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第三章 机械分离,一、定义 1分散物系：由一种或几种物质的微粒分散在另一种物质中所组成的物系。 2分散相（分散物质）：处于分散状态的物质。 3连续相（分散介质）：处于连续状态的物质。 4均相物系：内部无相界面的分散物系。 5. 非均相物系：内部有相界面的分散物系。,一、分类 悬浮液， 固液 乳浊液， 液液 非均相物系 泡沫液， 气液 含尘气体，固气 含雾气体，液气 一、方法 重力沉降 沉降： 利用力场 离心沉降 重力过滤 加压过滤 过滤： 利用过滤介质 真空过滤 离心过滤 一、目的 1收集分散物质：回收分散物质和环境保护和安全生产 2. 净化分散介质,第一节 颗粒及颗粒床层的特性,一、颗粒的特性 1直径（大小） (1) 球形颗粒 比表面积， （2）非球形颗粒 令 则 （体积）当量直径 1形状系数（形状） (1) 定义 形状系数（球形度）：颗粒当量表面积与其实际表面积之比，即,(1) 球形颗粒 (2) 非球形颗粒 二、颗粒群的特性 1粒度分布（粒径分布） (1) 定义：不同粒径范围内所含粒子的个数或质量 （2）测定方法 标准筛法， ，目数与孔径的对应关系见表3-1 透射电镜法， 2平均粒径 以球形颗粒为例，如图所设，则,3粒子密度 （1）真密度：单位体积颗粒所具有的质量，即,（2）堆积密度（表观密度）：单位体积床层所具有的质量，即 三、颗粒床层的特性 1空隙率：单位体积床层所具有的空隙体积，即 2. 比表面积ab：单位体积床层所具有的颗粒表面积，即 （3-7） 或 所以 （3-8） 3方向性 各向同性：床层截面上的空隙面积与床层截面积之比等于。 各向异性：出现壁效应，即壁面附近的空隙率较大，生产壁流。,第二节 重力沉降,一、沉降速度 1球形颗粒的自由沉降（单个颗粒沉降） 设某个球形颗粒在流体中自由沉降，则该颗粒所受力有： 重力 浮力 阻力 由牛顿第二定律( )，得 当 时 ，解得 沉降速度 2. 阻力系数 通过量钢分析并结合实验测试，得出 式中,对球形颗粒（s=1）的曲线，可按Ret分为三个区，各区的曲线可用相应的经验关联式表达： 层流区或Stokes定律区（10-4Ret1） 过渡流区或Allen定律区(1Ret103) 0.44，湍流区或Newton定律区(103Ret2105) 所以 层流区 过渡流区 湍流区 3影响沉降速度的因素 (1) 颗粒的体积浓度 浓度较高时，便发生干扰沉降 (2) 器壁效应 当容器直径较小时，便发生受阻沉降 在Stokes定律区，可按下式修正：,(3) 颗粒形状 对非球形颗粒，其沉降得慢一些。修正如下： 图32 4沉降速度的计算 (1) 试差法 假设沉降属于某一流型，则按该流型选择相应的公式计算ut；再算Ret校核流型。 流型 ut Ret 流型 再设流型 （2）摩擦数群法 由 得 而 相乘得 由 知,作图3-3：任取一ut 计算： 求颗粒直径也可用类似的方法： 相除得 同理 作图3-3：任取一d 计算： 此外，也可用无因次数群K值判别流型： 将 代入 得 当 Ret=1 时，K=2.62 同理将 代入,得 当 Ret=1000 时， K=69.1 69.1， 湍流 二、降尘室 1结构 见图3-4(a) 2. 