第四章課程之《機(jī)械分離》.docx

第四章 機(jī)械分離一、學(xué)習(xí)的目的、掌握的內(nèi)容及學(xué)習(xí)時應(yīng)注意的事項1本章學(xué)習(xí)目的 通過本章學(xué)習(xí)能夠利用流體力學(xué)原理實現(xiàn)非均相物系分離（包括沉降分離和過濾分離），掌握過程的基本原理、過程和設(shè)備的計算及分離設(shè)備的選型。建立固體流態(tài)化的基本概念。2本章重點掌握的內(nèi)容 （1）沉降分離（包括重力沉降和離心沉降）的原理、過程計算和旋風(fēng)分離器的選型。（2）過濾操作的原理、過濾基本方程式推導(dǎo)的思路，恒壓過濾的計算、過濾常數(shù)的測定。（3）用數(shù)學(xué)模型法規(guī)劃實驗的研究方法。本章應(yīng)掌握的內(nèi)容（1）顆粒及顆粒床層特性（2）懸浮液的沉降分離設(shè)備本章一般了解的內(nèi)容（1）離心機(jī)的類型與應(yīng)用場合（2）固體流態(tài)化現(xiàn)象（包括氣力輸送）3本章學(xué)習(xí)中應(yīng)注意的問題 本章從理論上討論顆粒與流體間相對運動問題，其中包括顆粒相對于流體的運動（沉降和流態(tài)化）、流體通過顆粒床層的流動（過濾），并借此實現(xiàn)非均相物系分離、固體流態(tài)化技術(shù)及固體顆粒的氣力輸送等工業(yè)過程。學(xué)習(xí)過程中要能夠?qū)⒘黧w力學(xué)的基本原理用于處理繞流和流體通過顆粒床層流動等復(fù)雜工程問題，即注意學(xué)習(xí)對復(fù)雜的工程問題進(jìn)行簡化處理的思路和方法。二、例題解析4-1 顆粒尺寸對顆粒床層內(nèi)流動的影響假設(shè)將床層空間均勻分成邊長等于球形顆粒直徑的立方格，每一個立方格放置一顆固體顆?！，F(xiàn)有直徑為0.1mm和10mm的球形顆粒，按上述規(guī)定進(jìn)行填充，填充高度為1m。試求：（1）兩種顆粒的空隙率各為多少？（2）若將常溫常壓下的空氣在981Pa壓差下通入兩床層，床層的空速各為多少（3）欲使細(xì)顆粒床層通過同樣的流量，所需壓差為多少？【解】：（1）由床層空隙率的定義因空隙率與顆粒的直徑無關(guān)，故兩種顆粒的空隙率皆為0.476。（2）常溫常壓下空氣的物性對于細(xì)顆粒，比表面積，假定康采尼公式適用故假設(shè)正確，計算結(jié)果有效。對于粗顆粒，比表面積，假定歐根公式中粘性力項可忽略，即故假設(shè)正確，計算結(jié)果有效。（3）若細(xì)顆粒床層的空速，則顯然康采尼公式不適用，且歐根公式中粘性力項可忽略，即此例表明，如果忽略邊緣效應(yīng)，顆粒尺寸只影響比表面積，而并不改變床層的空隙率。顆粒尺寸越小，則比表面積越大，在同樣流量下床層壓降越大，或在同樣壓差作用下流量越小。從本例還可看出，對于顆粒尺寸很小即比表面積很大的固定床，固定床層阻力過大，其通過能力是不可能很高的。4-2 過濾常數(shù)的計算將某懸浮液進(jìn)行過濾，已知比阻計算式為，式中為過濾壓差，單位為。又知懸浮液中固相質(zhì)量分率為0.4，密度為3500kg/m3，濾餅含水率50%（體積分率），求過濾壓差為50kPa、溫度20時的過濾常數(shù)K?！窘狻窟^濾常數(shù) （1）式中 （2）取1000kg懸浮液作為基準(zhǔn)，則濾餅中固相體積故濾餅體積濾液體積代入式（2）得：又由關(guān)系可知：將及20濾液（即水）的粘度代入式（1）得【討論】過濾常數(shù)K是過濾過程中的一個重要參數(shù)。由K的計算可知，K與過程推動力、濾餅性質(zhì)（壓縮指數(shù)、比阻）、濾漿性質(zhì)（）有關(guān)。