非均相物系分离

1、第三章 非均相物系分离习 题1 何谓自由沉降速度？试推导其计算式。2 写出计算自由沉降速度的斯托克斯公式，说明此公式的应用条件，简述计算沉降速度要用试差法的理由。3 在层流区内，温度升高时，同一固体颗粒在液体或气体中的沉降速度增大还是减小？试说明理由。4 降尘室的生产能力与哪些因素有关？为什么降尘室通常制成扁平形或多层？降尘室适用于分离直径为多大的颗粒？降尘室的高度如何确定？5 何谓离心分离因数？何谓离心沉降速度？它与重力沉降速度相比有什么不同？离心沉降速度有哪几种主要类型？6 旋风分离器的生产能力及效率受哪些因素的影响？何谓临界粒径dc?旋风分离器性能主要用什么来衡量？它一般适用于分离直径多

2、少的颗粒？两台尺寸相同的旋风分离器串联可否提高除尘效率？选用旋风分离器的依据是什么？7 何滤浆、滤饼、滤液、过滤介质和助滤剂？8 写出不可压缩滤饼的过滤基本方程式。推导恒压过滤方程式。简述过滤常数K和qe的实验测定方法。9 简述影响过滤机生产能力的主要因素及提高之途径（以板框过滤机、不可压缩性滤饼为例）。简述板框过滤机的结构、操作和洗涤过程，并分析其特点。10 简述叶滤机和转筒真空过滤机的结构、操作和洗涤过程，并分析其特点。11 离心沉降和离心过滤（以离心过滤机为例）在原理和结构上是否相同？为什么？离心分离因数的大小说明什么？12 简述惯性分离器、袋滤器和静电除尘器的简单结构、工作原理、操作特

3、点和应用范围。13 流体通过颗粒床层时可能出现几种情况？何谓散式流态化和聚式流态化？聚式流态化会出现什么不正常现象？流化床正常操作速度的范围如何确定？14 何谓临界流化速度（即起始流化速度）和带出速度？何谓流化数？15 流化床压降由何而定？是否随床层空塔速度而改变？例题【例31】 落球粘度计。使用光滑小球在粘性液体中的自由沉降可以测定液体的粘度。现有密度为8010kg/m3、直径0.16mm的钢球置于密度为980 kg/m3的某液体中，盛放液体的玻璃管内径为20mm。测得小球的沉降速度为1.70mm/s，试验温度为20，试计算此时液体的粘度。测量是在距液面高度1/3的中段内进行的，从而免除小球

4、初期的加速及管底对沉降的影响。当颗粒直径d与容器直径D之比d/D0.1，雷诺数在斯托克斯定律区内时，器壁对沉降速度的影响可用下式修正： 式中u't为颗粒的实际沉降速度；ut为斯托克斯定律区的计算值。0.1解： =1.73×103m/s按式3-12可得 =0.0567Pa·s校核颗粒雷诺数2 Ret上述计算有效。【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，粘度为2.6×105Pa·s；固体的密度为3000 kg/m3；降尘室的生产能力为3 m3/s。

5、试求：1）理论上能完全捕集下来的最小颗粒直径；2）粒径为40m的颗粒的回收百分率；3）如欲完全回收直径为10m的尘粒，在原降尘室内需设置多少层水平隔板？解：1）理论上能完全捕集下来的最小颗粒直径 由式3-20可知，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 m/s由于粒径为待求参数，沉降雷诺准数Ret和判断因子K都无法计算，故需采用试差法。假设沉降在滞流区，则可用斯托克斯公式求最小颗粒直径，即 2核算沉降流型 Ret原设在滞流区沉降正确，求得的最小粒径有效。2）40m颗粒的回收百分率 假设颗粒在炉气中的分布是均匀的，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被分离

6、下来的分率。由于各种尺寸颗粒在降尘室内的停留时间均相同，故40m颗粒的回收率也可用其沉降速度u't与69.1m颗粒的沉降速度ut之比来确定，在斯托克斯定律区则为 回收率= u't / ut=(d'/dmin)2=(40/69.1)2=0.335即回收率为33.5%。3）需设置的水平隔板层数 多层降尘室中需设置的水平隔板层数用式3-20a计算。由上面计算可知，10m颗粒的沉降必在滞流区，可用斯托克斯公式计算沉降速度，即 m/s所以 ，取47层隔板间距为 m核算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2000 m/s 所以 Re即气体在降尘室的流动

