第三章机械分离专业课堂

1、化工原理胡福田 tel：e-mail: hftian2002 163. com 第三章第三章 机械分离与固体流态化机械分离与固体流态化1.1.本章学习目的本章学习目的 重点掌握沉降和过滤这两种机械分离操作的原理、重点掌握沉降和过滤这两种机械分离操作的原理、过程计算、典型设备的结构与特性，能够根据生产工过程计算、典型设备的结构与特性，能够根据生产工艺要求，合理选择设备类型和尺寸。艺要求，合理选择设备类型和尺寸。2.2.本章应掌握的内容本章应掌握的内容 a a 沉降分离（包括重力沉降和离心沉降）的原理、沉降分离（包括重力沉降和离心沉降）的原理、过程计算、分离器的选型。过程

2、计算、分离器的选型。 b b 过滤操作的原理、过滤基本方程式推导的思路，过滤操作的原理、过滤基本方程式推导的思路，恒压过滤的计算、过滤常数的测定。恒压过滤的计算、过滤常数的测定。第一节、筛分第一节、筛分第二节、沉降分离第二节、沉降分离第三节、过滤第三节、过滤第四节、固体流态化第四节、固体流态化第三章第三章 机械分离与固体流态化机械分离与固体流态化第一节第一节 筛筛 分分1.1 颗粒特性颗粒特性球形颗粒球形颗粒：直径直径 表面积表面积 体积体积 比表面积比表面积非球形颗粒非球形颗粒： 形状因数形状因数 体积当量直径体积当量直径 比表面积比表面积pdvaa663pdv2pdapd颗粒的表面积表面积

3、与颗粒体积相等的球的evdevda6第一节第一节 筛筛 分分1.2 颗粒群特性颗粒群特性粒度（尺寸）分布粒度（尺寸）分布：某一粒度范围的颗：某一粒度范围的颗粒的质量分数随粒度的变化关系粒的质量分数随粒度的变化关系平均直径：平均直径：当量长度平均直径、当量长度平均直径、当量表面积平均直径、当量体积当量表面积平均直径、当量体积平均直径平均直径第一节第一节 筛筛 分分1.3 筛分筛分筛分原理筛分原理：目目是每英寸长度筛网上的是每英寸长度筛网上的孔数孔数 筛分时筛分时,将几个筛子按筛孔从大到小的次序将几个筛子按筛孔从大到小的次序自上而下叠置自上而下叠置,样品加于顶端的筛子样品加于顶端的筛子,振动一振动

4、一定时间定时间.通过筛孔的物料为通过筛孔的物料为筛过物筛过物 ,未通过未通过的为的为筛留物筛留物。第一节第一节 筛筛 分分1.3 筛分筛分筛的有效性与生产能力筛的有效性与生产能力分割直径分割直径dc:比分割直径小的颗粒的通过率与比分割直径比分割直径小的颗粒的通过率与比分割直径大的颗粒的截留率的乘积称为筛的大的颗粒的截留率的乘积称为筛的有效性有效性.单位时间能够加到单位面积筛表面上的物料单位时间能够加到单位面积筛表面上的物料质量称为筛的质量称为筛的生产能力生产能力.第二节第二节 沉降分离沉降分离一、重力沉降一、重力沉降二、离心沉降二、离心沉降沉降分离沉降分离：利用非均相混合物在重力场：利用非均相

5、混合物在重力场或离心力场中或离心力场中,由各成分受力不同而加由各成分受力不同而加以分离的方法以分离的方法.一、重力沉降一、重力沉降1.1 重力沉降原理重力沉降原理自由沉降自由沉降:单个颗粒在无限大流体中的降单个颗粒在无限大流体中的降落过程落过程自由沉降速度自由沉降速度：开始时：开始时,颗粒降落速度为颗粒降落速度为零零,阻力为零阻力为零,加速下降加速下降;速度增加速度增加,阻力增阻力增大直到与净重力相等大直到与净重力相等,加速度为零加速度为零,此后等此后等速下降速下降.一、重力沉降一、重力沉降1.1 重力沉降原理重力沉降原理自由沉降速度大小自由沉降速度大小：3)(40gdus一、重力沉降一、重力

