第三章第三节分解.ppt
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1、第三章第三章 机械分离与固体流态化机械分离与固体流态化第一节第一节 筛分筛分一、颗粒的特性二、颗粒群的特性三、筛分第二节第二节 沉降分离沉降分离一、沉降原理二、沉降设备1第三章 机械分离与固体流态化 第三节第三节 过滤过滤 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2第三章 机械分离与固体流态化 第四节第四节 离心分离离心分离 第五节第五节 固体流态化固体流态化一、什么是流态化二、流化床的两种形态三、流化床的主要特性 小结小结3概述:均相物系:指物系内部各处均匀且无相界面,包括溶液、气体混合物等。非均相物系:指物系内部有隔不同相的界面且界面两侧的物料性质
2、有差异。包括:气固系统(如空气中的尘埃等含尘气体);液固系统(如液体中的固体颗粒,悬浮液);气液系统(如气体中的液滴,含雾气体);液液系统(如乳浊液中的微滴)。4 非均相物系分离的依据是连续相与分散相具有不同的物理性质(如密度),故可用机械方法进行分离。利用密度差进行分离时,必须使分散相与连续相产生相对运动,因此,分离非均相物系的单元操作遵循流体力学的基本规律,按两相运动方式的不同分为筛分、沉降和离心分离和过滤。非均相物系的分离主要用于:1、回收有用物质,如颗粒状催化剂的回收;2、净化气体,如除尘、废液、废气中有害物质的清除等。5v非均相物系的分离方法 1、气-固体系 旋风分离器:含尘气体从入
3、口导入除尘器的外壳和排气管之间,形成旋转向下的外旋气流。悬浮于外旋流的粉尘在离心力的作用下移向器壁,并随外旋流旋转到除尘器底部,由排尘孔排出。净化后的气体形成上升的内旋流并经过排气管排出。应用范围及特点 旋风除尘器适用于净化大于510微米的非粘性、非纤维的干燥粉尘。它是一种结构简单、操作方便、耐高温、设备费用和阻力较低(80160毫米水柱)的装置。旋风除尘器广泛应用于空气净化、烟道除尘、细小颗粒回收等领域。例如,火力发电厂的锅炉烟道上就装有这种装置,它有效的降低了排出的烟尘,否则,早晨起来时,电厂附近的马路上会铺满一层烟灰。6 2、固-固体系 如果是一个可溶而另一个难溶的话,可以加水溶解,然后
4、过滤,蒸发就可以 如果都可溶,看它们的溶解度随温度变化大不大,如果是一个大一个不大的话,可以加水溶解然后升温,再加固体直至饱和,再降温结晶。3.液液分离 是两种互不相溶的(如氯仿和水溶液)用分液漏斗,静置分层后分离即可。原理是两种溶液不相溶和密度不同会出现分层现象。4.液固分离,简单的用适当的滤器过滤,分别收集处理。另外就是使用离心机,原理是分子或颗粒的重量不同。7第一节第一节筛分筛分一、颗粒的特性一、颗粒的特性-分离固体颗粒群分离固体颗粒群大小(粒径)大小(粒径)形状形状表面积表面积球形颗粒球形颗粒 非球形颗粒非球形颗粒 直径直径dp 当量直径,如体积当量直径当量直径,如体积当量直径 deV
5、球形度球形度 8第一节第一节筛分筛分二、颗粒群的特性二、颗粒群的特性粒度分布粒度分布-频率分布曲线(见下图)。频率分布曲线(见下图)。频率分布曲线频率分布曲线9二、颗粒群的特性二、颗粒群的特性平均直径平均直径表面积平均直径表面积平均直径 -每个颗粒平均表面积每个颗粒平均表面积等于全部颗粒的表面积之等于全部颗粒的表面积之 和除以颗粒的总数和除以颗粒的总数长度平均直径长度平均直径体积平均直径体积平均直径 -每个颗粒平均体积每个颗粒平均体积等于全部颗粒的体积之等于全部颗粒的体积之 和除以颗粒的总数和除以颗粒的总数体积表面积平均直径体积表面积平均直径 -每个颗粒的平均比表面积每个颗粒的平均比表面积等于
6、全部颗粒的等于全部颗粒的 比表面积平均值比表面积平均值10三、筛分三、筛分泰勒(泰勒(Tyler)标标准准筛筛-其其筛筛孔大小以每英寸孔大小以每英寸长长度度筛筛网网上的孔数表示,称上的孔数表示,称为为“目目”。例如例如100目的目的筛筛即指每英寸即指每英寸筛筛网上有网上有100个个筛筛孔。孔。目数越大,目数越大,筛筛孔越小。孔越小。筛网用金属丝筛网用金属丝制成,孔类似制成,孔类似正方形。正方形。将几个筛子按筛孔从大到小的次序从上到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下叠置起来,最底下置一无孔的盘-底底盘。样品加于顶端的筛上,摇动或振动一定盘。样品加于顶端的筛上,摇
