【教学课件】第三章机械分离与固体流态化.ppt

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1、2023/8/7,第三章 机械分离与固体流态化,概述第一节 筛分第二节 沉降分离第三节 过滤第四节 离心分离第五节 固体流态化,2023/8/7,均相混合物,非均相混合物,物系内部各处物料性质均匀而且不存在相界面的混合物。例如：互溶溶液及混合气体,物系内部有隔开两相的界面存在且界面两侧的物料性质截然不同的混合物。,固体颗粒和气体构成的含尘气体,固体颗粒和液体构成的悬浮液,不互溶液体构成的乳浊液,液体颗粒和气体构成的含雾气体,概 述,2023/8/7,分散相 分散物质,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,连续相分散相介质,包围着分散相物质且处于连续状态的流体 如：气态非均

2、相物系中的气体 液态非均相物系中的连续液体,分离,沉降,过滤,2023/8/7,第一节 筛分,一、颗粒的特性最基本特性：大小、形状和表面积。球形颗粒：球=A/V=6/dp 非球形颗粒：形状因数。,2023/8/7,二、颗粒群的特性1、粒度分布 粒度分布曲线（频率分布、累积分布）。2、平均直径 长度平均直径dLm；表面积平均直径dAm；体积平均直径dVm；体积表面积平均直径（Sauter直径）dVAm。,2023/8/7,三、筛分1、筛分原理 Tyler标准筛：筛孔大小以每英寸长度筛网上的孔数表示，称之为“目”。筛号越大，筛孔越小。筛过物：通过筛孔的物料；筛留物：未能通过的物料。2、筛的有效性与

3、生产能力 有效性（筛分效率）：一般都小于1.生产能力：单位时间能够加到单位面积筛表面上的物料质量表示。,2023/8/7,沉降在某种力场中利用分散相和连续相之间的密度差异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。,重力,惯性离心力,1、沉降速度,1）球形颗粒的自由沉降,设颗粒的密度为s，直径为d，流体的密度为，,第二节 沉降分离,一、重力沉降,2023/8/7,重力,浮力,而阻力随着颗粒与流体间的相对运动速度而变，可仿照流体流动阻力的计算式写为：,2023/8/7,(a),颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力Fd=0，amax 颗粒开始沉降后，u Fd；u ut 时，a=0。等速阶段中颗粒相

4、对与流体的运动速度ut 称为沉降速度。当a=0时，u=ut，代入（a）式,沉降速度表达式,2023/8/7,2、阻力系数 通过因次分析法得知，值是颗粒与流体相对运动时的雷诺数Ret的函数。对于球形颗粒的曲线，按Ret值大致分为三个区：a)层流区或斯托克斯(Stokes)定律区（10 4Ret1）,斯托克斯公式,2023/8/7,2023/8/7,艾伦公式,c)湍流区或牛顿定律区（Newton）（103Ret 2105）,牛顿公式,b)过渡区或艾伦定律区（Allen）（1Ret103）,2023/8/7,3、影响沉降速度的因素 1）颗粒的体积浓度 在前面介绍的各种沉降速度关系式中，当颗粒的体积浓

5、度小于0.2%时，理论计算值的偏差在1%以内，但当颗粒浓度较高时，由于颗粒间相互作用明显，便发生干扰沉降，自由沉降的公式不再适用。2）器壁效应 当器壁尺寸远远大于颗粒尺寸时，（例如在100倍以上）容器效应可忽略，否则需加以考虑。,2023/8/7,3）颗粒形状的影响,对于球形颗粒：s=1，颗粒形状与球形的差异愈大，球形度s值愈低。对于非球形颗粒：雷诺准数Ret中的直径要用当量直径de代替。,颗粒的球形度愈小，对应于同一Ret值的阻力系数愈大但s值对的影响在滞流区并不显著，随着Ret的增大，这种影响变大。,2023/8/7,4、沉降速度的计算 1）试差法,假设沉降属于层流区,方法：,Ret1,R

6、et1,艾伦公式,2)摩擦数群法,2023/8/7,令,因是Ret的已知函数，Ret2必然也是Ret的已知函数，Ret曲线便可转化成 Ret2Ret曲线。计算ut时，先由已知数据算出Ret2的值，再由 Ret2Ret曲线查得Ret值，最后由Ret反算ut。,2023/8/7,2023/8/7,计算在一定介质中具有某一沉降速度ut的颗粒的直径，令与Ret-1相乘，,Ret-1Ret关系绘成曲线，由 Ret-1值查得Ret的值，再根据沉降速度ut值计算d。,无因次数群K也可以判别流型,2023/8/7,当Ret=1时K=2.62，此值即为斯托克斯区的上限 牛顿定律区的下限K值为69.1。例：试计算

