化工原理第三章 机械分离详解
合集下载
化工原理(第三章)
up=u－u0
u = 0，up = u0 流体静止，颗粒向下运动； up = 0，u = u0 ，颗粒静止地悬浮在流体中； u > u0 ， up > 0， 颗粒向上运动； u < u0， up < 0，颗粒向下运动。
4、非球形颗粒的几何特征与阻力系数
一般采用与球形颗粒相对比的当量直径来表征非球形颗粒的 主要几何特征。 等体积当量直径 deV 等表面积当量直径 deA
非均相 混合物 2.悬浮液 3.乳浊液 4.含尘（或雾）气体
第一节 筛分
一、颗粒的特征 颗粒的基本特征是大小（粒径）、形状和表面积。 二、颗粒群的特征 颗粒群的基本特征有料径分布、平均直径 三、筛分 1.筛分原理 2.筛的有效性与生产能力
第二节 沉降分离
一、重力沉降原理 1、自由沉降的定义 单个颗粒在无限大流体（容器直径大于颗粒直径的 100倍以上）中的降落过程。它的特点是颗粒间没有干扰。 2、颗粒的流体中的受力分析 在重力场中，颗粒自由沉降时共 受三个力的作用，即重力(Fg)、浮力 (Fb)和阻力(Ff)。 Fg= π d 3 ρs g Fb= π d 3 ρ g 6 6 π d 2 ρu2 Ff= ζ 4 2
例3－2 尘料的直径为30μm，密度为2000kg/m3，求它在空 气中做自由沉降时的沉降速度。空气的密度为1.2kg/m3，粘 度为0.0185Pa.s。 解：先假设沉降在层流区，由斯托克斯公式有： d2 (ρs－ ρ) g u0 = 18μ (30×10－6)2 (2000－1.2) ×9.81 = = 0.053(m/s) －3 18×0.0185×10 核验 30×10－6 ×0.053×1.2 du0ρ Re0 = = 0.103＜2 = －3 μ 0.0185×10
化工原理第三章
第三章机械分离概述一、机械分离的应用在工业生产中，有很多情况需要将混和物分离，原料需要经过提纯或净化之后才符合加工要求，产品或中间产品也需要提纯净化才能出售，废气、废液、废渣也需要提纯分离才符合排放标准。
混和物分离有均相混和物分离和非均相混和物分离。
本章介绍非均相混和物的沉降、过滤的基本单元操作。
以碳酸氢铵的生产为例，如图是它的流程示意图。
氨水与二氧化碳在碳化塔1内进行碳化反应之后，生成的是含有碳酸氢铵晶体的悬浮液，即为一种液体与固体微粒的混合物，然后通过离心机或过滤机2将固体和液体分离开。
但分离后的晶体中仍然含有少量的水分，因此，还要将分离后的晶体经气流干燥器4干燥，即使物料在热气流的带动下迅速通过气流干燥器，使晶体中所含有的水分汽化并除去。
由于这时的固体粒子分散在气相之中，又要通过旋风分离器6等装置将其与气相分离开，以得到最后的产品。
在这个过程中，包含着流体与固体粒子的分离、混合与输送等不同的操作，而这些操作中又有一个共同的特点，即流体与固体粒子之间具有相相对运动，同时还往往伴随有热量和质量的传递。
主要应用有：1）对固体粒子或流体作进一步加工；2）回收有价值的物质；3）除去对下一工序有害的物质；4）减少对环境的危害。
二、常见分离方法1）沉降分离法，利用两相密度差；2）过滤分离法，利用两个相对多孔介质穿透性的差异；3）静电分离法，利用两相带电性差异；4）湿洗分离法，气固穿过液体，固体黏附于液体而分离。
三、均相物系与非均相物系不同成分的物质以相同的相态均匀混合组成的稳定系统为均相物系，各种气体总能够均匀地混合成均一的相，如空气。
墨水、乙醇+水、汽油+柴油、盐水、糖水等等也是均相物系。
含有不同相态的物质系统组成的混和物系为非均相物系，如云雾（气相+液相）、烟尘（气相+固相）、乳浊液（两种液相）就是非均相物系。
水+苯、水+砂子，沙尘暴等都是非均相系的例子。
非均相物系是指物质系统中存在着两相或更多的相。
3第三章机械分离剖析
重力沉降 沉降分离 离心沉降 重力过滤 加压过滤 过滤分离 真空过滤 离心过滤
工业上分离混合物的目的是： ①作为生产的主要阶段。如从淀粉液制取淀粉，从牛奶制取奶油和脱脂奶，将 晶体与母液分离制取纯净晶体食品等。 ②提高制品纯度。如牛奶的除杂净化和啤酒的过滤净化除去微粒固体等。 ③回收有价值物质。如从含微粒固体的气溶胶中分离出奶粉。
