機(jī)械分離

1、1,第三章 機(jī)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(yùn)動(dòng),1．顆粒沉降運(yùn)動(dòng)中的受力分析,d，?s的球形顆粒,(1) 場(chǎng)力,重力,離心力,3,(2) 浮力,重力場(chǎng),離心力場(chǎng),(3)阻力,?顆粒與流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng),表皮阻力與形體阻力,微元面所受力在垂直于流動(dòng)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(duì)大小~運(yùn)動(dòng)速度,流體~固體作用力——沉降與繞流并無(wú)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(shí)，u=u0——沉降速度,8,（2）離心沉降速度,9,—顆粒實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度在徑向上的分量,—方向：由圓心指向外；,—軌跡：逐漸擴(kuò)大的螺旋線，,10,（3）公式成立假定條件,—其它因素對(duì)u0的影響,①顆粒為球形；,②顆粒沉降時(shí)彼此相

3、距較遠(yuǎn)，互不干擾,③容器壁對(duì)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(yùn)動(dòng)的影響,（4）阻力系數(shù),因次分析?,11,阻力系數(shù)~Re0關(guān)系圖,12,①層流區(qū)(Stokes區(qū)),—Stokes公式,—可以從理論上推導(dǎo)出,—可以近似用到Re0=2,表皮阻力占主導(dǎo)地位,不發(fā)生邊界層分離,13,②過(guò)渡區(qū)(Allen區(qū)),開(kāi)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(qiáng)低?形體阻力增大,14,③湍流區(qū)(牛頓區(qū)),形體阻力占主導(dǎo)地

4、位，表皮阻力可以忽略,阻力?u2,阻力系數(shù)與Re0無(wú)關(guān),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(diǎn)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(rèn)流動(dòng)區(qū)域，直接用對(duì)應(yīng)公式,②流動(dòng)區(qū)域不能確定，采用試差法,假定流動(dòng)處于層流區(qū)，Stokes?u0 ?Re0 ? (？<2)，yes?結(jié)束no ?換用相應(yīng)區(qū)域公式? u0 ?Re0 ? 判斷，修

5、正,③通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(chǎng)中的u0，將g替換為ar,18,二 重力沉降分離設(shè)備,1．降塵室,,19,（1）工作原理,氣體入室?減速,顆粒的沉降運(yùn)動(dòng)&隨氣體運(yùn)動(dòng),沉降運(yùn)動(dòng)時(shí)間<氣體停留時(shí)間?分離,說(shuō)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(shí)間=H/u0,在室內(nèi)停留時(shí)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(shuō)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(rèn)為處在層流區(qū),（3）最大處理量,說(shuō)明,①Vmax~某一粒徑能100%被去除,②Vmax~ (100%去除的) d, A0，與H無(wú)關(guān),22,（4）補(bǔ)充說(shuō)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(shè)備,重力沉降的不足與離心沉降的優(yōu)勢(shì),,設(shè)備體積小而分離效率高,1

8、．旋風(fēng)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(jiàn)教材),（2）分離性能估計(jì),?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(duì)運(yùn)動(dòng)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(shè)(2)?沉降時(shí)間,氣芯前圈數(shù)=N,運(yùn)行距離,有效停留時(shí)間,

9、某一粒徑能(100%)被分離出的條件,其穿越B所需時(shí)間〈停留時(shí)間,27,一般?。危剑?dc～氣體性能、結(jié)構(gòu)、處理量,假定勉強(qiáng)，粗略估計(jì),?分離效率,粒級(jí)效率? :,混合物經(jīng)旋風(fēng)分離器后某一(范圍的)粒徑被分離出來(lái)的質(zhì)量分?jǐn)?shù),d>dc的顆粒?=1,如顆粒入器時(shí)均布，,與器壁距離<B‘的所有顆粒所占分率,28,d<dc的,入器時(shí)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(shí)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(lái)的顆粒點(diǎn)全部顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù),29,?O與?i,?壓降,能量損失,——進(jìn)氣管、排氣管、器壁、各各局部，氣旋,常表示為,阻力系數(shù)實(shí)測(cè),經(jīng)驗(yàn),（3）選型與計(jì)算,30,第二節(jié) 過(guò) 濾,一 過(guò)濾基本原理,1 過(guò)濾,固液混合，外力驅(qū)動(dòng)，多孔介質(zhì)，顆粒截留，液體通過(guò),31,說(shuō)明：,?名詞：過(guò)濾介質(zhì)；濾漿；濾渣(餅)；濾液,?過(guò)程推動(dòng)力：重力；壓

