第三章机械分离和固体流态化.ppt

第三章,非均相物系的分离和固体流态化,3.2颗粒及颗粒床层的特性,3.3沉降分离,3.4过滤,3.5离心机,3.6固体流态化,本章主要内容,3.1概述,混合物的分类,混合物,均相混合物（均相物系）,非均相混合物（非均相物系）,物系内部各处组成均匀且不存在相界面,下册介绍,由具有不同物理性质（如尺寸、密度差别）的分散物质（分散相）和连续介质（连续相）所组成,气态非均相物系,液态非均相物系,本章介绍,非均相混合物的分离方法,机械方法,沉降分离,过滤,：颗粒相对于流体运动,重力,离心力,：流体相对于颗粒床层运动,重力,离心力,压强差,非均相混合物的分离目的,1、收集分散物质,2、净化分散介质,3、环境保护和安全生产,：如回收有用的固体颗粒作为产品,：除去有害杂质,：用于处理排放的废气,3.2颗粒及颗粒床层特性,3.2.1颗粒的特性,表述颗粒特性的主要参数为颗粒的形状、大小（体积）和表面积,1、单一颗粒特性,2、颗粒群的特性,球形颗粒,非球形颗粒,颗粒的平均粒径,粒度分布,球形颗粒,球形颗粒的形状为球形，其尺寸由直径d来确定，其它有关参数均可表示为直径d的函数,非球形颗粒,（1）体积当量直径,（2）形状系数,对非球形颗粒，总有S1，颗粒的形状越接近球形，S越接近1；对球形颗粒，S1。,粒度分布,粒度分布：不同粒径范围内所含粒子的个数或质量称为粒度分布,测量方法：筛分法、显微镜法、沉降法、电感应法、激光衍射、动态光散射法等,筛分法：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。,操作：筛分时，筛面上有筛孔，尺寸小于筛孔尺寸的物料通过筛孔，称为筛下产品，其质量称为筛过量；尺寸大于筛孔尺寸的物料被截留在筛面上，称为筛上产品，其质量称为筛余量。若用n层筛面，可得n+1种产品。,颗粒的平均粒径,颗粒平均粒径的计算方法最常用的是平均比表面积直径,设有一批大小不等的球形颗粒，其总质量为G，经筛分分析得到相邻两号筛之间的颗粒质量为Gi，筛分直径为di。根据比表面积相等原则，颗粒的平均比表面积直径可写为,或,颗粒群的平均直径，m,粒径段内颗粒的质量分数,筛分直径,m,3.2.2颗粒床层的特性,1.床层的空隙率,床层的空隙率,一般乱堆床层的空隙率大致在0.470.70,2.床层的比表面积,指单位床层体积具有的颗粒表面积（即颗粒与流体接触的表面积）,若忽略颗粒之间接触面积的影响，则aba(1-),床层比表面积也可根据堆积密度估算，即,、,分别是堆积密度和真实密度，kg/m3,，,3.床层的自由截面积,指床层截面上未被颗粒占据的、流体可以自由通过的面积,工业上，小颗粒的床层用乱堆方法堆成，乱堆床层可认为是各向同性的。各向同性床层的重要特性之一是其自由截面积与床层截面积之比在数值上与床层空隙率相等。,3.2.3流体通过床层流动的压降,1床层的简化模型,简化模型是将床层中不规则的通道假设成长度为L，当量直径为的一组平行细管，并且规定：,（1）细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积；（2）细管的内表面积等于颗粒床层的全部表面积。,在上述简化条件下，以1m3床层体积为基准，细管的当量直径可表示为床层空隙率及比表面积ab的函数，即：,2流体通过床层压降的数学描述,流体通过一组平行细管流动的压降为：,u1与按整个床层截面计算的空床流速u的关系为,整理得：,式中的,为流体通过床层流道的摩擦系数，称为模型参数，其值由实验测定。,3模型参数的实验测定,模型的有效性需通过实验检验，模型参数需实验测定,（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的滞流情况下,（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,其实验范围为Reb0.17330,当Reb3时，式右边第二项可忽略；当Reb100时，右边第一项可略去。,3.3沉降分离,沉降运动发生的条件：固体颗粒与流体之间存在密度差，同时有外力场存在。