第三章非均相物系的

1、第三章第三章 非均相物系的分离和固体流态化非均相物系的分离和固体流态化 混合物混合物分为两类，即分为两类，即均相混合物均相混合物（物系内部各处均匀（物系内部各处均匀且无相界面，如：石油、空气）和且无相界面，如：石油、空气）和非均相混合物非均相混合物。 3.1 概述概述 悬浮液（固悬浮液（固-液混合物）液混合物）:乳浊液（液乳浊液（液-液混合物）液混合物）:含尘气体、含雾气体（气含尘气体、含雾气体（气-液、固液、固-气混合物）气混合物）: : 固、固分离固、固分离 :3. 非均相分离的目的：非均相分离的目的： 收集分散物质；收集分散物质； 净化分散介质；净化分散介质； 环境保护与安全生产。环境保

2、护与安全生产。 4. 非均相分离的基本方法：非均相分离的基本方法： 机械分离机械分离 筛分、沉降、过滤、离心筛分、沉降、过滤、离心 电磁法电磁法 磁选、静电、（除尘）、电磁选、静电、（除尘）、电磁化磁化 物理化学法物理化学法 浮选、吸咐浮选、吸咐3.2.1 颗粒的特性：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）。（或比表面积）。1.单个颗粒的性质单个颗粒的性质1）球形颗粒（）球形颗粒（形状规则的颗粒形状规则的颗粒）大大 小小：用颗粒的某一个或某几个特征尺寸表示，如球形：用颗粒的某一个或某几个特征尺寸表示，如球形

3、颗粒的大小用直径颗粒的大小用直径d表示。表示。比表面积比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积，其单位为：单位体积颗粒所具有的表面积，其单位为m2/m3 ,对球形颗粒为：对球形颗粒为：a球球=S/V=6/ d 球形颗粒体积球形颗粒体积V=d3/6 球形颗粒表面积球形颗粒表面积S= d22.非球形颗粒（用当量直径和形状系数表示其特性）非球形颗粒（用当量直径和形状系数表示其特性）PSsS 与非球形颗粒体积相等的球的表面积非球形颗粒的表面积 体积当量直径deV，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des ，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

4、粒的等表面积当量直径。 比表面积当量直径dea，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。232236666eaeVeVeseaeVeseepeppeddVSdddaddddVdSad 通常使用体积当量直径，简写为 1) 颗粒的大小（粒度）颗粒的大小（粒度）粒度尺寸的表示：粒度尺寸的表示：粗颗粒：粗颗粒：mm细颗粒：筛孔号表示细颗粒：筛孔号表示超细颗粒：超细颗粒：m2、颗粒群的特性、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参数 颗粒粒度测量：筛分法、沉降法、比表面法、显微镜法、颗粒粒

5、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。电阻变化法、光的散射与衍射法等。 颗粒的筛分尺寸颗粒的筛分尺寸 对于工业上常见的中等大小的混合颗粒，一般采对于工业上常见的中等大小的混合颗粒，一般采用一套标准筛进行测量，这种方法称为用一套标准筛进行测量，这种方法称为筛分筛分。将筛分所得结果在表或图上表示，可直观地表示出颗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粒群的粒径分布: : 用表格表示：筛孔尺寸用表格表示：筛孔尺寸每层筛上颗粒质量。每层筛上颗粒质量。 用图表示：各层筛网上颗粒的筛分尺寸用图表示：各层筛网上颗粒的筛分尺寸质量质量分率分率 标准筛

6、：标准筛：例如例如200目的筛子即指长度为目的筛子即指长度为1英寸的英寸的筛网上有筛网上有200个筛孔。个筛孔。所以筛号越大，筛孔越小。所以筛号越大，筛孔越小。 筛号筛号(目数目数)：每英寸边长的筛孔数目 筛过量：筛过量：通过筛孔的颗粒量 筛余量：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。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，有规则地摇动一将

7、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。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。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），其值不应超过差值（损失），其值不应超过1 12%2%，否则没有代表性，否则没有代表性，应重新取样筛析。应重新取样筛析。 筛分筛分 2）颗粒的平均粒径）颗粒的平均粒径 颗粒群的平均粒径有不同的表示法，但对于流体与颗颗粒群的平均粒径有不同的表示法，但对于流体与

8、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，因此通常用互作用，即颗粒的比表面积起重要作用，因此通常用来表示颗粒的平均直径，则混合颗粒的平来表示颗粒的平均直径，则混合颗粒的平均比表面积均比表面积d dm m。 x xi i第第i i层筛网上颗粒的质量分率层筛网上颗粒的质量分率 d di i=(d=(di-1i-1+d+di i)/2)/21iidaxd3）颗粒的密度）颗粒的密度 单位体积内粒子的质量称为单位体积内粒子的质量称为密度密度，其单位为，其单位为kg/m3。 若粒子的体积不包括颗粒之间空隙，则称

