上冊第三章機械分離

化工原理教學(xué)課件設(shè)計——機械分離第三章機械分離一、定義

1．分散物系：由一種或幾種物質(zhì)的微粒分散在另一種物質(zhì)中所組成的物系。

2．分散相（分散物質(zhì)）：處于分散狀態(tài)的物質(zhì)。

3．連續(xù)相（分散介質(zhì)）：處于連續(xù)狀態(tài)的物質(zhì)。

4．均相物系：內(nèi)部無相界面的分散物系。

5.非均相物系：內(nèi)部有相界面的分散物系。

第三章緒論二、分類懸浮液，固液乳濁液，液液非均相物系泡沫液，氣液含塵氣體，固氣含霧氣體，液氣三、方法重力沉降沉降：利用力場離心沉降重力過濾加壓過濾過濾：利用過濾介質(zhì)真空過濾離心過濾四、目的

1．收集分散物質(zhì)：回收分散物質(zhì)和環(huán)境保護和安全生產(chǎn)

2.凈化分散介質(zhì)第一節(jié)顆粒及顆粒床層的特性一、顆粒的特性

1．直徑（大?。?）球形顆粒

——比表面積，m2/m3

（2）非球形顆粒

令

則——（體積）當(dāng)量直徑第三章

第一節(jié)

2.形狀系數(shù)（形狀）定義：形狀系數(shù)（球形度）：顆粒當(dāng)量表面積與其實際表面積之比，

即

(1)球形顆粒

(2)非球形顆粒第三章

第一節(jié)二、顆粒群的特性

1．粒度分布（粒徑分布）（1）定義：不同粒徑范圍內(nèi)所含粒子的個數(shù)或質(zhì)量（2）測定方法：標(biāo)準(zhǔn)篩法，d>40μm，目數(shù)與孔徑的對應(yīng)關(guān)系見表3-1

透射電鏡法，d≤40μm。

2．平均粒徑以球形顆粒為例，如圖所設(shè)，則第三章

第一節(jié)

3.粒子密度

（1）真密度：單位體積顆粒所具有的質(zhì)量，即

（2）堆積密度（表觀密度）：單位體積床層所具有的質(zhì)量，即三、顆粒床層的特性

1．空隙率：單位體積床層所具有的空隙體積，即

2.比表面積ab：單位體積床層所具有的顆粒表面積，即

第三章

第一節(jié)

——（3-7）

或所以——（3-8）

3．方向性

各向同性：床層截面上的空隙面積與床層截面積之比等于。各向異性：出現(xiàn)壁效應(yīng)，即壁面附近的空隙率較大，生產(chǎn)壁流。第二節(jié)重力沉降一、沉降速度

1.球形顆粒的自由沉降（單個顆粒沉降）設(shè)某個球形顆粒在流體中自由沉降，則該顆粒所受力有：重力浮力阻力由牛頓第二定律(F=ma)，得

當(dāng)時，解得

——沉降速度第三章

第二節(jié)

2.阻力系數(shù)

通過量鋼分析并結(jié)合實驗測試，得出

式中對球形顆粒（s=1）的曲線，可按Ret分為三個區(qū)，各區(qū)的曲線可用相應(yīng)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式表達：

，層流區(qū)或Stokes定律區(qū)（10-4<Ret<1）

，過渡流區(qū)或Allen定律區(qū)(1<Ret<103)0.44，湍流區(qū)或Newton定律區(qū)(103<Ret<2105)

所以第三章

第二節(jié)層流區(qū)過渡流區(qū)

湍流區(qū)

3．影響沉降速度的因素

(1)顆粒的體積濃度濃度較高時，便發(fā)生干擾沉降

(2)器壁效應(yīng)當(dāng)容器直徑較小時，便發(fā)生受阻沉降在Stokes定律區(qū)，可按下式修正：

第三章

第二節(jié)

(3)顆粒形狀對非球形顆粒，其沉降得慢一些。修正如下：圖3－2

4.沉降速度的計算（1）試差法假設(shè)沉降屬于某一流型，則按該流型選擇相應(yīng)的公式計算ut；再算Ret校核流型。流型

ut

Ret

流型再設(shè)流型

（2）摩擦數(shù)群法由得

第三章

第二節(jié)