100≤ Reb ≤ 420, 湍流, 形体阻力占绝对主导, 等式右边第一项可忽略; 【例题3-1】颗粒及床层特性公式应用；床层压降计算。
§3 机械分离及固体流态化
§ 3.3 沉降过程
3.3.1 重力沉降
阻力Fd
浮力Fb
一. 沉降速度
A. 球形颗粒的自由沉降 颗粒在流体中的受力
重力 Fg 浮力 Fb
§3.2.3 固定床流动阻力
3.2.3 固定床流动阻力——康采尼模型
固定床层颗粒间形成的可供流体通过的通道细小、曲折且相互交联, 非常 复杂, 流体流过这些通道的流动阻力(压降)很难计算, 必须作适当的假设, 并在此基础上建立数学模型——康采尼模型就是其中较成功的一个模型。
1. 平行细管模型 将床层内的复杂通道假设成为长度为L(床层 高度)、当量直径为deb 的平行细管，并且假定： 流体 L deb
1) 细管的全部流动空间等于床层的空隙体积； 2) 细管的侧表面积等于床层的表面积。
设床层体积为Vb，
细管的体积 床层的空隙体积 Vb
细管的侧表面积 床层的表面积 Vbab Vb (1 )a
细管的当量直径 d eb d eb 4细管截面积 4细管截面积 L 4细管体积 4 细管湿周长 细管湿周长 L 细管侧表面积 (1 )a
化工原理 第三章 机械分离与固体流态化
第三章 机械分离与固体流态化
• 3.1 过 滤
• 3.2 沉
降
• 3.3 固体流态化
3.1 过
• • • • •
滤
3.1.1 概述 3.1.2 过滤基本方程 3.1.3 过滤常数的测定 3.1.4 滤饼洗涤 3.1.5 过滤设备及过滤计算
3.1.1 概 述
• 滤饼过滤其基本原理是在外力（重力、压力、离心 力）作用下，使悬浮液中的液体通过多孔性介质，而 固体颗粒被截留，从而使液、固两相得以分离，如图 3-1所示。
3.1.5 过滤设备及过滤计算
• 对叶滤机，洗涤速率则为：
2 LA d V d V d V KA w d L A d d V V w w e w e e 2
综合板框压滤机、叶滤机，洗涤速率可统一写成：
而过滤时间
V 2 2VV e
2 KA
将、w表达式代入式3-6得：
2 KA V Q 2 2 2 V 2 VV b V VV KA e e D
将上式对V求导数，得：
2 2 2 2 KA KA V bV d Q D 2 2 2 2 d VV 2 VV b V VV KA e e D
常用的助滤剂有：硅藻土、纤维粉末、活性炭、石棉等。
3.1.2 过滤基本方程
L u1 u u le
图3-3
流 体 在 滤 饼 中 流 动 的 简 化 模 型
• 将孔道视为长度均为le的一组平行细管，流体 在细管中的平均流速u1，同时考虑到滤饼较薄， 广义压力降可近似用压力降代替，则：
p1 2 u1 de 32le
• 3.1 过 滤
• 3.2 沉
降
• 3.3 固体流态化
3.1 过
• • • • •
滤
3.1.1 概述 3.1.2 过滤基本方程 3.1.3 过滤常数的测定 3.1.4 滤饼洗涤 3.1.5 过滤设备及过滤计算
3.1.1 概 述
• 滤饼过滤其基本原理是在外力（重力、压力、离心 力）作用下，使悬浮液中的液体通过多孔性介质，而 固体颗粒被截留，从而使液、固两相得以分离，如图 3-1所示。
3.1.5 过滤设备及过滤计算
• 对叶滤机，洗涤速率则为：
2 LA d V d V d V KA w d L A d d V V w w e w e e 2
综合板框压滤机、叶滤机，洗涤速率可统一写成：
而过滤时间
V 2 2VV e
2 KA
将、w表达式代入式3-6得：
2 KA V Q 2 2 2 V 2 VV b V VV KA e e D
将上式对V求导数，得：
2 2 2 2 KA KA V bV d Q D 2 2 2 2 d VV 2 VV b V VV KA e e D
常用的助滤剂有：硅藻土、纤维粉末、活性炭、石棉等。
3.1.2 过滤基本方程
L u1 u u le
图3-3
流 体 在 滤 饼 中 流 动 的 简 化 模 型
• 将孔道视为长度均为le的一组平行细管，流体 在细管中的平均流速u1，同时考虑到滤饼较薄， 广义压力降可近似用压力降代替，则：
p1 2 u1 de 32le
化工原理 机械分离 过滤分离
