第三章非均相机械分离

1、盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离第三章第三章 非均相机械分离非均相机械分离3.1沉沉 降降3.2过过 滤滤盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离3.3 颗粒的颗粒的沉降沉降 3.3.1 概述概述 3.3.2 颗粒在流体中的颗粒在流体中的沉降过程沉降过程 3.2.3 重力沉降设备重力沉降设备 3.2.4 离心沉降设备离心沉降设备 3.2.4 离心机离心机 盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离3.3.1 概述概述混合物混合物均相混合物均相混合物非均相非均相混合物混合物溶液：溶液：混合气体：混合气体：精馏、萃取精馏、萃取吸收、吸附吸收、吸附气态非均相气态非均相液态非均相液态非均相

2、含尘气体含尘气体含雾气体含雾气体悬浮液悬浮液乳浊液乳浊液泡沫液泡沫液1.1.混合物的分类混合物的分类盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离分散相分散相( (分散物质分散物质) )：处于分散状态的物质：处于分散状态的物质连续相连续相( (分散介质分散介质) )：处于连续状态的物质：处于连续状态的物质2.2.非均相物系分离的目的非均相物系分离的目的u回收有价值的分散物质回收有价值的分散物质u净化分散介质净化分散介质u环境保护和安全生产环境保护和安全生产3.3.1 概述概述盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离3.非均相物系的分离依据：非均相物系的分离依据：按运动方式按运动方式 的不同的不同

3、沉降沉降过滤过滤分散相运动分散相运动连续相静止连续相静止分散相静止分散相静止连续相运动连续相运动分散相与连续相之间物性的差异。如密度，分散相与连续相之间物性的差异。如密度，直径等。直径等。方法采用机械法，使发生相对运动。方法采用机械法，使发生相对运动。3.3.1 概述概述盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离1.自由沉降速度自由沉降速度 自由沉降自由沉降:单个颗粒在流体中的沉降过程。 干扰沉降干扰沉降：若颗粒数量较多，相互间距离较近，则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的沉降过程盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离颗粒在流体中受到三个

4、力的作用，如图3-3所示： 浮力 Fb 曳力 Fd 重力 Fg 图图 3-1 颗粒在流体颗粒在流体 中沉降时受力中沉降时受力 曳力曳力Fd 重力重力Fg 浮力浮力Fb Fg=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颗粒在流体中的沉降过程盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离 刚开始沉降：刚开始沉降： 0 ubgFF 不变不变0 dFa（加速度）（加速度）最大最大 开始沉降开始沉降 udFdbgFFF a tumFFFDbBdd(3-19)根据牛顿第二定律，作用于颗粒上的合外力使其产生根据牛顿

5、第二定律，作用于颗粒上的合外力使其产生加速运动，即：加速运动，即： 盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离tuu dbgFFF a0 u增加至一定值时增加至一定值时 自由沉降速度自由沉降速度 匀速沉降匀速沉降 23321116642tppppudgdgd4()/3pptgdum s自由沉降速度公式自由沉降速度公式 (3-20)式中式中d dp p为颗粒的当量直径。为颗粒的当量直径。 3.3.2 颗粒在流体中的沉降过程颗粒在流体中的沉降过程盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离2.阻力系数阻力系数 的计算的计算 ),f(Re 因次分析因次分析球形度球形度= =与颗粒体积相等的圆球的表面积

6、与颗粒体积相等的圆球的表面积颗粒的表面积颗粒的表面积1 Pted uRpSS盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离3.球形颗粒沉降速度计算：球形颗粒沉降速度计算：Re24 2()18pptdgul层流区层流区Stokes定律区定律区l过渡区过渡区Allen定律区定律区3.3.2 颗粒在流体中的沉降过程颗粒在流体中的沉降过程6 . 00Re5 .18 盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离51021000 Re44.0 l湍流区湍流区Newton定律区定律区3.3.2 颗粒在流体中的沉降过程颗粒在流体中的沉降过程l Re0 200000后，后，骤

7、然下降，在骤然下降，在Ret=(310)105范围内可范围内可近似取近似取= 0.1。 盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离 4.影响沉降速度的因素影响沉降速度的因素 颗粒直径颗粒直径 其它条件相同时，小颗粒后沉降。其它条件相同时，小颗粒后沉降。 流体密度流体密度 条件其它相同时，颗粒在空气较在水中易沉降。条件其它相同时，颗粒在空气较在水中易沉降。 颗粒密度颗粒密度 其它条件相同时，密度大的颗粒先沉降。其它条件相同时，密度大的颗粒先沉降。tu，则,PtutPud则,盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离 5. 的计算：的计算：问题：沉降速度问题：沉降速度 未知，如何判断流型？未知，如

