化工原理第三章非均相物系的分離及固體流態(tài)化課件

1、第三章 機(jī)械分離和固體流態(tài)化教學(xué)要求 3-0概述 3-1顆粒及顆粒床層 的特性3-2沉降分離3-3過(guò)濾 復(fù)習(xí)1第三章 機(jī)械分離和固體流態(tài)化教學(xué)要求1教學(xué)要求重 點(diǎn): 沉降速率的計(jì)算；過(guò)濾基本方程及恒壓過(guò)濾計(jì)算。覆蓋內(nèi)容：顆粒及顆粒群的性質(zhì)（體積、表面積、比表面積、空隙率及平均自由截面積）；沉降的基本概念（重力沉降、離心沉降、自由沉降和干擾沉降）；沉降速度的計(jì)算；旋風(fēng)分離器的性能參數(shù)（臨界直徑、分離效率、粒級(jí)率、分割直徑）；降沉室的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)，旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分離原理及設(shè)計(jì)方法。過(guò)濾操作的基本概念，過(guò)濾基本方程及計(jì)算（濾液量、過(guò)濾時(shí)間、洗滌時(shí)間和生產(chǎn)能力）；常用過(guò)濾設(shè)備（板筐壓濾機(jī)、葉濾機(jī)和

2、回轉(zhuǎn)真空過(guò)濾機(jī)）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；過(guò)濾常數(shù)的測(cè)定方法。材料與化學(xué)工程學(xué)院2化工原理教學(xué)要求重 點(diǎn): 沉降速率的計(jì)算；過(guò)濾基本方程及恒壓過(guò)濾計(jì)3-0 概述混合物分類(lèi)機(jī)械分離有明顯相界面；不同相間有明顯的物理化學(xué)性質(zhì)差異。施加外力發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)均相物系非均相物系重力沉降離心沉降重力過(guò)濾加壓過(guò)濾真空過(guò)濾離心過(guò)濾沉降過(guò)濾懸浮液(液固混合物）乳濁液（液液混合物）含塵氣體、含霧氣體目的回收有價(jià)值的分散物質(zhì)凈化分散介質(zhì)以滿足生產(chǎn)工藝要求環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)材料與化學(xué)工程學(xué)院3化工原理3-0 概述混合物分類(lèi)機(jī)械分離有明顯相界面；不同相間有明顯3-1 顆粒及顆粒床層和特性3.1.1 顆粒的特性一 、單一顆粒的大小和形狀球

3、形顆粒直徑( d ) ：非球形顆粒當(dāng)量直徑體積相同時(shí)，球形顆粒的表面積最小，1。材料與化學(xué)工程學(xué)院4化工原理3-1 顆粒及顆粒床層和特性3.1.1 顆粒的特性直徑3-1 顆粒及顆粒床層和特性二、顆粒群的特性粒度分布的測(cè)量與定量表示篩號(hào)或稱目數(shù)篩分分析結(jié)果圖示法分布函數(shù)頻率函數(shù)篩過(guò)量篩余量粒度分布的篩分分析分布函數(shù)曲線頻率函數(shù)曲線材料與化學(xué)工程學(xué)院5化工原理3-1 顆粒及顆粒床層和特性二、顆粒群的特性粒度分布的3-1 顆粒及顆粒床層和特性材料與化學(xué)工程學(xué)院6化工原理3-1 顆粒及顆粒床層和特性材料與化學(xué)工程學(xué)院6化工原理3-1 顆粒及顆粒床層和特性平均直徑 設(shè)所有顆粒的形狀系數(shù)相等,按比表面積相

4、等,則三、粒子的密度 真密度(s):kg/m3 堆積密度(b): kg/m33-1-2 顆粒床層的特性一、床層空隙率顆粒直徑 顆粒分布 床層半徑自由截面沿半徑的不均勻壁效應(yīng)床層直徑顆粒直徑材料與化學(xué)工程學(xué)院7化工原理3-1 顆粒及顆粒床層和特性平均直徑三、粒子的密度 3-1 顆粒及顆粒床層和特性二、 床層的比表面積單位體積床層具有的顆粒表面積三 床層的各向同性自由截面與床層高度無(wú)關(guān) 空隙率與床層高度無(wú)關(guān)材料與化學(xué)工程學(xué)院8化工原理3-1 顆粒及顆粒床層和特性二、 床層的比表面積單位3-2 沉降分離沉降操作：在外力場(chǎng)作用下，利用分散相與連續(xù)相間的密度差異，使之發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)分離的操作過(guò)程。分

