江苏某大学《化工原理》教学第3章机械分离课件

11.混合物的分类 均相物系（空气，N2、H2、O2）混合物 气态非均相物系空气+尘土 非均相物系 液态非均相物系水+尘土分散相（分散物质）：处于分散状态的物质。连续相（分散介质）：包围着分散物质而处于连续状态的流体。在日常生活中，水泥厂上空总是粉尘飞扬，火力发电厂的烟囱时不时也是黑烟滚滚，这些就是污染环境的含粉尘气体。如何去除排放气体中的粉尘呢？这就是本章要解决的非均相物系分离的问题。第第第第3 3章章章章 机械分离机械分离机械分离机械分离11.混合物的分类混合物的分类均相物系（空气，均相物系（空气，N2、H2、O222.非均相混合物的分离方法 沉降分离-颗粒相对于流体(静止或运动)运动而实现悬浮 物系分离的过程.在重力场中，颗粒自上而下运动称 为重力沉降。在离心力场中，颗粒自旋转中心向外 沿运动称为离心沉降。过滤-流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过 程。湿法净制-“洗涤”气体。静电除尘-高压直流电场中，带电粒子定向运动，聚集分 离。机械分离22.非均相混合物的分离方法非均相混合物的分离方法沉降分离沉降分离3.1 颗粒沉降运动 在化工生产中经常碰到固体颗粒和流体组成的混合体系,一般流体为连续相,固体为分散相。在此物系中,只要固体颗粒的密度大于流体的密度,固体颗粒就要相对于流体而运动；同样在离心力的作用下,颗粒在离心力方向作相对运动。颗粒一旦沉淀,那么颗粒与流体之间发生相对运动,情况有以下几种:颗粒静止,流体绕过流动(如固定床反应器)流体静止,颗粒作沉降运动(悬浊液的静置)两者都有一定的速度运动（固体颗粒的流体输送）3.14 3.1.1 流体绕过颗粒的流动 当流体以一定速度绕过颗粒流动时，流体与颗粒之间产生一对大小相等、方向相反的作用力，将流体作用于颗粒上的力称为曳力，而将颗粒作用于流体上的力称为阻力。一、颗粒的特性一、颗粒的特性描述一个颗粒至少要有3个参数:密度、大小、形状。1.球形颗粒密度体积表面积43.1.1流体绕过颗粒的流动密度体积表面流体绕过颗粒的流动密度体积表面2.非球形颗粒非球形颗粒 大小大小:当量直径体积相等的当量直径:用与非圆球形颗粒体积相等的圆球形颗粒的直径来表示。(Vp非球形颗粒体积)m：颗粒的质量比表面积2.非球形颗粒比表面积非球形颗粒比表面积比表面积相等的当量直径:用与非圆球形颗粒比表面积相等 的圆球形颗粒的直径来表示。比表面积 a=颗粒的表面积/颗粒的体积 (m-1)(也有用颗粒的表面/颗粒的质量来表示比表面积的)非球 比表面积相等的当量直径比表面积相等的当量直径:用与非圆球形颗粒比表面积相等用与非圆球形颗粒比表面积相等表面积相等的的当量直径:与非圆球形颗粒表面积相等的圆球形颗粒的直径来表示。显然，这三个当量直径的基准不同,所以数值也不同,应注意。表面积相等的的当量直径表面积相等的的当量直径:与非圆球形颗粒表面积相等的圆球形颗粒与非圆球形颗粒表面积相等的圆球形颗粒形状形状:球形度 球形度:体积相同的球的表面积与非球的表面之比。(由几何知识可知,体积相等时,球的表面积最小。)非球形颗粒而言，1。球形颗粒，=1。形状形状:球形度球形度9二、曳力二、曳力流体以均匀速度u绕过一静止的颗粒运动,流体作用于任一面A上的力:与表面相切的力,剪力；与表面垂直的力，压力。任取微元面积dA,dA上所受的力:剪力dA；压力pdA。设压力与流体流动方向的夹角为，则剪力dA在流动方向上的分力为:dASin如沿整个颗粒表面积分,得该颗粒在流动方向上受的剪应力:AdASin表面曳力(如流体不运动,则为0)9二、曳力二、曳力10 同理压力pdA在流动方向上的分力为:pdACos如沿整个颗粒的表面积分ApdACos形体曳力1011 如颗粒不运动,表面曳力和形体曳力均不存在。当颗粒与流体作相对运动时,流体作用于固体颗粒的总曳力为:Fd=ApdACos+AdASin形体曳力表面曳力主要取决于颗主要由颗粒表面粒的形状和位向积的大小决定影响Fd的因素很多,最简单的情况是流速较小,且是圆球颗粒，Fd=3duFd/3为表面曳力,2Fd/3为形体曳力。d:颗粒直径u:流体流速 11如颗粒不运动如颗粒不运动,表面曳力和形体曳力均不存在。表面曳力和形体曳力均不存在。12 上式称斯托克斯(Stokes)定律,流速较高时,此式不成立。因此，对一般流动条件下的球形颗粒及其他形状的颗粒，Fd的数值尚需通过实验解决。