8、何判断流型？解决方法：试差法解决方法：试差法 或或 判据法（避免试差）判据法（避免试差）判据法：判据法：tu将上式代入Re中，得到：2()18PPtdgu斯托克斯公式斯托克斯公式: :32()118pptepd gduR tu盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离118eRk则：令1epR则62. 2k采用斯托克斯公式层流区：26 . 2k132()ppgkd 令盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离试差法试差法：假设假设流型流型选择选择公式公式计算计算tu计算计算tRe验算验算盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离例：求直径例：求直径40m球形颗粒在球形颗粒在30大气中的自由沉降

9、大气中的自由沉降速度。已知速度。已知颗粒颗粒为为2600kg/m3,大气压为大气压为0.1MPa。解：解：设为层流，则：设为层流，则：查查30、0.1MPa空气：空气：3mkg165.1 sPa1086.15 2()18pptdgu校核：校核：sm12. 0 23 . 0 tduRe( (正确正确) )5261086. 118)165. 12600(81. 9)1040( 盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离6.非球形颗粒的沉降速度非球形颗粒的沉降速度同样条件下 因此球非球球非球,ttuu处理方法：处理方法：可先假定为颗粒球形，然后校正。可先假定为颗粒球形，然后校正。ReReP P 颗粒

10、球形度对沉降速度的影响ut（非球形）/ ut（球形）盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离3.3.3 重力沉降设备重力沉降设备 1.降尘室降尘室 （1）工作原理）工作原理 气体入室气体入室减速减速颗粒的沉降运动颗粒的沉降运动&随气体运动随气体运动沉降运动时间沉降运动时间 气体停留时间气体停留时间分离分离 气体 气体 进口 出口 集灰斗 降尘室降尘室 B Vs u0 u L H颗粒在降尘室中的运动颗粒在降尘室中的运动盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离 B Vs ut u L H颗粒在降尘室中的运动颗粒在降尘室中的运动 颗粒能够沉降到集尘斗中有什么条件呢？颗粒能够沉降到集尘斗中

11、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，颗粒在流体颗粒在降尘室中的沉降时间小于停留时间时，颗粒在流体离开降尘室前即可沉降到降尘室的底部。离开降尘室前即可沉降到降尘室的底部。 其中：其中：与设备尺寸及处理量有关，与颗粒性质无关；与设备尺寸及处理量有关，与颗粒性质无关； t与流体、颗粒的性质、分离要求及降尘室的高度有关。与流体、颗粒的性质、分离要求及降尘室的高度有关。 3.3.3 重力沉降设备重力沉降设备 停留时间：停留时间：气流速度气流速度m/s气流流率气流流率m3/s沉降时间沉降时间 盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离 注意：注意：当某直径的颗粒满足当某直径的颗粒满足t

12、 时，它能够被完全（时，它能够被完全（100%）地分离；当某直径的颗粒满足）地分离；当某直径的颗粒满足t时，它不是不能时，它不是不能被分离，仍然可以被分离，只不过是不能被完全分离。被分离，仍然可以被分离，只不过是不能被完全分离。讨论：讨论： （1 1）降尘室的生产能力：）降尘室的生产能力： 停留时间最短为停留时间最短为t t= =H/u，即最大生产能力为，即最大生产能力为Vs=BLut ；故；故生产能力与降尘室的底面积生产能力与降尘室的底面积BL有关而与降尘室的高度无关，因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。此，降尘室多制成扁平型或多层。 （2）降尘室生产能力与设备高度无

13、关，）降尘室生产能力与设备高度无关，那么降尘室的高那么降尘室的高度是否越小越好呢？度是否越小越好呢？ 3.3.3 重力沉降设备重力沉降设备盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离 若若u不变，则不变，则L，生产能力，生产能力Vs=BLut；为保证生产能力；为保证生产能力不变，必须不变，必须B；降尘室变得短而宽，气体进入降尘室还未稳；降尘室变得短而宽，气体进入降尘室还未稳定就离开降尘室了，气体在降尘室内的分布不均匀造成分离定就离开降尘室了，气体在降尘室内的分布不均匀造成分离能力下降；所以在降尘室的前后均有渐缩和渐扩装置；能力下降；所以在降尘室的前后均有渐缩和渐扩装置； 若若L不变，不变，u，生

