过程工程原理第三章：机械分离与固体流态化

目录第三章机械分离与固体流态化

§3.1过滤一、概述二、过滤基本方程三、过滤常数的测定四、滤饼洗涤五、过滤设备及过滤计算习题课六、离心过滤机浙江大学《化工原理》电子教案/目录1目录

§3.2沉降分离§3.2.1重力沉降原理及设备一、重力沉降原理二、重力沉降设备§3.2.2离心沉降原理及设备一、离心沉降原理二、离心沉降设备§3.2.3离心机浙江大学《化工原理》电子教案/目录2目录

§3.3

固体流态化一、什么是流态化二、流化床的两种形态三、流化床的主要特性浙江大学《化工原理》电子教案/目录3第三章推荐阅读材料：1、谭天恩，窦梅，周明华.化工原理.上册.第三版.北京：化学工业出版社，20062．McCabeWL，SmithJC,HarriottP.UnitOperationsofchemicalEngineering.

6thed.NewYork:McGraw-Hill,2001（英文影印版：化学工程单元操作.北京：化学工业出版社，2003）3、时钧等.化学工程手册.第二版.北京：化学工业出版社，1996

浙江大学《化工原理》电子教案/目录4第三章机械分离与固体流态化分离

悬浮液-----固-液混合物乳浊液-----液-液混合物含尘气体----气-固混合物

含雾气体----气-液混合物------筛分、沉降、过滤------将在甲II、甲III中介绍5/75§3.1过滤一、概述这种过滤是在过滤介质内部进行的，介质表面无滤饼形成。此法适用于从液体中除去很小量的固体微粒，例如饮用水的净化。多孔性过滤介质悬浮液-----固-液混合物含尘气体----气-固混合物

过滤深层过滤：6/75一、概述滤浆滤饼过滤介质滤液----推动力：重力、压力、离心力

滤饼过滤请点击观看动画7/75一、概述滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤工业用过滤介质主要有：棉、麻、丝、毛、合成纤维、金属丝等编织成的滤布。过滤介质：多孔性耐腐蚀、耐热并具有足够的机械强度。滤饼：

多孔性是真正的过滤阻力所在。滤饼的压缩性：

空隙结构易变形的滤饼为可压缩滤饼。

8/75一、概述滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤助滤剂能形成结构疏松、而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的缺点。助滤剂：----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

炭、石棉。使用方法：预涂混入待滤的滤浆中一起过滤。9/75二、过滤基本方程------滤液量V～过滤时间的关系----单位时间、单位过滤面积通过的滤液体积，m3/m2s过滤速度A过滤速率即滤液的（空床）流速，又称表观速度m3/su非恒定滤饼过滤过程中，滤饼越来越厚过滤速率（速度）越来越小。滤液量越来越大；(单位过滤面积所得的滤液量)10/75二、过滤基本方程1、过滤基本方程的推导------滤液量V～过滤时间的关系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。u1实际情况：流体流动路径很复杂，阻力损失无法计算属层流可视为并联管路简化模型：推动力、阻力不变均为等径管，并联细管长度le与床层高度L成正比属层流阻力损失很易计算---哈根-泊谡叶方程11/75二、过滤基本方程(2)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。1、过滤基本方程的推导假定：滤饼体积滤饼的比表面积颗粒的比表面积------滤液量V～过滤时间的关系简化模型(1)细管长度le与床层高度L成正比12/75二、过滤基本方程---哈根-泊谡叶方程由质量守恒得：滤饼截面积A------滤液量V～过滤时间的关系真实速度

u113/75二、过滤基本方程△p2思考：影响过滤阻力的因素有哪些？影响过滤速度的因素有哪些？（滤饼）对过滤介质：------滤液量V～过滤时间的关系△p1u△p14/75二、过滤基本方程

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c（m3滤饼/m3滤液），则令滤饼滤液1c思考2：

如果已知滤浆中固体物浓度和滤饼空隙率，如何计算出c？压缩指数0<s<1（可压缩滤饼）s=0（不可压缩滤饼）滤浆常数------滤液量V～过滤时间的关系思考1：

滤饼中全是固体物吗？

c和哪些因素有关？15/75二、过滤基本方程---过滤基本方程过滤常数，由实验测定△pu思考：影响K的因素有哪些？影响Ve或qe的因素有哪些？------滤液量V～过滤时间的关系（速率）（速度）---过滤常数16/75二、过滤基本方程影响K的因素：影响qe或Ve

