化工原理(第四版)谭天恩第三章 机械分离与固体流态化ppt课件.ppt

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1、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,4/69,第三章 机械分离与固体流态化,分离,-筛分、沉降、过滤,-将在下册中介绍,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

2、形颗粒,直径dp,当量直径，如体积当量直径 deV,球形度,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,7/69,二、颗粒群的特性,平均直径,表面积平均直径,-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,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,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

3、个筛孔。目数越大，筛孔越小。,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,9/69,第二节 沉降分离,一、沉降原理,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。,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,10/69,1、自由沉降,Re0=du0/

4、1或2 层流区, 如图3-2中的实线所示。,-斯托克斯定律,作业：,11/69,1、自由沉降,离心沉降速度,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：,12/69,1、自由沉降,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,13/69,2、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。,14

5、/69,二、沉降设备,-用于除去75m以上颗粒,-用于除去510m 颗粒,15/69,1重力沉降设备,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。,16/69,降尘室,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？,思考4：能够被100%除去的最小颗粒，必须满足什么条件？,思考4：粒径比dmin小的颗粒，被除去的百分数如何计算？,17/69,降尘室,思考2：为什么降尘室要做成扁平的？,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

6、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,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75m以上)，或作为预分离设备。,作业：,19/69,增稠器（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,20/69,增稠器（沉降槽）,属于干扰沉降愈往下沉降速度愈慢

7、-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100 m以上，高度却都在几米以内。,特点：,请点击观看动画,21/69,2离心沉降设备,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1225 ms-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

8、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。,22/69,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：,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。,ui,ui,临界粒径,23/69,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1225 ms-1范围内，一般可取N =34.5，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

9、越小，why？,24/69,旋风分离器,评价旋风分离器性能的两个主要指标：,小好，一般在5002000Pa左右,25/69,旋液分离器,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,26/69,第三节 过滤,一、概述,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。,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,28/69,一、概述,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

10、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。,29/69,一、概述,滤饼的压缩性：,空隙结构易变形的滤饼为可压缩滤饼。,30/69,一、概述,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。,31/69,二、过滤基本方程,-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u,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

11、程属于不稳定的流动过程。故,A,32/69,二、过滤基本方程,-滤液量V过滤时间的关系,(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：,真实速度,u,颗粒的比表面积,33/69,二、过滤基本方程,-滤液量V过滤时间的关系,滤饼内，雷诺数很小，属层流流动，,-哈根-泊谡叶方程,le、de表达式（见上页）,由质量守恒得：,A,34/69,二、过滤基本方程,-滤液量V过滤时间的关系,思考：影响过滤阻力的因素有哪些？ 影响过滤速度的因素有哪些？,35/69,二、过滤基本方程,-滤

12、液量V过滤时间的关系,设每获得单位体积滤液时，被截留在过滤介质上的滤饼体积为c（m3滤饼/m3滤液），则,令,滤饼,滤液,1,c,思考：滤饼中全是固体物吗？,压缩指数0s1（可压缩滤饼）s=0（不可压缩滤饼）,36/69,二、过滤基本方程,-过滤基本方程,过滤常数，由实验测定,思考：影响K的因素有哪些？ 影响Ve或qe的因素有哪些？,-滤液量V过滤时间的关系,37/69,二、过滤基本方程,-滤液量V过滤时间的关系,38/69,二、过滤基本方程,-滤液量V过滤时间的关系,2、恒压过滤,特点：,K为常数,积分得：,或,若过滤介质阻力可忽略不计，则,或,，过滤速度愈来愈小。,39/69,三、过滤常数

13、的测定,恒压时：,logplogK作图求出压缩指数s,/qq图,40/69,四、滤饼洗涤,思考：洗涤阻力与哪些因素有关？,与滤饼厚度、滤饼性质、洗涤液粘度、介质阻力有关,推动力、阻力不变洗涤速度为常数。,思考：洗涤过程与过滤过程的有何异同？,41/69,四、滤饼洗涤,若推动力相同，则：,洗涤速度与过滤终了速度的关系?,42/69,五、过滤设备及过滤计算,过滤设备,43/69,五、过滤设备及过滤计算,滤布,1、板框压滤机,滤框、滤板,结构：,请点击观看动画,滤框和滤板的左上角与右上角均有孔,44/69,1、板框压滤机,一个操作循环：,过滤,洗涤,卸渣、整理重装,思考：对板框压滤机，下式中V、Ve

14、、A怎么取值？半个框的？一个框的？还是N个框的？,均可。,45/69,1、板框压滤机,属间歇式,特点：,横穿洗涤：Lw=2L， Aw=A/2,46/69,1、板框压滤机,生产能力：,操作周期：,单位时间内获得的滤液量或滤饼量 。,其中：,47/69,1、板框压滤机,最佳操作周期：,生产能力最大时的操作周期,令dQdV=0可得：,若过滤、洗涤的操作压力相同 滤液洗涤液w 介质阻力忽略不计,-最佳操作周期,48/69,2、叶滤机,属间歇式,置换洗涤：Lw=L ，Aw=A,滤叶,一个操作循环：,过滤、洗涤、卸渣、整理重装,特点：,结构：,请点击观看动画,思考：对叶滤机，下式中V、Ve、A怎么取值？一