14、产能力不变；若流速太大，则沉降，生产能力不变；若流速太大，则沉降后的颗粒被重新扬起，分离效率后的颗粒被重新扬起，分离效率，故应保证气体流动维持层，故应保证气体流动维持层流状态，一般流状态，一般u 3m/s，易扬起的物料，易扬起的物料u 10m（75m效果效果较好）。较好）。 3.3.3 重力沉降设备重力沉降设备盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离 （4）t在设计中是确定降尘室主要结构尺寸的依据，在在设计中是确定降尘室主要结构尺寸的依据，在操作中是确定所能完全分离最小颗粒直径的判据。当操作中是确定所能完全分离最小颗粒直径的判据。当Stokes定定律适用时，颗粒在降尘室中作自由沉降，处理量为

15、律适用时，颗粒在降尘室中作自由沉降，处理量为Vs时能分时能分离出的颗粒的最小直径离出的颗粒的最小直径dmin为：为：AVgduss18)(2min0降尘室底面积降尘室底面积AVgdss)(18min3.3.3 重力沉降设备重力沉降设备盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离3.3.3 重力沉降设备重力沉降设备 例例1: 降尘室计算降尘室计算用总高4m、宽1.7m、长4.55m的重力降尘室分离空气中的粉尘。中间等高安排39块隔板，每小时通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310-5Pas，粉尘的密度为3700 kg/m3。试

16、求此降尘室能分离的最小尘粒的直径除去6m颗粒的百分率。 盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离已知：已知：H，w，n，V0，O，t, ，P 求：求：dpctSPDtSNWLuVgdumKgTTsmV18/649. 04002732736 . 1/369. 13600/273400273200023003假设沉降处于层流区：mmNWLVgdSpPC11. 81011. 8407 . 155. 481. 9649. 03700369. 11031811865解：解：盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离11075. 7103649. 01022. 41011. 8Re/1042. 418R

17、e453632tPDtdusmgdu：验证假设成立，假设成立，dPC=8.11m。 d=6m 由上可知沉降属于层流区由上可知沉降属于层流区停留时间：停留时间：=L/u=4.551.74/1.369=22.60s%541 . 0054. 01 . 0404054. 06 .221042. 2/1042. 218332除去百分率：每层高度：内沉降的高度：在沉降速度：mhmuhsmgdutPDt盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离 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应器之前必须除尘并预热至150，所含尘粒密度为1800kg/m3。现有一台总面积为130m2的多

18、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？已知20的气体粘度为1.8110-5Pa.s，150的气体粘度为2.4110-5Pa.s。 解：（1）据题意 kg/m3=1.8110-5Pa.s m3/s 可全部除去的最小颗粒的沉降速度为 m/s 205. 1)2015.273(314. 810291013253RTPM075. 2205. 150. 2mVqq016. 0130075. 2AquVt盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离假设颗粒沉降处于层流区，则mmgudPt2

19、 .171072. 181. 9)205. 11800(016. 01081. 118)(1855min校核 2018. 01081. 11072. 1016. 0205. 1Re55mintPud835. 0)15015.273(314. 810291013253RTPM故以上计算有效（2）据题意994. 2835. 050. 2mVqq=2.4110-5Pa.s可全部除去的最小颗粒的沉降速度为:023.0130994.2AquVt假设颗粒沉降处于层流区，则mmgudPt8 .231038. 281. 9)835. 01800(023. 01041. 218)(1855min2019. 01

20、041. 21038. 2023. 0835. 0Re55mintPud校核 故以上计算有效盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离（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。盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离3.3.3 重力沉降设备重力沉降设备2.增稠器（沉降槽）增稠器（沉降槽） 加料 清液溢流 清液 水平挡板 耙 稠浆 图图 3-7 连续式沉降槽连续式沉降槽 结构 增稠器的构造如右图。主要是一个底部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）略成锥形的大直径（数米百米以上）浅槽浅槽（高度（高度2.54m）。 料浆从中央进料口送入

