第二章机械分离

1、目录第三章 机械分离第一节 过滤 一、概述一、概述二、过滤的基本理论二、过滤的基本理论三、过滤的计算三、过滤的计算习题课习题课目录 第二节 沉降 一、重力沉降一、重力沉降二、离心沉降二、离心沉降三、离心分离三、离心分离习题课习题课目录 第三节 机械分离原理在食品工业中的应用一、概述一、概述二、常用的食品工业机械分二、常用的食品工业机械分离设备离设备三、食品工业机械分离新技三、食品工业机械分离新技术术 小结 第三章第三章 机械分离机械分离 非均相物系非均相物系均相物系均相物系分离分离 悬浮液悬浮液-固固-液混合物液混合物乳浊液乳浊液-液液-液混合物液混合物含尘气体含尘气体-气气-固混合物固混合物

2、 含雾气体含雾气体-气气-液混合物液混合物-筛分、沉降、过滤筛分、沉降、过滤-将在下册中介绍将在下册中介绍第一节第一节 过滤过滤 滤滤饼饼过过滤滤深深层层过过滤滤两两种种过过滤滤方方式式一、概述一、概述深层过滤深层过滤 这种过滤是在过这种过滤是在过滤介质内部进行的滤介质内部进行的，介质表面无滤饼，介质表面无滤饼形成。过滤用的介形成。过滤用的介质为粒状床层或素质为粒状床层或素烧（不上釉的）陶烧（不上釉的）陶瓷筒或板。瓷筒或板。 此法适用于从液此法适用于从液体中除去很小量的体中除去很小量的固体微粒，例如饮固体微粒，例如饮用水的净化。用水的净化。一、概述一、概述滤浆滤饼过滤介质滤液-推动力：重力、压

3、力、离心力推动力：重力、压力、离心力 滤滤饼饼过过滤滤深深层层过过滤滤两两种种过过滤滤方方式式滤饼过滤滤饼过滤一、概述一、概述滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤滤饼过滤工业用过滤介质主要有：工业用过滤介质主要有： 棉、麻、丝、毛、合成纤维、金棉、麻、丝、毛、合成纤维、金属丝等编织成的滤布。属丝等编织成的滤布。过滤介质：过滤介质：多孔性介质、耐腐蚀、耐热并具有足够的机械强度。多孔性介质、耐腐蚀、耐热并具有足够的机械强度。一、概述一、概述滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤滤饼过滤滤饼的压缩性：滤饼的压缩性： 空隙结构易变形的滤饼为可压缩滤饼。空隙结构易变形的滤饼为可压缩滤饼。 一、概述一、概述滤浆滤饼过滤介质

4、滤液滤饼过滤滤饼过滤 使用时，可预涂，也可以混使用时，可预涂，也可以混入待滤的滤浆中一起过滤。入待滤的滤浆中一起过滤。 助滤剂能形成结构疏松、而助滤剂能形成结构疏松、而且几乎是不可压缩的滤饼。可改且几乎是不可压缩的滤饼。可改善原滤饼的可压缩性和过于致密善原滤饼的可压缩性和过于致密的缺点。的缺点。 助滤剂：助滤剂：-是颗粒细小、粒度分布范围较窄、坚硬而悬浮性好是颗粒细小、粒度分布范围较窄、坚硬而悬浮性好 的颗粒状或纤维固体，如硅藻土、纤维粉末、活性的颗粒状或纤维固体，如硅藻土、纤维粉末、活性 炭、石棉。炭、石棉。二、过滤基本方程二、过滤基本方程 L u V -即为流速，即为流速，单位时间内通单位

5、时间内通过单位过滤面积的滤液体积过单位过滤面积的滤液体积过滤速度过滤速度uAVq 其其中中ddddqAVu 滤饼过滤过程中，滤饼逐渐增厚，流动阻力也随之逐滤饼过滤过程中，滤饼逐渐增厚，流动阻力也随之逐渐增大，所以过滤过程属于不稳定的流动过程。故渐增大，所以过滤过程属于不稳定的流动过程。故 A二、过滤基本方程二、过滤基本方程 L le u de u 流体在固定床内流动的简化模型 (1)细管长度细管长度le与床层高度与床层高度L成正比成正比(2)细管的内表面积等于全部颗粒的表面积，细管的内表面积等于全部颗粒的表面积， 流体的流动空间等于床层中颗粒之间的全部空隙体积。流体的流动空间等于床层中颗粒之间

