机械分离和固体流态化课件

第三章非均相混合物分离教学内容§3-0概述§3-1沉降过程§3-2颗粒及颗粒床层的特性§3-3过滤复习通过本章学习，掌握沉降、过滤等过程的原理、计算方法、典型设备的结构特性，能够根据生产工艺的要求，合理选择设备。学习目的1教学要求重点：沉降速率的计算；过滤基本方程及恒压过滤计算。覆盖内容：颗粒及颗粒群的性质（体积、表面积、比表面积、空隙率及平均自由截面积）；沉降的基本概念（重力沉降、离心沉降、自由沉降和干扰沉降）；沉降速度的计算；旋风分离器的性能参数（临界直径、分离效率、粒级率、分割直径）；降沉室的结构与设计，旋风分离器的结构特点分离原理及设计方法。过滤操作的基本概念，过滤基本方程及计算（滤液量、过滤时间、洗涤时间和生产能力）；常用过滤设备（板筐压滤机、叶滤机和回转真空过滤机）的结构特点；过滤常数的测定方法。21、混合物分类§3.0概述a.均相物系：物系内部各处物料性质均匀，无相界面。如溶液、混合气体。需用传质分离方法进行分离。b.非均相物系：物系内部有明显的相界面，界面两侧物料有不同的性质。如气－固混合物、液－固混合物。用机械分离方法进行分离。2、连续相（分散介质）在非均相物系内，处于连续状态的物质，又称为分散介质。如气－固混合物中的气体为连续相。3、分散相（分散物质）非均相物系内部，处于分散状态的物质，称为分散相，又称为分散物质。如气－固混合物中的固体。3（3）袋滤：粒径1μm左右。（4）电除尘：粒径1μm以下。§3.1重力沉降一、沉降的概念1、沉降：在某种力的作用下，利用分散相与连续相间的密度差异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。当作用力为重力时，称为重力沉降；当作用力是惯性离心力时，称为离心沉降。3、干扰沉降：分散物质浓度相对较大，颗粒间的作用力不能忽略，相互间受到干扰。对于干扰沉降速度的计算，可先计算自由沉降速度，再通过经验法则修正。2、自由沉降：分散物质浓度小，颗粒之间或颗粒与器壁之间的距离很大，使颗粒间互不影响。5二、沉降速度（指自由沉降）1、流体与颗粒间的相对运动方式：①流体静止，颗粒运动；②流体运动，颗粒静止；③流体运动，颗粒运动，但两者速度不同，产生相对运动，沉降速度指的是相对运动速度。2、沉降速度将单个球形颗粒置于静止的流体中，其受力情况如图所示：F浮F阻F重开始，由于受力不平衡，颗粒沉降速度↑，为加速阶段（时间很短，可以忽略）；当受力达平衡时，颗粒作匀速运动，此时F重＝F浮＋F阻，此匀速运动速度即为沉降速度ut。6对于球形颗粒，各项力计算如下：7将各项力的计算式带入F重＝F浮＋F阻，得：重力沉降速度计算通式前已指出，阻力系数ξ一般由实验测定，其测定结果见书上P145图3-2。图中Φs——球形度，球形颗粒：Φs＝19图3-2关系曲线

10对于球形颗粒曲线，按Ret值，ξ大致分成三个区域：a.b.c.说明：①阻力由两部分组成。一是由流体粘性引起的表面摩擦力；二是由湍流边界层分离引起的形体阻力。②在滞流区，阻力以表面摩擦力为主，随Ret↑，粘性的影响↓，在湍流区，主要以边界层分离引起的形体阻力为主。11三、沉降速度的计算1试差法2摩擦数群法已知：13若要计算介质中具有某一沉降速度ut

