化工原理第三章 机械分离与固体流态化

1、返回主题第三章第三章 机械分离与固体流态化机械分离与固体流态化 3.1 过过 滤滤 3.2 沉沉 降降 3.3 固体流态化固体流态化 返回主题3.1 过过 滤滤 3.1.1 概述概述 3.1.2 过滤基本方程过滤基本方程 3.1.3 过滤常数的测定过滤常数的测定 3.1.4 滤饼洗涤滤饼洗涤 3.1.5 过滤设备及过滤计算过滤设备及过滤计算 返回主题3.1.1 概概 述述 滤饼过滤其基本原理是在外力（重力、压力、离心力）作用下，使悬浮液中的液体通过多孔性介质，而固体颗粒被截留，从而使液、固两相得以分离，如图3-1所示。 滤浆 滤饼 过滤介质 滤液 图 3-1 过滤操作示意图 返回主题3.1.1

2、 概概 述述 1过滤介质过滤介质 过滤过程所用的多孔性介质称为过滤介质，过滤介质应具有下列特性：多孔性、孔径大小适宜、耐腐蚀、耐热并具有足够的机械强度。 工业用过滤介质主要有织物介质（如棉、麻、丝、毛、合成纤维、金属丝等编织成的滤布）、多孔性固体介质（如素瓷板或管、烧结金属等）。 固体颗粒被过滤介质截留后，逐渐累积成饼（称为滤饼），如前图3-2所示。 返回主题3.1.1 概概 述述 2过滤推动力过滤推动力 在过滤过程中，滤液通过过滤介质和滤饼层流动时需克服流动阻力，因此，过滤过程必须施加外力。外力可以是重力、压力差，也可以是离心力，其中以压力差和离心力为推动力的过滤过程在工业生产中应用较为广泛

3、。 返回主题3.1.1 概概 述述 3滤饼的压缩性和助滤剂滤饼的压缩性和助滤剂 （1）压缩性 若形成的滤饼刚性不足，则其内部空隙结构将随着滤饼的增厚或压差的增大而变形，空隙率减小，称这种滤饼为可压缩滤饼，反之，若滤饼内部空隙结构不变形，则称为不可压缩滤饼。 返回主题3.1.1 概概 述述 3滤饼的压缩性和助滤剂滤饼的压缩性和助滤剂 （2）助滤剂 若滤浆中所含固体颗粒很小，或者所形成的滤饼孔道很小，又若滤饼可压缩，随着过滤进行，滤饼受压变形，都使过滤阻力很大而导致过滤困难。可采用助滤剂以改善滤饼的结构，增强其刚性。 助滤剂通常是一些不可压缩的粉状或纤维状固体，能形成结构疏松的固体层。常用的助滤剂

4、有：硅藻土、纤维粉末、活性炭、石棉等。返回主题3.1.2 过滤基本方程过滤基本方程 将孔道视为长度均为le的一组平行细管，流体在细管中的平均流速u1，同时考虑到滤饼较薄，广义压力降可近似用压力降代替，则： L le u1 u u 图 3-3 流体在滤饼中流动的简化模型 式中 u1 流体的真实流速，m/s； p1 通过滤饼的压力降，N/m2； 滤液的粘度，Ns/m2； de 滤饼层孔道的当量直径，m；le 孔道的平均长度，m。 21132eedlpu（31）返回主题3.1.2 过滤基本方程过滤基本方程 在单位时间内通过单位过滤面积的滤液量为瞬时过滤速度u： ddddqAVu式中 q 单位过滤面积

5、所得的滤液量，q=V/A，m3/m2； A 过滤面积，m2。 V滤液量令表示滤饼层空隙率（ = 空隙体积/滤饼层体积），则： ddAVuu1取le=CL， 式3-1中的de采用水力当量直径，则： 细管的全部内表面积细管的流动空间润湿周边长流通截面积44ed返回主题3.1.2 过滤基本方程过滤基本方程令颗粒比表面积a=颗粒表面积/颗粒体积，则： 14adeLpCaAV122312dd将上述几式式代入式3-1，整理得： 32212 Carr称为滤饼的比阻，与滤饼的结构有关。 0srrp可压缩滤饼的s大约为0.20.8。不可压缩滤饼s=0。于是式3-2可写成： （32）过滤阻力过滤推动力ddrLAV