21、料浆从中央进料口送入液面下液面下0.31.0m处，以小扰动迅速分散到整个处，以小扰动迅速分散到整个横截面上，颗粒下沉，从等浓区横截面上，颗粒下沉，从等浓区 变浓区变浓区沉聚区；在槽底缓慢转动的沉聚区；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“底流底流”排出。排出。清液向上流动，即使夹带粒子，颗粒在澄清区还是有机会再沉降，清液向上流动，即使夹带粒子，颗粒在澄清区还是有机会再沉降，使使“溢流溢流”的澄清液体保持清洁。的澄清液体保持清洁。 工作原理 盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离3.3.3 重力沉

22、降设备重力沉降设备 改变沉降速度的方法 增稠器既可用于间歇操作或连续操作，具有澄清液体和增稠悬浮液增稠器既可用于间歇操作或连续操作，具有澄清液体和增稠悬浮液双重功能。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、适用于量大、浓度不高且颗粒不太细微的悬浮料浆，如污水、煤泥水处理等。工业上处理大量悬浮液时，一般采用连续式增稠器。煤泥水处理等。工业上处理大量悬浮液时，一般采用连续式增稠器。 添加絮凝剂：添加絮凝剂： 应用 改变操作条件：改变操作条件： 一般采用添加少量电解质或表面活性剂的方法，使细小一般采用添加少量电解质或表面活性剂的方法，使细小颗粒凝聚或絮聚；颗粒凝聚或絮聚； 通

23、常采用诸如：加热、冷冻或震动等方法，使颗粒的粒度或相界通常采用诸如：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。面积发生变化，从而提高或降低沉降速度。盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离3.3.4 离心沉降离心沉降（Centrifugal sedimentation ）r1r2ArCBuruut颗粒在旋转流体中的运动颗粒在旋转流体中的运动rumma2tr 离心力离心力颗粒的切线速度颗粒的切线速度旋转半径旋转半径离心加速度离心加速度若颗粒为球形：若颗粒为球形：ruds2t3)(6 作用力作用力颗粒密度颗粒密度流体密度流体密度242r2ud 阻力阻力当作用

24、力等于阻力时，可得离心沉降速度当作用力等于阻力时，可得离心沉降速度urrudruduss2t22tr18)(3)(4 相对运动为层流相对运动为层流盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离3.3.4离心沉降离心沉降（Centrifugal sedimentation ）r = 0.5m，ut = 10m/s时，时，4 .20/2tC gruK重力重力离心力离心力分离因数分离因数 注意：注意：离心沉降与重力沉降的类比。颗粒离心沉降的速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

25、际运动轨迹是一个半径逐渐扩大的螺旋圆周运动，颗粒的实际运动轨迹是一个半径逐渐扩大的螺旋线。离心沉降速度并不是颗粒的实际运动速度，只是其在径线。离心沉降速度并不是颗粒的实际运动速度，只是其在径向上的分量。向上的分量。 旋风分离器用于分离气体中的固体颗粒旋风分离器用于分离气体中的固体颗粒旋液分离器用于分离液体中的固体颗粒旋液分离器用于分离液体中的固体颗粒 重力沉降重力沉降 离心沉降离心沉降 降尘室用于分离气体中的固体颗粒降尘室用于分离气体中的固体颗粒沉降槽用于分离液体中的固体颗粒沉降槽用于分离液体中的固体颗粒 盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离 B 净化气体 含尘 气体 A D1 A=D/

26、2 S1 B=D/4 H1 D1=D/2 D H1=2D H H2=2D S1=D/8 H2 D2D/4 D2 尘粒 图图 3-78 旋风分离器的尺寸及操作原理图旋风分离器的尺寸及操作原理图 （1）结构与工作原理）结构与工作原理 如右图所示如右图所示 ，主体的，主体的上部为圆筒形，下部为圆上部为圆筒形，下部为圆锥形，中央有一升气管。锥形，中央有一升气管。 旋风分离器（旋风分离器（Cyclone separators） 含尘气体从侧面的矩形含尘气体从侧面的矩形进气管切向进入器内，然后进气管切向进入器内，然后在圆筒内作自上而下的圆周在圆筒内作自上而下的圆周运动。颗粒在随气流旋转过运动。颗粒在随气流

