第三章非均相机械分离

第三章非均相机械分别3.1沉降3.2过滤3.3颗粒的沉降3.3.1概述3.3.2颗粒在流体中的沉降过程3.2.3重力沉降设备3.2.4离心沉降设备3.2.4离心机3.3.1概述混合物均相混合物非均相混合物溶液：混合气体：精馏、萃取吸收、吸附气态非均相液态非均相含尘气体含雾气体悬浮液乳浊液泡沫液1.混合物的分类分散相(分散物质)：处于分散形状的物质延续相(分散介质)：处于延续形状的物质2.非均相物系分别的目的回收有价值的分散物质净化分散介质环境维护和平安消费3.3.1概述3.非均相物系的分别根据：按运动方式的不同沉降过滤分散相运动延续相静止分散相静止延续相运动分散相与延续相之间物性的差别。如密度，直径等。方法采用机械法，使发生相对运动。3.3.1概述1.自在沉降速度自在沉降:单个颗粒在流体中的沉降过程。干扰沉降：假设颗粒数量较多，相互间间隔较近，那么颗粒沉降时相互间会干扰，称为干扰沉降。3.3.2颗粒在流体中的沉降过程颗粒在流体中遭到三个力的作用，如图3-3所示：曳力Fd重力Fg浮力FbFg=mg〔重力〕，或FB=mac〔离心力〕Fb=mg/p式中d为曳力系数，A为颗粒在流动方向上的投影面积3.3.2颗粒在流体中的沉降过程①刚开场沉降：不变a〔加速度〕最大②开场沉降a(3-19)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：a＝0u添加至一定值时自在沉降速度匀速沉降自在沉降速度公式(3-20)式中dp为颗粒的当量直径。3.3.2颗粒在流体中的沉降过程2.阻力系数的计算因次分析球形度=与颗粒体积相等的圆球的外表积颗粒的外表积3.球形颗粒沉降速度计算：层流区——Stokes定律区过渡区——Allen定律区3.3.2颗粒在流体中的沉降过程湍流区——Newton定律区3.3.2颗粒在流体中的沉降过程Re0>200000后，ζ骤然下降，在Ret=(3~10)×105范围内可近似取ζ=0.1。4.影响沉降速度的要素①颗粒直径其它条件一样时，小颗粒后沉降。②流体密度条件其它一样时，颗粒在空气较在水中易沉降。③颗粒密度其它条件一样时，密度大的颗粒先沉降。5.的计算：

问题：沉降速度未知，如何判别流型？处理方法：试差法或判据法〔防止试差〕判据法：将上式代入Re中，得到：斯托克斯公式:令那么令试差法：假设流型选择公式计算计算验算例：求直径40μm球形颗粒在30℃大气中的自在沉降速度。知ρ颗粒为2600kg/m3,大气压为0.1MPa。解：设为层流，那么：查30℃、0.1MPa空气：校核：(正确)6.非球形颗粒的沉降速度

同样条件下因此处置方法：可先假定为颗粒球形，然后校正。ReP颗粒球形度对沉降速度的影响ut〔非球形〕/ut〔球形〕3.3.3重力沉降设备1.降尘室〔1〕任务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<气体停留时间分别

