化工原理3(13页).doc
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1、-化工原理3-第 13 页第四章 机械分离一、学习的目的、掌握的内容及学习时应注意的事项1本章学习目的 通过本章学习能够利用流体力学原理实现非均相物系分离(包括沉降分离和过滤分离),掌握过程的基本原理、过程和设备的计算及分离设备的选型。建立固体流态化的基本概念。2本章重点掌握的内容 (1)沉降分离(包括重力沉降和离心沉降)的原理、过程计算和旋风分离器的选型。(2)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。(3)用数学模型法规划实验的研究方法。本章应掌握的内容(1)颗粒及颗粒床层特性(2)悬浮液的沉降分离设备本章一般了解的内容(1)离心机的类型与应用场合(2)固体
2、流态化现象(包括气力输送)3本章学习中应注意的问题 本章从理论上讨论颗粒与流体间相对运动问题,其中包括颗粒相对于流体的运动(沉降和流态化)、流体通过颗粒床层的流动(过滤),并借此实现非均相物系分离、固体流态化技术及固体颗粒的气力输送等工业过程。学习过程中要能够将流体力学的基本原理用于处理绕流和流体通过颗粒床层流动等复杂工程问题,即注意学习对复杂的工程问题进行简化处理的思路和方法。二、例题解析4-1 颗粒尺寸对颗粒床层内流动的影响假设将床层空间均匀分成边长等于球形颗粒直径的立方格,每一个立方格放置一颗固体颗粒。现有直径为0.1mm和10mm的球形颗粒,按上述规定进行填充,填充高度为1m。试求:(
3、1)两种颗粒的空隙率各为多少?(2)若将常温常压下的空气在981Pa压差下通入两床层,床层的空速各为多少(3)欲使细颗粒床层通过同样的流量,所需压差为多少?【解】:(1)由床层空隙率的定义因空隙率与颗粒的直径无关,故两种颗粒的空隙率皆为0.476。(2)常温常压下空气的物性对于细颗粒,比表面积,假定康采尼公式适用故假设正确,计算结果有效。对于粗颗粒,比表面积,假定欧根公式中粘性力项可忽略,即故假设正确,计算结果有效。(3)若细颗粒床层的空速,则显然康采尼公式不适用,且欧根公式中粘性力项可忽略,即此例表明,如果忽略边缘效应,颗粒尺寸只影响比表面积,而并不改变床层的空隙率。颗粒尺寸越小,则比表面积
4、越大,在同样流量下床层压降越大,或在同样压差作用下流量越小。从本例还可看出,对于颗粒尺寸很小即比表面积很大的固定床,固定床层阻力过大,其通过能力是不可能很高的。4-2 过滤常数的计算将某悬浮液进行过滤,已知比阻计算式为,式中为过滤压差,单位为。又知悬浮液中固相质量分率为0.4,密度为3500kg/m3,滤饼含水率50%(体积分率),求过滤压差为50kPa、温度20时的过滤常数K。【解】过滤常数 (1)式中 (2)取1000kg悬浮液作为基准,则滤饼中固相体积故滤饼体积滤液体积代入式(2)得:又由关系可知:将及20滤液(即水)的粘度代入式(1)得【讨论】过滤常数K是过滤过程中的一个重要参数。由K
5、的计算可知,K与过程推动力、滤饼性质(压缩指数、比阻)、滤浆性质()有关。4-3 间歇过滤机的生产能力 用叶滤机在等压条件下过滤某悬浮液,经实验测得,过滤开始后20min和30min,获得累计滤液量分别为0.53和0.66。过滤后,用相当于滤液体积1/10的清水在相同压差下洗涤滤饼,洗涤水粘度为滤液粘度的1/2。(1)若洗涤后的卸渣、清理、重装等辅助时间为30min,问每周期的过滤时间为多长时才能使叶滤机达到最大生产能力?最大生产能力(以单位面积计)又为多少?(2)若由于工人的工作效率提高,使得辅助时间减少为20min,问每周期的过滤时间为多长时才能使叶滤机达到最大生产能力?最大生产能力(以单
6、位面积计)又为多少?【解】本题中过滤介质阻力不可忽略,且洗涤水粘度不等于滤液粘度,故最大生产能力满足的条件不再是,而需另行推导。具体推导过程如下:生产能力 (1)其中: (2) (3)设,对叶滤机,于是,式(3)变为 (4)将式(2)、(4)代入式(1)得要想求出,需满足。由此可得将代入上式得: (5) 式(5)即本题条件下最大生产能力所满足的条件。下面求解过滤常数K。 将代入恒压过滤方程: (6)得 解之得 ,将得: (7)将代入式(2)、(4)得 (8)将式(8)代入式(7),并解之得:将代入式(8)得将代入式(1)得最大生产能力(以单位面积计)(2)将代入式(5)得: (9)将式(8)代
