(7)-A1+第三章+固体颗粒流体力学基础及机械分离

第三章固体颗粒流体力学基础与机械分离2023/12/2912023/12/29本章重点：（1）沉降分离（包括重力沉降和离心沉降）的原理、过程计算和相关典型设备的选型。（2）过滤操作的原理，恒压过滤的计算、过滤常数的测定。（3）固体流态化的基本概念、流化床的主要特征及操作特性。本章难点：如何将理论上讨论的颗粒与流体间相对运动问题，运用于实现非均相物系分离、固体流态化技术及固体颗粒的气力输送等工业过程？2023/12/29主要内容3.1固体颗粒特性3.2固体颗粒在流体中运动时的阻力3.3沉降分离3.4过滤3.5固体流态化（自学）3.6其他机械分离技术（自学）2023/12/29前言分离：根据混合物性质的不同采用不同的方法

混合物物系内各处组成均匀且不存在相界面。传质分离方法：蒸馏、吸收均相混合物非均相混合物

过程工业中，经常需将混合物加以分离。由两相或两相以上构成，相界面两侧物质的性质截然不同。机械方法分离。锅炉尾气除尘2023/12/29前言

非均相混合物由具有不同物理性质（如密度、黏度等）的分散物质和连续介质组成。其中处于分散状态的物质，如分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡，称为分散相；而包围分散物质且处于连续状态的物质称为分散介质或连续相。

非均相混合物的分离就是将不同的相分开，通常采用能耗较低的机械方法加以分离。2023/12/29

非均相混合物的分离的目的：（1）净化分散介质；原料气，废气、废液（2）回收分散物质本章只讨论分离非均相混合物所采用的机械分离方法。2023/12/293.1固体颗粒特性主要参数：颗粒的形状、大小（体积）和表面积一、单一颗粒特性用直径（粒径）d表示大小颗粒体积V＝？颗粒表面积S＝？比表面积a＝？1球形颗粒2023/12/292、非球形颗粒（1）当量直径-根据实际颗粒与球体的某种等效性确定（2）形状系数（球形度）φs体积当量粒径de：实际颗粒的体积等于当量球形颗粒的体积表征颗粒的形状与球形的差异程度。定义式：φs=S/Sp

φs＜1

颗粒形状与球形差异越大，其值越小。球形颗粒：其值等于1。正方体0.806。2023/12/29颗粒体积＝？颗粒表面积＝？比表面积＝？

非球形颗粒，必须有两个参数才能确定其特性：体积当量直径和形状系数2023/12/29二、颗粒群的特性---粒度分布和平均直径粒径是否相同：单分散性粒子和多分散性粒子（1）粒度分布：

不同粒径范围内所含粒子的个数或质量。通常由实验测量其分布。筛分分析(粒径大于40mm)：泰勒标准筛(表3-1)，目数越大，孔径越小。目数：一般指在1in×1in的面积内有多少网孔数，即筛网的网孔数。物料能通过该网孔即定义为多少目数。如200目，该物料能通过1in×1in内有200个网孔的筛网。目数越大，物料粒度越细；目数越小，物料粒度越粗。2023/12/29最常用：平均比表面积直径da

设有一批大小不等的球形颗粒，其总质量为G，经筛分分析得到相邻两号筛直径的颗粒质量为Gi，筛分直径(两筛号筛孔的算术平均值)为di。根据比表面积相等原则，颗粒群的平均比表面积直径为：（2）颗粒平均直径xi：di粒径段内颗粒的质量分数2023/12/29三、粒径测量

粒径是颗粒占据空间大小的线性尺度。

测量及表达粒径的方法可分为长度、质量、横截面、表面积、体积五类。常用方法见表3-2和表3-3。2023/12/29表3-2常用粒径测量法2023/12/29表3-3超细粉尘的粒径分布测量2023/12/291、沉降分析2、激光粒度分析3、显微镜粒度分析4、自动计数器法

常用的粒径测量方法：2023/12/293.2固体颗粒在流体中运动时的阻力曳力或阻力：当流体以一定的速度绕过静止的固体颗粒流动时，黏性流体会对颗粒施加一定的阻力；反之，当固体颗粒在静止流体中移动时，流体同样会对颗粒施加作用力，这两种情况的作用力性质相同，称为~2023/12/29图流体绕过颗粒的流动uFdFd与颗粒运动的方向相反只要颗粒与流体之间有相对运动，就会产生阻力。对于一定的颗粒和流体，只要相对运动速度相同，流体对颗粒的阻力就一样。爬流(Creepingflow)：来流速度很小，流动很缓慢，颗粒迎流面与背流面的流线对称。2023/12/29

仿照管路阻力的计算，即认为阻力与相对运动速度的平方成正比。

——阻力系数（曳力系数）

、

——流体特性dp、u——颗粒特性颗粒在运动方向上的投影面积流体相对于颗粒运动时的雷诺数Ret2023/12/29不同球形度颗粒的实测数据如图3-8所示(P125)

2023/12/29①层流区(Stokes区)

②过渡区(Allen区)

③湍流区(牛顿区)