6、的全部空隙体积。1、过滤基本方程的推导、过滤基本方程的推导简化模型简化模型：假定：假定：LKle0 润湿周边润湿周边流通截面积流通截面积 4ed 1444aVaVB细细管管的的全全部部内内表表面面积积细细管管的的流流动动空空间间真实速度真实速度 u u 1aaB滤饼体积滤饼体积滤饼的比表面积滤饼的比表面积颗粒的比颗粒的比表面积表面积二、过滤基本方程二、过滤基本方程221udlpweef L le u u de u 流体在固定床内流动的简化模型 eR64 滤饼内，雷诺数很小，属层流流动，滤饼内，雷诺数很小，属层流流动， ude eR2132eedlpu 1p -哈根哈根-泊谡叶方程泊谡叶方程le

7、、de表达式（表达式（见上页见上页） uu AuuA 由质量守恒得：由质量守恒得：滤饼截滤饼截面积面积A二、过滤基本方程二、过滤基本方程 LpaKu 1220312 Lrp 1 ddqAddVu 过滤阻力过滤阻力过滤推动力过滤推动力 eLrpLrpu 22 介质阻力）介质阻力）（滤饼阻力（滤饼阻力过滤总推动力过滤总推动力 eLLrpu p2 p1u 2322012 maKr比比阻阻，单单位位令令 思考：思考：影响过滤阻力的因素有哪些？影响过滤阻力的因素有哪些？ 影响过滤速度的因素有哪些？影响过滤速度的因素有哪些？二、过滤基本方程二、过滤基本方程 eVVcrpA AddV 设每获得单位体积滤液时

8、，被截留在过滤介质上的滤饼体设每获得单位体积滤液时，被截留在过滤介质上的滤饼体积为积为c（m3滤饼滤饼/m3滤液），则滤液），则 sprr 0令令ddVesVVcrpA012AcVL AcVLee eLLrpu 滤滤饼饼滤滤液液1c思考：思考：滤饼中全是固体物吗？滤饼中全是固体物吗？压缩指数压缩指数0s1（可压缩滤饼）（可压缩滤饼）s=0（不可压缩滤饼）（不可压缩滤饼）二、过滤基本方程二、过滤基本方程 crpKs012 令令 eVVKAddV 22 eqqKddq 2 -过滤基本方程过滤基本方程过滤常数，过滤常数，由实验测定由实验测定 pu思考：思考：影响影响K的因素有哪些？的因素有哪些？ 影

9、响影响Ve或或qe的因素有哪些？的因素有哪些？二、过滤基本方程二、过滤基本方程 crpKs012 32212 Car影响影响K的因素：的因素：影响影响qe或或Ve 的因素：的因素：滤饼性质（滤饼性质（s、 、a）滤浆性质（滤浆性质（c、 ）推动力（推动力（ p）过滤介质的性质（孔的结构、过滤介质的性质（孔的结构、 、r0、厚度）、厚度） pu二、过滤基本方程二、过滤基本方程 222KAVVVe 2、恒压过滤、恒压过滤 crpKs012 过过滤滤阻阻力力过过滤滤推推动动力力 AddVu eVVKA 2 pu 表观速度表观速度特点：特点： K为常数为常数 积分得：积分得： 或或 Kqqqe 22若

10、过滤介质阻力可忽略不计，则若过滤介质阻力可忽略不计，则 22KAV 或或 Kq 2，过滤速度愈来愈小。，过滤速度愈来愈小。恒压过滤方程恒压过滤方程三、过滤常数的测定三、过滤常数的测定eqKqKq21 1500 1000 q 500 0 0 0.025 0.05 0.075 q 斜率1/K截距2qe/KCpsK log)1(log crpKs012 恒压时：恒压时： Kqqqe 22log plogK作图求出压作图求出压缩指数缩指数s /qq图三、过滤计算三、过滤计算辅辅助助时时间间洗洗涤涤时时间间过过滤滤时时间间操操作作周周期期 生产能力：生产能力： 操作周期：操作周期： 单位时间内获得的滤液

11、量或滤饼量单位时间内获得的滤液量或滤饼量 。RwFc)/(360036003hmVVQRwFc 1 1、生产能力、生产能力 （一）（一） 间歇过滤机的计算间歇过滤机的计算2、滤饼的洗涤、滤饼的洗涤 洗涤液 w p Lw u 表观速度 洗洗涤涤速速度度)(22eVFVKAFddV 思考：思考：洗涤阻力与洗涤阻力与哪些因素有关？哪些因素有关？与滤饼厚度、滤饼性质、洗涤液粘度、介质阻力有关 v推动力、阻力不变推动力、阻力不变v洗涤速度为常数。洗涤速度为常数。思考：思考：洗涤过程与过滤过程的有何异同？洗涤过程与过滤过程的有何异同？若推动力相同，滤液与洗水粘若推动力相同，滤液与洗水粘度相同，则：度相同，

