机械分离和固体流态化

1、1,第3章 非均相物系的分离和 固体流态化,2,主要内容,3.1 概述 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（自学） 3.6 固体流态化,3,基本要求,掌握单个颗粒、颗粒群、颗粒床层特性的表示方法； 掌握重力沉降和离心沉降的基本原理、沉降速度的定义和基本表示方法； 了解并熟悉降尘室、旋风分离器的结构特点、工作原理及其性能参数； 掌握过滤的基本操作过程、典型的设备，熟练掌握恒压过滤的操作及计算； 了解流化床的主要特征和操作范围； 掌握数学模型法。,4,概述,混合物的分类,无相界面，采用传质方法分离,有相界面，采用机械方法分离：过滤、沉降,悬浮液-固-液混合

2、物 乳浊液-液-液混合物 含尘气体-气-固混合物 含雾气体-气-液混合物,5,概述,非均相物系中处于分散状态的物质。如悬浮液中的固体颗粒。,包围分散质的处于连续状态的流体。如悬浮液中的液体。,非均相物系分离的依据：分散相与连续相之间的物理性质的差异。如密度、颗粒外径等。,非均相物系的分离方法：机械法，使分散质与分散相之间发生相对运动，实现分离。,6,7,概述,非均相混合物分离的目的,回收分散质，如从气固催化反应器的尾气中收集催化剂颗粒； 净化分散介质，如原料气中颗粒杂质的去除以净化反应原料，环保方面烟道气中煤炭粉粒的除去。 环境保护与安全生产,8,3.2.1 颗粒的特性 3.2.2 颗粒床层的

3、特性 3.2.3 流体通过床层流动的压降,3.2 颗粒及颗粒床层的特性,9,1. 单一颗粒的特性,1）球形颗粒,用粒径d（球形颗粒的直径）表示。,m2/m3。,m2,m3,单位体积颗粒具有的表面积,10,1. 单一颗粒的特性,2）非球形颗粒,用当量直径和形状系数表示。,与非球形颗粒体积相等的球形颗粒的直径。,非球形颗粒体积,表示颗粒形状与球形的差异,该颗粒体积相等的圆球的表面积，m2；,颗粒的表面积，m2；,S1,11,1. 单一颗粒的特性,2）非球形颗粒,12,2. 颗粒群的特性,1）粒度分布,不同粒径范围内所含粒子的个数或质量。,可采用泰勒标准筛通过筛分分析得到。,料被截留在筛面上的尺寸大

4、于筛孔尺寸的物料的量,通过筛孔的尺寸小于筛孔尺寸的物料的量,13,2. 颗粒群的特性,2）颗粒的平均粒径,平均比表面积直径，m,i层筛网的筛余量,筛分直径：i-1和i层筛网的平均孔径,颗粒总质量,质量分数,14,3.2 颗粒及颗粒床层的特性,3.2.1 颗粒的特性 3.2.2 颗粒床层的特性,15,1. 床层空隙率e,影响因素： 颗粒大小、形状、粒度分布、充填方式等。 一般非均匀、非球形颗粒的乱堆床层：0.470.7。均匀的球体最松排列时: 0.48，最紧密排列时:0.26。,16,2. 床层的比表面积ab,单位体积床层中具有的颗粒表面积（即颗粒与流体接触的表面积）,ab。,如忽略床层中颗粒间

5、相互重叠的接触面积）：,颗粒的 堆积密度,颗粒的 真实密度,17,3. 床层的自由截面积,定义：床层截面上未被颗粒占据的、流体可以 自由通过的面积,对乱堆床层，各向同性，床层自由截面积与床层截面积之比等于空隙率； 受壁效应影响，壁面附近床层空隙率大于床层内部。改善壁效应的方法通常是限制床层直径与颗粒直径之比不得小于某极限值。若床层的直径比颗粒的直径大得多，则壁效应可忽略。,18,3.2 颗粒及颗粒床层的特性,3.2.1 颗粒的特性 3.2.2 颗粒床层的特性 3.2.3 流体通过床层流动的压降,19,1.床层的简化模型,流体通过颗粒层产生压降的主要原因：,1）粘性摩擦阻力 2）形体阻力,流体通