5、為：重力沉降、離心沉降。3.2.1 重力沉降自由沉降材料與化學(xué)工程學(xué)院9化工原理3-2 沉降分離沉降操作：在外力場(chǎng)作用下，利用分散相與連續(xù)3-2 沉降分離一、重力沉降速度材料與化學(xué)工程學(xué)院10化工原理3-2 沉降分離一、重力沉降速度材料與化學(xué)工程學(xué)院10化工3-2 沉降分離二、影響沉降的因素大顆粒的實(shí)際沉降速度小于自由沉降速度；小顆粒的沉降速度增大。實(shí)際沉降速度小于自由沉降速度在Stokes區(qū)，器壁的影響：顆粒濃度顆粒的球形度壁面效應(yīng)材料與化學(xué)工程學(xué)院11化工原理3-2 沉降分離二、影響沉降的因素大顆粒的實(shí)際沉降速度小于3-2 沉降分離三、沉降速度的計(jì)算試差法摩擦數(shù)群法材料與化學(xué)工程學(xué)院12化

6、工原理3-2 沉降分離三、沉降速度的計(jì)算試差法摩擦數(shù)群法材料3-2 沉降分離Stokes區(qū)：K69.1選擇相應(yīng)公式計(jì)算ut三、重力沉降設(shè)備降塵室材料與化學(xué)工程學(xué)院13化工原理3-2 沉降分離Stokes區(qū)：K2.62選擇相應(yīng)公式計(jì)3-2 沉降分離材料與化學(xué)工程學(xué)院14化工原理3-2 沉降分離材料與化學(xué)工程學(xué)院14化工原理3-2 沉降分離特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備龐大、效率低，適合分離75m以上的顆粒沉降槽材料與化學(xué)工程學(xué)院15化工原理3-2 沉降分離特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備龐大、效率低，適合分離3-2 沉降分離 3.2.2 離心沉降比較：沉降速度的大小、方向一、離心沉降速度材料與化學(xué)工程學(xué)院16化工原理

7、3-2 沉降分離 3.2.2 離心沉降比較：沉降速度的3-2 沉降分離二、離心分離因子三、構(gòu)造及操作原理旋風(fēng)分離器材料與化學(xué)工程學(xué)院17化工原理3-2 沉降分離二、離心分離因子三、構(gòu)造及操作原理旋風(fēng)分離3-2 沉降分離四、 旋風(fēng)分離器的性能臨界直徑條件：假設(shè)：1)假設(shè)氣體速度恒定，且等于進(jìn)口氣速u(mài)i；2)假設(shè)顆粒沉降過(guò)程中所穿過(guò)的氣流的最大厚度等于進(jìn)氣口寬度B；3)假設(shè)顆粒沉降服從斯托克斯公式。影響因素：設(shè)備類(lèi)型及尺寸、操作溫度及流速、顆粒密度材料與化學(xué)工程學(xué)院18化工原理3-2 沉降分離四、 旋風(fēng)分離器的性能臨界直徑假設(shè)：13-2 沉降分離分離效率總效率分效率（粒級(jí)效率）分割直徑 d50對(duì)標(biāo)

8、準(zhǔn)旋風(fēng)分離器粒級(jí)效率曲線材料與化學(xué)工程學(xué)院19化工原理3-2 沉降分離分離效率總效率分效率（粒級(jí)效率）分割直徑3-2 沉降分離id/dc材料與化學(xué)工程學(xué)院20化工原理3-2 沉降分離id/dc材料與化學(xué)工程學(xué)院20化工原3-2 沉降分離旋風(fēng)分離器的阻力損失 旋風(fēng)分離器的特點(diǎn)：流量大、壓頭低。(1) 氣體的膨脹或壓縮引起的不可逆機(jī)械能損失；(2) 消耗于氣流旋轉(zhuǎn)的加速度損失；(3) 摩擦阻力損失以及各個(gè)部位的局部阻力損失等。阻力系數(shù) 主要由旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)決定。常用型號(hào)的旋風(fēng)分離器 值在 5.08.0 之間；入口氣速，分離效率，但阻力，不經(jīng)濟(jì)。壓降一般控制在 0.52kPa 左右(入口氣速 15

