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1、第三章 机械分离与固体流态化,机 械 分 离 过 滤 固体流态化,混合物的分离,化工生产中常遇到将混合物加以分离的问题,混合物的分离,混合物的特点是体系内具有明显的两相界面 分离基础将不同的相加以分开 机械方法（物理方法）本书讨论的重点 悬浮液：过滤方法分离成液体和固体渣两部分 气体含尘：重力、离心力或电场将其除去 分离依据分散质与分散介质之间物性的差异，如密度，颗粒粒径等。 分离方法机械法，使分散质与分散介质之间发生相对运动实现分离 本章讨论通过机械方法分离非均相物系的单元操作,理论基础,机械分离过程和固体流态化过程中，都涉及到流体与固体颗粒（或液滴）之间的相对运动问题 理论基础流体力学 至
2、于这其中的传热与传质问题将不在本章中讨论,固体流态化,定义：指大量的固体颗粒悬浮于运动的流体中，从而使颗粒具有类似于流体的某些表观特性的一种状态 化工生产中广泛使用固体流态化技术进行流体或固体的物理、化学加工，及颗粒的输送,机械分离沉降-概念,沉降操作借助某种力的作用，利用分散物质与分散介质的密度差异使之发生相对运动而分离的过程,颗粒的沉降有两种不同的形式，一是自由沉降（free settling），即单个颗粒在广阔空间中独立沉降，此时颗粒除受重力、介质浮力和阻力作用外，不受其他因素的影响。二是干扰沉降（hindered settling），即颗粒群的沉降，成群的颗粒与介质组成分层的悬浮体，颗
3、粒间的碰撞及悬浮体平均密度的增大，使颗粒的沉降过程互相干扰，这是实践中最多见的沉降形式。沉降颗粒占总体积比例不到3时，颗粒间的干扰现象变得很小，此时我们将沉降体系视为是自由沉降。,沉降速度自由沉降,球形颗粒 任一颗粒的沉降不因流体中存在其它颗粒而受干扰 颗粒彼此间相互独立，互不影响 发生在流体中颗粒稀疏的情况中,颗粒的受力分析,光滑球粒,直径dp,流体密度s,颗粒作下沉运动时，受力为,重力,浮力,曳力,流体对颗粒下沉的阻力（拖曳力）,颗粒的受力分析,对光滑圆球,因次分析,阻力系数,无因次,颗粒在垂直于其运动方向的平面上的投影面积,颗粒的受力分析,根据牛顿第二定律有：,下沉加速段与分速阶段,下沉
4、开始瞬间： 之后： 当 此时颗粒相对于流体的运动速度： Ut沉降速度， 也是加速阶段终了时颗粒相对于流体的速度，亦称“终端速度”,流体力学知识解决,曳力系数,实验测定， 标绘于坐标中（双对数）,0.44,沉降速度,stocks公式Allen公式Newton公式,ut的计算式适用于计算多种情况下颗粒与流体在重力方向上的相对运动速度，不仅适用静止流体中的运动颗粒，而且适用于运动流体中的静止颗粒，或者逆向，或者是同向运动着的流体与颗粒,非球形颗粒的自由沉降,球形颗粒的特征用直径就可以表达 非球颗粒的特征需用二个参数来表征，其一是球形度，另一是体积当量直径 （或其它当量直径） 球形度：,球形：s1,s
5、愈小，则颗粒形状与球差异愈大,颗粒的体积当量直径dev,对于非球形颗粒,沉降速度的计算试差法,沉降速度的计算-摩擦数群法,由,与ut无关,沉降速度的计算-摩擦数群法,摩擦数群法求d,其它因素对ut的影响,1）颗粒的体积浓度：颗粒体积浓度较大时，流体作反向运动，曳力，另外，有效密度和粘度，ut 2）端效应：壁面，底面处曳力 ut 3）液滴或气泡的变形：曳力 ut ,例3-1 拟用重力沉降分离原油中的固体颗粒。已知原油密度为800 kg/m3，粘度为2.66 mPas。固体颗粒可视为球形，其密度为2760 kg/m3。试求：(1) 直径为0.2 mm颗粒的沉降速度；(2) 沉降速度为0.042 m
6、/s的颗粒直径。,例3-1 拟用重力沉降分离原油中的固体颗粒。已知原油密度为800 kg/m3，粘度为2.66 mPas。固体颗粒可视为球形，其密度为2760 kg/m3。试求：(1) 直径为0.2 mm颗粒的沉降速度；(2) 沉降速度为0.042 m/s的颗粒直径。,解：（1）在颗粒沉降区不确定时，先假设沉降在层流区，用斯托克斯式可得沉降速度：,校验流型：,1（层流）,层流区假设成立，计算有效，ut=0.0161m/s即为所求沉降速度。,（2）假设固体颗粒在层流区沉降，按斯托克斯式可得：,校验Rep：,1,层流区假设不成立。再假设沉降属于过渡区， 由艾伦式可得：,整理得：,校验Rep：,1R
7、ep1000，假设成立， 故固体颗粒的直径为0.39mm。,降尘室,籍重力沉降从气流中分离出尘粒的设备称为沉降室 含尘气体进入降尘室后，因流道截面积扩大而速度减慢，只要颗粒能够在气体通过的时间内降至室底，便可从气流中分离出来,降尘室的处理能力, Vs只与沉降面积bl及ut有关，而与降尘室的高度无关 降尘室应设计成扁平形状，往往在室内设置多层水平隔板的多层降尘室 隔板间距一般为40100mm。多层降尘室能分离较细小的颗粒并节省地面，但出灰不便,多层降尘室,通常只适用于分离粒度大于50m的粗颗粒 一般作为预除尘使用 多层降尘室虽能分离较细的颗粒且节省地面，但清灰比较麻烦,说 明,Ut应按需分离下来
8、的最小颗粒计算 u不宜过高，一般应保证气体流动的雷诺准数处于层流区，以免干扰颗粒的沉降或把以沉降下来的颗粒重新扬起 作预除尘器使用,重力沉降设备沉降槽（浓缩机）,耙式浓缩机通常可分为中心传动式和周边传动式两大类，其构造大致相同，都由池体、耙架、传动装置、给料、排料装置、安全信号和耙架提升等装置组成,深锥浓缩机是一种高效浓缩设备，其结构特点是池深尺寸大于池的直径尺寸，整机呈立式桶锥形。深锥浓缩机工作时，一般要加絮凝剂，使料浆中的固体颗粒形成絮团，以加快其沉降速度、提高浓缩效率。,凝聚和絮凝,凝聚（Coagulation）与絮凝（Flocculation）都可使胶体或悬浮液中微细固体颗粒聚集成尺寸
9、较大颗粒，从而会大大提高沉降速度。,常用的凝聚剂包括硫酸铝、聚合硫酸铝、聚合硫酸铁、聚合氯化铝等。,最常用的絮凝剂是聚丙烯酰胺及其衍生物。,离心沉降,离心沉降依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程叫离心沉降,惯性离心力Fc：任何质量为m的物体在与转轴的距离为R，切向速度为UT的位置上的Fc为：,方向沿旋转半径从中心指向外周，从而能更快更好地将分散质与分散介质分离出来,惯性离心力作用下的沉降速度,飞离中心,流体带着颗粒旋转,颗粒的密度大于流体,惯性离心力作用下,颗粒在在径向与流体发生相对运动,离心力场中颗粒在径向的受力情况,惯性离心力，方向如图示向心力（颗粒周围的流体对颗粒的作用力），方向如图示与
10、重力场中的浮力相当,离心力场-阻力（曳力）,类似于重力沉降,相对径向运动速度，方向如图示,离心分离分离因数K,离心沉降设备的分离效果远较重力沉降设备为高 旋风或旋液分离器的分离因数一般在52500之间,旋风分离器是常用的气固系离心分离设备 标准型旋风分离器的结构,进,旋风分离器的临界粒径 dc,旋风分离器的临界粒径是判断分离效率高低的重要依据,旋风分离器的临界粒径 dc,临界粒径,标准型 一般 3.0,分离效率,粒级效率pi,由实测粒级效率曲线可知，对于直径小于dc的颗粒，其pi 不为零，有较可观的分离效果 直径大于dc的颗粒，还有部分末被分离下来 主要原因直径小于dc的颗粒中，有些在旋风分离
11、器进口处已很靠近壁石，因而只需较小的沉降时间，有些小颗粒在器内聚结成为大颗粒，因而具有较大的沉降速度 直径大于dc的颗粒中，有些受气体涡流的影响未能到达壁石或者沉降后又被气流重新卷起而带走,粒级效率pi,压强降p,p介于5002000Pa，旋风分离器性能的另一项指标 对于同一结构型式及尺寸比例的旋风分离器为常数，不因尺寸大小而变 综上所述，影响旋风分离器性能（分离性能及压降）的重要因素为物系性质及操作条件,旋风分离器的类型与选用,旋风分离器的类型与选用,选用步骤,据处理量及容许压强降，要求的分离效率确定类型 类型确定后，查阅其性能表，确定型号。（性能表中有不同尺寸的该型旋风分离器在若干个压降下
12、的处理气量，依性能型号，表中所列的p为 下的数值，当不同需校正） 按照规定的压强降和分离效率确定旋风分离器并串联的台数 在旋风分离器的实际操作中，还需特别注意防止“窜漏” 若排灰口密封不好而发生漏气，即外面空气窜入旋风分离器内，则上升气流会将已沉降下来的尘粒重新扬起，大大降低收尘效果,例3-2 某含尘气体在进入反应器之前必须除尘，所含尘粒的密度为3000 kg/m3，操作条件下气体的体积流量为4.0 m3/s，密度为0.82 kg/m3，粘度为0.024 cP，该沉降室的高宽长为2m2m5m。试计算：（1）该降尘室能100除去的最小颗粒直径；（2）若将该降尘室用隔板分成10层（不计隔板厚度），
13、需完全除去的最小颗粒要求不变，则降尘室的气体处理量为多大？（3）在条件（2）下，如果生产能力不变，则能100%除去的最小尘粒直径为多大？,解：（1）根据题意有：=0.02 cP=210-5 Pas，Vs=4.0 m3/s，s=3000 kg/m3，=0.88 kg/m3，A=25=10 m2,据式VS=Aut，可全部除去的最小颗粒的沉降速度为：,（m/s）,假定颗粒在气流中的沉降服从斯托克斯公式，则：,（m）,检验雷诺数：,可见假设正确，该降尘室能100除去的最小颗粒 直径为69.96 m。,（2）若将该降尘室用隔板分成10层，且需100除去的最小颗粒要求不变，即dp,min不变，ut不变，于
14、是分隔的每一小室的气体处理能力Vs不变，仍为4.0 m3/s，故沉降室总的生产能力为：,（m3/s）,（3）将降尘室用隔板分成10层，若生产能力不变，则分隔出来的每一小室的气体处理能力为0.4 m3/s，根据体积流量计算式VS=Aut，能100除去的最小尘粒直径为：,所以：,=0.31669.96=22.12 m,根据计算可知，将该降尘室用隔板分成10层后，若要求临界粒径不变，则降尘室的气体处理量将变为原来的10倍；若要求生产能力不变，则临界粒径变为原来的(1/10)1/2。,第三章 机械分离与固体流态过滤,流体通过固定颗粒床层的压降 过滤基本方程式 恒压过滤 恒速过滤与先恒速后恒压过滤 过滤
15、常数的测定 滤饼的洗涤 过滤机的生产能力、过滤设备,用途 分类,概 述,过滤：以某种多孔物质作为介质，在外力的作用下，使流体通过介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固体颗粒与流体分离目的的操作去除气固系中的固体颗粒去除液固系中的固体颗粒 化工生产中过滤大多用于悬浮液中固液分离（本节介绍重点） 过滤操作的推动力：重力、压强差、惯性离心力 滤浆（料浆）是指被处理的悬浮液 过滤介质 过滤操作中采用的多孔物质 滤液是指通过介质孔道的液体 滤饼是指被截留的固体颗粒 产品洁净的液体、固体颗粒,化工中应用最多,概 述,助 滤 剂,对于可压缩性滤饼， 时，饼层颗粒间的孔道会变窄，有时会因颗粒过于细密而将通
16、道堵塞 为避免此种情况将某种质地坚硬且能形成疏松床层的另一种固体颗粒预先涂于过滤介质上，或者混入悬浮液中形成较为疏松的滤饼滤液畅流这种物质称为助滤剂 如硅藻土等,单颗粒与颗粒群的几何特性,单颗粒,对于球形颗粒的表征只需一个参数，直径dp就可以了 对于非球颗粒数表征则需二个参数，方才能表征，仅用 dev 不足以表征了,颗粒群,筛分分析 平均直径,流体通过固定颗粒床层,情形：过滤：滤液通过滤饼层的流动 固定床催化反应器：流体在固定催化剂床层中的流动地下水：在土壤、砂层中的渗流等 特点：使流体速度分布均匀产生压强降流动阻力 对于过滤等操作过程而言，工程上感兴趣的是流体通过固定颗粒床层的压降，而不是速度分布,