6、1p式中p1 为过滤推动力， rL可视为滤饼阻力。 （33）返回主题3.1.2 过滤基本方程过滤基本方程 将介质阻力折合成厚度为Le的滤饼阻力，式3-3成为：eLLrpAVdd滤饼层厚度L为 AcVL/（34）AcVLee/crprcpKs0122令 eVVKAV22ddeqqKq2dd代入（3-4)中得 或AVqee/式中 过滤基本方程 （35）（34a）返回主题3.1.2 过滤基本方程过滤基本方程 1恒压过滤恒压过滤 若过滤过程中保持过滤推动力（压差）不变，则称为恒压过滤。对于指定滤浆的恒压过滤，K为常数，积分式3-5得： 222KAVVVeKqqqe 22或若过滤介质阻力可忽略不计，则以

7、上两式简化为： 22KAVKq2返回主题3.1.2 过滤基本方程过滤基本方程 2恒速过滤恒速过滤 若过滤时保持过滤速度不变，则过滤过程为恒速过滤。 代入式3-5中得： 若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为： 对恒速过滤，有 常数AVAddV222AKVVVe或 22Kqqqe222AKV22Kq返回主题3.1.3 过滤常数的测定过滤常数的测定 过滤计算要有过滤常数K、qe或Ve作依据。由不同物料形成的悬浮液，其 过滤常数差别很大。即使是同一种物料，由于操作条件不同、浓度不同，其过滤常数亦不尽相同。过滤常数一般要由实验来测定。 将恒压过滤积分方程改写成： eqKqKq21 此式表明，/q与

8、q之间具有线性关系，实验中记录不同过滤时间 内的单位面积滤液量q，将 /q对q作图，得一直线，直线的斜率为1/K，截距为2qe/K，由此可求出K、qe。 用上述方法可以测出不同压差条件下的K值，再根据K与p 关系式3-4a，有 BpsKlog)1 (log可见logK与logp 成直线关系，由直线的斜率可求出压缩指数s。 返回主题3.1.3 过滤常数的测定过滤常数的测定 例例3-1 过滤常数测定 CaCO3粉末与水的悬浮液在恒定压差1.17105Pa及25下进行过滤，试验结果列于表3-1，过滤面积为400cm2，求此压差下的过滤常数K和qe。表表3-1 恒压过滤试验中的恒压过滤试验中的V 数据

9、数据过滤时间 s 6.8 19.0 34.5 53.4 76.0 102.0滤液体积V l 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 返回主题3.1.4 滤饼洗涤滤饼洗涤 1洗涤速度洗涤速度 洗涤阻力洗涤推动力ddwAV若洗涤压力与过滤终了时的操作压力相同 wwewLLAVAVdddd式中、w分别为滤液、洗涤液的粘度，L、Lw分别为过滤终了时滤饼厚度、洗涤时穿过的滤饼厚度。 eeVVKAAV2dd由过滤基本方程可知： 式中V是过滤终了时的滤液量洗涤速度洗涤速度： 返回主题3.1.4 滤饼洗涤滤饼洗涤 2洗涤时间洗涤时间 w w设洗涤液用量为Vw，则洗涤时间： wwwVVdd返回主题 图

10、3-5 板 框 压 滤 机 简 图 （ 暗 流 式 ） 1 固 定 架 2 滤 布 3 滤 板 4 滤 框 5 滑 动 机 头 6 机 架 7 滑 动 机 头 板 8 固 定 机 头 板 9 机 头 连 接 机 构 1 2 非洗涤板 框 洗涤板 图 3-6 滤板和滤框 1滤浆进口；2洗水进口 3.1.5 过滤设备及过滤计算过滤设备及过滤计算 1.1.过滤设备过滤设备 （1 1）板框压滤机）板框压滤机 图图 P139 板与框的结构如板与框的结构如图图3-63-6所示，四角所示，四角均开有孔，组装叠均开有孔，组装叠合后分别构成滤浆合后分别构成滤浆通道、滤液通道和通道、滤液通道和洗涤液通道。洗涤液通