球形颗粒，各区域的曲线可用不同的计算式表示：准确近似2023/12/294.3沉降分离(Sedimentation)原理及设备沉降：在某种力场中利用分散相和连续相间密度之差，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。分为重力沉降和离心沉降。一、重力沉降（Gravitationalsedimentation）

在重力场中利用连续相与分散相的密度差异而产生相对运动，使两相得以分离的过程称为重力沉降。2023/12/29

d，

s的球形颗粒，在密度为

的流体中自由沉降1、光滑球形颗粒在静止流体中的自由沉降

Fb

浮力

Fd

阻力

Fg

重力

以重力的方向为正方向

自由沉降：颗粒浓度低，分散好，沉降过程中互不碰撞、互不影响。颗粒下沉2023/12/29重力：（N）浮力：（N）阻力：（N）阻力系数

t

u

u0加速段匀速段2023/12/29颗粒做匀速运动，沉降速度恒定不变，该速度称为自由沉降速度。达到恒定的沉降速度时，合力为：

（球形颗粒的自由沉降速度）2023/12/29（1）颗粒直径越大，沉降速度越大，大直径颗粒较小直径颗粒更容易沉降；（2）固体与流体的密度差越大，沉降也越快，这正是非均相混合物机械分离的基本依据。影响沉降速度的其他因素：壁效应：靠近器壁处沉降速度小于自由沉降速度干扰沉降：讨论：2023/12/29

通过实验得到阻力系数与雷诺数的关系绘成算图,将他们回归成关联式为：

②过渡区（Allen区，1<Ret<1000）

③湍流区（牛顿区，1000<Ret）

①层流区（Stokes区，10-4<Ret<1）

（Stokes定律）试差计算法步骤：假设沉降处于某一区域；计算ut；计算Re，校验区域；若符合，则正确，否则重新假设区域。

试差法求沉降速度P127

：例3-1落球黏度计了解2023/12/292重力沉降设备1）降尘室（用于从气流中分离出尘粒的设备）

2023/12/29工作原理

沉降运动时间≤气体停留时间

分离降尘室最高点的颗粒所需沉降时间θt=H/ut气体在降尘室内停留时间θ=L/u

分离满足的条件（除尘条件）：θt≤θ讨论各因素对除尘优劣的影响。（H,L,d,Vs,操作条件等）2023/12/29分离所需最低沉降速度

即：Vs≤ut

A→除尘条件降尘室的生产能力：单位时间内通过降尘室的含尘气体的体积流量。即:Vs=BHu停留时间=沉降时间，有Lut=HuVs=BHu=BLut=AutA:降尘室底面积2023/12/29一定粒径的颗粒，沉降室的生产能力只与底面积BL和ut有关，而与H无关。故沉降室应做成扁平形，或在室内均匀设置多层隔板,构成多层降尘室。气速u不能太大，以免干扰颗粒沉降，或把沉下来的尘粒重新卷起。一般u不超过3m/s。降尘室设计2023/12/29多层隔板降尘室示意图含尘气体粉尘隔板净化气体若加入n个隔板，则：

生产能力—n倍提高！

工业上，隔板间距离一般为40～100mm。

P129

：例3-2降尘室分离粒径为50-75微米的颗粒2023/12/29例3-2

拟采用降尘室回收常压炉气中所含的球形固体颗粒。降尘室底面积为10m2,宽和高均为2m。操作条件下，气体的密度为0.75kg/m3,

黏度为2.6×10-5Pa·s;固体的密度为3000kg/m3

；降尘室的生产能力为3m3/s.试求：（1）理论上能完全捕集下来的最小颗粒直径；（2）粒径为40微米的颗粒的回收率；（3）如欲完全回收直径为10微米的尘粒，在原降尘室内需设置多少层水平隔板？分析：解：（1）理论上能完全捕集下来的最小颗粒直径在降尘室中能够完全被分离出来的最小颗粒的沉降速度为利用试差法。假定沉降在层流区，则用斯托克斯公式求最小颗粒直径，即：检验：所以上述假设成立，计算有效。2023/12/29（2）粒径为40微米的颗粒的回收率假设颗粒在炉气中分布是均匀的，则在气体的停留时间内颗粒的沉降高度与降尘室高度之比即为该尺寸颗粒的回收率2023/12/29（3）在原降尘室内需设置多少层水平隔板？由上面的计算可知，10微米颗粒的沉降必在层流区，可用斯托克斯公式计算沉降速度，即所以：取47层水平隔板隔板间距为2023/12/29

复核气体在多层降尘室内的流型：若忽略隔板厚度所占的空间，则气体的流速为：又因为：所以：即气体在降尘室内的流动为层流，设计合理2023/12/292）沉降槽

提高悬浮液浓度并同时得到澄清液体的重力沉降设备，又称增浓器或澄清器。可间歇或连续操作。

适用于处理量大而浓度不高且颗粒不慎细微的悬浮料浆。污水处理2023/12/293）分级器（主要用于液固体系，矿产业）

利用不同粒径或不同密度的颗粒在流体中的沉降速度不同这一原理来实现它们分离的设备称为分级器

将沉降速度不同的两种颗粒倾倒到向上流动的水流中，若水的速度调整到在两者的沉降速度之间，则沉降速度较小的那部分颗粒便被漂走分出。2023/12/29二、离心沉降

在离心力场，依靠惯性离心力的作用而实现沉降的过程称为离心沉降。1离心沉降速度

离心力场中，当流体携带着颗粒旋转时，由于颗粒密度大于流体密度，则惯性离心力将使颗粒在径向上与流体发生相对运动而飞离中心。r1r2ArCBuruut颗粒在旋转流体中的运动2023/12/29

