化工原理胡福田 TEL： 13711678132 E-mail: hftian2002 163. com 第三章第三章机械分离与固体流态化机械分离与固体流态化1.1.本章学习目的本章学习目的 重点掌握沉降和过滤这两种机械分离操作的原理、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。艺要求，合理选择设备类型和尺寸。2.2.本章应掌握的内容本章应掌握的内容 a a 沉降分离（包括重力沉降和离心沉降）的原理、沉降分离（包括重力沉降和离心沉降）的原理、过程计算、分离器的选型。过程计算、分离器的选型。 b b 过滤操作的原理、过滤基本方程式推导的思路，过滤操作的原理、过滤基本方程式推导的思路，恒压过滤的计算、过滤常数的测定。恒压过滤的计算、过滤常数的测定。第一节、筛分第一节、筛分第二节、沉降分离第二节、沉降分离第三节、过滤第三节、过滤第四节、固体流态化第四节、固体流态化第三章第三章机械分离与固体流态化机械分离与固体流态化第一节第一节筛筛分分1.1颗粒特性颗粒特性球形颗粒球形颗粒：直径直径表面积表面积体积体积比表面积比表面积非球形颗粒非球形颗粒：形状因数形状因数体积当量直径体积当量直径比表面积比表面积第一节第一节筛筛分分1.2颗粒群特性颗粒群特性粒度（尺寸）分布粒度（尺寸）分布：某一粒度范围的颗：某一粒度范围的颗粒的质量分数随粒度的变化关系粒的质量分数随粒度的变化关系平均直径：平均直径：当量长度平均直径、当量长度平均直径、当量表面积平均直径、当量体积当量表面积平均直径、当量体积平均直径平均直径第一节第一节筛筛分分1.3筛分筛分筛分原理筛分原理：目目是每英寸长度筛网上的是每英寸长度筛网上的孔数孔数筛分时筛分时,将几个筛子按筛孔从大到小的次序将几个筛子按筛孔从大到小的次序自上而下叠置自上而下叠置,样品加于顶端的筛子样品加于顶端的筛子,振动一振动一定时间定时间.通过筛孔的物料为通过筛孔的物料为筛过物筛过物,未通过未通过的为的为筛留物筛留物。第一节第一节筛筛分分1.3筛分筛分筛的有效性与生产能力筛的有效性与生产能力分割直径分割直径dc:比分割直径小的颗粒的通过率与比分割直径比分割直径小的颗粒的通过率与比分割直径大的颗粒的截留率的乘积称为筛的大的颗粒的截留率的乘积称为筛的有效性有效性.单位时间能够加到单位面积筛表面上的物料单位时间能够加到单位面积筛表面上的物料质量称为筛的质量称为筛的生产能力生产能力.第二节第二节沉降分离沉降分离一、重力沉降一、重力沉降二、离心沉降二、离心沉降沉降分离沉降分离：利用非均相混合物在重力场：利用非均相混合物在重力场或离心力场中或离心力场中,由各成分受力不同而加由各成分受力不同而加以分离的方法以分离的方法.一、重力沉降一、重力沉降1.1重力沉降原理重力沉降原理自由沉降自由沉降:单个颗粒在无限大流体中的降单个颗粒在无限大流体中的降落过程落过程自由沉降速度自由沉降速度：开始时：开始时,颗粒降落速度为颗粒降落速度为零零,阻力为零阻力为零,加速下降加速下降;速度增加速度增加,阻力增阻力增大直到与净重力相等大直到与净重力相等,加速度为零加速度为零,此后等此后等速下降速下降.一、重力沉降一、重力沉降1.1重力沉降原理重力沉降原理自由沉降速度大小自由沉降速度大小：一、重力沉降一、重力沉降1.2重力沉降速度计算公式重力沉降速度计算公式一、重力沉降一、重力沉降1.3重力沉降速度计算方法重力沉降速度计算方法试差法试差法一、重力沉降一、重力沉降1.4重力沉降分离设备重力沉降分离设备降沉室设备降沉室设备颗粒沉降被除去的条件：颗粒沉降被除去的条件：一、重力沉降一、重力沉降完全被分离出的最小颗粒直径：完全被分离出的最小颗粒直径：最大处理量：最大处理量：二、离心沉降二、离心沉降2.1离心沉降原理离心沉降原理2.2离心沉降速度离心沉降速度二、离心沉降二、离心沉降2.3离心沉降分离设备离心沉降分离设备旋风分离器：结构、主要性能旋风分离器：结构、主要性能临界直径、分离效率临界直径、分离效率第三节第三节过过滤滤3.1概述概述深层过滤、深层过滤、滤饼过滤滤饼过滤过滤介质、滤饼的可压缩性、助滤过滤介质、滤饼的可压缩性、助滤剂剂3.2过滤设备过滤设备压滤机结构压滤机结构悬悬浮浮液液从从框框右右上上角角进进入入滤滤框框，固固体体颗颗粒粒被被截截留留在在框框内内形形成成滤滤饼饼，滤滤液液穿穿过过滤滤饼饼和和滤滤布布到到达达两两侧侧的的板板，经经板板面面从从板板的的左左下下角角旋旋塞塞排排出出。