第三章-机械分离与固体流态化.ppt

第三章 机械分离与固体流态化,非均相混合物机械分离的目的： (1)回收有价值的分散组分 (2)净化分散介质 (3)环境保护和安全生产,通过本章的学习，要重点掌握沉降和过滤这两种机械分离操作的原理、过程计算、典型设备的结构与特性，能够根据生产工艺要求，合理选择设备类型和尺寸一、颗粒的特性,表示颗粒大小的几何参数：大小（尺寸）、形状、表面积（或比表面积）不同形状颗粒示意图,第一节 筛 分,根据固体颗粒大小用筛进行分离的过程称为筛分一)形状规则的颗粒,(1)大 小：用颗粒的某一个或某几个特征尺寸表示， 如球形颗粒的大小用直径dp表示 (2)比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积，其单位为m2/m3 ,对球形颗粒为：,(二) 形状不规则的颗粒,(1)颗粒的形状系数：用形状系数表示颗粒的形状，最常用的形状系数是球形度ψ，它的定义式为,(2)颗粒的当量直径,体积当量直径deV，即体积等于颗粒体积的球形颗粒的直径为非球形颗粒的等体积当量直径 比表面积当量直径dea，即将比表面积等于颗粒比表面积的球形颗粒的直径定义为非球形颗粒的等比表面积当量直径通常使用等体积当量直径：,工业生产中常遇到流体通过大小不等的混合颗粒群的流动，此时常认为这些颗粒形状一致，只考虑大小不同。

常用筛分的方法测得粒度分布，再求其相应的平均特性参数,二、颗粒群的特性参数,(一) 粒度分布,某一粒度范围的颗粒的质量分数随粒度的变化关系，称为颗粒群的粒度分布，用曲线表示累计分布函数曲线和频率分布函数曲线二) 平均直径,(1) 长度平均直径,(2) 表面积平均直径,(3) 体积平均直径,(4) 体积表面积平均直径（邵特直径）,标准筛：有不同的系列，其中泰勒（Tyler）标准筛是较为常用的标准筛之一，其筛孔的大小以每英寸长度筛网上所具有的筛孔数目表示，称为目筛号(目数)：每英寸边长的筛孔数目；筛过物：通过筛孔的物料量；筛留物：截留于筛面上的颗粒量颗粒的筛分尺寸:,三、筛分,第二节 沉 降,根据沉降作用力可分为：重力沉降、离心沉降 根据沉降粒子间相互影响程度可分为：自由沉降和干扰沉降,(一)颗粒-流体间的阻力,(1)牛顿阻力定律,(2)阻力（曳力）系数: 与流体的流动阻力系数类似，阻力（曳力）系数与颗粒沉降雷诺数有关，即,注意：其中d为颗粒直径，u0为颗粒的沉降速度，ρ、μ分别为流体的密度与粘度一、重力沉降,实验获得ξ与Rep的关系：,通过实验得到曳力系数与雷诺数的关系绘成算图,将他们回归成关联式为：,②过渡区（Allen区， 2< Re0 < 500）,③湍流区（牛顿区， 500< Re0 < 200000 ）,④ Re0 >2×105后，ζ骤然下降，在Re0 =(3~10)×105范围内可近似取ζ= 0.1。

①层流区（Stokes区，Re0< 2或0.3）,（Stokes定律）,(二) 重力沉降,（1）球形颗粒的自由沉降速度以重力的方向为正方向,什么情况下颗粒在流体中会发生沉降过程？,直径为d、颗粒密度为ρs的球形颗粒在密度为流体中的重力和浮力分别为：,颗粒做匀速运动，沉降速度恒定不变，该速度称为自由沉降速度达到恒定的沉降速度时，合力为：,②过渡区（Allen区， 2< Re0 < 500）,③湍流区（牛顿区， 500< Re0 < 200000 ）,①层流区（Stokes区，Re0< 2或0.3）,（Stokes定律）,（2）不同区域的沉降速度公式,（3）沉降速度的计算 公式法(试差法)：将以上阻力系数关系式代入自由沉降速度的计算式中可得到计算沉降速度的公式由于沉降速度未知,雷诺数无法计算，因此公式法也需要试差计算计算过程：,因次分析法：通过实验整理数据得到：,Ar与沉降颗粒和流体的性质、分离要求有关，根据已知条件计算Ar ，然后由上式计算Re0 ，由Re0直接计算沉降速度u0 ，不需要试差和校核三）其它因素对沉降速度的影响（干扰沉降）以上的沉降过程为在重力作用下球形颗粒的自由沉降：① 颗粒为球形；② 颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰；③ 容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略；④ 颗粒直径不能小到受流体分子运动的影响。