气体

气体

进口

出口

集灰斗

降尘室

BVsu0uLH颗粒在降尘室中的运动BVsutuLH颗粒在降尘室中的运动颗粒可以沉降到集尘斗中有什么条件呢？颗粒在降尘室中的沉降时间小于停留时间时，颗粒在流体分开降尘室前即可沉降到降尘室的底部。其中：θ与设备尺寸及处置量有关，与颗粒性质无关；θt与流体、颗粒的性质、分别要求及降尘室的高度有关。3.3.3重力沉降设备停留时间：气流速度m/s气流流率m3/s沉降时间留意：当某直径的颗粒满足θ≥θt时，它可以被完全〔100%〕地分别；当某直径的颗粒满足θ<θt时，它不是不能被分别，依然可以被分别，只不过是不能被完全分别。讨论：〔1〕降尘室的消费才干：停留时间最短为θt=θ=H/u，即最大消费才干为Vs=BLut；故消费才干与降尘室的底面积BL有关而与降尘室的高度无关，因此，降尘室多制成扁平型或多层。〔2〕降尘室消费才干与设备高度无关，那么降尘室的高度能否越小越好呢？3.3.3重力沉降设备①假设u不变，那么L↓，消费才干Vs=BLut↓；为保证消费才干不变，必需B↑；降尘室变得短而宽，气体进入降尘室还未稳定就分开降尘室了，气体在降尘室内的分布不均匀呵斥分别才干下降；所以在降尘室的前后均有渐缩和渐扩安装；②假设L不变，u↑，消费才干不变；假设流速太大，那么沉降后的颗粒被重新扬起，分别效率↓，故应保证气体流动维持层流形状，普通u<3m/s，易扬起的物料u<1.5m/s。〔3〕重力沉降中沉降速度无法提高，重力沉降的效果有限，普通重力沉降能分别的颗粒直径为>10μm〔>75μm效果较好〕。3.3.3重力沉降设备〔4〕θ≥θt在设计中是确定降尘室主要构造尺寸的根据，在操作中是确定所能完全分别最小颗粒直径的判据。当Stokes定律适用时，颗粒在降尘室中作自在沉降，处置量为Vs时能分别出的颗粒的最小直径dmin为：降尘室底面积3.3.3重力沉降设备3.3.3重力沉降设备例1:降尘室计算 用总高4m、宽1.7m、长4.55m的重力降尘室分别空气中的粉尘。中间等高安排39块隔板，每小时经过降尘室的含尘气体为2000m3，气体的密度为1.6kg/m3(均为标况)，气体温度为400℃，此时粘度为3×10-5Pa·s，粉尘的密度为3700kg/m3。试求①此降尘室能分别的最小尘粒的直径②除去6μm颗粒的百分率。知：H，w，n，V0，ρO，t,μ，ρP求：dpc解：∴假设成立，dPC=8.11μm。②d=6μm由上可知沉降属于层流区停留时间：θ=L/u=4.55×1.7×4/1.369=22.60s例题2：质量流量为2.50kg/s，温度为20℃的常压含尘气体在进入反响器之前必需除尘并预热至150℃，所含尘粒密度为1800kg/m3。现有一台总面积为130m2的多层降尘室，试求〔1〕先除尘后预热的情况下降尘室可全部除去的最小颗粒直径；〔2〕先预热后除尘的情况下降尘室可全部除去的最小颗粒直径；〔3〕哪种顺序比较好？为什么？知20℃的气体粘度为1.81×10-5Pa.s，150℃的气体粘度为2.41×10-5Pa.s。解：〔1〕据题意kg/m3μ=1.81×10-5Pa.sm3/s可全部除去的最小颗粒的沉降速度为