27、旋转过程中被抛向器壁，沿器壁落程中被抛向器壁，沿器壁落下，自锥底排出。被净化的下，自锥底排出。被净化的气体到达底部气体到达底部( (处于密封状处于密封状态态) )后折向上，沿中心轴旋后折向上，沿中心轴旋转着从顶部中央排气管排出转着从顶部中央排气管排出 盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离旋风分离器（旋风分离器（Cyclone separators）（2）分离性能）分离性能 旋风分离器能够分离出的颗粒大小是它的主要性能之一。旋风分离器能够分离出的颗粒大小是它的主要性能之一。 临界直径临界直径dc（Critical diameter） 假设：假设： a、颗粒与气体在旋风分离器内的切线速度、颗

28、粒与气体在旋风分离器内的切线速度ut恒定，与所在位恒定，与所在位置无关，且等于进口处的速度置无关，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、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。、颗粒与气流的相对运动为层流。 颗粒在旋风分离器中能被完全分离，其沉降时间必须不大颗粒在旋风分离器中能被完全分离，其沉降时间必须不大于停留时间于停留时间 盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离 临界直径临界直径：当沉降时间与停留时间相等时所能完全分离：当沉降时间与停留时间相等时所能完全分离的颗粒直径为最小直径。的颗粒直径为最小直径。

29、旋风分离器（旋风分离器（Cyclone separators）离心沉降时间为：离心沉降时间为： 旋转半径的平均值旋转半径的平均值停留时间：停留时间：m2i22t2r1818rudruduss2is2m18udBrt2is2cmim182udBruNr c,ddt时isc9uNBd 盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离旋风分离器（旋风分离器（Cyclone separators）讨论讨论： B，D，dc，效率，效率；在生产能力相同条件下，有；在生产能力相同条件下，有一台大旋风分离器和若干台小旋风分离器（进口气速一样）一台大旋风分离器和若干台小旋风分离器（进口气速一样），应采用哪种方案？，应

30、采用哪种方案？ ui，dc，效率，效率，但阻力，但阻力；旋风分离器的进口气速旋风分离器的进口气速应适当选择，不宜太高也不宜太低。应适当选择，不宜太高也不宜太低。 dc不仅与颗粒和气体的性质有关，而且与旋风分离器不仅与颗粒和气体的性质有关，而且与旋风分离器的结构和处理量有关。处理量越大、颗粒密度越大、进口越的结构和处理量有关。处理量越大、颗粒密度越大、进口越窄、长径比越大（窄、长径比越大（N越大），则临界直径越小，分离性能越越大），则临界直径越小，分离性能越好。好。 isc9uNBd盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离旋风分离器（旋风分离器（Cyclone separators） 分离效率

31、分离效率 粒级效率、总效率粒级效率、总效率 含尘气体中所有颗粒经分离器后被分离出的质量百分数含尘气体中所有颗粒经分离器后被分离出的质量百分数0 0 ，称为，称为总效率总效率，不能准确地代表旋风分离器的分离性能:%1000 进进口口出出口口进进口口ccc 含尘气体中某一粒径的颗粒经分离器后被分离出的质量含尘气体中某一粒径的颗粒经分离器后被分离出的质量百分数百分数pi ，称为，称为粒级效率粒级效率，可以准确表示旋风分离器的分离性能。 %100p 进进口口出出口口进进口口iiiiccc 其中其中c为质量含量，为质量含量，g/m3；i表示直径为表示直径为di的颗粒。的颗粒。 盐城工学院盐城工学院第三章

32、 非均相机械分离粒级效率P 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.1 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1 2 4 6 8 10 颗粒直径比，dpi/d50 理论值 实际值 图图 3-9 旋风分离器的粒级效率旋风分离器的粒级效率 d50是粒级效率恰为是粒级效率恰为50%的颗粒直径，称为分割粒径。的颗粒直径，称为分割粒径。 工业上常将旋风分离器的粒级效率工业上常将旋风分离器的粒级效率dpi 标绘成粒径比标绘成粒径比dpi/d50的函数曲线。的函数曲线。盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离旋风分离器（旋风分离器（Cyclone separators）讨论：讨论： 若两台旋风分离器

33、的总效率相同，他们的分离性能是若两台旋风分离器的总效率相同，他们的分离性能是否相同？含尘气体中颗粒的大小范围不同，临界直径不同，否相同？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能更准确地评价分离器的效率。因此采用粒级效率才能更准确地评价分离器的效率。 d dc时，时，pi =100%， d dc的颗粒能否被分离？的颗粒能否被分离？能，能，不能被完全分离即不能被完全分离即pi 100% 。 2cp ddBBi pi与与0的关系的关系 niiix1p0 盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离旋风分离器（旋风分离器（Cyclone separators） 压力降（阻力损失）