15、个滤叶的？还是N个的？,均可。,49/69,2、叶滤机,操作周期：,与板框机相同,生产能力：,与板框机类似,最佳操作周期：,与板框机相同,50/69,3、转筒真空过滤机,置换洗涤：Lw=L ，Aw=A,属连续式,过滤、洗涤、吹松、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,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）,一个操作循环：,特点：,结构：,请点击观看动画,51/69,3、转筒真空过滤机,其中：,操作周期：,生产能力：,思考：对转筒真空过滤机，上式中V、Ve、A、 怎么取值？按过滤区？还是按整个转

16、筒？,均可。按整个转筒取：V，Ve，A，= T按过滤区取： V， Ve， A，= T,浸没分数（转筒浸入面积占全部转筒面积的分率）,52/69,3、转筒真空过滤机,若介质阻力忽略不计，则,53/69,习题课,【例】 某板框过滤机有5个滤框，框的尺寸为63563525mm。过滤操作在20、恒定压差下进行，过滤常数K=4.2410-5m2/s，qe=0.0201m3/m2，滤饼体积与滤液体积之比c=0.08 m3/m3，滤饼不洗涤，卸渣、重整等辅助时间为10分钟。试求框全充满所需时间。 现改用一台回转真空过滤机过滤滤浆，所用滤布与前相同，过滤压差也相同。转筒直径为1m，长度为1m，浸入角度为120

17、。问转鼓每分钟多少转才能维持与板框过滤机同样的生产能力？ 假设滤饼不可压缩。,54/69,以一个框为基准进行计算。,滤液量,过滤面积,再根据恒压过滤方程得：,K=4.2410-5m2/sqe=0.0201m3/m2,思考：以5个框为基准，如何求解？,【解】,框全充满所需时间？,（框全充满）,55/69,改用回转真空过滤机后，压差不变，故K不变；滤布不变，故qe不变。K=4.2410-5m2/s，qe=0.0201m3/m2过滤面积,板框：,设转筒每分钟转n转，则回转真空过滤机生产能力,回转真空过滤机：,转鼓每分钟多少转才能维持与板框过滤机同样的生产能力？,56/69,习题课,作业：,返回目录,

18、57/69,第四节离心分离,利用离心力分离非均相混合物。其设备除前述的旋风（液）分离器外，还有离心机 。,返回目录,58/69,第五节 固体流态化,固体流态化运用在粉粒状物料的输送、混合、加热或冷却、干燥、吸附、煅烧和气固反应等过程中。,一、什么是流态化？,此时流体的真正速度 u 颗粒的沉降速度u0,此时u= u0颗粒悬浮于流体中，床层有一个明显的上界面，与沸腾水的表面相似,此时u u0,59/69,二、流化床的两种形态,床内颗粒的分散状态和扰动程度平缓地加大，床层的上界面较为清晰。,散式流化床：液固体系,聚式流化床：气固体系,乳化相（密相）,气泡相（稀相）,两种不正常现象,腾涌现象,沟流现象

19、,60/69,三、流化床的主要特性,液体样特性：,61/69,三、流化床的主要特性,恒定的压力损失：,床层颗粒质量,床内流体质量,又,不变,变,整个床层受力平衡，即合力为零。,流化床的机械能衡算：,62/69,三、流化床的主要特性,床层净重量（重力浮力）,常数,返回目录,63/69,小结,沉降,公式：,（Re2）,降尘室： 能100%去除的最小颗粒满足,气体处理能力,与底面积呈正比，与高度无关。,斯托克斯公式,重要概念： 自由沉降、沉降速度、实际沉降与自由沉降的区别,设备：降尘室、旋风分离器结构、除尘原理,64/69,小结,1、重要概念：滤浆滤饼过滤介质滤液生产能力,过滤：,65/69,小结,

20、2、公式：,与滤饼性质有关（比阻r0、比表面积a、空隙率、压缩指数s）与滤浆的性质（浓度、密度、粘度）有关。与推动力有关,r与滤饼的结构、性质（比表面积a、空隙率）有关,Ve与过滤介质的性质有关,恒压过滤方程,66/69,小结,洗涤：,67/69,小结,计算：,板框过滤机,叶滤机：,转筒真空过滤机：,与板框类似,半个框：V，Ve、A侧、,一个框：2V ，2Ve、2A侧、,N 个框：2nV ，2nVe、2nA侧、,过滤区：V，Ve、 A、 T,整个转筒：V，Ve、A、 T,68/69,小结,板框机、叶滤机、转筒真空过滤机的结构、特点,3、设备：,69/69,小结,固体流态化,重要概念： 什么是流态化？ 流化床的主要特性,