m/s假设颗粒沉降处于层流区，那么校核故以上计算有效〔2〕据题意μ=2.41×10-5Pa.s可全部除去的最小颗粒的沉降速度为:假设颗粒沉降处于层流区，那么校核故以上计算有效〔3〕由计算可知，先除尘后预热的顺序较好，可以全部除去的最小颗粒直径较小。3.3.3重力沉降设备2.增稠器〔沉降槽〕①构造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，颗粒在廓清区还是有时机再沉降，使“溢流〞的廓清液体坚持清洁。②任务原理3.3.3重力沉降设备④改动沉降速度的方法增稠器既可用于间歇操作或延续操作，具有廓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、煤泥水处置等。工业上处置大量悬浮液时，普通采用延续式增稠器。Ⅰ添加絮凝剂：③运用Ⅱ改动操作条件：普通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，从而提高或降低沉降速度。3.3.4离心沉降〔Centrifugalsedimentation〕r1r2ArCBuruut颗粒在旋转流体中的运动颗粒的切线速度旋转半径离心加速度假设颗粒为球形：颗粒密度流体密度当作用力等于阻力时，可得离心沉降速度ur3.3.4离心沉降〔Centrifugalsedimentation〕r=0.5m，ut=10m/s时，留意：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，颗粒的实践运动轨迹是一个半径逐渐扩展的螺旋线。离心沉降速度并不是颗粒的实践运动速度，只是其在径向上的分量。旋风分别器用于分别气体中的固体颗粒旋液分别器用于分别液体中的固体颗粒重力沉降离心沉降降尘室用于分别气体中的固体颗粒沉降槽用于分别液体中的固体颗粒〔1〕构造与任务原理如右图所示，主体的上部为圆筒形，下部为圆锥形，中央有一升气管。旋风分别器〔Cycloneseparators〕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。被净化的气体到达底部(处于密封形状)后折向上，沿中心轴旋转着从顶部中央排气管排出旋风分别器〔Cycloneseparators〕〔2〕分别性能旋风分别器可以分别出的颗粒大小是它的主要性能之一。①临界直径dc〔Criticaldiameter〕假设：a、颗粒与气体在旋风分别器内的切线速度ut恒定，与所在位置无关，且等于进口处的速度ui；b、颗粒沉降过程中所穿过的气流最大厚度等于进口宽度B；c、颗粒与气流的相对运动为层流。颗粒在旋风分别器中能被完全分别，其沉降时间必需不大于停留时间临界直径：当沉降时间与停留时间相等时所能完全分别的颗粒直径为最小直径。旋风分别器〔Cycloneseparators〕离心沉降时间为：旋转半径的平均值停留时间：旋风分别器〔Cycloneseparators〕讨论：ⅰB↓，D↓，dc↓，效率↑；在消费才干一样条件下，有一台大旋风分别器和假设干台小旋风分别器〔进口气速一样〕，应采用哪种方案？ⅱui↑，dc↓，效率↑，但阻力↑；旋风分别器的进口气速应适中选择，不宜太高也不宜太低。ⅲdc不仅与颗粒和气体的性质有关，而且与旋风分别器的构造和处置量有关。处置量越大、颗粒密度越大、进口越窄、长径比越大〔N越大〕，那么临界直径越小，分别性能越好。旋风分别器〔Cycloneseparators〕②分别效率——粒级效率、总效率含尘气体中一切颗粒经分别器后被分别出的质量百分数η0，称为总效率，不能准确地代表旋风分别器的分别性能:含尘气体中某一粒径的颗粒经分别器后被分别出的质量百分数ηpi，称为粒级效率，可以准确表示旋风分别器的分别性能。