4-3 間歇過濾機(jī)的生產(chǎn)能力 用葉濾機(jī)在等壓條件下過濾某懸浮液，經(jīng)實驗測得，過濾開始后20min和30min，獲得累計濾液量分別為0.53和0.66。過濾后，用相當(dāng)于濾液體積1/10的清水在相同壓差下洗滌濾餅，洗滌水粘度為濾液粘度的1/2。（1）若洗滌后的卸渣、清理、重裝等輔助時間為30min，問每周期的過濾時間為多長時才能使葉濾機(jī)達(dá)到最大生產(chǎn)能力？最大生產(chǎn)能力（以單位面積計）又為多少？（2）若由于工人的工作效率提高，使得輔助時間減少為20min，問每周期的過濾時間為多長時才能使葉濾機(jī)達(dá)到最大生產(chǎn)能力？最大生產(chǎn)能力（以單位面積計）又為多少？【解】本題中過濾介質(zhì)阻力不可忽略，且洗滌水粘度不等于濾液粘度，故最大生產(chǎn)能力滿足的條件不再是，而需另行推導(dǎo)。具體推導(dǎo)過程如下：生產(chǎn)能力 （1）其中： （2） （3）設(shè)，對葉濾機(jī)，于是，式（3）變?yōu)?（4）將式（2）、（4）代入式（1）得要想求出，需滿足。由此可得將代入上式得： （5） 式（5）即本題條件下最大生產(chǎn)能力所滿足的條件。下面求解過濾常數(shù)K。 將代入恒壓過濾方程： （6）得 解之得 ，將得： （7）將代入式（2）、（4）得 （8）將式（8）代入式（7），并解之得：將代入式（8）得將代入式（1）得最大生產(chǎn)能力（以單位面積計）（2）將代入式（5）得： （9）將式（8）代入，并解之得：。代入式（8）得將代入式（1）得最大生產(chǎn)能力（以單位面積計）【討論】（1）在計算洗滌速率時需注意，下式為洗滌速率與過濾終了時速率關(guān)系的一般表達(dá)式：對板框過濾機(jī)，；對葉濾機(jī)，；對回轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)，；（2）間歇過濾機(jī)獲得最大生產(chǎn)能力的條件如下：當(dāng)時，當(dāng)，時， 4-4 顆粒的分級懸浮液中含有A、B兩種顆粒，其密度與粒徑分布為：若用的液體在垂直管中將上述懸浮液分級，問是否可將A、B兩種顆粒完全分開？假設(shè)顆粒沉降均處于斯托克斯區(qū)?！窘狻繉⒊两邓俣炔煌膬煞N顆粒傾倒至垂直向上流動的液體中時，將液體向上流動的速度調(diào)節(jié)到兩種顆粒的沉降速度之間，則沉降速度較小的那部分顆粒便被漂走，沉降速度較大的那部分顆粒將被下沉到垂直管的底部。對于本題，要使A、B兩種顆粒完全分開，則A、B兩種顆粒的沉降速度區(qū)間不能重疊。由沉降運動理論知：密度大而直徑小的顆粒A與密度小而直徑大的顆粒B，可能具有相同的沉降速度，從而使兩者不能被完全分離。要定出能達(dá)到完全分離的兩種顆粒直徑的比值，可利用下面的計算公式：當(dāng)兩種顆粒的沉降均滿足斯托克斯定律時也就是說，最小直徑的A顆粒（）可與最大直徑的B顆粒（）獲得相等的沉降速度。對于本題，最大直徑的B顆粒（0.15mm）其沉降速度仍小于最小直徑A顆粒（0.1mm）的沉降速度，故可將液體向上流動的速度控制在稍大于直徑為0.15mm的B顆粒而稍小于直徑為0.1mm的A顆粒的沉降速度之間，將B顆粒完全漂走，而使A顆粒全部下沉，從而達(dá)到二者完全分離的目的。三、概念題、思考題與練習(xí)題（一）概念題4-1 在橫穿洗法的板框壓濾機(jī)中，最終的過濾速率是洗滌速率的_。 (A)一倍 (B)一半 (C)四倍 (D)四分之一4-2 固體顆粒在流體中運動,所受的阻力是( )。 (A)表皮阻力 (B)形體阻力 (C)表皮阻力和形體阻力 (D)其他阻力4-3 顆粒床層的固體顆粒直徑小，則床層的比表面積( )。 (A)小 (B)大 (C)與顆粒直徑無關(guān) (D)或大或小4-4 顆粒床層的固體顆粒直徑小，則床層的空隙率( )。 (A)小 (B)大 (C)與顆粒直徑無關(guān) (D)不確定4-5 常見的間歇過濾機(jī)有_和_；連續(xù)過濾機(jī)有_。 (A)板框過濾機(jī)，回轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)，葉濾機(jī) (B)板框過濾機(jī)，葉濾機(jī)，回轉(zhuǎn)真空過濾機(jī) (C)葉濾機(jī)，回轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)，板框過濾機(jī) (D)明流式板框過濾機(jī)，暗流式板框過濾機(jī)，葉濾機(jī)4-6 在恒壓過濾操作中，忽略過濾介質(zhì)的阻力，且過濾面積恒定，則所得的濾液量與過濾時間的_次方成正比，而對一定的濾液量則需要的過濾時間與過濾面積的_次方成反比。 (A)1/2，2 (B)2，1/2 (C)1，1/2 (D)1/2，14-7 濾液在濾餅層中的流動屬于( )流動。 (A)層流 (B)湍流 (C)過渡流 (D)不確定4-8 回轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)的轉(zhuǎn)速越快，單位時間所獲得的濾液量就越_，形成的濾餅層厚度就越_，過濾阻力越_。 (A)少，薄，小 (B)少，厚，大 (C)多，薄，小 (D)多，薄，大4-9 顆粒的沉降速度不是指 _。 (A)等速運動段顆粒降落的速度 (B)加速運動段任一時刻顆粒的降落速度 (C)加速運動段結(jié)束時顆粒的降落速度 (D)重力減去浮力與流體阻力平衡時顆粒的降落速度4-10 在討論旋風(fēng)分離器分離性能時，臨界直徑這一術(shù)語是指_。 (A)旋風(fēng)分離器效率最高時的旋風(fēng)分離器的直徑 (B)旋風(fēng)分離器允許的最小直徑 (C)旋風(fēng)分離器能夠全部分離出來的最小顆粒的直徑 (D)能夠保持層流時的最大顆粒直徑4-11 離心沉降速度是( )。 (A)顆粒運動的絕對速度 (B)徑向速度 (C)切向速度 (D)氣流速度4-12 采用置換洗法的板框壓濾機(jī)洗滌速率與恒壓過濾最終速率相等的規(guī)律只有在以下條件下才成立_。 (A)過濾時的壓差與洗滌時的壓差相同。 (B)濾液的粘度與洗滌液的粘度相同。 (C)過濾壓差與洗滌壓差相同且洗滌液粘度與濾液粘度相同。 (D)洗水穿過的濾餅厚度等于過濾時濾液所穿過的厚度。4-13 回轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)中，是_部件使過濾室在不同部位時能自動地進(jìn)行相應(yīng)不同的操作。 (A)分配頭(B)轉(zhuǎn)筒本身(C)隨轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動盤(D)與轉(zhuǎn)動盤緊密接觸的固定盤4-14 顆粒在流體中沉降，其沉降速度是( )速度。 (A)加速度最大時的 (B)最大的下降 (C)最小的下降 (D)流體的流動4-15 助濾劑應(yīng)具有以下特性_。 (A)顆粒均勻，柔軟，可壓縮。 (B)顆粒均勻，堅硬，不可壓縮。 (C)顆粒分布廣，堅硬，不可壓縮。 (D)顆粒均勻，可壓縮，易變形。4-16 降塵室的生產(chǎn)能力只與降塵室_和_有關(guān)，而與_無關(guān)。 (A)長度、寬度、高度 (B)長度、高度、寬度 (C)寬度、高度、長度 (D)寬度、長度、面積（二）思考題4-1 曳力系數(shù)是如何定義的？它與哪些因素有關(guān)? 4-2 斯托克斯定律區(qū)的沉降速度與各物理量的關(guān)系如何？應(yīng)用的前提是什么？