的颗粒的直径d，可先令查曲线图，可求直径d，即14154由颗粒直径d选公式计算ut此法类似于3。1718三、重力沉降设备1.降尘室指借重力沉降从气流中分离出尘粒的设备。b要使颗粒能完全分离，则应满足：由此可见：降尘室的生产能力只与沉降面积及沉降速度有关，而与降尘室高度无关。故一般设计成扁平形，或在室内设置多层隔板。19降尘室的特点：多层降尘室虽能分离较细的颗粒且节省占地面积，但清灰比较麻烦。21§3.2离心沉降处理方法与重力沉降相同，公式形式也相同，只是加速度不同。uT——切向速度，m/s22比较结论：①离心沉降速度与重力沉降速度有相似的关系；②重力沉降速度ut为常数，而离心沉降速度ur不为常数，受旋转速度uT和半径r的影响；③离心沉降速度ur不是绝对值，而是绝对速度在径向上的分量，方向沿半径向外。对照重力场则根据受力平衡，可推出：aT——离心加速度平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度ur便是它在此位置上的离心沉降速度：23三、离心沉降设备—旋风分离器旋风分离器是利用惯性离心力的作用从气流中分离出尘粒的设备。如图所示为标准旋风分离器，各结构见图。其外旋流的上部是主要的除尘区。1.结构图上部为圆筒形，下部为圆锥形，对于标准旋风分离器各部分的尺寸比例为：h=D/2；B=D/4；D1=D/2；H1=2D；H2=2D；S=D/8；D2=D/425气流从上部进口进入，受器壁约束向下作螺旋运动。颗粒在惯性离心力作用下被抛向器壁，由于碰撞和摩擦作用，使其丧失动能，掉落于灰斗。净化后的气体在中心轴附近由下而上作螺旋运动，最后由顶部排气管排出。2.工作原理由上而下的螺旋形气流——外旋流；由下而上的螺旋形气流——内旋流。内外旋流旋转方向相同，顺时针方向。但径向速度指向不同：外旋流指向中心，内旋流指向器壁。26（2）旋风分离器的分离效率分离效率是衡量气流在旋风分离器内净化程度的指标。c1、c2——分别为进、出口气体中颗粒的质量浓度(g/cm3)。ci1、ci2分别为进、出口气体中平均粒径为di的颗粒的质量浓度。g/cm3xi为进口气体中粒径为di的颗粒的质量分率。由于η0易测定，故通常工业上用总效率表示旋风分离器的效率。但它不能表明旋风分离器对各种不同尺寸粒子的分离程度。a.总效率η0：被旋风分离器除掉的总的颗粒质量占进口含尘气体中全部颗粒质量的分率。b.分效率ηpi（粒级效率）：入口气体中某一粒级di的颗粒被旋风分离器除掉的分率。29粒级效率ηpi与粒径di的关系由实验测定，其测定结果常用曲线表示，称为粒级效率曲线。粒级效率曲线

30总效率与设备的操作性能及颗粒的粒度分布有关。同一台设备、同样的操作条件和同样的颗粒进口浓度，分离粗颗粒时的总效率远高于分离细尘粒。故粒级效率才能准确表达旋风分离器的工作性能。工程上更多地采用分割直径d50（粒级效率为50%的颗粒的直径）来评价旋风分离器的性能。该参数可以更多地反映旋风分离过程特征，所以粒级效率采用d50为基本量进行表达，即31对标准旋风分离器下图为ηpi—d/d50曲线pi~(d/d50)曲线只与旋风分离器的类型有关，与器大小无关。故用d50求ηpi比较方便。图3-11标准旋风分离器的曲线32(3)旋风分离器的阻力损失