9、为粒子的若粒子的体积不包括颗粒之间空隙，则称为粒子的真密度，真密度，用用S表示；表示； 若粒子所占体积包括颗粒之间空隙，则称为若粒子所占体积包括颗粒之间空隙，则称为堆积密堆积密度或表观密度度或表观密度，用，用b表示。表示。 设计颗粒贮存设备时，应以堆积密度为准。设计颗粒贮存设备时，应以堆积密度为准。1.床层的空隙率床层的空隙率 ：单位体积颗粒床层中空隙的体：单位体积颗粒床层中空隙的体积，即：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、颗粒堆集的紧密程度，其大小与颗粒的形状、粒度分

10、布、装填方法、床层直径、所处的位置等有关。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一般颗粒床层的空隙率为0.470.470.70.7。 测量床层的空隙率的方法：充水法和称量法。测量床层的空隙率的方法：充水法和称量法。空隙颗粒颗粒床层3.2.2、颗粒床层的特性、颗粒床层的特性2.床层的比表面积床层的比表面积ab 单位体积床层中颗粒的表面积称为床层的比表面积。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，则床层的比表面积的比表面积b与颗粒的比表面积与颗粒的比表面积的关系为：的关系为： b= (1

11、- ) 床层的比表面积也可用颗粒的堆积密度估算，即：床层的比表面积也可用颗粒的堆积密度估算，即：b-颗粒的堆积密度，颗粒的堆积密度，kg/mkg/m3 3；s s颗粒的真实密度，颗粒的真实密度，kg/mkg/m3 3。 床层中某一床层截面上空隙所占的截面积（即流体可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。由截面积。 对于乱堆的颗粒床层，颗粒的定位是随机的，所对于乱堆的颗粒床层，颗粒的定位是随机的，所以可认为堆成的以可认为堆成的床层各向同性床层各向同性，即从各个方位看，颗，即从各个方位看，

12、颗粒的堆积都是相同的。对于这样的床层，其床层截面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。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。当积较大。当D/dD/dp p较小时，必须考虑壁效应。较小时，必须考虑壁效应。3. 床层的自由截面积床层的自由截面积leL u u L le de 流体在固定床内流动的简化模型 假定：假定：CLle ade)1 (4444细管的全部内表面床层流动空间流道长度润湿周边长流道长度通道截面积润湿周边长通道截面积（3-9） 2流体通过床层压降的数学描述流体

13、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：式中：pf流体通过床层的压降，流体通过床层的压降，Pa; Pa; L L床层高度，床层高度，m m； d debeb床层流道的当量直径，床层流道的当量直径，m m； u u1 1流体在床层内的实际流速，流体在床层内的实际流速，m/sm/s； u1与按整个床层截面计算的空床流速与按整个床层截面计算的空床流速u的关系为：的关系为：1uu3(1)/2fpLu212uLfdp（3-10） （3-11） （3-12） 3模型参数的实验测定模型参数的实验测定 （1）康采尼（）康采尼（Kozeny）的实验结果）的实验结果 康采

14、尼通过实验发现，在流速较低，床层雷诺数康采尼通过实验发现，在流速较低，床层雷诺数Reb2的滞留情况下，模型参数的滞留情况下，模型参数 可较好的符合下式：可较好的符合下式： 式中式中 称为康采尼常数，其值可取作称为康采尼常数，其值可取作5.0，Reb的定义为的定义为（3-13）（3-14）（3-15）（ 欧根在较宽的Reb范围内进行实验，获得如下关联式例题与解题指导例题与解题指导 1、在固定床反应器装填直径为在固定床反应器装填直径为d、高度等于直径的、高度等于直径的圆柱形催化剂圆柱形催化剂1m3。催化剂的质量。催化剂的质量G970kg，其真，其真密度密度S1750kg/m3。试求催化剂的体积当量

15、直径。试求催化剂的体积当量直径de,球形度（形状系数）球形度（形状系数）S，床层的空隙率，床层的空隙率及比表面积及比表面积ab。 解：本题为颗粒及颗粒床层特性参数的计算。解：本题为颗粒及颗粒床层特性参数的计算。 （1）催化剂颗粒的）催化剂颗粒的de及及Sde=2）床层的）床层的和和ab kg/m3 m2/m3 3.3沉降分离沉降分离 沉降涉及由颗粒和流体组成的两相流动体系沉降涉及由颗粒和流体组成的两相流动体系,属属于流体相对于颗粒的绕流问题。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：流固之间的相对运动有三种情况，即： 流体静止流体静止，固体颗粒作沉降运动；，固体颗粒作沉降