在实际情况中还需考虑以下因素的影响：,1.非球形颗粒的沉降 2.干扰沉降,例1：某烧碱厂拟采用重力沉降净化粗盐水，粗盐水密度1200 kg/m3 ，粘度为2.310-3 Pa·s，其中颗粒可看作球形，密度为2640 kg/m3求直径为0.1mm的颗粒的沉降速度解法1：试差法 解法2：因次分析法-阿基米德数,二、重力沉降设备,(一) 降尘室,颗粒能够沉降到集尘斗中有什么条件呢？颗粒在降尘室中的沉降时间小于停留时间时，颗粒在流体离开降尘室前即可沉降到降尘室的底部其中：,停留时间：,θt与设备尺寸及处理量有关，与颗粒性质无关；,故颗粒在降尘室能沉降分离的具体条件是：,注意：当某直径的颗粒满足θt≥θ0时，它能够被完全（100%）地分离；当某直径的颗粒满足θt<θ0时，它不是不能被分离，仍然可以被分离，只不过是不能被完全分离讨论：（1）降尘室的生产能力：,故生产能力与降尘室的底面积BL有关而与降尘室的高度无关，因此，降尘室多制成扁平型或多层4)θt≥θ0在设计中是确定降尘室主要结构尺寸的依据，在操作中是确定所能完全分离最小颗粒直径的判据当Stoches定律适用时，颗粒在降尘室中作自由沉降，处理量为VS时能分离出的颗粒的最小直径dmin为：,(2)降尘室生产能力与设备高度无关，那么降尘室的高度是否越小越好呢？,(3)为避免干扰尘粒的沉降或防止气流湍动卷起已沉降的颗粒，降尘室中气速不宜过大，一般应控制在1.5-3m/s以下。

5)若降尘室的高度为H，某一尺寸的颗粒在其停留时间内下降的垂直距离为h，则此一尺寸的颗粒能被分离的分数大约等于h/HP94例3-3）,(6) 降尘室的体积庞大，属于低效率设备，只适用于分离粗颗粒（d＞100mm）,常作为预分离设备二) 沉降槽,用于分离悬浮液，连续操作其生产能力与降尘室一样与底面积有关，与沉降槽高度无关悬浮液中加入电解质、絮凝剂等添加剂有利于絮凝现象的发生，提高沉降速度；另外，提高悬浮液温度也可提高沉降速度图3-6 连续式沉降槽（增稠器）,例2：长3m、宽2.4m、高2m的降尘室与锅炉烟气排出口相接在操作条件下炉气流量为9000m3/h，气体密度为0.72 kg/m3，粘度为2.610-5 Pa·s，其中粉尘可看作球形颗粒，密度为2200 kg/m3求：(1)临界粒径dpc；(2)要求全部除掉直径大于75μm的粉尘，锅炉烟气的最大处理量为多少？,例3：拟采用降尘室回收常压炉气中所含的球形固体颗粒降尘室底面积10m2,高和宽均为2m在操作条件下降尘室的生产能力为3m3/s，气体密度为0.75 kg/m3，粘度为2.610-5 Pa·s，其中固体的密度为3000 kg/m3，求：(1)临界粒径dpc；(2)粒径40mm的颗粒的回收率；(3)要求完全回收直径为10μm的粉尘，在原降尘室内需设置多少层水平隔板？,三、离心沉降,当作用力等于阻力时，可得离心沉降速度ur,(1)离心沉降速度计算方法：同重力场，重力→离心力,,(2) 衡量离心分离性能的指标:离心分离因数,(3)离心沉降速度与重力沉降速度的比较 表达式：重力沉降速度公式中的重力加速度改为离心加速度 数值：重力沉降速度基本上为定值离心沉降速度为绝对速度在径向上的分量，随颗粒在离心力场中的位置而变。

