逐渐变小。对一定的悬浮液，K可视为常数。则:,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,32/45,3-3过滤,3-3-4恒速过滤和先恒速后恒压过滤,特点：过滤速率为常数，K不为常数,一、恒速过滤,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,33/45,3-3过滤,二、先恒速后恒压过滤,恒速过滤的时间为R，得滤液VR，恒速结束的压差为PR。,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,34/45,3-3过滤,3-3-5过滤常数的测定,一、恒压下K、qe、e的测定,斜率K,截距qe,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,35/45,3-3过滤,二、压缩性指数s的测定,3-3-6滤饼的洗涤,特点：洗涤推动力、阻力不变，洗涤速度为常数,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,36/45,3-3过滤,洗涤时间w,洗涤速度与过滤终了速度的关系,推动力相等,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,37/45,3-3过滤,3-3-7过滤设备,一、板框过滤机,结构:,滤框、滤板（洗涤板、过滤板）,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,38/45,3-3过滤,操作特点,生产能力,其中：,洗涤速率操作条件与过滤终了相同，则：,间隙操作，操作循环：过滤、洗涤、卸渣、整理重装构成,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,39/45,3-3过滤,二、叶滤机,三、转筒真空过滤机,结构,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）。,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,40/45,3-3过滤,操作特点,连续操作，过滤、洗涤、吹松、刮渣等构成。置换洗涤：Lw=L,生产能力Q：,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,41/45,3-3过滤,例.在3105Pa的压强差下对钛白粉在水中的悬浮液进行过滤实验，测得过滤常数K=5105m2/S、qe=0.01m3/m2，又测得滤饼体积和滤液体积之比为v=0.08。现拟用有38个框的BMY50/810-25型的板框压滤机处理该料浆，过滤的推动力及滤布与实验相同。求：1）过滤至框内全部充满滤饼所需要的时间；2）过滤完毕，用0.1倍滤液量的清水进行洗涤。洗涤时间是多少；3）若每次卸渣、重装等全部辅助操作时间为15min，以滤饼计的每台过滤机的生产能力是多少。,解：1）过滤时间,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,42/45,3-3过滤,材料与化学工程系化学工程教研室,化工原理非均相物系的分离和固体流态化,43/45,复习,1.基本概念,颗粒特性（体积、表面积、比表面积、形状系数）、颗粒群的性质（筛分分析、分布函数、密度函数、平均直径、密度）、床层特性（空隙率、比表面积、各向同性）、沉降操作（重力沉降、离心沉降；自由沉降、干扰沉降；沉降速度及影响因素）；离心分离因素；旋风分离器的临界直径及影响因素降、分离效率、压降；尘室的特点；过滤基本概念，过滤基本方程、比阻、过滤速率、恒压过滤、恒速过滤、先恒速后恒压过滤；滤饼洗涤、洗涤速率；