7、直径为95m，密度为3000kg/m3的固体颗粒分别在20的空气和水中的自由沉降速度。解：1）在20水中的沉降。用试差法计算先假设颗粒在滞流区内沉降，,附录查得，20时水的密度为998.2kg/m3,=1.00510-3Pa.s,2023/8/7,核算流型,原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。2）20的空气中的沉降速度用摩擦数群法计算20空气：=205 kg/m3，=8110-5 Pa.s根据无因次数K值判别颗粒沉降的流型,2023/8/7,2.61K69.1，沉降在过渡区。用艾伦公式计算沉降速度。,5、分级沉降 含有两种直径不同或密度不同的混合物，也可用沉降方法加以分离。,2023/8/7

8、,例：本题附图所示为一双锥分级器，利用它可将密度不同或尺寸不同的粒子混合物分开。混合粒子由上部加入，水经可调锥与外壁的环形间隙向上流过。沉降速度大于水在环隙处上升流速的颗粒进入底流，而沉降速度小于该流速的颗粒则被溢流带出。,2023/8/7,利用此双锥分级器对方铅矿与石英两种粒子混合物分离。已知：粒子形状 正方体 粒子尺寸 棱长为0.080.7mm 方铅矿密度 s1=7500kg/m3 石英密度 s2=2650kg/m3 20水的密度和粘度=998.2kg/m3=1.00510-3 Pas 假定粒子在上升水流中作自由沉降，试求：1）欲得纯方铅矿粒，水的上升流速至少应取多少m/s？2）所得纯方铅

9、矿粒的尺寸范围。,2023/8/7,解：1)水的上升流速 为了得到纯方铅矿粒，应使全部石英粒子被溢流带出，应按最大石英粒子的自由沉降速度决定水的上升流速。对于正方体颗粒，先算出其当量直径和球形度。设l代表棱长，Vp代表一个颗粒的体积。,2023/8/7,用摩擦数群法求最大石英粒子的沉降速度,s=0.806，查图3-3的，Ret=60，则：,2023/8/7,2）纯方铅矿的尺寸范围 所得到的纯方铅矿粒尺寸最小的沉降速度应等于0.0696m/s 用摩擦数群法计算该粒子的当量直径。,s=0.806，查图3-3的，Ret=22，则：,2023/8/7,与此当量直径相对应的正方体的棱长为：,所得方铅矿的

10、棱长范围为0.25650.7mm。,2023/8/7,1、降尘室的结构,2、降尘室的生产能力 降尘室的生产能力是指降尘室所处理的含尘气体的体积流量，用Vs表示，m3/s。,降尘室内的颗粒运动,二、重力沉降设备,（一）降尘室,2023/8/7,2023/8/7,颗粒在降尘室的停留时间,颗粒沉降到室底所需的时间,为了满足除尘要求,降尘室使颗粒沉降的条件,降尘室的生产能力,降尘室的生产能力只与降尘室的沉降面积bl和颗粒的沉降速度ut有关，而与降尘室的高度无关。,2023/8/7,3、降尘室的计算,设计型,操作型,已知气体处理量和除尘要求，求降尘室的大小,用已知尺寸的降尘室处理一定量含尘气体时，计算可

11、以完全除掉的最小颗粒的尺寸，或者计算要求完全除去直径dp的尘粒时所能处理的气体流量。,2023/8/7,例：拟采用降尘室除去常压炉气中的球形尘粒。降尘室的宽和长分别为2m和6m,气体处理量为1标m3/s，炉气温度为427，相应的密度=0.5kg/m3，粘度=3.410-5Pa.s，固体密度S=400kg/m3操作条件下，规定气体速度不大于0.5m/s，试求：1降尘室的总高度H，m；2理论上能完全分离下来的最小颗粒尺寸；3.粒径为40m的颗粒的回收百分率；4.欲使粒径为10m的颗粒完全分离下来，需在降降尘室内设置几层水平隔板？,2023/8/7,解：1）降尘室的总高度H,2）理论上能完全出去的最

12、小颗粒尺寸,用试差法由ut求dmin。假设沉降在斯托克斯区：,2023/8/7,核算沉降流型,原假设正确 3、粒径为40m的颗粒的回收百分率粒径为40m的颗粒定在滞流区，其沉降速度：,2023/8/7,气体通过降沉室的时间为：,直径为40m的颗粒在12s内的沉降高度为：,假设颗粒在降尘室入口处的炉气中是均匀分布的，则颗粒在降尘室内的沉降高度与降尘室高度之比约等于该尺寸颗粒被分离下来的百分率。直径为40m的颗粒被回收的百分率为：,2023/8/7,4、水平隔板层数 由规定需要完全除去的最小粒径求沉降速度，再由生产能力和底面积求得多层降尘室的水平隔板层数。粒径为10m的颗粒的沉降必在滞流区，,取3

