机械分离

第三章机械分离DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke2•1、本章学习目的通过本章的学习，要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，能够根据生产工艺要求，合理选择设备类型和尺寸。•2、本章应掌握的内容a沉降分离（包括重力沉降和离心沉降）的原理、过程计算、旋风分离器的选型。b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。本章学习指导DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke3§3-1概述非均相物系的分离废气、废液在排放前→除去有害物→环境保护，并尽可能将其变为有用之物化工生产中，常常需要将混合物加以分离原料的分离提纯或净化→加工反应产物的分离→合格的产品混合物均相混合物非均相混合物物系内部各处均匀且无相界面，如：石油、空气均相物系分离——传质操作（如蒸馏、吸收、萃取、干燥等）DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke4非均相混合物固体颗粒的混合物颗粒间为气体分隔悬浮液由固体颗粒与液体构成乳浊液由不互溶液体构成含尘气体（或含雾气体）由固体颗粒（或液滴）与气体构成→过滤→离心分离→沉降(重力、离心力)→筛分、分级沉降分散相或分散物质连续相或分散介质悬浮在空气中的粉尘：分散相粉尘连续相空气由于分散相和连续相具有不同的物理性质（如：尺寸不同、密度不同），可用机械方法分离非均相混合物DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke5工业上分离非均相混合物的目的1）回收有价值的分散物质例如：回收干燥器出来的气体及从结晶机出来的晶浆中的悬浮颗粒作为产品。2）净化分散介质以满足后继生产工艺的要求例如：除去反应气中的杂质，避免对催化剂活性的影响3）环境保护和安全生产例如：三废的处理DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke6第二节沉降第一节筛分（自学）沉降操作是借助某种力的作用，利用分散物质与分散介质的密度差异使之发生相对运动而分离的过程作用力重力惯性离心力重力沉降离心沉降沉降DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke7§3-4重力沉降速度依靠地球引力场的作用而发生的沉降过程称为重力沉降一、球形颗粒的自由沉降自由沉降：任一颗粒的沉降不因流体中存在其它颗粒而受干扰。即颗粒彼此间相互独立，互不影响。——颗粒稀疏的情况中1.颗粒的受力分析①重力：②浮力：③阻力：局部阻力计算DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke8下降开始，u=0→Fd=0→a↑amax；随后，u↑→uo，Fg-Fb-Fd=0，a=0→作匀速沉降运动。过程分析：颗粒沉降时分为两种阶段：加速阶段和等速阶段等速阶段的速度uo即为沉降速度、终端速度工业上，加速阶段忽略不计——沉降速度的表观式关键是求阻力系数ξDepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke9二、阻力系数阻力系数ξ反映了颗粒运动时流体对颗粒的曳力，又称曳力系数。)/()(Reooduff。因此分析法阻力由表皮阻力与形体阻力两部分构成u↑↑湍流，湍流边界层u↓,层流，边界层δ↓→粘性曳力即为表皮阻力u↑，边界层分离，漩涡↑→形体曳力→不易发生倒流，边界层分离较难→尾流小DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke10)(Reof的关系曲线oRe/24(1)层流区(Reo0.3)：斯托克斯（stocks）定律，直线AB段(2)过渡区(Reo=2～500)：阿仑区（Allen）直线BC段6.0Re/5.18o(3)湍流区(Reo=500～2×105)：牛顿区（Newton）CD段ξ=0.44(4)Reo2×105后，ξ↓在Reo=(3～10)×105范围内可近似取ξ=0.1，一般达不到DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke11对于球形颗粒，将不同Re范围的阻力系数代入沉降速度的公式计算ut试差步骤：假设流型→采用对应公式计算ut→校核Reo及流型。试差法求解书上介绍了一种可以避免试差的方法DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke12三、分级沉降uaubuaubuauubu分离两种直径不同或密度不同的混和物的方法。uaubuaub不能完全分离能完全分离的两种颗粒的直径之比db/danbaabddn——层流区=1/2；湍流区=1；过渡=1/1.6DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke13四、影响沉降速度的因素自由沉降——指任一颗粒的沉降不因流体中存在其它颗粒、流体分子或壁面而受到干扰的沉降。主要要考虑端效应和壁效应、颗粒浓度（干扰沉降）、气泡和液滴及分子运动的影响。a.由于大量颗粒向下沉降而使流体被置换而产生显著的向上运动，造成颗粒沉降速度小于自由沉降速度。→ut↓1、干扰沉降当流体中颗粒的含量较大时，颗粒沉降时彼此影响，这种沉降称为干扰沉降。b.大量颗粒的存在，也使流体的表观密度和表观粘度（即混合物的密度和粘度）都增大，所有这些因素都使颗粒的沉降速度减小。