化工原理-分离.ppt

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1、化工原理,3.机械分离 物系：均相、非均相相界面-性质不同、分散相和连续相 非均相物系分离：机械方法-筛分 沉降 过滤 非均相物系类别： 连续相 分散相 气相 固体颗粒尘、烟、霾 液体颗粒-沫、雾 液相 固体颗粒-悬浮液 液体颗粒-乳浊液 3.1 筛分： 将大小不同的固体颗粒分开 3 .1.1 固体颗粒 大小：圆球直径 测量：筛、计数与量度 沉降推算 标准筛与筛析 系列 泰勒筛 两倍面积 正方形 宽度2 倍 目 每英寸孔数 号增大则直径减小 10目 孔直径2.00mm 线直径0.900mm; 50目 孔直径0.297mm线直径0.215mm; 100目 孔直径0.149mm 线直径0.110m

2、m; 200目 孔直径0.074mm线直径0.053mm. 筛析表示：平均值（上下筛号） 质量分率,混合颗粒大小的分布 质量分率颗粒直径（平均）曲线 频率分布 di ai 累计分布 diai 颗粒的平均大小 长度平均直径算术平均数 dLm ； 表面积平均直径 dAm 体积平均直径 dVm ； 体积表面积平均直径 dVAm 非球形颗粒 当量直径法 （某个特性相当）（体积） 形状因数法 球形度 表面积之比 球/颗 1 3.1.2 筛 操作原理 筛分： 筛过物 筛留物 往复、转动或振动 设备： 平板筛 滚筒筛 有效性与生产能力 分割直径dc 有效性： dc 截留率 1 生产能力 kg/m2.h m=

3、k dc,标准筛机 振动筛,滚动筛,3.2 重力沉降 密度差大小 重力差异 重力大颗粒 离心力小粒 3.2.1 沉降速度 球形颗粒的自由沉降重力沉降 P143 重力 Fg 浮力Fb 阻力 Fd 加速阶段 a 0 F 0 匀速阶段 a = 0 F = 0 u t 沉降速度 =f(Re= dut/) 层流区 Rep0.3 (2) =24/ Re 斯托克斯阻力定律 P145,重力Fg,阻力Fd,浮力Fb,ut,过渡区 Rep 2500 =18.5/ Rep0.6 阿仑区 湍流区 Rep 500200000 =0.44 牛顿区 边界层内湍流 Rep 200000 =0.1,沉降速度计算 试差： 用公式

4、 ut Re p 校对范围 例 1 分级沉降 完全分离 层流n=1/2, 湍流n=1, 过渡n=1/1.6 漂走 前 后部 实际沉降 干扰 公式应用 ： 静止流体 运动流体 逆向 同向 3.2.2 降尘室 P146 图3-16降尘室.swf 工作原理 ： 扩大 u ut t= H/ ut = L/u Vs=b H u = b L ut t Vs= ut A0 层流 例 2,重力沉降,重力Fg,阻力Fd,浮力Fb,ut,L,H,u,ut,宽度b,教案10例1颗粒大小测定 已测得密度为p =1630kg/m3的塑料珠在20的CCl4液体中的沉降速度为1.7010-3m/s，20时CCl4的密度=1

5、590 kg/m3，黏度=1.0310-3Pa.s，求此塑料珠的直径. 解：设小珠沉降在斯托克斯定律区， 按 ut=gdp2(p-)/18 可得 dp=(18ut)/g(p-)1/2 =（181.7010-31.0310-3)/9.81(1630-1590) 1/2 =2.8310-4m 校核Re Rep= dp ut/ =2.8310-41.7010-31590/1.0310-3= 0.7442 计算有效，小珠直径约为0.283mm 。,教案10例2降尘室空气处理能力的计算 现有一底面积为2m2的降尘室，用于处理20的常压含尘空气，尘粒密度为1800 kg/m3，现需将直径为25m以上的颗粒

