化工原理(第四版)譚天恩第三章機械分離與固體流態(tài)化

目錄第三章機械分離與固體流態(tài)化第一節(jié) 篩分一、顆粒的特性二、顆粒群的特性三、篩分第二節(jié)沉降分離一、沉降原理二、沉降設(shè)備1化工原理》電子教案/目錄目錄第三節(jié)過濾一、概述二、過濾基本方程三、過濾常數(shù)的測定四、濾餅洗滌五、過濾設(shè)備及過濾計算習(xí)題課2化工原理》電子教案/目錄目錄第四節(jié)離心分離第五節(jié)固體流態(tài)化一、什么是流態(tài)化二、流化床的兩種形態(tài)三、流化床的主要特性小結(jié)3化工原理》電子教案/目錄第三章機械分離與固體流態(tài)化分離

懸浮液-----固-液混合物乳濁液-----液-液混合物含塵氣體----氣-固混合物

含霧氣體----氣-液混合物------篩分、沉降、過濾------將在下冊中介紹4第一節(jié) 篩分一、顆粒的特性----分離固體顆粒群大?。剑┬螤畋砻娣e球形顆粒

非球形顆粒

直徑dp

當(dāng)量直徑，如體積當(dāng)量直徑

deV球形度

5第一節(jié) 篩分二、顆粒群的特性粒度分布-----頻率分布曲線（見下圖）、累計分布曲線(如圖3-1所示)。頻率分布曲線6二、顆粒群的特性平均直徑表面積平均直徑

----每個顆粒平均表面積等于全部顆粒的表面積之

和除以顆粒的總數(shù)長度平均直徑體積平均直徑

----每個顆粒平均體積等于全部顆粒的體積之

和除以顆粒的總數(shù)體積表面積平均直徑

----每個顆粒的平均比表面積等于全部顆粒的

比表面積平均值7三、篩分泰勒（Tyler）標(biāo)準篩------其篩孔大小以每英寸長度篩網(wǎng)上的孔數(shù)表示，稱為“目”。例如100目的篩即指每英寸篩網(wǎng)上有100個篩孔。目數(shù)越大，篩孔越小。篩網(wǎng)用金屬絲制成，孔類似正方形。將幾個篩子按篩孔從大到小的次序從上到下疊置起來，最底下置一無孔的盤-----底盤。樣品加于頂端的篩上，搖動或振動一定的時間。通過篩孔的物料稱為篩過物，未能通過的稱為篩留物。篩留物的直徑等于相鄰兩號篩孔寬度的算術(shù)平均值，將篩留物取出稱重，可得樣品質(zhì)量分率分布曲線。標(biāo)準篩篩分返回目錄8第二節(jié)沉降分離一、沉降原理1、自由沉降極短，通常可以忽略該段的顆粒運動速度稱為沉降速度，用u0表示。加速段：等速段：浮力Fb

曳力FD

質(zhì)量力Fc顆粒在流體中沉降時受力---單個顆粒在無限流體

中的降落過程重力沉降速度：以球形顆粒為例

91、自由沉降Re0=du0/

1或2層流區(qū)如圖3-2中的實線所示。

----斯托克斯定律

作業(yè)：101、自由沉降離心沉降速度對照重力場離心加速度ar=2r=ut2/r不是常量沉降過程沒有勻速段，但在小顆粒沉降時，加速度很小，可近似作為勻速沉降處理顆粒受力：類似重力沉降速度推導(dǎo)，得：111、自由沉降Rer=dur/

1或2層流區(qū)對照重力場數(shù)值約為幾千～幾萬-----離心分離因數(shù)122、實際沉降由于干擾作用，實際沉降速度小于自由沉降速度。由于壁面效應(yīng)，實際沉降速度小于自由沉降速度。干擾沉降

非球形顆粒的沉降壁面效應(yīng)球形度越小，沉降速度越小；顆粒的位向?qū)Τ两邓俣纫灿杏绊憽?3二、沉降設(shè)備---用于除去>75m以上顆粒---用于除去>5～10m顆粒141．重力沉降設(shè)備降塵室則表明，該顆粒能在降塵室中除去。思考1：為什么氣體進入降塵室后，流通截面積要擴大？思考2：為什么降塵室要做成扁平的？結(jié)構(gòu)：除塵原理：為了增大停留時間。15降塵室思考3：要想使某一粒度的顆粒在降塵室中被100%除去，必須滿足什么條件？思考4：能夠被100%除去的最小顆粒，必須滿足什么條件？思考4：粒徑比dmin小的顆粒，被除去的百分數(shù)如何計算？16降塵室思考2：為什么降塵室要做成扁平的？可見，降塵室最大處理量與底面積、沉降速度有關(guān),而與降塵室高度無關(guān)。故降塵室多做成扁平的。

注意!!

