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1、第三章 机械分离和固体流态化,教学要求3-0概述3-1颗粒及颗粒床层的特性3-2沉降过程3-3过滤,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。基本概念：颗粒及颗粒群的性质：体积、表面积、比 表面积、球形度 床层性质：空隙率、比表面积；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、临界直径、分离效率、粒级率、分割直径、压降,基本原理：影响旋风分离器性能的主要因素。恒压、恒速、先恒压后恒速过滤 的特点。设备特点：降沉室、旋风分离器的结构与特点；板筐压滤机、叶滤机和回转真空 过滤机）的结构特点；,教学要求,基本公式：,教学要求,教学要求,教学要求,混合物
2、,3.0 概述,非均相物系,均相物系,连续相,分散相,机械分离,对象：非均相物系,目的：相间分离,机械分离方法，即利用非均相混合物中两相的物理性质（如密度、颗粒形状、尺寸等）的差异，使两相之间发生相对运动而使其分离,3.0 概述,机械分离,沉降,过滤,离心沉降,重力沉降,工业上分离非均相混合物的目的,1 回收有价值的分散物质2 净化分散介质以满足生产工艺要求3 环境保护和安全生产,湿法除尘。,静电除尘,3.1 颗粒及颗粒床层的特性,一、颗粒的特性,（一）单一颗粒的大小和形状 1、球形颗粒,3.1 颗粒及颗粒床层的特性,2、非球形颗粒,当量直径,表面积等效,体积等效,比表面积等效,非球形颗粒,体
3、积,表面积,比表面积,3.1 颗粒及颗粒床层的特性,需要两个参数描述,（二）颗粒群的特性,1.粒度分布的测量与定量表示,筛号或称目数,筛分分析结果图示法,分布函数,频率函数,筛过量,筛余量,3.1 颗粒及颗粒床层的特性,方法：筛析法,筛余量：通过了第i号筛，截留于第i+1号筛的颗粒量,筛过量：通过了第i号筛的颗粒量,3.1 颗粒及颗粒床层的特性,Fdi,fidPi,颗粒直径,筛过率,di+1,di,dPi,f,Fidi,fidPi,3.1 颗粒及颗粒床层的特性,假设（1）所找颗粒群的平均直径dPm,其个数与原颗 粒群相等；（2）比表面积相等。,推导思路：,在筛分的基础上表达出原颗粒群nixi关
4、系;再根据比表面积相等的原则，即可推出表达式。,2.平均直径,3.1 颗粒及颗粒床层的特性,（一）床层空隙率,影响因素：,颗粒形状：,表面情况：,粒度分布：,粒径比：,填充方式：,壁效应,二 床层特性,3.1 颗粒及颗粒床层的特性,床层横截面上可供流体通过的自由截面(即空隙截)与床层截面之比在数值上等于空隙率，即床层中自由截面的大小与床层的轴向高度无关。,（三）床层的各向同性,当忽略颗粒之间接触面积的影响,单位体积床层具有的颗粒表面积,（二）床层的比表面积,3.2 沉降过程,沉降操作：在某种力的作用下，利用分散相与 连续相间密度的差异，使之发生相 对运动而实现分离的操作过程。,所受力不同,重力
5、沉降,离心沉降,颗粒浓度,自由沉降,干扰沉降,干扰沉降,一、定义及分类,3.2 沉降过程,对单个球形颗粒受力分析：,FC,FB,FD,FC质量力（重力）,FB浮力,FD曳力,FCFBFD=ma,表面曳力,形体曳力,二、重力沉降,（一）沉降速度,曳力,3.2 沉降过程,沉降阶段,加速段,匀速段,FCFBFD=ma,ut,FD,ut=0,amax,ut,a,a=0,ut 沉降速度,沉降速度ut匀速段颗粒相对于流体的速度。,3.2 沉降过程,用因次分析法讨论FD,对不同沉降区域，得出计算公式,3.2 沉降过程,3.2 沉降过程,（二）沉降速度的计算,1.试差法,设沉降区域,选式计算ut,算Ret验证
6、,2.阿基米德常数法,令：,Ar=f（颗粒、流体性质）,3.2 沉降过程,计算Ar,判断沉降区域,计算ut,不试差！,3 摩擦数群法,3.2 沉降过程,有何用？,3.2 沉降过程,（三）影响沉降的因素,各项修正可查取相关经验公式计算。,1.颗粒的体积浓度,2.非球形颗粒的沉降,3.壁效应,（四）重力沉降设备,3.2 沉降过程,1降尘室,沉降速度为ut的颗粒怎样才能分离下来呢？,3.2 沉降过程,则沉降速度为ut的颗粒可以分离。,3.2 沉降过程,2.生产能力,降尘室的特点,1.结构简单，但体积大，效率低2.适于分离75m以上的颗粒。,3 沉降槽,用来提高悬浮液浓度并同时得到澄清液体。,构造,3
