第三章机械分离和固体流态化

,第三章、非均相混合物分离及固体流态化,通过本章学习，掌握沉降、过滤、固体流态,化及气力输送等过程的原理、计算方法、典型设,备的结构特性，能够根据生产工艺的要求，合理,选择设备。,学习目的,与要求,第三章 非均相物系的分离和固体流态化,化工生产中，需要将混合物加以分离的情况非常多。,原料需经过分离提纯或净化后才符合加工要求；,从反应器送出的反应产物一般都与尚未反应的原料及副产物混在一起，也要从其中分离出纯度合格的产品及将未反应的原料送回反应器或另行处理。,生产中的废气、废液在排放前，应将其中所含的有害物尽量除去，以减轻环境污染，并有可能将其变为有用之物,混合物,分为两类，即,均相混合物,（物系内部各处均匀且无相界面，如：石油、空气）和,非均相混合物,。,3.1,概述,3.1,概述,物系中存在相界面的混合物就是非均相混合物,非均相混合物,分散相,或分散物质：处于分散状态的物质（如分散在流体中的固体颗粒、液滴、气泡等）,连续相,或分散介质：包围着分散相而处于连续状态的物质（如气态非均相混合物中的气体、液态非均相混合物中的液体）。,非均相混合物,包括：,固体颗粒的混合物,（颗粒间为气体分隔）、由固体颗粒与液体构成的,悬浮液,、由不互溶液体构成的,乳浊液,、由固体颗粒（或液滴）与气体构成的,含尘气体（或含雾气体）,等。,悬浮液（固,-,液混合物）,:,过滤,乳浊液（液,-,液混合物）,:,离心分离,含尘气体、含雾气体（气,-,液、固,-,气混合物）,:,沉降,(,重力、离心力,),固、固分离,:,筛分、分级沉降,2.,非均相混合物的分离方法,3.,非均相分离的目的：,收集分散物质；,净化分散介质；,环境保护与安全生产。,4.,非均相分离的基本方法：,机械分离,筛分、沉降、过滤、离心,电磁法,磁选、静电、（除尘）、电磁化,物理化学法,浮选、吸咐,3.2,颗粒及颗粒床层的特性,3.2.1,颗粒的特性：,表示颗粒大小的几何参数：大小（尺寸）、形状、表面积（或比表面积）。,1.,单个颗粒的性质,1,）球形颗粒（,形状规则的颗粒,尺寸由直径,d,确定。,）,比表面积,:,体积,:,表面积,:,2.,非球形颗粒：,用当量直径和形状系数表示其特性,（,1,）球形度,（,3,5,）,颗粒的表面积,与该颗粒体积相等的球体的表面积,非球形颗粒,球形颗粒,一、颗粒的特性,(2),颗粒的当量直径：,体积当量直径,d,eV,，即体积等于颗粒体积的球形颗粒的直径为非球形颗粒的等体积当量直径。,表面积当量直径,d,es,，即将表面积等于颗粒表面积的球形颗粒的直径定义为非球形颗粒的等表面积当量直径。,比表面积当量直径,d,e,a,，即将比表面积等于颗粒比表面积的球形颗粒的直径定义为非球形颗粒的等比表面积当量直径。,1),颗粒的大小（粒度）,粒度尺寸的表示：,粗颗粒：,mm,细颗粒：筛孔号表示,超细颗粒：,m,2,、颗粒群的特性,常用筛分的方法测得粒度分布，再求其相应的平均特性参数,颗粒粒度测量：筛分法、沉降法、比表面法、显微镜法、电阻变化法、光的散射与衍射法等。,颗粒的筛分尺寸,筛分,是用单层或多层筛面将松散的物料按颗粒粒度分成两个或多个不同粒级产品的过程,。,将筛分所得结果在表或图上表示，可直观地表示出颗粒群的粒径分布,:,用表格表示：,筛孔尺寸,每层筛上颗粒质量。,用图表示：,各层筛网上颗粒的筛分尺寸,质量分率,标准筛：,例如,200,目的筛子即指长度为,1,英寸的筛网上有,200,个筛孔。,所以筛号越大，筛孔越小。,筛号,(,目数,),：,每英寸边长的筛孔数目,筛过量：,通过筛孔的颗粒量,筛余量：,截留于筛面上的颗粒量,进行筛分分析时，将几个筛子按筛孔大小的次序从上到下叠置起来，筛孔尺寸最大的放在最上面，筛孔尺寸最小的放在最下面，在它底下放一无孔的底盘。,将称量过的颗粒样品放在上部筛子上，有规则地摇动一定时间，较小的颗粒通过各个筛的筛孔依次往下落。,称量各层筛网上的颗粒量，即得筛分分析的基本数据。筛析操作完成后，应检查各粒级的质量总和与取样量的差值（损失），其值不应超过,1,2%,，否则没有代表性，应重新取样筛析。,筛分,分布函数,F,i,定义为第,i,层筛网的筛过量占样品总量的质量分数，以,d,pi,为横坐标，,F,i,为纵坐标得到的曲线即为分布函数曲线。,分布函数,频率函数,图,颗粒的分布函数曲线和频率函数曲线,2,）颗粒的平均粒径,颗粒群的平均粒径有不同的表示法，但对于流体与颗粒之间的相对运动过程，主要涉及流体与颗粒表面间的相互作用，即颗粒的比表面积起重要作用，因此通常用,等比表面积当量直径,来表示颗粒的平均直径，则混合颗粒的平均比表面积,d,m,。,x,i,第,i,层筛网上颗粒的质量分率,d,i,=(d,i-1,+d,i,)/2,3,）颗粒的密度,单位体积内粒子的质量称为,密度,，其单位为,kg/m,3,。