機械分離

1、1,第三章 機械分離,2,第一節(jié) 顆粒沉降,一 固體顆粒在流體中的沉降運動,1．顆粒沉降運動中的受力分析,d，?s的球形顆粒,(1) 場力,重力,離心力,3,(2) 浮力,重力場,離心力場,(3)阻力,?顆粒與流體的相對運動,表皮阻力與形體阻力,微元面所受力在垂直于流動方向上的分量沿顆粒表面的積分,?繞流，形成邊界層,4,5,,,,,,,,,,?wdA,?wdAsin?,pdA,?,pdAcos ?,表皮阻力,浮力,形體阻力,6,

2、相對大小~運動速度,流體~固體作用力——沉降與繞流并無本質(zhì)區(qū)別，,2．沉降速度與阻力系數(shù),（1）重力沉降速度u0,重力-浮力-阻力=顆粒質(zhì)量×加速度,7,重、浮一定，u?，阻力? ，加速度?,加速度=0時，u=u0——沉降速度,8,（2）離心沉降速度,9,—顆粒實際運動速度在徑向上的分量,—方向：由圓心指向外；,—軌跡：逐漸擴大的螺旋線，,10,（3）公式成立假定條件,—其它因素對u0的影響,①顆粒為球形；,②顆粒沉降時彼此相

3、距較遠，互不干擾,③容器壁對沉降的阻滯作用可以忽略,④ 顆粒直徑不能小到受流體分子運動的影響,（4）阻力系數(shù),因次分析?,11,阻力系數(shù)~Re0關系圖,12,①層流區(qū)(Stokes區(qū)),—Stokes公式,—可以從理論上推導出,—可以近似用到Re0=2,表皮阻力占主導地位,不發(fā)生邊界層分離,13,②過渡區(qū)(Allen區(qū)),開始發(fā)生邊界層分離,顆粒后部形成旋渦——尾流,尾流區(qū)壓強低?形體阻力增大,14,③湍流區(qū)(牛頓區(qū)),形體阻力占主導地

4、位，表皮阻力可以忽略,阻力?u2,阻力系數(shù)與Re0無關,15,④ Re0>2?105,阻力系數(shù)驟然下降,層流邊界層?湍流邊界層,分離點后移，尾流區(qū)收縮，形體阻力突然下降,近似取?=0.1,16,（5）沉降公式使用方法,①事前能夠確認流動區(qū)域，直接用對應公式,②流動區(qū)域不能確定，采用試差法,假定流動處于層流區(qū)，Stokes?u0 ?Re0 ? (？<2)，yes?結(jié)束no ?換用相應區(qū)域公式? u0 ?Re0 ? 判斷，修

5、正,③通過實驗整理數(shù)據(jù)得到(Re0<2?105 ),17,Ar—阿基米德數(shù),用法： ?Ar ?Re0 ?u0,④ 離心力場中的u0，將g替換為ar,18,二 重力沉降分離設備,1．降塵室,,19,（1）工作原理,氣體入室?減速,顆粒的沉降運動&隨氣體運動,沉降運動時間<氣體停留時間?分離,說明,① d?，容易除去,②氣量V?，容易除去,（2）能(100%)被除去的最小顆粒直徑,100%去除——室頂?shù)绞业?20,所需

6、沉降時間=H/u0,在室內(nèi)停留時間=L/u,分離滿足的條件：,分離所需最胝沉降速度,最低沉降速度~能被分離的最小顆徑,21,說明,①dmin~顆粒、氣體性質(zhì)，氣體處理量，底面積,②考慮是dmin ，一般認為處在層流區(qū),（3）最大處理量,說明,①Vmax~某一粒徑能100%被去除,②Vmax~ (100%去除的) d, A0，與H無關,22,（4）補充說明,①氣體均布重要性——入口錐形,②橫截面大——操作氣速低?不被卷起 底面積