13、3层,板间距为,2023/8/7,（二）沉降槽（增稠器）悬浮液放在大型容器中，其中的固体颗粒在重力下沉降，达到澄清液与稠浆的操作，称为沉聚（sedimentation）。如果为了得到澄清液，常称为澄清（clarify），所用设备为澄清器（clarifier）。如果为了分离液体而得到稠浆的设备，就是增稠器（thickener）。分离悬浮液，在中心距液面下0.31处连续加料，清液往上走，稠液往下走，锥形底部有一缓慢旋转的齿耙把沉渣慢慢移至下部中心，稠浆从底部出口出去。（内部沉降分为上部自由沉降和下部干扰沉降）大的增稠器直径可达10100 m，深2.54m（为什么？）。它一般用于大流量、低浓度悬浮液

14、的处理，常见的污水处理就是一例。,2023/8/7,澄清液从槽的周边溢流出去，称为溢流（over flow）；底部排出的稠浆称为底流（under flow）。对于颗粒较大的悬浮液，分离较为容易；对于含有颗粒直径小于1m的溶胶，分离困难。这时，可以在溶胶中加入少量电解质，促进微小的颗粒絮凝成较大颗粒。这种能促进溶胶中微粒絮凝的物质就是絮凝剂（coagulant）。,2023/8/7,离心沉降：,依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程 适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。惯性离心力场与重力场的区别,重力加速度g,ut2/R,指向地心,沿旋转半径从中心指向外周,Fg=mg,三、离心沉降的

15、原理,2023/8/7,1、离心沉降速度ur,惯性离心力=,向心力=,阻力=,三力达到平衡，则：,2023/8/7,平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度ur便是此位置上的离心沉降速度。,2、离心沉降速度与重力沉降速度的比较 表达式：重力沉降速度公式中的重力加速度改为离心加速度数值：重力沉降速度基本上为定值 离心沉降速度为绝对速度在径向上的分量，随颗粒在 离心力场中的位置而变。,2023/8/7,阻力系数：层流时,同一颗粒在同一种介质中的离心沉降速度与重力沉降速度的比值为：,比值Kc就是粒子所在位置上的惯性离心力场强度与重力场强度之比称为离心分离因数。例如；当旋转半径R=0.4m，切向速度ur

16、=20m/s时，求分离因数。,2023/8/7,四、离心沉降分离设备,旋风分离器,2023/8/7,2023/8/7,旋风分离器的工作原理 旋风分离器（cyclone separator）是利用离心沉降原理从气流中分离出颗粒的设备。如前页图所示，上部为圆筒形、下部为圆锥形；含尘气体从圆筒上侧的矩形进气管以切线方向进入，藉此来获得器内的旋转运动。气体在器内按螺旋形路线向器底旋转，到达底部后折而向上，成为内层的上旋的气流，称为气芯，然后从顶部的中央排气管排出。气体中所夹带的尘粒在随气流旋转的过程中，由于密度较大，受离心力的作用逐渐沉降到器壁，碰到器壁后落下，滑向出灰口。,2023/8/7,旋风分离

17、器性能的主要操作参数为气体处理量，分离效率和气体通过旋风分离器的压强降。1、气体处理量 旋风分离器的处理量由入口的气速决定，入口气体流量是旋风分离器最主要的操作参数。一般入口气速ui在1525m/s。旋风分离器的处理量,旋风分离器的性能,2023/8/7,2、临界粒径 判断旋风分离器分离效率高低的重要依据是临界粒径。临界粒径：理论上在旋风分离器中能完全分离下来的最小颗粒直径。1）临界粒径的计算式 a)进入旋风分离器的气流严格按照螺旋形路线作等速运动，且切线速度恒定，等于进口气速ut=ui；b)颗粒沉降过程中所穿过的气流厚度为进气口宽度B,2023/8/7,S，故可略去，而旋转半径R可取平均值R

18、m，并用进口速度ui代替ut。,气流中颗粒的离心沉降速度为：,颗粒到达器壁所需要的时间：,停留时间为：,对某尺寸的颗粒所需的沉降时间t恰好等于停留时间，该颗粒就是理论上能被完全分离下来的最小颗粒，用dc表示这种颗粒的直径，即临界粒径。,2023/8/7,临界粒径的表达式,2）临界粒径的影响因素,a)由,，知,即临界粒径随分离器尺寸的增大而增大。分离效率随分离器尺寸的增大而减小。,b)入口气速ui愈大，dc愈小，效率愈高。,2023/8/7,3、分离效率,分离效率,总效率o,进入旋风分离器的全部粉尘中被分离下来的粉尘的质量分率,粒级效率pi,进入旋风分离器的粒径为di的颗粒被分离下来的质量分率,