运动速度u分解为径向速度ur和切向速度uT，径向速度ur称为离心沉降速度。

ur不是颗粒的真实运动速度，是颗粒沿着半径逐渐扩大的螺旋形轨道运动时的一种分离效果的表示方法。径向上对颗粒做受力分析，受到三个力：向心力:阻力Fdr1r2ArCBuruuT颗粒在旋转流体中的运动离心力:沿半径向外沿半径向里沿半径向里2023/12/29当三力平衡时，可导出离心沉降速度的表达式为：ut为流体的切线速度，一般可用流体进口速度近似计算

同样也是根据流型的不同区域来确定。颗粒与流体的相对运动属于层流，2023/12/29（1）方向不同；（2）在一定的条件下，重力沉降速度是一定的，而离心沉降速度随着颗粒在半径方向上的位置不同而变化对照2023/12/29离心分离因数注意：离心沉降与重力沉降的类比。

颗粒离心沉降的速度方向是由圆心沿径向指向外周,但由于颗粒和流体同时做圆周运动，颗粒的实际运动轨迹是一个半径逐渐扩大的螺旋线。离心沉降速度并不是颗粒的实际运动速度，只是其在径向上的分量。

2023/12/29

Kc值是反映离心分离设备性能的重要指标，

(1)一般气固分离的旋风分离器和液固分离的旋液分离器的Kc值在5~2500之间。

(2)液固分离的离心机Kc值可达到几万甚至十几万。

离心分离消耗能量较大，一般对于两相的密度差较小且颗粒较细的非均相物系，可采用离心沉降加快沉降过程，提高分离效率。2023/12/29旋风分离器用于分离气体中的固体颗粒旋液分离器用于分离液体中的固体颗粒

重力沉降

离心沉降

降尘室用于分离气体中的固体颗粒沉降槽用于分离液体中的固体颗粒

2023/12/292离心沉降设备（1）旋风分离器A结构与工作原理

2023/12/29uib含尘气体长方形进气管切线进入；沿内壁作旋转流动：颗粒的离心力较大，被甩向外层，气流在内层。气固得以分离；在圆锥部分，气流与颗粒作下降螺旋运动；在圆锥的底部附近，气流转为上升旋转运动，最后由上部出口管排出；颗粒沿内壁落入灰斗。构造与工作原理构造：外圆筒、内圆筒、锥形筒2023/12/29标准旋风分离器h=D/2B=D/4D1=D/2H1=2DH2=2DS=D/8D2=D/4ζ＝8.02023/12/29标准旋风分离器2023/12/29

旋风分离器要求的气体流速为10~25m/s

，所产生的离心力可以分离出5mm的颗粒。上行的螺旋形气流(内圈)称为内旋流(又称气芯)

，下行的螺旋形气流称为外旋流。内外旋流的旋转方向相同，但外旋流的上部是主要的除尘区。应用：常用于厂房的通风除尘系统。缺点:气流的阻力较大，处理硬质颗粒时易被磨损2023/12/29B旋风分离器分离效能的主要参数

①临界直径②分离效率---粒级效率、总效率③阻力损失（压强降）2023/12/29①临界直径

颗粒在旋风分离器中能被分离下来的条件t停≥t沉，即其停留时间必须大于或等于沉降时间。当取t停=t沉时，旋风分离器能除去的最小颗粒直径称为临界直径。

颗粒在旋风分离器中的沉降速度ur，指颗粒沿径向穿过气流主体而到达器壁的运动速度。假设颗粒与气体的相对运动为层流，则有2023/12/29颗粒离心沉降时间为：

旋转半径的平均值气体停留时间：气体在器内有效旋转圈数标准旋风分离器Ne=5进气口宽度2023/12/29讨论：

Ⅰ、

ui↑，dc↓，效率↑，但阻力↑；旋风分离器的进口气速应适当选择，不宜太高也不宜太低。Ⅱ、dc不仅与颗粒和气体的性质有关，而且与旋风分离器的结构和处理量有关。处理量越大、颗粒密度越大、进口越窄、长径比越大（Ne越大），则临界直径越小，分离性能越好。Ⅲ、B正比于D，D↑，dc↑，分离效果降低。工业上采用小直径的旋风分离器。为了提高含尘气体处理量，采用小直径多台并联形成分离器组。2023/12/29

含尘气体中所有颗粒经分离器后被分离出的质量百分数，称为总效率

:

含尘气体中某一粒径的颗粒经分离器后被分离出的质量百分数，称为粒级效率:其中C为质量含量，g/m3；i表示直径为di的颗粒

②分离效率——总效率、粒级效率2023/12/292023/12/29(1)若两台旋风分离器的总效率相同，他们的分离性能是否相同？含尘气体中颗粒的大小范围不同，临界直径不同，因此采用粒级效率才能更准确地评价分离器的效率。