7、大——分離效率高,23,例題1 采用降塵室回收常壓爐氣中所含球形固體顆粒。降塵室底面積為10㎡，高1.6m。操作條件下氣體密度為0.5kg/m3，粘度為2?10-5Pa?s，顆粒密度為3000 kg/m3。氣體體積流量為5m3/s。試求：（1）可完全回收的最小顆粒直徑；（2）如將降塵室改為多層以完全回收20?的顆粒，求多層降塵室的層數(shù)及板間距。,24,三 離心沉降設備,重力沉降的不足與離心沉降的優(yōu)勢,,設備體積小而分離效率高,1

8、．旋風分離器,（1）構(gòu)造與工作原理,圓筒、圓錐、矩形切線入口,氣流獲得旋轉(zhuǎn),向下?錐口,向上，氣芯,?頂部中央排氣口,25,顆粒?器壁?滑落,各部分尺寸——按比例,(見教材),（2）分離性能估計,?能被分離出的最小顆粒直徑,——臨界直徑dc,假定,Ut保持不變，?ui,穿越最大氣層厚=B,相對運動為層流,Stokes公式可用,將g換為,rm-平均旋轉(zhuǎn)半徑,顆粒沉降速度,26,假設(2)?沉降時間,氣芯前圈數(shù)=N,運行距離,有效停留時間,

9、某一粒徑能(100%)被分離出的條件,其穿越B所需時間〈停留時間,27,一般取Ｎ＝５,dc～氣體性能、結(jié)構(gòu)、處理量,假定勉強，粗略估計,?分離效率,粒級效率? :,混合物經(jīng)旋風分離器后某一(范圍的)粒徑被分離出來的質(zhì)量分數(shù),d>dc的顆粒?=1,如顆粒入器時均布，,與器壁距離<B‘的所有顆粒所占分率,28,d<dc的,入器時如其B’<B，也可以被(100%)分離,由前式，能被(100%)分離顆粒的d?B1/2,—

10、—入器時距離<B‘的，直徑為d的都能被(100%)分離,,所占分率為,,總效率?O：,被分離出來的顆粒點全部顆粒的質(zhì)量分數(shù),29,?O與?i,?壓降,能量損失,——進氣管、排氣管、器壁、各各局部，氣旋,常表示為,阻力系數(shù)實測,經(jīng)驗,（3）選型與計算,30,第二節(jié) 過 濾,一 過濾基本原理,1 過濾,固液混合，外力驅(qū)動，多孔介質(zhì)，顆粒截留，液體通過,31,說明：,?名詞：過濾介質(zhì)；濾漿；濾渣(餅)；濾液,?過程推動力：重力；壓

11、力(差)；離心力,?濾餅過濾與深層過濾,?操作目的：固體或清凈的液體,?洗滌——回收濾餅中殘存的濾液或除去其雜質(zhì),2. 過濾介質(zhì),—支撐濾餅或截留顆粒，通過濾液,32,—要求流動阻力小，機械強度高,①織物介質(zhì) — 濾布(織物、網(wǎng))，5-65?m，工業(yè)應用廣泛,②堆積介質(zhì)—固體顆粒或纖維等堆積，—深層過濾,③多孔固體介質(zhì)：具有微細孔道的固體，1-3?m,④多孔膜：有機膜、無機膜。1 ?m以下,3．濾餅的可壓縮性和助濾劑,濾餅受壓?，??