7、动或振动一定的时间。通过筛孔的物料称为筛过物,未能的时间。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。称重,可得样品质量分率分布曲线。标准筛标准筛筛分筛分11第二节第二节 沉降分离沉降分离一、沉降原理一、沉降原理1 1、自由沉降、自由沉降极短,通常可以忽略极短,通常可以忽略该该段段的的颗颗粒粒运运动动速速度度称称为为沉降速度,沉降速度,用用u0表示。表示。加速段:加速段:等速段:等速段:浮力浮力Fb 曳力曳力FD质量力质量力F
8、c颗粒在流体中沉降时受力-单个颗粒在无限流体单个颗粒在无限流体 中的降落过程中的降落过程重力沉降速度:重力沉降速度:以球形颗粒为例以球形颗粒为例 121 1、自由沉降、自由沉降Re0=du0/1或2 层流区-斯托克斯定律斯托克斯定律 131 1、自由沉降、自由沉降离心沉降速度离心沉降速度对照重力场对照重力场v 离心加速度离心加速度ar=2r=ut2/r不是常量不是常量v 沉沉降降过过程程没没有有匀匀速速段段,但但在在小小颗颗粒粒沉沉降降时时,加加速速度度很很小小,可可近近似似作作为为匀匀速速沉沉降处理降处理颗粒受力:颗粒受力:类似重力沉降速度推导,得:类似重力沉降速度推导,得:141 1、自由
9、沉降、自由沉降Rer=dur/1或或2 层流区层流区对照重力场数值约为几千几万数值约为几千几万-离心分离因数离心分离因数152、实际沉降、实际沉降由于干扰作用,实际沉降速度由于干扰作用,实际沉降速度小于自由沉降速度。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。由于壁面效应,实际沉降速度小于自由沉降速度。v 干扰沉降干扰沉降 v 非球形颗粒的沉降非球形颗粒的沉降 v 壁面效应壁面效应 球形度越小,沉降速度越小球形度越小,沉降速度越小;颗粒的位向对沉降速度也有影响颗粒的位向对沉降速度也有影响。16二、沉降设备二、沉降设备-用于除去用于除去75 m以上颗粒以上颗粒-用于除去用于除去
10、510 m 颗粒颗粒171 1重力沉降设备重力沉降设备降尘室降尘室则则表表明明,该该颗颗粒粒能能在在降降尘尘室室中中除去。除去。思考思考1:为什么气体进入降尘为什么气体进入降尘室后,流通截面积要扩大?室后,流通截面积要扩大?思考思考2 2:为什么降尘室要做成扁平的?为什么降尘室要做成扁平的?结构:结构:除尘原理:除尘原理:为了增大停留时间。为了增大停留时间。18降尘室降尘室思考思考3:要想使某一粒度的颗粒在降尘室要想使某一粒度的颗粒在降尘室中被中被100%除去,必须满足什么条件?除去,必须满足什么条件?思考思考4:能够被能够被100%除去的最小颗粒,除去的最小颗粒,必须满足什么条件?必须满足什
11、么条件?思考思考4:粒径比粒径比dmin小的颗粒,小的颗粒,被除去的百分数如何计算?被除去的百分数如何计算?19降尘室降尘室思考思考2 2:为什么降尘室要做成扁平的?为什么降尘室要做成扁平的?可见,降尘室最可见,降尘室最大处理量与底面积、大处理量与底面积、沉降速度有关沉降速度有关,而而与降尘室高度无关。与降尘室高度无关。故降尘室多做成故降尘室多做成扁平的。扁平的。注意注意!降降尘尘室室内内气气体体流流速速不不应应过过高高,以以免免将将已已沉沉降降下下来来的的颗颗粒粒重重新新扬扬起起。根根据据经经验验,多多数数灰灰尘尘的的分分离离,可可取取u3m/s,较较易易扬扬起灰尘的,可取起灰尘的,可取u1
12、.5m/s。最大处理量最大处理量-能够除去最小颗粒时的气体流量能够除去最小颗粒时的气体流量Vs20降尘室降尘室降尘室优、缺点降尘室优、缺点v结构简单,结构简单,v设备庞大、效率低设备庞大、效率低v只只适适用用于于分分离离粗粗颗颗粒粒(直直径径75 m以以上上),或或作作为预分离设备。为预分离设备。21增稠器(沉降槽)增稠器(沉降槽)请点击观看动画请点击观看动画结构:结构:除尘原理:除尘原理:用于分离出液用于分离出液-固混合物固混合物与降尘室一样,与降尘室一样,沉降槽的生产能沉降槽的生产能力是由截面积来力是由截面积来保证的,与其高保证的,与其高度无关。故沉降度无关。故沉降槽多为扁平状。槽多为扁平
13、状。与降尘室相同与降尘室相同22增稠器(沉降槽)增稠器(沉降槽)u属于干扰沉降属于干扰沉降u愈往下沉降速度愈慢愈往下沉降速度愈慢-愈往下颗粒浓度愈高,其表观粘度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;愈大,对沉降的干扰、阻力便愈大;u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。粒被加速而大颗粒则变慢。u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。象,使沉降加快。u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
