《工程原理：机械分离》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程原理：机械分离（65页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第3章 机械分离,3.1 颗粒沉降 3.2 过滤 3.3 离心分离简介,3.1 颗粒沉降,3.1.1 固体颗粒在流体中的沉降运动 3.1.2 重力沉降分离设备 3.1.3 离心沉降设备,返回,3.1.1 固体颗粒在流体中的沉降运动,一、 颗粒沉降运动中的受力分析,d，s的球形颗粒,1. 场力,重力,离心力,2. 浮力,重力场,离心力场,3. 阻力,颗粒与流体的相对运动 绕流，形成边界层,表皮阻力与形体阻力,微元面所受力在垂直于流动方向上的分量沿颗粒表面的积分,wdA,wdAsin,pdA,pdAcos ,表皮阻力,浮力,形体阻力,相对大小运动速度,流-固之间作用力沉降与绕流并无本质区别,二、
2、沉降速度与阻力系数,1. 重力沉降速度u0,重力-浮力-阻力=颗粒质量加速度,重、浮力一定，u，阻力 ，加速度,加速度=0时，u=u0重力沉降速度,2. 离心沉降速度,颗粒实际运动速度在径向上的分量；,方向：由圆心指向外；,轨迹：逐渐扩大的螺旋线，,3. 公式成立假定条件,其他因素对u0的影响,颗粒为球形；,颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰；,容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略；, 颗粒直径不能小到受流体分子运动的影响。,4. 阻力系数,因次分析,阻力系数Re0关系图,层流区(Stokes区),Stokes公式,可以从理论上推导出,可以近似用到Re0=2,表皮阻力占主导地位,不发生边界层分离,过渡
3、区(Allen区),开始发生边界层分离,颗粒后部形成旋涡尾流,尾流区压强低形体阻力增大,湍流区(牛顿区),形体阻力占主导地位，表皮阻力可以忽略,阻力u2,阻力系数与Re0无关, Re02105,阻力系数骤然下降,层流边界层湍流边界层,分离点后移，尾流区收缩，形体阻力突然下降,近似取=0.1,5. 沉降公式使用方法,事前能够确认流动区域，直接用对应公式,流动区域不能确定，采用试差法,假定流动处于层流区， Stokesu0 Re0 (？2)，yes结束 no 换用相应区域公式 u0 Re0 判断，修正,通过实验整理数据得到(Re02105 ),Ar阿基米德数,用法： Ar Re0 u0, 离心力场
4、中的ur，将g替换为ar,3.1.2 重力沉降分离设备,一、 降尘室,1. 工作原理,气体入室减速,颗粒的沉降运动&随气体运动,沉降运动时间气体停留时间分离,说明, d，容易除去,气量V，容易除去,2. 能(100%)被除去的最小颗粒直径,100%去除室顶到室底,所需沉降时间=H/u0,在室内停留时间=L/u,分离满足的条件：,分离所需最低沉降速度,最低沉降速度能被分离的最小粒径,说明,dmin与颗粒、气体性质，气体处理量，底面积有关,考虑是dmin ，一般认为处在层流区,3. 最大处理量（生产能力）,说明,Vmax为某一粒径能100%被去除的最大处理量,Vmax与 (100%去除的) d,
5、A0有关，而与H无关,4. 补充说明,气体均布重要性入口锥形,横截面大操作气速低不被卷起 底面积大分离效率高,例题3-1 采用降尘室回收常压炉气中所含球形固体颗粒。降尘室底面积为10，高1.6m。操作条件下气体密度为0.5kg/m3，黏度为210-5Pas，颗粒密度为3000 kg/m3。气体体积流量为5m3/s。试求： （1）可完全回收的最小颗粒直径； （2）如将降尘室改为多层以完全回收20m的颗粒，求多层降尘室的层数及板间距。,3.1.3 离心沉降设备,重力沉降的不足与离心沉降的优势,设备体积小而分离效率高,一、 旋风分离器,1. 构造与工作原理,圆筒、圆锥、矩形切线入口,气流获得旋转,向