降塵室內(nèi)氣體流速不應(yīng)過高，以免將已沉降下來的顆粒重新?lián)P起。根據(jù)經(jīng)驗，多數(shù)灰塵的分離，可取u<3m/s，較易揚起灰塵的，可取u<1.5m/s。最大處理量------能夠除去最小顆粒時的氣體流量Vs17降塵室降塵室優(yōu)、缺點結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備龐大、效率低只適用于分離粗顆粒(直徑75m以上)，或作為預(yù)分離設(shè)備。

作業(yè)：18增稠器（沉降槽）請點擊觀看動畫結(jié)構(gòu)：除塵原理：用于分離出液-固混合物與降塵室一樣，沉降槽的生產(chǎn)能力是由截面積來保證的，與其高度無關(guān)。故沉降槽多為扁平狀。

與降塵室相同19增稠器（沉降槽）屬于干擾沉降愈往下沉降速度愈慢-----愈往下顆粒濃度愈高，其表觀粘度愈大，對沉降的干擾、阻力便愈大；沉降很快的大顆粒又會把沉降慢的小顆粒向下拉，結(jié)果小顆粒被加速而大顆粒則變慢。有時顆粒又會相互聚結(jié)成棉絮狀整團往下沉，這稱為絮凝現(xiàn)象，使沉降加快。這種過程中的沉降速度難以進行理論計算，通常要由實驗決定。因固-液密度相差不是很懸殊，故較難分離，因此，連續(xù)沉降槽的直徑可以大到100m以上，高度卻都在幾米以內(nèi)。

特點：請點擊觀看動畫202．離心沉降設(shè)備旋風(fēng)分離器：請點擊觀看動畫結(jié)構(gòu)：除塵原理：含塵氣體以切線方向進入，速度為12～25ms-1，按螺旋形路線向器底旋轉(zhuǎn)，接近底部后轉(zhuǎn)而向上，成為氣芯，然后從頂部的中央排氣管排出。氣流中所夾帶的塵粒在隨氣流旋轉(zhuǎn)的過程中逐漸趨向器壁，碰到器壁后落下，自錐形底落入灰斗（未繪出）。上部為圓筒形，下部為圓錐形。

21旋風(fēng)分離器能夠從分離器內(nèi)100%分離出來的最小顆粒的直徑，用dc表示。其滿足：幾點假設(shè)：假設(shè)器內(nèi)氣體速度恒定，且等于進口氣速ui；假設(shè)顆粒沉降過程中所穿過的氣流的最大

厚度等于進氣口寬度B；假設(shè)顆粒沉降服從斯托克斯公式。uiui臨界粒徑＝22旋風(fēng)分離器結(jié)論：旋風(fēng)分離器越細、越長，dc越小N值與進口氣速有關(guān)，對常用形式的旋風(fēng)分離器，風(fēng)速1225ms-1范圍內(nèi)，一般可取N=34.5，風(fēng)速愈大，N也愈大。思考：從上式可見，氣體，入口B，氣旋圈數(shù)N

，進口氣速ui

，臨界粒徑越小，why？23旋風(fēng)分離器評價旋風(fēng)分離器性能的兩個主要指標(biāo)：小好，一般在5002000Pa左右24旋液分離器Why?特點：

與旋風(fēng)分離器相比，直徑小、錐形部分長。請點擊觀看動畫結(jié)構(gòu)：返回目錄25第三節(jié)過濾一、概述深層過濾這種過濾是在過濾介質(zhì)內(nèi)部進行的，介質(zhì)表面無濾餅形成。過濾用的介質(zhì)為粒狀床層或素?zé)ú簧嫌缘模┨沾赏不虬濉４朔ㄟm用于從液體中除去很小量的固體微粒，例如飲用水的凈化。26一、概述濾漿濾餅過濾介質(zhì)濾液----推動力：重力、壓力、離心力

濾餅過濾27一、概述濾漿濾餅過濾介質(zhì)濾液濾餅過濾工業(yè)用過濾介質(zhì)主要有：棉、麻、絲、毛、合成纖維、金屬絲等編織成的濾布。過濾介質(zhì)：多孔性介質(zhì)、耐腐蝕、耐熱并具有足夠的機械強度。28一、概述濾漿濾餅過濾介質(zhì)濾液濾餅過濾濾餅的壓縮性：

空隙結(jié)構(gòu)易變形的濾餅為可壓縮濾餅。

29一、概述濾漿濾餅過濾介質(zhì)濾液濾餅過濾使用時，可預(yù)涂，也可以混入待濾的濾漿中一起過濾。助濾劑能形成結(jié)構(gòu)疏松、而且?guī)缀跏遣豢蓧嚎s的濾餅。可改善原濾餅的可壓縮性和過于致密的缺點。助濾劑：----是顆粒細小、粒度分布范圍較窄、堅硬而懸浮性好

的顆粒狀或纖維固體，如硅藻土、纖維粉末、活性

炭、石棉。30二、過濾基本方程------濾液量V～過濾時間的關(guān)系----即為流速，單位時間內(nèi)通過單位過濾面積的濾液體積過濾速度u濾餅過濾過程中，濾餅逐漸增厚，流動阻力也隨之逐漸增大，所以過濾過程屬于不穩(wěn)定的流動過程。故

A31二、過濾基本方程------濾液量V～過濾時間的關(guān)系(1)細管長度le與床層高度L成正比(2)細管的內(nèi)表面積等于全部顆粒的表面積，

流體的流動空間等于床層中顆粒之間的全部空隙體積。1、過濾基本方程的推導(dǎo)簡化模型：假定：真實速度

u濾餅體積濾餅的比表面積顆粒的比表面積32二、過濾基本方程------濾液量V～過濾時間的關(guān)系濾餅內(nèi)，雷諾數(shù)很小，屬層流流動，------哈根-泊謖葉方程le、de表達式（見上頁）由質(zhì)量守恒得：濾餅截面積A33二、過濾基本方程△p2△p1u------濾液量V～過濾時間的關(guān)系思考：影響過濾阻力的因素有哪些？影響過濾速度的因素有哪些？34二、過濾基本方程------濾液量V～過濾時間的關(guān)系

設(shè)每獲得單位體積濾液時，被截留在過濾介質(zhì)上的濾餅體積為c（m3濾餅/m3濾液），則令濾餅濾液1c思考：濾餅中全是固體物嗎？壓縮指數(shù)0<s<1（可壓縮濾餅）s=0（不可壓縮濾餅）35二、過濾基本方程-----過濾基本方程過濾常數(shù)，由實驗測定△pu思考：影響K的因素有哪些？影響Ve或qe的因素有哪些？------濾液量V～過濾時間的關(guān)系36二、過濾基本方程------濾液量V～過濾時間的關(guān)系影響K的因素：影響qe或Ve

的因素：濾餅性質(zhì)（s、、a）濾漿性質(zhì)（c、）推動力（p）過濾介質(zhì)的性質(zhì)（孔的結(jié)構(gòu)、、r0、厚度）△pu37二、過濾基本方程------濾液量V～過濾時間的關(guān)系2、恒壓過濾△pu表觀速度特點：

K為常數(shù)

積分得：

或若過濾介質(zhì)阻力可忽略不計，則

或，過濾速度愈來愈小。恒壓過濾方程38三、過濾常數(shù)的測定恒壓時：logp~logK作圖求出壓縮指數(shù)s

/q~q圖39四、濾餅洗滌思考：洗滌阻力與哪些因素有關(guān)？與濾餅厚度、濾餅性質(zhì)、洗滌液粘度、介質(zhì)阻力有關(guān)

推動力、阻力不變洗滌速度為常數(shù)。思考：洗滌過程與過濾過程的有何異同？40四、濾餅洗滌若推動力相同，則：洗滌速度與過濾終了速度的關(guān)系?41五、過濾設(shè)備及過濾計算過濾設(shè)備

42五、過濾設(shè)備及過濾計算濾布洗板板框壓濾機框非洗板洗板1、板框壓濾機濾框、濾板結(jié)構(gòu)：請點擊觀看動畫濾框和濾板的左上角與右上角均有孔

431、板框壓濾機洗板板框壓濾機框非洗板洗板一個操作循環(huán)：過濾濾液流出懸浮液入口洗滌液流出洗滌液入口洗滌卸渣、整理重裝思考：對板框壓濾機，下式中V、Ve、A怎么取值？半個框的？一個框的？還是N個框的？均可。441、板框壓濾機屬間歇式特點：橫穿洗滌：Lw=2L，Aw=A/2洗板板框壓濾機框非洗板洗板洗滌液流出洗滌液入口451、板框壓濾機生產(chǎn)能力：

操作周期：

單位時間內(nèi)獲得的濾液量或濾餅量。其中：461、板框壓濾機最佳操作周期：

生產(chǎn)能力最大時的操作周期令dQ／dV=0可得：若過濾、洗滌的操作壓力相同濾液＝洗滌液w

介質(zhì)阻力忽略不計------最佳操作周期

472、葉濾機屬間歇式置換洗滌：Lw=L，Aw=A濾葉一個操作循環(huán)：過濾、洗滌、卸渣、整理重裝

特點：結(jié)構(gòu)：請點擊觀看動畫思考：對葉濾機，下式中V、Ve、A怎么取值？一個濾葉的？還是N個的？均可。482、葉濾機操作周期：

與板框機相同生產(chǎn)能力：

與板框機類似最佳操作周期：

與板框機相同493、轉(zhuǎn)筒真空過濾機置換洗滌：Lw=L，Aw=A屬連續(xù)式過濾、洗滌、吹松、刮渣轉(zhuǎn)筒---筒的側(cè)壁上覆蓋有金屬網(wǎng)，長、徑之比約為1/22，濾布---蒙在筒外壁上。分配頭---轉(zhuǎn)動盤、固定盤浸沒于濾漿中的過濾面積約占全部面積的3040%轉(zhuǎn)速為0.1至23（轉(zhuǎn)/分）

一個操作循環(huán)：特點：結(jié)構(gòu)：請點擊觀看動畫503、轉(zhuǎn)筒真空過濾機其中：操作周期：

生產(chǎn)能力：

思考：對轉(zhuǎn)筒真空過濾機，上式中V、Ve、A、怎么取值？按過濾區(qū)？還是按整個轉(zhuǎn)筒？均可。按整個轉(zhuǎn)筒?。篤，Ve，A，=T按過濾區(qū)?。篤，Ve，A，=T

浸沒分數(shù)（轉(zhuǎn)筒浸入面積占全部轉(zhuǎn)筒面積的分率）513、轉(zhuǎn)筒真空過濾機若介質(zhì)阻力忽略不計，則

可見：但這類方法受到一定的限制

52習(xí)題課【例】

某板框過濾機有5個濾框，框的尺寸為635635

25mm。過濾操作在20℃、恒定壓差下進行，過濾常數(shù)K=4.2410-5m2/s，qe=0.0201m3/m2，濾餅體積與濾液體積之比c=0.08m3/m3，濾餅不洗滌，卸渣、重整等輔助時間為10分鐘。試求框全充滿所需時間?，F(xiàn)改用一臺回轉(zhuǎn)真空過濾機過濾濾漿，所用濾布與前相同，過濾壓差也相同。轉(zhuǎn)筒直徑為1m，長度為1m，浸入角度為120。問轉(zhuǎn)鼓每分鐘多少轉(zhuǎn)才能維持與板框過濾機同樣的生產(chǎn)能力？假設(shè)濾餅不可壓縮。53以一個框為基準進行計算。濾液量

過濾面積再根據(jù)恒壓過濾方程得：K=4.2410-5m2/sqe=0.0201m3/m2思考：以5個框為基準，如何求解？【解】框全充滿所需時間？（框全充滿）54改用回轉(zhuǎn)真空過濾機后，壓差不變，故K不變；濾布不變，故qe不變。K=4.2410-5m2/s，qe=0.0201m3/m2過濾面積板框：設(shè)轉(zhuǎn)筒每分鐘轉(zhuǎn)n轉(zhuǎn)，則回轉(zhuǎn)真空過濾機生產(chǎn)能力回轉(zhuǎn)真空過濾機：轉(zhuǎn)鼓每分鐘多少轉(zhuǎn)才能維持與板框過濾機同樣的生產(chǎn)能力？55習(xí)題課作業(yè)：返回目錄56第四節(jié) 離心分離利用離心力分離非均相混合物。其設(shè)備除前述的旋風(fēng)（液）分離器外，還有離心機。返回目錄57第五節(jié)固體流態(tài)化固體流態(tài)化運用在粉粒狀物料的輸送、混合、加熱或冷卻、干燥、吸附、煅燒和氣固反應(yīng)等過程中。

一、什么是流態(tài)化？此時流體的真正速度u<顆粒的沉降速度u0此時u=u0顆粒懸浮于流體中，床層有一個明顯的上界面，與沸騰水的表面相似此時u>u058二、流化床的兩種形態(tài)床內(nèi)顆粒的分散狀態(tài)和擾動程度平緩地加大，床層的上界面較為清晰。

散式流化床：液固體系聚式流化床：氣固體