6、沉降2re018)(20gdus500re206 . 000re)(269. 0gdus50102re500gdus)(74. 101.2 重力沉降速度计算公式重力沉降速度计算公式一、重力沉降一、重力沉降1.3 重力沉降速度计算方法重力沉降速度计算方法试差法试差法一、重力沉降一、重力沉降1.4 重力沉降分离设备重力沉降分离设备降沉室设备降沉室设备颗粒沉降被除去的条件：颗粒沉降被除去的条件：0uhul一、重力沉降一、重力沉降0)(18agvdssm完全被分离出的最小颗粒直径：完全被分离出的最小颗粒直径：最大处理量：最大处理量：000uablubhuvs二、离心沉降二、离心沉降2.1离心沉降原理离

7、心沉降原理2.2离心沉降速度离心沉降速度rudutsr3)(42二、离心沉降二、离心沉降2.3离心沉降分离设备离心沉降分离设备旋风分离器：结构、主要性能旋风分离器：结构、主要性能临界直径、分离效率临界直径、分离效率第三节第三节 过过 滤滤3.1 概述概述 深层过滤、深层过滤、滤饼过滤滤饼过滤过滤介质、滤饼的可压缩性、助滤过滤介质、滤饼的可压缩性、助滤剂剂3.2 过滤设备过滤设备 压滤机结构压滤机结构悬浮液从框右上角进入滤框，固体颗粒被截留在框内形成悬浮液从框右上角进入滤框，固体颗粒被截留在框内形成滤饼，滤液穿过滤饼和滤布到达两侧的板，经板面从板的滤饼，滤液穿过滤饼和滤布到达两侧的板，经板面从板

8、的左下角旋塞排出。洗液从洗板左上角进入，依次穿过滤布、左下角旋塞排出。洗液从洗板左上角进入，依次穿过滤布、滤饼、滤布，到达非洗涤板，从其下角的旋塞排出。滤饼、滤布，到达非洗涤板，从其下角的旋塞排出。非洗涤板编号为非洗涤板编号为1、框为、框为2、洗涤板为、洗涤板为3，则板框的组合方，则板框的组合方式服从式服从1232123之规律之规律 第三节第三节 过过 滤滤3.3 过滤的基本理论过滤的基本理论 过滤速度：过滤速度：ddqaddvu第三节第三节 过过 滤滤3.3 过滤的基本理论过滤的基本理论 床层的简化床层的简化物理模型物理模型: : 表面积相等；空隙体积相等表面积相等；空隙体积相等 14ade

9、uu 1第三节第三节 过过 滤滤3.4 过滤基本方程式及其推导过滤基本方程式及其推导 rlplpakaddvu112203)1 (2：滤饼的比阻r第三节第三节 过过 滤滤3.4 过滤基本方程式及其推导过滤基本方程式及其推导 )()(21eeevvrcpallrprlprlpaddvusprr0crpks012)(22evvkaddv过滤常数、evk第三节第三节 过过 滤滤3.5 恒压过滤方程式恒压过滤方程式 222kavvve22kav忽略介质阻力：第三节第三节 过过 滤滤3.6 过滤常数测定过滤常数测定 222kavvvekqqqe 22kqqkqe21第三节第三节 过过 滤滤3.6 过滤常

10、数过滤常数 测定测定 crpks012sbpsklg)1 (lg第三节第三节 过过 滤滤3.7 滤饼洗涤滤饼洗涤 洗涤速率：alladdvddvwwwew洗涤速率是过滤终点过滤速率的1/4第三节第三节 过过 滤滤3.8 生产能力 间歇过滤机rwvq最大生产能力条件wr第三节第三节 过过 滤滤3.8 生产能力 连续过滤机nkavqc思考题思考题1.1.板框过滤机恒压过滤某悬浮液，一个操作周期的滤液板框过滤机恒压过滤某悬浮液，一个操作周期的滤液6 6m m3 3，其中过滤需时其中过滤需时3030minmin，洗涤及拆装等共用去洗涤及拆装等共用去4040minmin，设滤饼不可压缩，介质阻力忽略不计

11、。试求：设滤饼不可压缩，介质阻力忽略不计。试求：（1 1） 该机的生产能力；该机的生产能力；（2 2） 仅将操作压力加倍，而过滤时间、辅助时间等其仅将操作压力加倍，而过滤时间、辅助时间等其他条件都不变，该机生产能力将提高多少？他条件都不变，该机生产能力将提高多少？（3 3） 若改用真空转筒过滤机，该机旋转一周可得若改用真空转筒过滤机，该机旋转一周可得0.04280.0428m m3 3滤液，该机转速为多少方能维持生产能力与（滤液，该机转速为多少方能维持生产能力与（1 1）相同？相同？思考题思考题解（解（1 1）= 30/60 h = 30/60 h ，w w+d d= 40/60 h = 40

12、/60 h ，v = 6mv = 6m3 3 q = v / q = v /（+w w+d d）= 6= 660/60/（30+4030+40）= 5.14 = 5.14 m m3 3/h/h（2 2） k = 2k k = 2kp p1 - s1 - s= 2k= 2kp p ，v v2 2 = ka = ka2 2= = 2k2kpapa2 2 （v v2 2/v/v1 1）2 2= 2 = 2 ，v v2 2 = v = v1 12 = 62 = 62 = 8.49 m2 = 8.49 m3 3生产能力提高：（生产能力提高：（8.49-68.49-6）/6 = 41.5%/6 = 41.