,若粒子的体积不包括颗粒之间空隙，则称为粒子的,真密度，,用,S,表示；,若粒子所占体积包括颗粒之间空隙，则称为,堆积密度或表观密度,，用,b,表示。,设计颗粒贮存设备时，应以堆积密度为准。,1.,床层的空隙率,：单位体积颗粒床层中空隙的体积，即：,床层空隙率是颗粒床层的一个重要特性，它反映了床层中颗粒堆集的紧密程度，其大小与颗粒的形状、粒度分布、装填方法、床层直径、所处的位置等有关。一般颗粒床层的空隙率为,0.47,0.7,。测量床层的空隙率的方法：,充水法和称量法。,3.2.2,、颗粒床层的特性,2.,床层的比表面积,a,b,单位体积床层中颗粒的表面积称为床层的比表面积。若忽略因颗粒相互接触而减小的裸露面积，则床层的比表面积,b,与颗粒的比表面积,的关系为：,b,=,(1-,),床层的比表面积也可用颗粒的堆积密度估算，即：,颗粒的堆积密度,kg/m,3,颗粒的真实密度,kg/m,3,床层中某一床层截面上空隙所占的截面积（即流体可以通过的截面积）与床层截面积的比值称为床层的自由截面积。,对于乱堆的颗粒床层，颗粒的定位是随机的，所以可认为堆成的,床层各向同性,，即从各个方位看，颗粒的堆积都是相同的。对于这样的床层，其床层截面积在数值上与床层空隙率相等。,同样，由于壁效应的影响，壁面附近的床层自由截面积较大。当,D/,d,p,较小时，必须考虑壁效应。,3.,床层的自由截面积,3.2.3,流体通过床层流动的压降,1.,固定床的床层简化模型（数学模型法）,流体通过固定床的阻力在数值上应等于床层中所有颗粒所受曳力的总和。 确定流体通过床层阻力的方法：,实验方法,。,目前比较通用的是采用数学模型化的方法：即把流体通过颗粒床层的流动看成是,通过具有一组平行细管、当量直径为,de,的床层的流动,。认为流体通过床层的阻力与通过这些小管的阻力相等。,模型化方法的优点：,用简化的模型来代替床层内的真实流动，便于用数学方法来处理，然后再通过实验加以校正。设床层内为乱堆颗粒，床层各向同性，壁效应和端效应可忽略不计，仿照流体在管道中流动的情况，将实际颗粒床层简化为下面的简单模型。,a.,颗粒床层由许多平行的细管组成，孔道长度,le,与床层高度,L,成正比；,b.,孔道内表面积之和等于全部颗粒的表面积，孔道内全部流动空间等于床层空隙的容积。,实际床层,简化模型,假定：,虚拟细管的当量直径,d,e,以,1m,3,床层体积为基准，则床层流动空间为,，每,1m,3,床层的颗粒表面的比表面即床层的比表面积,a,b,=a(1-,）,（,3-9,）,流体通过固体颗粒床层（固定床）的压降,流体通过固定床的压力降主要有两方面：,一是流体与颗粒表面间的摩擦作用产生的压力降。,二是流动过程中，孔道截面积突然扩大和突然缩小以及流体对颗粒的撞击产生的压力降。,2,流体通过床层压降的数学描述,根据前述简化模型，流体通过一组平行细管流动的压降为：,式中：,p,f,流体通过床层的压降，,Pa;,L,床层高度，,m,；,d,eb,床层流道的当量直径，,m,；,u,1,流体在床层内的实际流速，,m/s,；,u,1,与按整个床层截面计算的空床流速,u,的关系为：,（,3-10,）,（,3-11,）,（,3-12,）,3,模型参数的实验测定,（,1,）康采尼（,Kozeny,）的实验结果,康采尼通过实验发现，在流速较低，床层雷诺数,Re,b,2,的滞留情况下，模型参数 可较好的符合下式：,式中 称为康采尼常数，其值可取作,5.0,，,Re,b,的定义为,（,3-13,）,（,3-14,）,（,3-15,）,（,2,）欧根（,Ergun,）的实验结果,欧根在较宽的,Reb,范围内进行实验，获得如下关联式,3.3,沉降分离,沉降涉及由颗粒和流体组成的两相流动体系,属于流体相对于颗粒的绕流问题。,流固之间的相对运动有三种情况，即：,流体静止,，固体颗粒作沉降运动；,固体静止,，流体对固体作绕流；,流体和固体都运动,，但二者保持一定的相对速度。 只要相对速度相同，,上述三种情况并无本质区别。,沉降运动发生的前提条件是固体颗粒与流体之间存在,密度差,，同时有外力场存在。,外力场有重力场和离心力场,，,沉降：,颗粒物质受重力、离心力、或其他电、磁力而从分散介质中分离的过程称为沉降。,发生的沉降过程分别称为,重力沉降,和,离心沉降,。