(2)d>dc时，ηpi=100%，d<dc的颗粒能否被分离？能，但不能被完全分离即ηpi<100%

(3)ηpi与η0的关系

讨论：2023/12/29(4)分割粒径d50表示分离效率，粒级效率恰为50%的颗粒直径。

把旋风分离器的粒级效率ηpi

标绘为粒径d/d50的函数曲线，该曲线对于同一型式且尺寸比例相同的旋风分离器都适用，给旋风分离器效率的估算带来很大方便。标准旋风分离器的d50可用下式计算讨论：粒级效率曲线如图3-19所示P1342023/12/29

气体通过旋风分离器时受器壁的摩擦阻力、流动时局部阻力以及气体旋转运动所产生的动能损失影响，造成气体的压强降低，通常用入口气体动能的倍数来表示③阻力损失（压力降）为阻力系数，可由实验测定。2023/12/29对标准型旋风分离器

旋风分离器的压降一般为500~2000Pa.

处理量越大、颗粒密度越大、进口越窄、长径比越大、减小排气管直径、缩小旋风分离器直径等均能提高分离性能，但同时也增加的阻力损失，在旋风分离器的选型上应充分考虑阻力的影响。

2023/12/29圆筒直径一般为200～800mm，系列尺寸进口速度一般为10～25m/s压力损失约为500～2000Pa分离的颗粒直径约为>5

m旋风分离器主要技术参数

P134

：例3-3旋风分离器设备尺寸及分离效率计算2023/12/29例3-3

用标准旋风分离器除去气流中的固体颗粒。已知颗粒密度为1100kg/m3，气体密度为1.2kg/m3,

黏度为1.8×10-5Pa·s,流量为1440m3/h,允许压强降为130mmH2O(1mmH2O=9.807Pa)。已测得颗粒直径为4.5mm。试计算采用下列方案的设备尺寸及分离效率：（1）一台旋风分离器；（2）五台相同的旋风分离器串联；（3）五台相同的旋风分离器并联。分析：解:(1)采用一台旋风分离器时，已知标准旋风分离器的阻力系数z=8；根据压降计算公式可求得进口气速，即：则旋风分离器进口截面积为：设备直径为：再计算分割粒径d50：则:查图3-19得分离效率h=38%(2)当五台旋风分离器串联时，若忽略级间连接管的阻力，则每级旋风分离器的允许压强降为则旋风分离器进口截面积为：设备直径为：则各级旋风分离器的进口气速：则:查图3-19得单级旋风分离器的分离效率h’=16%，则串联五级旋风分离器的总效率为：再计算分割粒径d50：(3)当五台旋风分离器并联时，每台旋风分离器的气体流量为：则旋风分离器进口截面积为：设备直径为：因每台旋风分离器的允许压强降为130mmH2O,所以每台旋风分离器的进口气速：则:查图3-19得分离效率h=57%再计算分割粒径d50：总结：在处理气量及压强降相同的条件下，本例中串联5台与并联5台旋风分离器的分离效率大致相同，但并联时所需的设备小，投资省.2、常用旋风分离器的形式进气口四种形式：切向进口、倾斜螺旋面进口、蜗壳形进口及轴向进口除标准型旋风分离器外，还有：CLP型扩散式：净化颗粒浓度较高的气体

旋风分离器的性能不仅与含尘系统的物性、含尘浓度、粒度分布以及操作条件有关，还与设备本身的结构尺寸密切相关。2023/12/29

旋风分离器结构简单，无运动部件，操作不受温度和压强的限制，价格低廉，性能稳定，可满足中等粉尘捕集的要求，在工业生产中广泛应用。

气量一定,进口气速越大,旋风分离器直径越小,分离效果越好。工业上将许多小直径旋风分离器并联组成整体，装在一个外壳内，称为旋风分离器组，分离效果比大直径的旋风分离器好。多级旋风分离器2023/12/292023/12/293、旋液分离器

利用离心力从液流中分离出固体颗粒的分离设备。其工作原理、结构和操作特性与旋风分离器十分相似。圆筒和圆锥底流：固体颗粒顶流：清液或含有细微颗粒的液体

2023/12/293、旋液分离器

与旋风分离器相比，直径小、锥形部分长。原因：①液固密度差比气固密度差小很多，在一定的切线进口速度下，较小的旋转半径可使固体颗粒受到较大的离心力，进而提升离心沉降速度。②适当增加圆锥部分长度，可延长悬浮液在器内的停留时间，有利于液固分离。2023/12/292023/12/29

