化工原理多媒體課件

化工原理多媒體課件淮陰工學院生命科學與化學工程學院3.1概述3.2顆粒及顆粒床層的特性3.3沉降分離3.4過濾3.5離心機3.6固體流態(tài)化第三章非均相物系的分離和固體流態(tài)化Separations

ofHeterogeneousMixtureandFluidizationofSolids3.1概述Overview1混合物分類均相混合物（homogeneousmixture）溶液，混合氣體非均相混合物（heterogeneousmixture）氣態(tài)：含塵氣體、含霧氣體液態(tài)：懸浮液、乳濁液、泡沫液2非均相混合物的分離方法機械分離（mechanicalseparation）依靠外力使分散相與連續(xù)相發(fā)生相對運動外力：重力，離心力，壓力上頁下頁3.1概述顆粒相對于流體運動氣固系統(tǒng)沉降分離：重力沉降、離心沉降液固系統(tǒng)增濃：重力增稠器，離心沉降乳濁液：離心分離機流體相對于顆粒床層運動液固系統(tǒng)過濾：重力過濾、加壓（真空）過濾、離心過濾上頁下頁3.1概述4機械分離目的回收有價值的分散組分凈化分散介質環(huán)境保護和安全生產上頁下頁返回3.2顆粒及顆粒床層的特性CharacterizationofParticlesandParticulateBeds3.2.1顆粒的特性3.2.2顆粒床層的特性3.2.3流體通過床層流動的壓降上頁下頁返回3.2.1顆粒的特性1單一顆粒特性1）球形顆粒2）非球形顆粒（1）體積當量直徑上頁下頁（2）形狀系數(shù)（球形度）非球形顆粒需要兩個參數(shù)描述其性質上頁下頁3.2.1顆粒的特性2顆粒群的特性1）粒度分布篩分：泰勒標準篩累計分布函數(shù)曲線和頻率分布函數(shù)曲線平均比表面積粒徑2）粒子的平均粒徑上頁下頁返回3.2.1顆粒的特性1床層空隙率2床層的比表面積3床層的自由截面積各向同性：自由截面等于床層孔隙率壁效應：流體分布不均勻上頁下頁3.2.2顆粒床層的特性返回1床床層的簡簡化模型型（物理理模型））長度L，當量直徑徑deb的一組平平行細管管細管的全全部流動動空間等等于顆粒粒床層的的空隙容容積細管的內內表面積積等于顆顆粒床層層的全部部表面積積上頁下頁3.2.3流流體通通過床層層流動的的壓降2流體體通過床床層壓降降的數(shù)學學描述上頁下頁3.2.3流流體通通過床層層流動的的壓降3模型型參數(shù)的的實驗測測定（參參數(shù)估計計）（1））康采采尼實實驗結結果（（層流流）上頁下頁3.2.3流流體體通過過床層層流動動的壓壓降（2））歐根根實驗驗結果果上頁下頁3.2.3流流體體通過過床層層流動動的壓壓降例3－－1在在橫截截面積積為1m2的固定定床反反應器器中裝裝填直直徑d=3mm、高度等等于直直徑的的圓柱柱形催催化劑劑1m3。催化劑劑的質質量G=980kg，其真密密度s=1760kg/m3。試求（（1））催化化劑的的當量量直徑徑de、球形度度s、床層孔孔隙率率及及比表表面積積ab；（2）20oC的空氣氣從下下向上上通過過催化化劑層層，空空塔速速度u=0.2m/s，，空氣流流經催催化劑劑床層層的壓壓降返回下頁上頁3.2.3流流體體通過過床層層流動動的壓壓降3.3沉沉降降分離離SedimentationSeparations定義：：在外外力場場作用用下，，利用用分散散相和和連續(xù)續(xù)相之之間的的密度度差，，使之之發(fā)生生相對對運動動而實實現(xiàn)非非均相相混合合物分分離的的操作作。