6、全部除去，试求：（1）该降尘室的含尘气体处理能力, m3/s；（2）若在该降尘室中均匀设置9块水平隔板，则含尘气体的处理能力为多少m3/s？ 解：(1)据题意，由附录查得20常压空气=1.2 kg/m3, =1.8110-5Pa.s 设100%除去的最小颗粒沉降处于斯托克斯定律区，则其沉降速度为 ut=gdmin2(p-)/18 =(2510-6)2(1800-1.2) 9.81/181.8110-5=0.034m/s 验Rep= dpmin ut/ =2510-60.034 1.2/1.8110-5=0.0562 原假设成立，气体处理量为 Vs=A底ut=20.034=0.068 m3/s

7、(2)当均匀设置n块水平隔板时，实际降尘面积(n+1) A底，所以气体处理 量为 Vs=(n+1)A底ut=1020.034=0.68 m3/s。,3.2.3 悬浮液沉聚 P148 图3-18 干扰原因： 1. 附近颗粒干扰 u Fd 2 .有效密度、粘度 3 .大小颗粒间互曳，壁面效应 P145 过程： 清液区 等浓区 变浓区 沉聚区 四层 清液与沉聚区两层 设备：沉降槽（池、桶）,清液区,等浓区,变浓区,沉聚区,悬浮液,清液,泥浆,沉降槽,3.3 离心沉降惯性离心力旋转 P149 Fg =m g 固定 向下 uT F c d , r F c 沉降速度 浮力向心力 重力离心力 阻力阻力 ur

8、 ut 力平衡 ur不恒定，ut恒定,ur为径向分量 , 合成, ur 与 ut 、uT 螺旋形轨迹 层流时 分离因数,离心沉降,离心力Fc,ur,uT,向心力Fb,阻力Fd,r,轨迹,离心沉降速度,圆周速度,重力,旋风分离器的操作原理（气固） P150 图3-20 设备不动 ui uT 旋风分离.swf 圆锥形 切向进入 螺旋形 除尘区：外旋l流 内旋流 双层螺旋形 ui 15 20 m/s d=5m 性能 P150 临界粒径 最小完全分离直径 假设1. 进口ui 等速(=圆周uT) ;2. 沉降距离 B ; 3. 层流. 沉降时间 停留时间 D B dc 并联 Ne = 0.5 3.0 标

9、5,旋风分离器,旋风分离器,B,ui,颗粒,含尘气体,去尘气体,外旋 内旋,h,分离效率 P151 总 粒级 pi di /dc 粒级效率曲线 P152 图3-21 理论 di /dc1 p = 1 实际相交有交界区 吹起 di /dc1 p = 0 近壁 聚结 0 =xi pi xi 质量分率 压降 摩擦阻力 局部阻力 动能损失压降P152 c =8 .0 30200 mmH2O 例 3,教案10例3旋风分离器计算 气流中所含尘粒的密度p=2000 kg/m3，气体的流量为5500标准 m3 /h,温度t=500 ,=0.43 kg/m3，黏度=3.610-5Pa.s，拟采用标准型旋风分离器

10、进行除尘，要求分离效率不低于90%，且知相应的临界粒径不大于10m；要求压强降不超过700Pa，试决定旋风分离器的尺寸与个数。 解：已知标准型旋风分离器的阻力系数c =8.0，规定的允许压强降为： pf = c (ui 2/2) = 700Pa 可知ui=2pf /c1/2= 2700 /8 .00.431/2=20.2m/s 又知按照要求的分离效率，临界粒径不大于10m， 故取临界粒径dc =10m dc = 9 B/(Ne ui p ) =1010-6m，Ne=5 ，ui=20.2m/s则 B=Neuip dc2/9= 5200020.2(1010-6) 2 /9(3.610-5)=0.1