其中c为质量含量，g/m3；i表示直径为di的颗粒。d50是粒级效率恰为50%的颗粒直径，称为分割粒径。工业上常将旋风分别器的粒级效率dpi标绘成粒径比dpi/d50的函数曲线。旋风分别器〔Cycloneseparators〕讨论：ⅰ假设两台旋风分别器的总效率一样，他们的分别性能能否一样？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干更准确地评价分别器的效率。ⅱd>dc时，ηpi=100%，d<dc的颗粒能否被分别？能，不能被完全分别即ηpi<100%。ⅲηpi与η0的关系旋风分别器〔Cycloneseparators〕③压力降〔阻力损失〕通常压降用入口气体动能的倍数来表示：对规范型旋风分别器处置量越大、颗粒密度越大、进口越窄、长径比越大、减小排气管直径、减少旋风分别器直径等等均能提高分别性能，但同时也添加的阻力损失，在旋风分别器的选型上应充分思索阻力的影响。4.7旋液分别器旋液分别器的任务原理及计算与旋风分别器类似。与旋风分别器相比，旋液分别器的直径较小？较大？气固密度差大而液固密度差较小，为获得较高的离心力，旋液分别器的直径通常较小。在除去某粒径的颗粒时，假设降尘室的高度添加一倍，那么沉降时间___________，气流速度______________，消费才干______________。球型石英颗粒在水中作自在沉降，假设沉降属于层流区〔stocks公式适用〕，当粒径添加一倍时，其它条件不变的情况下，其沉降速度将为原来的_____倍。拟采用一个降尘室和一个旋风分别器来除去某含尘气体中的灰尘，那么较适宜的安排是__________。选择旋风分别器型式及决议其主要尺寸的根据是气体处置量；分别效率；允许压降。含尘气体在某降尘室停留时间为6s时，可使直径为80μm尘粒的70%得以沉降下来。现将消费才干提高一倍〔气速仍在正常操作的允许范围内〕，那么该直径颗粒可分别的百分率为_______。在除去某粒径的颗粒时，假设降尘室的高度添加，那么沉降时间___________，气流速度______________，消费才干______________。一球形石英颗粒，分别在空气和水中按斯托克斯定律沉降，假设系统温度升高，那么其在水中的沉降速度将，在空气中的沉降速度将。3.4过滤

3.4.1概述3.4.2过滤根本方程3.4.3过滤常数的测定3.4.4滤饼洗涤3.4.5过滤设备及过滤计算3.4过滤〔Filteration〕3.4.1概述过滤是在外力作用下，利用过滤介质使悬浮液中的液体经过，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分别的一种单元操作。过滤介质具有多孔构造，可以截留固体物质，而让液体经过；我们把待过滤的悬浮液成为滤浆〔Slurry〕，而过滤后分别出的固体称为滤渣或滤饼〔Filtercake〕，经过过滤介质的液体称为滤液〔Filtrate〕。〔1〕过滤介质〔Filtermedium〕：过滤介质应具有以下特性：多孔性，足够的机械强度，尽能够小的流动阻力，耐腐蚀性，耐热性，易于再生。工业上常见的过滤介质：织物介质、堆积介质、多孔固体介质、多孔膜。