旋液分离器结构简单，设备费用低，占地面积小，处理量大。可用于悬浮液的增浓、分级操作，也可用于不互溶液体的分离、气液分离、传热、传质和雾化等操作。缺点：进料泵的动能消耗大，内壁磨损大，进料流量和浓度的变化容易影响分离性能。2023/12/294、环流式旋风除尘器与液固分离器低处理量时，除尘的分割粒径可达2mm以下；高处理量时，可达3mm左右。2023/12/29优点:压降低、效率高、放大效应小及操作弹性大，系统排出的气体中不含1mm以上的粉尘，分割粒径d50达到0.5-0.7mm。2023/12/295、离心沉降机分离悬浊液和乳浊液的有效设备。2023/12/29本节小结重力沉降重力沉降速度，降尘室的特点及工艺计算离心沉降离心沉降速度，旋风分离器的操作原理，旋风分离器的性能，旋风分离器的类型与选用，旋液分离器

作业题：P170：三、4、5、102023/12/293.4过滤分离原理及设备1、过滤操作原理2、过滤基本方程3、过滤过程计算：恒压过滤、恒速过滤4、过滤常数的测定5、过滤设备6、滤饼洗涤7、过滤生产能力2023/12/29一、过滤操作原理1

过滤

过滤是以某种多孔物质为介质，在外力的作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固、液分离的操作。2023/12/29

名词：滤浆；过滤介质；滤液；滤渣(饼)2023/12/29②推动力：压力差，离心力，重力阻力：过滤介质、滤饼阻力过滤介质滤饼滤浆滤液

克服过滤阻力(介质阻力、滤饼阻力)，悬浮液在重力、加压或真空作用下进行过滤，以维持滤饼与介质的两侧间存在一定的压力差，过滤过程的推动力。对流体做功，机械能是过滤所必需的能量。③两种过滤方式1）.饼层过滤“架桥现象”必要！处理固体颗粒体积含量>1%的悬浮液2023/12/29

刚开始时，过滤介质中微细孔道的直径可能大于悬浮液中部分颗粒的直径，因而，过滤之初会有一些细小颗粒穿过介质而使滤液浑浊（先浑）；但是颗粒会在孔道中迅速堆积而形成一个颗粒层（滤饼），使小于孔道直径的细小颗粒也能被截留，此现象称为“架桥”现象。在滤饼形成之后，它便成为对其后的颗粒起主要截留作用的介质。因此，不断增厚的滤饼才是真正有效的过滤介质，穿过滤饼的液体则变为澄清的液体（后清）。理解过滤操作的先浑后清。

饼层过滤过程：2023/12/29

过滤操作包括：过滤、洗涤、去湿及卸料四个阶段，周而复始循环进行。

滤饼厚度增加，阻力增加，速度降低，不能进行，不够经济，移走滤饼。洗涤滤饼，洗涤液，后除去滤饼中的液体(去湿)。卸料（滤饼）反吹滤布清洗滤饼洗涤目的：回收滤饼里存留的滤液或净化构成滤饼的颗粒2023/12/292）深层过滤（澄清过滤、深床过滤）适于处理颗粒很小、含量很小（<0.1%）的悬浮液例如：自来水的净化，污水处理

深层过滤时，固体颗粒并不在介质上形成滤饼，而是沉积于过滤介质床层的内部。2023/12/29特点（不同于饼层过滤）

特点：颗粒沉积于过滤介质内部(没有形成滤饼）过滤介质：堆积较厚的粒状床层。过滤原理：颗粒通过细长而弯曲的孔道时，靠静电和分子的作用力附着在介质孔道上。操作目的：获得固体或清净的液体2023/12/292.过滤介质—支撑滤饼或截留颗粒，通过滤液；—要求流动阻力小，机械强度高①织物介质—滤布(织物、网)，5-65m，工业应用广泛②堆积介质—固体颗粒或纤维等堆积，—深层过滤

③多孔固体介质：具有微细孔道的固体，1-3m④多孔膜：有机膜、无机膜。1m以下

2023/12/293．滤饼的可压缩性和助滤剂

滤饼受压

，

，流动阻力

助滤剂——为了使过滤顺利进行，可以将质地坚硬而能形成疏松滤饼的另一种固体颗粒混入悬浮液或预涂于过滤介质上，以形成疏松饼层，使得滤液畅流（减小阻力）。使滤饼疏松而坚硬。不可压缩滤饼：单位厚度床层的流动阻力恒定。可压缩性滤饼：单位厚度床层的流动阻力随压力差增大而增大。2023/12/29助滤剂的基本要求：1、能形成多孔饼层的刚性颗粒，使滤饼有良好的渗透性及较低的流体阻力。

2、具有化学稳定性。

3、在操作压强范围内具有不可压缩性。2023/12/29常用的助滤剂：硅藻土—由硅藻土经煅烧、粉碎、筛分而得到粒度均匀的颗粒。主要成分为含SiO2的硅酸盐。珍珠岩—由珍珠岩粉经煅烧迅速膨胀后、粉碎、筛分而得到粒度均匀的颗粒。主要成分为含70%SiO2的硅酸铝。石棉—天然的纤维状的硅酸盐类矿物质2023/12/29

液体通过饼层(包括滤饼和过滤介质)空隙的流动与普通管内流动相仿。通道不规则网状结构。孔道很细小，滤液的流动，设为层流。参照范宁公式：液体通过饼层克服流动阻力的压强差△p二、过滤基本方程