11、道。 返回主题3.1.5 过滤设备及过滤计算过滤设备及过滤计算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)过滤面积返回主题3.1.5 过滤设备及过滤计算过滤设备及过滤计算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、装合主要优缺点构造简单，过滤面积大而占地省，过滤压力高（可达1.5MPa左右），便于用耐腐蚀性材料制造，便于洗涤。它的缺点是装卸、清洗劳动强度较大。返回主题3.1.5 过滤设备及过滤计算过滤设备及过滤计算 （2

12、2）叶滤机）叶滤机 叶滤机也是间歇操作设备，具有过滤推动力大、单位地面所容纳的过滤面积大、滤饼洗涤较充分等优点。其生产能力比板框压滤机大，而且机械化程度高，劳动力较省，密闭过滤，操作环境较好。其缺点是构造较复杂、造价较高。 叶滤机是由许多滤叶组成。滤叶为内有金属网的扁平框架，外包滤布，将滤叶装在密闭的机壳内（加压式），为滤浆所浸没。滤浆中液体在压力差作用下穿过滤布进入滤叶内部，成为滤液从其周边引出。过滤完毕，机壳内改充清水，使水循着与滤液相同的路径通过滤饼，进行置换洗涤。 返回主题3.1.5 过滤设备及过滤计算过滤设备及过滤计算 （3 3）回转真空过滤机）回转真空过滤机 图P142返回主题3.

13、1.5 过滤设备及过滤计算过滤设备及过滤计算 2.2.间歇式过滤机的生产能力及最佳操作周期间歇式过滤机的生产能力及最佳操作周期 操作周期包括过滤时间、洗涤时间w和卸渣、整理、重装等辅助时间D。设整个操作周期内获得的滤液量为V，则生产能力Q可表示为： DwVVQ(3-6) 假设洗涤液粘度与滤液粘度相近，于是，对板框压滤机，恒压操作时洗涤速率 eeewwewwwwVVKAVVALLAVALLAV24141222dddddddd返回主题3.1.5 过滤设备及过滤计算过滤设备及过滤计算 对叶滤机，洗涤速率则为： eeewwwwVVKAVVALLAV22dddddd综合板框压滤机、叶滤机，洗涤速率可统一

14、写成： ewVVKAV2dd对板框压滤机，式中=8；对叶滤机，=2。 返回主题3.1.5 过滤设备及过滤计算过滤设备及过滤计算 设洗涤液量Vw=bV，则洗涤时间： 222KAVVVbKAVVVVVeewwwwdd而过滤时间 222KAVVVe将、w表达式代入式3-6得： 22222KAVVVbVVVVKAQDee将上式对V求导数，得： 222222222KAVVVbVVVbVVKAKAVQDeeDdd返回主题3.1.5 过滤设备及过滤计算过滤设备及过滤计算0dVdQ并令， 得： 2222KAbVKAVD若介质阻力忽略不计，则 ， ，于是22KAVwbKAbV22bwD 当D0；D+w时，dQ/

15、dV0。这表明，在过滤介质阻力忽略不计的条件下，当过滤时间与洗涤时间之和等于辅助时间时，板框过滤机生产能力最大，此时的操作周期为最佳操作周期，即 Dopt2若滤饼不洗涤，则w=0，达到最大生产能力的条件是： D返回主题3.1.5 过滤设备及过滤计算过滤设备及过滤计算 3.回转真空过滤机的生产能力回转真空过滤机的生产能力 设转筒的转数为每秒钟n次，转筒浸入面积占全部转筒面积的分率为，则转筒任何一部分表面在一个操作周期中的过滤时间为 n根据恒压过滤方程，在忽略过滤介质阻力的情况下，有 22KAV即转一圈（一个操作周期）的滤液量为 nKAKAV故生产能力为： nKAAnKnnVVQ 此式表明，提高转

