第二章 非均相物系的分离和固体流态化.ppt

1、化工原理多媒体课件,淮阴工学院 生命科学与化学工程学院,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 3.6 固体流态化,第三章 非均相物系的分离和固体流态化 Separations of Heterogeneous Mixture and Fluidization of Solids,3.1 概述Overview,1 混合物分类 均相混合物（homogeneous mixture） 溶液，混合气体 非均相混合物（heterogeneous mixture） 气态：含尘气体、含雾气体 液态：悬浮液、乳浊液、泡沫液 2 非均相混合物的分离方法 机械分

2、离（mechanical separation） 依靠外力使分散相与连续相发生相对运动 外力：重力，离心力，压力,上页,下页,3.1 概述,颗粒相对于流体运动 气固系统 沉降分离：重力沉降、离心沉降 液固系统 增浓：重力增稠器，离心沉降 乳浊液：离心分离机 流体相对于颗粒床层运动 液固系统 过滤：重力过滤、加压（真空）过滤、离心过滤,上页,下页,3.1 概述,4 机械分离目的 回收有价值的分散组分 净化分散介质 环境保护和安全生产,上页,下页,返回,3.2 颗粒及颗粒床层的特性 Characterization of Particles and Particulate Beds,3.2.1 颗

3、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,上页,下页,返回,3.2.1 颗粒的特性,1 单一颗粒特性 1）球形颗粒 2）非球形颗粒 （1）体积当量直径,上页,下页,（2）形状系数（球形度） 非球形颗粒需要两个参数描述其性质,上页,下页,3.2.1 颗粒的特性,2 颗粒群的特性 1）粒度分布 筛分：泰勒标准筛 累计分布函数曲线和频率分布函数曲线 平均比表面积粒径 2）粒子的平均粒径,上页,下页,返回,3.2.1 颗粒的特性,1 床层空隙率 2 床层的比表面积 3 床层的自由截面积 各向同性：自由截面等于床层孔隙率 壁效应：流体分布不均匀,上页,下页,3.2.2 颗

4、粒床层的特性,返回,1 床层的简化模型（物理模型） 长度L，当量直径deb的一组平行细管 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,上页,下页,3.2.3 流体通过床层流动的压降,2 流体通过床层压降的数学描述,上页,下页,3.2.3 流体通过床层流动的压降,3 模型参数的实验测定（参数估计） （1）康采尼实验结果（层流）,上页,下页,3.2.3 流体通过床层流动的压降,（2）欧根实验结果,上页,下页,3.2.3 流体通过床层流动的压降,例31 在横截面积为1m2的固定床反应器中装填直径d=3mm、高度等于直径的圆柱形催化剂1m3。催化剂的质量G=980

5、kg，其真密度s=1760kg/m3。试求（1）催化剂的当量直径de、球形度s、床层孔隙率及比表面积ab；（2）20C的空气从下向上通过催化剂层，空塔速度u=0.2m/s，空气流经催化剂床层的压降,返回,下页,上页,3.2.3 流体通过床层流动的压降,3.3 沉降分离Sedimentation Separations,定义：在外力场作用下，利用分散相和连续相之间的密度差，使之发生相对运动而实现非均相混合物分离的操作。 分类： 重力沉降，离心沉降 自由沉降，干扰沉降 刚性球形颗粒的自由沉降 3.3.1 重力沉降 3.3.2 离心沉降,下页,上页,返回,1 沉降速度 1）球形颗粒的自由沉降 重力：

6、 浮力： 阻力：,上页,下页,3.3.1 重力沉降 Gravity Sedimentation,沉降过程：加速段，恒速段 沉降速度 2）阻力系数,上页,下页,3.3.1 重力沉降,层流区，斯托克斯公式 过渡区，艾伦公式 湍流区，牛顿公式,上页,下页,3.3.1 重力沉降,3）影响沉降速度的因素 流体粘度：表面曳力，形体曳力 颗粒的体积分数： 小于0.2% 器壁效应 颗粒形状的影响，注意微细颗粒 4）沉降速度的计算 （1）试差法，假设为某一区，然后验证。 （2）摩擦数群法,上页,下页,3.3.1 重力沉降,已知颗粒直径求沉降速度 已知沉降速度求颗粒直径,上页,下页,3.3.1 重力沉降,（3）无