40 1773 + 1267 = 1.51(h ) θC = θF + θ W + θR = + 60 3600 0.76 Q= = 0.5(m 3 / h ) 1.51
化工原理（上） 化工原理（
第三章 机械分离 —— 过滤分离过程
3.2 过 滤 一 过滤基本原理
1 过滤
滤 浆 滤 饼 过滤介质
滤 液
固液混合，外力驱动，多孔介质，颗粒截留， 固液混合，外力驱动，多孔介质，颗粒截留，液体通过
名词： 名词： 1过滤介质；滤浆；滤渣(饼)；滤液 2过程推动力：重力；压力(差)；离心力 3滤饼过滤与深层过滤 4操作目的：固体或清净的液体 5洗涤——回收滤饼中残存的滤液或除去其杂质
一个周期中全部面积经历过滤时间 一个周期中全部面积经历过滤时间 全部面积
θ F = φθ C = φ / n θ F = φθ C
部分面积，全部时间 →全部面积， 部分面积，全部时间—→全部面积，部分时间
φA
θC
A
（2）生产能力
Qh = 3600qA / θ c = 3600nqA 2 q + 2qqe = Kθ F = Kφ / n
模型简化
细管)当量直径 ③孔道(细管 当量直径 e： 孔道 细管 当量直径d
4 × 流通截面积 l 4 × 空隙体积 4 × 床层体积 × 空隙率 de = = = 润湿周边长 l 颗粒表面积 比表面积 × 颗粒体积 4 × 床层体积 × 空隙率 4ε = = 比表面积 × 床层体积 × (1 − 空隙率 ) a (1 − ε )
2．转筒过滤机 ． （1）结构与工作原理 ）
四 过滤计算
1．间歇过滤机的计算 卸渣、清理、装合 卸渣、清理、
化工原理上册 第3章 流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离
τm
AP
(a)
(b)
(c)
图3-5 物体的不同形状和位向对曳力的影响 （a）-平板平行于流向；（b）-平板垂直于流向；（c）-流线型物体
水平方向，颗粒所受曳力：
颗粒微元： dFD p cosdA w sindA
总曳力：FD p cosdA w sindA
A
A
Pcosa dA PdA
τwdA
aB
A VB
V
A a(1 ) (1 )
aB a
3.3 流体和颗粒的相对运动
流体和颗粒相对运动的情况：
① 颗粒静止，流体绕过颗粒流动； ② 流体静止，颗粒流动； ③ 颗粒和流体都运动，维持一定相对速度。
3.3.1 流体绕过颗粒的流动
(1) 曳力 阻力：颗粒对流体的作用力 曳力：流体对颗粒的作用力
② 非球形颗粒的曳力系数 计算方法： ◇ 近似用球形颗粒公式，ds→da 或 dv ◇ 实测ξ-Rep 关系（书P168 图3.3.2）
3.3.2 颗粒在流体中的流动
(1) 颗粒在力场中的受力分析
Fb
① 质量力 Fe mae Vs sae
②
浮力
Fb
m
s
ae
Vs ae
③
曳力
FD
AP
1 2
u 2
1
)3
( 6dV2 / a )1/3 ( 6dV2 )1/3
a
因此， dV
6
a
2）等比表面积当量直径 da 指：与非球形颗粒比表面积相等的球形颗粒的直径
a
as
d
2 s
6
d
3 s
6/ ds
da
因此，da 6 / a
南工大化工原理第三章颗粒流体力学基础与机械分离
过滤基本方程式
可压缩滤饼 压缩性指数 s= 0
～
r r0 (p)
1
s
不可压缩滤饼：s=0
过滤基本方程式
dq p d r0 (q qe )
1 s
过滤基本方程
令：
2(p) K r0
1 s
（ 恒压过滤常数）
dq K d 2(q qe )
过滤设备
2
2 1 u 1.75 3 dm
欧根方程的误差约为±25%
Re’ ﹤20/6时 右第二项可略 Re’ ﹥1000/6时 右第一项可略
*** 颗粒床层简化模型常用的有一维、二维和三维模型， 这些模型都是将流体通过固定床层的流动进行了大量的 简化，因此所得到的数学模型只能在一定范围内反映事 物的规律。随着科学技术的发展，特别是数学理论的发 展，一些新的在更大程度上能反映流动规律的模型相继 问世。如流体流过一个颗粒表面，当流速较小时颗粒后 面的流体运动是定常的，当流速大到一定程度会发生边 界层分离现象，颗粒后面的流体运动变为湍流运动， 这就属于数学中的混沌现象， 由此建立的混沌模型就 比较复杂。又如固定床层中的颗粒通常看成球形，对于 非球形颗粒通常用平均半径来表示，当考虑颗粒的具体 的不规则形状时，就可能出现非整数维数，由此建立的 数学模型也就很复杂了。但在工程上使用最广、最成熟 的是一维模型。介绍床层的一维简化模型。
1.表格式：表1 石英砂的筛分数据