9、25m/s)，采取縮小直徑、多臺(tái)并聯(lián)的方式滿足分離效率與大氣量的要求。 材料與化學(xué)工程學(xué)院21化工原理3-2 沉降分離旋風(fēng)分離器的阻力損失 旋風(fēng)分離器的特點(diǎn)：3-2 沉降分離五、旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)和形式改進(jìn)目的：提高分離效率、降低壓強(qiáng)降 采用細(xì)而長(zhǎng)的器身減小渦流的影響 采用帶有旁路分離室或采用異形進(jìn)氣管的旋風(fēng)分離器可以改善上渦流的影響 材料與化學(xué)工程學(xué)院22化工原理3-2 沉降分離五、旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)和形式改進(jìn)目的：提高分3-3 過(guò)濾3-3-1 過(guò)濾操作的基本概念一 、過(guò)濾方式推動(dòng)力：重力、壓力差、慣性離心力餅層過(guò)濾：架橋現(xiàn)象濾餅過(guò)濾深床過(guò)濾：不形成濾餅，顆粒沉積于較厚的床層內(nèi)部過(guò)濾的兩種方式特

10、性：多孔性介質(zhì) 要求：耐腐蝕、耐熱、足夠的機(jī)械強(qiáng)度。織物介質(zhì)：最小直徑為565m；堆積介質(zhì)：深床過(guò)濾多孔性固體介質(zhì)：如素瓷板或管、燒結(jié)金屬等;能攔截直徑為13m的小顆粒。二、過(guò)濾介質(zhì)：材料與化學(xué)工程學(xué)院23化工原理3-3 過(guò)濾3-3-1 過(guò)濾操作的基本概念一 、過(guò)濾方3-3 過(guò)濾三 、濾餅的壓縮性和助濾劑 可壓縮濾餅 不可壓縮濾餅助濾劑：要求：剛性顆粒；化學(xué)穩(wěn)定性；不可壓縮性常用：不可壓縮的粉狀或纖維狀固體如硅藻土、纖維粉末、活性炭、石棉。使用：可預(yù)涂，也可以混入待濾的濾漿中一起過(guò)濾。材料與化學(xué)工程學(xué)院24化工原理3-3 過(guò)濾三 、濾餅的壓縮性和助濾劑 可壓縮濾餅 3-3 過(guò)濾3-3-2 過(guò)濾

11、基本方程式一、濾液通過(guò)餅層的流動(dòng)床層的簡(jiǎn)化物理模型顆粒床層中不規(guī)則的通道長(zhǎng)度 le 平行細(xì)管原則：流通截面積=床層自由截面積 、細(xì)管表面積=床層表面積材料與化學(xué)工程學(xué)院25化工原理3-3 過(guò)濾3-3-2 過(guò)濾基本方程式一、濾液通過(guò)餅層3-3 過(guò)濾對(duì)并聯(lián)管路： 固定床流動(dòng)摩擦系數(shù)床層雷諾數(shù)材料與化學(xué)工程學(xué)院26化工原理3-3 過(guò)濾對(duì)并聯(lián)管路： 固定床流動(dòng)摩擦系數(shù)床層雷3-3 過(guò)濾K 康采尼常數(shù)，= 5.0 康采尼（Kozeny）方程歐根（Ergun）關(guān)聯(lián)式：Reb=（0.17420）與管內(nèi) Re 關(guān)系不同的是， Reb 的變化是一條連續(xù)光滑曲線，說(shuō)明流體在顆粒床層中由滯流到湍流是漸變過(guò)程，這反映