6、下锥口,向上，气芯,顶部中央排气口,颗粒器壁滑落,各部分尺寸按比例,(见教材),2. 分离性能估计,（1）能被分离出的最小颗粒直径,临界直径dc,假定,ut保持不变，且等于进气速度ui,穿越最大气层厚=B,相对运动为层流,Stokes公式可用,将g换为,rm-平均旋转半径,颗粒沉降速度,假设沉降时间,气芯前圈数=N,运行距离,有效停留时间,某一粒径能(100%)被分离出的条件:其穿越B所需时间dc的颗粒=1,如颗粒入器时均布，与器壁距离B的所有颗粒所 占分率,ddc,入器时如其BB，也可以被(100%)分离,由前式，能被(100%)分离颗粒的dB1/2,入器时距离B的，直径为d的都能被(100
7、%)分离,所占分率为,总效率O：,被分离出来的颗粒点全部颗粒的质量分数,O与I关系,（3）压降,能量损失,进气管、排气管、器壁、各局部，气旋,常表示为,阻力系数实测,经验,3. 选型与计算,3.2 过滤,3.2.1 过滤基本原理 3.2.2 过滤设备 3.2.3 过滤基本理论 3.2.4 过滤计算,返回,一、 过滤,固液混合，外力驱动，多孔介质，颗粒截留，液体通过,3.2.1 过滤基本原理,说明：,名词：过滤介质；滤浆；滤渣(饼)；滤液,过程推动力：重力；压力(差)；离心力,滤饼过滤与深层过滤,操作目的：固体或清净的液体,洗涤回收滤饼中残存的滤液或除去其杂质,二、 过滤介质,支撑滤饼或截留颗粒
8、，通过滤液,要求流动阻力小，机械强度高,织物介质滤布(织物、网)，565m，工业应用广泛,堆积介质固体颗粒或纤维等堆积，深层过滤,多孔固体介质：具有微细孔道的固体，13m,多孔膜：有机膜、无机膜，1m以下,三、 滤饼的可压缩性和助滤剂,滤饼受压，流动阻力,助滤剂加入，使滤饼疏松而坚硬,3.2.2 过滤设备,一、 板框过滤机,1. 结构与工作原理,1-非洗涤板；,2-框；,3-洗涤板；,四角均开孔,组装: 1-2-3-2-1-2-3-2-1-2-3-2-1,滤布框的两侧,滤浆由总管入框,框内形成滤饼,滤液穿过饼和布,经每板上旋塞排出(明流),从板流出的滤液汇集于某总管排出(暗流),2. 工作过程
9、,横穿洗涤：,洗涤液由总管入板,滤布,滤饼,滤布,非洗涤板,排出,洗涤面=(1/2)过滤面积,洗涤液行程与滤液相同。洗涤面=过滤面,置换洗涤：,说明,间歇操作过滤、洗涤、卸渣、整理、装合,主要优缺点,二、 叶滤机,三、 转筒过滤机,1. 结构与工作原理,水平转筒分为若干段，滤布蒙于侧壁,段管分配头转动盘(多孔)分配头固定盘,(凹槽2、凹槽1、凹槽3) 三个通道的入口,滤液真空管,洗水真空管,吹气管,工作过程跟踪一段, 当浸入滤浆中时，对应滤布对应管转动盘孔凹槽2 滤液真空管 滤液通道过滤,当位于水喷头下，对应滤饼、滤布对应管转动盘孔凹槽1 洗水真空管洗水通道洗涤,吹气管凹槽3转动盘孔 对应管滤
10、布滤饼压缩空气通道吹松, 遇到刮刀 卸渣,两凹槽之间的空白处：没有通道 停工两区不 致串通,主要优缺点：,3.2.3 过滤基本理论,一、 颗粒床层的物理模型与基本参数,颗粒床层一组平行细管流体通道,细管内表面=床层颗粒的全部表面,细管的总体积=床层空隙体积,基本参数,空隙率：床层的空隙体积/床层的总体积,比表面积S0：颗粒表面积/颗粒体积,孔道(细管)平均长度l：床层厚度，即l=K0L,孔道(细管)当量直径de：,滤液流速u1:,二、 过滤速度及其表达,1. 定义,A滤饼层总截面积；过滤时间；V滤液体积,说明,u1与u的关系,2. 过程推动力,滤浆侧和滤液侧的压差,滤饼压降,介质压降,3. p