Δpf旋风分离器的特点：流量大、压头低。摩擦阻力损失以及各个部位的局部阻力损失等。有理论或半理论式，但工程上主要采用经验公式：阻力系数主要由旋风分离器的结构决定。同一结构型式、不论其尺寸大小，阻力系数接近定值。标准旋风分离器＝8.0。入口气速，分离效率，但阻力，不经济。压降一般控制在0.5~2kPa左右(入口气速10～25m/s)，采取缩小直径、多台并联的方式满足分离效率与大流量的要求。334、影响旋风分离器分离性能的因素（1）设备①D：D↓,dc↓,η0↑,Δpf↑。②设备高H：H↑,η0↑,Δpf↑。③排气管管径D1：D1↓,η0↑,Δpf↑。（2）操作条件ui↑,dc↓,η0↑,Δpf↑。故适当提高流速有利于分离，但ui不宜过高，因为ui↑↑,导致涡流加剧，反而↓分离效率，而且Δpf↑。（3）颗粒①ρs↑,d↑,η0↑;②含尘浓度c:c↑,η0↑（∵c↑，有利于颗粒的聚集）；

c↑，Δpf↓（∵c↑，可抑制气体涡流）。345、旋风分离器的结构和形式为提高旋风分离器的分离效率和降低压强降，在旋风分离器的设计时主要考虑以下两方面：1)采用细而长的器身2)减小涡流的影响采用带有旁路分离室或采用异形进气管的旋风分离器可以改善上涡流的影响。XLT/A型XLP/B型XLK型(扩散式)35例：已知颗粒的分布情况如下：di(μm)<1010~2020~3030~40>40Xi(%)1010202040η重＝60％，η离＝90％，且沉降属于Stokes区，现改变流量，使V’=0.5V，估计η重’=?η离’=?(假设首先分离大颗粒）6.旋风分离器的选用首先应根据系统的物性，结合各型设备的特点，选定旋风分离器的类型；然后依据含尘气的体积流量，要求达到的分离效率，允许的压力降计算决定旋风分离器的型号与个数。36解：由题意知，重力沉降分离的临界直径dc=30μm，离心沉降分离的临界直径dc=10μm。重力沉降：37结论：u↓，离心沉降η↓，重力沉降η↑。解释：这是因为对于重力沉降,u↓，停留时间τ↑，故

η↑；离心沉降，uT↓（=ui），惯性离心力↓，故η↓。38§3.3过滤与沉降分离相比，过滤操作可使悬浮液的分离更迅速和彻底.一、过滤操作的基本概念1.过滤：利用能让液体通过而不让固体通过的多孔介质分离液－固混合物的操作。如图所示：其中的多孔介质——过滤介质；处理的混合液——滤（料）浆；通过多孔介质的液体——滤液；截留的固体——滤饼（滤渣）39实验室常见的过滤装置（一）

右图为实验室中常用的重力过滤的装置，主要元件包括玻璃制的锥形漏斗和白色圆形滤纸。重力过滤40抽滤实验室常见的过滤装置（二）412.过滤操作的推动力：重力、压力差、惯性离心力饼层过滤：3.过滤的两种方式悬浮液置于过滤介质的一侧，固体物沉积于介质表面而形成滤饼层。对于饼层过滤，并不要求颗粒的直径完全大于介质孔道的直径，因此在过滤之初时，一些小的颗粒会深入孔道，迅速的在孔道中发生“架桥”现象，当“架桥”好后，细小颗粒也不能进入孔道而被截留于介质表面形成滤饼。很明显，过滤之初滤液会浑浊，但随着“架桥”现象的发生，滤液逐渐澄清。图3-18架桥现象42要求：颗粒浓度高（体积含量1％以上）。经历过程：架桥现象→滤饼→过滤特点：真正起过滤作用的主要是滤饼而不是过滤介质；以饼层阻力为主。b)深床过滤（深层过滤）当流体流过过滤介质时，颗粒附着于过滤介质内部。特点：不形成滤饼；以介质阻力为主。要求：颗粒浓度低（体积含量0.1％以下）；

颗粒小。43工业生产所处理的悬浮液固体颗粒浓度往往较高，属于饼层过滤，因此重点讨论饼层过滤。4.过滤介质要求：①多孔性介质；②有足够的机械强度；③耐腐蚀、耐热、易得等。