三、曳力系数（三、曳力系数（）流体沿一定方位绕过形状一定的颗粒时，影响曳力的因素可表示为：Fd=f(du)经因次分析:12上式称斯托克斯上式称斯托克斯(Stokes)定律定律,流速较高时流速较高时,此此13=:称为曳力系数 13=:称为曳力系数称为曳力系数可查P108图3-3,也可用公式计算(=1)可查可查P108图图3-3,也可用公式计算也可用公式计算(=1)Ret2,称斯托克斯区=24/RetFdu=64/ReHfu2Ret500,称阿仑区=18.5/Ret0.6FDu1.4=0.3164/Re0.25Hfu1.75500Ret2105,称牛顿区0.44FDu2高度湍流Hfu2注意Ret中d如不是球形颗粒时用体积相等的当量直径dev代。Ret0.01时，就显出器壁的影响，使沉降速度减小。24四、其他因素对沉降速度的影响四、其他因素对沉降速度的影响25分子运动当颗粒直径小到可与流体分子的平均自由程相比拟时（如1m以下），颗粒作不定向和随机性运动，它们可穿过流体分子的间隙，使沉降速度小于斯托克斯定律计算的数值。另一方面，细颗粒的沉降将受流体分子碰撞的影响，当颗粒直径小于0.1m时，布朗运动的影响起主要作用，难以用重力沉降法除去流体中的颗粒。非球形颗粒球形度影响颗粒的沉降速度。当Ret相同时，颗粒的球形度越小，其沉降速度也越小。25分子运动分子运动26 3.1.3重力沉降设备 根据作用于颗粒上的外力的不一同,沉降设备分为:重力沉降设备和离心沉降设备。利用重力沉降分离气-固非均相混合物时，称为降尘室；分离液-固非均相混合物时，称为沉降槽。基本特征：体积大。一、降尘室作用：分离气体中的尘粒。操作：在气体从降尘室入口流向出口的过程中，气体中的颗粒随气体向出口流动，同时向下沉降。如颗粒在到达降尘室出口前已沉到室底的集尘斗内，则颗粒从气体中分离出来，否则将被气体带出。26降尘室是一个大空箱，含尘气体从一端进入，以流速u水平通过降尘室，尘埃以自由沉降速度ut 向室底沉降，只要能保证气体在室内停留时间足够长，以便颗粒达到室底面，便能在出口得到净化的气体。集尘斗气体入口气体出口降尘室含尘气体净化气体颗粒降尘室操作示意图uut降尘室是一个大空箱，含尘气体从一端进入，以降尘室是一个大空箱，含尘气体从一端进入，以 假设降尘室的底面积和高分别用A、H表示。气体在降尘室的水平通过速度为u,m/s,降尘室的生产能力(含尘气体在室内的体积流量)为Vs,m3/s。气体通过降尘室时间为：位于降尘室最高点颗粒沉到室底所需时间：颗粒在降尘室中能被分离下来的条件为：tVsAutVs假设降尘室的底面积和高分别用假设降尘室的底面积和高分别用A、H表示。表示。为什么降尘室多做成扁平状？理论上降尘室的生产能力只与降尘室的长度、宽度及沉降速度ut有关，与降尘室高度无关。因此不必将设备做得太高。所以降尘室一般采用扁平的几何形状，也可在室内加多层隔板，形成多层降尘室。常用的隔板间距为40-100mm。为了增大Vs,可装隔板,加n块,面积变为(n+1)倍。设在斯托克斯区为什么降尘室多做成扁平状？为什么降尘室多做成扁平状？dpdpmin的己除去,可见要使除去颗粒的d小,Vs要小,A要大。多层降沉室清洁气流含尘气流挡板隔板dpdpmin的己除去的己除去,可见要使除去颗粒的可见要使除去颗粒的d小小,V 降尘室特点：结构简单，流动阻力小，但体积庞大，分离效率低，一般作预除尘用,适用于除去粒度50m的粗颗粒。注意：a.设计时颗粒直径的选择：以上分析是基于颗粒在降尘室顶端能被分离的条件，显然，在此条件下，处于其他位置的同直径颗粒也都能被除去。由于所处理的气体中粉尘颗粒的大小不均，因此，作设计时应以所需分离的最小颗粒直径为基准。降尘室特点：结构简单，流动阻力小，但体积庞大，降尘室特点：结构简单，流动阻力小，但体积庞大，b.气体速度的选择：降尘室中的气体流速不能过高，应保证气体流动的雷诺数处于层流区，防止将已沉降下来的颗粒重新卷起。一般降尘室内气体速度应不大于3m/s，具体数值应根据要求除去的颗粒大小而定，对于易扬起的粉尘（如淀粉、炭黑等），气体速度应低于1m/s。b.气体速度的选择：降尘室中的气体流速不能过高，气体速度的选择：降尘室中的气体流速不能过高，降尘室动画降尘室动画降尘室动画二、沉降槽（增稠器）分离悬浮液，在中心距液面下0.31m处连续加料，清液往上走，稠液往下走，锥形底部有一缓慢旋转的齿耙把沉渣慢慢移至下部中心，稠浆从底部出口出去。（内部沉降分为上部自由沉降和下部干扰沉降）。二、沉降槽（增稠器）二、沉降槽（增稠器）大的增稠器直径可达10100m，深2.54m(为什么？）。它一般用于大流量、低浓度悬浮液的处理，常见的污水处理就是一例。增稠器动画增稠器动画增稠器动画 三、分级器三、分级器利用不同粒径或不同密度的颗粒在流体中的沉降速度不同这一原理来实现它们分离的设备称为分级器分级器。