2023/12/29

dpd0

对于颗粒层中不规则的通道，可将滤液通过饼层的流动看作液体以速度u通过许多平均直径为d0,长度等于饼层厚度(L+Le)的小管内的流动。L为滤饼厚度，Le为过滤介质的当量滤饼厚度。滤液通过饼层的流动毛细孔道尺寸？→当量直径化①细管内表面=床层颗粒的全部表面②细管的总体积=床层空隙体积2023/12/29流体通过饼层的瞬间平均速度为A0------饼层空隙的平均截面积，m2;A------过滤面积，m2;e------饼层空隙率，对不可压缩滤饼为定值；t------过滤时间,sV------滤液量，m3dV/dt------单位时间获得的滤液体积，过滤速率2023/12/29

r:滤饼比阻。物理意义为单位厚度滤饼的阻力,数值上等于黏度为1Pa·s的滤液以1m/s的平均流速通过厚度为1m的滤饼层时所产生的压强降。

r反映滤饼结构特征的参数，其值反映了滤饼对滤液流动阻力的大小。ε↑r↓，d0↑r↓等。引入系数υ：—获取单位体积滤液所得滤饼体积,

m3滤饼/m3滤液过滤基本方程式，表示过滤过程中任意瞬间的过滤速度与有关因素间的关系，是过滤计算及强化过滤操作的基本依据。适用于不可压缩滤饼。Ve—与Le对应的滤液体积（过滤介质的当量滤液体积）。不存在，虚拟量2023/12/29可压缩滤饼：r复杂，经验公式：r=r’(⊿p)sr’单位压强差下滤饼的比阻，体系确定后，为一常数。

s：压缩性指数。s=0～1，颗粒刚性越大，s→0，不可压缩滤饼：s=0。硅藻土s=0.01，氢氧化铝s=0.9。——过滤基本方程式2023/12/29三、过滤过程计算工业中大多数过滤为恒压过滤过滤操作方式：恒压过滤恒速过滤先恒速后恒压的复合操作方式

恒压过滤：在恒定压强差下进行的过滤操作。恒压过滤时，滤饼不断变厚致使阻力逐渐增加。但推动力ΔP恒定，过滤速率逐渐变小。2023/12/291、恒压过滤基本方程式

对于一定的悬浮液和过滤介质，r、m、u、Ve可视为定值。

恒压过滤方程，表达了过滤时间t与获得滤液体积V或单位过滤面积上获得的滤液体积(q)的关系。2023/12/29K与物料特性及压强差有关，单位m2/sqe与过滤介质阻力大小有关，单位m3/m2过滤参数，可由实验测定。P143例3-42023/12/292、恒速过滤与先恒速后恒压过滤

用排量固定的正位移泵向过滤机供料，并且支路阀处于关闭状态时，过滤速率恒定。滤饼增厚，阻力增大，维持过滤速率不变，需不断增大过滤的推动力-压力差。表明恒速过滤时，V(或q)与t关系是通过原点的直线。2023/12/29对于不可压缩滤饼：∴⊿p=µrυuRq+µrυuRqe=µrυuR2θ+µrυuRqe在一定条件下，µ，r，υ，uR，qe均为常数。∴⊿p=aθ+b——为一条直线。若介质阻力忽略，⊿p=aθ——正比关系ab2023/12/29先恒速后恒压过滤分两段计算：

（恒速段）：

范围

V:0→

VR

，θ:0→θR

。关系式

VR2+VeVR=K终A2θR/22023/12/29定积分得：(V+Ve)2-(VR+Ve)2=KA2(θ-θR)(V2－VR2)+2Ve(V-VR)=KA2(θ-θR)注：恒速与恒压交界点处的一些参数之间的关系。边界条件：V:VR→V，θ:θR→θ。恒压阶段：2(V+Ve)dV=KA2dθP144,例3-52023/12/29根据恒压过滤基本方程式求导得微分用增量代替连续测定

，q算出一系列

及对应q/q~q作图，直线斜率=2/K，截距=2qe/K四过滤常数的实验测定（恒压）

然后由qe2=Kθe，求θe。也可由恒压过滤方程式计算，给出两组数据即可。例3-4.但可靠度差方程同除以K△q2023/12/29另一种方法：过滤方程同除以Kq测量变量和前述方法相同t/q~q作图，直线斜率=1/K，截距=2qe/Kq2+2qeq=Kt滤饼压缩性指数s及物料特性参数k的求法：K＝2k(∆

P)1-slgK=(1-s)lg∆p+lg(2k)2023/12/29五、过滤设备---过滤机操作方法加压过滤机真空过滤机间歇过滤机连续过滤机过滤推动力板框压滤机加压叶滤机转筒真空过滤机2023/12/29（一）板框压滤机1）板框压滤机的构造由许多块带凹凸纹路的滤板与滤框交替排列组装于机而构成。

2023/12/29

滤板和滤框多做成正方形，板、框左右角上均开有小孔，组合后即构成供滤浆和洗涤水流通的孔道。滤框的两侧覆以滤布，围成容纳滤浆及滤饼的空间。滤板的作用：支持滤布和提供滤液流出的通道。滤板洗涤板：非洗板：