,重力沉降：,分离颗粒较大的物质,离心沉降：,粒度较小的物质,3.3.1,重力沉降分离,将表面光滑的刚性球形颗粒置于静止的流体介质中，若颗粒的密度大于流体的密度，则颗粒将在流体中降落,（一）球形颗粒的自由沉降,1,沉降速度,1),颗粒沉降的基本假定, 颗粒为球形, 各颗粒沉降时互不干扰（自由沉降，反之为干扰沉降）, 容器壁效率忽略, 分子布朗热运动对沉降无影响,图,3-1,沉降颗粒的受力情况, 颗粒沉降过程受力：,重力：,阻力：,浮力：,阻力系数或曳力系数,分析颗粒运动情况：,加速度最大,阻力,加速度,加速度,=0,加速段,匀速段,由此可得,沉降速度,：,式中,u,t,颗粒的自由沉降速度，,m/s,；,d,颗粒直径，,m,；,r,s,，,r,分别为颗粒和流体的密度，,kg/m,3,；,g,-,重力加速度，,m/s,2,;,2.,阻力系数,根据阻力随颗粒雷诺数变化的规律，可分为三个区域：,滞流区或斯托克斯定律区,（,10,-4,Re,t,1,),过渡区或艾仑定律区（,1Re,t,10,3,）,湍流区或牛顿定律区,（,10,3,Re,t,210,5,）,将阻力系数的计算式代入，得到不同颗粒雷诺数范围内,u,t,的计算式：,湍流区,过渡区,滞流区,3,）影响沉降速度的因素,（,2,）颗粒的体积浓度,当颗粒体积较高时,便发生干扰沉降,（3）,器壁效应,（4）,颗粒形状的影响,当容器尺寸远远大于颗粒尺寸时，器壁效应可忽略，否则需加以考虑,同一种固体物质，球形或近球形颗粒比同体积非球形颗粒的沉降快一些。,（,1,）流体的粘度,在滞流沉降区内，由流体粘性引起的表面摩擦力占主要地位。,（,1,）试差法,由于在计算出,u,t,之前,Re,t,的大小未知，因此要通过试差确定应该选取的计算公式。,4,）沉降速度的计算,（,2,）摩擦数群法,该法是将,与雷诺数的关系曲线加以转换，使其两个坐标轴之一变成不包含,u,t,的无量纲数群，进而便可得,u,t,假设沉降属于某一流型,计算沉降速度,核算,Re,t,又因为,:,上两式相乘可消去,u,t,，即,:,再令,:,得到,:,（,3,）无因次判别因子,由：,在斯托克斯定律区，,Re,t,1,，则,K,2.62,，,同理，将式,3-33,代入雷诺准数定义式，由,Re,t,=1000,可得牛顿定律区的下限值为,69.1,。,因此，,K,2.62,为,斯托克斯定律区,，,2.62,K,69.1,为,牛顿定律区,。,图,3-2,关系曲线,阻力系数,Re,0,关系图,1),降尘室,作用：,分离气体中尘粒的重力沉降设备。,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。,2.,重力沉降设备,2.,重力沉降设备,这是一个大空箱，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,u,t,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。,重力沉降分离设备,(1),单层降尘室,（,1,）,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,50m,的粗颗粒。,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。,注意：,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,。降尘室结构简单、阻力小，但体积庞大、分离效率低，只适合于分离直径在,75m,以上的粗粒，,一般作预除尘用。,例题,2,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,10,，高宽均为,2m,。操作条件下气体密度为,0.75kg/m,3,，粘度为,2.6,10,-5,Pas,，颗粒密度为,3000 kg/m,3,。气体体积流量为,3m,3,/s,。试求：,（,1,）可完全回收的最小颗粒直径；,(2),粒径为,40,m,的颗粒的回收百分率,.,（,3,）如将降尘室改为多层以完全回收,10,m,的颗粒，求多层降尘室的层数。,解：,(1),理论上能完全捕集下来的最小颗粒直径,由式,3-22,可知，在降尘室中能够完全被分离出来,的最小颗粒的沉降速度为,由于粒径为待求参数，沉降雷诺准数,Re,t,和判断因子,K,都无法计算,故需,采用试差法,。,假设沉降在滞流区，则可用,斯托克斯公式,求最小颗粒直径，即,=6.91,10,-5,m,=3/10=0.3m,s,Re,t,=,=0.5981,原设在滞流区沉降正确，求得的最小粒径有效。,2)40,m,颗粒的回收百分率,假设颗粒在炉气中的分布是均匀的，则在气体的停留时内颗粒的沉降高度与降尘室高度之比即为该尺寸颗粒被分离下来的分率。,核算沉降流型,由于各种尺寸颗粒在降尘室内的,停留时间均相同,，故,40,m,颗粒的回收率也可用其沉降速度,u,t,与,69.1,m,颗粒的沉降速度,u,t,之比来确定，,在斯托克斯定律区则为,回收率,=u,t,/,u,t,=(d/d,min,),2,=(40,69.1),2,=0.335,即回收率为,33.5,。,(3),需设置的水平隔板层数 多层降尘室中需设置的水平隔板层,数用式,3-22a,计算,。