12、则：2、滤饼洗涤、滤饼洗涤洗洗板板板框压滤机板框压滤机框框非非洗洗板板洗洗板板洗涤液流出洗涤液流出洗洗涤涤液液入入口口洗涤速率为最终过滤速率的洗涤速率为最终过滤速率的，其中，其中置换法置换法=1，横穿法，横穿法 =1/4洗水量与最终滤液量的洗水量与最终滤液量的J J倍倍22)(2)(2KAVVJVVVKAJVddVVeFFeFFwww 3、最佳操作周期、最佳操作周期 板板 框框 悬浮液悬浮液 入口入口最佳操作周期：最佳操作周期： 生产能力最大时的操作周期生产能力最大时的操作周期令令dQdV=0可得：可得：wFR 若过滤、洗涤的操作压力相同若过滤、洗涤的操作压力相同 滤液滤液 洗涤液洗涤液 w

13、介质阻力忽略不计介质阻力忽略不计-最佳操作周期最佳操作周期 RVQ 2max Roptc 2, （二）、连续过滤机的计算（二）、连续过滤机的计算置换洗涤：置换洗涤：Lw=L ，Aw=A属连续式属连续式过滤、洗涤、吹松、刮渣过滤、洗涤、吹松、刮渣转筒转筒-筒的侧壁上覆盖有金属网，长、径之比约为筒的侧壁上覆盖有金属网，长、径之比约为1/2 2，滤布滤布-蒙在筒外壁上。蒙在筒外壁上。分配头分配头-转动盘、固定盘转动盘、固定盘 浸没于滤浆中的过滤面积约占全部面积的浸没于滤浆中的过滤面积约占全部面积的30 40%转速为转速为0.1至至2 3（转（转/分）分） 一个操作循环：一个操作循环：特点：特点：结构

14、：结构：请点击观看动画请点击观看动画3、转筒真空过滤机、转筒真空过滤机 回转真空过滤机上的转筒过滤区过滤区洗涤区洗涤区吹干区吹干区卸渣区卸渣区Tn 1操操作作周周期期nVTVQ 222KAVVVe 其中：其中：操作周期：操作周期： 生产能力：生产能力： 思考：思考：对转筒真空过滤机，上式中对转筒真空过滤机，上式中V、Ve、A、 怎么取值？按过滤区？还是按怎么取值？按过滤区？还是按整个转筒？整个转筒？均可。均可。按整个转筒取：按整个转筒取：V，Ve，A， = T按过滤区取：按过滤区取： V， Ve， A， = TT 式式中中， n 浸没分数浸没分数（转筒（转筒浸入面积占全部浸入面积占全部转筒面积

15、的分率）转筒面积的分率）3、转筒真空过滤机、转筒真空过滤机 回转真空过滤机上的转筒过滤区过滤区洗涤区洗涤区吹干区吹干区卸渣区卸渣区nKAV 22 若介质阻力忽略不计，则若介质阻力忽略不计，则 nKAnKnAQ Qn, 可见：可见：但这类方法受到一定的限制但这类方法受到一定的限制 习题课习题课【例例】 某板框过滤机有某板框过滤机有5个滤框，框的尺寸为个滤框，框的尺寸为635 635 25mm。过滤操作在。过滤操作在20、恒定压差下进行，过滤常数、恒定压差下进行，过滤常数K=4.24 10-5m2/s，qe=0.0201m3/m2，滤饼体积与滤液体积之，滤饼体积与滤液体积之比比c=0.08 m3/

16、m3，滤饼不洗涤，卸渣、重整等辅助时间为，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。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。转筒直径为同，过滤压差也相同。转筒直径为1m，长度为，长度为1m，浸入角，浸入角度为度为120 。问转鼓每分钟多少转才能维持与板框过滤机同样。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？的生产能力？ 假设滤饼不可压缩。假设滤饼不可压缩。以一个框为基准进行计算。以一个框为基准进行计算。30101. 0025. 0635. 0635. 0

17、mV 饼饼滤液量滤液量 cVV饼饼 23/156. 0806. 0126. 0mm Kqqqe 222806. 0635. 0635. 022mAA侧侧 过滤面积过滤面积再根据恒压过滤方程得：再根据恒压过滤方程得：K=4.24 10-5m2/sqe=0.0201m3/m2AVq 3126. 008. 00101. 0m min0 .129 .7211024. 40201. 0156. 02156. 02522 sKqqqe 思考：思考：以以5个框为基准，如何求解？个框为基准，如何求解？【解解】框全充满所需时间？框全充满所需时间？（框全充满）（框全充满） smVQD/10773. 460100