滤框：二钮板三钮板一钮板滤框的作用：提供滤浆流入的通道和收集滤渣。滤板与滤框装合方式：按钮数以1-2-3-2-1-2-3-2的顺序排列。2023/12/292023/12/292）板框压滤机的操作

板框压滤机为间歇操作，每个操作循环由装合、过滤、洗涤、卸饼、清理5个阶段组成。

悬浮液在指定压强下经滤浆通路由滤框角上的孔道并行进入各个滤框。

滤液分别穿过滤框两侧的滤布，沿滤板板面的沟道至滤液出口排出

颗粒被滤布截留而沉积在滤布上，待滤饼充满全框后，停止过滤。

洗板板框压滤机框非洗板洗板滤液流出悬浮液入口2023/12/29洗板板框压滤机框非洗板洗板洗涤液流出洗涤液入口

横穿洗涤法：洗涤时，先将洗涤板上的滤液出口关闭，洗涤水经洗水通路从洗涤半角上的孔道并行进入各个洗涤板的两侧。特点：洗涤水穿过的途径正好是过滤终了时滤液穿过途径的二倍。

置换洗涤法：洗涤液行程与滤液相同。洗涤面=过滤面2023/12/292023/12/29优点：

结构简单，制造容易，设备紧凑，过滤面积大而占地小，操作压强高，滤饼含水少，对各种物料的适应能力强。缺点：

间歇手工操作，劳动强度大，生产效率低。间歇操作——过滤、洗涤、卸渣、整理、装合2023/12/29

叶滤机由许多滤叶组成。滤叶内有空间，外包滤布，将滤叶装在密闭的机壳内，为滤浆所浸没。1）滤浆中的液体在压力作用下穿过滤布进入滤叶内部，成为滤液后从其一端排出（过滤）。2）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洗涤，故为置换洗涤（洗涤）。3）最后，滤饼可用振动器使其脱落，或用压缩空气将其吹下（卸渣）。

滤叶可以水平放置也可以垂直放置，滤浆可用泵压入也可用真空泵抽入。

2、加压叶滤机2023/12/29优点:叶滤机也是间歇操作设备。它具有过滤推动力大，过滤面积大，滤饼洗涤较充分等优点。其生产能力比压滤机还大，而且机械化程度高，劳动力较省。缺点:构造较为复杂，造价较高，粒度差别较大的颗粒可能分别聚集于不同的高度，故洗涤不均匀。2023/12/29加压式叶滤机的过滤面积一般为20-100m2，主要用于含固体量少（约1%）的悬浮液和需要液体而不是固体的场合，如各种酒类、食品饮料以及植物油等的过滤。2023/12/293、转筒真空过滤机1）转筒真空过滤机的结构

转筒真空过滤机是工业上应用最广的一种连续操作的过滤设备。

设备的主体是一个能转动的水平圆筒，圆筒表面有一层金属网，网上覆盖滤布，筒的下部进入滤浆中，圆筒沿径向分割成若干扇形格，每个都有单独的孔道通至分配头上。圆筒转动时，凭借分配头的作用使这些孔道依次分别与真空管及压缩空气管相通，因而在回转一周的过程中每个扇形格表面即可顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸饼等项操作。2023/12/292023/12/292023/12/292）分配头的结构及工作原理分配头由紧密贴合着的转动盘与固定盘构成，转动盘随筒体一起旋转，固定盘内侧面各凹槽分别与各种不同作用的管道相通。①当转动盘上的某几个小孔与固定盘上的凹槽2相对时，这几个小孔对应的连通管及相应的转筒表面与滤液真空管相连，滤液便可经连通管和转动盘上的小孔被吸入真空系统；同时滤饼沉积于滤布的外表面上。此为过滤。②转动盘转到使这几个小孔与凹槽3相对时，这几个小孔对应的连通管及相应的转筒表面与洗水真空管相连，转筒上方喷洒的洗水被从外表面吸入连通管中，经转动盘上的小孔被送入真空系统。此为洗涤、吸干。2023/12/29优点：操作连续、自动，能大规模处理固体物含量很大的悬浮液缺点：①转筒体积大，而其过滤面积小；②用真空过滤，过滤的推动力不大；③悬浮液温度不能高，否则真空会失去效应;④滤饼含湿量大，洗涤不彻底。3）转筒真空过滤机的优缺点2023/12/29

工业过滤除尘设备，捕集效率高，一般达到90%以上。2023/12/29

离心过滤是指借旋转液体所受到的离心力而通过介质和滤饼、固体颗粒被截留于过滤介质表面的操作过程。推动力为离心力（5）过滤离心机（1）三足式离心机（2）卧式刮刀卸料离心机（3）活塞推料离心机2023/12/29六、滤饼的洗涤（洗涤目的、洗涤方式、洗涤时间的计算）洗涤速率：特点：洗涤时推动力、阻力不变，恒压差下洗涤速率为常数。