,由上面计算可知，,l0,m,颗粒的沉降必在滞流区，,可用斯托克斯公式计算沉降速度，即,=6.29,10,-3,m,s,，,取,47,层,n=,u,t,=,隔板间距为,h,核算气体在多层降尘室内的流型：若忽略隔板厚度所占的空间，则气体的流速为,0.75m,s .,0.042,u=,0.082m,=1774,所以,Re,即气体在降尘室的流动为滞流，设计合理。,有一降尘室，长、宽、高分别为1164,m，,沿沉降室高度的中间加一层隔板。现需使用此降尘室处理常压下的烟气。已知烟气处理量为12500标准,m,3,/h，,烟气的温度为150，密度为0.85,kg/m,3,粘度为2.510,-5,Pa.s。,问此降尘室能否沉降密度为1600,kg/m,3,直径为35,m,以上的尘粒？,例 题,3,V,s,=V,0,T/T,0,=12500423/273=19368.13m,3,/,h=5.38m,3,/,s,（2） 求u,t,u=V,s,/A=5.38/(46)=0.224m,/,s,U,t,(uH/L)=0.224(4/2)/11=0.041m.s,-1,（3）求dp,设为层流沉降,则,dp=(180.022510,-,3,0.041)/(1600-0.85)9.807,0.5,=32.510,-,6,m=32.5m,验算：Rep=(32.510,-,6,0.0410.85)/(0.022510,-3,),=0.051 假设正确,（4）因为32.535，所以此降尘室能除去直径为35m以上的尘粒。,（1） 求V,s,2),沉降槽,沉降槽是利用重力沉降来提高悬浮液浓度并同时得到澄清液体的设备。所以，沉降槽又称为,增浓器和澄清器,。沉降槽可间歇操作也可连续操作。,间歇沉降槽通常是带有锥底的圆槽。需要处理的悬浮液在槽内静置,足够时间后,，增浓的沉渣由槽底排出，清液则由槽上部排出管抽出。,连续沉降槽是底部略成锥状的大直径浅槽，,如图3-6所示。,悬浮液经中央进料口送到液面以下0.31.0处，在尽可能减小扰动的情况下，迅速分散到整个横截面上，液体向上流动，清夜经由槽顶端四周的溢流堰连续流出，称为,溢流,；,固体颗粒下沉至底部，槽底有徐徐旋转的耙将沉渣缓慢地聚拢到底部中央的排渣口连续排出。排出的稠浆称为,底流,。,2),沉降槽,连续沉降槽的直径，小者为数米，大者可达数百米；,连续沉降槽,适合于处理量大，浓度不高，颗粒不太细的悬浮液，常见的污水处理就是一例。,经沉降槽处理后的沉渣内仍有约50%的液体。,沉降槽有,澄清液体和增浓悬浮液,的双重功能。,为了获得澄清液体，沉降槽必须有足够大的横截面积，以保证任何瞬间液体向上的速度小于颗粒的沉降速度。,为了把沉渣增浓到指定的稠度，要求颗粒在槽中有足够的停留时间。,所以沉降槽的加料口以下的增浓段必须有足够的高度，以保证压紧沉渣所需要的时间。,在沉降槽的增浓段中，大都发生颗粒的干扰沉降，所进行的过程称为,沉聚过程,。,为了在给定尺寸的沉降槽内获得最大可能的生产能力，应尽可能提高,沉降速度,。,向悬浮液中添加少量电解质或表面活性剂，使颗粒发生,“凝聚”或“絮凝”,；,改变一些,物理条件,（如加热、冷冻或震动），使颗粒的粒度或相界面积发生变化，都有利于提高沉降速度；,沉降槽中的,装置搅拌耙,，除能把沉渣导向排出口外，还能减低非牛顿型悬浮物物系的表观粘度，并能促使沉淀物的压紧，从而加速沉聚过程。,3) 分级器,利用重力沉降可将悬浮液中不同粒度的颗粒进行粗略的分离，或将两种不同密度的颗粒进行分类，这样的过程统称为分级，实现分级操作的设备称为分级器。,a.,平流沉降,:,风车分离稻谷（丰实谷粒、半丰粒、瘪壳、稻草叶、茸毛叶）,b.,竖流沉降：,3.3.,2,离心沉降,依靠,惯性离心力,作用下实现的沉降过程称为离心沉降。,对于两相,密度差较小,，颗粒较细的非均相物系，在离心力场中可得到较好的分离。,通常，气固非均相物质的离心沉降是在,旋风,分离器中进行，液固悬浮物系的离心沉降可在,旋液,分离器或离心机中进行。,离心沉降原理,离心沉降利用沉降设备使流体和颗粒旋转，在,离心力作用下,，由于流体和颗粒间存在,密度差,，所以颗粒沿径向与流体产生,相对运动,，从而使颗粒和流体,分离,。,由于在高速旋转的流体中，颗粒所受的,离心力比重力大得多,，且可依需要调节，所以其,分离效果好于重力沉降,。,1.,惯性离心力作用下的沉降速度,当流体围绕某一中心轴作圆周运动时，便形成了惯性,离心力场。在与转轴距离为,R,、切向速度为,u,T,的位置上，惯性离心力场强度为,(,即离心加速度,),。,显然，惯性离心力场强度不是常数，随位置及切向速度而变，,其方向,是沿旋转半径从,中心指向外周,。,重力场强度,g,(,即重力加速度,),基本上可视作常数，,其方向指向地心。