6、过颗粒层的流动多呈爬流，无边界层脱体现象发生，流动阻力主要为粘性摩擦阻力，由颗粒层内固体表面积大小决定，而颗粒形状并不重要。,20,1.床层的简化模型,(1)细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积； 细管的内表面积等于颗粒床层的全部表面积。 (2)细管长度=床层高度L。,假定（保证单位体积表面积相等）：,流体在固定床内流动的简化模型,21,1.床层的简化模型,床层体积,细管的当量直径：,22,2. 流体通过床层压降的数学描述,压降,真实流速,u1,流体在固定床内流动的简化模型,由质量守恒得：,空床气速 表观速度）,23,2. 流体通过床层压降的数学描述,l,说明：是模型参数，固定床的流动摩擦

7、系数，须由实验检验和测定。,24,3. 模型参数的实验测定,（1）康采尼实验结果：,流速较低，床层雷诺数Reb2时：,康采尼常数K=5,康采尼方程,25,3. 模型参数的实验测定,（2）欧根实验结果：,当Reb0.17330时，,26,Reb1000时，湍流流动，上式右边第一项可忽略。,3. 模型参数的实验测定,（2）欧根实验结果：,27,3.3 沉降分离,3.3.1 重力沉降 3.3.2 离心沉降,28,概述,沉降：悬浮在流体中的固体颗粒借助于外场作用力产生定向运动，从而实现与流体相分离，或者使颗粒相增稠、流体相澄清的一类操作。,主要讨论刚性颗粒的自由沉降。,受其它颗粒或壁面影响,沉降不受影

8、响,重力作用下沉降,离心力作用下沉降,29,1. 沉降速度,图3-1 沉降颗粒的受力情况,颗粒受到三个力,重力,浮力,阻力,阻力系数或曳力系数,30,1. 沉降速度,根据牛顿第二运动定律,分析颗粒运动情况：,加速度最大,阻力,加速度,加速度=0,加速段,匀速段,加速段极短，一般仅考虑匀速段的运动。,31,沉降速度,等速阶段中颗粒相对于流体的运动速度ut称为沉降速度。由于这个速度是加速阶段终了时颗粒相对于流体的速度，故又称为“终端速度”。,1.沉降速度,32,2. 阻力系数,33,2. 阻力系数,34,3. 影响沉降速度的因素,1) 流体的粘度,滞流区,湍流区,过渡区,表面摩擦阻力,形体阻力,3

9、5,3. 影响沉降速度的因素,2)颗粒的体积分数,3)器壁效应,4)颗粒形状,体积分数大，发生干扰沉降，ut。,由于器壁存在，ut，当容器尺寸大于颗粒尺寸100倍以上时，可忽略。,非球形颗粒比等体积球形颗粒沉降速度小，s ，ut，,36,练 习 题 目,思考题,1.描述非球形颗粒的参数有哪些？ 2.颗粒沉降分为哪两个阶段？沉降速度是指哪个阶段的速度？,37,2. 重力沉降设备,38,2. 重力沉降设备,1）降尘室,则表明，该颗粒能在降尘室中除去。,思考1：为什么气体进入降尘室后，流通截面积要扩大？,思考2：为什么降尘室要做成扁平的？,39,思考4：能够被100%除去的最小颗粒粒径dmin=？,

10、40,注意：降尘室内气体流速不应过高，以免将已沉降下来的颗粒重新扬起。根据经验，多数灰尘的分离，可取u3m/s，较易扬起灰尘，可取u1.5m/s。,可见：降尘室的生产能力与底面积、沉降速度有关，而与降尘室的高度无关。因此通常做成扁平状。,多层降尘室,降尘室 生产能力,41,1）降尘室,2. 重力沉降设备,42,2）沉降槽,2. 重力沉降设备,利用颗粒的自然沉降实现分离，但由于分离效果差，一般得到含固体颗粒50的增稠液，所以也叫增稠器。,43,生产能力：一般以澄清液溢出量（清液流量Q0)表示,为了提高沉降槽的生产能力，可以采用向槽内添加絮凝剂的方法。常用的絮凝剂主要有： 无机絮凝剂：石灰、硫酸、

11、明矾、硫酸亚铁、苛性钠、盐酸和氯化锌等； 天然高分子絮凝剂：有淀粉和含淀粉的蛋白质物质，如马铃薯、玉米粉、红薯粉及动物胶等； 合成高分子絮凝剂：有离子和非离子型高分子聚合物，如聚丙烯酰胺、羰基纤维素和聚乙烯基乙醇等。,2）沉降槽,2. 重力沉降设备,44,3.3 沉降分离,3.3.1 重力沉降 3.3.2 离心沉降,45,1. 惯性离心力作用下的沉降速度,惯性离心力,向心力,阻力,对处于离心力场半径为R处的粒子受力分析:,离心加速度ac=2R=uT2/R不是常量; 沉降过程中只有加速段没有匀速段，但在小颗粒沉降时，加速度很小，可近似作为匀速沉降处理。,46,1. 惯性离心力作用下的沉降速度,离

