化工原理课件3机械分离和固体流态化

1主要内容3.1概述3.2颗粒及颗粒床层的特性3.3沉降分离3.4过滤3.5离心机（自学）3.6固体流态化2基本要求掌握单个颗粒、颗粒群、颗粒床层特性的表示方法；掌握重力沉降和离心沉降的基本原理、沉降速度的定义和基本表示方法；了解并熟悉降尘室、旋风分离器的结构特点、工作原理及其性能参数；掌握过滤的基本操作过程、典型的设备，熟练掌握恒压过滤的操作及计算；了解流化床的主要特征和操作范围；掌握数学模型法。3概述混合物的分类非均相混合物均相混合物无相界面，采用传质方法分离有相界面，采用机械方法分离：过滤、沉降悬浮液-----固-液混合物乳浊液-----液-液混合物含尘气体----气-固混合物含雾气体----气-液混合物4概述连续相分散相非均相物系中处于分散状态的物质。如悬浮液中的固体颗粒。包围分散质的处于连续状态的流体。如悬浮液中的液体。非均相物系分离的依据：分散相与连续相之间的物理性质的差异。如密度、颗粒外径等。非均相物系的分离方法：机械法，使分散质与分散相之间发生相对运动，实现分离。56概述非均相混合物分离的目的回收分散质，如从气固催化反应器的尾气中收集催化剂颗粒；净化分散介质，如原料气中颗粒杂质的去除以净化反应原料，环保方面烟道气中煤炭粉粒的除去。环境保护与安全生产73.2.1颗粒的特性3.2.2颗粒床层的特性3.2.3流体通过床层流动的压降3.2颗粒及颗粒床层的特性81.单一颗粒的特性1）球形颗粒用粒径d（球形颗粒的直径）表示。比表面积表面积体积63dV2dSda/6m2/m3。m2m3单位体积颗粒具有的表面积91.单一颗粒的特性2）非球形颗粒用当量直径和形状系数表示。形状系数（球形度）体积当量直径与非球形颗粒体积相等的球形颗粒的直径。36peVd非球形颗粒体积表示颗粒形状与球形的差异psSS该颗粒体积相等的圆球的表面积，m2；颗粒的表面积，m2；φS≤1101.单一颗粒的特性2）非球形颗粒比表面积表面积体积36epdVsepdS2esda6112.颗粒群的特性1）粒度分布不同粒径范围内所含粒子的个数或质量。可采用泰勒标准筛通过筛分分析得到。料被截留在筛面上的尺寸大于筛孔尺寸的物料的量筛余量（筛上产品）筛过量（筛下产品）通过筛孔的尺寸小于筛孔尺寸的物料的量122.颗粒群的特性2）颗粒的平均粒径iiiiadxGGdd11平均比表面积直径，mi层筛网的筛余量筛分直径：i-1和i层筛网的平均孔径颗粒总质量质量分数133.2颗粒及颗粒床层的特性3.2.1颗粒的特性3.2.2颗粒床层的特性141.床层空隙率e床层体积床层体积－颗粒体积e影响因素：颗粒大小、形状、粒度分布、充填方式等。一般非均匀、非球形颗粒的乱堆床层：0.47～0.7。均匀的球体最松排列时:0.48，最紧密排列时:0.26。152.床层的比表面积ab单位体积床层中具有的颗粒表面积（即颗粒与流体接触的表面积）,ab。用堆积密度表示用颗粒比表面积a表示如忽略床层中颗粒间相互重叠的接触面积）：ddasbb)1(66e)1(eaab颗粒的堆积密度颗粒的真实密度163.床层的自由截面积定义：床层截面上未被颗粒占据的、流体可以自由通过的面积对乱堆床层，各向同性，床层自由截面积与床层截面积之比等于空隙率；受壁效应影响，壁面附近床层空隙率大于床层内部。改善壁效应的方法通常是限制床层直径与颗粒直径之比不得小于某极限值。若床层的直径比颗粒的直径大得多，则壁效应可忽略。173.2颗粒及颗粒床层的特性3.2.1颗粒的特性3.2.2颗粒床层的特性3.2.3流体通过床层流动的压降181.床层的简化模型uL流体通过颗粒层产生压降的主要原因：1）粘性摩擦阻力2）形体阻力流体通过颗粒层的流动多呈爬流，无边界层脱体现象发生，流动阻力主要为粘性摩擦阻力，由颗粒层内固体表面积大小决定，而颗粒形状并不重要。