→ut↓DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke14当颗粒直径小到可与流体分子的平均自由程相比拟时（如2~3μm以下），颗粒作不定向和随机性运动，它们可穿过流体分子的间隙，使沉降速度大于斯托克斯定律计算的数值。2、壁效应和端效应当颗粒直径与容器直径D相比不算太小时，容器壁面会对颗粒的沉降产生影响，使其受到较大的曳力。3、流体分子运动的影响一般dp/D0.01时，就显出器壁的影响，→ut↓另一方面，细颗粒的沉降将受流体分子碰撞的影响，当颗粒直径小于0.1μm时，布朗运动的影响起主要作用，难以用重力沉降法除去流体中的颗粒。DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke15当颗粒尺寸较小（如小于0.5mm左右）时，由于单位体积的表面能很大，几乎保持球形，则可用前述计算公式来求沉降或浮升速度；当颗粒尺寸较大时，由于液滴或气泡在曳力作用下的变形及其内部的流体产生循环运动的影响，都将影响到曳力系数和沉降速度，因此，就与刚性的固体颗粒有所不同，前述公式不再适用，应该参阅有关资料来考虑。4、气泡和液滴的运动液滴与气泡在流动中会变形和产生内部循环流动它们在流动时受到形体曳力的作用而有压扁的趋向，而表面张力的存在则有会使其保持球形状。DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke16§3-5降尘室颗粒沉降时间为ttuH气体通过降尘室的时间为则颗粒分离出来的条件是θ≥θt或tuHuL作用：分离气体中尘粒的重力沉降设备。LHuL极限条件HLuutttsAuBLuHBuVVs与H无关扁平形的沉降室多层沉降室降尘室特点：结构简单，流动阻力小，但体积庞大，分离效率低，一般作预除尘用,适用于除去粒度50μm的粗颗粒。DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke17DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke18DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke19§3-6悬浮液的沉聚过程BBACDACDAD特点：A、B间界面下降速度是恒定的，即为等浓度区颗粒的沉降速度。临界沉降点压紧区④絮凝现象。干扰沉降：①浓度↑阻力↑；②愈密集，置换出的液体向上运动，阻滞作用↑ut↑；③大拉小，小拉大→小加速，大减速；DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke20§3-7沉降槽生产能力，由截面积保证，与其高度无关。强化沉降槽操作：ut↑：加少量电解质→絮凝现象。加热→μ↓→ut↑。DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke21DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke22§3-8离心沉降速度r2r1rOABuurutC离心沉降——依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程若r↓或ut↑，则Fc↑rmuF2tc惯性离心力一、离心力场中颗粒在径向的受力情况：rud6F2tS3crud6F2t3drud4F2r2t惯性离心力向心力曳力rutFtFdmDepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke23二、离心沉降速度r2r1rOABuurutCru3d4u2tsrur与ut比较，ut式中的g改用ru2t三、分离因数分离因数：是颗粒所在位置上的惯性离心力场强度与重力场强度之比。反映离心分离设备性能的重要指标高速离心机的K值可达1万以上采用离心沉降时，可加快沉降过程DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke24§3-8旋风分离器旋风分离器还可从气流中分离出雾沫颗粒分离方法200μm重力沉降5μm旋风分离5μm袋虑器或湿法扑集含尘气体的分离不宜用于粘性粉尘，含湿量高的粉尘以及腐蚀性粉尘DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke25一、旋风分离器的结构及工作原理结构工作原理双层螺旋形运动器内压力变化规律pd出灰口或集尘室粉尘重新卷起主要除尘区外旋流的上部是主要除尘区DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke26二、旋风分离器的临界粒径dc临界粒径dc是指能被旋风分离器完全去除(100%)的最小颗粒的粒径。是判断分离效率高低的重要依据sicNuBd9简化建模推导dc随B↑而↑分离效率随分离器尺寸↑而↑当气体处理量大时，常将若干个小型的旋风筒并联使用以维持较高的除尘效率N↑→dc↓细长形有利ui↑→dc↓ρs↑→dc↓DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke27三、分离效率%100cccioio总分离效率旋风分离器数分离性能的另一指标缺点：不能反映旋风筒对各尺寸粒子的不同分离效果。粒级效率%100ccci1i2i1piηpi～dpi的关系曲线（粒级效率曲线）一般由实验测定Why?ηo与ηpi的关系：ipioxDepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke28四、阻力损失22