19、2023/8/7,粒级效率pi与颗粒直径di 的对应关系可通过实测得到，称为粒级效率曲线。,如图，临界粒径约为10m。理论上，凡直径大于10m的颗粒，其粒级效率都应为100%而小于10m的颗粒，粒级效率都应为零，图中折线obcd。,2023/8/7,实测的粒级效率曲线，直径小于10m的颗粒，也有可观的分离效果，而直径大于dc的颗粒，还有部分未被分离下来直径小于dc的颗粒中 有些在旋风分离器进口处已很靠近壁面，在停留时间内能够达到壁面上 有些在器内聚结成了大的颗粒，因而具有较大的沉降速度直径大于dc的颗粒 气体涡流的影响，可能没达到器壁。即使沉到器壁也会被重新扬起,2023/8/7,有时也把旋风

20、分离器的粒级效率标绘成d/d50的函数曲线，d50为粒级效率为50%的颗粒直径，称为分割粒径。对于标准旋风分离器,2023/8/7,4、压力降,气体通过旋风分离器时，由于进气管、排气管及主体器壁所引起的摩擦阻力，气体流动时的局部阻力以及气体旋转所产生的动能损失造成了气体的压强降，,对型式不同或尺寸比例不同的设备c的值也不同，要通过实验测定，对于标准旋风分离器c=8.0。旋风分离器的压降一般在3002000Pa内。,2023/8/7,1、旋风分离器的型式 旋风分离器的形式多种多样，主要是在对标准型式的旋风分离器的改进设计出来的。,进气口：,为了保证高速气流进入旋风分离起时形成较规则的旋转流，减少

21、局部涡流与死角，设计了倾斜螺旋进口，螺壳形进口、轴向进口等。,主体结构与各部分尺寸比例的优化：,根据流场与颗粒流动规律设计旋风分离器的结构，,旋风分离器的选型与计算,2023/8/7,一般细长的旋风分离器效率高，但超过一定限度，分离效率的提高不明显，而压降却增加。改进下灰口：,防止已分离下来的粉尘重新扬起。,目前，我国已定型了旋风分离器，制定了标准流型系列，如CLT,CLT/A,CLP/A,CLP/B以及扩散式旋风分离器。2、旋风分离器的设计计算 例如，已知气体流量VS(m3/s)、原始含尘量C1(g/m3)、粉尘的粒度分布，除尘要求及气体通过旋风分离器允许的压强降，要求选择旋风分离器的形式，

22、确定旋风分离器的直径和个数。,2023/8/7,步骤：a)根据具体情况选择合适的型式，选型时应在高效率与地阻力者之间作权衡，一般长、径比大且出入口截面小的设备效率高且阻力大，反之，阻力小效率低。b)根据允许的压降确定气体在入口的流速ui c)根据分离效率或除尘要求，求出临界粒径dC d)根据ui和dc计算旋风分离器的直径D e)根据ui与D计算旋风分离器的处理量，再根据气体流量确定旋风分离器的数目。f)校核分离效率与压力降,2023/8/7,例：气体中所含尘粒的密度为2000kg/m3，气体的流量为5500标m3/h，温度为500，密度为0.43kg/m3，粘度为3.610-5Pa.s，拟采用

23、标准形式的旋风分离器进行除尘，要求分离效率不低于90%，且知相应的临界粒径不大于10m，要求压降不超过700Pa，试决定旋风分离器的尺寸与个数。解：根据允许的压强降确定气体在入口的流速ui,=8.0,2023/8/7,按分离要求，临界粒径不大于10m，故取临界粒径dc=10m来计算粒径的尺寸。由ui与dc计算D,N=5,2023/8/7,旋风分离器的直径：,D=4B=40.196=0.78m,根据D与ui计算每个分离器的处理量，再根据气体流量确定旋风分离器的数目。进气管截面积,每个旋风分离器的气体处理量为：,含尘气体在操作状况下的总流量为：,2023/8/7,所需旋风分离器的台数为：,为满足规

24、定的气体处理量、压强降及分离效率三项指标，需要直径不大于0.78m的标准分离器至少三台，为了便于安排，现采用四台并联。校核压力降与分离效率四台并联时，每台旋风分离气分摊的气体处理量为：,为了保证指定的分离效率，临界粒径仍取为10m。,2023/8/7,校核P,或者从维持指定的最大允许压降数值为前提，求得每台旋风分离器的最小直径。,2023/8/7,P=700Pa ui=20.2m/s,校核临界粒径,根据以上计算可知，当采用四个尺寸相同的标准型旋风分离器并联操作来处理本题中的含尘气体时，只要分离器在,2023/8/7,（0.6540.695m）范围内，便可同时满足气量、压强降及效率指标。倘若直径