11、96m 旋风分离器的直径: D=4B=40.196=0.78 m 进气管截面积为：hB=(D/2)(D/4)=D2/8=(0.78)2/8=0.076m2,Nm3标准立方米 D=4B(进口直径),每个旋风分离器的气体处理量为 ： Vs=(hB)ui=0.07620.2=1.535m3/s 含尘气体在操作条件下的总流量为： Vs=(5500/3600) (273+500)/273=4.32 m3/s 所需旋风分离器的台数为：n= Vs / Vs=4.32/1.535=2.8台 表明：为满足规定的气体处理量，压强降及分离效率三项指标，需要直径不大于的标准型旋风分离器至少三台。为便于安排，决定采用四

12、台并联; 以下按四台并联方案进行计算： 每台的气体处理量为：Vs= Vs/4=1.08 m3/s 为保证指定的分离效率，临界粒径仍取为10m；重复上述方法确定分离器直径，dc = 9 B/(Ne ui p ) B=D/4, ui = Vs/ hB=8 Vs/D2 则 D=(32Nes Vsdc2)/91/3 =32520001.08(1010-6) 2/93.610-5 1/3=0.695m 核算压强降：ui =8 Vs/D2=81.08/（0.695）2=17.9 m/s,pf = c (ui 2/2) =8.00.43(17.9) 2/2=550Pa700Pa; 或者以维持指定的最大允许压

13、强降数值为前提，求得每台分离器的最小直径，当pf =700Pa时，进口气速应为20.2m/s，则进口截面积为： hB=D2/8= Vs/ ui =1.08/20.2=0.0535m2, D=(80.0535)1/2=0.654m 核算临界直径： dc= 9 (D/4)/Ne (8 Vs/D2)s = 9D3/(32Nes Vs)1/2 =9.110-6 m=9.1m10m 临界直径小于10m，分离效率必能满足要求。这表明：采用四台并联，只要旋风分离器直径在0.6540.695m之间即能满足本本题要求。,结构形式与选用 CLG CLT CLT/A CLP/A.B 进气方式等 细而长 先定型式 再

14、定尺寸与个数 依据 Vs or dc pf 要知粒级效率与粒度分布 多台并联 窜流/灰 均匀分布 旋液分离器（液 固）（液液） 底流（含液） 溢流 空气芯 增稠 分级调流速 互不相溶分液 不能完全分开液固 ui=10m/s,3.4 离心机分离 P153离心机.swf 三足式离心机.swf 概念:液态非均相混合物分离, 液固 液液（轻、重不溶） 设备转动： 高速旋转转鼓 r n 则 Fr r 太大，机械强度要求高 设备固定时 u T 一定时 r 则 Fr ； r 或 n 则Fr 分类及结构 间歇、连续 / 立式 卧式 / 过滤式、沉降式（液-固）， 分离式（ 液-液 ） 管式碟片式螺旋式 常速

15、Kc 50000,三足离心机,碟片沉降自动出渣,卧式螺旋卸料,普通 管式 超速,卧式刮刀,滤 液,过滤介质,滤浆,滤饼,3.5 过滤 过滤示意图,滤浆,3.5.1 过滤操作的基本概念 P126 图3-1 多孔介质处理悬浮液（滤浆） 外力（重力，压力差，离心力等）滤液与滤饼（滤渣） 固液分离 分类：饼层过滤（1含固量）；滤饼过滤.swf 深层过滤-介质床层内部 0.1含固量 水厂深层过滤.swf 过滤介质：要求 多孔 阻力小 截留率高 机械强度好 饼支承物 支承作用 滤布 粒状介质 多孔固体介质 滤饼：固定底层 厚度 阻力 空隙率 p 可压缩性， p 不变不可压缩, 单位厚度阻力恒定 助滤剂：可

16、压缩性饼添加 支撑 渗透好 阻力小 不反应 不溶解 不压缩 1、 先涂 2、加入悬浮液,3.5.2设备 分 间歇机：板框压滤机板框压滤机.swf叶滤机 P134-136图3-5、8 板框 叶滤,连续机：转筒真空过滤机转鼓.swf 圆盘真空过滤机 P137图3-12 转鼓 圆盘 操作步骤： 间歇：装合 过滤、洗涤(横穿、置换）、卸渣、整理 连续：工作循环 过滤、洗涤、卸渣,3.5.3 过滤的基本理论 P128 过滤速度 m3/m2.s 层流 式中：L 厚度； le当量长度； L r 过滤阻力； r 比阻单位厚度滤饼的阻力， r = pf /(u L) 1/ m2 含空隙率、通道长与厚之比例K0、

17、比表面积A0,实测 pf u , r u , u , L u ,基本方程式 P128 速率公式变换 式中：L =C V/A C 单位m3饼/ m3滤液, 式中： r = r / m/kg , C = C kg/ m3, Ve 过滤介质当量滤液体积，虚拟,恒压：p定 L pf 则u 恒速：u 不变 pf p 恒压过滤方程式 P131 p常数 r C 均为常数 则 分离变量积分 Ve (V+Ve) ，0 为过滤常数 p K s压缩性指数，不可压缩 s=0,如何测?书： 实验 作 曲线 实验测定K, Ve, e , 改变p，测定各自的K,再作lnK lnp曲线测定r0 , s P132 恒速过滤方程

18、式 P131 恒速时 为常数,则 故可得方程 假设K不变（实际由于压 差增大，K有变化）,过滤计算 a 知A 、, 求 V ; b 知V 、, 求A 两者前提是已知方程及K 间歇机计算 P138 过滤 洗涤 重装 操作周期： C = F + w + R F 方程计算 ，w 洗涤水量、洗涤速率计算，R可定 洗涤速率= 最终过滤速率 P133 横穿（滤饼厚度是过滤的两倍，而面积只是1/2） = 1/4， 置换 = 1 最佳操作周期 P143,不同 p不同则需校 例 1、2 生产能力 m3/s(m3/h) 连续机 P139 操作周期 C = 1/n =浸入角度/360 F=C 生产能力 e = 0

19、则Ve = 0 ， n Vh ， n太高 则饼薄，太高， 操作困难， 洗涤 吸干 吹松 例 3,教案11 例1叶滤机过滤面积的计算过滤过程的计算 某固体粉末水悬浮液固含量的质量百分数w=0.02，温度为20，固体密度s =3200 kg/m3，已通过小试过滤实验测得滤饼的比阻r=1.821013m-2，滤饼不可压缩，滤饼空隙率=0.6，过滤介质阻力的当量滤液量qe=0，现工艺要求每次过滤时间30min，每次处理悬浮液8 m3，选用操作压强p=0.12MPa，若用叶滤机来完成此任务，则该叶滤机过滤面积为多大？ 解：由题意：=1800s, =110-3Pa.s, =1000 kg/m3, 悬浮液体

20、积分数为=（w/s）/（w/s）+(1-w)/ =(0.02/3200)/(0.02/3200)+(1-0.02)/1000 =6.3410-3固m3/ m3悬浮液 滤液V=V悬1-/(1-)=81-6.3410-3/(1-0.6)=7.87 m3 C=8 /(1-) V=1.6110-4 (c m3饼/m3滤液） K=2p/rc=20.12106/(1.821013 1.6110-4 110-3) =8.2810-4m2/s当qe=0时， Ve=0 由 V2+2VVe=KA2得： A=V/( K)1/2=7.87/(8.2810-41800)1/2=6.45 m2,教案11 例2板框压滤机的

21、生产能力计算 拟用一台板框压滤机过滤悬浮液CaCO3，CaCO3密度为2930kg/ m3，含固量质量分率w =0.023，滤框的容渣体积为45045025mm，有40个滤框，过滤温度25，p=3105Pa，待滤框充满后在同样压差下用清水横穿洗涤滤饼，洗涤水量为滤液体积的1/10，已知每m3滤液可形成0.025 m3的滤饼，试求：（1）过滤时间F ；（2）洗涤时间w；（3）压滤机的生产能力（设辅助时间为60min）。已知qe=0.0268, =0.89410-3 Pa.s K= 7.4510-5 m-2/s 解：此例属操作型问题 (1)计算滤框中充满滤饼所经历的过滤时间F 框内滤饼总体积 40

22、0.4520.025=0.203 m3 滤液量 V=0.203/0.025=8.1 m3 过滤面积A=400.4522=16.2m2 q= V / A =8.1/16.2=0.5 m3/m2,过滤时间 F =(q2+2qqe)/K=(0.52+20.50.0268)/7.4510-5 =3720s （2）洗涤时间 w； 横穿洗涤（dV/d）w=1/4 （dV/d）F = 1/8 KA2 /(V + Ve )=2.86410-4 m3/s Vw=0.1V=0.18.1=0.81 m3 故w= Vw/（dq/d）w =0.81/ 2.86410-4 =2830s （3）生产能力Q Q=V/(F +

23、w + R)=8.1/(3720+2830+3600) =7.9810-4 m3/s =2.87 m3/h.,教案11 例3连续机的计算 密度为1116 kg/m3的某种悬浮液于53300Pa的真空度下用小型转筒真空过滤机作试验，测得过滤常数K=5.1510-6 m2/s，每送出1m3滤液所得的滤饼中含有固相594kg，固相密度为1500kg/m3，液相为水。现用一直径1.75m，长0.98m的转筒真空过滤机进行生产操作，维持与试验时相同的真空度，转速为1r/min，浸没角度为125.50，且知滤布阻力可忽略，滤饼不可压缩，求：（1）过滤机的生产能力Q；（2）转筒表面的滤饼厚度 L. 解：（1

24、）生产能力Q 转筒过滤面积 A=DL=1.750.98=5.39 m2 转筒的浸没度 =125.5/360=0.349, 每分钟转速为1次，n=1/60, 过滤常数K=5.1510-6 m2/s， 将数据代入 Vh=3600A(Kn)1/2 =36005.39(5.1510-60.3491/60) 1/2=3.36 m3/h. （2）滤饼厚度 L 应先物料衡算，求出饼/滤液 体积比， 以1 m3悬浮液为准，设其中固相质量分率为x,则 1116x/1500+1116(1-x)/1000=1 x=0.312 ， 故知，1 m3悬浮液中的固相质量=11160.312=348kg , 1 m3悬浮液所

25、得滤液体积= 348/594=0.586 m3 , 1 m3悬浮液所得滤饼体积=1-0.586=0.414 m3 于是，饼液体积比c=0.414/0.586=0.706饼m3 /滤液m3 转筒每转一周所得滤液量应为 V= Vhc/3600=3.3660/3600=0.056 m3 则相应的滤饼体积为 Vc= cV=0.7060.056=0.0394 m3 故知滤饼厚度为L=Vc/A=0.0394/5.39=0.0073m=7.3mm,机械分离重点：,过滤原理 P126 过滤基本方程 P135 过滤常数K与p、 的关系 P130 恒压过滤、恒速过滤、过滤常数测定方法 P131 横穿、置换洗涤速率

26、、洗涤时间 P133 过滤设备 P134 操作周期与生产能力、计算例题 P138 沉降速度计算公式的推导P144 、 自由与离心沉降、Kc的含义 P149 沉降分区及公式 P145 沉降影响因素 P145 设备及计算 P146 旋风分离器的性能dc P151 pf P152 P151 离心机 P153,分离习题课,1、用双锥分级器对方铅矿与石英两种粒子的混合物进行分离，分级器工质为20 的水。已知粒子尺寸范围d=0.080.7mm.方铅矿p1 =7500 kg/m3 ，石英p2 =2650kg/m3，水20 =998 kg/m3 ，=1.00410-3Pa.s, 假定为球形粒子，且作自由沉降，

27、试求： （1）欲获得纯方铅矿粒，水的上升速度至少应为多少？ （2）所得纯方铅矿粒的最大尺寸范围如何？ 解：因方铅矿密度比石英大，尺寸相等的两种粒子中以方铅矿沉降较快，因此应该按大石英粒子自由沉降速度决定水的流速。这样能带走全部石英粒子而获得尽可能多的纯方铅矿。 设与最大石英粒子的沉降速度相对应的Re处在2500过渡状态区（阿仑区），则,=18.5/ Rep0.6 ut = 0.269 g dp (p) Re0.6 / Re=du/代入 ut = 0.269 9.81 0.710-3 (2650998)/998 0.710-3 ut 998/1.00410-3 0.6 ut 0.7 =0.269

28、 0.10667.124=0.2043 ut =0.103 m/s 校Re范围 Re=0.710-3 0.103998/1.00410-3 =72在阿仑区，假定正确。 水流上升速度为 u =0.103 m/s （2）所得的纯方铅矿粒中尺寸最小者应是其沉降速度恰等于0.103 m/s的粒子。 设Re在阿仑区，则 ut = 0.269 g dp (p) Re0.6 / 0.103= 0.269 9.81d (7500998)/998 d 0.103 998/1.00410-3 0.6 = 0.269 63.91 d d 0.6 1014.24=68.5 d 0.8,d=2.96 10-4 m=0.

29、296mm 校Re范围 Re= 2.96 10-4 0.103998/1.00410-3 =30.3在阿仑区，假定正确。则最大尺寸范围为 0.2960.7mm。,2、用直径为2m，长为8m的转筒真空过滤机过滤，料液中固相质量分率为 0.08，固相密度为1800 kg/m3 ，滤饼不可压缩，其含水量为25%，qe =0.008 m3 /m2 ， K=1.6510-4 m-2/s,转筒浸没角度为1400 ，转速0.4r/min， 真空度为7.0104Pa ,求（1）该机的生产能力m3 滤液/h； （2）滤饼厚度。 解：（1） q2+2qqe= K K=1.6510-4 m-2/s =60/n(/3

30、60)=60/0.4(140/360)=58.3s q2+20.008q =1.6510-458.3 q =-0.016+ 0.0162+4 1.6510-458.3/2=0.090 m3 /m2 Q= 60nDLq=600.43.14280.090=109.0 m3 滤液/h (2)以1000kg 悬浮液为基准得滤液体积 固相量=10000.08=80kg=80/1800=0.044 m3,滤饼中含水量=80 25/75=26.67kg =0.02667 m3 则滤饼体积=0.044+0.02667=0.07067 m3 过滤得到的滤液量=悬浮液量-滤饼量=1000-（80+26.67) =

31、893.33kg= 0.893 m3 则每得1 m3滤液量截留的滤饼体积=0.07067/0.893=0.0791 m3 /m3 每平方米过滤面积上的滤饼体积=0.09 0.0791 =0.00712m3 /m2 所以，滤饼厚度= 0.00712m = 7.12mm.,3、一板框过滤机过滤面积为0.1m2,恒压过滤某一种悬浮液，得出下列过滤方程:(q+8) 2=200( +0.8)，式中q以 L/m2计， 以分钟计。试求：（1）经过199.2分钟获得的滤液量为多少L？（2）当操作压力增大2倍，滤饼不可压缩，用同样的199.2分钟，将得到多少滤液量？ 解： （1） (q+8) 2=200( +0.8) 当= 199.2分钟，则 (q+8) 2=200(199.2 +0.8)= 200 2 (q+8)=200 q = 192 L /m2，V= qA=19.2L （2）P=3P 则K=3K (q+8) 2= 3 200(199.2 +0.8)= 3 200 2 (q+8)= 3 200= 346.4 q = 338.4 L /m2， V= qA= 33.84 L.,