,惯性离心力场中颗粒在径向上也受到,三个力的作用,，,即,惯性离心力,;,向心力,(,与重力场中的浮力相当，其方向为沿半径指向旋转中心,),;,阻力,(,与颗粒径向运动方向相反，其方向为沿半径指向中心,),。,惯性离心力,=,向心力,=,阻力,=,球形颗粒的直径为,d,、密度为,s,;,流体密度为,，颗粒与中心轴的距离为,R,，切向速度为,u,T,;,u,r,代表颗粒与流体在径向上的相对速度，,m,s,。,如果上述,三个力达到平衡,，则,-,-,平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度,u,r,，,便是它在此位置上的离心沉降速度。上式对,u,r,求解得,比较式,3-33,与式,3-20,可以看出，颗粒的离心沉降,速度,u,r,与重力沉降速度,u,t,具有相似的关系式，,若将重力加速度,g,改为离心加速度,则式,3,20,便变为式,3-33,。,=0,(3-33),二者又有明显的,区别,，首先，离心沉降速度,u,r,不是颗粒运动的绝对速度，而是绝对速度在,径向上的分量,;,且方向不是向下而是沿,半径向外,；,再者，离心沉降速度,u,r,不是恒定值,，随颗粒在离心力场中的位置,(R),而变，而重力沉降速度,u,t,则是恒定的,.,离心沉降时，如果颗粒与流体的相对运动属于滞流,阻力系数,也可用式,321,表示，于是得到,(3-34),式,3-34,与式,324,相比可知，同一颗粒在同种介质中,的离心沉降速度与重力沉降速度的比值为,比值,K,c,就是粒子所在位置上的惯性离心力场强度与重力场强度之比，称为,离心分离因数,。,分离因数是离心分离设备的,重要指标,。,(3-35),层流时,n = 1/2,过渡流 0.5,nd,c,的颗粒,=,1,如颗粒入器时均布，,与器壁距离,B,的所有颗粒所占分率,dd,c,的,入器时如其,BB，,也可以被(100%)分离,由前式，能被,(100%),分离颗粒的,d,B,1/2,入器时距离,1%,）的场合。,固体颗粒并不形成滤饼，而是沉积于较厚的粒状对滤介质床层内部的过滤操作。,深床过滤主要用于净化含固量很少（,0.1%,）流体，如水净化等。,过滤的操作：,过滤操作方式,：,过滤操作分为间歇式与连续式,。,根据过滤推动力的方式，又有加压过滤、真空过滤和离心过滤,深床过滤,2.,过滤介质,织物介质,最常用的过滤介质，工业上称为滤布,(,网,),，由天然纤维、玻璃纤维、合成纤维或者金属丝编织而成。可截留的最小颗粒的直径为,5-65,微米。,多孔固体介质,具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶瓷、多孔金属及多孔性塑料制成的管或板，能截留,1-3,m,的微小颗粒。,堆积介质,由沙、木炭之类的固体颗粒堆积而成的床层，称作滤床，用作过滤介质使含少量悬浮物的液体澄清。,多孔膜,用于膜过滤的各种有机分子膜和无机材料膜。,2,） 过滤介质的要求：, 多孔、阻力小、有良好的截留分离作用。, 性能稳定、耐热耐腐。, 强度高。,3.,滤饼的压缩性和助滤剂：,主要是对滤饼作支承作用。,防止可压缩性滤饼堵塞毛细孔。, 材料：,硅藻土、珍珠岩, 使用方法：,预涂在过滤介质上,加入悬浮液中同时过滤,1.,滤液通过饼层的流动,简化流动模型：, 层流直管中流动阻力,泊稷叶,Poiseulle,公式,即, 滤渣层中流动特点：,I,滤渣层中存在曲折流动通道 （基本事实,1,）,II,通道很小、流速很低（基本事实,2,）,III,层流（基本假定）,3.4.2,过滤基本方程式,3.4.2,过滤基本方程式,过滤速率,过滤速度,单位时间获得的滤液体积,单位过滤面积上的过滤速率,若过滤过程中其他因素维持不变，则由于滤饼厚度不断增加过滤速度会逐渐变小。任一瞬间的,过滤速度,应写成如下形式,过滤阻力,滤饼阻力,介质阻力,过滤总阻力,为方便起见，假设过滤介质对滤液流动的阻力相当于厚度为,L,e,的滤饼层的阻力，即,则上式可写为,r-,滤饼的比阻，,l/m,2,R-,滤饼阻力，,l/m,过滤基本方程式,不可压缩滤饼,可压缩滤饼,所以,过滤过程的数学描述,物料衡算,对固体颗粒在液体中不发生溶胀（体积无变化）的物系，以每,Kg,悬浮液为基准，按体积加和原则可得,:,总物料体积衡算,固体体积衡算,所以,对一定的悬浮液,一定,若滤饼 一定，,一般,，则,提高过滤生产能力的措施,助滤剂,：,改变滤饼结构，使之较为疏松且不被压缩，则可提高过滤与洗涤速率。,絮凝剂,：,使分散的细颗粒凝聚成团从而更容易过滤。絮凝剂有聚合电解质类的如明胶、聚丙烯酰胺等，其长链高分子结构为固体颗粒架桥而成絮团；,流动或机械搅动,：,限制滤饼厚度的增长，或者借用离心力使滤饼在带锥度的转鼓中自动移动等动态过滤技术，也可以有效地提高过滤速率,增大过滤面积、提高转速、缩短辅助操作时间、改善过滤特性以提高过滤和洗涤速率。