14、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。定。u因固因固-液密度相差不是很悬殊,故较难分离,因此,连续沉降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槽的直径可以大到100 m100 m以上,高度却都在几米以内。以上,高度却都在几米以内。特点:特点:请点击观看动画请点击观看动画232 2离心沉降设备离心沉降设备旋风分离器:旋风分离器:请点击观看动画请点击观看动画结构:结构:除尘原理:除尘原理:含尘气体以切线方向进入,速度为含尘气体以切线方向进入,速度为1225 m s-1,按螺旋形路线向器底旋转,按螺旋形路线向器底旋转,接近底部后转而向上,成为气芯,然后接近底
15、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,自锥形底落向器壁,碰到器壁后落下,自锥形底落入灰斗(未绘出)。入灰斗(未绘出)。上部为圆筒形,下部为圆锥形。上部为圆筒形,下部为圆锥形。24旋风分离器旋风分离器 能够从分离器内能够从分离器内100%分离出来的最小颗分离出来的最小颗粒的直径,用粒的直径,用dc表示。其满足:表示。其满足:几点假设:几点假设:v假设器内气体速度恒定,且等于进口气速假设器内气体速度恒定,且等于进口气速ui;v假设颗粒沉降过程中所穿过
16、的气流的最大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厚度等于进气口宽度B;v假设颗粒沉降服从斯托克斯公式。假设颗粒沉降服从斯托克斯公式。uiui临界粒径临界粒径25旋风分离器旋风分离器结论:结论:旋风分离器越细、越长,旋风分离器越细、越长,dc越小越小 N值与进口气速有关,对常用形式的旋风分离器,风速值与进口气速有关,对常用形式的旋风分离器,风速12 25 m s-1范围内,一般可取范围内,一般可取N=3 4.5,风速愈大,风速愈大,N也也愈大。愈大。思考:思考:从上式可见,气体从上式可见,气体 ,入口,入口B ,气旋圈数,气旋圈数N ,进口气速,进口气速ui ,临界粒径越小,
17、临界粒径越小,why?26旋风分离器旋风分离器评价旋风分离器性能的两个主要指标:评价旋风分离器性能的两个主要指标:小好,一般在小好,一般在500500 2000Pa2000Pa左右左右27v例题例题3-1 3-1 石英和方铅矿的混合球形颗粒在如图所示的水石英和方铅矿的混合球形颗粒在如图所示的水力分级器中进行分离。两者的密度分别为力分级器中进行分离。两者的密度分别为2650kg/m32650kg/m3和和7500kg/m37500kg/m3,且粒度范围均为,且粒度范围均为 。水温为。水温为2020。假设颗粒在分级器中均作自由沉降。试计算能够得到纯假设颗粒在分级器中均作自由沉降。试计算能够得到纯石
18、英和纯方铅矿的粒度范围及三个分级器中的水流速度石英和纯方铅矿的粒度范围及三个分级器中的水流速度28v解:解:1 1、2 2、3 3号分级器直径逐渐增大而三者中上升水流量号分级器直径逐渐增大而三者中上升水流量均相同,所以水在三者中流速逐渐减小。水在均相同,所以水在三者中流速逐渐减小。水在1 1号中的速号中的速度最大,可将密度小的石英颗粒全部带走,于是度最大,可将密度小的石英颗粒全部带走,于是1 1号底部号底部可得到纯方铅矿。但是,也有部分小颗粒的方铅矿随同可得到纯方铅矿。但是,也有部分小颗粒的方铅矿随同全部石英被带走。在全部石英被带走。在2 2号分级器,控制水流速度,将全部号分级器,控制水流速度
19、,将全部方铅矿全部沉降下来,但也有部分大颗粒石英会沉降下方铅矿全部沉降下来,但也有部分大颗粒石英会沉降下来。在来。在3 3号分级器,控制水流速度,可将全部小石英粒子号分级器,控制水流速度,可将全部小石英粒子全部沉降下来。全部沉降下来。v综上所述,综上所述,1 1号分级器的作用在于要带走所有石英粒子号分级器的作用在于要带走所有石英粒子(最大为(最大为100100),因此),因此1 1号的水流速应该等于号的水流速应该等于100100石英的沉石英的沉降速度;降速度;2 2号的作用在于截下全部方铅矿(最小为号的作用在于截下全部方铅矿(最小为2020),),因此因此2 2号的水流速应该等于号的水流速应该