7、因次判据法（适用于已知粒径求速度） 层流区 过渡区 湍流区,上页,下页,3.3.1 重力沉降,例32 试计算直径为95m、密度为3000kg/m3的固体颗粒分别在20C的空气和水中的自由沉降速度。 2 重力沉降设备 1)降尘室 （1）单层降尘室,上页,下页,3.3.1 重力沉降,要求层流，气速一般小于1m/s，可除去大于50m的颗粒 位于降尘室最高点的颗粒沉降至底室需要的时间 气体通过降尘室的时间,上页,下页,3.3.1 重力沉降,（2）多层降尘室 隔板间距：40100mm,3.3.1 重力沉降,下页,上页,降尘室可以完全除去的最小颗粒直径，假设在层流区，沉降速度： 流动阻力小，分离50 m的

8、粗颗粒，作预除尘 流体处于层流区,上页,下页,3.3.1 重力沉降,上页,下页,3.3.1 重力沉降,例33 拟采用降尘室回收常压炉气中所含的球形固体颗粒。降尘室底面积为10m2，宽和高均为2m。操作条件下，气体的密度为0.75kg/m3，粘度为2.610-5Pa.s；固体的密度为3000kg/m3；降尘室的生产能力为3m3/s。试求（1）理论上能完全捕集下来的最小颗粒直径；（2）粒径为40m的颗粒的回收百分率；（3）如欲完全回收直径为10m的尘粒，在原降尘室内需设置多少层水平隔板？,上页,下页,3.3.1 重力沉降,2）沉降槽 结构与操作 作用 提高悬浮液浓度 得到澄清液体,上页,下页,3.

9、3.1 重力沉降,3）分级器 不同粒度的颗粒进行分离 不同密度的颗粒进行分离,上页,下页,返回,3.3.1 重力沉降,1 惯性离心力作用下的沉降速度,上页,下页,3.3.2 离心沉降 Centrifugal Sedimentation,层流区 离心分离因数 例：已知旋转半径R0.4m，切向速度u=20m/s。则 离心分离因数：,上页,下页,3.3.2 离心沉降,重力沉降与离心沉降比较 1 形式：重力加速度，离心加速度 2 方向：垂直向下，背离旋转中心 3 性质：常数，与R有关,上页,下页,3.3.2 离心沉降,2 旋风分离器操作原理,上页,下页,3.3.2 离心沉降,旋风分离器实物图,上页,下

10、页,3.3.2 离心沉降,上页,下页,3.3.2 离心沉降,3 旋风分离器性能 1）临界粒径 螺旋等速运动，切向速度等于进口气速 颗粒穿过整个进气宽度B到达壁面 颗粒处于层流区，自由沉降 颗粒沉降速度 沉降时间,上页,下页,3.3.2 离心沉降,气体停留时间 临界粒径 2）分离效率 总效率,上页,下页,3.3.2 离心沉降,粒级效率 分割粒径 总效率与粒级效率,上页,下页,3.3.2 离心沉降,3）压强降,上页,下页,3.3.2 离心沉降,范围：5002000Pa,例35 用如图37所示的标准旋风分离器出去气流中所含固体颗粒。已知固体密度为1100kg/m3，颗粒直径为4.5m；气体密度为1.

11、2kg/m3，粘度为1.8 10-5Pa.s，流量为0.4m3/s；允许压强降为1780Pa。试估算采用以下方案时的设备尺寸及分离效率。（1）一台旋风分离器；（2）四台相同的旋风分离器串联（3）四台相同的旋风分离器并联。,上页,下页,3.3.2 离心沉降,例36 采用图37所示的标准旋风分离器出去气流中的尘粒，分离器的曲线见图39。已根据设备尺寸、操作条件及系统物性估算出分割粒径d50=5.7m，求除尘总效率。,上页,下页,3.3.2 离心沉降,4 旋风分离器的结构型式与选用 结构形式 XLT/A型 倾斜螺旋面进口 XLP型 旁路分离室，蜗壳进口，在顶盖以下 扩散式 上小下大，设有挡灰盘 选用

12、 选择型号 计算流量、分离效率、允许的压强降 确定尺寸与个数,上页,下页,3.3.2 离心沉降,返回,3.4 过滤 Filtration,3.4.1 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,上页,下页,返回,3.4.1 过滤操作的基本概念,1 过滤 使悬浮液中的液体通过过滤介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上。 2 过滤方式 饼层过滤 深床过滤 错流过滤（膜分离） 3 过滤介质 滤布：饼层过滤 堆积介质：深床过滤 多孔固体介质：超滤