原理 如图所设，且设颗粒水平分速度 与气体的流速u相等，则 沉降时间为： 停留时间为： 当颗粒的停留时间等于或大于其沉降时间时，该颗粒便能沉降至室底而被分离，所以 ： 或 而 所以 与H无关 或 而,所以 能完全分离的最小粒径 临界粒径 三、沉降槽 1沉降槽的构造与操作 (1) 间歇沉降槽 (2) 连续沉降槽，见图3-6 2浓悬浮液的沉聚过程 当悬浮液浓度较高时，则属干扰沉降： （1）大颗粒相对于小颗粒进行沉降，因而介质的有效密度和粘度均大于纯液体，而沉降速度与介质密度和粘度成反比。 (2) 液体被沉降颗粒置换而上升的速度大，因而颗粒受到的阻力大。 (3) 大颗粒的拖曳，微细粒子的絮凝，使小颗粒的沉降被加速。 总之，大颗粒受阻，小颗粒加速。 沉聚过程： 均匀悬浮液 四区（清液区、等浓区、变浓区、沉聚区） 等浓区消失 变浓区消失 沉聚区压紧。见图3-7。 五、分级器：利用重力沉降来分离悬浮液中不同密度或不同粒度的粒子的设备。,第三节 离心沉降,一、离心沉降速度 设某个球形颗粒在流体中自由离心沉降，则该颗粒在径向所受力有： 惯性离心力 向心浮力 向心阻力 三力平衡时，得 所以 离心沉降速度 在层流区（10-4Rer1）， 所以,而 所以 离心分离因数 二、旋风分离器 1. 结构 2原理：颗粒离心沉降到内壁后，靠重力沿内壁落入灰斗。 3. 临界粒径：能完全分离下来的最小粒径。 假定： (1) 颗粒平均切向速度等于进口气体平均速度ui (2) 气体入器后仍以入口形状沿园简旋转Ne圈，离心沉降距离为B。 （3）颗粒在层流下作自由离心沉降 由 得 （Rm为旋转平均半径） 所以沉降时间为 又停留时间为 由停留时间等于沉降时间，得 所以 临界粒径 （3-26） 对标准旋风分离器，Ne=5。,4分离效率 （1）总效率：全部颗粒中被分离下来的质量分率，即： 式中 C1、C2 进、出口气体含尘浓度，g/m3。 （2）粒级效率：某个尺寸范围的颗粒中被分离下来的质量分率，即： 式中 C1i、C2i 进、出口气体中第i段尺寸范围的含尘浓度，g/m3。 （3）粒级效率曲线：图3-10、图3-11 （4）总效率与粒级效率的关系 显然 式中 xi 第i段尺寸范围的颗粒占全部颗粒的质量分率； n 粒径划分的总段数。 5. 压力降 仿阻力系数法 对水平局部阻力 所以 （3-31） 对标准旋风分离器， =8.0，一般 p=5002000Pa,6型式（类型） 标准型，图3-8 CLT/A型，图3-12 CLP/A、CLP/B 型，图3-13 扩散型，图3-14 7. 选择 物性 形式（类型） 生产能力 型号 允许压力降 三、旋液分离器 结构和原理与旋风分离器相似，旋液分离器的结构特点是直径小而圆锥部分长，而且旋液分离器应采用耐磨材料制造或采用耐磨材料做内衬以延长使用期限。,第四节 过滤,一. 基本概念 1. 定义 （1）滤浆（料浆） 悬浮液 （2）滤饼（滤渣） 被截留的固体物质 （3）过滤介质 多孔物质 （4）滤液（母液） 通过过滤介质的液体 2. 过滤方式 （1）饼层过滤：滤饼层为有效过滤介质（的过滤） 当悬浮液中所含颗粒较多时（固相体积分率1%），常用滤布、滤网做过滤介质进行过滤。当粒径大于过滤介质孔径时，显然会形成滤饼；当粒径小于过滤介质孔径时，通过“架桥现象”也会形成滤饼。随着滤饼的增厚，滤饼层就成为有效的过滤介质，所以这种过滤称为饼层过滤。常用于化工生产 （2）深床过滤：粒状床层孔道为有效过滤介质（的过滤）。 当悬浮液中所含颗粒很小，且含量很少时（固相体积分率0.1%），常用较厚的粒状床层做过滤介质进行过滤。颗粒在经过床层内细长而弯曲的孔道时，靠静电、分子间力、毛细管力等的作用而附着在孔道壁上，没有滤饼形成，所以这种过滤称为深床过滤。