191.床层的简化模型uuLLde流体在固定床内流动的简化模型(1)细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积；细管的内表面积等于颗粒床层的全部表面积。(2)细管长度=床层高度L。假定（保证单位体积表面积相等）：流体在固定床内流动的简化模型201.床层的简化模型润湿周边流通截面积4debVa4εV4b细管的全部内表面积细管的流动空间e1aabee14a床层体积细管的当量直径：212.流体通过床层压降的数学描述221udLpebf)1(4eeadeb压降真实流速uuLLdeb流体在固定床内流动的简化模型u1流体在固定床内流动的简化模型euu1uAAue1由质量守恒得：空床气速(表观速度）222.流体通过床层压降的数学描述23')1(uaLpfee23)1(8uaLpfee'说明：λ′是模型参数，固定床的流动摩擦系数，须由实验检验和测定。233.模型参数的实验测定23')1(uaLpfeebKRee)1(Re1auudebb（1）康采尼实验结果：流速较低，床层雷诺数Reb2时：322)1(5eeuaLpf康采尼常数K′=5康采尼方程243.模型参数的实验测定（2）欧根实验结果：当Reb＝0.17～330时，23')1(uaLpfee29.0Re17.4b32322)1(29.0)1(17.4eeeeuauaLpf)/(6esda25)()1(75.1)()1(15032232esesfduduLpeeeeReb20时，层流流动，上式右边第二项可忽略；Reb1000时，湍流流动，上式右边第一项可忽略。3.模型参数的实验测定（2）欧根实验结果：23')1(uaLpfee263.3沉降分离3.3.1重力沉降3.3.2离心沉降27概述沉降：悬浮在流体中的固体颗粒借助于外场作用力产生定向运动，从而实现与流体相分离，或者使颗粒相增稠、流体相澄清的一类操作。干扰沉降自由沉降离心沉降重力沉降主要讨论刚性颗粒的自由沉降。受其它颗粒或壁面影响重力作用下沉降离心力作用下沉降沉降不受影响281.沉降速度图3-1沉降颗粒的受力情况颗粒受到三个力重力浮力阻力S3gπ6Fdg3bπ6Fdg2d2uFA阻力系数或曳力系数颗粒密度流体密度颗粒在运动方向的投影面积291.沉降速度根据牛顿第二运动定律：2323ssπππd()()6426duudgdd分析颗粒运动情况：加速度最大阻力加速度0utuuu加速度=0加速段匀速段加速段极短，一般仅考虑匀速段的运动。30沉降速度等速阶段中颗粒相对于流体的运动速度ut称为沉降速度。由于这个速度是加速阶段终了时颗粒相对于流体的速度，故又称为“终端速度”。tust4()3gdu1.沉降速度312.阻力系数μρduRtet),(RefsttRe322.阻力系数on定律区）湍流区（牛顿Nuwtn区）过渡区（艾仑Alleokes定律区）层流区（斯托克斯St）（1Re104ttRe24182gdust）（1000Re1t6.0Re5.18t6.0Re27.0tstgdu）（200000Re1000t44.0stgdu74.134gdust333.影响沉降速度的因素34gdust1)流体的粘度滞流区湍流区过渡区表面摩擦阻力形体阻力343.影响沉降速度的因素34gdust2)颗粒的体积分数3)器壁效应4)颗粒形状体积分数大，发生干扰沉降，ut。由于器壁存在，ut，当容器尺寸大于颗粒尺寸100倍以上时，可忽略。非球形颗粒比等体积球形颗粒沉降速度小，φs，ut，351）试差法假设沉降属于某一流型计算沉降速度核算Ret4.