16、筒的浸没分数及转数n均可提高生产能力，但这类方法受到一定的限制。返回主题3.1.5 过滤设备及过滤计算过滤设备及过滤计算例例3-2 板框压滤机计算 现用一板框压滤机过滤含钛白（TiO2）的水悬浮液，过滤压力为3105Pa（表压）。已知滤框尺寸为81081045mm，共有40个框，已经测得过滤常数K=510-5m2/s，qe=0.01m3/m2，滤饼体积与滤液体积之比c=0.08 m3/m3。滤框充满后，在同样压力下用清水洗涤滤饼，洗涤水量为滤液体积的1/10，水与钛白水悬浮液的粘度可认为近似相等。试计算： （1）框全部充满时所需过滤时间；（2）洗涤时间；（3）洗涤后卸渣、清理、重装等共需40分

17、钟，求板框压滤机的生产能力；（4）这个板框压滤机的最大生产能力及最大生产能力下的滤饼厚度。 返回主题3.1.5 过滤设备及过滤计算过滤设备及过滤计算 例例3-3 回转真空过滤机计算 有一浓度为9%（质量）的水悬浮液，固相密度为3000kg/m3。已经测得滤饼空隙率为=0.4，操作压力3105Pa（表压）下的过滤常数为K=310-5m2/s。现采用一台回转真空过滤机进行过滤，此过滤机的转筒直径为2.6m，长度为2.6m，浸入角度为120，生产时采用的转速为0.5转/分，操作真空度为0.7105Pa。试求此过滤机的生产能力（以滤液计）和滤饼厚度。假设滤饼压缩指数s=0.3，过滤介质阻力可忽略不计，

18、滤饼空隙内充满液体。 返回主题3.2 沉沉 降降 3.2.1 沉降速度沉降速度 3.2.2 重力沉降设备重力沉降设备 3.2.3 离心沉降设备离心沉降设备 3.2.4 离心机离心机 返回主题3.2.1 沉降速度沉降速度 1.自由沉降速度自由沉降速度 自由沉降:单个颗粒在流体中的沉降过程称。 干扰沉降：若颗粒数量较多，相互间距离较近，则颗粒沉降时相互间会干扰，称为干扰沉降。返回主题3.2.1 沉降速度沉降速度 颗粒在流体中受到三个力的作用，如图3-13所示： 浮力 Fb 曳力 FD 质量力 FB 图 3-13 颗粒在流体 中沉降时受力 曳力曳力F FD D 质量力质量力FB 浮力浮力FbFb F

19、B=mg （重力），或FB=mac（离心力）Fb=mg/p AuFDD22 式中D为曳力系数，A为颗粒在流动方向上的投影面积 返回主题3.2.1 沉降速度沉降速度根据牛顿第二定律，作用于颗粒上的合外力使其产生加速运动，即： tumFFFDbBdd单个颗粒在流体中的沉降过程分为两个阶段：加速段和等速段，对于小颗粒，加速段极短，通常可以忽略，于是，整个沉降过程都可认为是匀速沉降。 用ut表示沉降速度，将式3-7用于球形颗粒的自由沉降，忽略加 速段，得在重力场中： (3-7)042122ptDpdumgDpptgdu34整理得：式中dp为颗粒的当量直径。 返回主题3.2.1 沉降速度沉降速度 2.2

20、.曳力系数曳力系数 利用因次分析可知D为雷诺数Rep=dput/的函数，其中为流体的粘度。下图示出了球形颗粒的曳力系数与雷诺数Rep关系的实验结果。 D 10000 4000 1000 400 100 40 10 4 1 0.4 0.1 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 105 106 Rep=dput/ 图 3-15 曳力系数与雷诺数关系 返回主题3.2.1 沉降速度沉降速度 此曲线显示出四个不同特征的区域： (1) Rep 2，爬流区，又称斯托克斯（Stokes）区，此时 pDRe24(2) 2 Rep 500过渡区，又称阿仑 (Allen) 区，此时