3.4.1概述〔2〕过滤分类：深层过滤〔Deepbedfilteration〕滤饼过滤〔Cakefilteration〕过滤介质悬浮液深层过滤悬浮液滤饼过滤介质滤液滤饼过滤3.4.1概述〔3〕过滤推进力：重力〔漏斗过滤〕、压力〔加压过滤〕或真空〔抽滤〕、离心力〔离心过滤〕。〔4〕滤饼的可紧缩性〔5〕助滤剂助滤剂本身就是一性能良好的过滤介质，是一种巩固、不规那么的小颗粒，它能构成构造疏松、空隙率大、不可紧缩的滤饼，很大程度改善过滤难度。助滤剂运用方法主要有两种：混合、预涂。3.4.1概述3.4.2过滤设备〔1〕板框压滤机〔Plate-and-frametypefilterpress〕①构造与任务原理料液通道2钮1钮3钮洗涤液通道洗涤板框非洗涤板3.4.2过滤设备陈列方式：板、框交替，个数可调。3.4.2过滤设备②流程装合、过滤、洗涤、卸渣、整理，1232123212321……1-非洗涤板；2-框；3-洗涤板；四角均开孔组装:1-2-3-2-1-2-3-2-1-2-3-2-1滤布—框的两侧滤浆由总管入框框内构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3.4.2过滤设备③特点优点：构造简单，过滤面积大〔100×100mm~1500×1500mm〕而占地省，过滤压力高〔可达1.5MPa〕，操作灵敏，便于用耐腐蚀资料制造，所得滤饼水分含量少，又能充分地洗涤。缺陷：间歇过滤，劳动强度大，适用于中小规模的消费及有特殊要求的场所。横穿洗涤〔洗涤液的流通途径是过滤滤液流通途径的两倍，洗涤液的流通截面积为过滤滤液流通截面积的一半；故洗涤速率为过滤终了速率的四分之一〕。3.4.2过滤设备〔2〕叶滤机〔Leaffilter〕①构造与任务原理叶滤机由许多滤叶组成。滤叶是由金属多孔板或多孔网制造的扁平框架，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。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。过滤终了，机壳内改充清水，使水循着与滤液一样的途径经过滤饼进展洗涤，故为置换洗涤。最后，滤饼可用振动器使其零落，或用紧缩空气将其吹下。3.4.2过滤设备②流程装合、过滤、洗涤、卸渣、整理③特点优点：间歇过滤，单位地面所包容的过滤面积大，洗涤充分，消费才干比压滤机大，机械化程度高，劳动力省，密闭过滤，操作环境较好。缺陷：构造复杂，造价高，滤饼中粒度差别较大的颗粒能够分别积聚于不同的高度，使洗涤不均匀。置换洗涤〔洗涤液的流通途径与过滤滤液流通途径一样，洗涤液的流通截面积与过滤滤液流通截面积相等；洗涤速率与过滤终了速率相等〕。〔3〕转筒真空过滤机〔Rotaryvacuumdrumfilter〕①构造与任务原理：3.4.2过滤设备为延续操作过滤设备。其主体部分是一个卧式转筒，外表有一层金属网，网上覆盖滤布，筒的下部浸入滤浆中。转筒沿径向分成假设干个互不相通的扇形格，每格端面上的小孔与分配头相通。凭仗分配头的作用，转筒在旋转一周的过程中，每格可按顺序完成过滤、洗涤、卸渣等操作。