12、了顆粒床層對(duì)流體速度分布的均化作用。 歐根 (Ergun) 方程材料與化學(xué)工程學(xué)院27化工原理3-3 過(guò)濾K 康采尼常數(shù)，= 5.0 康采尼3-3 過(guò)濾Reb 2.8 (Rep 280過(guò)濾 Reb2，采用Kozeny方程進(jìn)行描述，K值可取為5 過(guò)濾速度二、過(guò)濾速率材料與化學(xué)工程學(xué)院28化工原理3-3 過(guò)濾Reb 2.8 (Rep 10)Reb 3-3 過(guò)濾三、濾餅的阻力比阻：濾餅阻力：四、過(guò)濾介質(zhì)的阻力過(guò)濾介質(zhì)上、下游兩側(cè)的壓強(qiáng)差，pa過(guò)濾介質(zhì)的阻力，1/m材料與化學(xué)工程學(xué)院29化工原理3-3 過(guò)濾三、濾餅的阻力比阻：濾餅阻力：四、過(guò)濾介質(zhì)的阻3-3 過(guò)濾五、過(guò)濾基本方程式令故：獲得單位體積濾

13、液時(shí)，被截留在過(guò)濾介質(zhì)上的濾餅體積為（m3濾餅/m3濾液）材料與化學(xué)工程學(xué)院30化工原理3-3 過(guò)濾五、過(guò)濾基本方程式令故：獲得單位體積濾液時(shí)，3-3 過(guò)濾-過(guò)濾基本方程過(guò)濾常數(shù)則有：3-3-3 恒壓過(guò)濾恒定壓強(qiáng)差:, V, L,過(guò)濾速率逐漸變小。對(duì)一定的懸浮液，K可視為常數(shù)。則:材料與化學(xué)工程學(xué)院31化工原理3-3 過(guò)濾-過(guò)濾基本方程過(guò)濾常數(shù)則有：3-3-3-3 過(guò)濾 3-3-4 恒速過(guò)濾和先恒速后恒壓過(guò)濾特點(diǎn)：過(guò)濾速率為常數(shù)，K不為常數(shù)一、恒速過(guò)濾材料與化學(xué)工程學(xué)院32化工原理3-3 過(guò)濾 3-3-4 恒速過(guò)濾和先恒速后恒壓過(guò)濾特3-3 過(guò)濾二、先恒速后恒壓過(guò)濾恒速過(guò)濾的時(shí)間為R，得濾液V

14、R，恒速結(jié)束的壓差為PR。RV(dV/d) P材料與化學(xué)工程學(xué)院33化工原理3-3 過(guò)濾二、先恒速后恒壓過(guò)濾恒速過(guò)濾的時(shí)間為R，得濾3-3 過(guò)濾3-3-5 過(guò)濾常數(shù)的測(cè)定一、恒壓下K、qe、e的測(cè)定斜率K,截距qe材料與化學(xué)工程學(xué)院34化工原理3-3 過(guò)濾3-3-5 過(guò)濾常數(shù)的測(cè)定一、恒壓下K、q3-3 過(guò)濾二、壓縮性指數(shù)s的測(cè)定3-3-6 濾餅的洗滌特點(diǎn)：洗滌推動(dòng)力、阻力不變，洗滌速度為常數(shù) 材料與化學(xué)工程學(xué)院35化工原理3-3 過(guò)濾二、壓縮性指數(shù)s的測(cè)定3-3-6 濾餅的洗滌3-3 過(guò)濾洗滌時(shí)間w 洗滌速度與過(guò)濾終了速度的關(guān)系推動(dòng)力相等材料與化學(xué)工程學(xué)院36化工原理3-3 過(guò)濾洗滌時(shí)間w