将沉降速度不同的两种颗粒倾倒到向上流动的水流中，若水的速度调整到在两者的沉降速度之间，则沉降速度较小的那部分颗粒便被漂走分出。若有密度不同的a、b两种颗粒要分离，且两种颗粒的直径范围都很大，则由于密度大而直径小的颗粒与密度小而直径大的颗粒可能具有相同的沉降速度，使两者不能完全分离。三、分级器三、分级器上式表明，不同直径的颗粒因为密度不同而具有相同的沉降速度，该式代表了具有相同沉降速度的两种颗粒的直径比。上式表明，不同直径的颗粒因为密度不同而具上式表明，不同直径的颗粒因为密度不同而具江苏某大学化工原理教学第江苏某大学化工原理教学第3章机械分离课件章机械分离课件 3.1.4离心沉降 一、离心分离因数 对于两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系，可利用颗粒作圆周运动时的离心力以加快沉降过程。定义同一颗粒所受的离心力与重力之比为离心分离因数离心分离因数 式中为流体和颗粒的切线速度，m/s；R为旋转半径m；为旋转角速度，。Kc数值的大小是反映离心分离设备性能的重要指标。若Kc=1000，则说明同一颗粒在离心力场中受到的离心力是在重力场中受到的重力的1000倍，当然大大加快沉降分离过程。3.1.4离心沉降离心沉降一、离心分离因数一、离心分离因数41二、离心沉降速度只要把前面公式中的g用R2代替就行了。R2称为离心加速度。如在斯托克斯区：41二、离心沉降速度二、离心沉降速度3.1.5离心沉降设备离心沉降设备既可分离液体中含固体颗粒,也可分离气体中含的固体颗粒或气体中含的液滴。一、旋风分离器旋风分离器在工业上应用已有近百年的历史，具有结构简单、造价低廉、操作方便、分离效率高等特点，目前仍是工业上常用的分离和除尘设备。43(1)基本结构主要由进气管、上圆筒、下部的圆锥筒、中央升气管等组成。4344(2)操作原理旋风分离器是利用离心沉降原理从气流中分离出颗粒的设备。上部为圆筒形、下部为圆锥形；含尘气体从圆筒上侧的矩形进气管以切线方向进入，藉此来获得器内的旋转运动。气体在器内按螺旋形路线向器底旋转，到达底部后折而向上，成为内层的上旋的气流，称为气芯，然后从顶部的中央排气管排出。气体中所夹带的尘粒在随气流旋转的过程中，由于密度较大，受离心力的作用逐渐沉降到器壁，碰到器壁后落下，滑向出灰口。44(2)操作原理操作原理45动画旋风分离器45动画旋风分离器动画旋风分离器46(3)旋风分离器性能指标评价旋风分离器性能好坏的指标主要有三项。i.临界直径旋风分离器能够完全分离出来的最小颗粒直径称为临界直径。临界直径是评价旋风分离器分离效率高低的重要依据。:气体的粘度；s:固体颗粒的密度；B:进口管道的宽度；Ne:一般0.5-3.0,对于标准旋风分离器为5；ui:气体进口速度。46(3)旋风分离器性能指标旋风分离器性能指标47 ii.分离效率(包括总效率和粒级效率）总效率：即进入旋风分离器的全部粉尘能被分离出来的粉尘质量分率。C进、C出分别为旋风分离器入口和出口中的总含尘量g/m3。总效率是工程上最常用的，也是最容易测定的分离效率。此表示法的最大缺点是不能表明旋风分离器对各种尺寸颗粒的不同分离效果。47ii.分离效率分离效率(包括总效率和粒级效率）包括总效率和粒级效率）粒级效率：是按颗粒的大小分别表示某一尺寸的颗粒被分离的效率。Ci进、Ci出分别为进出旋风分离器气体中粒径为di的颗粒的质量浓度g/m3。粒级效率：是按颗粒的大小分别表示某一尺寸的颗粒粒级效率：是按颗粒的大小分别表示某一尺寸的颗粒49 0与i的关系:0=ixixi:进料中直径为di的颗粒的质量分率。设含dpA、dpB,CA入、CB入的气流,出口的浓度为CA出、CB出C入=CA入+CB入(1)C出=CA出+CB出(2)(1)-(2)C入-C出=(CA入-CA出)+(CB入-CB出)C入(C入-C出)/C入=CA入(CA入-CA出)/CA入+CB入(CB入-CB出)/CB入0=(C入-C出)/C入=ACA入/C入+BCB入/C入=AxA+BxB490与与i的关系的关系:50 有时也把旋风分离器的分级效率标绘成粒径比的函数曲线，d50是分级效率恰为50%的颗粒直径，称为分割粒径(d50)。下图为标准旋风分离器的曲线，对于同一形式且尺寸及比例相同的旋风分离器，无论大小，皆可通用同一条曲线。D:旋风分离器的直径50有时也把旋风分离器的分级效率标绘成粒径比的函数曲线有时也把旋风分离器的分级效率标绘成粒径比的函数曲线51iii.旋风分离器的压强降压强降是评价旋风分离器性能好坏的重要指标。