四、离心沉降设备,(一)旋风分离器(1)结 构 : 如右图所示 ,主体的上部为圆筒形,下部为圆锥形,中央有一升气管图3-7 旋风分离器尺寸及操作原理示意图,(2)工作原理颗粒在随气流旋转过程中被抛向器壁，沿器壁落下，自锥底排出被净化的气体到达底部后折向上，沿中心轴旋转着从顶部的中央排气管排出旋风分离器实物图,（3）旋风分离器的分离性能,① 临界直径dc：能够分离出的最小颗粒直径不仅与颗粒和气体的性质有关,而且与旋风分离器的结构和处理量有关处理量越大、颗粒密度越大、进口越窄、长径比越大，则临界直径越小，分离性能越好② 分离效率 —— 粒级效率、总效率含尘气体中所有颗粒经分离器后被分离出的质量百分数η0 ，称为总效率 :,含尘气体中某一粒径的颗粒经分离器后被分离出的质量百分数ηpi ，称为粒级效率:,其中c为质量含量，g/m3；i表示直径为di的颗粒讨论：ⅰ若两台旋风分离器的总效率相同，他们的分离性能是否相同？含尘气体中颗粒的大小范围不同，临界直径不同，因此采用粒级效率才能更准确地评价分离器的效率ⅱ d > dc时，ηpi =100%， d < dc的颗粒能否被分离？能，不能被完全分离即ηpi <100% 。

ⅲ ηpi与η0的关系,③ 旋风分离器的压力降（阻力损失） 通常压降用入口气体动能的倍数来表示：,阻力系数ζc与旋风分离器的结构和尺寸有关，对同一种结构形式、不同规格（尺寸）的旋风分离器ζ为常数对图3-5所示的标准旋风分离器，ζc =8.0,旋风分离器结构简单，无运动部件，操作不受温度和压强的限制，价格低廉，性能稳定，可满足中等粉尘捕集的要求，在工业生产中广泛应用气量一定,进口气速越大, 旋风分离器直径越小,分离效 果越好工业上将许多小直 径旋风分离器并联组成整体， 装在一个外壳内，称为旋风 分离器组，分离效果比大直 径的旋风分离器好旋液分离器是一种利用离心力从液流中分离固体颗粒的设备工作原理及计算与旋风分离器类似与旋风分离器相比，旋液分离器的直径较小？较大？,(二)旋液分离器,气固密度差大而液固密度差较小，为获得较高的离心力，旋液分离器的直径通常较小三) 离心沉降机▲ 分离液-固非均相混合物▲ 特点：转速可以根据需要调整,由设备本身的旋转产生离心 力，适用于分离困难的体系，▲ 常用的离心沉降机：转鼓式离心机、蝶片式离心机等管式超速离心机,蝶片式离心机,第三节 过 滤,一、概述（过滤过程的基本概念）,过滤是在外力作用下，利用过滤介质使悬浮液中的液体通过，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的一种单元操作。

我们把待过滤的悬浮液称为滤浆，而过滤后分离出的固体称为滤渣或滤饼，通过过滤介质的液体称为滤液过滤的推动力有重力、压力和离心力，本节讨论应用最广的压力过滤一)深层过滤、滤饼过滤,特点：固体颗粒的沉积发生在较厚的粒状过滤介质内部，过滤介质表面上无颗粒层形成 特点：固体颗粒呈饼层状沉积于过滤介质的上游一侧，形成滤饼层 适用：处理颗粒含量较高(>1%)的悬浮液，是工业生产中的主要过滤方式适用：悬浮液中颗粒尺寸甚小而且含量甚微(<0.1%)的场合二)影响过滤的因数,(1) 过滤介质要求：具有多孔性，耐腐蚀和耐热性，足够的机械强度①丝织物品：棉、麻、合纤、金属网(滤布、滤纸)；②多孔性固体介质：多孔塑料；③堆积介质：砂、木炭、石棉粉等2) 过滤推动力克服流体流动阻力，提高过滤速度过滤推动力 : 重力、离心力、压力差 生产上常用压差作推动力，压差有可调性3）助滤剂助滤剂本身就是一性能良好的过滤介质，是一种坚硬、不规则的小颗粒，它能形成结构疏松、空隙率大、不可压缩的滤饼，很大程度改善过滤难度助滤剂使用方法主要有两种：混合、预涂注意：当滤饼是产品时不能使用助滤剂。

4）滤饼的可压缩性可压缩和不可压缩,(一)板框压滤机,（1）结构：由许多块顺序排列的滤板与滤框交替排列组合而成的滤板与滤框靠支耳架在一对横梁上，并用一端的压紧装置将它们压紧图3-16 板框压滤机 1-压紧装置；2-可动头；3-滤框； 4-滤板；5-固定头；6-滤液出口； 7-滤浆进口；8-滤布,二、过滤设备,（2）组成部件：滤板和滤框多做成正方形，其构造如右图所示滤框的作用是：滤框的两侧覆以滤布，围成容纳滤浆及滤饼的空间；滤板的作用有二：一是支撑滤布；二是提供滤液流出的通道，为此板面制出凸凹纹路，凸出部分起支撑滤布的作用，凹处形成的沟为滤液流道。