12、，流動阻力?,助濾劑——加入，使濾餅疏松而堅硬,33,二 過濾設備,1．板框過濾機,（1）結(jié)構(gòu)與工作原理,34,35,1-非洗滌板；,2-框；,3-洗滌板；,四角均開孔,組裝: 1-2-3-2-1-2-3-2-1-2-3-2-1,濾布—框的兩側(cè),濾漿由總管入框,?框內(nèi)形成濾餅,?濾液穿過餅和布,?經(jīng)每板上旋塞排出(明流),?從板流出的濾液匯集于某總管排出(暗流),過濾,36,橫穿洗滌：,洗滌液由總管入板,?濾布,?濾餅,?濾布,?非洗

13、滌板,?排出,洗滌面=(1/2)過濾面積,洗滌液行程與濾液相同。洗滌面=過濾面,置換洗滌：,說明,①間歇操作——過濾、洗滌、卸渣、整理、裝合,②主要優(yōu)缺點,37,38,2．葉濾機,3．轉(zhuǎn)筒過濾機,（1）結(jié)構(gòu)與工作原理,39,水平轉(zhuǎn)筒分為若干段，濾布蒙于側(cè)壁,段—管—分配頭轉(zhuǎn)動盤(多孔)——分配頭固定盤,(凹槽2、凹槽1、凹槽3) —三個通道的入口,,濾液真空管,,洗水真空管,,吹氣管,工作過程—跟綜一段,① 當浸入濾漿中時，對應濾布

14、—對應管—轉(zhuǎn)動盤孔—凹槽2 —濾液真空管 —濾液通道—過濾,40,②當位于水噴頭下，對應濾餅、濾布—對應管—轉(zhuǎn)動盤孔—凹槽1 —洗水真空管 —洗水通道—洗滌,③吹氣管—凹槽3—轉(zhuǎn)動盤孔— 對應管—濾布—濾餅 —壓縮空氣通道—吹松,④ 遇到刮刀 —卸渣,⑤兩凹槽之間的空白處：沒有通道 ——停工—兩區(qū)不致串通,主要優(yōu)缺點：,41,三 過濾基本理論,1. 顆粒床層的物理模型與基本參數(shù),顆粒床層?一組平行細管—流體通道,①細管內(nèi)表面=

15、床層顆粒的全部表面,②細管的總體積=床層空隙體積,基本參數(shù),①空隙率?：床層的空隙體積/床層的總體積,②比表面積S0：顆粒表面積/顆粒體積,③孔道(細管)平均長度l：?床層厚度，即l=K0L,42,③孔道(細管)當量直徑de：,④濾液流速u1:,43,2. 過濾速度及其表達,(1)定義,A—濾餅層總截面積；?—過濾時間；V—濾液體積,說明,u1與u的關系,(2)過程推動力,——濾漿側(cè)和濾液側(cè)的壓差,,濾餅壓降,,介質(zhì)壓降,44,(3)

16、 ?p1的表達——Hagen-Poiseuille 方程,(4)濾餅層的阻力,?l(L)?，如?p不變，則u ? —瞬時速度,?恒壓降速，恒速升壓,說明,其中,——濾餅的比阻,45,u=濾餅層推動力/濾餅層阻力。濾餅阻力~濾餅層的性質(zhì)及L；濾液的?。,說明,(5)過濾介質(zhì)的阻力,近似：阻力~厚度為Le的一層濾餅,(6)總推動力與總阻力,46,(7)過濾速度的兩種具體表達形式,認為:,AL=cV,—獲取單位體積濾液所得濾餅體積,系數(shù)：

17、c=AL/V,Ve—與Le對應的濾液體積。不存在，虛擬量，~濾餅的性質(zhì),形式1,47,W=c’V,又認為：,—獲取單位體積濾液所得濾餅質(zhì)量 ~濾漿濃度與顆粒性質(zhì),系數(shù)：c‘=W/V,仿照,可得,形式2,48,比較形式1與2可得,3 (恒壓)過濾方程式,積分形式1,c、r、?~與時間無關,Ve、A、?p常數(shù),——過濾常數(shù)（m2/s）,49,另一寫法,其中,說明,①過濾方程式——V~ ?的關系，拋物線,②關于過濾常數(shù)K和qe