当气体流经旋风分离器时，由于进气管、排气管及主体器壁所引起的摩擦阻力、气体流动时的局部阻力及气体旋转运动所产生的动能损失等，造成大量的能量消耗。这种能量的损失可用下式表示：式中ui为进口气速，为阻力系数。与旋风分离器的结构和尺寸有关，对于同一结构形式及比例相同的旋风分离器，为常数。标准型旋风分离器阻力系数=8.0。通常旋风分离器的阻力大约为5002000Pa。51iii.旋风分离器的压强降旋风分离器的压强降压强降是评价旋风分离器性能压强降是评价旋风分离器性能52 旋风分离器的内旋气流在底部旋转上升时，会在锥底成升力。即使在常压下操作，出口气体直接排入大气，也会在锥底造成显著的负压。如果锥底集尘室密封不良，少量空气串入器内将使分离效率严重下降。故出灰口的密封问题非常重要。52旋风分离器的内旋气流在底部旋转上升时，会在锥底成旋风分离器的内旋气流在底部旋转上升时，会在锥底成53（4）旋风分离器的进气口方向进气口方向:切向进口、倾斜螺旋面进口、蜗壳形进口。切向进口B倾斜螺旋面进口蜗壳形进口方式简单，使用较多有利于流体产生向下的螺旋运动，但其结构较为复杂，设计制造都不太方便，已较少使用可减小气体对筒体内气流的冲击干扰，有利于颗粒的沉降，加工制造也较为方便，是一种较好的进口方式53（4）旋风分离器的进气口方向）旋风分离器的进气口方向切向进口切向进口B倾斜螺旋倾斜螺旋54（5）旋风分离器的常用型式标准型、CLT/A型、CLP型、扩散式等。标准型:结构简单、容易制造、处理量大；适用于捕集密度大且颗粒尺寸大的粉尘。尺寸：圆柱筒直径：D(主要尺寸)进口管：高A宽B排气口直径：D1 标准型旋风分离器54（5）旋风分离器的常用型式）旋风分离器的常用型式标准标准55 旋风分离器的构造简单，没有运动部件（设备不动，离心力是由切线进入的气流产生旋转运动造成的），操作不受温度、压强的限制。一般其分离因数5-2500，可分离气体中5-7m直径的粒子。dp75m用降尘室分离（经济），0.1mdp5m可用袋式除尘器，dp5m用电除尘器。55旋风分离器的构造简单，没有运动部件（设备不动，离旋风分离器的构造简单，没有运动部件（设备不动，离 二、旋液分离器旋液分离器又称水力旋流器，是利用离心沉降原理从悬浮液中分离固体颗粒的设备。二、二、旋液分离器旋液分离器57结构工作原理D2出口、底流-增浓液；D1出口、溢流-清液或含微细颗粒的液体；结构特点直径D小，圆锥部分H长。57结构结构三、离心机 利用惯性离心力分离非均相混合物的机械，除了旋风（液）分离器外，更重要的的是离心机。离心机分离的混合物中至少有一种是液体，即为悬浮液或乳浊液。它与旋风（液）分离器的主要区别在于离心机是由设备（转鼓）本身旋转产生的离心力，而旋风（液）分离器则是由被分离的混合物以切线方向进入设备而引起。离心机的主要部件是一个载着物料以高速旋转的转鼓，产生的应力很大。离心机由于可产生很大的离心力，故可以分离出用一般过滤方法不能除去的小颗粒，又可以分离包含两种密度不同的液体的混合物。离心机的分离因数也很大，例如悬浮液体过滤三、离心机三、离心机方法处理若需1小时，用离心分离只需几分钟，而且可以得到比较干的固体渣。离心机转鼓直径越大、转速越大，离心力就越大，分离因数越大。离心机按离心分离因素的大小可分为：常速(Kc50000)。方法处理若需方法处理若需1小时，用离心分离只需几分钟，而且可以得到比较小时，用离心分离只需几分钟，而且可以得到比较 根据分离方式，离心机 过滤式离心机：鼓壁上开孔，覆以滤布，悬浮液注入其中随之旋转。液体受离心力后穿过滤布及鼓壁上的小孔排出，而固体颗粒则截留在滤布上。（三足离心机）过滤式离心机沉降式离心机根据分离方式，离心机过滤式离心机沉降式离心机根据分离方式，离心机过滤式离心机沉降式离心机 沉降式离心机：鼓壁上无孔，悬浮液中颗粒直径很小而浓度不大，则沉降到鼓壁上到一定厚度之后将其取出，清夜则常从鼓的上方的开口溢流而出。（转鼓式离心机）沉降式离心机：鼓壁上无孔，沉降式离心机：鼓壁上无孔，62碟式分离机结构:如图用途:分离乳浊液和从液体中分离少量极细的固体颗粒，广泛用于润滑油脱水、牛乳脱脂、饮料澄清等。62碟式分离机碟式分离机63管式高速离心机性能：产生高强度离心力场的离心机，很高的分离因数(15000-60000)。用途：分离普通离心机难以分离的物料(分离乳浊液及含有稀薄微细颗粒的悬浮液)。特点：生产能力小。63管式高速离心机管式高速离心机64气体的其他净化方法1)惯性分离器原理：利用气体与颗粒密度不同的性质，在气体的流动路径上设置挡板以使气体在流动时发生突然的转向，由于颗粒的惯性大，不易改变流动方向，因而可从气体中分离出来。适用：从气体中分离出固体颗粒或液滴。