20、等于2020方铅矿的沉降速度;方铅矿的沉降速度;3 3号的号的作用在于截下全部石英粒子(最小为作用在于截下全部石英粒子(最小为2020),因此),因此3 3号水流号水流速应该等于速应该等于2020石英的沉降速度。石英的沉降速度。293031第三节第三节 过滤过滤 一、概述一、概述深层过滤深层过滤 这种过滤是在过这种过滤是在过滤介质内部进行的,滤介质内部进行的,介质表面无滤饼形介质表面无滤饼形成。过滤用的介质成。过滤用的介质为粒状床层或素烧为粒状床层或素烧(不上釉的)陶瓷(不上釉的)陶瓷筒或板。筒或板。此法适用于从液体此法适用于从液体中除去很小量的固中除去很小量的固体微粒,例如饮用体微粒,例如饮
21、用水的净化。水的净化。32一、概述一、概述滤浆滤饼过滤介质滤液-推动力:重力、压力、离心力推动力:重力、压力、离心力 滤饼过滤滤饼过滤33一、概述一、概述滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤滤饼过滤工业用过滤介质主要有:工业用过滤介质主要有:棉棉、麻麻、丝丝、毛毛、合合成成纤纤维维、金金属丝等编织成的滤布。属丝等编织成的滤布。过滤介质:过滤介质:多孔性介质、耐腐蚀、耐热并具有足够的机械强度。多孔性介质、耐腐蚀、耐热并具有足够的机械强度。34一、概述一、概述滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤滤饼过滤滤饼的压缩性:滤饼的压缩性:空隙结构易变形的滤饼为可压缩滤饼。空隙结构易变形的滤饼为可压缩滤饼。35一、概述一、
22、概述滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤滤饼过滤 使使用用时时,可可预预涂涂,也也可可以以混混入入待滤的滤浆中一起过滤。待滤的滤浆中一起过滤。助滤剂能形成结构疏松、而且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原滤饼的可压缩性和过于致密的缺点。缺点。助滤剂:助滤剂:-是颗粒细小、粒度分布范围较窄、坚硬而悬浮性好是颗粒细小、粒度分布范围较窄、坚硬而悬浮性好 的颗粒状或纤维的颗粒状或纤维固体,如硅藻土、纤维粉末、活性固体,如硅藻土、纤维粉末、活性 炭、石棉。炭、石棉。36二、过滤基本方程二、过滤基本方程-滤液量滤液量V过滤时间过滤时间 的
23、关系的关系-即为流速,即为流速,单位时间内通单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积过单位过滤面积的滤液体积过滤速度过滤速度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。故渐增大,所以过滤过程属于不稳定的流动过程。故 A37二、过滤基本方程二、过滤基本方程-滤液量滤液量V过滤时间过滤时间 的关系的关系(1)细管长度细管长度le与床层高度与床层高度L成正比成正比(2)细管的内表面积等于全部颗粒的表面积,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。流体的流动空间等于床层中
24、颗粒之间的全部空隙体积。1、过滤基本方程的推导、过滤基本方程的推导简化模型简化模型:假定:假定:真实速度真实速度 u u 滤饼体积滤饼体积滤饼的比表面积滤饼的比表面积颗粒的比颗粒的比表面积表面积38二、过滤基本方程二、过滤基本方程-滤液量滤液量V过滤时间过滤时间 的关系的关系滤饼内,雷诺数很小,属层流流动,滤饼内,雷诺数很小,属层流流动,-哈根哈根-泊谡叶方程泊谡叶方程le、de表达式(表达式(见上页见上页)由由质量守恒得:质量守恒得:滤饼截滤饼截面积面积A39二、过滤基本方程二、过滤基本方程 p2 p1u-滤液量滤液量V过滤时间过滤时间 的关系的关系思考:思考:影响过滤阻力的因素有哪些?影响
25、过滤阻力的因素有哪些?影响过滤速度的因素有哪些?影响过滤速度的因素有哪些?40二、过滤基本方程二、过滤基本方程-滤液量滤液量V过滤时间过滤时间 的关系的关系 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积为c(m3滤饼滤饼/m3滤液),则滤液),则 令令滤滤饼饼滤滤液液1c思考:思考:滤饼中全是固体物吗?滤饼中全是固体物吗?压缩指数压缩指数0s1(可压缩滤饼)(可压缩滤饼)s=0(不可压缩滤饼)(不可压缩滤饼)41二、过滤基本方程二、过滤基本方程-过滤基本方程过滤基本方程过滤常数,过滤常数,由实验测定由实验测定 pu思考:思考:影响影
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