自由沉降速度-中国气体分离设备商务网

第三章机械别离与固体流态化3.1过

滤3.2沉降

3.3固体流态化

3.1过

滤

3.1.1概述3.1.2过滤根本方程3.1.3过滤常数的测定3.1.4滤饼洗涤3.1.5过滤设备及过滤计算3.1.1概述滤饼过滤其根本原理是在外力〔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、固两相得以别离，如图3-1所示。3.1.1概述1．过滤介质

过滤过程所用的多孔性介质称为过滤介质，过滤介质应具有以下特性：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。3.1.1概述2．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。

3.1.1概述3．滤饼的压缩性和助滤剂〔1〕压缩性假设形成的滤饼刚性缺乏，那么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，假设滤饼内部空隙结构不变形，那么称为不可压缩滤饼。3.1.1概述3．滤饼的压缩性和助滤剂〔2〕助滤剂假设滤浆中所含固体颗粒很小，或者所形成的滤饼孔道很小，又假设滤饼可压缩，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。常用的助滤剂有：硅藻土、纤维粉末、活性炭、石棉等。3.1.2过滤根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，那么：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，N

s/m2；

de

滤饼层孔道的当量直径，m；le

孔道的平均长度，m。

（3－1）3.1.2过滤根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：

式中q

单位过滤面积所得的滤液量，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〕，那么：取le=CL，

式3-1中的de采用水力当量直径，那么：3.1.2过滤根本方程令颗粒比外表积a=颗粒外表积/颗粒体积，那么：将上述几式式代入式3-1，整理得：

r称为滤饼的比阻，与滤饼的结构有关。

可压缩滤饼的s大约为0.2

0.8。不可压缩滤饼s=0。于是式3-2可写成：

〔3－2〕式中

p1

为过滤推动力，

rL可视为滤饼阻力。

〔3－3〕3.1.2过滤根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：滤饼层厚度L为

〔3－4〕令

代入〔3-4)中得或式中

——过滤根本方程〔3－5〕〔3－4a〕3.1.2过滤根本方程1．恒压过滤

假设过滤过程中保持过滤推动力〔压差〕不变，那么称为恒压过滤。对于指定滤浆的恒压过滤，K为常数，积分式3-5得：或假设过滤介质阻力可忽略不计，那么以上两式简化为：3.1.2过滤根本方程2．恒速过滤假设过滤时保持过滤速度不变，那么过滤过程为恒速过滤。代入式3-5中得：

假设过滤介质阻力可忽略不计，那么以上两式简化为：对恒速过滤，有

或

3.1.3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，其过滤常数差异很大。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：

此式说明，/q与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，有可见logK与log

p成直线关系，由直线的斜率可求出压缩指数s。3.1.3过滤常数的测定例3-1

过滤常数测定

CaCO3粉末与水的悬浮液在恒定压差1.17

105Pa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3-1恒压过滤试验中的V

数据过滤时间

s6.8

19.0

34.5

53.476.0

102.0滤液体积Vl0.5

1.01.52.02.53.0

3.1.4滤饼洗涤

1．洗涤速度

假设洗涤压力与过滤终了时的操作压力相同式中

、

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。

由过滤根本方程可知：式中V是过滤终了时的滤液量洗涤速度：3.1.4滤饼洗涤

2．洗涤时间

w设洗涤液用量为Vw，那么洗涤时间：3.1.5过滤设备及过滤计算

1.过滤设备

〔1〕板框压滤机图

P139板与框的结构如图3-6所示，四角均开有孔，组装叠合后分别构成滤浆通道、滤液通道和洗涤液通道。

3.1.5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)从板流出的滤液聚集于某总管排出(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3.1.5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①间歇操作——过滤、洗涤、卸渣、整理、装合②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。3.1.5过滤设备及过滤计算〔2〕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。3.1.5过滤设备及过滤计算〔3〕回转真空过滤机图P1423.1.5过滤设备及过滤计算2.间歇式过滤机的生产能力及最正确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，那么生产能力Q可表示为：(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