优点：结构简单、阻力小。缺点：分离效率不高，用作预除尘。64气体的其他净化方法气体的其他净化方法65挡板尘灰 惯性分离器组说明：颗粒的直径及密度越大、气体转折的曲率半 径越小，则除尘效果越好。65挡板尘灰挡板尘灰惯性分离器组说明：颗粒的直径惯性分离器组说明：颗粒的直径662)电除尘器原理：在放电电极周围产生电离圈，气体通过电离区时发生电离，电离产生的正负离子在向两极运动过程中撞击粉尘粒子，使尘粒带上电荷被两极吸引而从气体中分离出去。优点：有效地捕集0.1m甚至更小的烟尘或雾滴，分离效率可高达99.99%；阻力小、气体处理量大。缺点：设备费和运转费均较高、安装管理要求严格。662)电除尘器电除尘器 3）袋式过滤器动画3）袋式过滤器动画）袋式过滤器动画固定床固定床u uu uu ut3.4流体通过颗粒床层的流动u固定床固定床uut3.4流体流体重要性(1)流固相反应固体颗粒与气体反应,气固相催化反应等。一般都是固体颗粒堆积在反应器中,气体自上向下通过床层,颗粒静止不动,这样的反应器称固定床反应器。例如二氧化硫的催化氧化；水煤气的制备等。(2)在化工生产中,为了改善传质、传热的效果,塔中装有固体颗粒(填料),流体通过,进行传、传热,这样的塔称填料塔。用于净化流体,制取产品。例如碳酸钾溶液吸收二氧化碳,氨水吸收尾气中的二氧化硫等。(3)过滤所有这些都是流体通过固体颗粒堆积形成的床层。那么流体通过颗粒床层有哪些规律？重要性重要性 3.2.1颗粒床层的特性 一、床层空隙率()固定床层中颗粒堆积的疏密程度可用空隙率来表示，其定义如下：的大小反映了床层颗粒的紧密程度,对流体流动的阻力有极大的影响。3.影响的因素与有关,越大,越小。与颗粒大小分布有关,di分布越均匀,越大。装填方式:湿法充填,大。振动充填,小。干法充填,大。堆积密度b=(1-)(2)床层的各向同性如果颗粒很小,但塔径很大,则颗粒的定向是随机的,从而可以认为床层在各个方向上性质是相同的。特点:床层截面上可供流体通过的空隙面积与床层截面积之比在数值上等于。影响影响的因素的因素 空隙面积的分率：实际上,靠近塔壁的大,阻力小,流体在塔壁处的流速大于中间的,即壁壁效应效应。这对传热、传质、化学反应均不利,应克服。一般加中间再分布器。空隙面积的分率：空隙面积的分率：(3)床层的比表面积(床层的比表面积):单位床层体积具有颗粒的表面积。如果忽略了颗粒相互接触而损失的面积,则可这样推导:设床层体积为V,空隙率为,且有n个颗粒,每个颗粒的面积为A则又因为nV颗=(1-)V故由(1)、(2)(3)床层的比表面积床层的比表面积3.2.2流体通过固定床的阻力 流体通过固定床的流动十分复杂,其阻力（压降）从理论上很难计算。现在介绍一种方法数学模型法。一、数学模型法床层的简化物理模型流体通过颗粒床层为爬流,单位体积床层所具有的表面积对流动阻力起决定决用。为解决流体通过床层的压降,可保证单位体积提供的表面相等的前提下,流体通过颗粒床层的流动可以大大简化,即把它看作有规律地通过长度为le的一组平行的毛细管的流动,并规定：所有毛细管的内表积等于床层颗粒的全部表面积所有毛细管的流动空间等于颗粒床层的全部空隙的容积3.2.2流体通过固定床的阻力流体通过固定床的阻力流体通过固定床的流动十流体通过固定床的流动十 实际床层实际床层 简化模型简化模型 实际床层实际床层江苏某大学化工原理教学第江苏某大学化工原理教学第3章机械分离课件章机械分离课件流体压降的数学模型这样就相当于流体在直径为de长度为le的圆形管道中流动了。u1流体在细管中的流速,称实际流速,与u的关系为:将代入(1)得流体压降的数学模型将代入流体压降的数学模型将代入(1)得得显然le不等于L流体通过固定床压降的数学模型令显然显然le不等于不等于L令令模型的检验及模型参数的估计上述方程是否正确,必须检验,也须由实验测定。康采尼对此进行了大量的实验研究:K:康采尼常数(3)代入(2)称康采尼方程Re为床层的雷诺准数Re 2时模型的检验及模型参数的估计模型的检验及模型参数的估计Re2时时欧根也进行了大量研究:当1/6Re420时(5)代入(2)a用直径来表示:称欧根方程可简化Re3(细颗粒),第二项可略。Re100(粗颗粒),第一项可略。欧根也进行了大量研究欧根也进行了大量研究:讨论影响p/L的因素操作变量u可见,u越大,p越大。流体物性温度一定,、一定。显然,、越大,p也越大。床层特性、a。尤其与p的关系十分密切。如由0.5变为0.4,由康采尼方程知p将增加2.8倍。