25、D0.659m，则在规定的气量下不能达到规定的分离效率。倘若直径D0.654m，则在规定的气量下，压降将超出允许的范围。,旋液分离器 旋液分离器（hydraulic cyclone）是用于分离悬浮液，其结构特点与旋风分离器类似。,2023/8/7,第三节 过滤,1、过滤的概念过滤,利用能让液体通过而截留固体颗粒的多孔介质（过滤介质），使悬浮液中固液得到分离的单元操作。过滤操作中所处理的悬浮液,滤浆,通过多孔介质的液体,滤液,被截留住的固体物质,滤渣（滤饼）,实现过滤操作的外力有重力、压力、离心力，化工中应用最多的是压力过滤。,一、过滤操作的基本概念,2023/8/7,2、过滤方式,深层过滤,滤

26、饼过滤,固体颗粒的沉积发生在较厚的粒状过滤介质床层内部，悬浮液中的颗粒直径小于床层直径，当颗粒随流体在床层的曲折孔边穿过时，便粘附在过滤介质上。适用于悬浮液中颗粒甚小且含量甚微（固相体积分率在0.1%以下）的场合,固体颗粒成饼层状沉积于过滤介质表面，形成滤饼 适用于处理固相含量稍高（固相体积分率在1%以上）的悬浮液。,2023/8/7,3、过滤介质 过滤介质是滤饼的支承物，应具有下列条件：a)多孔性，孔道适当的小，对流体的阻力小，又能截住要分离的颗粒。b)物理化学性质稳定，耐热，耐化学腐蚀。c)足够的机械强度，使用寿命长 d)价格便宜工业常用的过滤介质主要有 a)织物介质：又称滤布，包括有棉、

27、毛、丝等天然纤维，玻璃丝和各种合成纤维制成的织物，以及金属丝织成的网能截留的粒径的范围较宽，从几十m到1m。,2023/8/7,优点：织物介质薄，阻力小，清洗与更新方便，价格比较便宜，是工业上应用最广泛的过滤介质。b)多孔固体介质：如素烧陶瓷，烧结金属塑料细粉粘成的多孔塑料，棉花饼等 这类介质较厚，孔道细，阻力大，能截留13m的颗粒。c)堆积介质：由各种固体颗粒（砂、木炭、石棉粉等）或非编织的纤维（玻璃棉等）堆积而成，层较厚。d)多孔膜：由高分子材料制成，膜很薄（几十m到200m），孔很小，可以分离小到0.05m的颗粒,应用多孔膜的过滤有超滤和微滤。,2023/8/7,4、助滤剂,滤饼,不可压

28、缩滤饼:,颗粒有一定的刚性，所形成的滤饼并不因所受的压力差而变形,可压缩滤饼:,颗粒比较软，所形成的滤饼在压差的作用下变形，使滤饼中的流动通道变小，阻力增大。,加入助滤剂可减少可压缩滤饼的流动阻力,加入方法,预涂,将助滤剂混在滤浆中一起过滤,用助滤剂配成悬浮液，在正式过滤前用它进行过滤，在过滤介质上形成一层由助滤剂组成的滤饼。,2023/8/7,1、滤液通过饼层的流动 空隙率:单位体积床层中的空隙体积，用表示。=空隙体积/床层体积 m3/m3颗粒比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积，用a表示。a=颗粒表面/颗粒体积 de=4水力半径=4管道截面积/润湿周边颗粒床层的当量直径可写为：,二、过滤基

29、本方程式,2023/8/7,de流通截面积流道长度润湿周边长度流道长度de流道容积流道表面积 取面积为1m2厚度为1m 的滤饼考虑：床层体积111m3 流道容积1m3 流道表面积颗粒体积颗粒比表面（1）a m2所以床层的当量直径为：,滤液通过饼层的流动常属于滞流流型，,(1),2023/8/7,滤液通过饼床层的流速与压强降的关系为：,（2）,在与过滤介质层相垂直的方向上床层空隙中的滤液流速u1与按整个床层截面积计算的滤液平均流速u之间的关系为：,（3）,将（1）、（3）代入（2）并写成等式,2023/8/7,比例常数K与滤饼的空隙率、粒子形状、排列及粒度范围等因素有关。对于颗粒床层的滞流流动，

30、K值可取为5。,过滤速度表达式,2、过滤速率,单位时间通过单位过滤面积的滤液体积,单位时间获得的滤液体积称为过滤速率,2023/8/7,3、滤饼的阻力,令,滤饼的比阻，1/m2,(4),令,滤饼阻力,（5）,速度推动力阻力,2023/8/7,由RrL可知，比阻r是单位厚度滤饼的阻力，数值上等于粘度为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。反映了颗粒形状、尺寸及床层空隙率对滤液流动的影响 床层空隙率愈小及颗粒比表面积愈大，则床层愈致密，对流体流动的阻滞作用也愈大。4、过滤介质的阻力 过滤介质的阻力也与其厚度及本身的致密程度有关，通常把过滤介质的阻力视为常数。