的因素：滤饼性质（s、、a）滤浆性质（c、）推动力（p）过滤介质的性质（孔的结构、、r0、厚度）△pu------滤液量V～过滤时间的关系17/75二、过滤基本方程2、恒压过滤△pu表观速度特点：

K为常数

积分得：

或若过滤介质阻力可忽略不计，则

或，过滤速度愈来愈小。恒压过滤方程---过滤基本方程18/75二、过滤基本方程3、恒速过滤

△pu

表观速度特点：

u为常数，整理得：

若过滤介质阻力可忽略不计，则

或或而K不为常数。恒速过滤方程---过滤基本方程19/75二、过滤基本方程思考：先恒速后恒压操作，如何计算？---能用---不能用20/75需根据过滤基本方程（微分式）重新推导三、过滤常数的测定恒压时：logp~logK作图求出压缩指数s

/q~q图21/75四、滤饼洗涤思考：洗涤阻力与哪些因素有关？与滤饼厚度、滤饼性质、洗涤液黏度、介质阻力有关

推动力、阻力不变思考：洗涤过程与过滤过程的有何异同？洗涤速度为常数。22/75作业：1，4四、滤饼洗涤若推动力相同，则：23/75五、过滤设备及过滤计算过滤设备

24/75滤布洗板板框压滤机框非洗板洗板五、过滤设备及过滤计算1、板框压滤机滤框、滤板结构：1060块不等，过滤面积约为280m2

请点击观看动画滤框和滤板的左上角与右上角均有孔。

请点击观看动画请点击观看动画25/751、板框压滤机洗板板框压滤机框非洗板洗板一个操作循环：过滤滤液流出悬浮液入口洗涤液流出洗涤液入口洗涤卸渣、整理重装滤布旋转强制式卸饼曲张原理自动卸渣曲张振打原理自动卸渣三次拉开滤板全自动压滤机--滤饼最大厚度是框厚的1/2，过滤面积A=2A侧面积--穿过的最大厚度是1个框厚，洗涤面积AW=A侧26/751、板框压滤机洗板板框压滤机框非洗板洗板滤液流出悬浮液入口思考：对板框压滤机，恒压过滤方程中的V、Ve、A怎么取值？半个框的？一个框的？还是N个框的？均可。半个框：一个框：n个半框：27/751、板框压滤机属间歇式特点：横穿洗涤：Lw=2L，Aw=A/2洗板板框压滤机框非洗板洗板洗涤液流出洗涤液入口（速度之比）（速率之比）28/751、板框压滤机生产能力：

操作周期：

单位时间内获得的滤液量或滤饼量。其中：----有最大值

29/751、板框压滤机若过滤、洗涤的操作压力相同滤液＝洗涤液w介质阻力忽略不计------最佳操作周期

生产能力最大时的操作周期最大生产能力：

30/752、叶滤机属间歇式置换洗涤：Lw=L，Aw=A滤叶一个操作循环：过滤、洗涤、卸渣、整理重装

特点：结构：请点击观看动画思考：对叶滤机，下式中V、Ve、A如何取值？一个滤叶的？还是N个的？均可。（速度之比）（速率之比）＝1（＝w）＝1（＝w）31/752、叶滤机操作周期：

与板框机相同生产能力：

与板框机相同最佳操作周期：

与板框机相同（=w，介质阻力忽略不计）32/753、转筒真空过滤机置换洗涤：Lw=L，Aw=A属连续式过滤、洗涤、吹松、刮渣转筒---筒的侧壁上覆盖有金属网，长、径之比约为1/22，滤布---蒙在筒外壁上。分配头---转动盘、固定盘浸没于滤浆中的过滤面积约占全部面积的3040%转速为0.1至23（转/分）