,3.3.1重力沉降,1）球形颗粒的自由沉降,1沉降速度,若颗粒的密度为,直径为d,流体的密度为,对颗粒进行受力分析：,沉降速度,加速段,等速段,匀速阶段中颗粒相对于流体的运动速度,为沉降速度,当a=0时，u=,则,2）阻力系数,用上式计算沉降速度时，首先需要确定阻力系数值。根据因次分析，是颗粒与流体相对运动时雷诺准数Ret的函数，由实验测得的综合结果见图p1453-2。图中，s为球形度，Ret为雷诺准数,从图中可以看出，对球形颗粒（s1），曲线按Ret值大致分为三个区域，各区域内的曲线可分别用相应的关系式表达如下：,层流区,层流区,过渡区,3）影响沉降的因素,由于壁面效应，实际沉降速度小于自由沉降速度。,流体的黏度,颗粒的体积分数,壁面效应,球形度越小，沉降速度越小；,颗粒形状的影响,4）沉降速度的计算,在给定介质中颗粒的沉降速度可采用以下计算方法：,（1）试差法,假设流型,计算,检验是否在原假设的流型区域内,Y,N,有效,（2）摩擦数群法,又,两式相乘,再令,计算ut时，可先将已知数据代入式3-35求出,值，再由图3-3的,Ret曲线查出Ret，最后由Ret反求,，即,4）沉降速度的计算,（3）用量纲为1的数群K值判别流型,斯托克斯定律区，Ret1，则K2.62,牛顿定律区,则K69.1,艾伦定律区，,则2.62K69.1,2重力沉降设备,1）降尘室,则表明，该颗粒能在降尘室中除去。,则表明，该颗粒刚好能完全除去。,（1）单层降尘室,2重力沉降设备,（2）多层降尘室,理论上降尘室的生产能力只与其沉降面积bl及颗粒的沉降速度ut有关，而与降尘室高度H无关。所以降尘室一般设计成扁平形，或在室内均匀设置多层水平隔板，构成多层降尘室,多层降尘室的生产能力为,2重力沉降设备,2）增稠器（沉降槽）,对照重力场,离心加速度ac=R2=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,3.3.2离心沉降,Rep=dput/1或2层流区,分离因数是离心分离设备的重要指标,标准旋风分离器的构造操作原理,2旋风分离器的操作原理,结构简单，造价低廉，没有活动部件，可用多种材料制造，操作范围广，分离效率较高。,旋风分离器的优点,评价旋风分离器性能的两个主要指标：,3、旋风分离器的性能：,4、旋风分离器的结构形式与选用,近年来，为提高分离效率或降低压降，在旋风分离器的结构设计中，主要从以下几个方面进行改进：,采用细而长的器身,减小上涡流的影响,消除下旋流影响,排气管和灰斗尺寸的合理设计,PV型粗旋风分离器,PV型外置旋风分离器,PV型单级旋风分离器,PV型一、二级旋风分离器,5、旋液分离器,旋液分离器的结构特点是直径小而圆锥部分长,旋液分离器不仅可用于悬浮液的增浓、分级，而且还可用于不互溶液体的分离、气液分离以及传热、传质和雾化等操作中，因而广泛应用于多种工业领域中。,结构：,应用：,3.4过滤,3.4.1过滤操作的基本概念,1过滤方式,饼层过滤,深床过滤,本节介绍,推动力：重力、压力、离心力,2过滤介质,3.4.1过滤操作的基本概念,（1）对过滤介质的性能要求,过滤介质起着支撑滤饼的作用，对其基本要求是具有足够的机强度和尽可能小的流动阻力，同时，还应具有相应的耐腐蚀性和耐热性。,（2）工业上常用的过滤介质的种类,织物介质(又称滤布),堆积介质,多孔固体介质,3.4.1过滤操作的基本概念,3滤饼的压缩性和助滤剂,滤饼,可压缩滤饼,不可压缩滤饼,助滤剂,能形成多孔饼层的刚性颗粒,有化学稳定性,要求,1）滤液通过滤饼层流动的特点：,液通道细小曲折，形成不规则的网状结构,流动阻力逐渐加大，属非稳态操作。,3.4.2过滤基本方程式,1滤液通过饼层的流动,滤液的流动大都在层流区,1滤液通过饼层的流动,2）滤液通过饼层流动的数学描述,滤液通过滤饼层的流动，与在普通管内的流动相仿，可以简化成长度为L的一组平行细管。,康采尼公式描述,2过滤速率和过滤速度,过滤速度：,过滤速率：,3滤饼的阻力,反映了颗粒及颗粒床层的特性，其值随物料而不同。,令,滤饼阻力R=rL,4过滤介质的阻力,通常把过滤介质的阻力视为常数，可以仿照写出滤液穿过过滤介质层的速度关系式,通常，滤饼与滤布的面积相同，所以两层中的过滤速度应相等，则,假设过滤介质对滤液流动的阻力相当于厚度为,的滤饼层的阻力，即,5过滤基本方程式,过滤过程中，饼厚L难以直接测定，而滤液体V则易于测量，故用V来计算过滤速度更为方便。