31、,2023/8/7,滤液穿过过滤介质层的速度关系式：,式中：P=PC+Pm，代表滤饼与滤布两侧的总压强降，称为过滤压强差。也称为过滤设备的表压强。可用滤液通过串联的滤饼与滤布的总压强降来表示过滤推动力，用两层的阻力之和来表示总阻力。,(6),2023/8/7,设想以一层厚度为Le的滤饼来代替滤布，,故（6）式可写为,式中：Le过滤介质的当量滤饼厚度，或称为虚拟滤饼厚度，m 在一定的操作条件下，以一定介质过滤一定悬浮液时，Le为定值，但同一介质在不同的过滤操作中，Le值不同。,2023/8/7,5、过滤基本方程式 滤饼厚度L与当时已经获得的滤液体积V之间的关系为：,滤饼体积与相应的滤液体积之比，

32、无因次，m3/m3。同理：,Ve过滤介质的当量滤液体积，或称虚拟滤液体积，m3 在一定的操作条件下，以一定介质过滤一定的悬浮液时，Ve为定值，但同一介质在不同的过滤操作中，Ve值不同。,2023/8/7,（7）式就可以写成,过滤速率的一般关系式,可压缩滤饼的情况比较复杂，它的比阻是两侧压强差的函数，,s滤饼的压缩性指数，无因次。s=01,对于不可压缩滤饼，s=0。,2023/8/7,对于可压缩滤饼，过滤速率,过滤基本方程式,适用于可压缩滤饼及不可压缩滤饼。对于不可压缩滤饼，s=0。,2023/8/7,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P恒

33、定，过滤速率逐渐变小。对于一定的悬浮液，,r及均可视为常数。,令,k表征过滤物料特性的常数，（m4/N.s）。,三、恒压过滤,2023/8/7,积分得：,假定获得体积为Ve滤液所需的虚拟过滤时间为e,则积分的边界条件为：过滤时间 滤液体积 0 e 0Ve e+e VeV+Ve,2023/8/7,积分两式，并令 K=2kP1-s,两式相加，得：,恒压过滤方程式,表明：恒压过滤时，滤液体积与过滤时间的关系为抛物线方程 当介质阻力可以忽略时，Ve=0，e=0，过滤方程式则变为,令,2023/8/7,恒压过滤方程,K 过滤常数,由物料特性及过滤压强差所决定，m2/s,e和qe 介质常数,反映过滤介质阻

34、力大小，s及m3/m2,当介质阻力可以忽略时，,例,2023/8/7,例：过滤一种固体颗体积分数为0.1的悬浮液,滤饼含水的体积分数为0.5,颗粒不可压缩,经实验测定滤饼比阻为1.31011m-2,水的粘度为1.010-3Pa.s。在压强差恒为9.8104Pa的条件下过滤,假设滤布阻力可以忽略,试求：1）每m2过滤面积上获得1.5m3滤液所需的过滤时间。2）如将此过滤时间延长一倍,可再得滤液多少？解：1）过滤时间,2023/8/7,滤布阻力可忽略,2)求过滤时间加倍时的滤液量,2023/8/7,1、恒压下K、qe、e的测定 实验原理：,对于一定恒压下过滤的悬浮液，测出延续的时间及滤液的累计量q

35、（按单位面积计）的数据，然后算出一系列的与q的对应值,四、过滤常数的测定,2023/8/7,0,0,0,然后在直角坐标纸上从/q为纵坐标，以q为横坐标进行标绘，可得到一斜率为2/K，截距为2qe/K的直线。,求得,2023/8/7,2023/8/7,2、压缩性指数s的测定,常数,lgk与lg(p)的关系在对数坐标纸上标绘时应是直线,直线的斜率为1-s，截距为lg(2k)。由此可得到滤饼的压缩性指数s及物料特性常数k。,2023/8/7,1、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。滤板和滤框多做成正方形，角上均开有小孔，组合后即构成供滤浆和洗涤水流通

36、的孔道。滤框的两侧覆以滤布，围成容纳滤浆及滤饼的空间。,五、过滤设备,2023/8/7,滤板的作用：支持滤布和提供滤液流出的通道。,洗涤板：,非洗板：,滤框：二钮 滤板与滤框装合时，按钮数以1-2-3-3-1-2的顺序排列。,三钮板,一钮板,2023/8/7,2023/8/7,2023/8/7,2）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。,2023/8/7,20

37、23/8/7,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。洗涤水在压差的推动力下先穿过一层滤布及整个框厚的滤饼，然后再穿过一层滤布，最后沿滤板（一钮板）板面沟道至滤液出口排出。称为横穿洗涤法，它的特点是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。板框压滤机的优点：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。缺点是间歇手工操作，劳动强度大，生产效率低。,2023/8/7,2023/8/7,2、加压叶滤机 叶滤机是由许多不同宽度的长方形滤叶装合而成。滤叶由金属丝网制造，内部具有空间，外