洗洗液液从从洗洗板板左左上上角角进进入入，依依次次穿穿过过滤滤布布、滤饼、滤布，到达非洗涤板，从其下角的旋塞排出。滤饼、滤布，到达非洗涤板，从其下角的旋塞排出。非洗涤板编号为非洗涤板编号为1、框为、框为2、洗涤板为、洗涤板为3，则板框的组合方，则板框的组合方式服从式服从1232123之规律之规律第三节第三节过过滤滤3.3过滤的基本理论过滤的基本理论过滤速度：过滤速度：第三节第三节过过滤滤3.3过滤的基本理论过滤的基本理论床层的简化床层的简化物理模型物理模型: : 表面积相等；空隙体积相等表面积相等；空隙体积相等 第三节第三节过过滤滤3.4过滤基本方程式及其推导过滤基本方程式及其推导 第三节第三节过过滤滤3.4过滤基本方程式及其推导过滤基本方程式及其推导 第三节第三节过过滤滤3.5恒压过滤方程式恒压过滤方程式 忽略介质阻力：第三节第三节过过滤滤3.6过滤常数测定过滤常数测定 第三节第三节过过滤滤3.6过滤常数过滤常数测定测定 第三节第三节过过滤滤3.7滤饼洗涤滤饼洗涤洗涤速率：洗涤速率是过滤终点过滤速率的1/4第三节第三节过过滤滤3.8 生产能力 间歇过滤机最大生产能力条件第三节第三节过过滤滤3.8 生产能力 连续过滤机思考题思考题1.1.板板框框过过滤滤机机恒恒压压过过滤滤某某悬悬浮浮液液，一一个个操操作作周周期期的的滤滤液液6 6m m3 3，其其中中过过滤滤需需时时3030minmin，洗洗涤涤及及拆拆装装等等共共用用去去4040minmin，设滤饼不可压缩，介质阻力忽略不计。试求：设滤饼不可压缩，介质阻力忽略不计。试求：（1 1） 该机的生产能力；该机的生产能力；（2 2） 仅仅将将操操作作压压力力加加倍倍，而而过过滤滤时时间间、辅辅助助时时间间等等其其他条件都不变，该机生产能力将提高多少？他条件都不变，该机生产能力将提高多少？（3 3） 若若改改用用真真空空转转筒筒过过滤滤机机，该该机机旋旋转转一一周周可可得得0.04280.0428m m3 3滤滤液液，该该机机转转速速为为多多少少方方能能维维持持生生产产能能力力与与（1 1）相同？）相同？思考题思考题解（解（1 1）= 30/60 h = 30/60 h ，W W+D D= 40/60 h = 40/60 h ，V = 6mV = 6m3 3 Q Q = = V V / /（+W W+D D）= = 6 660/60/（30+4030+40）= = 5.14 5.14 m m3 3/h/h（ 2 2） K K = = 2kp2kp1-S1-S= = 2kp 2kp ， V V2 2 = = KAKA2 2= = 2kpA2kpA2 2 （V V2 2/V/V1 1）2 2= 2 = 2 ，V V2 2 = V = V1 12 = 62 = 62 = 8.49 m2 = 8.49 m3 3生产能力提高：（生产能力提高：（8.49-68.49-6）/6 = 41.5%/6 = 41.5%（3 3）设转速为）设转速为n n（r/minr/min），），生产能力为生产能力为Q Q则有：则有：Q Q= 0.0428= 0.04286060n = 5.14n = 5.14故：故： n = 5.14/n = 5.14/（0.04280.04286060） = 2 r/min = 2 r/min思考题思考题2. 2. 