化工原理(第四版)谭天恩-第三章-机械分离与固体流态化

《化工原理》电子教案/目录1目录第三章机械分离与固体流态化第一节筛分一、颗粒的特性二、颗粒群的特性三、筛分第二节沉降分离一、沉降原理二、沉降设备《化工原理》电子教案/目录2目录第三节过滤一、概述二、过滤基本方程三、过滤常数的测定四、滤饼洗涤五、过滤设备及过滤计算习题课《化工原理》电子教案/目录3目录第四节离心分离第五节固体流态化一、什么是流态化二、流化床的两种形态三、流化床的主要特性小结《化工原理》电子教案/第三章4/69第三章机械分离与固体流态化非均相物系均相物系分离悬浮液-----固-液混合物乳浊液-----液-液混合物含尘气体----气-固混合物含雾气体----气-液混合物------筛分、沉降、过滤------将在下册中介绍《化工原理》电子教案/第三章5/69第一节筛分一、颗粒的特性----分离固体颗粒群大小（粒径）形状表面积球形颗粒非球形颗粒直径dp当量直径，如体积当量直径deV颗粒的表面积表面积与颗粒体积相等的球的球形度1pdVAa6＝球eVda6＝《化工原理》电子教案/第三章6/69第一节筛分二、颗粒群的特性粒度分布-----频率分布曲线（见下图）、累计分布曲线(如图3-1所示)。频率分布曲线《化工原理》电子教案/第三章7/69二、颗粒群的特性平均直径kiikiiikkkLmndnnnnndndndndnd11321332211表面积平均直径kiikiiiAmndnd112----每个颗粒平均表面积等于全部颗粒的表面积之和除以颗粒的总数长度平均直径3131kiiiVmdad体积平均直径----每个颗粒平均体积等于全部颗粒的体积之和除以颗粒的总数体积表面积平均直径----每个颗粒的平均比表面积等于全部颗粒的比表面积平均值kiiikiiiVAmVAmdndndd13123266比表面积＝kiiiVmdad11《化工原理》电子教案/第三章8/69三、筛分泰勒（Tyler）标准筛------其筛孔大小以每英寸长度筛网上的孔数表示，称为“目”。例如100目的筛即指每英寸筛网上有100个筛孔。目数越大，筛孔越小。2筛网用金属丝制成，孔类似正方形。将几个筛子按筛孔从大到小的次序从上到下叠置起来，最底下置一无孔的盘-----底盘。样品加于顶端的筛上，摇动或振动一定的时间。通过筛孔的物料称为筛过物，未能通过的称为筛留物。筛留物的直径等于相邻两号筛孔宽度的算术平均值，将筛留物取出称重，可得样品质量分率分布曲线。标准筛筛分返回目录《化工原理》电子教案/第三章9/69第二节沉降分离一、沉降原理rmamg或sgm42220du0DbcFFF合外力0421220dumgs1、自由沉降极短，通常可以忽略该段的颗粒运动速度称为沉降速度，用u0表示。加速段：等速段：浮力Fb曳力FD质量力Fc颗粒在流体中沉降时受力---单个颗粒在无限流体中的降落过程重力沉降速度：以球形颗粒为例《化工原理》电子教案/第三章10/691、自由沉降Re0=du0/1或2层流区024162023udgdss340gdus如图3-2中的实线所示。0Re241820gdus----斯托克斯定律作业：《化工原理》电子教案/第三章11/691、自由沉降离心沉降速度ABurr1Or2rut颗粒在旋转流场中的运动uCrcmaF离心力srbamF浮力AuFrD22曳力34rsradu对照重力场离心加速度ar=2r=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颗粒受力：类似重力沉降速度推导，得：340gdus《化工原理》电子教案/第三章12/691、自由沉降1820gdusrRe24rudrdadutssrsr18181822222gaKcCRer=dur/1或2层流区对照重力场数值约为几千～几万-----离心分离因数ABurr1Or2rut颗粒在旋转流场中的运动uC《化工原理》电子教案/第三章13/692、实际沉降由于干扰作用，实际沉降速度小于自由沉降速度。由于壁面效应，实际沉降速度小于自由沉降速度。干扰沉降非球形颗粒的沉降壁面效应球形度越小，沉降速度越小；颗粒的位向对沉降速度也有影响。《化工原理》电子教案/第三章14/69二、沉降设备液固体系沉降槽气固体系降尘室离心沉降设备重力沉降设备液固体系旋液分离器气固体系旋风分离器---用于除去75m以上颗粒---用于除去5～10m颗粒《化工原理》电子教案/第三章15/691．重力沉降设备气体气体进口出口集灰斗LB含尘气体uHu0颗粒在降尘室中的运动t停留时间0沉降时间0t若uL0u高度降尘室则表明，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？结构：除尘原理：为了增大停留时间。《化工原理》电子教案/第三章16/69降尘室0uHuL即思考3：要想使某一粒度的颗粒在降尘室中被100%除去，必须满足什么条件？00uHt思考4：能够被100%除去的最小颗粒，必须满足什么条件？0t1820gdus0min1818AVgLgHudsssLuB气体u0H颗粒在降尘室中的运动思考4：粒径比dmin小的颗粒，被除去的百分数如何计算？《化工原理》电子教案/第三章17/69降尘室思考2：为什么降尘室要做成扁平的？LuB气体u0H颗粒在降尘室中的运动000uABLuBHuVs0uHuL多层降尘室可见，降尘室最大处理量与底面积、沉降速度有关,而与降尘室高度无关。故降尘室多做成扁平的。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，较易扬起灰尘的，可取u1.5m/s。最大处理量------能够除去最小颗粒时的气体流量Vs《化工原理》电子教案/第三章18/69降尘室降尘室优、缺点结构简单，设备庞大、效率低只适用于分离粗颗粒(直径75m以上)，或作为预分离设备。作业：《化工原理》电子教案/第三章19/69增稠器（沉降槽）加料清液溢流水平清液挡板耙稠浆连续式沉降槽请点击观看动画结构：除尘原理：用于分离出液-固混合物与降尘室一样，沉降槽的生产能力是由截面积来保证的，与其高度无关。故沉降槽多为扁平状。与降尘室相同《化工原理》电子教案/第三章20/69增稠器（沉降槽）属于干扰沉降愈往下沉降速度愈慢-----愈往下颗粒浓度愈高，其表观粘度愈大，对沉降的干扰、阻力便愈大；沉降很快的大颗粒又会把沉降慢的小颗粒向下拉，结果小颗粒被加速而大颗粒则变慢。有时颗粒又会相互聚结成棉絮状整团往下沉，这称为絮凝现象，使沉降加快。这种过程中的沉降速度难以进行理论计算，通常要由实验决定。因固-液密度相差不是很悬殊，故较难分离，因此，连续沉降槽的直径可以大到100m以上，高度却都在几米以内。特点：请点击观看动画《化工原理》电子教案/第三章21/692．离心沉降设备旋风分离器：B净化气体含尘气体AD尘粒标准型旋风分离器请点击观看动画结构：除尘原理：含尘气体以切线方向进入，速度为12～25ms-1，按螺旋形路线向器底旋转，接近底部后转而向上，成为气芯，然后从顶部的中央排气管排出。气流中所夹带的尘粒在随气流旋转的过程中逐渐趋向器壁，碰到器壁后落下，自锥形底落入灰斗（未绘出）。上部为圆筒形，下部为圆锥形。《化工原理》电子教案/第三章22/69旋风分离器imuNr2停留时间停留时间=沉降时间rB净化气体含尘气体AD尘粒标准型旋风分离器能够从分离器内100%分离出来的最小颗粒的直径，用dc表示。其满足：沉降时间rruB几点假设：假设器内气体速度恒定，且等于进口气速ui；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；假设颗粒沉降服从斯托克斯公式。uiui临界粒径miscmtscrrudrudu1818)(2222＝《化工原理》电子教案/第三章23/69旋风分离器22182iscmimudBruNrsicNuBd9B净化气体含尘气体AD尘粒标准型旋风分离器结论：旋风分离器越细、越长，dc越小N值与进口气速有关，对常用形式的旋风分离器，风速1225ms-1范围内，一般可取N=34.5，风速愈大，N也愈大。思考：从上式可见，气体，入口B，气旋圈数N，进口气速ui，临界粒径越小，why？《化工原理》电子教案/第三章24/69旋风分离器评价旋风分离器性能的两个主要指标：分离性能：压降：用临界粒径和分离效率来表示%100%100的颗粒，粒级效率均；的颗粒，粒级效率均为理论上，被分离出来的百分率。粒级效率：每一种颗粒ccdddd总效率：被分离出来的颗粒占全部颗粒的质量分率小好，一般在5002000Pa左右《化工原理》电子教案/第三章25/69旋液分离器B净化气体含尘气体AD尘粒标准型旋风分离器Why?特点：与旋风分离器相比，直径小、锥形部分长。请点击观看动画结构：返回目录《化工原理》电子教案/第三章26/69第三节过滤滤饼过滤深层过滤两种过滤方式一、概述深层过滤这种过滤是在过滤介质内部进行的，介质表面无滤饼形成。过滤用的介质为粒状床层或素烧（不上釉的）陶瓷筒或板。此法适用于从液体中除去很小量的固体微粒，例如饮用水的净化。《化工原理》电子教案/第三章27/69一、概述滤浆滤饼过滤介质滤液----推动力：重力、压力、离心力滤饼过滤深层过滤两种过滤方式滤饼过滤《化工原理》电子教案/第三章28/69一、概述滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤工业用过滤介质主要有：棉、麻、丝、毛、合成纤维、金属丝等编织成的滤布。过滤介质：多孔性介质、耐腐蚀、耐热并具有足够的机械强度。《化工原理》电子教案/第三章29/69一、概述滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤滤饼的压缩性：空隙结构易变形的滤饼为可压缩滤饼。《化工原理》电子教案/第三章30/69一、概述滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤使用时，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。《化工原理》电子教案/第三章31/69二、过滤基本方程LuV------滤液量V～过滤时间的关系----即为流速，单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积过滤速度uAVq其中ddddqAVu滤饼过滤过程中，滤饼逐渐增厚，流动阻力也随之逐渐增大，所以过滤过程属于不稳定的流动过程。故A《化工原理》电子教案/第三章32/69二、过滤基本方程------滤液量V～过滤时间的关系Lleudeu流体在固定床内流动的简化模型(1)细管长度le与床层高度L成正比(2)细管的内表面积等于全部颗粒的表面积，流体的流动空间等于床层中颗粒之间的全部空隙体积。1、过滤基本方程的推导简化模型：假定：LKle0润湿周边流通截面积4ed1444aVaVB细管的全部内表面积细管的流动空间真实速度u1aaB滤饼体积滤饼的比表面积颗粒的比表面积《化工原理》电子教案/第三章33/69二、过滤基本方程------滤液量V～过滤时间的关系221udlpweefLleuudeu流体在固定床内流动的简化模型eR64滤饼内，雷诺数很小，属层流流动，udeeR2132eedlpu1p------哈根-泊谡叶方程le、de表达式（见上