38、罩滤布。叶滤机也为间歇操作，过滤时滤叶安装在能承受内压的密闭机壳内。滤浆用泵送到机壳内，穿过滤布进入丝网构成的中空部分，然后汇集到下部总管而后流出。颗粒沉积在滤布上，形成滤饼，当滤饼积到一定厚度，停止过滤。洗涤时，洗水的路径与滤液相同，这种洗涤方法称为置换洗涤法。叶滤机的优点是设备紧凑，密闭操作，劳动条件较好，每次循环滤布不用装卸，劳动力较省。,2023/8/7,2023/8/7,3、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

39、，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,2023/8/7,2023/8/7,2）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。如图。当扇形格1开始进入滤浆内时，转动盘上相应的小孔道与固定盘上的凹槽f相对，从而与真空管道连通，吸走滤液。图上扇形格1至7所处的位置称为过滤区。扇形格转出滤浆槽后，仍与凹槽f相通，继续吸干残留在滤饼中的滤液。扇形格8至10所处的位置

40、称为吸干区。,2023/8/7,扇形格转至12的位置时，洗涤水喷洒于滤饼上，此时扇形格与固定盘上的凹槽g相通，经另一真空管道吸走洗水。扇形格12、13所处的位置称为洗涤区。扇形格11对应于固定盘上凹槽f与g之间,不与任何管道相连通，该位置称为不工作区。当扇形格有一区转入另一区时，因有不工作区的存在，使操作区不致相互串通。扇形格14的位置称为吸干区，15为不工作区。扇形格16、17与固定盘凹槽h相通，在与压缩空气管道相连，压缩空气从内向外穿过滤布而将滤饼吹松，随后由刮刀将滤饼卸除。扇形格16、17的位置称为吹松区及卸,2023/8/7,料区，18为不工作区。如此连续运转，整个转筒表面上便构成了连

41、续的过滤操作。转筒的过滤面积一般为540m2，浸没部分占总面积的30%40%。转速可在一定范围内调整，通常为0.13r/min。滤饼厚度一般保持在40mm以内，转筒过滤机所得滤饼中的液体含量很少低于10%，常可达30%左右。转筒真空过滤机的优点是能连续自动操作，省人力，生产能力大，适用于处理易含过滤颗粒的浓悬浮液。缺点是附属设备较多，投资费用高，过滤面积不大。过滤推动力有限，不易过滤高温的悬浮液。,2023/8/7,2023/8/7,2023/8/7,滤饼洗涤的目的：为了回收滤饼里存留的滤液，或者净 化构成滤饼颗粒。,1、洗涤速率 洗涤速率：,洗涤时间：,洗涤速率与过滤终了时的过滤速率有关，这

42、个关系取决于滤液设备上采用的洗涤方式。,六、滤饼的洗涤,2023/8/7,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粘度相同时,板框过滤机采用的是横穿洗涤法，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,2023/8/7,当操作压强差和洗水与滤液粘度相同时,当洗水粘度、洗水表压与滤液粘度、过滤压强差有明显差异时，所需的过滤时间可进行校正。,2023/8/7,过滤机的生产能力：,单位时间的滤液体积或滤渣体积，m3/s,1、间歇过滤机的计算 一个操作周期时间为,生产能力为,在间歇过滤机

43、的生产中，总是力求获得最大的生产能力，因此，对于间歇过滤过程来说，合理选择每个循环中的过滤时间，可以得到最大的生产能力。,七、过滤机生产能力的计算,2023/8/7,由,恒压过滤时，每次过滤所需时间,对于叶滤机,令a为洗涤液量与滤液量的比值，那么洗涤液量为aV，洗涤时间为:,2023/8/7,生产能力最大的条件,2023/8/7,对于板框压滤机，也可用此法求最大生产能力，但是，由于洗涤速率与最终过滤速率不同,2a应改为8a。,例：用一台BMS/635-25板框压滤机过滤一种含固体颗粒为25kg/m3的悬浮液，在过滤机入口处滤浆的表压为3.39105Pa,已测得在此压力下K=1.8610-4，q

44、e=0.0282，所用滤布与实验时的相同，料浆温度为25，每次过滤到滤饼充满滤框为止，然后用清水洗涤滤饼，洗水温度及表压与滤浆相同，体积为滤液体积的8%，每次卸渣，清理，,2023/8/7,装合等辅助操作时间为15min。已知固相颗粒密度为2930kg/m3，又测得湿滤饼的密度为1930kg/m3。求此板框压滤机的生产能力，并讨论此板框压滤机是否在最佳操作状态下操作。解：,总过滤面积,滤框总容积,已知1m3滤饼的质量为1930kg，其中含水x kg,水的密度按1000kg/m3考虑。,x=518kg,2023/8/7,1m3滤饼中固相颗粒质量为1930-518=1412 kg设每1m3滤液中含