一个操作循环：特点：结构：请点击观看动画（速度之比）（速率之比）33/753、转筒真空过滤机其中：操作周期：

生产能力：

思考1：对转筒真空过滤机，上式中V、Ve、A、如何取值？按过滤区？还是按整个转筒？均可。按整个转筒取：V，Ve，A，=T按过滤区取：V，Ve，A，

=T

浸没分数（转筒浸入面积占全部转筒面积的分率）思考2：是否有最大生产能力？设转筒的转数为每秒钟n次34/753、转筒真空过滤机若介质阻力忽略不计，则

可见：但这类方法受到一定的限制

35/75习题课【例】

某板框过滤机有5个滤框，框的尺寸为635635

25mm。过滤操作在20℃、恒定压差下进行，过滤常数K=4.2410-5m2/s，qe=0.0201m3/m2，滤浆为含固体物12.24%（质量）的水悬浮液，固相密度为3000kg/m3。测得滤饼空隙率为0.4，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。36/75以一个框为基准进行计算。滤液量

过滤面积【解】框全充满所需时间？（框全充满）再根据恒压过滤方程得：K=4.2410-5m2/sqe=0.0201m3/m2思考：以5个框为基准，如何求解？5个框，63563525mmK=4.2410-5m2/s，qe=0.0201m3/m212.24%（质量），固相密度为3000kg/m3=0.4，c:每获得单位体积滤液时，被截留在过滤介质上的滤饼体积（m3滤饼/m3滤液）37/75改用回转真空过滤机后，压差不变，故K不变；滤布不变，故qe不变。K=4.2410-5m2/s，qe=0.0201m3/m2过滤面积板框：设转筒每秒钟转n转，则回转真空过滤机生产能力回转真空过滤机：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？滤饼不洗涤，卸渣、重整等辅助时间为10分钟回转真空过滤机所用滤布与前相同

过滤压差也相同

转筒直径为1m，长度为1m，浸入角度为12038/75习题课39/75六、离心过滤机离心过滤机分为立式和卧式两种。离心过滤机是一种利用物料在转鼓表面受到的离心力的分力进行过滤的全自动过滤机。离心过滤机生产能力大、适应范围广，适用于分离固相颗粒＞50m的易过滤悬浮液。请点击观看动画40/75§3.2沉降分离利用重力、离心力等将密度不同的两种或两种以上物质加以分离的操作，称为沉降。

什么是沉降操作？作业：8、1041/75§3.2沉降分离沉降重力沉降离心沉降---用于除去>75m以上颗粒---用于除去>5～10m

颗粒42/75§3.2.1重力沉降原理及设备一、重力沉降原理1、自由沉降极短，通常可以忽略该段的颗粒运动速度称为沉降速度，用ut表示。此时加速段：等速段：浮力Fb曳力FD

重力FB颗粒在流体中沉降时受力---单个球型颗粒在无限流体中的降落过程对球形颗粒则有：回忆：第一章的摩擦阻力计算式思考：ut是颗粒与流体的相对速度，而不一定是颗粒的绝对速度，此话对否？43/751、自由沉降D如图3-15所示。

爬流区Rep=dput/

1或2

层流区（爬流区，斯托克斯区）----斯托克斯公式44/751、自由沉降颗粒越大，沉降越快；颗粒相对越重，沉降越快；流体越黏，沉降越慢。45/752、实际沉降干扰沉降

大量颗粒的存在使流体的表观黏度和密度较纯流体的大，尤其是沉降设备的下部更是如此，此因素的影响将使实际沉降速度要比自由沉降时的小。当颗粒沉降时，流体会被置换而向上运动，从而阻滞了邻近颗粒的沉降，此因素的影响将使颗粒相对地面速度要比自由沉降时的小。当混合物中颗粒的浓度较大时，大量固相颗粒之间可能会相互黏连而成为较大颗粒向下沉降，此因素的影响将使实际沉降速度要比自由沉降时的大。

容器的壁面会增大颗粒沉降时的曳力，使颗粒的沉降速度比自由沉降时的小，称为壁面效应。46/752、实际沉降非球形颗粒的影响

颗粒形状偏离球形程度越大，曳力系数越大，相应地，沉降速度越小。球形颗粒非球形度非球形颗粒的位向对沉降速度也有影响，例如，针形颗粒直立着沉降与平卧着沉降，其阻力显然大有区别。47/75二、重力沉降设备---用于除去>75m以上颗粒重力沉降设备48/751、降尘室则表明，该颗粒能在降尘室中除去。思考1：为什么气体进入降尘室后，流通截面积要扩大？思考2：为什么降尘室要做成扁平的？结构：除尘原理：为了增大停留时间。ut

uu49/751、降尘室思考3：能够被100%除去的最小颗粒，必须满足什么条件？思考4：粒径比dpmin小的颗粒，被除去的百分数如何计算？----斯托克斯公式50/751、降尘室可见，降尘室（最大）处理量与底面积、沉降速度有关,而与降尘室高度无关。故降尘室多做成扁平的。

注意!!