用用板板框框过过滤滤机机恒恒压压下下过过滤滤某某种种悬悬浮浮液液，过过滤滤机机的的尺尺寸寸为为：滤滤框框的的边边长长为为810810mm(mm(正正方方形形) )，每每框框厚厚度度为为4242mmmm，共共1010个个框框。现现已已测测得得：过过滤滤1010分分钟钟得得到到滤滤液液1.311.31m m3 3, ,再再过过滤滤1010分分钟钟共共得得到到滤滤液液1.9051.905m m3 3, ,已已知知每每m m3 3滤滤液液可可形形成成0.10.1m m3 3的的滤饼，试计算：滤饼，试计算：（1 1）过滤常数）过滤常数K K为多少为多少m m2 2/s?/s?（2 2）将滤框完全充满滤饼所需的过滤时间为多少分钟将滤框完全充满滤饼所需的过滤时间为多少分钟 ? ?（3 3） 若若洗洗涤涤时时间间和和辅辅助助时时间间共共4545分分钟钟，求求该该机机生生产产能能力为多少力为多少m m3 3滤液滤液/ /h ?h ?思考题思考题(1)(1)过滤面积过滤面积A=0.81A=0.812 22 210=13.12m10=13.12m2 2根据恒压过滤速率方程根据恒压过滤速率方程: :V V2 2+2VV+2VVe e=KA=KA2 2将将=10min,V=1.31m=10min,V=1.31m3 3;=20min,V=1.905m;=20min,V=1.905m3 3代入上式解出代入上式解出: :K=2.01K=2.011010-5-5m m2 2/s V/s Ve e=0.1376m=0.1376m3 3/s/s(2)(2)滤框充满时所得滤饼体积滤框充满时所得滤饼体积: :V V饼饼=0.81=0.812 20.0420.04210=0.275610=0.2756m m3 3滤框充满时所得滤液体积滤框充满时所得滤液体积: :V=VV=V饼饼/ /=0.2756/0.1=2.756m=0.2756/0.1=2.756m3 3=(V=(V2 2+2VV+2VVe e) )2 2/KA/KA2 2(3)(3)生产能力生产能力思考题思考题思考题思考题3. 有一板框过滤机，恒压下过滤某种悬浮液，过滤1h后，得到滤液60m3,然后用5m3的清水（物性与滤液相近）进行洗涤，拆装时间为20min，已测得Ve=4m3,试求：（1）过滤末速率为多少m3滤液/h ?（2） 洗涤时间为多少h ?（3）该机生产能力为多少m3滤液/h ?第四节第四节固体流态化固体流态化一、一、流流态化的基本概念化的基本概念1.11.1流态化现象流态化现象 固定床固定床阶段段：当流体通过床层的空塔速度较低时，颗粒所受的曳力当流体通过床层的空塔速度较低时，颗粒所受的曳力较小，能够保持静止状态，流体只能穿过静止颗粒之较小，能够保持静止状态，流体只能穿过静止颗粒之间的空隙而流动，这种床层称为固定床。间的空隙而流动，这种床层称为固定床。 第四节第四节固体流态化固体流态化一、一、流流态化的基本概念化的基本概念1.11.1流态化现象流态化现象 流化床阶段流化床阶段 ：（1）临界流化状界流化状态：当流体空塔速度：当流体空塔速度增大到增大到颗粒床粒床层开开始松始松动，床，床层略有膨略有膨胀，但，但颗粒仍不能自由运粒仍不能自由运动，床，床层的的这种情况称种情况称为初始流化或初始流化或临界流化界流化。（2）流化床：当）流化床：当u1u0颗粒粒间流体的流体的实际速度等于速度等于颗粒粒的沉降速度的沉降速度时，床，床层开始膨开始膨胀、增高，空隙率也随之增大，、增高，空隙率也随之增大，此此时颗粒与流体之粒与流体之间的摩擦力恰好与其的摩擦力恰好与其净重力相平衡。重力相平衡。第四节第四节固体流态化固体流态化一、一、流流态化的基本概念化的基本概念1.11.1流态化现象流态化现象 颗粒粒输送送阶段段若流速再升高达到某一极限若流速再升高达到某一极限时（u1u0），），流化床的上流化床的上界面消失，界面消失，颗粒分散粒分散悬浮于气流中，并不断被气流浮于气流中，并不断被气流带走，走，这种床种床层称称为稀相稀相输送床，送床，颗粒开始被粒开始被带出的速度称出的速度称为带出速度，其数出速度，其数值等于等于颗粒在粒在该流体中的沉降速度。