12、心沉降速度,方向：沿半径向外；,随位置而变，不是恒定值。,颗粒实际运动速度在径向上的分量；,对照重力场,离心分离因数,数值约为几千几万,47,1. 惯性离心力作用下的沉降速度,离心沉降时，若颗粒与流体的相对运动处于滞流区(10-4Ret= dur/ 1) ，,48,2. 旋风分离器的操作原理,用途：适用于含颗粒浓度为0.01500g/m3、粒度不小于5m的气体净化与颗粒回收操作，尤其是各种气-固流态化装置的尾气处理。,操作原理：含尘气体切向进入，向下螺旋运动，颗粒抛向气壁，由出灰口排出；气流形成外旋流和内旋流（气芯）由排气管排出。,49,3. 旋风分离器的性能,几点假设： a假设气体速度恒定，

13、且等于进口气速ui； b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； c假设颗粒沉降服从斯托克斯公式。,能够从分离器内100%分离出来的最小颗粒的直径，用dc表示。其满足：,1）临界粒径：,50,3. 旋风分离器的性能,平均旋转半径,有效旋转圈数,51,旋风分离器的进气口宽度,旋风分离器的进口气速,气流的有效旋转圈数,3. 旋风分离器的性能,临界粒径,Ne：与进口气速有关，风速越大，Ne也越大，对常用形式的旋风分离器，风速在1225m/s,一般可取Ne34.5。,52,3. 旋风分离器的性能,旋风分离器的尺寸越小，进口流速越高，能完全除尽的颗粒直径就越小，分离效率越高。 当气体处

14、理量很大时，常将若干小型旋风分离器并联使用，以维持较好的除尘效果。,旋风分离器结构和操作参数对分离效率的影响:,对常见的旋风分离器：,临界粒径是判断旋风分离器分离效率高低的重要依据。临界粒径越小，说明旋风分离器的分离性能越好。,53,3. 旋风分离器的性能,2）分离效率：,二者的关系：,54,pdi 可通过实测旋风分离器进、出气流中所含尘粒的浓度及粒度分布而获得。,粒级效率曲线,粒级效率恰为50%的颗粒直径，称为分割粒径。,分割粒径,3.旋风分离器的性能,55,同一型式且尺寸比例相同的旋风分离器,曲线相同，因此依该曲线估算旋风分离器的效率较为方便。,3.旋风分离器的性能,56,图3-9 标准旋

15、风分离器的,曲线,3.旋风分离器的性能,57,阻力系数： 标准旋风分离器为8,3. 旋风分离器的性能,3）压力降：,越小越好，压力降一般介于5002000Pa。 对于同一结构型式及尺寸比例的旋风分离器为常数，不因尺寸大小而变。 提高入口气速可提高分离效率，但阻力却成平方地增加，不经济。一般控制压降在 0.52kPa 左右（入口气速 1525m/s），而采取缩小直径、多台并联的方式以综合满足分离效率与处理大气量的要求。,58,4. 旋风分离器的结构形式,旋风分离器分类繁多，分类方法也各有不同。 按结构形式可分为：长锥体、圆筒体、扩散式以及旁通式。 我国已定型了多种旋风分离器，制定了标准系列，常用

16、的有CLT、CLT/A、CLP/A、CLP/B 以及 CLK 型等。 对各种型号的旋风分离器一般以圆筒直径 D 来表示其各部分的比例尺寸，详细尺寸及性能指标可查阅有关资料手册。,59,4. 旋风分离器的结构形式,CLP型,A型,B型,旁路,进气口位置降低,细微粒随一小部分气体在顶部旋转聚集形成灰环，被迫进入旁室后由旁路旋转向下并沿壁面落下。 对5m 以上细粉的分离较高。阻力系数一般为 4.8-5.8。,60,4. 旋风分离器的结构形式,有效防止了上升的净化气体重新把粉尘卷起带出，从而提高了除尘效率。 适用于捕集粒度在 5-10m 的干燥的非纤维颗粒粉尘。阻力系数在 7.5-9 之间。,CLK