顆粒的加速段在什么條件下可忽略不計？ 4-3 重力降塵室的氣體處理量與哪些因素有關(guān)？降塵室的高度是否影響氣體處理量？ 4-4 評價旋風(fēng)分離器性能的主要指標(biāo)有哪兩個? 4-5 為什么旋風(fēng)分離器處于低氣體負(fù)荷下操作是不適宜的？錐底為何需有良好的密封? 4-6 廣義流態(tài)化和狹義流態(tài)化的各自含義是什么? 4-7 提高流化質(zhì)量的常用措施有哪幾種？何謂內(nèi)生不穩(wěn)定性?4-8 氣力輸送有哪些主要優(yōu)點?4-9 顆粒群的平均直徑以何為基準(zhǔn)？為什么？4-10 數(shù)學(xué)模型法的主要步驟有哪些？4-11 過濾速率與哪些因素有關(guān)？4-12 過濾常數(shù)有哪幾個？各與哪些因素有關(guān)？在什么條件下才成為常數(shù)？4-13 最佳過濾周期對誰而言？4-14 作回轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)生產(chǎn)能力的計算時，過濾面積為什么用A而不用？該機(jī)的濾餅厚度是否與生產(chǎn)能力成正比？4-15 強(qiáng)化過濾速率的措施有哪些？（三）練習(xí)題沉降4-1 試求直徑30m的球形石英粒子在20水中與20空氣中的沉降速度各為多少?石英的密度為 2600kg/m3。答：7.8610-4m/s，0.07m/s4-2 密度為2000kg/m3的球形顆粒，在60空氣中沉降，求服從斯托克斯定律的最大直徑為多少?答：88.8m 4-3 直徑為0.12mm，密度為2300kg/m3的球形顆粒在20水中自由沉降，試計算顆粒由靜止?fàn)顟B(tài)開始至速度達(dá)到99沉降速度所需的時間和沉降的距離。答：8.4310-3s，6.7510-5m 4-4 將20含有球形染料微粒的水溶液置于量簡中靜置1h，然后用吸液管于液面下5cm處吸取少 量試樣。試問可能存在于試樣中的最大微粒直徑是多少m？已知染料的密度是3000kg/m3。答：3.6m4-5 某降塵室長2m、寬1.5m，在常壓、100下處理2700m3/h的含塵氣。設(shè)塵粒為球形，2400kg/m3，氣體的物性與空氣相同。求：(1)可被100除下的最小顆粒直徑； (2)直徑0.05mm的 顆粒有百分之幾能被除去?答：(1)64.7 m；(2)60 4-6 懸浮液中含有A、B兩種顆粒，其密度與粒徑分布為：A1900kg/m3，dA0.10.3mm；B1350kg/m3，dB0.10.15mm。若用1000kg/m3的液體在垂直管中將上述懸浮液分級，問是否可將A、B兩種顆粒完全分開?設(shè)顆粒沉降均在斯托克斯定律區(qū)。答：A、B可完全分開4-7 試證為與沉降速度無關(guān)的無量綱數(shù)據(jù)，且當(dāng)小于何值時則沉降是在斯托克斯定 律區(qū)的范圍以內(nèi)?答：48 4-8 下表為某種雇化劑粒度分布及使用某種旋風(fēng)分離器時每一粒度范圍的分離效率。試計算該旋風(fēng)分離器的總效率及未分離下而被氣體帶出的顆粒的粒度分布。若進(jìn)旋風(fēng)分離器的氣體中催化劑塵粒的量為18g/m3，含塵氣的流量為1850m3/h，試計算每日損失的催化劑量為多少kg?粒徑 / m5101020204040100質(zhì)量分率0.200.200.300.30粒級效率，0.800.900.951.00 答：0.925，0.53，0.27，0.20，0，59.9kg/d流態(tài)化 4-9 在內(nèi)徑為1.2m的丙烯腈硫化床反應(yīng)器中，堆放了3.62t磷鉬酸鉍催化劑，其顆粒密度為1100kgm3，堆積高度為5m，流化后床層高度為10m。試求，(1)固定床空隙率；(2)流化床空隙率；(3)流化床的壓降。