应用于食品和生物制品过滤的介质还应考虑无毒，不易滋生微生物，易清洗消毒等。工业用过滤介质主要有：织物介质：能截流颗粒的最小直径为5~65m（多用于饼层过滤）.堆积介质：多种固体颗粒或非编织纤维(多用于深床过滤中)c)．膜过滤包括微孔过滤（0.5~50m)和超滤(0.05~10m)，可实现分子级过滤。44多孔性固体介质：如素瓷板或管、烧结金属等；能拦截直径为1~3m的小颗粒。不可压缩滤饼可压缩滤饼当滤饼两侧的压力差增大时，颗粒的形状和颗粒间的空隙不会发生明显变化，单位厚度床层的流动阻力可视作恒定。当滤饼两侧的压力差增大时，颗粒的形状和颗粒间的空隙会有明显的改变，单位厚度饼层的流动阻力随压力差增大而增大。5、滤饼的压缩性和助滤剂45助滤剂：对于可压缩性滤饼，随着过滤过程的进行，阻力↑，故推动力↑，滤饼会变形，单位厚度饼层阻力↑↑，为了减少这种现象，常向滤饼中加入另一种物质，以形成疏松坚固的骨架，使滤液得以畅流，所加的物质称为助滤剂。本节主要讨论饼层过滤，对于饼层过滤，起过滤作用的主要是滤饼，滤饼是由众多固体颗粒堆积成的床层。故首先讨论颗粒床层的特性。二、颗粒床层的特性1.单颗粒的特性对颗粒床层流体通道有重要影响的单颗粒特性主要是颗粒的形状、体积V及表面积A。首先讨论特殊的球形颗粒。46A.球形颗粒球形颗粒各特性可用统一的参数——颗粒直径d表示。B.非球形颗粒以某种特性相当的球形颗粒代表，相应的球的直径称当量直径。47描述颗粒特性的参数主要是颗粒的体积V、表面积A及比表面积a。等效的球形颗粒的当量直径de应能反应实际颗粒在这些方面的特性。因此相应定义不同的当量径。a.体积当量直径de：使当量球形颗粒的体积等于真实颗粒体积。b.表面积当量直径dS:使当量球形颗粒的表面积等于真实颗粒的表面积Sp。c.比表面积当量直径da：使当量球形颗粒的比表面积等于实际颗粒的比表面积a。48显然，de，ds，da三者在数值上不等，但由各自的定义可推导出三者的关系。球形颗粒，Φs=1；非球形颗粒，Φs<1。（∵相同体积的物体，球体的表面积最小。）49由前面的关系式很明显有：502.颗粒群的特性A.粒度分布的测量与定量表示筛号或目数：每英寸长度上的孔数。孔数↑，孔径↓。筛分分析结果图示法:常用粒度分布函数和频率函数表示。筛过量：通过某号筛的颗粒质量Gi。Fi=Gi/G，G—总质量筛余量：截留于某号筛面的颗粒质量Gi’。Xi=Gi’/G粒度分布的筛分分析任何颗粒群中，各颗粒尺寸不可能相同，从而形成一定的尺寸（粒度）分布，为了研究颗粒分布对颗粒层内流动的影响，必须设法测量粒度分布。常用筛分分析法。基本思路：将一套标准筛按筛孔尺寸上大下小的叠在一起，将已经称量的一批颗粒置于最上的筛子上。然后振动筛子，颗粒因粒度不同分别截留于各号筛面上，称取各筛号面上的颗粒质量就得到筛分分析的基本数据。此过程涉及几个定义。51a.分布函数曲线不同筛号的Fi与其筛孔尺寸dpi可标绘成如图所示的曲线，此曲线称为分布函数。分布函数曲线有两个重要特性：