17、型（倒锥体旋风分离器）,反射屏 (挡灰盘),61,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,62,为长岭炼油化工有限公司制造的旋风分离器在预组装,为九江石油化工厂制造的旋风分离器在预组装,为上海氯碱股份有限公司制造的氧氯化反应旋风分离器在预组装,63,3.4 过滤,3.4.1 过滤操作的基本概念 3.4.2 过滤基本方程式 3.4.3 恒压过滤 3.4.4 恒速过滤与先恒速后恒压过滤 3.4.5 过滤常数的测定 3.4.6 过滤设备 3.4.7 滤饼的洗涤,64,利用重力或压差等使悬浮液通过多孔性过滤介质，将固体颗粒截留在介质上，从而实现固-液

18、分离操作。,概述,滤浆,滤饼,过滤介质,滤液,过滤,65,1. 过滤方式,推动力：重力、压力、离心力,架桥现象,66,2. 过滤介质,织物介质，如棉、麻、丝、毛、合成纤维、金属丝等编织成的滤布，5-65m，工业应用广泛； 堆积介质，细纱、木炭、石棉、硅藻土等细小坚硬的颗粒状物质堆积而成，多用于深床过滤。 多孔性固体介质，如多孔陶瓷，多孔塑料及多孔金属制成的板式管。 1-3m。,多孔性介质、耐腐蚀、耐热并具有足够的机械强度。常用的有：,67,3. 滤饼的压缩性和助滤剂,滤饼的压缩性：,空隙结构易变形的滤饼为可压缩滤饼。,使用时，可预涂，也可以混入待滤的滤浆中一起过滤。 助滤剂能形成结构疏松、而且

19、几乎是不可压缩的滤饼。可改善原滤饼的可压缩性和过于致密的缺点。,助滤剂：,-是颗粒细小、粒度分布范围较窄、坚硬而悬浮性好的颗粒状或纤维固体，如硅藻土、纤维粉末、活性炭、石棉。,68,3.4 过滤,3.4.1 过滤操作的基本概念 3.4.2 过滤基本方程式,69,1. 滤液通过饼层的流动,饼层过滤,1）滤液通过饼层流动的特点,属于流体流经固定床的情况； 滤饼厚度不断增厚，压力不变时，滤液通过速度减小； 颗粒尺寸小，滤液在滤饼层中的流动多处于层流区。,70,2.过滤速率与过滤速度,过滤速度,过滤速率,单位时间通过单位过滤面积的滤液体积，单位为m/s。,单位时间获得的滤液体积，单位为m3/s。,71

20、,3. 滤饼的阻力,滤饼的比阻,反映了颗粒形状、尺寸及床层的空隙率对滤液流动的影响，为单位厚度床层的阻力，单位1/m2。,72,3. 滤饼的阻力,反应滤饼的影响，与滤饼层的性质及L有关，单位为1/m 。,滤饼的阻力,73,4.过滤介质的阻力,仿照滤液穿过滤饼层的速度关系式：,过滤介质阻力, 1/m,可以写出滤液穿过过滤介质的速度关系式：,滤液通过过滤介质的压力降,74,假设过滤介质对滤液流动的阻力相当于厚度为Le的滤饼层的阻力，即,将过滤介质与滤饼联合起来考虑,则,当量滤饼厚度虚拟滤饼厚度,4.过滤介质的阻力,一定操作条件下，以一定介质过滤一定悬浮液时，Le为定值；但同一介质在过滤不同悬浮液的

21、操作中，Le值不同。,75,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L与当时已经获得的滤液体积V之间的关系应为,滤饼体积与相应的滤液体积之比，m3/m3,5.过滤基本方程式,同理有,过滤介质的当量滤液体积， 虚拟滤液体积,所以,76,考虑到滤饼的压缩性，通常可借用下面的经验公式来粗略估算压强差增大时比阻的变化，即,滤饼的压缩性指数，量纲为1,一般情况下，s=01。对于不可压缩滤饼，s=0。几种典型物料的压缩性指数值，列于表35中。,5.过滤基本方程式,77,5. 过滤基本方程式,过滤基本方程式,积分的边界条件与过滤方式有关。,78,恒压过滤,压力p恒定，滤饼层增厚，

22、过滤速率变小。,对于一定的悬浮液，k可视为常数。,令,物料特性常数,79,恒压过滤时，压强差p不变，k、A、s都是常数。再令,K是由物料特性及过滤压强差所决定的常数，单位为m2/s。,恒压过滤,80,令,则有,单位过滤面积所得滤液体积,单位过滤面积所得当量滤液体积,积分，得到,恒压过滤方程式,恒压过滤,81,当过滤介质阻力可以忽略时，则,恒压过滤方程式,恒压过滤,82,过滤常数,介质常数,由实验测定,恒压过滤,83,3.4 过滤,3.4.1 过滤操作的基本概念 3.4.2 过滤基本方程式 3.4.3 恒压过滤 3.4.4 恒速过滤与先恒速后恒压过滤（自 学） 3.4.5 过滤常数的测定,84,