沉降速度的计算362）摩擦数群法2()gKds32343ReKtReudtt2ReRett曲线图，最后由Ret反求ut，即查先计算4.沉降速度的计算372ReRett图3-3及关系曲线1ReRett381234()3gReusttRedutt若要计算介质中具有某一沉降速度ut的颗粒的直径，可先令1ReRett查曲线图，可求直径d，即4.沉降速度的计算39图3-3及关系曲线1ReRett2ReRett403)用量纲为1的数群K值判别流型K≤2.62为斯托克斯定律区;2.62K69.1为艾仑定律区;K≥69.1为牛顿定律区。2()gKds34.沉降速度的计算412.重力沉降设备—液固体系—沉降槽—气固体系—降尘室42图3-4降尘室示意图(a)沉降室(b)尘粒在沉降室内运动情况气流水平通过降尘室速度沉降速度2.重力沉降设备1）降尘室动画43Huttlut≥或lHuut≥位于降尘室最高点的颗粒沉降到室底所需的时间为气体通过降尘室的时间为欲使颗粒被分离出来，则降尘室高沉降速度降尘室长气流水平通过降尘室速度2.重力沉降设备思考1：要使颗粒除去，必须满足什么条件？44tuHul即182gdust2.重力沉降设备思考2：为什么气体进入降尘室后，流通截面积要扩大？t底AgVlgHudsSs1818min思考3：能够被100%除去的最小颗粒粒径dmin=？t≥或lHuut≥45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，可取u1.5m/s。降尘室的生产能力与底面积、沉降速度有关，而与降尘室的高度无关。因此通常做成扁平状。bHuVs2.重力沉降设备降尘室的生产能力VSlub气体utH颗粒在降尘室中的运动tuHultsbluVtsuAV底即：按最小颗粒来算46对设置了n层水平隔板的降尘室，其生产能力为st1Vnblu图3-5多层除尘室1-隔板2、6-调节闸阀3-气体分配道4-气体集聚道5-气道7-清灰口2.重力沉降设备动画472.重力沉降设备结构简单，但设备庞大、效率低，只适用于分离粗颗粒------直径75m以上的颗粒，或作为预分离设备。降尘室的特点482）沉降槽2.重力沉降设备利用颗粒的自然沉降实现分离，但由于分离效果差，一般得到含固体颗粒50％的增稠液，所以也叫增稠器。49生产能力：一般以澄清液溢出量（清液流量Q0)表示为了提高沉降槽的生产能力，可以采用向槽内添加絮凝剂的方法。常用的絮凝剂主要有：无机絮凝剂：石灰、硫酸、明矾、硫酸亚铁、苛性钠、盐酸和氯化锌等；天然高分子絮凝剂：有淀粉和含淀粉的蛋白质物质，如马铃薯、玉米粉、红薯粉及动物胶等；合成高分子絮凝剂：有离子和非离子型高分子聚合物，如聚丙烯酰胺、羰基纤维素和聚乙烯基乙醇等。2）沉降槽2.重力沉降设备50双锥分级器2.重力沉降设备3）分级器利用重力沉降可将悬浮液中不同粒度的颗粒进行粗略的分离，或将两种不同密度的颗粒进行分类，这样的过程统称为分级，实现分级操作的设备称为分级器。513.3沉降分离3.3.1重力沉降3.3.2离心沉降52依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程称为离心沉降。颗粒受到三个力颗粒与流体在径向上的相对速度236udRTπ＝向心力236udRTsπ＝惯性离心力2242udrπ＝阻力颗粒的圆周运动速度1.惯性离心力作用下的沉降速度uruTuOR颗粒在旋转流场中的运动53上述三个力达到平衡时，222332TTrsπππ06642uuudddRR平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度ur便是它在此位置上的离心沉降速度。2sTr4()3duuR离心沉降速度1.惯性离心力作用下的沉降速度541.惯性离心力作用下的