7、为滞流，设计合理。【例3-3】 某淀粉厂的气流干燥器每小时送出10000m3带有淀粉的热空气，拟采用扩散式旋风分离器收取其中的淀粉，要求压强降不超过1373Pa。已知气体密度为1.0kg/m3，试选择合适的型号。解：已规定采用扩散式旋风分离器，则其型号可由表3-4中选出。表中所列压强降是当气体密度为1.2 kg/m3时的数值。根据式3-29，在进口气速相同的条件下，气体通过旋风分离器的压强降与气体密度成正比。本题中热空气的允许压强降为1373Pa，则相当于气体密度为1.2 kg/m3时的压强降应不超过如下数值，即 从表3-4中查得5号扩散式旋风分离器（直径为525mm）在1570Pa的压强降下

8、操作时，生产能力为5000 kg/m3。现要达到10000 m3/h的生产能力，可采用两台并联。当然，也可以作出其它的选择，即选用的型号与台数不同于上面的方案。所有这些方案在满足气体处理量及不超过允许压强降的条件下，效率高低和费用大小都不相同。合适的型号只能根据实际情况和经验确定。【例3-4】 拟在9.81×103Pa的恒定压强差下过滤某悬浮液。已知该悬浮液由直径为0.1mm的球形颗粒状物质悬浮于水中组成，过滤时形成不可压缩滤饼，其空隙率为60%，水的粘度为1.0×10Pa·s，过滤介质阻力可以忽略，若每获得1m3滤液所形成的滤饼体积为0.333m3。试求：1）每

9、平方米过滤面积上获得1.5m3滤液所需的过滤时间；2）若将此过滤时间延长一倍，可再得滤液多少？解：1）求过滤时间 已知过滤介质阻力可以忽略的恒压过滤方程为 单位面积获得的滤液量 q=1.5 m3/ m2 过滤常数 对于不可压缩滤饼，s=0，r'=r=常数，则 已知p=9.81×103Pa，=1.0×103Pa·s，v=0.333m3/m2根据式3-37知，又已知滤饼的空隙率=0.6球形颗粒的比表面 m2/m3所以 1/m2则 m2/s所以 s 2）过滤时间加倍时增加的滤液量 s则 m3/m2 m3/m2即每平方米过滤面积上将再得0.62m3滤液。例3-5

10、附表1序号过滤时间，s过滤压强差p，Pa1100 3×10425009×104【例3-5】在0.04m2的过滤面积上，以1×104m3/s的速率对不可压缩的滤饼进行过滤实验，测得的两组数据列于本题附表1中。今欲在框内尺寸为635mm×635mm×60mm的板框过滤机内处理同一料浆，所用滤布与实验时的相同。过滤开始时，以与实验相同的滤液流速进行恒速过滤，至过滤压强差达到6×104Pa时改为恒压操作。每获得1m3滤液所生成的滤饼体积为0.02m3。试求框内充满滤饼所需的时间。解：欲求滤框充满滤饼所需的时间，可用式3-56进行计算。为此，需

11、先求得式中有关参数。依式3-55a，对不可压缩滤饼进行恒速过滤时的p关系为 p=a+b将测得的两组数据分别代入上式： 3×104=100a+b 9×104=500a+b解得 a=150 b=1.5×104即 p=150+1.5×104因板框过滤机所处理的悬浮液特性及所用滤布均与实验时相同，且过滤速度也一样，故板框过滤机在恒速阶段的p关系也符合上式。恒速终了时的压强差pR=6×104Pa，故 s由过滤实验数据算出的恒速阶段的有关参数列于本例附表2中。例3-5 附表2序号，sp，PaV=1×104，m3m3/m211003×10

12、40.010.2523006×1040.030.75由式3-47a知 将上式改写为 应用附表2中数据便可求得过滤常数K和qe，即 （a） （b）本题中正好p2=2p1，于是，K2=2K1。联解式a、b、c得到 qe=0.25m3/m2 K2=5×103m2/s上面求得的qe、K2为板框过滤机中恒速过滤终点，即恒压过滤的过滤常数。 m3/m2 A=2×0.6352=0.8065m2滤饼体积 Vc=0.6352×0.06=0.0242m3 单位面积上的滤液体积为 m3/m2将K、qe、qR及q的数值代入3-56a得（1.520.752）+2×0.2