讨论讨论二、因次分析法和数学模型法的比较步骤的比较成败关键的比较实验目的的比较二、因次分析法和数学模型法的比较二、因次分析法和数学模型法的比较 3.2.3过滤一、概述过滤是固液两相分离最常用的方法,它是利用重力或压差使悬浮液通过某种多孔性的过滤介质,固体颗粒被截留,液体则穿过介质,从而达到分离目的。过滤术语：过滤操作所处理的悬浮液称为滤浆；所用的多孔物质称为过滤介质（当过滤介质是织物时，也称为滤布)；通过介质孔道的液体称为滤液；被截留的物质称为滤饼或滤渣。3.2.3过滤一、概述过滤一、概述滤液过滤介质滤饼滤浆动画过滤原理滤液过滤介质滤饼滤浆动画过滤原理滤液过滤介质滤饼滤浆动画过滤原理(1)两种过滤方式滤饼（表面）过滤过滤时悬浮液置于过滤介质的一侧。过滤介质常用多孔织物，其网孔尺寸未必一定须小于被截留的颗粒直径。在过滤操作开始阶段，会有部分颗粒进入过滤介质网孔中发生架桥现象，也有少量颗粒穿过介质而混在滤液中。随着滤渣的逐步堆积，在介质上形成一个渣层，称为滤饼。不断增厚的滤饼才是真正有效的过滤介质，而穿过滤饼的液体则变为清净的滤液。通常，在操作开始阶段所得到滤液是浑浊的，须经过滤饼形成之后返回重滤。(1)两种过滤方式两种过滤方式“架桥”现象 动画“架桥架桥”现象现象动画动画深层过滤 颗粒尺寸比介质孔道小的多，孔道弯曲细长，颗粒进入孔道后容易被截留。同时由于流体流过时所引起的挤压和冲撞作用，颗粒紧附在孔道的壁面上。介质表面无滤饼形成，过滤是在介质内部进行的。此法适合于从液体中除去很小量颗粒的悬浮液。深层过滤深层过滤(2)过滤介质基本要求：适宜的孔径、滤阻小，同时因过滤介质是滤饼的支承物，应具有足够的机械强度和耐腐蚀性。织物介质：即棉、毛、麻或各种合成材料制成的织物，也称为滤布。粒状堆积介质：细纱、木炭、石棉等。多孔性固体介质（一般要能够再生的才行）：多孔陶瓷、多孔塑料、多孔玻璃等。过滤推动力:可以是重力、离心力或压力差。重力较小，重力过滤用于过滤阻力较小的场合。压差具有可调性，常用压差作推动力。(2)过滤介质过滤介质(3)滤饼的压缩性和助滤剂 滤饼是由截留下的固体颗粒堆积而成的床层，随着操作过程的进行，滤饼的厚度和流动阻力都逐渐增加。滤饼按是否可压缩分为两类：i.不可压缩滤饼：滤饼是不易变形的坚硬固体（如碳酸钙、硅藻土），当滤饼两侧压差增大时，颗粒形状和颗粒间的孔隙率不变，单位厚度床层的流动阻力可视作恒定。ii.可压缩滤饼：空隙结构易变形的滤饼为可压缩滤饼。当滤饼两侧压差增大，颗粒形状有明显的改变，孔隙率降低，单位厚度床层的流动阻力随压差增大而增大。(3)滤饼的压缩性和助滤剂滤饼的压缩性和助滤剂 希望是前者。为此,可采用某种助滤剂以改变滤饼结构,增加其刚性及强度。助滤剂：是不可压缩的粉状或纤维状固体，如硅藻土、纤维粉末、活性炭、石棉。使用时，一般可将助滤剂加入待滤的悬浮物中一起过滤,也可先把只含有助滤剂的悬浮物先进行过滤。助滤剂可改善过滤操作，加快过滤速率。注意：当滤饼是产品时不能使用助滤剂。希望是前者。为此希望是前者。为此,可采用某种助滤剂以改变滤饼结构可采用某种助滤剂以改变滤饼结构,(4)过滤速度设过滤面积为A,过滤时间时获得的滤液量为V,则过滤速度u定义为单位时间单位面积上所得滤液的体积。即q=V/A单位过滤面积上所得到滤液的体积(m3/m2)u可通过物料衡算求出来。(4)过滤速度过滤速度二、过滤过程的物料衡算表示悬浮液含固量的方法有两种:质量分数W(kg固/kg悬)体积分数(m3固/m3悬)取1kg悬浮液,流体密度,固体密度s。二、过滤过程的物料衡算二、过滤过程的物料衡算对总悬浮液体积和固体进行物料衡算:V悬=V+LAV悬=LA(1-)则V:滤液体积LA:滤饼体积可见,如V增大,则LA增大;如增大,则LA增大;如增大,则LA增大。滤饼厚度L与累计滤液量成正比。对总悬浮液体积和固体进行物料衡算对总悬浮液体积和固体进行物料衡算:三、过滤基本方程(过滤速率的计算)由于流体通过滤饼的流动形态为爬流,Re较小,Re2,故可用康采尼公式计算其压降:康采尼方程写成过滤速度写成过滤速率三、过滤基本方程三、过滤基本方程(过滤速率的计算过滤速率的计算)写成过滤速度写成过滤速率写成过滤速度写成过滤速率令 称滤饼的比阻（1/m2）,显然,对于一定的颗粒,r为定值。令令 在过滤过程中,滤液还要通过过滤介质,当然也存在阻力,其速度可仿3-61 式：江苏某大学化工原理教学第江苏某大学化工原理教学第3章机械分离课件章机械分离课件p滤饼=p1-p2p介质=p2-p3 p1p2p3p滤饼滤饼=p1-p2p介质介质=p2-p3p1p2 设得到1m3滤液所形成滤饼的体积为vm3,则滤饼高度L与滤液体积V之间的关系为：LA=vV同理形成高度为Le的滤饼得到的滤液体积Ve,则Ve:过滤介质的当量滤液体积设得到设得到1m3滤液所形成滤饼的体积为滤液所形成滤饼的体积为vm3,则滤则滤即 是滤饼的特性,显然与p=p1-p3有关。