13、、微滤,下页,上页,3.4.1 过滤操作的基本概念,4 滤饼的压缩性 可压缩滤饼 不可压缩滤饼 5 助滤剂 方法：预涂，预混 要求：刚性，化学稳定性，不会污染滤液 种类：硅藻土，珍珠岩，石棉，炭粉，纸浆粉等。,下页,上页,返回,3.4.2 过滤基本方程式,1 滤液通过饼层的流动 1）滤液通过滤饼层流动的特点 细小曲折，网状结构 非稳态操作 流动处于层流区 2）数学描述,上页,下页,2 过滤速率和过滤速度 过滤速度 过滤速率,上页,下页,3.4.2 过滤基本方程式,3 滤饼的阻力 对于不可压缩滤饼 定义滤饼的比阻，单位：1/m（常数） 比阻的意义：粘度为1Pa.s的滤液以1m/s的平均速度通过厚

14、度为1m的滤饼层时所产生的压强降。 床层空隙率越小，颗粒的比表面积越大，阻力越大 滤饼阻力，1/m（与滤饼厚度L成正比）,上页,下页,3.4.2 过滤基本方程式,4 过滤介质的阻力 过滤介质的阻力一般为常数,上页,下页,3.4.2 过滤基本方程式,Le：过滤介质的当量滤饼厚度或虚拟滤饼厚度，m。 例38 直径为0.1mm的球形颗粒状物质悬浮于水中，用过滤方法予以分离。过滤时形成不可压缩滤饼，其空隙率为60，试求滤饼的比阻r。又知此悬浮液中固相所占的体积分数为10，求每平方米过滤面积上获得0.5m3滤液时的滤饼阻力R。,上页,下页,3.4.2 过滤基本方程式,5 过滤基本方程式 设获得1m滤液所

15、形成的滤饼体积为m Ve：虚拟滤液体积,上页,下页,3.4.2 过滤基本方程式,注意：操作条件一定、过滤介质一定、悬浮液一定，虚拟滤液体积为定值。 可压缩滤饼 S为滤饼的压缩性指数，无因次。S=01, 不可压缩s=0. 过滤基本方程式,上页,下页,3.4.2 过滤基本方程式,返回,过滤方程式的建立 k：表征过滤物料特性的常数,上页,下页,3.4.3 恒压过滤constant-pressure filtration,虚拟过滤阶段 有效过滤阶段,上页,下页,3.4.3 恒压过滤,忽略过滤介质阻力 过滤常数K 单位：m/s,上页,下页,3.4.3 恒压过滤,例39 拟在9.81103Pa的恒定压强差

16、下过滤例3-8中的悬浮液。已知水的粘度为1.0 10-3Pa.s，过滤介质阻力可以忽略，试求：（1）每平方米过滤面积上获得1.5m3滤液所需的过滤时间；（2）若将此过滤时间延长一倍，可再得滤液多少？,上页,下页,3.4.3 恒压过滤,返回,1 恒速过滤constant-rate filtration 滤液量与时间关系,上页,下页,3.4.4 恒速过滤与先恒速后恒压过滤,压强差与时间关系 对于不可压缩滤饼,上页,下页,3.4.4 恒速过滤与先恒速后恒压过滤,2 先恒速后恒压,上页,下页,3.4.4 恒速过滤与先恒速后恒压过滤,例310 在0.04m2的过滤面积上，以1 104m3/s的速率对不可

17、压缩的滤饼进行过滤实验，测得的两组数据列于本题附表1中。今欲在框内尺寸为635mm 635mm 60mm的板框过滤机内处理同一料浆，所用滤布与实验时的相同。过滤开始时，以与实验相同的滤液流速进行恒速过滤，至过滤压强差达到6 104Pa时改为恒压操作。每获得1m3滤液所生成的滤饼体积为0.02m3。试求框内充满滤饼所需的时间。,上页,下页,3.4.4 恒速过滤与先恒速后恒压过滤,返回,1 恒压下K、qe、e的测定,上页,下页,3.4.5 过滤常数的测定,2 压缩指数s与物料特性常数k的测定 例311 在25下对每升水中含25g某种颗粒的悬浮液进行了三次过滤实验，所得数据见本例附表1。试求（1）各