13、5（1.50.75）=5×103（300）解得 =712.5 s【例3-6】在25下对每升水中含25g某种颗粒的悬浮液进行了三次过滤实验，所得数据见本例附表1。试求：1）各p下的过滤常数K、qe及e；2）滤饼的压缩性指数s。解：1）求过滤常数（以实验为例）根据实验数据整理各段时间间隔的与相应的q值，列于本例附表2中。在直角坐标纸上以为纵轴、q为横轴，根据表中数据标绘出q的阶梯形函数关系，再经各阶梯水平线段中点作直线，见本例附图1中的直线。由图上求得此直线的斜率为 s/m2又由图上读出此直线的截距为 s/m则得到当 p=0.463×105Pa时的过滤常数为 m2/s m3/m

14、2 s 实验及的q关系也标绘于本题附图1中。例3-6 附表1实验序号过滤压强差p×105，Pa0.4631.953.39单位面积滤液量q×103，m/3m2过滤时间，s000011.3517.36.54.322.7041.414.09.434.0572.024.116.245.40108.437.124.556.75152.351.834.668.10201.669.146.1例3-6 附表2实验序号q×103m/3m2q×103m/3m2ss×103s/m0011.3511.3517.317.31.52422.7011.3541.424.12

15、.12334.0511.3572.030.62.69645.4011.35108.436.43.20756.7511.35152.343.93.86868.1011.35201.649.34.344各次实验条件下的过滤常数计算过程及结果列于本题附表3中。例3-6 附表3实验序号Pas/m2s/mKm2/sqem3/m2es0.4634.90×10412604.08×1050.025716.21.951.764×1044031.134×1040.02284.583.391.192×1042591.678×1040.02172.812）求

16、滤饼的压缩性指数s 将附表3中三次实验的Kp数据在对数坐标上进行标绘，得到本题附图2中的、三个点。由此三点可得一条直线，在图上测得此直线的斜率为1s=0.7，于是可求得滤饼的压缩性指数为s=10.7=0.3。【例3-7】对例3-6中的悬浮液用具有26个框的BMS20/635-25板框压滤机进行过滤。在过滤机入口处滤浆的表压为3.39×105Pa，所用滤布与实验时的相同，浆料温度仍为25。每次过滤完毕用清水洗涤滤饼，洗水温度及表压与滤浆相同而其体积为滤液体积的8%。每次卸渣、清理、装合等辅助操作时间为15min。已知固相密度为2930kg/m3，又测得湿饼密度为1930kg/m3。求此

17、板框压滤机的生产能力。解：过滤面积A=（0.635）2×2×26=21m2 滤框总容积=（0.635）2×0.025×26=0.262m3已知1m3滤饼的质量为1930kg，设其中含水xkg，水的密度按1000 kg/m3考虑，则 解得 x=518kg故知1m3滤饼中的固相质量为 1930518=1412kg生成1m3滤饼所需的滤浆质量为 1412×kg则1m3滤饼所对应的滤液质量为 578921930=55962kg1m3滤饼所对应的滤液体积为 m3由此可知，滤框全部充满时的滤液体积为 V=55.96×0.262=14.66m3则过

18、滤终了时的单位面积滤液量为 m3/m2根据例3-6中过滤实验结果写出p=3.39×105Pa时的恒压过滤方程式为 （q+0.0217）2=1.678×104(+2.81)将q=0.6982 m3/m2代入上式，得 （0.6981+0.0217）2=1.678×104(+2.81)解得过滤时间为：=3085s。由式3-58及式3-60可知：对恒压过滤方程式3-51a进行微分，得 2（q+qe）dq=Kd，即 已求得过滤终了时q=0.6982 m3/m2,代入上式可得过滤终了时的过滤速率为 m3/s已知 VW=0.08V=0.08×14.66=1.173 m

19、3则 s又知 D=15×60=900s则生产能力为 m3/h第三章 机械分离与固体流态化【例31】 落球粘度计。使用光滑小球在粘性液体中的自由沉降可以测定液体的粘度。现有密度为8010kg/m3、直径0.16mm的钢球置于密度为980 kg/m3的某液体中，盛放液体的玻璃管内径为20mm。测得小球的沉降速度为1.70mm/s，试验温度为20，试计算此时液体的粘度。测量是在距液面高度1/3的中段内进行的，从而免除小球初期的加速及管底对沉降的影响。当颗粒直径d与容器直径D之比d/D0.1，雷诺数在斯托克斯定律区内时，器壁对沉降速度的影响可用下式修正： 式中u't为颗粒的实际沉降速

20、度；ut为斯托克斯定律区的计算值。0.1解： =1.73×103m/s按式3-12可得 =0.0567Pa·s校核颗粒雷诺数2 Ret上述计算有效。【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，粘度为2.6×105Pa·s；固体的密度为3000 kg/m3；降尘室的生产能力为3 m3/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40m的颗粒的回收百分率；3）如欲完全回收直径为10m的尘粒，在原降尘室内需设置多少层水平隔板？解：1）理论上能完全

21、捕集下来的最小颗粒直径 由式3-20可知，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 m/s由于粒径为待求参数，沉降雷诺准数Ret和判断因子K都无法计算，故需采用试差法。假设沉降在滞流区，则可用斯托克斯公式求最小颗粒直径，即 2核算沉降流型 Ret原设在滞流区沉降正确，求得的最小粒径有效。2）40m颗粒的回收百分率 假设颗粒在炉气中的分布是均匀的，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被分离下来的分率。由于各种尺寸颗粒在降尘室内的停留时间均相同，故40m颗粒的回收率也可用其沉降速度u't与69.1m颗粒的沉降速度ut之比来确定，在斯托克斯定律区则为 回

22、收率= u't / ut=(d'/dmin)2=(40/69.1)2=0.335即回收率为33.5%。3）需设置的水平隔板层数 多层降尘室中需设置的水平隔板层数用式3-20a计算。由上面计算可知，10m颗粒的沉降必在滞流区，可用斯托克斯公式计算沉降速度，即 m/s所以 ，取47层隔板间距为 m核算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2000 m/s 所以 Re即气体在降尘室的流动为滞流，设计合理。【例3-3】 某淀粉厂的气流干燥器每小时送出10000m3带有淀粉的热空气，拟采用扩散式旋风分离器收取其中的淀粉，要求压强降不超过1373Pa。已知气体密

23、度为1.0kg/m3，试选择合适的型号。解：已规定采用扩散式旋风分离器，则其型号可由表3-4中选出。表中所列压强降是当气体密度为1.2 kg/m3时的数值。根据式3-29，在进口气速相同的条件下，气体通过旋风分离器的压强降与气体密度成正比。本题中热空气的允许压强降为1373Pa，则相当于气体密度为1.2 kg/m3时的压强降应不超过如下数值，即 从表3-4中查得5号扩散式旋风分离器（直径为525mm）在1570Pa的压强降下操作时，生产能力为5000 kg/m3。现要达到10000 m3/h的生产能力，可采用两台并联。当然，也可以作出其它的选择，即选用的型号与台数不同于上面的方案。所有这些方案

24、在满足气体处理量及不超过允许压强降的条件下，效率高低和费用大小都不相同。合适的型号只能根据实际情况和经验确定。【例3-4】 拟在9.81×103Pa的恒定压强差下过滤某悬浮液。已知该悬浮液由直径为0.1mm的球形颗粒状物质悬浮于水中组成，过滤时形成不可压缩滤饼，其空隙率为60%，水的粘度为1.0×10Pa·s，过滤介质阻力可以忽略，若每获得1m3滤液所形成的滤饼体积为0.333m3。试求：1）每平方米过滤面积上获得1.5m3滤液所需的过滤时间；2）若将此过滤时间延长一倍，可再得滤液多少？解：1）求过滤时间 已知过滤介质阻力可以忽略的恒压过滤方程为 单位面积获得的滤

25、液量 q=1.5 m3/ m2 过滤常数 对于不可压缩滤饼，s=0，r'=r=常数，则 已知p=9.81×103Pa，=1.0×103Pa·s，v=0.333m3/m2根据式3-37知，又已知滤饼的空隙率=0.6球形颗粒的比表面 m2/m3所以 1/m2则 m2/s所以 s 2）过滤时间加倍时增加的滤液量 s则 m3/m2 m3/m2即每平方米过滤面积上将再得0.62m3滤液。例3-5 附表1序号过滤时间，s过滤压强差p，Pa1100 3×10425009×104【例3-5】在0.04m2的过滤面积上，以1×104m3/s的速

26、率对不可压缩的滤饼进行过滤实验，测得的两组数据列于本题附表1中。今欲在框内尺寸为635mm×635mm×60mm的板框过滤机内处理同一料浆，所用滤布与实验时的相同。过滤开始时，以与实验相同的滤液流速进行恒速过滤，至过滤压强差达到6×104Pa时改为恒压操作。每获得1m3滤液所生成的滤饼体积为0.02m3。试求框内充满滤饼所需的时间。解：欲求滤框充满滤饼所需的时间，可用式3-56进行计算。为此，需先求得式中有关参数。依式3-55a，对不可压缩滤饼进行恒速过滤时的p关系为 p=a+b将测得的两组数据分别代入上式： 3×104=100a+b 9×10

27、4=500a+b解得 a=150 b=1.5×104即 p=150+1.5×104因板框过滤机所处理的悬浮液特性及所用滤布均与实验时相同，且过滤速度也一样，故板框过滤机在恒速阶段的p关系也符合上式。恒速终了时的压强差pR=6×104Pa，故 s由过滤实验数据算出的恒速阶段的有关参数列于本例附表2中。例3-5 附表2序号，sp，PaV=1×104，m3m3/m211003×1040.010.2523006×1040.030.75由式3-47a知 将上式改写为 应用附表2中数据便可求得过滤常数K和qe，即 （a） （b）本题中正好p2=2

28、p1，于是，K2=2K1。联解式a、b、c得到 qe=0.25m3/m2 K2=5×103m2/s上面求得的qe、K2为板框过滤机中恒速过滤终点，即恒压过滤的过滤常数。 m3/m2 A=2×0.6352=0.8065m2滤饼体积 Vc=0.6352×0.06=0.0242m3 单位面积上的滤液体积为 m3/m2将K、qe、qR及q的数值代入3-56a得（1.520.752）+2×0.25（1.50.75）=5×103（300）解得 =712.5 s【例3-6】在25下对每升水中含25g某种颗粒的悬浮液进行了三次过滤实验，所得数据见本例附表1。试

29、求：1）各p下的过滤常数K、qe及e；2）滤饼的压缩性指数s。解：1）求过滤常数（以实验为例）根据实验数据整理各段时间间隔的与相应的q值，列于本例附表2中。在直角坐标纸上以为纵轴、q为横轴，根据表中数据标绘出q的阶梯形函数关系，再经各阶梯水平线段中点作直线，见本例附图1中的直线。由图上求得此直线的斜率为 s/m2又由图上读出此直线的截距为 s/m则得到当 p=0.463×105Pa时的过滤常数为 m2/s m3/m2 s 实验及的q关系也标绘于本题附图1中。例3-6 附表1实验序号过滤压强差p×105，Pa0.4631.953.39单位面积滤液量q×103，m/3

30、m2过滤时间，s000011.3517.36.54.322.7041.414.09.434.0572.024.116.245.40108.437.124.556.75152.351.834.668.10201.669.146.1例3-6 附表2实验序号q×103m/3m2q×103m/3m2ss×103s/m0011.3511.3517.317.31.52422.7011.3541.424.12.12334.0511.3572.030.62.69645.4011.35108.436.43.20756.7511.35152.343.93.86868.1011.352

31、01.649.34.344各次实验条件下的过滤常数计算过程及结果列于本题附表3中。例3-6 附表3实验序号Pas/m2s/mKm2/sqem3/m2es0.4634.90×10412604.08×1050.025716.21.951.764×1044031.134×1040.02284.583.391.192×1042591.678×1040.02172.812）求滤饼的压缩性指数s 将附表3中三次实验的Kp数据在对数坐标上进行标绘，得到本题附图2中的、三个点。由此三点可得一条直线，在图上测得此直线的斜率为1s=0.7，于是可求得滤饼的压缩性指数为s=10.7=0.3。【例3-7】对例3-6中的悬浮液用具有26个框的BMS20/635-25板框压滤机进行过滤。在过滤机入口处滤浆的表压为3.39×