7、入,并解之得:。代入式(8)得将代入式(1)得最大生产能力(以单位面积计)【讨论】(1)在计算洗涤速率时需注意,下式为洗涤速率与过滤终了时速率关系的一般表达式:对板框过滤机,;对叶滤机,;对回转真空过滤机,;(2)间歇过滤机获得最大生产能力的条件如下:当时,当,时, 4-4 颗粒的分级悬浮液中含有A、B两种颗粒,其密度与粒径分布为:若用的液体在垂直管中将上述悬浮液分级,问是否可将A、B两种颗粒完全分开?假设颗粒沉降均处于斯托克斯区。【解】将沉降速度不同的两种颗粒倾倒至垂直向上流动的液体中时,将液体向上流动的速度调节到两种颗粒的沉降速度之间,则沉降速度较小的那部分颗粒便被漂走,沉降速度较大的那部
8、分颗粒将被下沉到垂直管的底部。对于本题,要使A、B两种颗粒完全分开,则A、B两种颗粒的沉降速度区间不能重叠。由沉降运动理论知:密度大而直径小的颗粒A与密度小而直径大的颗粒B,可能具有相同的沉降速度,从而使两者不能被完全分离。要定出能达到完全分离的两种颗粒直径的比值,可利用下面的计算公式:当两种颗粒的沉降均满足斯托克斯定律时也就是说,最小直径的A颗粒()可与最大直径的B颗粒()获得相等的沉降速度。对于本题,最大直径的B颗粒(0.15mm)其沉降速度仍小于最小直径A颗粒(0.1mm)的沉降速度,故可将液体向上流动的速度控制在稍大于直径为0.15mm的B颗粒而稍小于直径为0.1mm的A颗粒的沉降速度
9、之间,将B颗粒完全漂走,而使A颗粒全部下沉,从而达到二者完全分离的目的。三、概念题、思考题与练习题(一)概念题4-1 在横穿洗法的板框压滤机中,最终的过滤速率是洗涤速率的_。 (A)一倍 (B)一半 (C)四倍 (D)四分之一4-2 固体颗粒在流体中运动,所受的阻力是( )。 (A)表皮阻力 (B)形体阻力 (C)表皮阻力和形体阻力 (D)其他阻力4-3 颗粒床层的固体颗粒直径小,则床层的比表面积( )。 (A)小 (B)大 (C)与颗粒直径无关 (D)或大或小4-4 颗粒床层的固体颗粒直径小,则床层的空隙率( )。 (A)小 (B)大 (C)与颗粒直径无关 (D)不确定4-5 常见的间歇过滤
10、机有_和_;连续过滤机有_。 (A)板框过滤机,回转真空过滤机,叶滤机 (B)板框过滤机,叶滤机,回转真空过滤机 (C)叶滤机,回转真空过滤机,板框过滤机 (D)明流式板框过滤机,暗流式板框过滤机,叶滤机4-6 在恒压过滤操作中,忽略过滤介质的阻力,且过滤面积恒定,则所得的滤液量与过滤时间的_次方成正比,而对一定的滤液量则需要的过滤时间与过滤面积的_次方成反比。 (A)1/2,2 (B)2,1/2 (C)1,1/2 (D)1/2,14-7 滤液在滤饼层中的流动属于( )流动。 (A)层流 (B)湍流 (C)过渡流 (D)不确定4-8 回转真空过滤机的转速越快,单位时间所获得的滤液量就越_,形成
11、的滤饼层厚度就越_,过滤阻力越_。 (A)少,薄,小 (B)少,厚,大 (C)多,薄,小 (D)多,薄,大4-9 颗粒的沉降速度不是指 _。 (A)等速运动段颗粒降落的速度 (B)加速运动段任一时刻颗粒的降落速度 (C)加速运动段结束时颗粒的降落速度 (D)重力减去浮力与流体阻力平衡时颗粒的降落速度4-10 在讨论旋风分离器分离性能时,临界直径这一术语是指_。 (A)旋风分离器效率最高时的旋风分离器的直径 (B)旋风分离器允许的最小直径 (C)旋风分离器能够全部分离出来的最小颗粒的直径 (D)能够保持层流时的最大颗粒直径4-11 离心沉降速度是( )。 (A)颗粒运动的绝对速度 (B)径向速度
12、 (C)切向速度 (D)气流速度4-12 采用置换洗法的板框压滤机洗涤速率与恒压过滤最终速率相等的规律只有在以下条件下才成立_。 (A)过滤时的压差与洗涤时的压差相同。 (B)滤液的粘度与洗涤液的粘度相同。 (C)过滤压差与洗涤压差相同且洗涤液粘度与滤液粘度相同。 (D)洗水穿过的滤饼厚度等于过滤时滤液所穿过的厚度。4-13 回转真空过滤机中,是_部件使过滤室在不同部位时能自动地进行相应不同的操作。 (A)分配头(B)转筒本身(C)随转鼓转动的转动盘(D)与转动盘紧密接触的固定盘4-14 颗粒在流体中沉降,其沉降速度是( )速度。 (A)加速度最大时的 (B)最大的下降 (C)最小的下降 (D
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