r、s均为实验测定的常数。s称压缩指数,s=0,则滤饼不可压缩。令即即一般s=0.20.8。硅藻土s=0.01碳酸钙s=0.19氢氧化铝s=0.9 如写成 形式这两个均是微分方程,对于不同的过滤方式有不同的具体形式。令称过滤常数则过滤速率基本方程则过滤速率基本方程一般一般s=0.20.8。硅藻土。硅藻土s=0.01碳酸钙碳酸钙s=四、过滤时间与滤液量的关系 随着过滤的进行，滤液量不断增加，滤饼层的厚度会不断增大，故过滤阻力也不断增大。若维持过滤压差不变，那么过滤速度就会不断下降，若要维持过滤速度不变，就要不断增大过滤压差。在过滤计算中，将前一种操作方式称为恒压过滤，后一种操作方式称为恒速过滤。四、过滤时间与滤液量的关系四、过滤时间与滤液量的关系随着过滤的进行，滤液量随着过滤的进行，滤液量恒速过滤 过滤前后速度不变,改变压差。两式均称恒速过滤方程若过滤介质阻力可以忽略不计,则应注意,K是变化的。即或恒速过滤恒速过滤即或即或恒压过滤:过滤时压差一定,过滤的速度逐渐变小。则为常数过滤时间 滤液体积 0e0Vee+eVeV+Ve恒压过滤恒压过滤:过滤时压差一定过滤时压差一定,过滤的速度逐渐变小。则为常数过滤的速度逐渐变小。则为常数两式积分得：V2e=KA2e(3-73)V2+2VVe=KA2(3-74)(3-73)+(3-74)若过滤介质的阻力可以忽略不计,则Ve=0。可见,V与A成正比,与过滤时间的平方根成正比(3-75)两式积分得：若过滤介质的阻力可以忽略不计两式积分得：若过滤介质的阻力可以忽略不计,则则Ve=0。若用q表示式3-73,3-74,3-75分别为q2e=Ke(3-77)q2+2qqe=K(3-78)(q+qe)2=K(+e)(3-79)(3-75,3-79)两式均称恒压过滤方程若过滤介质的阻力可以忽略不计,则qe=0。q2=K若用若用q表示表示先恒速后恒压过滤这是一种复合操作方式，如果在恒速阶段结束时获得滤液量为VR（qR），相应的过滤时间为R，此后在恒定压差p下进行恒压过滤，若恒压过滤一段时间后得到的累积总滤液量为V（q），累积操作总过滤时间为，则得(V2-VR2)+2Ve(V-VR)=KA2(-R)先恒速后恒压过滤先恒速后恒压过滤或(q2-qR2)+2qe(q-qR)=K(-R)qR与R,VR与R之间则满足恒速过滤方程式或或(q2-qR2)+2qe(q-qR)=K(-五、过滤参数的测定五、过滤参数的测定（1）K、qe和e的测定的测定恒速、恒压过滤方程中均有K、qe和e,K、qe和e应在实验室中测定。一般在恒压下进行实验(变压恒速不容易实现)。恒压过滤方程微分上式或(q+qe)2=K(+e)q2e=Ke 五、过滤参数的测定恒压过滤方程微分上式或五、过滤参数的测定恒压过滤方程微分上式或(q+qe)2=K（2）压缩指数s的测定的测定六、洗涤速率与洗涤时间 不论需要滤饼还是滤液,都希望回收滤渣中残留的滤液或去除滤渣中的可溶性杂质,则在过滤操作结束时用某种液体对滤饼进行洗涤。（2）压缩指数）压缩指数s的测定的测定洗涤速率由于洗涤时滤饼不再增厚,故洗涤速率基本上可以认为是一个常数。洗涤液通过滤饼的通道与过滤终了时滤液的通道相同,洗涤液通过的面积与过滤终了时也相同（与所用的过滤设备结构、洗涤方法有关）,当洗涤与过滤终了时的操作压强相同,洗涤液与滤液的粘度相同则：洗涤速率过滤速率且相等洗涤速率洗涤速率洗涤时间如洗涤液用量为Vw,则洗涤时间w为可见,Vw越少,则w越短。若过滤介质的阻力可以忽略不计,则若是恒压过滤且过滤介质的阻力可忽略不计,则如Vw=V则洗涤时间为过滤时间的2倍。因此Vw不可太多。则洗涤时间则洗涤时间则洗出液浓度变化洗涤的目的洗涤的目的：在某些过滤过程中为了除去滤饼里存留的滤液，或者为了回收滤饼中存留的滤液，在过滤终了时，需要对滤饼进行洗涤。如果滤液为水溶液，一般就用水洗涤。洗出液浓度变化洗出液浓度变化七、过滤设备 工业生产中有专门的过滤设备,称过滤机。过滤机的种类很多,分类方法主要有两种:按产生的压差方式来分：压滤和吸滤设备:叶滤机,板框式压滤机等；离心过滤设备:离心机。按操作方式分：间歇过滤机:叶滤机,板框压滤机等；连续过滤机:回转真空过滤机等。(1)叶滤机i.结构与工作原理叶滤机由许多滤叶组成。滤叶是由金属多孔板或多孔网制造的扁平框架，内有空间，外包滤布，将滤叶装在密闭的机壳内，为滤浆所浸没。滤浆中的液体在压力作用下穿过滤布进入滤叶内部，成为滤液后从其一端排出。