而相乘得由知作圖3-3：任取-ut

計算：求顆粒直徑也可用類似的方法：相除得同理作圖3-3：任取-d

第三章

第二節(jié)計算：此外，也可用無因次數(shù)群K值判別流型：將代入得當(dāng)Ret=1時，K=2.62

同理將代入，得第三章

第二節(jié)當(dāng)Ret=1000時，K=69.1<2.62，層流

K=2.62~69.1，過渡流

>69.1，湍流二、降塵室

1.結(jié)構(gòu)見圖3-4(a)圖3-52.塵粒在降塵室內(nèi)的運動情況見圖3-4（b）

3.原理如圖所設(shè)，且設(shè)顆粒水平分速度與氣體的流速u相等，則沉降時間為：停留時間為：

當(dāng)顆粒的停留時間等于或大于其沉降時間時，該顆粒便能沉降至室第三章

第二節(jié)底而被分離，所以：或而所以與H無關(guān)或而所以——能完全分離的最小粒徑——臨界粒徑

三、沉降槽

1．沉降槽的構(gòu)造與操作

(1)間歇沉降槽

(2)連續(xù)沉降槽，見圖3-6第三章

第二節(jié)

2.濃懸浮液的沉聚過程當(dāng)懸浮液濃度較高時，則屬干擾沉降：（1）大顆粒相對于小顆粒進行沉降，因而介質(zhì)的有效密度和粘度均大于純液體，而沉降速度與介質(zhì)密度和粘度成反比。（2）液體被沉降顆粒置換而上升的速度大，因而顆粒受到的阻力大。（3）大顆粒的拖曳，微細粒子的絮凝，使小顆粒的沉降被加速。

總之，大顆粒受阻，小顆粒加速。沉聚過程：均勻懸浮液四區(qū)（清液區(qū)、等濃區(qū)、變濃區(qū)、沉聚區(qū)）等濃區(qū)消失變濃區(qū)消失沉聚區(qū)壓緊。見圖3-7。五、分級器：利用重力沉降來分離懸浮液中不同密度或不同粒度的粒子的設(shè)備。第三節(jié)離心沉降一、離心沉降速度設(shè)某個球形顆粒在流體中自由離心沉降，則該顆粒在徑向所受力有：慣性離心力向心浮力向心阻力三力平衡時，得所以——離心沉降速度在層流區(qū)（10-4<Rer<1），第三章

第三節(jié)所以而所以——離心分離因數(shù)

二、旋風(fēng)分離器

1.結(jié)構(gòu)見圖3-8，圖3-92．原理：顆粒離心沉降到內(nèi)壁后，靠重力沿內(nèi)壁落入灰斗。

3.臨界粒徑：能完全分離下來的最小粒徑。

假定：（1）顆粒平均切向速度等于進口氣體平均速度ui。（2）氣體入器后仍以入口形狀沿園簡旋轉(zhuǎn)Ne圈，離心沉降距離為B。（3）顆粒在層流下作自由離心沉降。第三章

第三節(jié)由得（Rm為旋轉(zhuǎn)平均半徑）所以沉降時間為又停留時間為由停留時間等于沉降時間，得所以——臨界粒徑（3-26）對標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器，Ne=5。

4．分離效率（1）總效率：全部顆粒中被分離下來的質(zhì)量分率，即：

式中C1、C2——進、出口氣體含塵濃度，g/m3。第三章

第三節(jié)（3）粒級效率曲線：圖3-10、圖3-11

（4）總效率與粒級效率的關(guān)系顯然式中xi——第i段尺寸范圍的顆粒占全部顆粒的質(zhì)量分率；n

——粒徑劃分的總段數(shù)。5.壓力降仿阻力系數(shù)法對水平局部阻力所以（3-31）

對標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器，=8.0，一般p=500~2000Pa

第三章

第三節(jié)6.型式（類型）標(biāo)準(zhǔn)型，圖3-8

CLT/A型，圖3-12

CLP/A、CLP/B型，圖3-13擴散型，圖3-14

7.選擇物性形式（類型）生產(chǎn)能力型號允許壓力降

三、旋液分離器

結(jié)構(gòu)和原理與旋風(fēng)分離器相似，旋液分離器的結(jié)構(gòu)特點是直徑小而圓錐部分長，而且旋液分離器應(yīng)采用耐磨材料制造或采用耐磨材料做內(nèi)襯以延長使用期限。第四節(jié)過濾一.基本概念1.定義（1）濾漿（料漿）——懸浮液（2）濾餅（濾渣）——被截留的固體物質(zhì)（3）過濾介質(zhì)——多孔物質(zhì)（4）濾液（母液）——通過過濾介質(zhì)的液體2.過濾方式（圖3-16過濾操作示意圖）（1）餅層過濾：濾餅層為有效過濾介質(zhì)（的過濾）當(dāng)懸浮液中所含顆粒較多時（固相體積分率>1%），常用濾布、濾網(wǎng)做過濾介質(zhì)進行過濾。當(dāng)粒徑大于過濾介質(zhì)孔徑時，顯然會形成濾餅；當(dāng)粒徑小于過濾介質(zhì)孔徑時，通過“架橋現(xiàn)象”也會形成濾餅。隨著濾餅的增厚，濾餅層就成為有效的過濾介質(zhì)，所以這種過濾稱為餅層過濾。常用于化工生產(chǎn)