,滤液量与过滤时间,(1),过滤操作方式,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。,工业上所使用的过滤机大多为间歇式，不宜于在整个过程中都采用恒压过滤或恒速过滤。,因为在恒压操作开始阶段，过滤介质表面还没有滤饼层生成，较小的颗粒会穿过介质，得到的是浑浊的滤液，或使介质的孔道堵塞，造成较大的阻力；,而在恒速过滤操作的后期，过滤压力增大到较大值，这会导致设备的泄露或动力设备超负荷。,为克服这些问题，一般,先恒速后恒压过滤,。,对于一定的悬浮液，若,、,r,，,及,v,皆可视为常数，令,式中,k,表征过滤物料特性的常数，,m,4,(,N,s,),或,m,2,(,Pa,s,),将式,3-54,代人式,3-53,，得,恒压过滤时，压强差,p,不变，,k,、,A,、,s,、,Ve,又都是常数，,（,3-54,）,（,3-53a,）,3.4.3,恒压过滤,则有,（,3-53b),K,称为过滤常数，,单位,m,2,/s,是物料特性和过滤压强差所决定的常数；,a.,恒压过滤方程,悬浮液一定，压差恒定，,K,为常数，且过滤开始即为恒压操作，,令,q=V/A,及,qe,=,Ve,/A,则由式,(3-53b),可得：,3.4.3,恒压过滤,恒压过滤方程式,若介质阻力可忽略不计,，则可简化为：,Ve,和,e,间的关系,为：,qe,单位面积上的当量滤液量,恒压过滤方程式,图中的,ob,线,表示实际过滤中的滤液量,V,与过滤时间,的关系，而,O,e,O,则表示与介质阻力相对应的虚拟过滤时间,e,虚拟体积,之间的关系。,恒压过滤的特点,:,滤饼不断变厚致使阻力逐渐增加，但推动力维持不变，因而过滤速度不断变小,应用恒压过滤方程式，可进行恒压过滤各种计算。,a.,设计型：,已知要求处理的悬浮液量及操作压差,p,，求所需的过滤面积。,b.,操作型：,已知过滤面积,A,和操作压差,p,，求能处理的悬浮液量，或已知滤面积和悬浮液处理量,求所需的操作压差,p,(3),恒速过滤,在恒速过滤过程中，过滤速度保持恒定，因滤饼不断变厚致使阻力逐渐增加，过滤压差要不断增大（与,成正比）。,恒速过滤方程,(4),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,V1,，相应的过滤时间为,1,，,此后在恒定压差,p,下开始进行恒压过滤，,若恒压过滤一段时间后得到的累积总滤液量为,V,，,累积操作总过滤时间为,，则可用下式进行计算。,b.,如果恒压过滤是在已经得到滤液量,V,1,，则积分时，时间从,1,到,，滤液量应从,V,1,到,V (,从,q,1,到,q),恒压过滤讨论,：,恒压过滤时滤液体积与过滤时间的关系为抛物线；,当过滤介质阻力可忽略不计，则：,过滤常数的测定,恒压下,K,、,q,e,、,e,的测定,将恒压过滤方程式,微分得,即在恒压过滤条件下，,/q,与,q,的函数,关系是以,1,/K,为斜率、,2q,e,/K,为截距的直线，,实验测得不同时刻单位过滤面积的累积滤液量,q,，即可由上式回归出,K,和,q,e,。,压缩性指数,s,的测定,由过滤常数,K,的定义式,K,p,),为直线方程，斜率为,(1,-s,),、截距为,2k,。,在不同压差,p,下进行恒压过滤实验，,求得一系列与之对应的过滤常数,K,，,再通过上式回归出滤饼常数,k,和压缩指数,s,。,例,:,恒压过滤，若介质阻力可以忽略，滤饼不可压缩。,（,1,）过滤液量增大一倍，则过滤速率为原来的,（,0.5,）,（,2,）当操作压差增加,1,倍，过滤速率为原来的,倍，在同样时间内所得到的滤液量将增大到原来的,倍。,2,、,1.414,（,3,）由于温度升高粘度降低,75,，则在同一时刻，滤液量增大,_,。,200%,（,4,）过滤面积恒定，则所得的滤液量与过滤时间的,_,次方成正比，而对一定的滤液量则需要的过滤时间与过滤面积的,_,次方成,_,比。,0.5,2,反,【,例,2】,在,9.81,10,3,Pa,的恒定压力差下过滤某种的悬浮液。悬浮液中固相为直径,0.1mm,的球形颗粒，固相体积分率为,10%,，过滤时形成空隙率为,60%,的不可压缩滤饼。已知水的粘度为,1.0,10,-3,Pa,s,，过滤介质阻力可以忽略，,试求：,（,1,）每平方米过滤面积上获得,1.5m,3,滤液所需的过滤时间；,（,2,）若将此过滤时间延长一倍，可再得滤液多少？,解：,（,1,）过滤时间,已知过滤介质阻力可以忽略时的恒压过滤方程式为：,单位面积上所得滤液量,q,=1.5m,3,/m,2,过滤常数,对于不可压缩滤饼,，,s,=0,常数,，,已知,=9.8110,3,Pa,球形颗粒的比表面为,=,1.010,-3,Pas,，,滤饼的空隙率,0.6,m,2,/m,3,于是,过滤常数,m,2,又根据料浆中的固相含量及滤饼的空隙率，,可求出滤饼体积与滤液体积之比,。