18、.12126. 05534 改用回转真空过滤机后，压差不变，故改用回转真空过滤机后，压差不变，故K不变；不变；滤布不变，故滤布不变，故qe不变。不变。K=4.24 10-5m2/s，qe=0.0201m3/m2过滤面积过滤面积214. 311mDLA 30631. 014. 30201. 0mAqVee 31360120 板框：板框：smnVQQ/10773. 434 设转筒每分钟转设转筒每分钟转n转，则回转真空过滤机生产能力转，则回转真空过滤机生产能力nKAVVVe 222 回转真空过滤机：回转真空过滤机：3166. 0mV 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？转鼓每分钟多少

19、转才能维持与板框过滤机同样的生产能力？习题课习题课mprsprn 17. 010875. 2166. 010773. 434作业：作业：返回目录返回目录第二节第二节 沉降沉降一、重力沉降一、重力沉降rmamg或或 sgm 42220du 0 DbcFFF合合外外力力0421220 dumgs （一）沉降速度（一）沉降速度极短，通常可以忽略极短，通常可以忽略该段的颗粒运动速度称为该段的颗粒运动速度称为沉降速度，沉降速度，用用u0表示。表示。加速段：加速段：等速段：等速段：浮力浮力Fb 曳力曳力FD质量力质量力Fc颗粒在流体中沉降时受力自由沉降自由沉降-单个颗粒在无限流单个颗粒在无限流体中的降落过

20、程体中的降落过程重力沉降速度：重力沉降速度：以球形颗粒为例以球形颗粒为例 1、自由沉降、自由沉降Re0=du0/ 1或2 层流区024162023 udgdss 340gdus 如图如图2-6中的实线所示。中的实线所示。 0Re24 1820gdus -斯托克斯定律斯托克斯定律 作业：作业：（三）、影响沉降速度的因素（三）、影响沉降速度的因素由于干扰作用，实际沉降速度由于干扰作用，实际沉降速度小于自由沉降速度。小于自由沉降速度。由于壁面效应，实际沉降速度小于自由沉降速度。由于壁面效应，实际沉降速度小于自由沉降速度。v 干扰沉降干扰沉降 v 非球形颗粒的沉降非球形颗粒的沉降 v 壁面效应壁面效应

21、 球形度越小，沉降速度越小球形度越小，沉降速度越小；颗粒的位向对沉降速度也有影响颗粒的位向对沉降速度也有影响。（四）重力沉降室（四）重力沉降室 气气体体 气气体体 进进口口 出出口口 集集灰灰斗斗 L B 含尘气体含尘气体 u H u0 颗粒在降尘室中的运动颗粒在降尘室中的运动 t 停停留留时时间间 0 沉沉降降时时间间0 t若若uL0u高高度度降尘室降尘室则表明，该颗粒能在降尘室中则表明，该颗粒能在降尘室中除去。除去。思考思考1：为什么气体进入降尘为什么气体进入降尘室后，流通截面积要扩大？室后，流通截面积要扩大？思考思考2 2：为什么降尘室要做成扁平的？为什么降尘室要做成扁平的？结构：结构：

22、除尘原理：除尘原理：为了增大停留时间。为了增大停留时间。降尘室降尘室0uHuL 即即思考思考3：要想使某一粒度的颗粒在降尘室要想使某一粒度的颗粒在降尘室中被中被100%除去，必须满足什么条件？除去，必须满足什么条件？00uHt 思考思考4：能够被能够被100%除去的最小颗粒，除去的最小颗粒，必须满足什么条件？必须满足什么条件？0 t 1820gdus 0min1818AVgLgHudsss L u B 气体气体 u0 H 颗粒在降尘室中的运动颗粒在降尘室中的运动 思考思考4：粒径比粒径比dmin小的颗粒，小的颗粒，被除去的百分数如何计算？被除去的百分数如何计算？降尘室降尘室思考思考2 2：为什

23、么降尘室要做成扁平的？为什么降尘室要做成扁平的？L u B气体气体 ut H 颗粒在降尘室中的运动颗粒在降尘室中的运动000uABLuBHuVs 0uHuL 多多层层降降尘尘室室 可见，降尘室最可见，降尘室最大处理量与底面积、大处理量与底面积、沉降速度有关沉降速度有关, ,而而与降尘室高度无关。与降尘室高度无关。 故降尘室多做成故降尘室多做成扁平的。扁平的。 注意注意! 降尘室内气体流速不应过高，以免将降尘室内气体流速不应过高，以免将已沉降下来的颗粒重新扬起。根据经验，已沉降下来的颗粒重新扬起。根据经验，多数灰尘的分离，可取多数灰尘的分离，可取u3m/s，较易扬，较易扬起灰尘的，可取起灰尘的，