降尘室不可太扁，即气体流速不应过高，以免将已沉降下来的颗粒重新扬起。根据经验，多数灰尘的分离，可取u<3m/s，较易扬起灰尘的，可取u<1.5m/s。能够完全除去dpmin颗粒时的气体流量V(最大)处理量----思考2：为什么降尘室要做成扁平的？51/751、降尘室降尘室优、缺点:结构简单，设备庞大、效率低只适用于分离粗颗粒(直径75m以上)，或作为预分离设备。

52/752、增稠器（沉降槽）请点击观看动画结构：除尘原理：-----用于分离出液-固混合物与降尘室相同因固-液密度相差不是很悬殊,故沉降速度很小.生产能力是由截面积来保证的----斯托克斯公式沉降槽的直径与高度比通常都很大，例如直径可以大到100m以上，高度却都在几米以内。为什么？53/75§3.2.2离心沉降原理及设备离心沉降速度（自由沉降）离心加速度ac=2r=u2/r不是常量沉降过程没有匀速段，但在小颗粒沉降时，加速度很小，可近似作为匀速沉降处理颗粒受力：类似重力沉降速度推导，得：一、离心沉降原理对照重力场54/75一、离心沉降原理数值约为几千～几万---离心分离因数Rep=dpur/

1或2层流区对照重力场55/75二、离心沉降设备---用于除去>5～10m颗粒离心沉降设备除去<2.5m的颗粒要用袋滤或电除尘方法。56/751、旋风分离器请点击观看动画结构：除尘原理：上部为圆筒形，下部为圆锥形。

两个气旋两个气旋各起什么作用？Why？57/751、旋风分离器满足：几点假设：假设器内气体速度恒定，且等于进口气速ui；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B；假设颗粒沉降服从斯托克斯公式。uiui临界粒径dc---100%分离出来的最小颗粒的直径停留时间

0=沉降时间rN值与进口气速有关，对常用形式的旋风分离器，风速1225ms-1范围内，一般可取N=34.5，风速愈大，N也愈大。58/751、旋风分离器结论：

旋风分离器越细、越长（N越大）,ui越大，除尘效果越好（dc越小）思考5：将相同的旋风分离器串联操作能否提高分离性能?并联操作呢？59/751、旋风分离器评价旋风分离器性能的两个主要指标：小好，一般在5002000Pa左右总效率：被分离出来的颗粒占全部颗粒的百分率粒级效率：每一种颗粒被分离的百分率理论值实际值60/752、旋液分离器Why?

与旋风分离器相比，直径更小、锥形部分更长。结构：61/75§3.2.3离心机请点击观看动画在旋风（液）分离器中，离心力是由被分离的混合物以切线方向进入设备而引起；

在离心机中，离心力是由设备本身的旋转产生。结构：分离原理：适用场合：悬浮液或乳浊液利用离心力离心机与旋风（液）分离器的区别？62/75§3.3固体流态化一、什么是固体流态化？此时流体的真正速度u<颗粒的沉降速度ut此时u=ut颗粒悬浮于流体中，床层有一个明显的上界面，与沸腾水的表面相似此时u>ut浮力曳力重力真正速度u表观速度u>浮力+曳力（用u算）重力=浮力+曳力重力<浮力+曳力u与u关系？-----固体颗粒像流体一样进行流动的现象。从起始流态化开始到气力输送为止，这段都属于流态化范围,即从起始流化时的空隙率mf→163/75固体流态化被广泛运用在粉粒状物料的输送、混合、加热或冷却、干燥、吸附、煅烧和气固反应等过程中。

64/75二、流化床的两种形态床层膨胀均匀、颗粒在床内分布较均匀，床层的上界面较为清晰。

散式流态化：液固体系聚式流态化：气固体系乳化相（密相）气泡相（稀相）两种不正常现象