13、5%（3 3）设转速为）设转速为n n（r/minr/min），），生产能力为生产能力为q q则有：则有：q q= 0.0428= 0.04286060n = 5.14n = 5.14故：故： n = 5.14/n = 5.14/（0.04280.04286060） = 2 r/min = 2 r/min思考题思考题2. 2. 用板框过滤机恒压下过滤某种悬浮液，过滤机的尺寸用板框过滤机恒压下过滤某种悬浮液，过滤机的尺寸为：滤框的边长为为：滤框的边长为810810mm(mm(正方形正方形) )，每框厚度为，每框厚度为4242mmmm，共共1010个框。现已测得：过滤个框。现已测得：过滤1010分

14、钟得到滤液分钟得到滤液1.311.31m m3 3, ,再过滤再过滤1010分钟共得到滤液分钟共得到滤液1.9051.905m m3 3, ,已知每已知每m m3 3滤液可形成滤液可形成0.10.1m m3 3的的滤饼，试计算：滤饼，试计算：（1 1）过滤常数）过滤常数k k为多少为多少m m2 2/s?/s?（2 2）将滤框完全充满滤饼所需的过滤时间为多少分钟将滤框完全充满滤饼所需的过滤时间为多少分钟 ? ?（3 3） 若洗涤时间和辅助时间共若洗涤时间和辅助时间共4545分钟，求该机生产能分钟，求该机生产能力为多少力为多少m m3 3滤液滤液/ /h ?h ?思考题思考题(1)(1)过滤面积

15、过滤面积a=0.81a=0.812 22 210=13.12m10=13.12m2 2根据恒压过滤速率方程根据恒压过滤速率方程: :v v2 2+2vv+2vve e=ka=ka2 2将将=10min,v=1.31m=10min,v=1.31m3 3;=20min,v=1.905m;=20min,v=1.905m3 3代入上式解代入上式解出出: :k=2.01k=2.011010-5-5m m2 2/s v/s ve e=0.1376m=0.1376m3 3/s/s(2)(2)滤框充满时所得滤饼体积滤框充满时所得滤饼体积: :v v饼饼=0.81=0.812 20.0420.04210=0.2

16、75610=0.2756m m3 3滤框充满时所得滤液体积滤框充满时所得滤液体积: :v=vv=v饼饼/ /=0.2756/0.1=2.756m=0.2756/0.1=2.756m3 3=(v=(v2 2+2vv+2vve e) )2 2/ka/ka2 2(3)(3)生产能力生产能力 min40601001. 212.131376. 0756. 22756. 2522hmvqw3945. 160/ )4540(756. 2思考题思考题hmvqhddvvhmddvddvhmvvkaddvhmvvvkakavvvmvmvmvdwwwweweeeewe滤液已知33326222223336 .3060

17、2063. 0160) 3(63. 097. 75)(97. 7)(41)(2(875.31)460(24080)(2)(4080146026022) 1 (5,4min,20,60思考题思考题3. 有一板框过滤机，恒压下过滤某种悬浮液，过滤1h后，得到滤液60m3,然后用5m3的清水（物性与滤液相近）进行洗涤，拆装时间为20min，已测得ve=4m3,试求：（1）过滤末速率为多少m3滤液/h ?（2） 洗涤时间为多少h ?（3）该机生产能力为多少m3滤液/h ?第四节第四节 固体流态化固体流态化一、一、流态化的基本概念流态化的基本概念1.11.1流态化现象流态化现象 固定床阶段固定床阶段：当

