03 第三章 机械分离.pptx

第1页：第三章机械分离

第三章机械分离

第2页：第一节颗粒沉降

第一节颗粒沉降

一固体颗粒在流体中的沉降运动

1.颗粒沉降运动中的受力分析

d,ρs的球形颗粒

(1)场力

重力

离心力

第3页：重力场

(2)浮力

重力场

离心力场

(3)阻力

←颗粒与流体的相对运动

表皮阻力与形体阻力

微元面所受力在垂直于流动方向上的分量沿颗粒表面的积分

→绕流,形成边界层

第4页：

第5页：表皮阻力、浮力形体

τwdA

τwdAsinα

pdA

α

pdAcosα

表皮阻力

浮力

形体阻力

第6页：相对大小~运动速度

相对大小~运动速度

流体~固体作用力

流体~固体作用力——沉降与绕流并无本质区别,

2.沉降速度与阻力系数

(1)重力沉降速度u0

重力-浮力-阻力=颗粒质量×加速度

第7页：重、浮一定

重、浮一定,u↑,阻力↑,加速度↓

加速度=0时,u=u0

加速度=0时,u=u0——沉降速度

第8页：离心沉降速度

(2)离心沉降速度

第9页：—颗粒实际运动速度在径向上的分量

—颗粒实际运动速度在径向上的分量

—方向:由圆心指向外;

—轨迹:逐渐扩大的螺旋线,

第10页：公式成立假定条件

• 公式成立假定条件
• —其它因素对u0的影响
• 颗粒为球形;
• 颗粒沉降时彼此相距较远,互不干扰
• 容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略
• 颗粒直径不能小到受流体分子运动的影响
• 阻力系数
• 因次分析→

第11页：阻力系数~Re0关系图

阻力系数~Re0关系图

第12页：1层流区Stokes区

1层流区(Stokes区)

—Stokes公式

—可以从理论上推导出

—可以近似用到Re0=2

表皮阻力占主导地位

不发生边界层分离

第13页：2过渡区Allen区

2过渡区(Allen区)

开始发生边界层分离

颗粒后部形成旋涡——尾流

尾流区压强低→形体阻力增大

第14页：3湍流区牛顿区

3湍流区(牛顿区)

形体阻力占主导地位,表皮阻力可以忽略

阻力∝u2

阻力系数与Re0无关

第15页：阻力系数骤然下降

4Re0>2×105

阻力系数骤然下降

层流边界层→湍流边界层

分离点后移,尾流区收缩,形体阻力突然下降

近似取ζ=0.1

第16页：沉降公式使用方法

• 沉降公式使用方法
• 事前能够确认流动区域,直接用对应公式
• 流动区域不能确定,采用试差法
• 假定流动处于层流区,
• Stokes→u0→Re0→(?<2),yes→结束
• no→换用相应区域公式→u0→Re0→判断,修正
• 通过实验整理数据得到(Re0<2×105)

第17页：Ar—阿基米德数

Ar—阿基米德数

用法:→Ar→Re0→u0

4离心力场中的u0,将g替换为ar

第18页：二重力沉降分离设备

二重力沉降分离设备

1.降尘室

第19页：工作原理

• 工作原理
• 气体入室→减速
• 颗粒的沉降运动&随气体运动
• 沉降运动时间<气体停留时间→分离
• 说明
• d↑,容易除去
• 气量V↓,容易除去
• 能(100%)被除去的最小颗粒直径
• %去除——室顶到室底

第20页：所需沉降时间=H/u0

所需沉降时间=H/u0

在室内停留时间=L/u

分离满足的条件:

分离所需最胝沉降速度

最低沉降速度~能被分离的最小颗径

第21页：1dmin~颗粒、气体性质

• 说明
• dmin~颗粒、气体性质,气体处理量,底面积
• 考虑是dmin,一般认为处在层流区
• 最大处理量
• 说明
• Vmax~某一粒径能100%被去除
• Vmax~(100%去除的)d,A0,与H无关