①.对应于某一尺寸dpi的Fi值表示直径小于dpi的颗粒占全部试样的质量分率。例如，当某批颗粒中50%的颗粒直径小于1.7μm，则简单表示为d50=1.7μm。

②.在该批颗粒的最大直径dpmax处,其分布函数为1。52b.频率函数曲线设某号筛面上的颗粒占全部试样的质量百分率为xi，这些颗粒的直径介于相邻两号筛孔直径di与di-1之间。现以粒径dp为横坐标，将该粒径范围内颗粒的质量分率Xi用一矩形的面积表示(如图所示)，矩形的高度等于：平均分布密度di

-1>di,dpi

53如果相邻两号筛孔直径无限接近，则矩形数目无限增多，而每个矩形的面积无限缩小并趋近一条直线。将这些直线的顶点连接起来，可得到一条光滑的曲线，称为频率函数曲线。曲线上任一点的纵坐标fi称为粒径为dpi的颗粒的频率函数。频率函数曲线有两个重要特性：①.在一定粒度范围内的颗粒占全部颗粒的质量分率等于该粒度范围内频率函数曲线下的面积；原则上讲，粒度为某一定值的颗粒的质量分率为零。②.频率函数曲线下的全部面积等于1。分布函数与频率函数的关系54B.平均直径虽然颗粒群有某种粒度分布，但为了简单起见，常用某当量直径代替。需指明，任何一个当量直径都不能全面代表一个分布函数，而只能在某一侧面与原分布函数等效。本章涉及的过滤，颗粒尺寸小，流体在颗粒内的流动很慢，故流动阻力主要由颗粒内固体表面积决定，而颗粒形状影响小（局部阻力小），所以以比表面积等效作为准则来确定颗粒群的平均直径。55式中：dpa---------平均比表面积直径，m；xi---------dpi粒径段内颗粒的质量分率56B.床层空隙率ε3.固定床的特性p140A.固定床：由众多颗粒堆积成的静止床层。⑴定义：⑵影响空隙率ε的因素：①不同颗粒：②不同填充方式：湿法填充>振动填充湿法填充：先在设备内充以液体，再将颗粒倒入设备内，颗粒所受冲击力小，填充相对较松，ε相对较大。振动填充：设备受到振动的情况下将颗粒注入，因此填充相对较紧密，ε相对小一些。③壁效应的影响57床层的比表面积ab

单位体积床层（不是颗粒）具有的颗粒表面积。即颗粒与流体接触的表面积。当忽略颗粒之间接触面积的影响时，有：指颗粒碰到器壁而反弹，从而使ε分布不均匀。靠近壁面附近的孔隙率大于中间的，这种情况对传热传质不利。C.床层的平均自由截面积A0定义：上式推导过程如下：58床层的比表面积也可用颗粒的堆积密度估算，即

颗粒的堆积密度颗粒的真实密度59三、流体通过固定床的流动目的：找流动阻力与流速的关系。1.流体通过颗粒床层的流动特点：①流道曲折且相互交联，即流道不规则；②对过滤而言，由于流道不规则，因而细小密集的颗粒对滤液的流动产生较大的阻力。2.阻力产生的原因：①流道突变，流体对颗粒的碰撞。但对过滤而言，由于u很小，故这部分阻力很小，可以忽略。②流体的内摩擦。了解了固定床的特点，知道阻力产生的原因及主要原因，可以采用数学模型法来解决问题。60颗粒床层中不规则的通道→长度