18、流体通过床层的空塔速度较低时，颗粒所受的曳力当流体通过床层的空塔速度较低时，颗粒所受的曳力较小，能够保持静止状态，流体只能穿过静止颗粒之较小，能够保持静止状态，流体只能穿过静止颗粒之间的空隙而流动，这种床层称为固定床。间的空隙而流动，这种床层称为固定床。 01uu 小于第四节第四节 固体流态化固体流态化一、一、流态化的基本概念流态化的基本概念1.11.1流态化现象流态化现象 流化床阶段流化床阶段 ：（1）临界流化状态：当流体空塔速度临界流化状态：当流体空塔速度增大到增大到颗粒床层开颗粒床层开始松动，床层略有膨胀，但颗粒仍不能自由运动，床层的始松动，床层略有膨胀，但颗粒仍不能自由运动，床层的这种

19、情况称为初始流化或临界流化这种情况称为初始流化或临界流化。（2）流化床：当）流化床：当u1u0颗粒间流体的实际速度等于颗粒颗粒间流体的实际速度等于颗粒的沉降速度时，床层开始膨胀、增高，空隙率也随之增大的沉降速度时，床层开始膨胀、增高，空隙率也随之增大，此时颗粒与流体之间的摩擦力恰好与其净重力相平衡。，此时颗粒与流体之间的摩擦力恰好与其净重力相平衡。第四节第四节 固体流态化固体流态化一、一、流态化的基本概念流态化的基本概念1.11.1流态化现象流态化现象 颗粒输送阶段颗粒输送阶段若流速再升高达到某一极限时（若流速再升高达到某一极限时（u1u0），），流化床的上流化床的上界面消失，颗粒分散悬浮于气

20、流中，并不断被气流带走，界面消失，颗粒分散悬浮于气流中，并不断被气流带走，这种床层称为稀相输送床，颗粒开始被带出的速度称为带这种床层称为稀相输送床，颗粒开始被带出的速度称为带出速度，其数值等于颗粒在该流体中的沉降速度。出速度，其数值等于颗粒在该流体中的沉降速度。第四节第四节 固体流态化固体流态化一、一、流态化的基本概念流态化的基本概念1.21.2两种不同流化形式两种不同流化形式 散式流化（均匀流化）：固体颗粒均匀的分散在流化介质散式流化（均匀流化）：固体颗粒均匀的分散在流化介质中中 聚式流化：对于密度差较大的系统（气聚式流化：对于密度差较大的系统（气固），一般趋固），一般趋向于形成聚式流化。超

21、过流化所需最小气量的那部分气体向于形成聚式流化。超过流化所需最小气量的那部分气体以气泡形式通过颗粒层上升至床层上界面即破裂，并可能以气泡形式通过颗粒层上升至床层上界面即破裂，并可能夹带部分固体物质。夹带部分固体物质。 第四节第四节 固体流态化固体流态化二、二、流化床的压强流化床的压强特点：特点：1、在固定床区域和流化床区域间有一在固定床区域和流化床区域间有一“驼峰驼峰”。这这是因为固定床的颗粒间相互挤压，需要较大的推动是因为固定床的颗粒间相互挤压，需要较大的推动力才能使床层松动，直至颗粒达到悬浮状态时，压力才能使床层松动，直至颗粒达到悬浮状态时，压降便从降便从“驼峰驼峰”段降到水平段，此后降基

22、本不随气段降到水平段，此后降基本不随气速而变，最初的床层愈紧密，速而变，最初的床层愈紧密，“驼峰驼峰”段越陡峭。段越陡峭。2、流化阶段的压降略向上倾斜。、流化阶段的压降略向上倾斜。这是由于气体通过这是由于气体通过床层时的压强降除绝大部分用于平衡床层颗粒的重床层时的压强降除绝大部分用于平衡床层颗粒的重力外，还有很少一部分能量消耗于颗粒之间的碰撞力外，还有很少一部分能量消耗于颗粒之间的碰撞及颗粒容器壁之间的摩擦。及颗粒容器壁之间的摩擦。 第四节第四节 固体流态化固体流态化三、三、流化床的操作流速范围流化床的操作流速范围1.临界流化速度临界流化速度测定流化床回到固定床的一系列压降与气体流速的对应数测定流化床回到固定床的一系列压降与气体流速的对应数值，标绘在对数坐标纸上得到流化速度值，标绘在对数坐标纸上得到流化速度 2.带出速度带出速度 颗粒的带出速度即为颗粒的沉降速度。计算时以最小颗粒的带出速度即为颗粒的沉降速度。计算时以最小颗粒直径计算。颗粒直径计算。要使固体颗粒床层在流化状态下操作，必须使气速高于临要使固体颗粒床层在流化状态下操作，必须使气速高于临界气界气速速，而最大气速又不得超过颗粒带出速度。