分類：：重力沉沉降，，離心心沉降降自由沉沉降，，干擾擾沉降降剛性球球形顆顆粒的的自由由沉降降3.3.1重重力力沉降降3.3.2離心沉沉降下頁上頁返回1沉沉降降速度度1）球球形顆顆粒的的自由由沉降降重力：：浮力：：阻力：：上頁下頁3.3.1重重力力沉降降GravitySedimentation沉降過過程：：加速速段，，恒速速段沉降速速度2）阻阻力系系數(shù)上頁下頁3.3.1重重力力沉降降層流區(qū)區(qū)，斯斯托克克斯公公式過渡區(qū)區(qū)，艾艾倫公公式湍流區(qū)區(qū)，牛牛頓公公式上頁下頁3.3.1重重力力沉降降3）影影響沉沉降速速度的的因素素流體粘度：：表面曳力力，形體曳曳力顆粒的體積積分數(shù)：小小于0.2%器壁效應顆粒形狀的的影響，注注意微細顆顆粒4）沉降速速度的計算算（1）試差差法，假設設為某一區(qū)區(qū)，然后驗驗證。（2）摩擦擦數(shù)群法上頁下頁3.3.1重力力沉降已知顆粒直直徑求沉降降速度已知沉降速速度求顆粒粒直徑上頁下頁3.3.1重力力沉降（3）無因因次判據法法（適用于于已知粒徑徑求速度））層流區(qū)過渡區(qū)湍流區(qū)上頁下頁3.3.1重力力沉降例3－2試試計算算直徑為95m、密度為3000kg/m3的固體顆粒粒分別在20oC的空氣和水水中的自由由沉降速度度。2重力力沉降設備備1)降塵室（1）單層層降塵室上頁下頁3.3.1重力力沉降要求層流，，氣速一般般小于1m/s，可除去大于于50μm的顆粒位于降塵室室最高點的的顆粒沉降降至底室需需要的時間間氣體通過降降塵室的時時間上頁下頁3.3.1重力力沉降（2）多層層降塵室隔板間距：：40－100mm3.3.1重力力沉降下頁上頁降塵室可以以完全除去去的最小顆顆粒直徑，，假設在層層流區(qū)，沉沉降速度：：流動阻力小小，分離50m的粗顆粒，，作預除塵塵流體處于層層流區(qū)上頁下頁3.3.1重力力沉降上頁下頁3.3.1重力力沉降例3－－3擬擬采采用用降降塵塵室室回回收收常常壓壓爐爐氣氣中中所所含含的的球球形形固固體體顆顆粒粒。。降降塵塵室室底底面面積積為為10m2，寬和和高高均均為為2m。。操作作條條件件下下，，氣氣體體的的密密度度為為0.75kg/m3，粘度度為為2.6×10-5Pa.s；；固體體的的密密度度為為3000kg/m3；降塵塵室室的的生生產產能能力力為為3m3/s。。試求求（（1））理理論論上上能能完完全全捕捕集集下下來來的的最最小小顆顆粒粒直直徑徑；；（（2））粒粒徑徑為為40m的顆顆粒粒的的回回收收百百分分率率；；（（3））如如欲欲完完全全回回收收直直徑徑為為10m的塵塵粒粒，，在在原原降降塵塵室室內內需需設設置置多多少少層層水水平平隔隔板板？？上頁頁下頁頁3.3.1重重力力沉沉降降2））沉沉降降槽槽結構構與與操操作作作用提高懸浮液濃濃度得到澄清液體體上頁下頁3.3.1重重力沉降降3）分級器不同粒度的顆顆粒進行分離離不同密度的顆顆粒進行分離離上頁下頁返回3.3.1重重力沉降降1慣性離離心力作用下下的沉降速度度上頁下頁3.3.2離離心沉降降CentrifugalSedimentation層流區(qū)離心分離因數(shù)數(shù)例：已知旋轉轉半徑R＝0.4m，切向速度u=20m/s。則離心分離因數(shù)數(shù)：上頁下頁3.3.2離離心沉降降重力沉降與離離心沉降比較較1形式：重重力加速度，，離心加速度度2方向：垂垂直向下，背背離旋轉中心心3性質：常常數(shù)，與R有關上頁下頁3.3.2離離心沉降降2旋風分分離器操作原原理上頁下頁3.3.2離離心沉降降旋風分離器實實物圖上頁下頁3.3.2離離心沉降降上頁下頁3.3.2離離心沉降降3旋風分分離器性能1）臨界粒徑徑螺旋等速運動動，切向速度度等于進口氣氣速顆粒穿過整個個進氣寬度B到達壁面顆粒處于層流流區(qū)，自由沉沉降顆粒沉降速度度沉降時間上頁下頁3.3.2離離心沉降降氣體停留時間間臨界粒徑2）分離效率率總效率上頁下頁3.3.2離離心沉降降粒級效率分割粒徑總效率與粒級級效率上頁下頁3.3.2離離心沉降降3）壓強降上頁下頁3.3.2離離心沉降降范圍：500－2000Pa例3－5用用如圖3－－7所示的標標準旋風分離離器出去氣流流中所含固體體顆粒。