16、运动； 固体静止固体静止，流体对固体作绕流；，流体对固体作绕流； 流体和固体都运动流体和固体都运动，但二者保持一定的相对速，但二者保持一定的相对速度。度。 只要相对速度相同，只要相对速度相同， 上述三种情况并无本质区别。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沉降运动发生的前提条件是固体颗粒与流体之间存在存在密度差密度差，同时有外力场存在。，同时有外力场存在。外力场有重力外力场有重力场和离心力场场和离心力场，沉降：沉降：颗粒物质受重力、离心力、或其他电、磁力颗粒物质受重力、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。而从分散介质中分离的过程称为沉降。

17、发生的沉降过程分别称为发生的沉降过程分别称为重力沉降重力沉降和和离心沉降离心沉降。重力沉降：重力沉降：分离颗粒较大的物质分离颗粒较大的物质离心沉降：离心沉降：粒度较小的物质粒度较小的物质 颗粒沉降的基本假定颗粒沉降的基本假定 颗粒为球形颗粒为球形 各颗粒沉降时互不干扰（自由沉降，反之为各颗粒沉降时互不干扰（自由沉降，反之为干扰沉降）干扰沉降） 容器壁效率忽略容器壁效率忽略 分子布朗热运动对沉降无影响分子布朗热运动对沉降无影响 颗粒沉降过程受力：颗粒沉降过程受力：重力：重力：浮力：浮力：阻力：阻力：gdmgS36gdF流3624022udPAFf阻3.3.1 重力沉降分离 根据牛顿第二运动定律，

18、颗粒所受三个力的合力应等根据牛顿第二运动定律，颗粒所受三个力的合力应等于颗粒的质量与加速度的乘积，即：于颗粒的质量与加速度的乘积，即： Fg-Fb-Fd= ma 将表面光滑的刚性球形颗粒置于静止的流体介质中，若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颗粒的密度大于流体的密度，则颗粒将在流体中降落ddududgdss32236)2(4)(6或：或：（一）球形颗粒的自由沉降（一）球形颗粒的自由沉降1沉降速度沉降速度 由此可得由此可得沉降速度沉降速度：3)(4stgdu式中式中u ut t颗粒的自由沉降速度，颗粒的自由沉降速度，m/sm/s；d

19、d颗粒直径，颗粒直径，m m；r rs s，r r分别为颗粒和流体的密度，分别为颗粒和流体的密度，kg/mkg/m3 3；g g-重力加速度，重力加速度，m/sm/s2 2; ;2.阻力系数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：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滞流区或斯托克斯定律区（10-4Ret1)过渡区或艾仑定律区过渡区或艾仑定律区（ 1Ret103）湍流区或牛顿定律区湍流区或牛顿定律区（ 103Ret2105）tRe246.0Re5.18t44. 0将阻力系数的计算式代入，得到不同颗粒雷诺数范围内将阻力系数的计算式代入，得到不同颗粒

20、雷诺数范围内ut的计算式：的计算式：18)(2gdust6 . 0Re)(27. 0tstgdugdust)(74. 1湍流区湍流区过渡区过渡区滞流区滞流区影响沉降影响沉降速度的因素速度的因素流体的粘度流体的粘度颗粒的颗粒的体积浓度体积浓度颗粒的颗粒的体积浓度体积浓度颗粒形状颗粒形状的影响的影响3）影响沉降速度的因素当颗粒体积较高时当颗粒体积较高时,便发生干扰沉降便发生干扰沉降当容器尺寸远远大于颗粒尺寸时，器壁效应可忽略，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

21、降快一些。颗粒的沉降快一些。 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。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由于在计算出u ut t之前之前ReRet t的大小未知，因此要通过试的大小未知，因此要通过试差确定应该选取的计算公式。差确定应该选取的计算公式。即：先假设沉降属于某一流型，则可直接选用与该即：先假设沉降属于某一流型，则可直接选用与该流型相应的沉降速度公式计算，然后按求出的流型相应的沉降速度公式计算，然后按求出的u ut t检检验验ReRet t值是否在原假设的流型范围内。值是否在原假设的流型范围内。（2）摩擦数群法该法是将该法是将与

22、雷诺数的关系曲线加以转换，使其两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个坐标轴之一变成不包含u ut t的无量纲数群，进而便的无量纲数群，进而便可得可得u ut t又因为:上两式相乘可消去ut，即:再令: 得到: （3）无因次判别因子）无因次判别因子 由：由：在斯托克斯定律区，在斯托克斯定律区，ReRet t11，则，则K K2.622.62，同理，将式同理，将式3-333-33代入雷诺准数定义式，由代入雷诺准数定义式，由ReRet t=1000=1000可得可得牛顿定律区的下限值为牛顿定律区的下限值为69.169.1。因此，因此，K K2.622.62为为斯托克斯定律区斯托