18、压差下的过滤常数；（2）压缩性指数s,上页,下页,3.4.5 过滤常数的测定,3.4.5 过滤常数的测定,下页,上页,3.4.5 过滤常数的测定,返回,下页,上页,1 板框压滤机plate-and-frame press filter 结构与操作,上页,下页,3.4.6 过滤设备,板、框排列方式：123212321,上页,下页,3.4.6 过滤设备,3.4.6 过滤设备,下页,上页,上页,下页,3.4.6 过滤设备,2 加压叶滤机pressure leaf filter,上页,下页,3.4.6 过滤设备,3 转筒真空过滤机 drum vacuum filter 结构与工作原理,上页,下页,3.

19、4.6 过滤设备,转筒及分配头的结构 17格：过滤区，810格：吸干区，11格：不工 作，1213格：洗涤区，14格：吸干区，15格： 不工作，1617格：吹松区，18格：不工作。,上页,下页,3.4.6 过滤设备,返回,1 洗涤速率与洗涤时间 2 洗涤速率与过滤速率 叶滤机：置换洗涤法,上页,下页,3.4.7 滤饼的洗涤,板框压滤机：横穿洗涤法,上页,下页,3.4.7 滤饼的洗涤,操作条件不同时的校正,3.4.7 滤饼的洗涤,下页,上页,返回,1 间歇过滤机的生产能力 操作步骤：过滤、洗涤、卸渣、清理。 例312 对例311中的悬浮液用有26个框的BMS20/635-25板框压滤机进行过滤。

20、在过滤机入口处滤浆的表压为3.39 105Pa，所用滤布与实验时的相同，浆料温度仍为25C。每次过滤完毕用清水洗涤滤饼，洗水温度及表压与滤浆相同而洗水体积为滤液体积的8。每次卸渣、清理、装合等辅助操作时间为15min。已知固相密度为2930kg/m3，又测得湿饼密度为1930kg/m3。求此板框压滤机的生产能力。,上页,下页,3.4.8 过滤机的生产能力,2 连续过滤机的生产能力 浸没度 转鼓旋转一周时间 过滤时间,3.4.8 过滤机的生产能力,上页,下页,转筒旋转一周获得的滤液量 生产能力 滤布阻力忽略时,上页,下页,3.4.8 过滤机的生产能力,例313 用转筒真空过滤机过滤某种悬浮液，料

21、浆处理量为20m3/h，已知每得1m3滤液可得滤饼0.04m3，要求转筒的浸没角为0.35，过滤表面上滤饼厚度不低于5mm。试求过滤机的过滤面积A和转筒的转速n。,3.4.8 过滤机的生产能力,下页,上页,返回,3.6 固体流态化 Fluidization of Solids,3.6.1 流态化的基本概念 3.6.2 流化床的主要特征 3.6.3 流化床的操作范围 3.6.4 提高流化质量的措施 3.6.5 气力输送简介,下页,上页,返回,1 流态化现象 概念：大量固体颗粒悬浮于流体中，并作翻滚运动，类似于液体的沸腾 应用：强化传热、传质，化学反应，物理加工，颗粒输送等 过程 固定床阶段 流化

22、床阶段 气力输送（液力输送）,上页,下页,3.6.1 流态化的基本概念,流态化过程图示 a图：固定床，b图：流化开始，c图：散式流化 d图：聚式流化，e图：固体输送。,上页,下页,3.6.1 流态化的基本概念,返回,1 恒定的压强降 1）理想流化床的压强降 （1）固定床阶段,上页,下页,3.6.2 流化床的主要特征,（2）流化床阶段 （3）气流输送阶段,上页,下页,3.6.2 流化床的主要特征,2）实际流化床的压强降,3.6.2 流化床的主要特征,上页,下页,固定床流化床，沿ABCDE，出现驼峰BCD，反向沿EDCA，没有驼峰。 C点为临界点，对应临界流化速度，临界空隙率 流化床特点：表观流速增加，床层高度增加，床层空隙率增加，压强降基本不变，实际速度基本不变 2 类似液体的特点 轻物浮起 表面水平 颗粒喷出 床面拉平 压强降,上页,下页,3.6.2 流化床的主要特征,3 流化床中的