编号 筛号范围 平均粒径dp， 质量分数 mm x 9/10 10/12 12/14 14/16 16/20 20/24 24/28 1.816 1.524
筛上粒子的 d
筛孔尺寸 d， mm 1.651（10号） 1.397 （12号） 1.168 （14号） 0.991 （16号） 0.833 （20号） 0.701 （24号） 0.589 （28号）
第三章机械分离
解：降尘室能完全除去的最小颗粒的沉降速度为：
生产能力 :Vs ut • A底
ut
Vs bl
25000 / 3600 25
0.694m s 1
假定沉降在层流区:
ut
d 2(s )g 18
d 18 3105 0.694＝9.21105 m 4500 9.81
校核:
Ret
d
ut
9.21105 0.694 3 10 5
粒级效率：每一种颗粒被分离出来的百分率。
P158 图3-9可 d p dc的颗粒，粒级效率均为100%；
查粒级效率
dp
d
的颗粒，粒级效率均
c
100%
压降：小好，一般在 5002000Pa 左右
p ui2
2
8
第三章 流体输送机械
3.3、影响沉降的因素
❖ 干扰沉降
由于干扰作用，实际沉降速度 小于自由沉降速度。
颗粒在降尘室中的运动
降尘室生产能力:
V u • (B H ) ut • (L B) ut • A
能够满足 100%除去某粒度颗粒时的气体处理量-----生产能力
可见：降尘室生产能力与底面积、沉降速度有关， 而与降尘室高度无关
第三章 流体输送机械
生产能力:Vs ut • A底
思考：如何提高生产能力？
水平 挡板
耙
稠浆 连续式沉降槽
清液溢流 清液
第三章 流体输送机械
3.2、离心沉降
3.2.1 离心沉降速度
重力Fc=mg 浮力 Fb 阻力 FD
离心力Fc ma c
向心力 Fb 阻力 FD
区别：
▪ 重力加速度(g)为常数
▪ 离心加速度
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
du0
原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。 2） 20℃的空气中的沉降速度 20℃空气：ρ=⒈205 kg/m3，μ=⒈81×10-5 Pa.s
2018/10/13
5、分级沉降
含有两种直径不同或密度不同的混合物，也可用沉降方 法加以分离。
2018/10/13
如图所示：
为一双锥分级器，利
用它可将密度不同或
，自由沉降的公式不再适用。
2）器壁效应 当器壁尺寸远远大于颗粒尺寸时，（例如在100倍以上） 容器效应可忽略，否则需加以考虑。
u0 u0 d 1 2.1 D
'
2018/10/13
3）颗粒形状的影响 S 球形度 s Sp
对于球形颗粒， φs=1，颗粒形状与球形的差异愈大，球形 度φs值愈低。 对于非球形颗粒，雷诺准数Re0中的直径要用当量直径de代
尺寸不同的粒子混合 物分开。混合粒子由 上部加入，水经可调 锥与外壁的环形间隙 向上流过。沉降速度大于水在环隙处上升流速的颗粒进 入底流，而沉降速度小于该流速的颗粒则被溢流带出。
2018/10/13
二、降尘室
1、降尘室的结构 2、降尘室的生产能力
降尘室的生产能力是指降尘室所处理的含尘气体的体积流 量，用Vs表示，m3/s。 降尘室内的颗粒运动 以速度u 随气体流动
附录查得，20℃时水的密度为998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s
2018/10/13
u0
95 10 3000 998.2 9.81
6 2
18 1.005 103
9.797 10 3 m / s
核算流型
6 3 95 10 9 . 797 10 998.2 Re0 0.9244＜1 3 1.005 10
非均相混合物 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 例如