23、1. 恒压下K、qe、qe的测定,令：,对过滤方程进行微分,微分用增量代替,85,2、压缩性指数s的测定,86,3.4 过滤,3.4.1 过滤操作的基本概念 3.4.2 过滤基本方程式 3.4.3 恒压过滤 3.4.4 恒速过滤与先恒速后恒压过滤 3.4.5 过滤常数的测定 3.4.6 过滤设备,87,概述,转筒真空过滤机等；,如板框压滤机、叶滤机、,各种离心机等；,88,图5-4 板框压滤机组装示意图 1 固定头；2滤板；3滤框 4滤布；5压紧装置,1. 板框压滤机,结构：滤框、滤框两侧的滤布、滤板,1060块不等， 过滤面积约为280m2,89,特点： 间歇式 横穿洗涤法： Lw=2L,1

24、. 板框压滤机,一个操作循环： 过滤、洗涤、卸渣、整理重装,90,说明,(2)主要优缺点：,优点：结构简单紧凑，过滤面积大、可承受高压。 缺点：间歇式操作，所费的装、折、清洗时间较长， 劳动强度大，生产效率较低。 应用：含固量较多的悬浮液过滤。,(1) 滤板和滤框可为铸铁、碳钢、不锈钢、塑料及木材等，聚乙烯和聚丙烯是目前较为广泛使用的材料。 常用规格的板框其厚度为2560mm,边框长为0.22.0m，框数由生产所需定，由数个至上百个不等。 板框压滤机的操作压强一般在0.31.0Mpa之间。,1. 板框压滤机,91,嵌入式滤布的滤板,XASL /630-UB系列,XAZ /2000-UB系列,X

25、AZ /800-UB系,92,DY-Q 带式压榨过滤机,XKZ系列全自动快开式压滤机,93,2. 加压叶滤机,1-滤饼 2-滤布 3-拔出装置 4-橡胶圈,滤叶,结构：,一个操作循环：,过滤、洗涤、卸渣、整理重装,特点： 间歇式 置换洗涤： Lw=L,94,优点：过滤面积大，设备紧凑，密闭操作，劳动条件较好密闭操作，适宜处理易汽化及有毒物质，操作稳定，过滤速度快。,缺点：结构比较复杂，造价较高，更换滤布困难。,2. 加压叶滤机,95,NYB系列高效板式密闭过滤机,MYB型全自动板式密闭过滤机,96,SYB系列水平叶片过滤机,WYB系列卧式叶片过滤机,97,3. 转筒真空过滤机,过滤、洗涤、吹松

26、、刮渣,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：,98,转鼓真空过滤机,优点：自动化程度高，劳动强度小，滤饼厚度可自由调节，便于在转鼓表面预涂助滤剂后用于黏、细物料的过滤。,缺点：附属设备度，设备投资费用高，过滤推动力有限，滤饼含液量较大，常达30%。,3. 转筒真空过滤机,99,3.4 过滤,3.4.1 过滤操作的基本概念 3.4.2 过滤基本方程式 3.4.3 恒压过滤 3.4.4 恒速过滤与先恒速后恒压过滤 3.4.5

27、过滤常数的测定 3.4.6 过滤设备 3.4.7 滤饼的洗涤,100,特点：洗涤时推动力、阻力不变，洗涤速度为常数。,洗涤时间：,洗水用量，m3。,滤饼的洗涤,101,滤饼的洗涤,洗涤速率与过滤终了时的过滤速率间的关系：,若推动力相同，且洗水粘度与滤液粘度接近，则：,置换洗涤法：,横穿洗涤法：,（回转真空过滤机、叶滤机）,（板框压滤机）,102,3.4 过滤,3.4.1 过滤操作的基本概念 3.4.2 过滤基本方程式 3.4.3 恒压过滤 3.4.4 恒速过滤与先恒速后恒压过滤 3.4.5 过滤常数的测定 3.4.6 过滤设备 3.4.7 滤饼的洗涤 3.4.8 过滤机的生产能力,103,1. 间歇过滤机的生产能力,生产能力：单位时间内获得的滤液量或滤饼量 。,操作周期：,其中：,生产能力, m3/h,104,生产能力(m3/h)：,浸没分数：转筒浸入面积占转筒面积的分数,2. 连续过滤机的生产能力,其中：,操作周期(s):,思考： V、Ve、A的