18、——濾餅的(不 )可壓縮性，,③ K, qe~p的關系,平均r(r’)~p:,50,其中r0(r’0)為常數(shù);,不可壓縮，s=0,4．過濾常數(shù)的實驗測定,原理一,51,對過濾方程進行微分,微分用增量代替,連續(xù)測定?，q,算出一系列? ?及對應? q,? ? /?q ~ q作圖，,直線斜率=2/K，,截距=2qe/K,原理二,過濾方程同除以Kq,測量變量相同,52,?/q ~ q作圖，,直線斜率=1/K，,截距=2qe/K,討論,①實驗條

19、件必須與生產(chǎn)條件一致——過濾機設計,在不同p下測多個常數(shù),②測出c或c’，,一定p測出K ?r；,多次?一組（r, p）,雙對數(shù)坐標，直線斜率=s, 截距=r0,53,四 過濾計算,1．間歇過濾機的計算,（1）操作周期與生產(chǎn)能力,操作周期總時間,,總時間,,過濾時間,,洗滌時間,,卸渣、清理、裝合,設計和操作計算要基于?C,生產(chǎn)能力：一個操作周期中，單位時間內(nèi)得到的濾液或濾餅體積,54,已知K，qe，由過濾方程，?F?VF ?Q,（

20、2）洗滌速率和洗滌時間,一般認為：洗滌液量?濾液量，即,假定：洗滌液粘度與濾液相同；洗滌壓力與過濾時相同,洗滌速率：單位時間內(nèi)通過濾餅層的洗滌液體積,55,①葉濾機的洗滌速率和洗滌時間——置換洗滌,洗滌速率恒定?濾餅厚度不變,②板框壓濾機的洗滌速度和洗滌時間——橫穿洗滌,56,洗滌時間,（3）最佳操作周期,在一個操作周期中,?R—一般固定,?F?，V ? ，但上升幅度?，Q可能?,?F ? ，V ? ，且下降幅度? ，Q可能?,57,存

21、在一個最優(yōu)的過濾時間，使Q最大,可以證明： ?F + ?W= ?R，則Q可達最大,2．連續(xù)過濾機的計算,(1)操作周期與過濾時間,間歇過濾機：部分時間，全部面積—?過濾,連續(xù)過濾機：部分面積，全部時間—?過濾,轉(zhuǎn)筒過濾機，每秒n周,，則?C=1/n,—每圈用時,轉(zhuǎn)筒表面浸入分數(shù)：,58,一個周期中全部面積經(jīng)歷過濾時間,部分面積，全部時間—?全部面積，部分時間,,,?C,,,A,（2）生產(chǎn)能力,59,當濾布阻力可以忽略,Q~A，?，n,說

22、明,??，過濾面積? ，其它面積?，操作不便,n ?， ?F ?，L ?，難以卸渣，功率消耗?,60,例題2 在試驗裝置中過濾鈦白的水懸浮液，過濾壓力為3kgf/cm2 （表壓），求得過濾常數(shù)如下：K=5?10-5m2/s，qe=0.01m3/m2。又測出濾渣體積與濾液體積之比c=0.08 m3/m3 ?，F(xiàn)要用工業(yè)壓濾機過濾同樣的料液，過濾壓力及所用濾布亦與實驗時相同。壓濾機型號為BMY33/810-45。這一型號設備濾框空處長與寬均

23、為810mm，厚度為45mm，共有26個框，過濾面積為33㎡，框內(nèi)總?cè)萘繛?.760m3。試計算：（1）過濾進行到框內(nèi)全部充滿濾渣所需要過濾時間；（2）過濾后用相當于濾液量1/10的水進行橫穿洗滌，求洗滌時間；（3）洗滌后卸渣、清理、裝合等共需要40分鐘，求每臺壓濾機的生產(chǎn)能力，分別以每小時平均可得多少濾渣計。,61,第三節(jié) 離心分離簡介,旋風(液)分離器,利用混合物中不同成分所受離心力Fr不同,——Fr源自物料以切線方向進入設