45、水ykg,y=991.5 kg,生成1m3滤饼所需的滤浆质量为,生成1m3滤饼的滤液的质量为：（57412-1930）=55482kg滤液体积为:,2023/8/7,滤框全部充满时的滤液体积为,过滤终了时单位面积滤量为,代入,过滤终了时滤液的速率,2023/8/7,洗涤液体积,生产能力,2023/8/7,根据获得最大生产能力的要求，辅助操作时间应为,这就是说实际所用过滤时间太长，对这种悬浮液，为提高生产能力。过滤时间应短些。2、连续过滤机的生产能力 浸没度:转筒表面浸入滤浆中的分数，以表示。浸没角度/360,2023/8/7,若转筒转速为n r/min,转筒回转一周所用时间：,整个转筒表面上任

46、何一小块过滤面积所经历的过滤时间为：,从生产能力的角度来看,一台总过滤面积为A，浸没角度为，转速为n r/min的连续式转筒真空过滤机，与一台同样条件下操作的过滤面积为A，操作周期为T=60/n，每次过滤时间,的间歇式板框压滤机是等效的。,转筒每转一周所得滤液的体积为：,2023/8/7,生产能力：,当滤布阻力可以忽略不计时,其中：,D-转筒直径 L-转筒的长度,转速n愈高，浸没度愈大，生产能力愈大。,2023/8/7,例：用转筒真空过滤机于50kPa真空度下过滤密度为1220kg/m3的某种水悬浮液，操作条件下的过滤常数K=5.210-6m2/s，过滤介质的阻力可忽略不计。已知，每次获得1m

47、3滤液生成的滤渣中含有固相590kg，固相密度为2200kg/m3，转筒直径为1.75m，宽度为0.92m，转筒浸没度1/3，其转速为0.5r/min，试求：1)过滤机的生产能力。2)转筒表面最终滤饼厚度。,2023/8/7,解：,1）,2）要求滤饼厚度，应先通过物量衡算求得滤饼体积与滤液体积之比以1m3悬浮液为准，设其中固相质量分数为xw,2023/8/7,所以过滤1m3悬浮液所得滤饼的固相质量：,可得滤液体积为,滤饼体积为 1-0.6823=0.3177m3,转筒每转一周得滤饼体积,滤饼厚度,2023/8/7,第四节 离心分离,离心机：离心过滤是借旋转液体产生的径向压差作为过滤的推动力。离

48、心过滤在各种间歇或连续操作的离心过滤机中进行。间歇式离心机中又有人工及自动卸料之分。,2023/8/7,1、悬筐式离心机 也称三足式离心机（suspended-blasket cenrifuge）是一种常用的人工卸料的间歇式离心机。离心机的主要部件是一篮式转鼓，壁面钻有许多小孔，内壁衬有金属丝及滤布。整个机座和外罩藉三根弹簧悬挂于三足支柱上，以减轻运转时的振动。悬筐式离心机的转鼓直径一般很大，转速不高（2000r/min），过滤面积约为0.62.7m2。它与其他型式的离心机相比，具有构造简单，运转周期可灵活掌握等优点，一般可用于间歇生产过程中的小批量物料的处理，尤其适用与各种盐类结晶的过滤和脱

49、水，晶体较少受到破损。它的缺点是卸料时的劳动条件较差，转动部位位于机座下部，检修不方便。,2023/8/7,2、刮刀卸料式离心机 悬浮液从加热管进入连续运转的卧式转鼓，机内设有粑齿以使沉积的滤渣均布于转鼓内壁。得滤饼达到一定厚度时，停止加料，进行洗涤、沥干。然后，藉液压传动的刮刀逐渐向上移动，将滤饼刮入卸料斗卸出机外，然后清洗转鼓。整个操作周期均在连续运转中完成，每一步骤均采用自动控制的液压操作。,2023/8/7,3、活塞往复式卸料离心机 这种离心机的加料过滤、洗涤、沥干、卸料等操作同时在转鼓内的不同部位进行。料液加入旋转的锥形料斗后被洒在近转鼓底部的一小段范围内，形成约mm厚的滤渣层。转鼓

50、底部装有与转鼓一起旋转的推料活塞，其直径梢小于转鼓内壁。活塞与料斗还一起做往复运动，将滤渣逐步推向加料斗的右边。,2023/8/7,第五节 固体流态化,一、固体流态化现象 流态化：一种使固体颗粒层通过与运动的流体接触而具有流体某些表观特性的过程。1、固体颗粒床层的三种操作类型(1)固定床 定义:当流体空速u较低，流体通过颗粒床层时床层静止，故称这种固体颗粒床层为固定床。特点:若床层横截面直径比颗粒直径大得多，床层各向同性。流体在颗粒间孔隙流动的真正流速为u1，颗粒静止不动，说明流体对颗粒的曳力与浮力之和小于颗粒的重量，或颗粒的沉降速度大于流体的真正流速。,2023/8/7,(2)流化床 定义: