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1、化工原理电子教案/目录,1,目录,第三章 机械分离与固体流态化第一节 筛分 一、颗粒的特性 二、颗粒群的特性 三、筛分 第二节 沉降分离 一、沉降原理 二、沉降设备,化工原理电子教案/目录,2,目录,第三节 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,化工原理电子教案/目录,3,目录,第四节 离心分离第五节 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第三版第18次印刷的教材更正,4/70,第三章 机械分离与固体流态化,均相混合物,非均相混合物,物系内部各处物料性质均匀而且不存在相界面的混合物。 例如：互溶
2、溶液及混合气体,物系内部有隔开两相的界面存在且界面两侧的物料性质截然不同的混合物。,固体颗粒和气体构成的含尘气体,固体颗粒和液体构成的悬浮液,不互溶液体构成的乳浊液,液体颗粒和气体构成的含雾气体,5/70,分散相 分散物质,处于分散状态的物质 如：分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡,连续相 分散相介质,包围着分散相物质且处于连续状态的流体 如：气态非均相物系中的气体 液态非均相物系中的连续液体,分离,沉降,过滤,6/70,第一节 筛分,一、颗粒的特性,-分离固体颗粒群,大小（粒径）,形状,表面积,球形颗粒,非球形颗粒,直径dp,当量直径，如体积当量直径 deV,球形度,7/70,第一节 筛分,
3、二、颗粒群的特性,粒度分布,-频率分布曲线（见下图）、累计分布曲线(如图3-1所示)。,频率分布曲线,8/70,二、颗粒群的特性,平均直径,表面积平均直径,-每个颗粒平均表面积等于全部颗粒的表面积之 和除以颗粒的总数,长度平均直径,体积平均直径,-每个颗粒平均体积等于全部颗粒的体积之 和除以颗粒的总数,体积表面积平均直径,-每个颗粒的平均比表面积等于全部颗粒的 比表面积平均值,9/70,三、筛分,泰勒（Tyler）标准筛-其筛孔大小以每英寸长度筛网上的孔数表示，称为“目”。例如100目的筛即指每英寸筛网上有100个筛孔。 目数越大，筛孔越小。,筛网用金属丝制成，孔类似正方形。,将几个筛子按筛孔
4、从大到小的次序从上到下叠置起来，最底下置一无孔的盘-底盘。样品加于顶端的筛上，摇动或振动一定的时间。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。,标准筛,筛分,返回目录,10/70,第二节 沉降分离,一、沉降原理,1、自由沉降,极短，通常可以忽略,该段的颗粒运动速度称为沉降速度，用u0表示。,颗粒在流体中沉降时受力,-单个颗粒在无限流体 中的降落过程,重力沉降速度：以球形颗粒为例,设颗粒的密度为s，直径为d，流体的密度为，,11/70,重力,浮力,而阻力随着颗粒与流体间的相对运动速度而变，可仿照流体流
5、动阻力的计算式写为 ：,12/70,(a),颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力Fd=0，amax 颗粒开始沉降后，u Fd ；u ut 时，a=0 。 等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度ut 称为沉降速度。 当a=0时，u=ut，代入（a）式,沉降速度表达式,13/70,阻力系数 通过因次分析法得知，值是颗粒与流体相对运动时的雷诺数Ret的函数。对于球形颗粒的曲线，按Ret值大致分为三个区：a) 滞流区或托斯克斯(stokes)定律区（10 4Ret1）,斯托克斯公式,14/70,艾伦公式,c) 滞流区或牛顿定律区（Nuton）（103Ret 2105）,牛顿公式,b) 过渡区或艾伦定律
6、区（Allen）（1Ret75m以上颗粒,-用于除去510m 颗粒,21/70,1重力沉降设备,降尘室,则表明，该颗粒能在降尘室中除去。,思考1：为什么气体进入降尘室后，流通截面积要扩大？,思考2：为什么降尘室要做成扁平的？,结构：,除尘原理：,为了增大停留时间。,22/70,降尘室,思考3：要想使某一粒度的颗粒在降尘室中被100%除去，必须满足什么条件？,思考4：能够被100%除去的最小颗粒，必须满足什么条件？,思考4：粒径比dmin小的颗粒，被除去的百分数如何计算？,23/70,降尘室,思考2：为什么降尘室要做成扁平的？,可见，降尘室最大处理量与底面积、沉降速度有关,而与降尘室高度无关。故
7、降尘室多做成扁平的。,注意!降尘室内气体流速不应过高，以免将已沉降下来的颗粒重新扬起。根据经验，多数灰尘的分离，可取u3m/s，较易扬起灰尘的，可取u1.5m/s。,最大处理量-能够除去最小颗粒时的气体流量Vs,24/70,降尘室,降尘室优、缺点,结构简单， 设备庞大、效率低 只适用于分离粗颗粒(直径75m以上)，或作为预分离设备。,25/70,降尘室的计算,设计型,操作型,已知气体处理量和除尘要求，求降尘室的大小,用已知尺寸的降尘室处理一定量含尘气体时，计算可以完全除掉的最小颗粒的尺寸，或者计算要求完全除去直径dp的尘粒时所能处理的气体流量。,26/70,例：拟采用降尘室除去常压炉气中的球形
8、尘粒。降尘室的宽和长分别为2m和6m,气体处理量为1标m3/s，炉气温度为427，相应的密度=0.5kg/m3，粘度=3.410-5Pa.s，固体密度S=400kg/m3操作条件下，规定气体速度不大于0.5m/s，试求： 1降尘室的总高度H，m； 2理论上能完全分离下来的最小颗粒尺寸； 3. 粒径为40m的颗粒的回收百分率； 4. 欲使粒径为10m的颗粒完全分离下来，需在降降尘室内设置几层水平隔板？,27/70,解：1）降尘室的总高度H,2）理论上能完全出去的最小颗粒尺寸,用试差法由ut求dmin。 假设沉降在斯托克斯区,28/70,核算沉降流型,原假设正确 3、粒径为40m的颗粒的回收百分率
9、 粒径为40m的颗粒定在滞流区 ，其沉降速度,29/70,气体通过降沉室的时间为：,直径为40m的颗粒在12s内的沉降高度为：,假设颗粒在降尘室入口处的炉气中是均匀分布的，则颗粒在降尘室内的沉降高度与降尘室高度之比约等于该尺寸颗粒被分离下来的百分率。 直径为40m的颗粒被回收的百分率为：,30/70,4、水平隔板层数由规定需要完全除去的最小粒径求沉降速度，再由生产能力和底面积求得多层降尘室的水平隔板层数。粒径为10m的颗粒的沉降必在滞流区，,取33层,板间距为,31/70,增稠器（沉降槽）,请点击观看动画,结构：,除尘原理：,用于分离出液-固混合物,与降尘室一样，沉降槽的生产能力是由截面积来保
10、证的，与其高度无关。故沉降槽多为扁平状。,与降尘室相同,32/70,增稠器（沉降槽）,属于干扰沉降 愈往下沉降速度愈慢-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； 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。 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。 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。 因固-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100 m以上，高度却都在几米以内。,特点：,请点击观看动画,33/70,离心沉降,离心沉降速度,对照重力场,离心加速度ar=2r=ut2/
11、r不是常量沉降过程没有匀速段，但在小颗粒沉降时，加速度很小，可近似作为匀速沉降处理,颗粒受力：,类似重力沉降速度推导，得：,34/70,离心沉降,Rer=dur/ 1或2 层流区,对照重力场,数值约为几千几万,-离心分离因数,35/70,离心沉降：,依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程 适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。惯性离心力场与重力场的区别,重力加速度g,ut2/R,指向地心,沿旋转半径从中心指向外周,Fg=mg,36/70,离心沉降设备,旋风分离器：,请点击观看动画,结构：,除尘原理：,含尘气体以切线方向进入，速度为1225 ms-1，按螺旋形路线向器底旋转，接近底部后
12、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，自锥形底落入灰斗（未绘出）。,上部为圆筒形，下部为圆锥形。,37/70,旋风分离器的性能,旋风分离器性能的主要操作参数为气体处理量， 分离效率和气体通过旋风分离器的压强降。 1、气体处理量 旋风分离器的处理量由入口的气速决定，入口气体流量是旋风分离器最主要的操作参数。一般入口气速ui在1525m/s。 旋风分离器的处理量,38/70,2、临界粒径 判断旋风分离器分离效率高低的重要依据是临界粒径。 临界粒径 ：,理论上在旋风分离器中能完全分离下来的最小颗粒直径。 1） 临界粒径的计
13、算式a) 进入旋风分离器的气流严格按照螺旋形路线作等速运动，且切线速度恒定，等于进口气速ut=ui；b) 颗粒沉降过程中所穿过的气流厚度为进气口宽度B,39/70,S，故可略去，而旋转半径R可取平均值Rm，并用进口速度ui代替ut。,气流中颗粒的离心沉降速度为：,颗粒到达器壁所需要的时间：,停留时间为：,对某尺寸的颗粒所需的沉降时间t恰好等于停留时间，该颗粒就是理论上能被完全分离下来的最小颗粒，用dc表示这种颗粒的直径，即临界粒径 。,40/70,临界粒径的表达式,2）临界粒径的影响因素,a) 由,，知,即临界粒径随分离器尺寸的增大而增大。 分离效率随分离器尺寸的增大而减小。,b)入口气速ui
14、愈大，dc愈小，效率愈高。,41/70,3、分离效率,分离效率,总效率o,进入旋风分离器的全部粉尘中被分离下来的粉尘的质量分率,粒级效率pi,进入旋风分离器的粒径为di的颗粒被分离下来的质量分率,42/70,粒级效率pi与颗粒直径di 的对应关系可通过实测得到，称为粒级效率曲线。,如图，临界粒径约为10m。理论上，凡直径大于10m的颗粒，其粒级效率都应为100%而小于10m的颗粒，粒级效率都应为零，图中折线obcd。,43/70,实测的粒级效率曲线，直径小于10m的颗粒，也有可观的分离效果，而直径大于dc的颗粒，还有部分未被分离下来 直径小于dc的颗粒中 有些在旋风分离器进口处已很靠近壁面，在停留时间内能够达到壁面上 有些在器内聚结成了大的颗粒，因而具有较大的沉降速度 直径大于dc的颗粒 气体涡流的影响，可能没达到器壁。 即使沉到器壁也会被重新扬起,