11、1的表达Hagen-Poiseuille 方程,4. 滤饼层的阻力, l(L)，如p不变，则u 瞬时速度,恒压降速，恒速升压,说明,u=滤饼层推动力/滤饼层阻力。 滤饼阻力与滤饼层的性质、L、滤液的有关。,说明,5. 过滤介质的阻力,近似：阻力相当厚度为Le的一层滤饼,6. 总推动力与总阻力,其中,滤饼的比阻,7. 过滤速度的两种具体表达形式,认为:,AL=cV,获取单位体积滤液所得滤饼体积,系数：c=AL/V,Ve与Le对应的滤液体积。不存在，虚拟量，与滤饼的性质有关,形式1,又认为：,获取单位体积滤液所得滤饼质量与滤浆浓度和颗粒性质有关,系数：,仿照,可得,形式2,比较形式1与2 可得,三
12、、(恒压)过滤方程式,积分形式1,c、r、与时间无关,Ve、A、p常数,过滤常数（m2/s）,另一写法,其中,说明,过滤方程式V的关系，抛物线,关于过滤常数K和qe滤饼的(不)可压缩性，, K, qep的关系,平均r(r)p:,其中r0(r0)为常数；,不可压缩，s=0,对过滤方程进行微分,微分用增量代替,连续测定，q,算出一系列及对应q,/qq作图，,直线斜率=2/K，,截距=2qe/K,原理二,过滤方程同除以Kq,测量变量相同,四、过滤常数的实验测定,原理一,/q q作图，直线斜率=1/K，截距=2qe/K,讨论,实验条件必须与生产条件一致过滤机设计,在不同p下测多个常数,测出c或c，,一
13、定p测出Kr；,多次一组（r, p）,双对数坐标，直线斜率=s, 截距=r0,3.2.4 过滤计算,一、间歇过滤机的计算,1. 操作周期与生产能力,操作周期总时间,总时间,过滤时间,洗涤时间,卸渣、清理、装合,设计和操作计算要基于C,生产能力：一个操作周期中，单位时间内得到的滤液或滤饼体积,已知K，qe，由过滤方程，FVF Q,2. 洗涤速率和洗涤时间,一般认为：洗涤液量滤液量，即,假定：洗涤液与滤液相同；洗涤p与过滤时相同,洗涤速率：单位时间内通过滤饼层的洗涤液体积,m3滤液/h,m3滤液/h,(1) 叶滤机的洗涤速率和洗涤时间置换洗涤,洗涤速率恒定滤饼厚度不变,(2)板框压滤机的洗涤速度和
14、洗涤时间横穿洗涤,洗涤时间,3. 最佳操作周期,在一个操作周期中, 一般固定,F，V ，但上升幅度，Q可能,F ，V ，且下降幅度，Q可能,存在一个最优的过滤时间，使Q最大。可以证明：如忽略过滤介质阻力，则当 F +W= R时，Q可达最大。,二、 连续过滤机的计算,1. 操作周期与过滤时间,间歇过滤机：部分时间，全部面积过滤,连续过滤机：部分面积，全部时间过滤,转筒过滤机，每秒n周,，则C=1/n,每圈用时,转筒表面浸入分数：,一个周期中全部面积经历过滤时间,部分面积，全部时间全部面积，部分时间,C,A,2. 生产能力,当滤布阻力可以忽略,QA，n,说明,，过滤面积 ，其他面积，操作不便,n，
15、 F ，L，难以卸渣，功率消耗,例题3-2 在试验装置中过滤钛白的水悬浮液，过滤压力为3kgf/cm2 （表压），求得过滤常数如下：K=510-5m2/s，qe=0.01m3/m2。又测出滤渣体积与滤液体积之比c=0.08 m3/m3 。现要用工业压滤机过滤同样的料液，过滤压力及所用滤布亦与实验时相同。压滤机型号为BMY33/810-45。这一型号设备滤框空处长与宽均为810mm，厚度为45mm，共有26个框，过滤面积为33，框内总容量为0.760m3。试计算： （1）过滤进行到框内全部充满滤渣所需要过滤时间； （2）过滤后用相当于滤液量1/10的水进行横穿洗涤，求洗涤时间； （3）洗涤后卸渣、清理、装合等共需要40分钟，求每台压滤机的生产能力，分别以每小时平均可得多少滤渣计。,