24、可取u1.5m/s。最大处理量最大处理量-能够除去最小颗粒时的气体流量能够除去最小颗粒时的气体流量Vs降尘室降尘室降尘室优、缺点降尘室优、缺点v结构简单，结构简单，v设备庞大、效率低设备庞大、效率低v只适用于分离粗颗粒只适用于分离粗颗粒(直径直径75 m以上以上)，或作为，或作为预分离设备。预分离设备。 作业：作业：（五）悬浮液的重力沉降（五）悬浮液的重力沉降u属于干扰沉降属于干扰沉降u愈往下沉降速度愈慢愈往下沉降速度愈慢-愈往下颗粒浓度愈高，其表观粘愈往下颗粒浓度愈高，其表观粘度愈大，对沉降的干扰、阻力便愈大；度愈大，对沉降的干扰、阻力便愈大；u沉降很快的大颗粒又会把沉降慢的小颗粒向下拉，结

25、果小颗沉降很快的大颗粒又会把沉降慢的小颗粒向下拉，结果小颗粒被加速而大颗粒则变慢。粒被加速而大颗粒则变慢。u有时颗粒又会相互聚结成棉絮状整团往下沉，这称为絮凝现有时颗粒又会相互聚结成棉絮状整团往下沉，这称为絮凝现象，使沉降加快。象，使沉降加快。u这种过程中的沉降速度难以进行理论计算，通常要由实验决这种过程中的沉降速度难以进行理论计算，通常要由实验决定。定。u因固因固- -液密度相差不是很悬殊，故较难分离，因此，连续沉液密度相差不是很悬殊，故较难分离，因此，连续沉降槽的直径可以大到降槽的直径可以大到100 m100 m以上，高度却都在几米以内。以上，高度却都在几米以内。 特点：特点：请点击观看动

26、画请点击观看动画增稠器（沉降槽）增稠器（沉降槽） 加料加料清液溢流清液溢流水平水平清液清液挡板挡板 耙耙 稠浆稠浆 连续式沉降槽请点击观看动画请点击观看动画结构：结构：除尘原理：除尘原理：用于分离出液用于分离出液- -固混合物固混合物与降尘室一样，与降尘室一样，沉降槽的生产能沉降槽的生产能力是由截面积来力是由截面积来保证的，与其高保证的，与其高度无关。故沉降度无关。故沉降槽多为扁平状。槽多为扁平状。 与降尘室相同与降尘室相同二、离心沉降二、离心沉降旋风分离器： B 净化气体净化气体 含尘含尘 气体气体 A D 尘粒尘粒 标准型旋风分离器请点击观看动画请点击观看动画结构：结构：除尘原理：除尘原理

27、： 含尘气体以切线方向进入，速度为含尘气体以切线方向进入，速度为1225 m s-1，按螺旋形路线向器底旋转，按螺旋形路线向器底旋转，接近底部后转而向上，成为气芯，然后接近底部后转而向上，成为气芯，然后从顶部的中央排气管排出。气流中所夹从顶部的中央排气管排出。气流中所夹带的尘粒在随气流旋转的过程中逐渐趋带的尘粒在随气流旋转的过程中逐渐趋向器壁，碰到器壁后落下，自锥形底落向器壁，碰到器壁后落下，自锥形底落入灰斗（未绘出）。入灰斗（未绘出）。上部为圆筒形，下部为圆锥形。上部为圆筒形，下部为圆锥形。 旋风分离器旋风分离器imuNr 2 停停留留时时间间停停留留时时间间 = 沉沉降降时时间间 r B 净化气体净化气体 含尘含尘 气体气体 A D 尘粒尘粒 标准型旋风分离器 能够从分离器内能够从分离器内100%分离出来的最小颗分离出来的最小颗粒的直径，用粒的直径，用dc表示。其满足：表示。其满足：沉沉降降时时间间 rruB 几点假设：几点假设：v假设器内气体速度恒定，且等于进口气速假设器内气体速度恒定，且等于进口气速ui；v假设颗粒沉降过程中所穿过的气流的最大假设颗粒沉降过程中所穿过的气流的最大 厚度等于进气口宽度厚度等于进气口宽度B；v假设颗粒沉降服从斯托克斯公式。假设颗粒沉降服从斯托克斯公式。uiui临界粒径临界粒径mi