23、克斯定律区，2.622.62K K为为牛顿定律区牛顿定律区。阻力系数阻力系数Re0关系图关系图1) 降尘室降尘室 作用：作用：分离气体中尘粒的重力沉降设备。分离气体中尘粒的重力沉降设备。 操作：操作：在气体从降尘室入口流向出口的过程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。来，否则将被气体带出。2.重力沉降设备重力沉降设备这是一个大空

24、箱，含尘气体从这是一个大空箱，含尘气体从一端进入，以流速一端进入，以流速u水平通过水平通过降尘室，尘埃以自由沉降速度降尘室，尘埃以自由沉降速度ut 向室底沉降，只要能保证气向室底沉降，只要能保证气体在室内停留时间足够长，以体在室内停留时间足够长，以便颗粒达到室底面，便能在出便颗粒达到室底面，便能在出口得到净化的气体。口得到净化的气体。 重力沉降分离设备(1)(1)单层降尘室单层降尘室 （1）工作原理工作原理 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。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

25、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雷诺数处于层流区层流区，防止将已沉降下来的颗粒重新，防止将已沉降下来的颗粒重新卷起。卷起。 一般降尘室内一般降尘室内气体速度应不大于气体速度应不大于3m/s，具体数值应，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（如淀粉、炭黑等），气体速度应低于1m/s。

26、降尘室结构降尘室结构简单、阻力小，但体积庞大、分离效简单、阻力小，但体积庞大、分离效率低，只适合于分离直径在率低，只适合于分离直径在75m以上的粗粒，以上的粗粒， 一般作预除尘用。一般作预除尘用。例题例题2 2 采用降尘室回收常压炉气中所含球形固体颗采用降尘室回收常压炉气中所含球形固体颗粒。降尘室底面积为粒。降尘室底面积为1010，高宽均为，高宽均为2m2m。操作条件下。操作条件下气体密度为气体密度为0.75kg/m0.75kg/m3 3，粘度为，粘度为2.62.6 1010-5-5PaPa s s，颗粒密，颗粒密度为度为3000 kg/m3000 kg/m3 3。气体体积流量为。气体体积流量

27、为3m3m3 3/s/s。试求：。试求：（1 1）可完全回收的最小颗粒直径；可完全回收的最小颗粒直径； (2) (2) 粒径为粒径为40 40 m m的颗粒的回收百分率的颗粒的回收百分率. .（3 3）如将降尘室改为多层以完全回收）如将降尘室改为多层以完全回收1010 m m的颗粒，的颗粒，求多层降尘室的层数。求多层降尘室的层数。 解：解：(1)理论上能完全捕集下来的最小颗粒直径理论上能完全捕集下来的最小颗粒直径 由式由式3-22可知，在降尘室中能够完全被分离出来可知，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的最小颗粒的沉降速度为blVust由于粒径为待求参数，沉降雷诺准数由于粒径为

28、待求参数，沉降雷诺准数Ret和判断因子和判断因子K都都无法计算无法计算故需故需采用试差法采用试差法。假设沉降在滞流区，则可用假设沉降在滞流区，则可用斯托克斯公式斯托克斯公式求最小颗粒直求最小颗粒直径，即径，即81. 9*30003 . 0*10*6 . 2*18)(185mingudst=6.91*10-5m =3/10=0.3ms Ret=55min10*6 . 275. 0*3 . 0*10*91. 6tud=0.5981原设在滞流区沉降正确，求得的最小粒径有效。原设在滞流区沉降正确，求得的最小粒径有效。2)40m颗粒的回收百分率颗粒的回收百分率 假设颗粒在炉气中的分布是均匀的，则在气体的

29、停留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。粒被分离下来的分率。 核算沉降流型核算沉降流型由于各种尺寸颗粒在降尘室内的由于各种尺寸颗粒在降尘室内的停留时间均相同停留时间均相同，故故40 m颗粒的回收率也可用其沉降速度颗粒的回收率也可用其沉降速度ut与与 69.1m颗粒的沉降速度颗粒的沉降速度ut之比来确定，之比来确定，在斯托克斯定律区则为在斯托克斯定律区则为 回收率回收率=ut /ut=(d/dmin)2=(4069.1)2=0.335即回收率为即回收率为33.5。526210

30、*6.2*1881.9*3000*)10*10(18)(gds69.46110*29. 6*10313tsbluV(3)需设置的水平隔板层数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多层降尘室中需设置的水平隔板层数用式数用式3-22a计算计算。由上面计算可知，由上面计算可知，l0m颗粒的沉降必在滞流区，颗粒的沉降必在滞流区，可用斯托克斯公式计算沉降速度，即可用斯托克斯公式计算沉降速度，即=6.29X10-3ms，取47层n=ut=14721nH2*23bHVs 隔板间距为 h核算气体在多层降尘室内的流型：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，则气体的流速为若忽略隔板