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
2018/10/13
分散相 分散质 非均相物系 连续相 分散介质
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
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
连续相与分散相 机械 分散相和连续相 分离 分离 不同的物理性质 发生相对运动的方式
2018/10/13
沉降
过滤
一、重力沉降
沉降 ：在某种力场中利用分散相和连续相之间的密度差 异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。 重力 作用力 重力 沉降
当a=0时，u=u0，代入（a）式
6
d s g
3
6
d g
3
4
d
2
u0
2
2
0
4dg ( s ) u0 3
2018/10/13
---------沉降速度表达式
2、阻力系数
通过因次分析法得知， 的雷诺数Re0的函数。 对于球形颗粒的曲线，按Re0值大致分为三个区： a) 层流区或托斯克斯(stokes)定律区（Re0≤2）
值是颗粒与流体相对运动时
24 Re0
d 2 s u0 18
2018/10/13
——斯托克斯公式
2018/10/13
b) 过渡区或阿仑定律区（Allen）（2＜Ret≤500）
18.5 0.6 Re0
u0 0.269
gd 作沉降运动
2018/10/13
颗粒在降尘室的停留时间
L u
0 H u0
颗粒沉降到室底所需的时间 为了满足除尘要求
L H ——降尘室使颗粒沉降的条件 u u0 LHB H L LHB Vs u Vs Vs u0 Vs HB HB
——艾伦公式
c) 滞流区或牛顿定律区（Nuton）（500＜Ret ≤ 2×105）
0.44
u0 1.74 d s g
——牛顿公式
2018/10/13
3、影响沉降速度的因素
1）颗粒的体积浓度
在前面介绍的各种沉降速度关系式中，当颗粒的体积浓
度小于 0.2%时，理论计算值的偏差在 1%以内，但当颗粒 浓度较高时，由于颗粒间相互作用明显，便发生干扰沉降
u
2
2
对球形颗粒A
4
d
2
4
d2
u 2
2
Fg Fb Fd ma
6
d s g
3
6
d g
3
4
d
2
u 2
2
6
d 3 s a (a)
颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力Fd=0，a→max 颗粒开始沉降后，u ↑ →Fd ↑；u →u0 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。
惯性离心力
离心沉降
1、沉降速度
1）球形颗粒的自由沉降 设颗粒的密度为ρs，直径为d，流体的密度为ρ，
2018/10/13
重力 浮力
Fg
6
d 3 s g
Fb
6
d g
3
而阻力随着颗粒与流体间的相对运动速度而变，可仿照
流体流动阻力的计算式写为 ：
Fd A
Fd
2018/10/13
替。
6
de V p
3
de
3
6
VP
颗粒的球形度愈小，对应于同一Re0值的阻力系数 愈大 但φs值对 种影响变大。
2018/10/13
的影响在层流区并不显著，随着Re0的增大，这
4、沉降速度的计算
试差法
方法： 假设沉降属于层流区
d 2 s u0 18
Re0 du0
u0 Re0≤2 Re0＞1
Re0
u0为所求 公式适 用为止 …… 判断 求u0 艾伦公式
2018/10/13
例：试计算直径为95μm，密度为3000kg/m3的固体颗粒分别
在20℃的空气和水中的自由沉降速度。
解：1）在20℃水中的沉降。
用试差法计算 先假设颗粒在滞流区内沉降 ，
d 2 s g u0 18
一、沉降速度
第三章 机械分离
第一节 重力沉降
1、球形颗粒的自由沉降 2、阻力系数 3、影响沉降速度的因素 4、沉降速度的计算 5、分级沉降
二、降尘室
1、降尘室的结构 2、降尘室的生产能力
2018/10/13
均相混合物 物系内部各处物料性质均一而且不 存在相界面的混合物。 混合物 例如：互溶溶液及混合气体