已知知固體密度為為1100kg/m3，顆粒直徑為4.5m；氣體密度為1.2kg/m3，粘度為1.8×10-5Pa.s，流量為0.4m3/s；允許壓強降為為1780Pa。試估算采用以以下方案時的的設備尺寸及及分離效率。。（1）一臺臺旋風分離器器；（2）四四臺相同的旋旋風分離器串串聯(lián)（3）四四臺相同的旋旋風分離器并并聯(lián)。上頁下頁3.3.2離離心沉降降例3－6采采用圖3－－7所示的標標準旋風分離離器出去氣流流中的塵粒，，分離器的曲曲線見圖3－－9。已根據據設備尺寸、、操作條件及及系統(tǒng)物性估估算出分割粒粒徑d50=5.7m，求除塵總效率率。上頁下頁3.3.2離離心沉降降4旋風分分離器的結構構型式與選用用結構形式XLT/A型傾斜螺旋面進進口XLP型旁路分離室，，蝸殼進口，，在頂蓋以下下擴散式上小下大，設設有擋灰盤選用選擇型號計算流量、分分離效率、允允許的壓強降降確定尺寸與個個數(shù)上頁下頁3.3.2離離心沉降降返回3.4過過濾Filtration3.4.1基基本概念念3.4.2過過濾基本本方程式3.4.3恒恒壓過濾濾3.4.4恒恒速過濾濾與先恒速后后恒壓過濾3.4.5過過濾常數(shù)數(shù)的測定3.4.6過過濾設備備3.4.7濾濾餅的洗洗滌3.4.8過過濾機的的生產能力上頁下頁返回回3.4.1過過濾濾操操作作的的基基本本概概念念1過過濾濾使懸懸浮浮液液中中的的液液體體通通過過過過濾濾介介質質的的孔孔道道，，而而固固體體顆顆粒粒被被截截留留在在介介質質上上。。2過過濾濾方方式式餅層層過過濾濾深床床過過濾濾錯流流過過濾濾（（膜膜分分離離））3過過濾濾介介質質濾布布：：餅餅層層過過濾濾堆積積介介質質：：深深床床過過濾濾多孔孔固固體體介介質質：：超超濾濾、、微微濾濾下頁頁上頁頁3.4.1過過濾濾操操作作的的基基本本概概念念4濾濾餅餅的的壓壓縮縮性性可壓壓縮縮濾濾餅餅不可可壓壓縮縮濾濾餅餅5助助濾濾劑劑方法法：：預預涂涂，，預預混混要求求：：剛剛性性，，化化學學穩(wěn)穩(wěn)定定性性，，不不會會污污染染濾濾液液種類類：：硅硅藻藻土土，，珍珍珠珠巖巖，，石石棉棉，，炭炭粉粉，，紙紙漿漿粉粉等等。。下頁頁上頁頁返回回3.4.2過過濾濾基基本本方方程程式式1濾濾液液通通過過餅餅層層的的流流動動1））濾濾液液通通過過濾濾餅餅層層流流動動的的特特點點細小小曲曲折折，，網網狀狀結結構構非穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)操操作作流動動處處于于層層流流區(qū)區(qū)2））數(shù)數(shù)學學描描述述上頁頁下頁頁2過過濾濾速速率率和和過過濾濾速速度度過濾濾速速度度過濾濾速速率率上頁頁下頁頁3.4.2過過濾濾基基本本方方程程式式3濾餅餅的的阻阻力力對于于不不可可壓壓縮縮濾濾餅餅定義義濾濾餅餅的的比比阻阻，，單單位位：：1/m2（常數(shù)）比阻的意意義：粘粘度為1Pa.s的濾液以以1m/s的平均速速度通過過厚度為為1m的濾餅層層時所產產生的壓壓強降。。床層空隙隙率越小小，顆粒粒的比表表面積越越大，阻阻力越大大濾餅阻力力，1/m（與濾餅厚厚度L成正比））上頁下頁3.4.2過過濾基基本方程程式4過過濾介質質的阻力力過濾介質質的阻力力一般為為常數(shù)上頁下頁3.4.2過過濾基基本方程程式Le：過濾介質質的當量量濾餅厚厚度或虛虛擬濾餅餅厚度，，m。例3－8直直徑為0.1mm的球形顆顆粒狀物物質懸浮浮于水中中，用過過濾方法法予以分分離。過過濾時形形成不可可壓縮濾濾餅，其其空隙率率為60％，試試求濾餅餅的比阻阻r。