31、厚度所占的空间，则气体的流速为 u=0.75ms .0.042m)(*2042. 0*2*4)(24hbhbbhde0.082m510*6 . 275. 0*75. 0*082. 0ude=1774 所以 Re即气体在降尘室的流动为滞流，设计合理。即气体在降尘室的流动为滞流，设计合理。 有一降尘室，长、宽、高分别为有一降尘室，长、宽、高分别为1164m，沿沉降室高度的中间加一层隔板。现需使用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。已知此降尘室处理常压下的烟气。已知烟气处理烟气处理量为量为12500标准标准m3/h，烟气的温度为，烟气的温度为150，密，密度为度为0.85

32、kg/m3,粘度为粘度为2.510-5Pa.s。问此降问此降尘室能否沉降密度为尘室能否沉降密度为1600 kg/m3 ,直径为直径为35m以上的尘粒？以上的尘粒？例例 题题3Vs=V0T/T0=12500423/273=19368.13m3/h=5.38m3/s（2） 求求ut u=Vs/A=5.38/(46)=0.224m/s Ut(uH/L)=0.224(4/2)/11=0.041m.s-1（3）求）求dp 设为层流沉降设为层流沉降,则则 dp=(180.022510-30.041)/(1600-0.85)9.8070.5 =32.510-6m=32.5m 验算：验算：Rep=(32.51

33、0-60.0410.85)/(0.022510-3) =0.051 假设正确假设正确 （4）因为）因为32.535，所以此降尘室能除去直径为，所以此降尘室能除去直径为35m以上的尘粒。以上的尘粒。（1） 求求Vs2) 沉降槽沉降槽 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，沉降槽又称为澄清液体的设备。所以，沉降槽又称为增浓器和澄清增浓器和澄清器器。沉降槽可间歇操作也可连续操作。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液在槽内静置

34、足够时间后足够时间后，增浓的沉渣由槽底排出，增浓的沉渣由槽底排出，清液则由槽上部排出管抽出。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，连续沉降槽是底部略成锥状的大直径浅槽， 如图如图3-6所示。所示。 悬浮液经中央进料口送到液面以下悬浮液经中央进料口送到液面以下0.31.0处，处，在尽可能减小扰动的情况下，迅速分散到整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，称为端四周的溢流堰连续流出，称为溢流溢流； 固体颗粒下沉至底部，槽底有徐徐旋转的耙固体颗粒下沉至底部，槽底有徐徐旋转的

35、耙将沉渣缓慢地聚拢到底部中央的排渣口连续将沉渣缓慢地聚拢到底部中央的排渣口连续排出。排出的稠浆称为排出。排出的稠浆称为底流底流。 连续沉降槽的直径，小者为数米，大者可达数连续沉降槽的直径，小者为数米，大者可达数百米；百米； 连续沉降槽连续沉降槽适合于处理量大，浓度不高，颗粒适合于处理量大，浓度不高，颗粒不太细的悬浮液，常见的污水处理就是一例。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经沉降槽处理后的沉渣内仍有约50%的液体。的液体。 沉降槽有沉降槽有澄清液体和增浓悬浮液澄清液体和增浓悬浮液的双重功能。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为了获得澄

36、清液体，沉降槽必须有足够大的横截面积，面积，以保证任何瞬间液体向上的速度小于颗粒以保证任何瞬间液体向上的速度小于颗粒的沉降速度。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。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。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，在沉降槽的增浓段中，大都发生颗粒的干扰沉降，所进行的过程称为所进行的过程称为沉聚过程沉聚过程。 为了在给定尺寸的沉降槽内获得最大可能的生产

37、能力，为了在给定尺寸的沉降槽内获得最大可能的生产能力，应尽可能提高应尽可能提高沉降速度沉降速度。 向悬浮液中添加少量电解质或表面活性剂，使颗粒发向悬浮液中添加少量电解质或表面活性剂，使颗粒发生生“凝聚凝聚”或或“絮凝絮凝”； 改变一些改变一些物理条件物理条件（如加热、冷冻或震动），使颗粒（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；的粒度或相界面积发生变化，都有利于提高沉降速度； 沉降槽中的沉降槽中的装置搅拌耙装置搅拌耙，除能把沉渣导向排出口外，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，并能促使还能减低非牛顿型悬浮物物系的表观粘度，并能促使沉

38、淀物的压紧，从而加速沉聚过程。沉淀物的压紧，从而加速沉聚过程。3) 分级器分级器 利用重力沉降可将悬浮液中不同粒度的颗粒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。级操作的设备称为分级器。 a.平流沉降平流沉降: 风车分离稻谷（丰实谷粒、半丰粒、瘪壳、风车分离稻谷（丰实谷粒、半丰粒、瘪壳、稻草叶、茸毛叶）稻草叶、茸毛叶）b.竖流沉降：竖流沉降：3.3.2离心沉降离心沉降 依靠依靠惯性离心力惯性离心力作用下实现的沉降过程称为离心