第三章

第四節(jié)（2）深床過濾：粒狀床層孔道為有效過濾介質(zhì)（的過濾）。當(dāng)懸浮液中所含顆粒很小，且含量很少時（固相體積分率<0.1%），常用較厚的粒狀床層做過濾介質(zhì)進行過濾。顆粒在經(jīng)過床層內(nèi)細長而彎曲的孔道時，靠靜電、分子間力、毛細管力等的作用而附著在孔道壁上，沒有濾餅形成，所以這種過濾稱為深床過濾。常用于自來水凈化和污水處理。3.過濾介質(zhì)（1）織物介質(zhì)：由纖維、金屬絲等編織而成的濾布和濾網(wǎng)。（2）堆積介質(zhì)：由砂、木炭等堆積而成的床層。（3）多孔介質(zhì)：由多孔陶瓷、多孔金屬和多孔塑料制成的管和板。4.濾餅的壓縮性不可壓縮濾餅：顆粒堅硬，阻力不變可壓縮濾餅：顆粒較軟，阻力增大

第三章

第四節(jié)5.助濾劑：某種質(zhì)地堅硬、粒度均勻的顆粒，如硅藻土、珍珠巖等。（1）作用：防止濾餅壓縮及細小顆粒堵塞過濾介質(zhì)的孔隙。（2）使用方法：A.在懸浮液中加入助濾劑后一起過濾。B.先把助濾劑配成懸浮液并過濾，形成助濾劑層后，才正式過濾。應(yīng)予注意，一般以獲得清凈濾液為目的時，采用助濾劑才是適宜的。（3）要求：A.能形成多孔餅層剛性顆粒B.物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定

c.具有不可壓縮性（在使用的壓力范圍內(nèi)）二.過濾基本方程1.定義（1）空隙率：單位體積床層中的空隙體積，，m3/m3。（2）比表面：單位體積顆粒所具有的表面積，a，m2/m3。

第三章

第四節(jié)2.孔道當(dāng)量直徑3.過濾速度：

由得所以而——濾液在孔道中的流速，m/s所以層流時

所以——過濾速度（3-35a）

即單位時間內(nèi)通過單位過濾面積的濾液體積，m/s。

第三章

第四節(jié)4.過濾速率（體積流量）：單位時間內(nèi)獲得的濾液體積顯然所以5.濾餅的阻力令——濾餅的比阻1/m2

則令R=rL——濾餅阻力1/m

則6.過濾介質(zhì)的阻力

第三章

第四節(jié)設(shè)Rm=rLe

過濾介質(zhì)的阻力1/m。則Le

與過濾介質(zhì)阻力相等的濾餅厚度，即當(dāng)量濾餅厚度，m。同理所以相加，得所以7.基本方程設(shè)ν

——獲得單位體積濾液所形成的濾餅體積，m3/m3

則LA=vV所以

第三章

第四節(jié)同理

所以——過濾速率基本方程式又所以——過濾速率基本方程式式中S——壓縮指數(shù)，S=0~1；r’——(單位壓力差下，即ps=1時)的濾餅比阻三、恒壓過濾衡壓過濾是最常見的過濾方式，過濾過程中推動力p恒定，因而過濾速率逐漸變小。第三章

第四節(jié)令則k—表征過濾物料特性的常數(shù)，m4/(N.s)所以令——過濾常數(shù)，m2/s則或第三章

第四節(jié)所以相加——恒壓過濾方程令m3/m2

介質(zhì)常數(shù)

es則恒速過濾相加——恒壓過濾方程當(dāng)過濾介質(zhì)的阻力可以忽略時，則或四、恒速過濾

由不可壓縮濾餅過濾基本方程第三章

第四節(jié)得所以而所以或五、先恒速后恒壓過濾同恒壓過濾所以或第三章

第四節(jié)六、過濾常數(shù)的測定

1.恒壓K、qe、e的測定由微分得整理得所以或由得而所以第三章

第四節(jié)2.壓縮指數(shù)S的測定由取對數(shù)令則七、過濾設(shè)備

間歇過濾機壓濾機吸濾機連續(xù)過濾機離心過濾機1.板框壓濾機（1）結(jié)構(gòu)，圖3-20、圖3-21

（2）原理，圖3-22

第三章

第四節(jié)2.加壓葉濾機（1）結(jié)構(gòu)，圖3-23

（2）原理

3.轉(zhuǎn)筒真空過濾機（1）結(jié)構(gòu)，圖3-24

（2）原理，圖3-25

八、濾餅的洗滌

洗滌速率：單位時間內(nèi)消耗的洗水體積m3/s。由于洗滌過程中濾餅厚度不增加，所以當(dāng)洗水路徑與濾液路徑相同時，洗滌速率大致等于過濾終了時的過濾速率，即在板框壓