34、压力降（阻力损失）通常压降用入口气体动能的倍数来表示：通常压降用入口气体动能的倍数来表示： 22icfup 对标准型旋风分离器对标准型旋风分离器 21c16DAB 处理量越大、颗粒密度越大、进口越窄、长径比越大、处理量越大、颗粒密度越大、进口越窄、长径比越大、减小排气管直径、缩小旋风分离器直径等等均能提高分离性减小排气管直径、缩小旋风分离器直径等等均能提高分离性能，但同时也增加的阻力损失，在旋风分离器的选型上应充能，但同时也增加的阻力损失，在旋风分离器的选型上应充分考虑阻力的影响。分考虑阻力的影响。 盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离4.7 旋液分离器旋液分离器 旋液分离器的工作原理及

35、计算与旋风分离器类似。旋液分离器的工作原理及计算与旋风分离器类似。 与旋风分离器相比，旋液分离器的直径较小？较大？与旋风分离器相比，旋液分离器的直径较小？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，气固密度差大而液固密度差较小，为获得较高的离心力，旋液分离器的直径通常较小。旋液分离器的直径通常较小。 盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离在除去某粒径的颗粒时，若降尘室的高度增加一倍，则在除去某粒径的颗粒时，若降尘室的高度增加一倍，则沉降时间沉降时间_，气流速度，气流速度_，生产，生产能力能力_。 球型石英颗粒在水中作自由沉降，若沉降属于层流区球型石英颗粒在水中作自由沉降，若沉

36、降属于层流区（stocks公式适用），当粒径增加一倍时，其它条件不公式适用），当粒径增加一倍时，其它条件不变的情况下，其沉降速度将为原来的变的情况下，其沉降速度将为原来的_倍。倍。 拟采用一个降尘室和一个旋风分离器来除去某含尘气拟采用一个降尘室和一个旋风分离器来除去某含尘气体中的灰尘，则较适合的安排是体中的灰尘，则较适合的安排是_。选择旋风分离器型式及决定其主要尺寸的根据是选择旋风分离器型式及决定其主要尺寸的根据是气体处理量；分离效率；允许压降。气体处理量；分离效率；允许压降。盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离 含尘气体在某降尘室停留时间为含尘气体在某降尘室停留时间为6s6s时，可使直

37、径时，可使直径为为80m80m尘粒的尘粒的70%70%得以沉降下来。现将生产能得以沉降下来。现将生产能力提高一倍（气速力提高一倍（气速仍仍在正常操作的允许范围内），在正常操作的允许范围内），则该直径颗粒可分离的百分率为则该直径颗粒可分离的百分率为_。 在除去某粒径的颗粒时，若降尘室的高度增加，在除去某粒径的颗粒时，若降尘室的高度增加，则沉降时间则沉降时间_，气流速度，气流速度_，生产能力，生产能力_。 一球形石英颗粒，分别在空气和水中按斯托克斯一球形石英颗粒，分别在空气和水中按斯托克斯定律沉降，若系统温度升高，则其在水中的沉降定律沉降，若系统温度升高，则其在水中的沉降速度将速度将 ，在空气中的

38、沉降速度将，在空气中的沉降速度将 。盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离3.4 过过 滤滤3.4.1 概述概述 3.4.2 过滤基本方程过滤基本方程 3.4.3 过滤常数的测定过滤常数的测定 3.4.4 滤饼洗涤滤饼洗涤 3.4.5 过滤设备及过滤计算过滤设备及过滤计算 盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离3.4 过滤过滤（Filteration） 3.4.1 概述概述 过滤是在外力作用过滤是在外力作用下下，利用过滤介质使悬浮液中的液体，利用过滤介质使悬浮液中的液体通过，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的一通过，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的一种单元操作。种

39、单元操作。过滤介质过滤介质具有多孔结构，可以截留固体物质，具有多孔结构，可以截留固体物质，而让液体通过；我们把待过滤的悬浮液成为而让液体通过；我们把待过滤的悬浮液成为滤浆（滤浆（Slurry），而过滤后分离出的固体称为，而过滤后分离出的固体称为滤渣滤渣或或滤饼（滤饼（Filter cake），通过过滤介质的液体称为通过过滤介质的液体称为滤液（滤液（Filtrate）。 （1）过滤介质（过滤介质（Filter medium）：）： 过滤介质应具有以下特性：多孔性，足够的机械强度，过滤介质应具有以下特性：多孔性，足够的机械强度，尽可能小的流动阻力，耐腐蚀性，耐热性，易于再生。尽可能小的流动阻力，耐