39、沉作用下实现的沉降过程称为离心沉降。降。 对于两相对于两相密度差较小密度差较小，颗粒较细的非均相物系，在，颗粒较细的非均相物系，在离心力场中可得到较好的分离。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通常，气固非均相物质的离心沉降是在旋风旋风分离器分离器中进行，液固悬浮物系的离心沉降可在中进行，液固悬浮物系的离心沉降可在旋液旋液分离器分离器或离心机中进行。或离心机中进行。 离心沉降原理离心沉降原理 离心沉降利用沉降设备使流体和颗粒旋转，离心沉降利用沉降设备使流体和颗粒旋转，在在离心力作用下离心力作用下，由于流体和颗粒间存在，由于流体和颗粒间存在密度差密度差，所以颗粒沿径向

40、与流体产生，所以颗粒沿径向与流体产生相对相对运动运动，从而使颗粒和流体，从而使颗粒和流体分离分离。 由于在高速旋转的流体中，颗粒所受的由于在高速旋转的流体中，颗粒所受的离离心力比重力大得多心力比重力大得多，且可依需要调节，所，且可依需要调节，所以其以其分离效果好于重力沉降分离效果好于重力沉降。1.惯性离心力作用下的沉降速度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。在与转轴距离为离心力场。在与转轴距离为R、切向速度为、切向速度为uT的位置上，的位置上，惯性离心力场强度为惯性离心力场强度为 (即即离心加速度离心加

41、速度). RuT2显见，惯性离心力场强度不是常数，随位置及切向显见，惯性离心力场强度不是常数，随位置及切向速度而变，速度而变，其方向其方向是沿旋转半径从是沿旋转半径从中心指向外周中心指向外周。重力场强度重力场强度g(即重力加速度即重力加速度)基本上可视作常数，基本上可视作常数，其其方向指向地心。方向指向地心。惯性离心力场中颗粒在径向上也受到惯性离心力场中颗粒在径向上也受到三个力的作用三个力的作用，即即惯性离心力惯性离心力;向心力向心力(与重力场中的浮力相当，其方与重力场中的浮力相当，其方向为沿半径指向为沿半径指 向旋转中心向旋转中心) ;阻力阻力(与颗粒径向运动方与颗粒径向运动方向相反，其方向

42、为沿半径指向相反，其方向为沿半径指 向中心向中心)。 RudTs236RudT2362422rud惯性离心力惯性离心力=向心力向心力=阻力阻力=球形颗粒的直径为球形颗粒的直径为d、密度为、密度为s s;流体密度为流体密度为，颗粒与中心轴的距，颗粒与中心轴的距离为离为R，切向速度为，切向速度为uT;ur代表颗粒与流体在径向上的相代表颗粒与流体在径向上的相对速度，对速度，ms。 RudTs236RudT2362422rudRuduTsr23)(4RuT2如果上述如果上述三个力达到平衡三个力达到平衡，则，则-平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度ur，便是它在此

43、位置上的离心沉降速度。上式对便是它在此位置上的离心沉降速度。上式对ur求解得求解得 比较式比较式3-33与式与式3-20可以看出，颗粒的离心沉降可以看出，颗粒的离心沉降速度速度ur与重力沉降速度与重力沉降速度ut具有相似的关系式，具有相似的关系式，若将若将重力加速度重力加速度g改为改为离心加速度离心加速度则式则式320便变为式便变为式3-33。 =0 (3-33)RuduTsr2218)(二者又有二者又有明显的区别明显的区别，首先，离心沉降速度，首先，离心沉降速度ur不是不是颗粒运动的绝对速度，而是绝对速度在颗粒运动的绝对速度，而是绝对速度在径向上的分量径向上的分量;且且方向不是向下而是沿半径

44、向外方向不是向下而是沿半径向外；再者，离心沉降速度再者，离心沉降速度ur不是恒定值不是恒定值，随颗粒在离心，随颗粒在离心力场中的位置力场中的位置(R)而变，而重力沉降速度而变，而重力沉降速度ut则是恒定的则是恒定的.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, 阻力系数阻力系数也可用式也可用式321表示，于是得到表示，于是得到 (3-34)cTtrKgRuuu2式式3-34与式与式324相比可知，同一颗粒在同种介质中相比可知，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的离心沉降速度与重力沉降速度的比值为 比值比值Kc就是粒子所在位置上

45、的惯性离心力场强度与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，称为重力场强度之比，称为离心分离因数离心分离因数。分离因数是离心分离设备的重要指标。分离因数是离心分离设备的重要指标。 (3-35)nDDgDnrgnrrgut22222212层流时层流时n = 1/2过渡流过渡流 0.5ndc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BB / ddc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dB1/2BBddc入器时距离1%1%）的场合。）的场合。 固体颗粒并不形成滤饼，而是沉积于较厚的粒状对固体颗粒并不形成滤饼，而是沉积于较厚的粒状对