7、.2 沉降过程,3.2 沉降过程,（一）旋风分离器构造及工作原理,离心分离因子,二、离心沉降,3.2 沉降过程,1.工作原理,外旋流向下、起主要分离作用。,内旋流向上、旋转方向不变,上灰环向上、带走少量粉尘,2.离心沉降速度,Stokes区：,3.2 沉降过程,4 旋风分离器的性能,临界直径dc:旋风分离器能完全分离的最小颗 粒的直径。,假设：a假设气体速度恒定，且等于进口气速ui；b假设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；c假设颗粒沉降服从斯托克斯公式。,3.2 沉降过程,哪些因素将影响dc?,3.2 沉降过程,2)旋风分离器分离效率,c1、c2 分别为进、出口气体中颗粒
8、的质量浓度。,g/cm3,粒级率：入口气体中某一粒径di的颗粒被旋风分离 器除掉的分率,3.2 沉降过程,分割直径d50：分离效率（粒级率）为50%的颗粒 的直径,对标准旋风分离器d50的经验公式为：,Pi(d/d50)曲线只与旋风分离器的类型有关，与设备大小无关。,3.2 沉降过程,实验测定的粒级效率曲线,筛分dixi iui D d50 Pi 0,3）旋风分离器的压降,3.2 沉降过程,5 旋风分离器的结构和类型,1)标准型；,2)扩散型；XLK,3)旁路型,XLP,3.2 沉降过程,XLT/A型,XLP/B型,XLK型(扩散式),旋风分离器设计、选型步骤：,由限制压降 P计算流速ui，结
9、合含尘流体处理量 初估直径D,3.2 沉降过程,对要分离的含尘流体做筛分分析，得出dixi关系;,计算d50；由di/d50查粒级率；由筛分结果得总效率。,3.3过滤,一、过滤操作的基本概念,过滤是在外力作用下，使悬浮液中的液体通过多孔介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固、液分离的操作。,（一）过滤方式,1.饼层过滤：固体物沉积于介质表面形成滤饼层产生过滤作用的不是过滤介质而是滤饼。颗粒之间在过滤初期会有架桥现象发生。,2.深床过滤：不形成滤饼，颗粒沉积于过滤介质 内部,3.3过滤,3.膜过滤,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565m.多孔性固体介质：如素瓷板
10、或管、烧结金属等;能拦截直径为13m的小颗粒。3 堆积介质：多种固体颗粒或非编织纤维(多用于 深床过滤中),（二）过滤介质,3.3过滤,多孔性、高强度,（三）滤饼的压缩性和助滤剂,1.可压缩滤饼：空隙结构易变形的滤饼为可压缩 滤饼 2.不可压缩滤饼：当滤饼两侧的压强差增大时，颗粒的形状和颗粒间的空隙都不发生明显的变 化 3.助滤剂 要求：刚性颗粒；化学稳定性；不可压缩性。,3.3过滤,3.3过滤,（一）滤液通过饼层的流动,床层的简化物理模型,将颗粒床层中不规则的通道简化成长度为 l 的一组平行细管。,二、过滤基本方程,3.3过滤,要求：1.细管的总体积等于孔容积；2.细管的总内表面积等于孔道总
11、表面积；3.细管截面积等于孔道截面积。,流动特点：流道细小，弯曲复杂，流速低。,结 论：流体呈滞流流动。,要解决问题：p u关系,处理方法：数学模型法,3.3过滤,式中：,K：康采尼常数,（二）过滤速率,（三）滤饼的阻力,(滤饼的比阻)，则滤饼的阻力,3.3过滤,过滤速度,（四）过滤介质的阻力,3.3过滤,（五）过滤基本方程式,令：v为得到单位体积滤液所形成的滤饼的体积。,3.3过滤,对不可压缩滤饼,对可压缩滤饼,3.3过滤,1.恒压特点：,方程：料浆一定时,m2/s,sm3/kg,介质阻力不计时如何？,积分，且,三、恒压过滤、恒速过滤和先恒速后恒压过滤,3.3过滤,2.恒速特点,方程,3.先
12、恒速后恒压：,时间：,R,0,恒速,恒压,VR,V,滤液：,0,恒速,恒压,过滤速率为常数，K不为常数,3.3过滤,（一）恒压下K、qe、e的测定,方法：测、V（q）,直线斜率得K，截距得qe,(二)k 及压缩性指数 s 的测定,作图,e,四、过滤常数测定,3.3过滤,1.特点：洗涤推动力、阻力不变，洗涤速度为常数,2.洗涤时间w,洗涤速率与过滤设备结构有关,洗涤速率与过滤终了速率有什么关系呢？,五、滤饼的洗涤,3.3过滤,板框压滤机、叶滤机、回转真空过滤机等,各种离心机,一、板框压滤机,过滤设备,二、回转真空过滤机,三、叶滤机,注意各设备滤液及洗液的路径！,六、过滤设备,洗涤速率如操作条件与过滤终了相同,3.3过滤,板框压滤机洗涤速率,叶滤机、回转真空过滤机洗涤速率,3.3过滤,对板框压滤机叶滤机,对回转真空过滤机：,过滤面积A，过滤时间T连续过滤设备,过滤面积A，过滤时间 T间歇过滤设备,七、生产能力,3.3过滤,忽略介质阻力时：,