又知此懸懸浮液中中固相所所占的體體積分數(shù)數(shù)為10％，求求每平方方米過濾濾面積上上獲得0.5m3濾液時的的濾餅阻阻力R。上頁下頁3.4.2過過濾基基本方程程式5過過濾基本本方程式式設獲得1m3濾液所形形成的濾濾餅體積積為υm3Ve：虛擬濾液體積積上頁下頁3.4.2過過濾基本本方程式注意：操作條條件一定、過過濾介質一定定、懸浮液一一定，虛擬濾濾液體積為定定值?？蓧嚎s濾餅S為濾餅的壓縮縮性指數(shù)，無無因次。S=0~1,不可壓縮s=0.過濾基本方程程式上頁下頁3.4.2過過濾基本本方程式返回過濾方程式的的建立k：表征過濾物料料特性的常數(shù)數(shù)上頁下頁3.4.3恒恒壓過濾濾constant-pressurefiltration虛擬過濾階段段有效過濾階段段上頁下頁3.4.3恒恒壓過濾濾忽略過濾介質質阻力過濾常數(shù)K單位：m2/s上頁下頁3.4.3恒恒壓過濾濾例3－9擬擬在9.81×103Pa的恒定壓強差差下過濾例3-8中的懸懸浮液。已知知水的粘度為為1.0×10-3Pa.s，過濾介質阻力力可以忽略，，試求：（1）每平方方米過濾面積積上獲得1.5m3濾液所需的過過濾時間；（（2）若將此此過濾時間延延長一倍，可可再得濾液多多少？上頁下頁3.4.3恒恒壓過濾濾返回1恒速過過濾constant-ratefiltration濾液量與時間間關系上頁下頁3.4.4恒恒速過濾濾與先恒速后后恒壓過濾壓強差與時間間關系對于不可壓縮縮濾餅上頁下頁3.4.4恒恒速過濾濾與先恒速后后恒壓過濾2先恒速速后恒壓上頁下頁3.4.4恒恒速過濾濾與先恒速后后恒壓過濾例3－10在在0.04m2的過濾面積上上，以1×10－4m3/s的速率對不可可壓縮的濾餅餅進行過濾實實驗，測得的的兩組數(shù)據列列于本題附表表1中。今欲欲在框內尺寸寸為635mm×635mm×60mm的板框過濾機機內處理同一一料漿，所用用濾布與實驗驗時的相同。。過濾開始時時，以與實驗驗相同的濾液液流速進行恒恒速過濾，至至過濾壓強差差達到6×104Pa時改為恒壓操操作。每獲得得1m3濾液所生成的的濾餅體積為為0.02m3。試求框內充滿滿濾餅所需的的時間。上頁下頁3.4.4恒恒速過濾濾與先恒速后后恒壓過濾返回1恒壓下K、qe、θe的測定上頁下頁3.4.5過過濾常數(shù)數(shù)的測定2壓縮指指數(shù)s與物料特性常常數(shù)k的測定例3－11在在25下下對每升水中中含25g某種顆粒的懸懸浮液進行了了三次過濾實實驗，所得數(shù)數(shù)據見本例附附表1。試求求（1）各壓壓差下的過濾濾常數(shù)；（2）壓縮性指指數(shù)s上頁下頁3.4.5過過濾常數(shù)數(shù)的測定3.4.5過過濾常數(shù)數(shù)的測定下頁上頁3.4.5過過濾常數(shù)數(shù)的測定返回下頁上頁1板框壓壓濾機plate-and-framepressfilter結構與操作上頁下頁3.4.6過過濾設備備板、框排列方方式：1－2－3－2－－1－2－3－2－1上頁下頁3.4.6過過濾設備備3.4.6過過濾設備備下頁上頁上頁下頁3.4.6過過濾設備備2加壓葉葉濾機pressureleaffilter上頁下頁3.4.6過濾濾設備3轉筒筒真空過濾濾機drumvacuumfilter結構與工作作原理上頁下頁3.4.6過濾濾設備轉筒及分配配頭的結構構1－7格：：過濾區(qū)，，8－10格：吸干干區(qū)，11格：不工工作，12－－13格：：洗滌區(qū)，，14格：：吸干區(qū)，，15格：：不工作，16－17格：吹松松區(qū)，18格：不工工作。上頁下頁3.4.6過濾濾設備返回1洗滌滌速率與洗洗滌時間2洗滌滌速率與過過濾速率葉濾機：置置換洗滌法法上頁下頁3.4.7濾餅餅的洗滌板框壓濾機機：橫穿洗洗滌法上頁下頁3.4.7濾餅餅的洗滌操作條件不不同時的校校正3.4.7濾餅餅的洗滌下頁上頁返回1間歇歇過濾機的的生產能力力操作步驟：：過濾、洗洗滌、卸渣渣、清理。。