3.1.5过滤设备及过滤计算对叶滤机，洗涤速率那么为：综合板框压滤机、叶滤机，洗涤速率可统一写成：

对板框压滤机，式中

=8；对叶滤机，

=2。

3.1.5过滤设备及过滤计算设洗涤液量Vw=bV，那么洗涤时间：而过滤时间

将

、

w表达式代入式3-6得：将上式对V求导数，得：3.1.5过滤设备及过滤计算并令，得：若介质阻力忽略不计，则，，于是当D<+w时，dQ/dV>0；D>+w时，dQ/dV<0。这说明，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正确操作周期，即假设滤饼不洗涤，那么w=0，到达最大生产能力的条件是：3.1.5过滤设备及过滤计算3.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，那么转筒任何一局部外表在一个操作周期中的过滤时间为根据恒压过滤方程，在忽略过滤介质阻力的情况下，有即转一圈〔一个操作周期〕的滤液量为故生产能力为：此式说明，提高转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。3.1.5过滤设备及过滤计算例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〕。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=0.08m3/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。3.1.5过滤设备及过滤计算例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，滤饼空隙内充满液体。3.2沉

降

3.2.1沉降速度

3.2.2重力沉降设备3.2.3离心沉降设备

3.2.4离心机

3.2.1沉降速度1.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：假设颗粒数量较多，相互间距离较近，那么颗粒沉降时相互间会干扰，称为干扰沉降。3.2.1沉降速度颗粒在流体中受到三个力的作用，如图3-13所示：

曳力FD

质量力FB

浮力Fb

FB=mg〔重力〕，或FB=mac〔离心力〕Fb=m

g/

p

式中

D为曳力系数，A为颗粒在流动方向上的投影面积

3.2.1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：

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)整理得：式中dp为颗粒的当量直径。

3.2.1沉降速度2.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。以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。

3.2.1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

(2)2

Rep

500

过渡区，又称阿仑(Allen)区，此时

(3)500<Rep<2

105

湍流区（除边界层外），又称牛顿(Allen)区，此时

(4)Rep2105边界层内也为湍流，D将突然下降，呈现不规那么现象。3.2.1沉降速度3.影响沉降速度的其它因素〔1〕干扰沉降〔2〕非球形颗粒的沉降〔3〕壁面效应3.2.2重力沉降设备

1.降尘室

〔1〕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<气体停留时间别离3.2.2重力沉降设备说明①

d，容易除去②气量V，容易除去要想使颗粒从降尘室中被除去，必须满足：

〔停留时间>=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

即

此时气体体积流量

3.2.2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：

说明①dmin~颗粒、气体性质，气体处理量，底面积②考虑是dmin，一般认为处在层流区③气体均布重要性——入口锥形

④横截面大——操作气速低不被卷起底面积大——别离效率高3.2.2重力沉降设备例3-4 降尘室计算 用降尘室除去矿石焙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。假设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，那么降尘室的气体处理量为多大？假设生产能力不变，那么能100%除去的最小尘粒直径为多大？3.2.2重力沉降设备2.增稠器〔沉降槽〕①结构增稠器的构造如右图。主要是一个底部略成锥形的大直径〔数米～百米以上〕浅槽〔高度2.5～4m〕。料浆从中央进料口送入液面下0.3~1.0m处，以小扰动迅速分散到整个横截面上，颗粒下沉，从等浓区变浓区沉聚区；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“底流〞排出。清液向上流动，即使夹带粒子，颗粒在澄清区还是有时机再沉降，使“溢流〞的澄清液体保持清洁。

②工作原理

3.2.2重力沉降设备④

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、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。

Ⅰ添加絮凝剂：

③应用

Ⅱ改变操作条件：

一般采用添加少量电解质或外表活性剂的方法，使细小颗粒凝聚或絮聚；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面积发生变化，从而提高或降消沉降速度。3.2.3离心沉降设备

1.旋风别离器①结构

如右图所示，主体的上部为圆筒形，下部为圆锥形，中央有一升气管。3.2.3离心沉降设备②工作原理

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。由于操作时旋风别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。3.2.3离心沉降设备③旋风别离器的别离性能旋风别离器的别离性能可以用临界直径和别离效率来表示。〔1〕临界直径 指能够从别离器内全局部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.③颗粒沉降服从斯托克斯公式。3.2.3离心沉降设备假设气体进入排气管之前在筒内旋转圈数为N，那么运行的距离为2rmN，故气体在器内的停留时间为：——式中气体旋转圈数N与进口气速有关，对常用形式的旋风别离器，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：

3.2.3离心沉降设备〔2〕别离效率总效率粒级效率

指由别离器别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别离器的别离性能。粒级效率是指每一种颗粒被别离的质量百分率，可以准确表示旋风别离器的别离性能。3.2.3离心沉降设备④旋风别离器的压降性能好坏的重要指标

压降损失

气流进入旋风别离器时，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；

c与设备的型式和几何尺寸有关

……旋风别离器的压降损失一般在5002000Pa左右。3.2.4离心机

旋风(液)别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转鼓