三章机械分离

1、第三章第三章 机械分离机械分离 一、定义1分散物系：由一种或几种物质的微粒分散在另一种物质中所组成的物系。2分散相（分散物质）：处于分散状态的物质。3连续相（分散介质）：处于连续状态的物质。4均相物系：内部无相界面的分散物系。5. 非均相物系：内部有相界面的分散物系。 一、分类 悬浮液， 固液 乳浊液， 液液非均相物系 泡沫液， 气液 含尘气体，固气 含雾气体，液气 一、方法 重力沉降沉降： 利用力场 离心沉降 重力过滤 加压过滤过滤： 利用过滤介质 真空过滤 离心过滤 一、目的1收集分散物质：回收分散物质和环境保护和安全生产2. 净化分散介质 第一节 颗粒及颗粒床层的特性 一、颗粒的特性 1

2、直径（大小） (1) 球形颗粒 比表面积， （2）非球形颗粒 令 则 （体积）当量直径 1形状系数（形状）(1) 定义 形状系数（球形度）：颗粒当量表面积与其实际表面积之比，即 224drsdvsa632/mm36epdv36pevd (1) 球形颗粒(2) 非球形颗粒二、颗粒群的特性1粒度分布（粒径分布）(1) 定义：不同粒径范围内所含粒子的个数或质量 （2）测定方法 标准筛法， ，目数与孔径的对应关系见表3-1 透射电镜法， 2平均粒径 以球形颗粒为例，如图所设，则 666621nssssssss32221116666vsmvsmvsmvmsnn66662211nnamamamma6666

3、2211nnaxaxaxaniiinnadxdxdxdxdd1221111 3粒子密度 （1）真密度：单位体积颗粒所具有的质量，即 （2）堆积密度（表观密度）：单位体积床层所具有的质量，即 三、颗粒床层的特性1空隙率：单位体积床层所具有的空隙体积，即2. 比表面积ab：单位体积床层所具有的颗粒表面积，即 （3-7）或所以 （3-8）3方向性 各向同性：床层截面上的空隙面积与床层截面积之比等于。 各向异性：出现壁效应，即壁面附近的空隙率较大，生产壁流。 第二节 重力沉降 一、沉降速度1球形颗粒的自由沉降（单个颗粒沉降） 设某个球形颗粒在流体中自由沉降，则该颗粒所受力有：重力浮力 阻力由牛顿第二定

4、律( )，得 当 时 ，解得 沉降速度2. 阻力系数 通过量钢分析并结合实验测试，得出 式中 对球形颗粒（s=1）的曲线，可按ret分为三个区，各区的曲线可用相应的经验关联式表达： 层流区或stokes定律区（10-4ret1） 过渡流区或allen定律区(1ret103) 0.44，湍流区或newton定律区(103ret2105) 所以 层流区 过渡流区 湍流区 3影响沉降速度的因素(1) 颗粒的体积浓度浓度较高时，便发生干扰沉降(2) 器壁效应当容器直径较小时，便发生受阻沉降 在stokes定律区，可按下式修正： (3) 颗粒形状对非球形颗粒，其沉降得慢一些。修正如下： 图32 4沉降速

5、度的计算(1) 试差法假设沉降属于某一流型，则按该流型选择相应的公式计算ut；再算ret校核流型。 流型 ut ret 流型 再设流型 （2）摩擦数群法 由得而相乘得 由 知 作图3-3：任取一ut 计算： 求颗粒直径也可用类似的方法： 相除得 同理 作图3-3：任取一d 计算： 此外，也可用无因次数群k值判别流型： 将 代入 得 当 ret=1 时，k=2.62 同理将 代入得 当 ret=1000 时， k=69.1 69.1， 湍流 二、降尘室1结构 见图3-4(a)2. 原理 如图所设，且设颗粒水平分速度与气体的流速u相等，则 沉降时间为： 停留时间为： 当颗粒的停留时间等于或大于其沉

6、降时间时，该颗粒便能沉降至室底而被分离，所以 ： 或 而 所以 与h无关或而hblutu所以 能完全分离的最小粒径 临界粒径 三、沉降槽1沉降槽的构造与操作(1) 间歇沉降槽(2) 连续沉降槽，见图3-62浓悬浮液的沉聚过程 当悬浮液浓度较高时，则属干扰沉降： （1）大颗粒相对于小颗粒进行沉降，因而介质的有效密度和粘度均大于纯液体，而沉降速度与介质密度和粘度成反比。 (2) 液体被沉降颗粒置换而上升的速度大，因而颗粒受到的阻力大。 (3) 大颗粒的拖曳，微细粒子的絮凝，使小颗粒的沉降被加速。 总之，大颗粒受阻，小颗粒加速。 沉聚过程： 均匀悬浮液 四区（清液区、等浓区、变浓区、沉聚区） 等浓区

7、消失 变浓区消失 沉聚区压紧。见图3-7。 五、分级器：利用重力沉降来分离悬浮液中不同密度或不同粒度的粒子的设备。 第三节 离心沉降 一、离心沉降速度设某个球形颗粒在流体中自由离心沉降，则该颗粒在径向所受力有： 惯性离心力 向心浮力 向心阻力 三力平衡时，得 所以 离心沉降速度 在层流区（10-4rer1%），常用滤布、滤网做过滤介质进行过滤。当粒径大于过滤介质孔径时，显然会形成滤饼；当粒径小于过滤介质孔径时，通过“架桥现象”也会形成滤饼。随着滤饼的增厚，滤饼层就成为有效的过滤介质，所以这种过滤称为饼层过滤。常用于化工生产 （2）深床过滤：粒状床层孔道为有效过滤介质（的过滤）。 当悬浮液中所含

8、颗粒很小，且含量很少时（固相体积分率0.1%），常用较厚的粒状床层做过滤介质进行过滤。颗粒在经过床层内细长而弯曲的孔道时，靠静电、分子间力、毛细管力等的作用而附着在孔道壁上，没有滤饼形成，所以这种过滤称为深床过滤。常用于自来水净化和污水处理。 3. 过滤介质 （1）织物介质：由纤维、金属丝等编织而成的滤布和滤网。 （2）堆积介质：由砂、木炭等堆积而成的床层。 （3）多孔介质：由多孔陶瓷、多孔金属和多孔塑料制成的管和板。 4. 滤饼的压缩性 不可压缩滤饼：颗粒坚硬，阻力不变 可压缩滤饼：颗粒较软，阻力增大 5. 助滤剂：某种质地坚硬、粒度均匀的颗粒，如硅藻土、珍珠岩等。 （1）作用：防止滤饼压缩

9、及细小颗粒堵塞过滤介质的孔隙。 （2）使用方法： a . 在悬浮液中加入助滤剂后一起过滤。 b. 先把助滤剂配成悬浮液并过滤，形成助滤剂层后，才正式过滤。 应予注意，一般以获得清净滤液为目的时，采用助滤剂才是适宜的。（3）要求 a.能形成多孔饼层刚性颗粒 b.物理、化学性质稳定 c.具有不可压缩性（在使用的压力范围内）二. 过滤基本方程 1. 定义 （1）空隙率：单位体积床层中的空隙体积，m3/m3。 （2）比表面：单位体积颗粒所具有的表面积，a，m2/m3。 2. 孔道当量直径 3. 过滤速度： 由 得所以而 滤液在孔道中的流速，m/s 所以 层流时 所以 过滤速度 （3-35a） 即单位时

10、间内通过单位过滤面积的滤液体积，m/s。 4. 过滤速率（体积流量）：单位时间内获得的滤液体积 显然所以 5. 滤饼的阻力 令 滤饼的比阻 则令 滤饼阻力 则6. 过滤介质的阻力 设 过滤介质的阻力 则 le- 与过滤介质阻力相等的滤饼厚度，即当量滤饼厚度，m 同理所以相加，得所以7. 基本方程 设v- 获得单位体积滤液所形成的滤饼体积，m3/m3 则 所以 同理 所以 过滤速率基本方程式又 所以 过滤速率基本方程式式中 s 压缩指数，s = 01； r (单位压力差下，即ps=1时)的滤饼比阻 三. 恒压过滤 衡压过滤是最常见的过滤方式，过滤过程中推动力p 恒定，因而过滤速率逐渐变小。令 则

11、 k表征过滤物料特性的常数，m4/(n.s)所以令 过滤常数，m2/s 则 或 所以 相加 恒压过滤方程 令 m3/m2 介质常数 e s 则相加 恒压过滤方程 当过滤介质的阻力可以忽略时 则 或四. 恒速过滤 由不可压缩滤饼过滤基本方程 得 恒速过滤 所以而所以或五. 先恒速后恒压过滤 同恒压过滤 所以 或 六. 过滤常数的测定 1. 恒压k、qe、e的测定 由 微分得 整理得 所以 或由 得 而 所以 2. 压缩指数s的测定 由 取对数 令 则 七. 过滤设备 间歇过滤机 压滤机 吸滤机 连续过滤机 离心过滤机 1. 板框压滤机 （1） 结构，图3-20、图3-21 （2） 原理，图3-2

12、2 2. 加压叶滤机 （1）结构，图3-23 （2）原理 3. 转筒真空过滤机 （1）结构，图3-24 （2）原理，图3-25 八. 滤饼的洗涤 洗涤速率：单位时间内消耗的洗水体积 m3/s。 由于洗涤过程中滤饼厚度不增加，所以当洗水路径与滤液路径相同时，洗涤速率大致等于过滤终了时的过滤速率，即 在板框压滤机中，洗水流径的长度为滤液流径长度的2倍，而洗水流径的面积却为滤液流径面积的一半，所以 当洗水粘度、洗涤压差与滤液粘度、过滤压差有明显差异时，则洗涤时间需校正 九. 过滤机的生产能力 1. 间歇过滤机 操作周期 ，s 生产能力： m3/h 2. 连续过滤机（转筒真空过滤机） 浸没度：转筒表面浸入滤浆中的分数 即 操作周期 每周期过滤时间 由 得 m3/转 所以当 时则第五节 离心机 一、一般概念 离心机是利用惯性离心力分离液态非均相混合物的机械。根据