40、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。体介质、多孔膜。 盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离3.4.1 概述概述 （2）过滤分类：）过滤分类： 深层过滤（深层过滤（Deep bed filteration） 滤饼过滤（滤饼过滤（Cake filteration） 过滤介质过滤介质悬浮液悬浮液深层过滤深层过滤悬浮液悬浮液滤饼滤饼过滤介质过滤介质滤液滤液滤饼过滤滤饼过滤盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离 滤浆 滤饼 过滤介质 滤液 图 过滤操作示意图 3.4.1 概述概述盐城工学院盐

41、城工学院第三章 非均相机械分离 （3）过滤推动力：）过滤推动力： 重力（漏斗过滤）、压力（加压过滤）或真空（抽滤）重力（漏斗过滤）、压力（加压过滤）或真空（抽滤）、离心力（离心过滤）。、离心力（离心过滤）。 （4）滤饼的可压缩性）滤饼的可压缩性 （5）助滤剂）助滤剂 助滤剂本身就是一性能良好的过滤介质，是一种坚硬、助滤剂本身就是一性能良好的过滤介质，是一种坚硬、不规则的小颗粒，它能形成结构疏松、空隙率大、不可压缩不规则的小颗粒，它能形成结构疏松、空隙率大、不可压缩的滤饼，很大程度改善过滤难度。的滤饼，很大程度改善过滤难度。助滤剂使用方法主要有两助滤剂使用方法主要有两种：混合、预涂。种：混合、预

42、涂。3.4.1 概述概述盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离3.4.2 过滤设备过滤设备（1）板框压滤机）板框压滤机（Plate-and-frame type filter press） 结构与工作原理结构与工作原理料液通道2钮钮1钮钮3钮钮洗涤液通道洗涤板洗涤板框框非洗涤板非洗涤板盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离3.4.2 过滤设备过滤设备盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离排列方式排列方式：板、框交替，个数可调。 盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离3.4.2 过滤设备过滤设备 流程流程装合、过滤、洗涤、卸渣、整理，装合

43、、过滤、洗涤、卸渣、整理，1232123212321 盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离1-1-非洗涤板；非洗涤板； 2-框；框；3-洗涤板；洗涤板； 四角均开孔四角均开孔组装组装: 1-2-3-2-1-2-3-2-1-2-3-2-1滤布滤布框的两侧框的两侧滤浆由总管入框滤浆由总管入框框内形成滤饼框内形成滤饼 滤液穿过饼和布滤液穿过饼和布经每板上旋塞排出经每板上旋塞排出( (明流明流) )从板流出的滤液汇集于某总管排出从板流出的滤液汇集于某总管排出( (暗流暗流) )过滤过滤盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离3.4.2 过滤设备过滤设备 特点特点 优点优点：结构简单，过滤面积大

44、（：结构简单，过滤面积大（100100mm1500 1500mm）而占地省，过滤压力高（可达）而占地省，过滤压力高（可达1.5MPa），操作灵），操作灵活，便于用耐腐蚀材料制造，所得滤饼水分含量少，又能充活，便于用耐腐蚀材料制造，所得滤饼水分含量少，又能充分地洗涤。分地洗涤。 缺点缺点：间歇过滤，劳动强度大，适用于中小规模的生产：间歇过滤，劳动强度大，适用于中小规模的生产及有特殊要求的场合。及有特殊要求的场合。 横穿洗涤横穿洗涤（洗涤液的流通路径是过滤滤液流通路径的两（洗涤液的流通路径是过滤滤液流通路径的两倍，洗涤液的流通截面积为过滤滤液流通截面积的一半；故倍，洗涤液的流通截面积为过滤滤液流通

45、截面积的一半；故洗涤速率为过滤终了速率的四分之一洗涤速率为过滤终了速率的四分之一）。）。 盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离3.4.2 过滤设备过滤设备（2）叶滤机（）叶滤机（Leaf filter） 结构与工作原理结构与工作原理 叶滤机由许多滤叶组成。滤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，外包滤的扁平框架，内有空间，外包滤布，将滤叶装在密闭的机壳内，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。部，