第22页：补充说明

• 补充说明
• 气体均布重要性——入口锥形
• 横截面大——操作气速低→不被卷起
• 底面积大——分离效率高

第23页：例题1采用降尘室回收常压炉气中所含球形固

例题1采用降尘室回收常压炉气中所含球形固体颗粒。降尘室底面积为10m2,高1.6m。操作条件下气体密度为0.5kg/m3,粘度为2×10-5Pa·s,颗粒密度为3000kg/m3。气体体积流量为5m3/s。试求:

(1)可完全回收的最小颗粒直径;

(2)如将降尘室改为多层以完全回收20μ的颗粒,求多层降尘室的层数及板间距。

第24页：三离心沉降设备

三离心沉降设备

重力沉降的不足与离心沉降的优势

设备体积小而分离效率高

1.旋风分离器

(1)构造与工作原理

圆筒、圆锥、矩形切线入口

气流获得旋转

向下→锥口

向上,气芯

→顶部中央排气口

第25页：颗粒→器壁→滑落

颗粒→器壁→滑落

各部分尺寸——按比例

(见教材)

(2)分离性能估计

υ能被分离出的最小颗粒直径

——临界直径dc

假定

Ut保持不变,≡ui

穿越最大气层厚=B

相对运动为层流

Stokes公式可用

将g换为

rm-平均旋转半径

颗粒沉降速度

第26页：假设2→沉降时间

假设(2)→沉降时间

气芯前圈数=N

运行距离

有效停留时间

某一粒径能(100%)被分离出的条件

其穿越B所需时间〈停留时间

第27页：一般取N=5

一般取N=5

dc~气体性能、结构、处理量

假定勉强,粗略估计

π分离效率

粒级效率η:

混合物经旋风分离器后某一(范围的)粒径被分离出来的质量分数

d>dc的颗粒η=1

如颗粒入器时均布,

与器壁距离<B‘的所有颗粒所占分率

第28页：入器时如其B’

d<dc的

入器时如其B’<B,也可以被(100%)分离

由前式,能被(100%)分离颗粒的d∝B1/2

——入器时距离<B‘的,直径为d的都能被(100%)分离

所占分率为

总效率ηO:

被分离出来的颗粒点全部颗粒的质量分数

第29页：能量损失

ηO与ηi

ω压降

能量损失

——进气管、排气管、器壁、各各局部,气旋

常表示为

阻力系数实测

经验

(3)选型与计算

第30页：第二节过滤

第二节过滤

一过滤基本原理

1过滤

固液混合,外力驱动,多孔介质,颗粒截留,液体通过

第31页：φ名词:过滤介质

说明:

φ名词:过滤介质;滤浆;滤渣(饼);滤液

κ过程推动力:重力;压力(差);离心力

λ滤饼过滤与深层过滤

μ操作目的:固体或清净的液体

ν洗涤

ν洗涤——回收滤饼中残存的滤液或除去其杂质

2.过滤介质

—支撑滤饼或截留颗粒,通过滤液

第32页：—要求流动阻力小,机械强度高

• —要求流动阻力小,机械强度高
• 织物介质—滤布(织物、网),5-65μm,工业应用广泛
• 堆积介质—固体颗粒或纤维等堆积,—深层过滤
• 多孔固体介质:具有微细孔道的固体,1-3μm
• 多孔膜:有机膜、无机膜。1μm以下
• 滤饼的可压缩性和助滤剂
• 滤饼受压↑,ε↓,流动阻力↑
• 助滤剂——加入,使滤饼疏松而坚硬

第33页：二过滤设备

二过滤设备

1.板框过滤机

(1)结构与工作原理

第34页：1-非洗涤板

1-非洗涤板;

2-框;

3-洗涤板;

四角均开孔

组装:1-2-3-2-1-2-3-2-1-2-3-2-1

滤布—框的两侧

滤浆由总管入框

→框内形成滤饼

→滤液穿过饼和布

→经每板上旋塞排出(明流)

→从板流出的滤液汇集于某总管排出(暗流)

过滤

第35页：横穿洗涤

横穿洗涤:

洗涤液由总管入板

→滤布

→滤饼

→滤布

→非洗涤板

→排出

洗涤面=(1/2)过滤面积

洗涤液行程与滤液相同。洗涤面=过滤面

置换洗涤:

说明

1间歇操作

1间歇操作——过滤、洗涤、卸渣、整理、装合

2主要优缺点

第36页：

第37页：2.叶滤机

• 叶滤机
• 转筒过滤机
• 结构与工作原理

第38页：水平转筒分为若干段,滤布蒙于侧壁

水平转筒分为若干段,滤布蒙于侧壁

段—管—分配头转动盘(多孔)

段—管—分配头转动盘(多孔)——分配头固定盘

(凹槽2、凹槽1、凹槽3)—三个通道的入口

滤液真空管

洗水真空管

吹气管

工作过程—跟综一段

1当浸入滤浆中时,对应滤布—对应管—转动盘孔—凹槽2—滤液真空管—滤液通道—过滤

第39页：2当位于水喷头下

2当位于水喷头下,对应滤饼、滤布—对应管—转动盘孔—凹槽1—洗水真空管—洗水通道—洗涤

3吹气管—凹槽3—转动盘孔—对应管—滤布—滤饼—压缩空气通道—吹松

4遇到刮刀—卸渣

5两凹槽之间的空白处:没有通道——停工—两区不致串通

主要优缺点:

第40页：三过滤基本理论

• 三过滤基本理论
• 颗粒床层的物理模型与基本参数
• 颗粒床层→一组平行细管—流体通道
• 细管内表面=床层颗粒的全部表面
• 细管的总体积=床层空隙体积
• 基本参数
• 空隙率ε:床层的空隙体积/床层的总体积
• 比表面积S0:颗粒表面积/颗粒体积
• 孔道(细管)平均长度l:∝床层厚度,即l=K0L

第41页：3孔道细管当量直径de

3孔道(细管)当量直径de:

4滤液流速u1:

第42页：2.过滤速度及其表达

2.过滤速度及其表达

(1)定义

A—滤饼层总截面积;θ—过滤时间;V—滤液体积

说明

u1与u的关系

(2)过程推动力

——滤浆侧和滤液侧的压差

滤饼压降

介质压降

第43页：Δp1的表达

(3)Δp1的表达——Hagen-Poiseuille方程

(4)滤饼层的阻力

φl(L)↑,如Δp不变,则u↓—瞬时速度

κ恒压降速,恒速升压

说明

其中

——滤饼的比阻

第44页：u=滤饼层推动力/滤饼层阻力

u=滤饼层推动力/滤饼层阻力。

滤饼阻力~滤饼层的性质及L;滤液的μ。

说明

(5)过滤介质的阻力

近似:阻力~厚度为Le的一层滤饼

(6)总推动力与总阻力

第45页：过滤速度的两种具体表达形式

(7)过滤速度的两种具体表达形式

认为:

AL=cV

—获取单位体积滤液所得滤饼体积

系数:c=AL/V

Ve—与Le对应的滤液体积。不存在,虚拟量,

~滤饼的性质

形式1

第46页：又认为

W=c’V

又认为:

—获取单位体积滤液所得滤饼质量

~滤浆浓度与颗粒性质

系数:c‘=W/V

仿照

可得

形式2

第47页：比较形式1与2可得

比较形式1与2可得

3(恒压)过滤方程式

积分形式1

c、r、μ~与时间无关

Ve、A、Δp常数

——过滤常数(m2/s)

第48页：另一写法

另一写法

其中

说明

1过滤方程式

1过滤方程式——V~θ的关系,抛物线

2关于过滤常数K和qe——滤饼的(不)可压缩性,

3K,qe~p的关系

平均r(r’)~p:

第49页：其中r0r’0为常数

其中r0(r’0)为常数;

不可压缩,s=0

4.过滤常数的实验测定

原理一

第50页：对过滤方程进行微分

对过滤方程进行微分

微分用增量代替

连续测定θ,q

算出一系列Δθ及对应Δq

Δθ/Δq~q作图,

直线斜率=2/K,

截距=2qe/K

原理二

过滤方程同除以Kq

测量变量相同

第51页：直线斜率=1/K

θ/q~q作图,

直线斜率=1/K,

截距=2qe/K

讨论

1实验条件必须与生产条件一致

1实验条件必须与生产条件一致——过滤机设计

在不同p下测多个常数

2测出c或c’,

一定p测出K→r;

多次→一组(r,p)

双对数坐标,直线斜率=s,截距=r0

第52页：四过滤计算

四过滤计算

1.间歇过滤机的计算

(1)操作周期与生产能力

操作周期总时间

总时间

过滤时间

洗涤时间

卸渣、清理、装合

设计和操作计算要基于θC

生产能力:一个操作周期中,单位时间内得到的滤液或滤饼体积

第53页：洗涤速率和洗涤时间

已知K,qe,由过滤方程,θF→VF→Q

(2)洗涤速率和洗涤时间

一般认为:洗涤液量∝滤液量,即

假定:洗涤液粘度与滤液相同;洗涤压力与过滤时相同

洗涤速率:单位时间内通过滤饼层的洗涤液体积

第54页：1叶滤机的洗涤速率

1叶滤机的洗涤速率和洗涤时间

1叶滤机的洗涤速率和洗涤时间——置换洗涤

洗涤速率恒定←滤饼厚度不变

2板框压滤机的洗涤速度和洗涤时间——横穿洗涤

第55页：洗涤时间

洗涤时间

(3)最佳操作周期

在一个操作周期中

θR—一般固定

θF↑,V↑,但上升幅度↓,Q可能↓

θF↓,V↓,且下降幅度↑,Q可能↓

第56页：存在一个最优的过滤时间,使Q最大

存在一个最优的过滤时间,使Q最大

可以证明:θF+θW=θR,则Q可达最大

2.连续过滤机的计算

(1)操作周期与过滤时间

间歇过滤机:部分时间,全部面积—→过滤

连续过滤机:部分面积,全部时间—→过滤

转筒过滤机,每秒n周

,则θC=1/n

—每圈用时

转筒表面浸入分数:

第57页：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

部分面积,全部时间—→全部面积,部分时间

θC

A

(2)生产能力

第58页：当滤布阻力可以忽略

当滤布阻力可以忽略

Q~A,φ,n

说明

φ↑,过滤面积↑,其它面积↓,操作不便

n↑,θF↓,L↓,难以卸渣,功率消耗↑

第59页：例题2在试验装置中过滤钛白的水悬浮液

例题2在试验装置中过滤钛白的水悬浮液,过滤压力为3kgf/cm2(表压),求得过滤常数如下:K=5×10-5m2/s,qe=0.01m3/m2。又测出滤渣体积与滤液体积之比c=0.08m3/m3。现要用工业压滤机过滤同样的料液,过滤压力及所用滤布亦与实验时相同。压滤机型号为BMY33/810-45。这一型号设备滤框空处长与宽均为810mm,厚度为45mm,共有26个框,过滤面积为33m2,框内总容量为0.760m3。试计算:

(1)过滤进行到框内全部充满滤渣所需要过滤时间;

(2)过滤后用相当于滤液量1/10的水进行横穿洗涤,求洗涤时间;

(3)洗涤后卸渣、清理、装合等共需要40分钟,求每台压滤机的生产能力,分别以每小时平均可得多少滤渣计。

第60页：第三节离心分离简介

第三节离心分离简介

旋风(液)分离器

利用混合物中不同成分所受离心力Fr不同

——Fr源自物料以切线方向进入设备

离心机

——Fr源自设备本身旋转

高速旋转的转鼓

转鼓直径、转速↑,则Fr↑,分离效果↑

第61页：离心机的分离因数KC

离心机的分离因数KC

其产生的离心加速度与重力加速度之比

常速(KC<3000)

高速(3000<KC<50000)

超速(KC>500000)

(1)过滤式离心机

(2)沉降式离心机

(3)分离式离心机