11、力(差)；離心力,?濾餅過(guò)濾與深層過(guò)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(guò)濾介質(zhì),—支撐濾餅或截留顆粒，通過(guò)濾液,32,—要求流動(dòng)阻力小，機(jī)械強(qiáng)度高,①織物介質(zhì) — 濾布(織物、網(wǎng))，5-65?m，工業(yè)應(yīng)用廣泛,②堆積介質(zhì)—固體顆粒或纖維等堆積，—深層過(guò)濾,③多孔固體介質(zhì)：具有微細(xì)孔道的固體，1-3?m,④多孔膜：有機(jī)膜、無(wú)機(jī)膜。1 ?m以下,3．濾餅的可壓縮性和助濾劑,濾餅受壓?，??

12、，流動(dòng)阻力?,助濾劑——加入，使濾餅疏松而堅(jiān)硬,33,二 過(guò)濾設(shè)備,1．板框過(guò)濾機(jī),（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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)濾面積,洗滌液行程與濾液相同。洗滌面=過(guò)濾面,置換洗滌：,說(shuō)明,①間歇操作——過(guò)濾、洗滌、卸渣、整理、裝合,②主要優(yōu)缺點(diǎn),37,38,2．葉濾機(jī),3．轉(zhuǎn)筒過(guò)濾機(jī),（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(dòng)盤(多孔)——分配頭固定盤,(凹槽2、凹槽1、凹槽3) —三個(gè)通道的入口,,濾液真空管,,洗水真空管,,吹氣管,工作過(guò)程—跟綜一段,① 當(dāng)浸入濾漿中時(shí)，對(duì)應(yīng)濾布

14、—對(duì)應(yīng)管—轉(zhuǎn)動(dòng)盤孔—凹槽2 —濾液真空管 —濾液通道—過(guò)濾,40,②當(dāng)位于水噴頭下，對(duì)應(yīng)濾餅、濾布—對(duì)應(yīng)管—轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)盤孔— 對(duì)應(yīng)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(méi)有通道 ——停工—兩區(qū)不致串通,主要優(yōu)缺點(diǎn)：,41,三 過(guò)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(xì)管—流體通道,①細(xì)管內(nèi)表面=

15、床層顆粒的全部表面,②細(xì)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(xì)管)平均長(zhǎng)度l：?床層厚度，即l=K0L,42,③孔道(細(xì)管)當(dāng)量直徑de：,④濾液流速u1:,43,2. 過(guò)濾速度及其表達(dá),(1)定義,A—濾餅層總截面積；?—過(guò)濾時(shí)間；V—濾液體積,說(shuō)明,u1與u的關(guān)系,(2)過(guò)程推動(dòng)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(dá)——Hagen-Poiseuille 方程,(4)濾餅層的阻力,?l(L)?，如?p不變，則u ? —瞬時(shí)速度,?恒壓降速，恒速升壓,說(shuō)明,其中,——濾餅的比阻,45,u=濾餅層推動(dòng)力/濾餅層阻力。濾餅阻力~濾餅層的性質(zhì)及L；濾液的?。,說(shuō)明,(5)過(guò)濾介質(zhì)的阻力,近似：阻力~厚度為L(zhǎng)e的一層濾餅,(6)總推動(dòng)力與總阻力,46,(7)過(guò)濾速度的兩種具體表達(dá)形式,認(rèn)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(duì)應(yīng)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(rèn)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(guò)濾方程式,積分形式1,c、r、?~與時(shí)間無(wú)關(guān),Ve、A、?p常數(shù),——過(guò)濾常數(shù)（m2/s）,49,另一寫法,其中,說(shuō)明,①過(guò)濾方程式——V~ ?的關(guān)系，拋物線,②關(guān)于過(guò)濾常數(shù)K和qe