过滤完毕，机壳内改充清水，使水循着与滤七、过滤设备七、过滤设备工业生产中有专门的过滤设备工业生产中有专门的过滤设备,称过滤机。过称过滤机。过液相同的路径通过滤饼进行洗涤，故为置换洗置换洗涤涤。最后，滤饼可用振动器使其脱落；或用压缩空气将其吹下；或打开机壳，拔出滤叶除去滤饼。滤叶可以水平放置也可以垂直放置，滤浆可用泵压入也可用真空泵抽入。液相同的路径通过滤饼液相同的路径通过滤饼动画动画动画ii.主要优缺点：叶滤机是间歇操作设备，它具有过滤推动力大，过滤面积大，滤饼洗涤较充分等优点。其生产能力比压滤机大，而且机械化程度高，劳动力较省。缺点是构造较为复杂，造价较高，粒度差别较大的颗粒可能分别聚集于不同的高度，故洗涤不均匀。iii.洗涤时间ii.主要优缺点：主要优缺点：(2)板框式过滤机i.主要结构板框式压滤机由许多块滤板和滤框交替排列组合而成的。滤板和滤框共同支承在两侧的架上并可在架上滑动，用一端的压紧装置将它们压紧。过滤板框洗涤板组合1-2-3-2-1-2-3-2料液通道2钮1钮3钮洗涤液通道洗涤板框非洗涤板(2)板框式过滤机料液通道板框式过滤机料液通道2钮钮1钮钮3钮洗涤液通道洗涤板框非洗钮洗涤液通道洗涤板框非洗江苏某大学化工原理教学第江苏某大学化工原理教学第3章机械分离课件章机械分离课件江苏某大学化工原理教学第江苏某大学化工原理教学第3章机械分离课件章机械分离课件操作示意图动画操作示意图动画操作示意图动画 滤液的排出方式有明流和暗流之分，若滤液经由每块板底部旋塞直接排出，则称为明流明流。若滤液不宜暴露于空气中，则需要将各板流出的滤液汇集于总管后送走，称为暗流暗流。板框过滤机的操作是间歇的，每个操作循环由装合、过滤、洗涤、板框过滤机的操作是间歇的，每个操作循环由装合、过滤、洗涤、卸渣、整理五个阶段组成。卸渣、整理五个阶段组成。过滤时，悬浮液在一定的压力下经滤浆通道由滤框角端的暗孔进过滤时，悬浮液在一定的压力下经滤浆通道由滤框角端的暗孔进入框内，滤液分别穿过两侧滤布，再经邻板板面流至滤液出口排出入框内，滤液分别穿过两侧滤布，再经邻板板面流至滤液出口排出,固体则留在框内，当滤饼充满滤框后，停止过滤。固体则留在框内，当滤饼充满滤框后，停止过滤。若滤饼需要洗涤，将洗涤水压入洗涤水通道，经洗涤板角端的暗若滤饼需要洗涤，将洗涤水压入洗涤水通道，经洗涤板角端的暗孔进入板面与滤布之间，洗涤水在一定压力下穿过一层滤布及整个孔进入板面与滤布之间，洗涤水在一定压力下穿过一层滤布及整个厚度的滤饼，然后再横穿另一层滤布，最后由过滤板下部的滤液出厚度的滤饼，然后再横穿另一层滤布，最后由过滤板下部的滤液出口排出。口排出。滤液的排出方式有明流和暗流之分，若滤液经由每块板底部旋滤液的排出方式有明流和暗流之分，若滤液经由每块板底部旋 板框压滤机的洗涤方法称为横穿洗涤法，其洗涤面积为过滤面积的1/2，洗涤液穿过的滤饼厚度为过滤终了时滤液穿过厚度的2倍。过滤面积为全部滤框面积之和的2倍。洗涤结束，将板框打开，卸出滤饼，清洗滤布，重新装合，洗涤结束，将板框打开，卸出滤饼，清洗滤布，重新装合，进入下一个操作循环。进入下一个操作循环。LL过滤洗涤板框压滤机的洗涤方法称为横穿洗涤法，其洗涤板框压滤机的洗涤方法称为横穿洗涤法，其洗涤BMS20/635-25B:板框过滤机M:明流（A暗流）S:手动压紧（Y液压）20:过滤面积20m2635:框每边长635mm25:框厚25mm若为26个框,过滤面积A=0.6352226m2,滤饼体积（全充满）V=0.63520.02526m3BMS20/635-25ii.主要优缺点板框压滤机构造简单，过滤面积大而占地省，过滤压力高，操作灵活，过滤面积可根据产生任务调节。主要缺点是间歇操作，劳动强度大，生产效率低。iii.洗涤时间ii.主要优缺点主要优缺点式（2）、（3）代入式（1）得式（式（2）、（）、（3）代入式（）代入式（1）得）得 这是过滤实验装置。用小型的板框过滤机，过滤碳酸钙水溶液。通过实验，可以测得在恒压条件下的过滤常数K。这是过滤实验装置。用小型的板框过滤机，过滤碳酸钙水溶这是过滤实验装置。用小型的板框过滤机，过滤碳酸钙水溶八、间歇过滤机的生产能力叶滤机和压滤机都是典型的间歇式过滤设备,每一操作周期所用时间为以下三部分:过滤时间,洗涤时间w,辅助时间DT=+w+D生产能力(单位时间内得到滤液的量)如V对作图得图,即增长,则V增大。在曲线上任一点M,连结OM,则OM直线的斜率即为生产能力。对于一定的w+D,有一最大斜率,即最佳过滤时间opt,在此过滤时间,生产能力Qmax。只要过o点作曲线的切线,切点对应的时间,即为opt。八、间歇过滤机的生产能力八、间歇过滤机的生产能力