46、滤介质床层内部的过滤操作。滤介质床层内部的过滤操作。深床过滤主要用于净化深床过滤主要用于净化含固量很少（含固量很少（0.1%）流体，如水净化等。）流体，如水净化等。过滤的操作：过滤的操作：过滤操作方式过滤操作方式：过滤操作分为间歇式与连续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离心过滤深床过滤深床过滤织物介质织物介质 最常用的过滤介质，工业上称为滤布最常用的过滤介质，工业上称为滤布( (网网) )，由天然纤维、玻璃纤维、合成纤维或者金属丝编织而由天然纤维、玻璃纤维、合成纤维或者金属丝编织而成。可截留的最小

47、颗粒的直径为成。可截留的最小颗粒的直径为5-655-65微米。微米。多孔固体介质多孔固体介质 具有很多微细孔道的固体材料，如多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，能截孔陶瓷、多孔金属及多孔性塑料制成的管或板，能截留留1-3m1-3m的微小颗粒。的微小颗粒。堆积介质堆积介质 由沙、木炭之类的固体颗粒堆积而成的床由沙、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层，称作滤床，用作过滤介质使含少量悬浮物的液体澄清。澄清。多孔膜多孔膜 用于膜过滤的各种有机分子膜和无机材料膜。用于膜过滤的各种有机分子膜和无机材料膜。 2 2） 过滤介

48、质的要求：过滤介质的要求： 多孔、阻力小、有良好的截留分离作用。多孔、阻力小、有良好的截留分离作用。 性能稳定、耐热耐腐。性能稳定、耐热耐腐。 强度高。强度高。 3.3.滤饼的压缩性和助滤剂：滤饼的压缩性和助滤剂：主要是对滤饼作支承作用。主要是对滤饼作支承作用。防止可压缩性滤饼堵塞毛细孔。防止可压缩性滤饼堵塞毛细孔。 材料：材料：硅藻土、珍珠岩硅藻土、珍珠岩 使用方法：使用方法： 预涂在过滤介质上预涂在过滤介质上加入悬浮液中同时过滤加入悬浮液中同时过滤1. 1. 滤液通过饼层的流动滤液通过饼层的流动 简化流动模型：简化流动模型： 层流直管中流动阻力层流直管中流动阻力 泊稷叶泊稷叶Poiseul

49、lePoiseulle公式公式dulP232lPdu322即 滤渣层中流动特点：滤渣层中流动特点：I 滤渣层中存在曲折流动通道滤渣层中存在曲折流动通道 （基本事实（基本事实1）II 通道很小、流速很低（基本事实通道很小、流速很低（基本事实2）III 层流（基本假定）层流（基本假定） 3.4.2 过滤基本方程式过滤基本方程式 3.4.2 3.4.2 过滤基本方程式过滤基本方程式过滤速率过滤速率过滤速度过滤速度单位时间获得的滤液体积单位时间获得的滤液体积单位过滤面积上的过滤速率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若过滤过程中其他因素维持不变，则由于滤饼厚度不

50、断增加过滤速度会逐渐变小。任一瞬间的过滤速度会逐渐变小。任一瞬间的过滤速度过滤速度应写成如下形式应写成如下形式)()1 (5223LpAaddVc)()1 (5223LpaAddVuc过滤阻力滤饼阻力滤饼阻力介质阻力介质阻力过滤总阻力过滤总阻力rLR 322)1 (5armmRpAddV)()(mmmcRRpRRppAddV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Le的滤饼层的阻力，即 meRrL则上式可写为)()(eLLrprLerLpAddVr-r-滤饼的比阻，滤饼的比阻，l/ml/m2 2R-R-滤饼阻力，滤饼阻力，l/ml/m过滤基本方程式不可压缩滤饼不可压缩滤饼可压缩滤饼

51、可压缩滤饼)(eqqrvpddqVqAAVqeesprr)()(1esqqvrpddq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。滤液量与过滤时间滤液量与过滤时间 (1) (1)过滤操作方式过滤操作方式 vrk,1esV

52、VpkAddV12对于一定的悬浮液，若对于一定的悬浮液，若、r r，及及v v皆可视为常数，令皆可视为常数，令 式中式中 k k表征过滤物料特性的常数，表征过滤物料特性的常数，m m4(N(Ns)s)或或m m2(Pa(Pas)s)将式将式3-543-54代人式代人式3-533-53，得，得 恒压过滤时，压强差恒压过滤时，压强差p p不变，不变，k k、A A、s s、VeVe又都是常数，又都是常数，恒压过滤恒压过滤)(2221esVVKAddVPkKa.a.恒压过滤方程恒压过滤方程2220022:2)(KAVVVKqqqdKdqqqeeqe或积分可得3.4.3 3.4.3 恒压过滤恒压过滤