,若每获得1m3滤液所形成的滤饼体积为m3，则任一瞬间的滤饼厚度与当时已经获得的滤液体积之间的关系为,LA=V,3.4.3恒压过滤,恒压过滤：过滤操作是在恒定压力差下进行,令,过滤时间,滤液体积,过滤时间,滤液体积,3.4.4恒速过滤与先恒速后恒压过滤,1恒速过滤,1、正位移泵2、支路阀3、压滤机,当用排量固定的正位移泵向过滤机供料，并且支路阀处于关闭状态时，过滤速率便是恒定的。,恒速过滤时的过滤速度为：,，,不可压缩滤饼,3.4.4恒速过滤与先恒速后恒压过滤,2先恒速后恒压过滤,恒压阶段,恒压阶段的过滤方程,3.4.5过滤常数的确定,1恒压下过滤常数,求出压缩指数s,K、,、,的测定,2压缩性指数的测定,过滤设备,3.4.6过滤设备,按推动力分,按操作方式分,间歇过滤机,连续过滤机：转筒真空过滤机,板框压滤机,加压叶滤机,1、板框过滤机,3.4.6过滤设备,1060块不等，过滤面积约为280m2,2、加压叶滤机,滤叶,结构：,一个操作循环：,过滤、洗涤、卸渣、整理重装,特点：,生产能力：,操作周期：,思考：V、Ve、A的含义是什么？,与板框机相同,3.4.6过滤设备,过滤、洗涤、吹松、刮渣,3、回转真空过滤机,3.4.6、过滤设备,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,构造：,一个操作循环：,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）,特点：,3.4.7、滤饼的洗涤,特点：洗涤时推动力、阻力不变，洗涤速度为常数。,1、洗涤速度与过滤终了速度间的关系,若推动力相同，则：,3.4.7、滤饼的洗涤,2、洗涤时间w,1、板框过滤机,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：,思考：V、Ve、A的含义是什么？,3.4.8过滤机的生产能力,1、板框过滤机,最佳操作周期：,生产能力最大时的操作周期,其中：,3.4.8过滤机的生产能力,若介质阻力忽略不计，则,(A),3.4.8过滤机的生产能力,代入式(A)得：,-最佳操作周期,当D0；D+w时，dQ/dV0故D+w时，Q有最大值,（=w，介质阻力忽略不计）,故,3.4.8过滤机的生产能力,2、叶滤机,滤叶,结构：,一个操作循环：,过滤、洗涤、卸渣、整理重装,特点：,生产能力：,操作周期：,思考：V、Ve、A的含义是什么？,与板框机相同,3.4.8过滤机的生产能力,对照板框过滤机：,最佳操作周期：,若介质阻力忽略不计，则,3.4.8过滤机的生产能力,（=w，介质阻力忽略不计）,3.4.8过滤机的生产能力,其中：,设转筒浸入面积占全部转筒面积的分率为浸没分数，则,生产能力：,操作周期：,思考：V、Ve、A的含义是什么？,若介质阻力忽略不计，则,3.4.8过滤机的生产能力,3.4.8过滤机的生产能力,离心过滤机分为立式和卧式两种。离心过滤机是一种利用物料在转鼓表面受到的离心力的分力进行过滤的全自动过滤机。离心过滤机生产能力大、适应范围广，适用于分离固相颗粒0.05mm的易过滤悬浮液。,3.5离心机,例1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c=0.08m3/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和生产能力。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。,习题课,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,思考：以5个框为基准，如何求解？,流态化,3.6固体流态化,将大量固体颗粒悬浮于流动的流体中，并在流体作用下使颗粒作翻滚运动，类似于液体的翻腾，故称这种状态为固体流态化。,固体流态化：,3.6.1流态化的基本概念,1.流态化现象,固定床阶段,流化床阶段,颗粒输送床阶段,2.两种不同流化形式,散式流化,聚式流化,3.6.2流化床的主要特征,流化床的主要特征,恒定的压强降,类似于液体的特点,流化床中的两相流动,流化床的不正