单位时间内消耗的洗水容积洗涤时间：洗涤液量滤饼洗涤的目的：为了回收滤饼里存留的滤液，或者净化构成滤饼的颗粒。2023/12/29

洗涤速率与过滤终了时的过滤速率有关，这个关系取决于滤液设备上采用的洗涤方式。

叶滤机采用的置换洗涤法，洗水与过滤终了时的滤液流过的路径就完全相同。当操作压强差和洗水与滤液黏度相同时

2023/12/29洗板板框压滤机框非洗板洗板滤液流出悬浮液入口洗板板框压滤机框非洗板洗板洗涤液流出洗涤液入口横穿洗涤法：洗水横穿两层滤布及整个厚度的滤饼，流径长度约为过滤终了时滤液流动的两倍；而供洗水流通的面积仅为过滤面积的一半。2023/12/29横穿洗涤法：洗水横穿两层滤布及整个厚度的滤饼，流径长度约为过滤终了时滤液流动的两倍；而供洗水流通的面积仅为过滤面积的一半。当操作压强差和洗水与滤液黏度相同时

当洗水黏度、洗水表压与滤液黏度、过滤压强差有明显差异时，所需的过滤时间可进行校正。结论：洗涤速率为过滤终了时过滤速率的1/4。

2023/12/29七、过滤生产能力过滤机的生产能力：单位时间获得的滤液体积，m3/s

1、间歇过滤机的计算特点：在整个过滤机上依次进行一个过滤循环中的过滤、洗涤、卸渣、清理、整合等操作。以整个操作周期为基准。一个操作周期的总时间为：生产能力为：2023/12/29特点：过滤、洗涤、卸饼等操作在转筒表面的不同区域内同时进行；任何时刻总有一部分表面在进行过滤；任何一部分表面只有在其浸没在滤浆中的那段时间才是有效过滤时间。以一个操作周期为基准，即转筒旋转一周所用的时间T浸没度:

转筒表面浸入滤浆中的分数，Y＝浸没角度/360°

若转筒转速为nr/min,转筒回转一周所用时间：

转筒上任一块过滤面积所经历的过滤时间为：

2、连续过滤机的生产能力2023/12/29则每小时所得滤液体积，即生产能力：

根据恒压过滤方程式可知转筒每转一周所得滤液的体积为：P152例3-6略去滤布阻力，有结论：n,Y↑,Q↑2023/12/29八、加快过滤速率的途径

根据过滤速率基本方程式讨论各因素的具体影响情况，综合分析如何加快过滤速率。工业上通常有三种具体实施途径：1、改变滤饼结构：使用助滤剂。

2、改变悬浮液中颗粒聚集状态，使分散小颗粒→较大颗粒：使用絮凝剂或凝聚剂。

①加入聚合电解质：如明胶、聚丙烯酰胺等

②加入无机电解质：如明矾等

3、动态过滤。2023/12/293.4过滤分离原理及设备---小结1、过滤操作原理2、过滤基本方程3、过滤过程计算：恒压过滤、恒速过滤4、过滤常数的测定5、过滤设备6、滤饼洗涤：横穿洗涤、置换洗涤速率7、过滤生产能力

作业题：P171三、152023/12/293.5固体流态化1、固体流态化现象2、流化床的流体力学特性3、流态化的工业应用（自学）2023/12/29⒈固定床阶段：

空床气速（表观速度）u低；实际流速um＜沉降速度ut

；颗粒静止不动，床层高度不变一、固体流态化现象流体流速不同，现象不同2023/12/29⒉流化床阶段：

表观速度u↑

→曳力＞重力，床层开始流化→床层空隙率ε↑；实际流速um=颗粒沉降速度ut

时，颗粒悬浮于流体中，形成流化床；颗粒彼此脱离，做不规则运动，但不脱离床层，床层有明显上界面。流化床存在的基础是大量颗粒的群居。群居的大量颗粒通过床层的膨胀调整空隙率，从而在一个相当宽的气速范围内悬浮于气流之中，这是流化床能够存在的物理基础。2023/12/29⒊输送床阶段：

实际速度um＞颗粒沉降速度ut，颗粒被带出

─气力输送阶段2023/12/29二、流化床的流化类型⒈散式流态化（Particulatefluidization）特征：颗粒分散均匀，随流速增加床层均匀膨胀，床内空隙率均匀增加，床层上界面平稳，压降稳定、波动很小。一般流-固两相密度差较小的体系呈现散式流态化特征，如液-固流化床。2023/12/29⒉聚式流态化（Aggregativefluidization）：特征：ρs＞＞ρ，形成气泡，长大并破裂，床层波动剧烈，膨胀程度不大，上界面起伏不定。气泡相、乳化相稀相区、浓相区鼓泡流态化一般出现在流-固两相密度差较大的体系，如气-固流化床。2023/12/29三、流化床的主要特性⒈类似于流体的特性：轻物浮起床面呈水平压强符合流体静力学流动性连通床面趋于水平2023/12/29⒉固体颗粒剧烈运动与迅速混合：⒊强烈的碰撞与摩擦：

固体颗粒上升，必有等量颗粒下降，使颗粒均匀混合，但导致停留时间不均，固体产品的质量不均

颗粒之间、颗粒与器壁之间的碰撞磨损严重，生成的细粉易被气体带出，加大了损失量2023/12/29⒋气流的不均匀分布与气固床层的不均匀接触—聚式流化床的不正常操作沟流：

床层中出现气沟；