53、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222KAVKq或eeeeKAVKq222或)()()()(222eeeeeKAVVKqq或 图中的图中的obob线线表示实际过滤中的滤液量表示实际过滤中的滤液量V V与过滤时与过滤时间间的关系，而的关系，而O Oe eO O则表示与介质阻力相对应的虚则表示与介质阻力相对应的虚拟过滤时间拟过滤时间e虚拟体积虚拟体积之间的关系。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：设计型：已知要求处理的悬浮

54、液量及操作压差p，求所需的过滤面积。 b.操作型：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)恒速过滤恒速过滤恒速过滤方程22222)(2AKVVVKqqqqqqKddqeee或常数 (4)先恒速后恒压过滤先恒速后恒压过滤)()(2)()()(2)(12121211212KAVVVVVKqqqqqee或)()(2)()()(2)(2)(1212121121211KAVVVVVKqqqqqdKdqqqeeqqe或：222KAVKq或vrprvpKs221一齐称为总过滤常数与和单位分别为称为介质常数小的常数是反映过滤介质阻力大Kmms

55、qee,23)(2)(22eeqqKddqVVKAddV速率单位过滤面积上的过滤过滤速率过滤常数的测定 1500 1000 q 500 0 0 0.025 0.05 0.075 q 恒压下恒压下K、qe、e的测定的测定将恒压过滤方程式将恒压过滤方程式)(2eeKqq微分得微分得Kddqqqe2即在恒压过滤条件下，即在恒压过滤条件下，/q /q 与与 q q 的函数的函数关系是以关系是以 1 1/K /K 为斜率、为斜率、2q2qe e/K /K 为截距的直线，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实验测得不同时刻单位过滤面积的累积滤液量 q q，即，即可由上式回归出可由上式回归

56、出 K K 和和 q qe e。斜率1/K12sKkp压缩性指数压缩性指数s s的测定的测定由过滤常数 K 的定义式 lglglg21KpksK K p p) )为直线方程，斜率为为直线方程，斜率为 (1(1-s-s) )、截、截距为距为2k2k。在不同压差在不同压差 p p 下进行恒压过滤实验，下进行恒压过滤实验，求得一系列与之对应的过滤常数求得一系列与之对应的过滤常数 K K，再通再通过上式回归出滤饼常数过上式回归出滤饼常数 k k 和压缩指数和压缩指数 s s。 【例例 2 2】在在9.819.8110103 3PaPa的恒定压力差下过滤某的恒定压力差下过滤某种的悬浮液。悬浮液中固相为直

57、径种的悬浮液。悬浮液中固相为直径0.1mm0.1mm的球形的球形颗粒，固相体积分率为颗粒，固相体积分率为10%10%，过滤时形成空隙率，过滤时形成空隙率为为60%60%的不可压缩滤饼。已知水的粘度为的不可压缩滤饼。已知水的粘度为1.01.01010-3-3PasPas，过滤介质阻力可以忽略，过滤介质阻力可以忽略，试求：试求：（1 1）每平方米过滤面积上获得）每平方米过滤面积上获得1.5m1.5m3 3滤液所需的滤液所需的过滤时间；过滤时间；（2 2）若将此过滤时间延长一倍，可再得滤液多）若将此过滤时间延长一倍，可再得滤液多少？少？解：（1）过滤时间）过滤时间 已知过滤介质阻力可以忽略时的恒压过

58、滤方程式已知过滤介质阻力可以忽略时的恒压过滤方程式为：为：单位面积上所得滤液量单位面积上所得滤液量q=1.5m3/m2过滤常数过滤常数对于不可压缩滤饼对于不可压缩滤饼，s=0,常数常数，已已知知 =9.81103Pa 球形颗粒的比表面为球形颗粒的比表面为=1.010-3Pas，滤饼的空隙率滤饼的空隙率0.60.6m2/m3又根据料浆中的固相含量及滤饼的空隙率，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可求出滤饼体积与滤液体积之比。形成形成1m3滤饼需要固体颗粒滤饼需要固体颗粒0.4m3，所对应的料浆量是所对应的料浆量是4m3，因此，形成因此，形成1m3滤饼可得到滤饼可得

59、到4-1=3m3滤液，则滤液，则 m3/m3m2/s所以所以（2）过滤时间加倍时增加的滤液量）过滤时间加倍时增加的滤液量即每平方米过滤面积上将再得即每平方米过滤面积上将再得0.62m3滤液。滤液。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)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

60、：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 滤饼的洗涤滤饼的洗涤 wddV)(wwwddVV)(