18、——濾餅的(不 )可壓縮性，,③ K, qe~p的關(guān)系,平均r(r’)~p:,50,其中r0(r’0)為常數(shù);,不可壓縮，s=0,4．過(guò)濾常數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定,原理一,51,對(duì)過(guò)濾方程進(jìn)行微分,微分用增量代替,連續(xù)測(cè)定?，q,算出一系列? ?及對(duì)應(yīng)? q,? ? /?q ~ q作圖，,直線斜率=2/K，,截距=2qe/K,原理二,過(guò)濾方程同除以Kq,測(cè)量變量相同,52,?/q ~ q作圖，,直線斜率=1/K，,截距=2qe/K,討論,①實(shí)驗(yàn)條

19、件必須與生產(chǎn)條件一致——過(guò)濾機(jī)設(shè)計(jì),在不同p下測(cè)多個(gè)常數(shù),②測(cè)出c或c’，,一定p測(cè)出K ?r；,多次?一組（r, p）,雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)，直線斜率=s, 截距=r0,53,四 過(guò)濾計(jì)算,1．間歇過(guò)濾機(jī)的計(jì)算,（1）操作周期與生產(chǎn)能力,操作周期總時(shí)間,,總時(shí)間,,過(guò)濾時(shí)間,,洗滌時(shí)間,,卸渣、清理、裝合,設(shè)計(jì)和操作計(jì)算要基于?C,生產(chǎn)能力：一個(gè)操作周期中，單位時(shí)間內(nèi)得到的濾液或?yàn)V餅體積,54,已知K，qe，由過(guò)濾方程，?F?VF ?Q,（

20、2）洗滌速率和洗滌時(shí)間,一般認(rèn)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(guò)濾時(shí)相同,洗滌速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)濾餅層的洗滌液體積,55,①葉濾機(jī)的洗滌速率和洗滌時(shí)間——置換洗滌,洗滌速率恒定?濾餅厚度不變,②板框壓濾機(jī)的洗滌速度和洗滌時(shí)間——橫穿洗滌,56,洗滌時(shí)間,（3）最佳操作周期,在一個(gè)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(gè)最優(yōu)的過(guò)濾時(shí)間，使Q最大,可以證明： ?F + ?W= ?R，則Q可達(dá)最大,2．連續(xù)過(guò)濾機(jī)的計(jì)算,(1)操作周期與過(guò)濾時(shí)間,間歇過(guò)濾機(jī)：部分時(shí)間，全部面積—?過(guò)濾,連續(xù)過(guò)濾機(jī)：部分面積，全部時(shí)間—?過(guò)濾,轉(zhuǎn)筒過(guò)濾機(jī)，每秒n周,，則?C=1/n,—每圈用時(shí),轉(zhuǎn)筒表面浸入分?jǐn)?shù)：,58,一個(gè)周期中全部面積經(jīng)歷過(guò)濾時(shí)間,部分面積，全部時(shí)間—?全部面積，部分時(shí)間,,,?C,,,A,（2）生產(chǎn)能力,59,當(dāng)濾布阻力可以忽略,Q~A，?，n,說(shuō)

22、明,??，過(guò)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(yàn)裝置中過(guò)濾鈦白的水懸浮液，過(guò)濾壓力為3kgf/cm2 （表壓），求得過(guò)濾常數(shù)如下：K=5?10-5m2/s，qe=0.01m3/m2。又測(cè)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(jī)過(guò)濾同樣的料液，過(guò)濾壓力及所用濾布亦與實(shí)驗(yàn)時(shí)相同。壓濾機(jī)型號(hào)為BMY33/810-45。這一型號(hào)設(shè)備濾框空處長(zhǎng)與寬均

23、為810mm，厚度為45mm，共有26個(gè)框，過(guò)濾面積為33㎡，框內(nèi)總?cè)萘繛?.760m3。試計(jì)算：（1）過(guò)濾進(jìn)行到框內(nèi)全部充滿濾渣所需要過(guò)濾時(shí)間；（2）過(guò)濾后用相當(dāng)于濾液量1/10的水進(jìn)行橫穿洗滌，求洗滌時(shí)間；（3）洗滌后卸渣、清理、裝合等共需要40分鐘，求每臺(tái)壓濾機(jī)的生產(chǎn)能力，分別以每小時(shí)平均可得多少濾渣計(jì)。,61,第三節(jié) 離心分離簡(jiǎn)介,旋風(fēng)(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(jìn)入設(shè)