答：(1) 0.42；(2) 0.71；(3) 3.14104Pa4-10 試用動量守恒定律證明流體通過流化床的壓降。(式中，m為顆粒質(zhì)量；p和分別為顆粒與流體的密度)。答：略 4-11 某圓筒形流化床上部設(shè)一擴(kuò)大段，為保證氣體夾帶出反應(yīng)器之催化劑塵粒不大于55m，則流化床擴(kuò)大段的直徑為多少? 已知：催化劑密度1300kg/m3，氣體密度1.54kg/m3，黏度0.0137mPas，流化床床層直徑為2m，操作氣速為0.3m/s。答：2.77m4-12 試用歐根方程及沉降速度計算式，證明叢對小顆粒為91.6，對大顆粒為8.6l。 提示：對小顆粒，歐根方程中的慣性項可忽略，且，對于大顆粒，歐根方程中的粘性項可忽略，且。答：略固定床壓降 4-13 某種圓柱形顆粒催化劑其直徑為dp，高為h，試求等體積的當(dāng)量直徑de及球形度。 現(xiàn)有hdp4mm的顆粒，填充在內(nèi)徑為1m的圓筒形容器內(nèi)，填充高度為1.5m，床層空隙率為0.43。若在20、101.3kPa下使360m3/h的空氣通過床層，試估算床層壓降為多少? 答：，222.7Pa 4-14 用20、101.3kPa空氣通過某固定床脫硫器，測得如下數(shù)據(jù)： 空塔氣速 03m/s， 單位床層高度的壓降 220Pa/m； 0.8m/s， 1270 Pa/m。 試?yán)脷W根公式估計甲烷在30、0.7MPa下以空塔氣速0.4m/s通過床層時，單位床層高度的玨降為多少？已知在操作條件下甲烷物性：0.012mPas；4.50kg/m3。 答：1084Pa/m 過濾物料衡算 4-15 某板框壓濾機(jī)共有20只濾框，框的尺寸為0.45mX0.45mX0.025m，用以過濾某種水懸浮液，每1m3懸浮液中帶有固體0.016m3，濾餅中含水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50。試求濾框被濾餅完全充滿時，過濾所得的濾液量(m3)。已知固體顆粒的密度p1500kg/m3，水1000kg/m3。 答：2.424m3 過濾設(shè)計計算4-16 在恒壓下對某種濾漿進(jìn)行過濾實驗，測得如下數(shù)據(jù)：濾液量/m30.100.200.300.40過濾時間/s38115228380 過濾面積為1m2，求過濾常數(shù)K及qe。答：5.26X10-4m2/s，0.05m3/m2 4-17 某生產(chǎn)過程每年欲得濾液3800m3，年工作時間5000h，采用間歇式過濾機(jī)，在恒壓下每一操作周期為2.5h，其中過濾時間為1.5h，將懸浮液在同樣操作條件下測得過濾常數(shù)K= 4X10-6m2/s，qe2.5X10-2m3/m2。濾餅不洗滌，試求：(1)所需過濾面積，m2；(2)今有過濾面積為8m2的過濾機(jī)，需要幾臺？答：(1)15.3m3；(2)2臺 4-18 葉濾機(jī)在恒定壓差下操作，過濾時間為，卸渣等輔助時間D。濾餅不洗滌。試證：當(dāng)過濾時間滿足時，葉濾機(jī)的生產(chǎn)能力達(dá)最大值。 答：略 過濾操作型計算 4-19 在恒壓下對某種懸浮液進(jìn)行過濾，過濾10min得濾液4L。再過濾10min又得濾液2L。如果繼續(xù)過濾10min，可再得濾液多少升?答：1.5L 4-20 某壓濾機(jī)先在恒速下過濾10min，得濾液5L。此后即維持此最高壓強(qiáng)不變，作恒壓過濾。恒壓過濾時間為60min，又可得濾液多少升？設(shè)過濾介質(zhì)阻力可忽略不計。 答：13L 4-21 有一葉濾機(jī)，自始至終在恒壓下過濾某種水懸浮液時，得過濾方程q2+20q250(q單位為L/m2；單位為min)。在