常用于自来水净化和污水处理。 3. 过滤介质 （1）织物介质：由纤维、金属丝等编织而成的滤布和滤网。 （2）堆积介质：由砂、木炭等堆积而成的床层。 （3）多孔介质：由多孔陶瓷、多孔金属和多孔塑料制成的管和板。,4. 滤饼的压缩性 不可压缩滤饼：颗粒坚硬，阻力不变 可压缩滤饼：颗粒较软，阻力增大 5. 助滤剂：某种质地坚硬、粒度均匀的颗粒，如硅藻土、珍珠岩等。 （1）作用：防止滤饼压缩及细小颗粒堵塞过滤介质的孔隙。 （2）使用方法： A . 在悬浮液中加入助滤剂后一起过滤。 B. 先把助滤剂配成悬浮液并过滤，形成助滤剂层后，才正式过滤。 应予注意，一般以获得清净滤液为目的时，采用助滤剂才是适宜的。 （3）要求 A.能形成多孔饼层刚性颗粒 B.物理、化学性质稳定 c.具有不可压缩性（在使用的压力范围内） 二. 过滤基本方程 1. 定义 （1）空隙率：单位体积床层中的空隙体积，m3/m3。 （2）比表面：单位体积颗粒所具有的表面积，a，m2/m3。 2. 孔道当量直径 3. 过滤速度： 由 得 所以,而 滤液在孔道中的流速，m/s 所以 层流时 所以 过滤速度 （3-35a） 即单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积，m/s。 4. 过滤速率（体积流量）：单位时间内获得的滤液体积 显然 所以 5. 滤饼的阻力 令 滤饼的比阻 则 令 滤饼阻力 则,6. 过滤介质的阻力 设 过滤介质的阻力 则 Le 与过滤介质阻力相等的滤饼厚度，即当量滤饼厚度，m 同理 所以 相加，得 所以 7. 基本方程 设v 获得单位体积滤液所形成的滤饼体积，m3/m3 则 所以 同理 所以 过滤速率基本方程式,又 所以 过滤速率基本方程式 式中 S 压缩指数，S = 01； r (单位压力差下，即ps=1时)的滤饼比阻 三. 恒压过滤 衡压过滤是最常见的过滤方式，过滤过程中推动力p 恒定，因而过滤速率逐渐变小。 令 则 k表征过滤物料特性的常数，m4/(N.s) 所以 令 过滤常数，m2/s 则 或,所以 相加 恒压过滤方程 令 m3/m2 介质常数 e s 则 相加 恒压过滤方程 当过滤介质的阻力可以忽略时 则 或 四. 恒速过滤 由不可压缩滤饼过滤基本方程 得,恒速过滤,所以 而 所以 或 五. 先恒速后恒压过滤 同恒压过滤 所以 或 六. 过滤常数的测定 1. 恒压K、qe、e的测定 由 微分得,整理得 所以 或由 得 而 所以 2. 压缩指数S的测定 由 取对数 令 则,七. 过滤设备 间歇过滤机 压滤机 吸滤机 连续过滤机 离心过滤机 1. 板框压滤机 （1） 结构，图3-20、图3-21 （2） 原理，图3-22 2. 加压叶滤机 （1）结构，图3-23 （2）原理 3. 转筒真空过滤机 （1）结构，图3-24 （2）原理，图3-25 八. 滤饼的洗涤 洗涤速率：单位时间内消耗的洗水体积 m3/s。 由于洗涤过程中滤饼厚度不增加，所以当洗水路径与滤液路径相同时，洗涤速率大致等于过滤终了时的过滤速率，即 在板框压滤机中，洗水流径的长度为滤液流径长度的2倍，而洗水流径的面积却为滤液流径面积的一半，所以,当洗水粘度、洗涤压差与滤液粘度、过滤压差有明显差异时，则洗涤时间需校正 九. 过滤机的生产能力 1. 间歇过滤机 操作周期 ，s 生产能力： m3/h 2. 连续过滤机（转筒真空过滤机） 浸没度：转筒表面浸入滤浆中的分数 即 操作周期 每周期过滤时间 由 得 m3/转,所以 当 时 则,第五节 离心