例3－12對例例3－11中的懸浮浮液用有26個框的的BMS20/635-25板框壓濾機機進行過濾濾。在過濾濾機入口處處濾漿的表表壓為3.39×105Pa，所用濾布與與實驗時的的相同，漿漿料溫度仍仍為25oC。每次過濾完完畢用清水水洗滌濾餅餅，洗水溫溫度及表壓壓與濾漿相相同而洗水水體積為濾濾液體積的的8％。每每次卸渣、、清理、裝裝合等輔助助操作時間間為15min。已知固相密密度為2930kg/m3，又測得濕餅餅密度為1930kg/m3。求此板框壓壓濾機的生生產能力。。上頁下頁3.4.8過濾濾機的生產產能力2連續(xù)續(xù)過濾機的的生產能力力浸沒度轉鼓旋轉一一周時間過濾時間3.4.8過濾濾機的生產產能力上頁下頁轉筒旋轉一一周獲得的的濾液量生產能力濾布阻力忽忽略時上頁下頁3.4.8過濾濾機的生產產能力例3－13用轉轉筒真空過過濾機過濾濾某種懸浮浮液，料漿漿處理量為為20m3/h，已知每得1m3濾液可得濾濾餅0.04m3，要求轉筒的的浸沒角為為0.35，過濾表表面上濾餅餅厚度不低低于5mm。試求過濾機機的過濾面面積A和轉筒的轉轉速n。3.4.8過濾濾機的生產產能力下頁上頁返回3.6固固體流流態(tài)化FluidizationofSolids3.6.1流態(tài)態(tài)化的基本本概念3.6.2流化化床的主要要特征3.6.3流化化床的操作作范圍3.6.4提高高流化質量量的措施3.6.5氣力力輸送簡介介下頁上頁返回1流態(tài)態(tài)化現(xiàn)象概念：大量量固體顆粒粒懸浮于流流體中，并并作翻滾運運動，類似似于液體的的沸騰應用：強化化傳熱、傳傳質，化學學反應，物物理加工，，顆粒輸送送等過程固定床階段段流化床階段段氣力輸送（（液力輸送送）上頁下頁頁3.6.1流流態(tài)態(tài)化化的的基基本本概概念念流態(tài)態(tài)化化過過程程圖圖示示a圖：：固固定定床床，，b圖：：流流化化開開始始，，c圖：：散散式式流流化化d圖：：聚聚式式流流化化，，e圖：：固固體體輸輸送送。。上頁頁下頁頁3.6.1流流態(tài)態(tài)化化的的基基本本概概念念返回回1恒恒定定的的壓壓強強降降1））理理想想流流化化床床的的壓壓強強降降（1））固固定定床床階階段段上頁頁下頁頁3.6.2流流化化床床的的主主要要特特征征（2））流流化化床床階階段段（3））氣氣流流輸輸送送階階段段上頁頁下頁3.6.2流流化化床的的主要要特征征2）實實際流流化床床的壓壓強降降3.6.2流流化化床的的主要要特征征上頁下頁固定床床→流化床床，沿沿ABCDE，出現(xiàn)駝駝峰BCD，反向沿沿EDC’A’，，沒有駝駝峰。。C’點為臨臨界點點，對對應臨臨界流流化速速度，，臨界界空隙隙率流化床床特點點：表表觀流流速增增加，，床層層高度度增加加，床床層空空隙率率增加加，壓壓強降降基本本不變變，實實際速速度基基本不不變2類類似似液體體的特特點輕物浮浮起表面水水平顆粒噴噴出床面拉拉平壓強降降上頁下頁3.6.2流流化化床的的主要要特征征3流流化化床中中的兩兩相流流動顆粒、、流體體上下下往復復循環(huán)環(huán)流動動顆粒、、流體體的軸軸向混混合溫度、、濃度度均勻勻，促促進反反應，，但傳傳熱、、傳質質推動動力下下降4流流化化床的的不正正常現(xiàn)現(xiàn)象1）騰騰涌現(xiàn)現(xiàn)象氣泡合合并，，壓強強降波波動2）溝溝流現(xiàn)現(xiàn)象氣體短短路，，壓強強降低低于正正常值3.6.2流流化化床的的主要要特征征下頁上頁返回1臨臨界流流化速速度1）實實測法法2）計計算法法上頁下頁3.6.3流流化化床的的操作作范圍圍3.6.3