15、洗滌速度與過(guò)濾終了速度的關(guān)系3-3 過(guò)濾3-3-7 過(guò)濾設(shè)備以壓力差為推動(dòng)力：如葉濾機(jī)、板框壓濾機(jī)、回轉(zhuǎn)真空過(guò)濾機(jī)等；以離心力為推動(dòng)力：如各種離心機(jī)一、板框過(guò)濾機(jī)結(jié)構(gòu):濾框、濾板（洗滌板、過(guò)濾板）材料與化學(xué)工程學(xué)院37化工原理3-3 過(guò)濾3-3-7 過(guò)濾設(shè)備以壓力差為推動(dòng)力：如葉3-3 過(guò)濾操作特點(diǎn)生產(chǎn)能力單位時(shí)間獲得的濾液量其中：洗滌速率操作條件與過(guò)濾終了相同，則：間隙操作，操作循環(huán)：過(guò)濾、洗滌、卸渣、整理重裝構(gòu)成材料與化學(xué)工程學(xué)院38化工原理3-3 過(guò)濾操作特點(diǎn)生產(chǎn)能力單位時(shí)間獲得的濾液量其中：3-3 過(guò)濾二、葉濾機(jī)三、轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)筒筒的側(cè)壁上覆蓋有金屬網(wǎng)，長(zhǎng)、徑之比約為1/22；

16、濾布蒙在筒外壁上；分配頭轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)、固定盤(pán) 浸沒(méi)于濾漿中的過(guò)濾面積約占全部面積的3040%；轉(zhuǎn)速為0.1至23（轉(zhuǎn)/分）。材料與化學(xué)工程學(xué)院39化工原理3-3 過(guò)濾二、葉濾機(jī)三、轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)筒筒的3-3 過(guò)濾操作特點(diǎn)連續(xù)操作，過(guò)濾、洗滌、吹松、刮渣等構(gòu)成。置換洗滌：Lw=L生產(chǎn)能力Q：其中：浸沒(méi)分?jǐn)?shù)，則忽略介質(zhì)阻力時(shí)：材料與化學(xué)工程學(xué)院40化工原理3-3 過(guò)濾操作特點(diǎn)連續(xù)操作，過(guò)濾、洗滌、吹松、刮渣等構(gòu)3-3 過(guò)濾例.在3105Pa的壓強(qiáng)差下對(duì)鈦白粉在水中的懸浮液進(jìn)行過(guò)濾實(shí)驗(yàn)，測(cè)得過(guò)濾常數(shù)K=5 10 5m2/S、qe=0.01m3/m2，又測(cè)得濾餅體積和濾液體積之比為v=0.08?，F(xiàn)擬用

17、有38個(gè)框的BMY50/810-25型的板框壓濾機(jī)處理該料漿，過(guò)濾的推動(dòng)力及濾布與實(shí)驗(yàn)相同。求：1）過(guò)濾至框內(nèi)全部充滿濾餅所需要的時(shí)間；2）過(guò)濾完畢，用0.1倍濾液量的清水進(jìn)行洗滌。洗滌時(shí)間是多少；3）若每次卸渣、重裝等全部輔助操作時(shí)間為15min，以濾餅計(jì)的每臺(tái)過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力是多少。解：1）過(guò)濾時(shí)間材料與化學(xué)工程學(xué)院41化工原理3-3 過(guò)濾例.在3105Pa的壓強(qiáng)差下對(duì)鈦白粉在水中的3-3 過(guò)濾3）生產(chǎn)能力材料與化學(xué)工程學(xué)院42化工原理3-3 過(guò)濾3）生產(chǎn)能力材料與化學(xué)工程學(xué)院42化工原理復(fù)習(xí)1.基本概念顆粒特性（體積、表面積、比表面積、形狀系數(shù)）、顆粒群的性質(zhì)（篩分分析、分布函數(shù)、密度函數(shù)、平均直徑、密度）、床層特性（空隙率、比表面積、各向同性）、沉降操作（重力沉降、離心沉降；自由沉降、干擾沉降；沉降速度及影響因素）；離心分離因素；旋風(fēng)分離器的臨界直徑及影響因素降、分離效率、壓降；塵室的特點(diǎn)；過(guò)濾基本概念，過(guò)濾基本方程、比阻、過(guò)濾速率、恒壓過(guò)濾、恒速過(guò)濾、先恒速后恒壓過(guò)濾；濾餅洗滌、洗滌速率；板框壓濾機(jī)、葉濾機(jī)、轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)的特點(diǎn)；生產(chǎn)能力及