当转筒中的某一扇形格转入滤浆中时，与之相通的转动盘上的小孔也与固定盘上槽1相通，在真空形状下抽吸滤液，滤布外侧那么构成滤饼；当转至与槽2相通时，该格的过滤面已分开滤浆槽，槽2的作用是将滤饼中的滤液进一步吸出；当转至与槽3一样时，该格上方有洗涤液喷淋在滤饼上，并由槽3抽吸至洗涤液罐。当转至与孔4相通时，紧缩空气将由内向外吹松滤饼，迫使滤饼与滤布分别，随后由刮刀将滤饼刮下，刮刀与转筒外表的间隔可调；当转至与与孔5相通时，紧缩空气吹落滤布上的颗粒，疏通滤布孔隙，使滤布再生。然后进入下一周期的操作。转筒直径为0.3～5m，长为0.3～7m。滤饼层薄的约为3～6mm，厚的可达100mm。操作延续、自动、节省人力，消费才干大，能处置浓度变化大的悬浮液，在制碱、造纸、制糖、采矿等工业中均有运用。但转筒真空过滤机构造复杂，过滤面积不大，滤饼含液量较高〔10％～30％〕，洗涤不充分，能耗高，不适宜处置高温悬浮液。程度转筒分为假设干段，滤布蒙于侧壁段—管—分配头转动盘(多孔)——分配头固定盘(凹槽2、凹槽1、凹槽3)—三个通道的入口滤液真空管洗水真空管吹气管任务过程—跟踪一段当浸入滤浆中时，对应滤布—对应管—转动盘孔—凹槽2—滤液真空管—滤液通道—过滤②流程过滤、洗涤、吸干、吹松、卸渣当位于水喷头下，对应滤饼、滤布—对应管—转动盘孔—凹槽1—洗水真空管—洗水通道—洗涤吹气管—凹槽3—转动盘孔—对应管—滤布—滤饼—紧缩空气通道—吹松遇到刮刀—卸渣两凹槽之间的空白处：没有通道——停工—两区不致串通3.4.2过滤设备③特点优点：操作延续、自动缺陷：设备体积庞大，过滤面积相对较小，过滤、洗涤推进力小，洗涤不充分，适用于处置量大而容易过滤的悬浮液分别。洗涤方式为置换洗涤。3.4.3过滤根本实际3.4.3.1滤饼层特性〔1〕滤饼层空隙率ε空隙率反映了滤饼层中固体颗粒的堆积密度；ε↓，颗粒堆积严密，同样流量下，阻力↑；ε↑，颗粒堆积疏松，同样流量下，阻力↓。将孔道视为长度均为le，当量长度为de的一组平行细管，流体在细管中的平均流速u1。3.4.3.2滤液经过滤饼层的流动简化条件：〔1〕细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积；〔2〕细管的内外表积等于颗粒床层的全部外表积。流动阻力可用哈根—泊谡叶方程表示：式中u1流体的真实流速，m/s；p1经过滤饼的压力降，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。3.4.3.2滤液经过滤饼层的流动在单位时间内经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——滤液量取le=CL，de采用水力当量直径，那么：流体的真实流速与空床速度u的关系为：3.4.3.2滤液经过滤饼层的流动令颗粒比外表积a=颗粒外表积/颗粒体积，那么：将上述几式代入哈根—泊谡叶方程，整理得：r称为滤饼的比阻，与滤饼的构造有关。可紧缩滤饼的s大约为0.20.8。不可紧缩滤饼s=0。于是上式可写成：式中p1为过滤推进力，rL可视为滤饼阻力。3.4.3.2滤液经过滤饼层的流动3.4.2过滤根本方程将介质阻力折合成厚度为Le的滤饼阻力，那么令代入得：或式中——过滤根本方程每获得1m3滤液所构成的滤饼体积为vm3，那么滤饼层厚度L为：3.4.2过滤根本方程1．恒压过滤假设过滤过程中坚持过滤推进力〔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3-70得：或假设过滤介质阻力可忽略不计，那么以上两式简化为：3.4.2过滤根本方程2．恒速过滤假设过滤时坚持过滤速度不变，那么过滤过程为恒速过滤。代入式3-70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3.5过滤计算1．间歇过滤机的计算〔1〕操作周期与消费才干操作周期总时间操作周期过滤时间洗涤时间卸渣、清理、装合设计和操作计算要基于C消费才干：一个操作周期中，单位时间内得到的滤液或滤饼体积知K，qe，由过滤方程，FVFQ〔2〕洗涤速率和洗涤时间普通以为：洗涤液量滤液量，即假定：洗涤液粘度与滤液一样；洗涤压力与过滤时一样洗涤速率：单位时间内经过滤饼层的洗涤液体积①叶滤机的洗涤速率和洗涤时间——置换洗涤洗涤速率恒定滤饼厚度不变②板框压滤机的洗涤速度和洗涤时间——横穿洗涤洗涤时间〔3〕最正确操作周期在一个操作周期中R—普通固定F，V，但上升幅度，Q能够F，V，且下降幅度，Q能够存在一个最优的过滤时间，使Q最大可以证明：F+W=R，那么Q可达最大2．延续过滤机的计算(1)操作周期与过滤时间间歇过滤机：部分时间，全部面积—过滤延续过滤机：部分面积，全部时间—过滤转筒过滤机，每分钟n周，那么T=60/n—每圈用时转筒外表浸入分数：一个周期中全部面积阅历过滤时间部分面积，全部时间—全部面积，部分时间TA〔2〕消费才干当滤布阻力可以忽略Q~A，，n阐明，过滤面积，其它面积，操作不便n，F，L，难以卸渣，功率耗费例题1：拟用过滤面积20.8m2，滤框总容积0.262m3的板框压滤机处置温度20℃的某一悬浮液，获每m3滤液得滤饼量0.01787m3。在3.35atm操作压力下，过滤常数K＝1.678×10－4m2/s，qe=0.0217m3/m2，滤饼为不可紧缩。试求：〔1〕过滤至框充溢滤渣所需过滤时间；〔2〕每次过滤终了用清水洗涤滤饼，洗水温度及表压与滤浆一样而其体积为滤液体