21、6 . 0Re5 .18pD(3) 500 Rep 2105湍流区（除边界层外），又称牛顿 (Allen) 区，此时 44. 0D(4) Rep 2105 边界层内也为湍流，D将突然下降，呈现不规则现象。 返回主题3.2.1 沉降速度沉降速度 3.影响沉降速度的其它因素影响沉降速度的其它因素（1 1）干扰沉降）干扰沉降 （2 2）非球形颗粒的沉降）非球形颗粒的沉降 （3 3）壁面效应）壁面效应 返回主题3.2.2 重力沉降设备重力沉降设备 1.降尘室降尘室 L B 气体 气体 u 进口 出口 气体 ut H 集灰斗 图 3-16 降尘室 图 3-17 颗粒在降尘室中的运动 （1）工作原理 气体

22、入室减速颗粒的沉降运动&随气体运动沉降运动时间=沉降时间）0=L/u，而t=H/ut 能够刚好被100%除去的最小颗粒，将满足其中的条件 t0tuHuL即 此时气体体积流量 ttsAuLBuHBuV返回主题3.2.2 重力沉降设备重力沉降设备 假设颗粒沉降服从斯托克斯公式 处理量为Vs时能够被100%除去的最小颗粒直径为： AVgdspp18min说明dmin颗粒、气体性质，气体处理量，底面积考虑是dmin ，一般认为处在层流区气体均布重要性入口锥形 横截面大操作气速低不被卷起 底面积大分离效率高返回主题3.2.2 重力沉降设备重力沉降设备 例例3-4 降尘室计算降尘室计算 用降尘室除去矿石焙

23、烧炉炉气中的氧化铁粉尘（密度4500kg/m3），操作条件下的气体体积流量为6m3/s，密度为0.6kg/m3，粘度为0.03cP，降尘室高2m，宽2m，长5m。试求能100%除去的最小尘粒直径。 若将该降尘室用隔板分成10层（不计隔板厚度），而需完全除去的最小颗粒要求不变，则降尘室的气体处理量为多大？若生产能力不变，则能100%除去的最小尘粒直径为多大？返回主题3.2.2 重力沉降设备重力沉降设备 2.2.增稠器（沉降槽）增稠器（沉降槽） 加料 清液溢流 清液 水平挡板 耙 稠浆 图 3-18 连续式沉降槽 结构 增稠器的构造如右图。主要是一个底部增稠器的构造如右图。主要是一个底部略成锥形的

24、大直径（数米百米以上）略成锥形的大直径（数米百米以上）浅槽浅槽（高度（高度2.54m）。 料浆从中央进料口送入料浆从中央进料口送入液面下液面下0.31.0m处，以小扰动迅速分散到整个处，以小扰动迅速分散到整个横截面上，颗粒下沉，从等浓区横截面上，颗粒下沉，从等浓区 变浓区变浓区沉聚区；在槽底缓慢转动的沉聚区；在槽底缓慢转动的耙把浓浆中的液体挤出去，并把沉渣聚拢到锥底的中央排渣口，以耙把浓浆中的液体挤出去，并把沉渣聚拢到锥底的中央排渣口，以“底流底流”排出。排出。清液向上流动，即使夹带粒子，颗粒在澄清区还是有机会再沉降，清液向上流动，即使夹带粒子，颗粒在澄清区还是有机会再沉降，使使“溢流溢流”的

25、澄清液体保持清洁。的澄清液体保持清洁。 工作原理 返回主题3.2.2 重力沉降设备重力沉降设备 改变沉降速度的方法 增稠器既可用于间歇操作或连续操作，具有澄清液体和增稠悬浮液增稠器既可用于间歇操作或连续操作，具有澄清液体和增稠悬浮液双重功能。双重功能。适用于量大、浓度不高且颗粒不太细微的悬浮料浆，如污水、适用于量大、浓度不高且颗粒不太细微的悬浮料浆，如污水、煤泥水处理等。工业上处理大量悬浮液时，一般采用连续式增稠器。煤泥水处理等。工业上处理大量悬浮液时，一般采用连续式增稠器。 添加絮凝剂：添加絮凝剂： 应用 改变操作条件：改变操作条件： 一般采用添加少量电解质或表面活性剂的方法，使细小一般采用