流体中的沉降速度。第四节第四节固体流态化固体流态化一、一、流流态化的基本概念化的基本概念1.21.2两种不同流化形式两种不同流化形式 散式流化（均匀流化）：固体颗粒均匀的分散在流化介质散式流化（均匀流化）：固体颗粒均匀的分散在流化介质中中聚式流化：对于密度差较大的系统（气聚式流化：对于密度差较大的系统（气固），一般趋固），一般趋向于形成聚式流化。超过流化所需最小气量的那部分气体向于形成聚式流化。超过流化所需最小气量的那部分气体以气泡形式通过颗粒层上升至床层上界面即破裂，并可能以气泡形式通过颗粒层上升至床层上界面即破裂，并可能夹带部分固体物质。夹带部分固体物质。第四节第四节固体流态化固体流态化二、二、流化床的压强流化床的压强特点：特点：1、在固定床区域和流化床区域在固定床区域和流化床区域间有一有一“驼峰峰”。这是是因因为固定床的固定床的颗粒粒间相互相互挤压，需要，需要较大的推大的推动力才力才能使床能使床层松松动，直至，直至颗粒达到粒达到悬浮状浮状态时，压降便从降便从“驼峰峰”段降到水平段，此后降基本不随气速而段降到水平段，此后降基本不随气速而变，最，最初的床初的床层愈愈紧密，密，“驼峰峰”段越陡峭。段越陡峭。2、流化阶段的压降略向上倾斜。、流化阶段的压降略向上倾斜。这是由于气体通过这是由于气体通过床层时的压强降除绝大部分用于平衡床层颗粒的重力床层时的压强降除绝大部分用于平衡床层颗粒的重力外，还有很少一部分能量消耗于颗粒之间的碰撞及颗外，还有很少一部分能量消耗于颗粒之间的碰撞及颗粒容器壁之间的摩擦。粒容器壁之间的摩擦。第四节第四节固体流态化固体流态化三、三、流化床的操作流速范围流化床的操作流速范围1.临界流化速度界流化速度测定流化床回到固定床的一系列压降与气体流速的对应数测定流化床回到固定床的一系列压降与气体流速的对应数值，标绘在对数坐标纸上得到流化速度值，标绘在对数坐标纸上得到流化速度2.带出速度出速度 颗粒的带出速度即为颗粒的沉降速度。计算时以最小颗粒的带出速度即为颗粒的沉降速度。计算时以最小颗粒直径计算。颗粒直径计算。要使固体要使固体颗粒床粒床层在流化状在流化状态下操作，必下操作，必须使气速高于使气速高于临界气界气速速，而最大气速又不得超而最大气速又不得超过颗粒粒带出速度。出速度。第四节第四节固体流态化固体流态化四、四、流化床的主要特点流化床的主要特点流化床内的固体颗粒处于悬浮状态并不停地运动，流化床内的固体颗粒处于悬浮状态并不停地运动，这种颗粒的剧烈运动和均匀混合使床层基本处于全这种颗粒的剧烈运动和均匀混合使床层基本处于全混状态，整个床层的温度、组成均匀一致，这一特混状态，整个床层的温度、组成均匀一致，这一特征使流化床中气固系统的传热大大强化，床层的操征使流化床中气固系统的传热大大强化，床层的操作温度也易于调控。作温度也易于调控。 第四节第四节固体流态化固体流态化五、五、流化床的不正常现象流化床的不正常现象1、腾涌涌现象：如床象：如床层高度与直径之比太大，或气速高度与直径之比太大，或气速过高高时，会，会发生气泡合并成大气泡的生气泡合并成大气泡的现象，当气泡直径象，当气泡直径长大到大到与床与床层直径相等直径相等时，则床床层分分为几段，形成相互几段，形成相互间隔的气隔的气泡和泡和颗粒粒层。颗粒粒层象活塞一象活塞一样被气泡向上推被气泡向上推动，达到上，达到上部后气泡崩裂，而部后气泡崩裂，而颗粒分散下降，粒分散下降，这种种现象称象称为腾涌，涌，腾涌涌时压降降发生大幅波生大幅波动。2、沟流、沟流现象：指气体通象：指气体通过床床层时形成短路，大量气体没形成短路，大量气体没有与固体很好接触即穿有与固体很好接触即穿过沟道上升，部分床沟道上升，部分床层变为死床，死床，压降低于降低于单位床位床层面面积上的重力。粒度上的重力。粒度过细、密度大、易、密度大、易于粘于粘结的的颗粒，以及气体初始分布不均都易引起沟流。粒，以及气体初始分布不均都易引起沟流。