l、管径de的平行细管3.模型的建立：思路：用一组平行的细管代替复杂的不规则流道，如下图。对细管的要求：①管道截面积=床层中孔的截面积②管道总表面积=床层孔的表面积③细管容积=床层孔容积。A112261我们的目的是找Δpc与u的关系，因此就该用固定床的特性代替式中的u1，l，de。62K——模型参数对上述床层的简化处理只是一种假定，其有效性应通过实验检验。康采尼对此进行了实验研究，证明了模型的有效性，且确定出模型参数K＝5.0，称为康采尼常数。631.过滤速率与过滤速度过滤速率dV/d：单位时间内获得的滤液体积。m3/s,过滤速度u：指单位时间通过单位截面面积的滤液体积，m/s。即过滤速度是单位过滤面积上的过滤速率。用公式表示如下：四、过滤基本方程642.滤饼的阻力r—滤饼的比阻1/m2，反映了颗粒形状、尺寸及床层的空隙率对滤液流动的影响，为单位厚度床层的阻力，单位1/m2。则滤饼的阻力：653.过滤介质的阻力过滤介质的阻力一般较小，但有时不可忽略，特别是在过滤初始滤饼层较薄的期间。由于滤饼和过滤介质分界处的压强很难确定，因此常将过滤介质与滤饼联合起来考虑。由等比定律得：一定操作条件下，以一定介质过滤一定悬浮液时，Le为定值；但同一介质在过滤不同悬浮液的操作中，Le值不同。664.过滤基本方程式为了计算的方便，将上式继续变形。对可压缩性滤饼，ε随Δp变化，r也将发生变化，常用以下经验式估算。同理有:67令q:单位过滤面积所得滤液体积；qe:单位过滤面积所得当量滤液体积。68则有：69特点：过滤操作是在恒定压强差下进行的。随着操作的进行，滤饼不断变厚，致使过滤阻力逐渐增加，但推动力不变，因而过滤速率逐渐变小。五、恒压过滤方程70边界条件：过滤时间滤液体积过滤前0→θe0→Ve过滤后θe→θ+θeVe→V+Ve则过滤前有71过滤时有：72过滤常数介质常数由实验测定六、恒速过滤和先恒速后恒压过滤特点：过滤速率为常数，随θ↑，L↑,Δp↑,K不为常数1.恒速过滤73对不可压缩滤饼进行恒速过滤时，其压强差随着过滤时间成直线增高。实际上很少采用把恒速过滤进行到底的操作方法，而是采用先恒速后恒压的复合过滤操作方法。对不可压缩滤饼，令：于是742.先恒速后恒压过滤恒速过滤的时间为R，得滤液VR。恒速段：注意：V,θ——指恒速、恒压过滤总的滤液体积和总的过滤时间。V-VR,θ-θR——指恒压阶段所得的滤液体积及恒压阶段过滤时间。75先恒速后恒压操作，V,Δp,过滤速率随时间θ的变化关系七、过滤常数的测定1.恒压下K、（Ve)qe、e的测定RV~(dV/d)~P~V76为了便于测定77ΔθΔθ1Δθ2Δθ3……ΔqΔq1Δq2Δq3……qΔq1Δq1+Δq2Δq1+Δq2+Δq3……Δθ/Δq将以上数据作图，如下由斜率2/K→K由截距2qe/K→qe782.S、k的测定七、过滤设备按操作方式分：间歇性过滤机和连续性过滤机。按推动力分：压滤过滤机；吸滤过滤机；离心过滤机。1.板框过滤机由许多带有凹凸纹路的滤板和滤框交替排列于机架上组装而成。见下页图。滤框、滤板（洗涤板、过滤板）7980为了便于区别，通常在板、框外铸有小钮。过滤板为一钮（1），框为二钮（2），洗涤板为三钮（3）。板框在机架上的组装顺序为123212321…8182至下页注意板框过滤机各代号及数字的意义p179。83由此可见，洗水的路径是滤浆的2倍，横穿面积是过滤时的1/2。称为横穿洗涤法。板框过滤机每一周期经历的步骤：装合→过滤→（洗涤）→卸饼→清洗滤布。84返回板框过滤机的滤板，滤框和过滤过程板框过滤机的滤板，滤框和洗涤过程12321横穿洗涤法洗水进口洗水出口852.加压叶滤机属加压间歇式操作，但属于置换洗涤，即洗水路径与滤液相同，Lw=L。863.转筒真空过滤机回转筒真空过滤机及分配头结构1－转筒；2－滤饼；3－割刀；4－分配头5－吸走滤液的真空凹槽；6－吸走洗水的真空凹槽；7－通入压缩空气的凹槽I－过滤区；II－洗涤脱水区；