,形成,1m,3,滤饼需要固体颗粒,0.4m,3,，,所对应的料浆量是,4m,3,，,因此，形成,1m,3,滤饼可得到,4-1=3m,3,滤液，则,m,3,/m,3,m,2,/s,则,所以,s,3.4.6,过滤设备,1,板框过滤机,（,1,）,结构与工作原理,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,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,间歇操作,过滤、洗涤、卸渣、整理、装合,主要优缺点,2.,加压叶滤机,3,转筒真空过滤机,（,1,）,结构与工作原理,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,),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,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,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,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,遇到刮刀,卸渣,两凹槽之间的空白处,：,没有通道,停工,两区不致串通,3.4.7,滤饼的洗涤,洗涤的目的：,回收滞留在颗粒缝隙间的滤液，净化滤饼颗粒，在过滤终了时，需要对滤饼进行洗涤。如滤液为水溶液，一般就用水洗涤。 洗涤过程计算的内容：确定使用一定量洗涤液时所需要的,洗涤时间,。,为此需要确定,洗涤速率,。,洗涤速度,是单位时间通过单位面积的洗涤液量。,如果洗涤液量为,V,W,，则滤饼的洗涤时间为,W,洗涤液用量取决于对滤渣的质量要求或滤液的回收要求。由于在洗涤过程中，滤饼的厚度不再增加，所以洗涤速率基本上为常数，其大小与洗涤液的性质及洗涤方法有关，后者又与所用的过滤设备结构有关,。,洗涤时间,规,定,洗涤速率与过滤末速率的关系？,(1),叶滤机：,置换洗涤法,特点,：洗涤液流经滤饼通道与过滤终了时滤液通道相同 （,L+L,e,）,W,=,（,L+L,e,）,E,A,W,=A,E,洗涤速率,洗涤时间,(2),板框过滤机 ：横穿洗涤法,特点,：过滤终了，滤液通过滤饼层的厚度为框厚的一半，过滤面积为全部滤框面积的,2,倍。,洗涤时，洗涤液将通过两倍于过滤终了时滤液,的途径。洗涤面积为过滤面积的一半。,（,L+L,e,）,W,=2,（,L+L,e,）,E,A,W,=0.5A,E,若洗水粘度、洗水表压与滤液相差较大，按右式校正：,过滤,L,洗涤,L,1.,间歇过滤机的生产能力,过滤机的生产能力可用单位时间内所得的滤液量或滤渣量表示。,在一个过滤操作循环中，过滤装置的拆装、整理、重装等所占的辅助时间,D,是固定的，而过滤,及洗涤时间,W,却要随产量的增加而增加。,3.4.8,过滤机的生产能力,操作周期,：,T=,+,W,+,D,生产能力,Q=V/ T:,单位时间得到的滤液量。,过滤时间的相对长短，直接影响过滤机的生产能力,若一个操作周期中过滤时间短，则形成的滤饼薄，过滤速率大，但非过滤时间所占的比例相对较大，生产能力不一定就大。,相反，过滤时间长，形成的滤饼则厚，过滤速率小，生产能力也可能小。,2,连续过滤机的生产能力,(,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，转速为,n,，,则,T=60/n,转筒表面浸入分数：,过滤时间,:,T=60,/n,（,2,）生产能力,由恒压过滤方程式,可知转筒转一周所得的滤液体积为,生产能力为,忽略滤布阻力，,e,=0,V,e,=0,例,1,：,用一板框过滤机，对某种悬浮液进行恒压过滤，过滤时间为,20min,得到滤液,20m,3,滤饼不洗涤，拆装时间为,15min,滤饼不可压缩，介质阻力可忽略不计。,试求该机的生产能力，以,m,3,(,滤液,)/h,表示之。,如果将该机的过滤压力增加,20%,，拆装时间不变，试求该机的生产能力为多少,m,3,(,滤液,)/h,？,解：单位滤液形成的滤饼体积为：,例,4,某板框过滤机有,5,个滤框，框的尺寸为,635,635,25mm,。过滤操作在,20,、恒定压差下进行，过滤常数,K,=4.24,10,-5,m,2,/s,，,q,e,=0.0201m,3,/m,2,，滤饼体积与滤液体积之比,=0.08 m,3,/m,3,，滤饼不洗涤，卸渣、重整等辅助时间为,10,分钟。试求框全充满所需时间。,现改用一台回转真空过滤机过滤滤浆，所用滤布与前相同，过滤压差也相同。转筒直径为,1m,，长度为,1m,，浸入角度为,120,。