26、添加少量电解质或表面活性剂的方法，使细小颗粒凝聚或絮聚；颗粒凝聚或絮聚； 通常采用诸如：加热、冷冻或震动等方法，使颗粒的粒度或相界通常采用诸如：加热、冷冻或震动等方法，使颗粒的粒度或相界面积发生变化，从而提高或降低沉降速度。面积发生变化，从而提高或降低沉降速度。返回主题3.2.3 离心沉降设备离心沉降设备 1.旋风分离器旋风分离器 B 净化气体 含尘 气体 A D1 A=D/2 S1 B=D/4 H1 D1=D/2 D H1=2D H H2=2D S1=D/8 H2 D2D/4 D2 尘粒 图 3-19 旋风分离器的尺寸及操作原理图 结结 构构 如右图所示 ，主体的上部为圆筒形，下部为圆锥形，

27、中央有一升气管。 返回主题3.2.3 离心沉降设备离心沉降设备 工工作原理作原理 含尘气体从侧面的矩形进气管切向进入器内，然后在圆筒内作自上而下的圆周运动。颗粒在随气流旋转过程中被抛向器壁，沿器壁落下，自锥底排出。由于操作时旋风分离器底部处于密封状态，所以，被净化的气体到达底部后折向上，沿中心轴旋转着从顶部的中央排气管排出。 返回主题3.2.3 离心沉降设备离心沉降设备 旋风分离器的分离性能旋风分离器的分离性能 旋风分离器的分离性能可以用临界直径临界直径和分离效率分离效率来表示。 （1）临界直径临界直径 指能够从分离器内全部分离出来的最小颗粒的直径，用dc表示。 三个假定 I.颗粒及气体的切线

28、速度恒定，且等于进口气速； II.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B； III. 颗粒沉降服从斯托克斯公式。 mipprrudu18222218ippmrrudBruB返回主题3.2.3 离心沉降设备离心沉降设备 若气体进入排气管之前在筒内旋转圈数为N，则运行的距离为2rmN，故气体在器内的停留时间为： imuNr20式中气体旋转圈数N与进口气速有关，对常用形式的旋风分离器，风速1225m/s范围内，一般可取N =34.5，风速愈大，N也愈大。 令r=0，解得： picNuBd9返回主题3.2.3 离心沉降设备离心沉降设备 （2）分离效率分离效率 总效率总效率粒级效率粒级效率

29、 指由分离器分离出来的颗粒量与入口气体中总粒子量之比。不能准确地代表旋风分离器的分离性能。 粒级效率是指每一种颗粒被分离的质量百分率，可以准确表示旋风分离器的分离性能。 粒级效率 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.1 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1 2 4 6 8 10 颗粒直径比，dp/dc 理论值 实际值 图 3-20 旋风分离器的粒级效率 返回主题3.2.3 离心沉降设备离心沉降设备 旋风分离器的压降 性能好坏的重要指标 压降损失 气流进入旋风分离器时，由于突然扩大引起的损失 ；与器壁摩擦的损失； 在排气管中的摩擦和旋转运动的损失； 气流旋转导致的动能损失； 2/2icupc与设备的型式和几何尺寸有关 旋风分离器的压降损失一般在5002000Pa左右。返回主题3.2.4 离心机离心机 旋风(液)分离器利用混合物中不同成分所受离心力Fr不同Fr源自物料以切线方向进入设备离心机 Fr源自设备本身旋转高速旋转的转鼓概述222242mrnnmrmrmaFrr转鼓直径、转速，则Fr ，分离效果返回主题3.2.4 离心机离心机 1.1.管式离心机管式离心机 2.2.碟片式高速离心机碟片式高速离心机 3.3.螺旋式离心机螺旋式离心机 简介返回主题3.3 固体流态化固体流态化 1.固体流态化的基