问转鼓每分钟多少转才能维持与板框过滤机同样的生产能力？,假设滤饼不可压缩。,解：,以一个框为基准进行计算。框全充满时滤饼的体积为：,滤液量,过滤面积,再根据恒压过滤方程得：,K,=4.24,10,-5,m,2,/s,，,q,e,=0.0201m,3,/m,2,改用回转真空过滤机后，压差不变，故,K,不变；,滤布不变，故,q,e,不变。,K,=4.24,10,-5,m,2,/s,，,q,e,=0.0201m,3,/m,2,过滤面积,板框过滤机的生产能力为：,设转筒每分钟转,n,转，则回转真空过滤机生产能力,回转真空过滤机,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,F,r,不同,F,r,源自物料以切线方向进入设备,离心机,F,r,源自设备本身旋转,高速旋转的转鼓,转鼓直径、转速,，则,F,r,，分离效果,离心机的分离因数,K,C,其,产生的离心加速度与重力加速度之比,常速,（,K,C,3000,）,高速,（,3000,K,C,500000,）,（,1,）,过滤式离心机,（,2,）,沉降式离心机,（,3,）,分离式离心机,图,3-27,三足式离心机,1,一支脚,2,一外壳,3,一转鼓,4,一电动机,5,一皮带轮,图,3-28,卧式刮刀卸料离心机,1,一进料管,2,一转鼓,3,一滤网,4,一外壳,5,一滤饼,6,一滤液,7,一冲洗管,8,一刮刀,9,一溜槽,10,一液压缸,图,3-29,活塞推料离心机,1,一转鼓,2,一滤网,3,一进料管,4,一滤饼,5,一活塞推进器,6,一进,料斗,.7,一滤液出口,8,一冲洗管,9-,固体排出,10,一洗水出口,3.6,固体流态化,流态,化： 使颗粒状固体与流动的液体或气体接触，并在流体中受力而表现出类似流体流动的现象。,流态,化技术优点、用途：,用途： 实现化学反应,硫铁矿焙烧, 干燥固体物料,流化干燥（如：谷物干燥、粉料干燥）, 吸附传质分离,流化床吸咐与再生（活性炭吸附、工业触媒再生）, 气力输送,煤粉、散装水泥远距离输送、喷粉技术, 物料混合分散、机械分离,优点： 对操作而言：便于连续化、自动化, 对反应而言：传质传热均匀、便于调节,例：催化反应：颗粒比表面大、传质速率高,干燥过程：干燥传质面大、温度均匀,一、流态化现象,当流体由下向上通过固体颗粒床层时，随流速的增加，会出现以下几种情况,固定床阶段,流化床阶段,稀相输送床阶段,气,速,增,加,图,3-31,不同流速时床层的变化,一、流态化现象,二、两种不同流化形式,散式流化,散式流化亦称均匀流化。其特点是固体颗粒均匀地分散在流化介质中。随流速增大，颗粒间的距离均匀增大，床层逐渐膨胀而没有气泡产生，并保持稳定的上界面。通常，两相密度差小的系统趋向于散式流化。大多数液固流化呈现,“,散式流化,”,。,散式流化,聚式流化,床层内分为两相，一相是空隙小而固体浓度大的气固均匀混合物构成的连续相，称为乳化相；另一相则是夹带有少量固体颗粒而以气泡形式通过床层的不连续相，称为气泡相。对于密度差较大的气固流化系统，一般趋向于形成聚式流化。,聚式流化,二、两种不同流化形式,三、流化床的主要特点,具有液体的某些性质,系统颗粒混和均匀，温度、浓度分布均匀,强化了颗粒与流体间的传热、传质,易于连续自动操作,颗粒易磨损,反混，颗粒在床层内的停留时间不均,三、流化床的主要特点,一、流化床的压降,1.,理想流化床,图,3-33,理想情况下,p,-u,关系曲线,2.,实际流化床,图,3-34,气体流化床实际,p,-u,关系曲线,一、流化床的压降,二、流化床的不正常现象,腾涌现象,图,3-35,腾涌发生后,p,-u,关系曲线,2.,沟流现象,图,3-36,沟流发生后,p,-u,关系曲线,二、流化床的不正常现象,三、流化床的操作范围,流化床的操作范围应在临界流化速度和带出速度之间。,1,临界流化速度,u,mf,实验测定：,实验装置如右图,三、流化床的操作范围,可得到如图,3-34,的曲线,临界流化速度,三、流化床的操作范围,经验关联式计算：,对于小颗粒,对于大颗粒,2,带出速度,当流化床内气速达到颗粒的沉降速度时，大量颗粒会被流体带出器外，因此，颗粒带出速度即颗粒的沉降速度。,三、流化床的操作范围,3,流化床的操作范围与流化数,带出速度与临界流化速度的比值反映了流化床的可操作范围。,对均匀细颗粒,对大颗粒,流化床实际操作速度与临界流化速度的比值称为流化数。,三、流化床的操作范围,一、概述,当气速大于颗粒的带出速度时，颗粒会被气流带出，并随气体一起流动，形成稀相输送床，利用这种方式来输送固体颗粒的方法称为气力输送（当输送介质为液体时称为水力输送）。,气力输送,输送介质,通常是空气，对易燃易爆粉料，可采用惰性气体，如氮气等。,（,1,）可长距离连续输送，自动化操作，生产效率