46、成为滤液后从其一端排出。过滤完毕，机壳内改充清水，使过滤完毕，机壳内改充清水，使水循着与滤液相同的路径通过滤水循着与滤液相同的路径通过滤饼进行洗涤，故为置换洗涤。最饼进行洗涤，故为置换洗涤。最后，滤饼可用振动器使其脱落，后，滤饼可用振动器使其脱落，或用压缩空气将其吹下。或用压缩空气将其吹下。盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离3.4.2 过滤设备过滤设备流程流程 装合、过滤、洗涤、卸渣、整理装合、过滤、洗涤、卸渣、整理 特点特点 优点优点：间歇过滤，单位地面所容纳的过滤面积大，洗涤：间歇过滤，单位地面所容纳的过滤面积大，洗涤充分，生产能力比压滤机

47、大，机械化程度高，劳动力省，密充分，生产能力比压滤机大，机械化程度高，劳动力省，密闭过滤，操作环境较好。闭过滤，操作环境较好。 缺点缺点：构造复杂，造价高，滤饼中粒度差别较大的颗粒：构造复杂，造价高，滤饼中粒度差别较大的颗粒可能分别积聚于不同的高度，使洗涤不均匀。可能分别积聚于不同的高度，使洗涤不均匀。 置换洗涤置换洗涤（洗涤液的流通路径与过滤滤液流通路径相同（洗涤液的流通路径与过滤滤液流通路径相同，洗涤液的流通截面积与过滤滤液流通截面积相等；，洗涤液的流通截面积与过滤滤液流通截面积相等；洗涤速洗涤速率与过滤终了速率相等率与过滤终了速率相等）。）。 盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离（

48、3）转筒真空过滤机（）转筒真空过滤机（Rotary vacuum drum filter） 结构与工作原理：结构与工作原理： 3.4.2 过滤设备过滤设备盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离 为连续操作过滤设备。其主体部分是一个卧式转筒，表面有一层为连续操作过滤设备。其主体部分是一个卧式转筒，表面有一层金属网，网上覆盖滤布，筒的下部浸入滤浆中。转筒沿径向分成若干金属网，网上覆盖滤布，筒的下部浸入滤浆中。转筒沿径向分成若干个互不相通的扇形格，每格端面上的小孔与分配头相通。凭借分配头个互不相通的扇形格，每格端面上的小孔与分配头相通。凭借分配头的作用，

49、转筒在旋转一周的过程中，每格可按顺序完成过滤、洗涤、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。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孔也与固定盘上槽1相通，在真空状态下抽吸滤液，滤布外侧则形成滤相通，在真空状态下抽吸滤液，滤布外侧则形成滤饼；当转至与槽饼；当转至与槽2相通时，该格的过滤面已离开滤浆槽，槽相通时，该格的过滤面已离开滤浆槽，槽2的作用是的作用是将滤饼中的滤液进一步吸出；当转至与槽将滤饼中的滤液进一步吸出；当转至与槽3相同时，该格上方有洗涤液相同时，该

50、格上方有洗涤液喷淋在滤饼上，并由槽喷淋在滤饼上，并由槽3抽吸至洗涤液罐。当转至与孔抽吸至洗涤液罐。当转至与孔4相通时，压缩相通时，压缩空气将由内向外吹松滤饼，迫使滤饼与滤布分离，随后由刮刀将滤饼空气将由内向外吹松滤饼，迫使滤饼与滤布分离，随后由刮刀将滤饼刮下，刮刀与转筒表面的距离可调；当转至与与孔刮下，刮刀与转筒表面的距离可调；当转至与与孔5相通时，压缩空气相通时，压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。的操作。 转筒直径为转筒直径为0.35m，长为，长为0.37m。滤饼层薄的约为。滤饼层薄的约为3

51、6mm，厚的可达厚的可达100mm。操作连续、自动、节省人力，生产能力大，能处理。操作连续、自动、节省人力，生产能力大，能处理浓度变化大的悬浮液，在制碱、造纸、制糖、采矿等工业中均有应用。浓度变化大的悬浮液，在制碱、造纸、制糖、采矿等工业中均有应用。但转筒真空过滤机结构复杂，过滤面积不大，滤饼含液量较高（但转筒真空过滤机结构复杂，过滤面积不大，滤饼含液量较高（1030），洗涤不充分，能耗高，不适宜处理高温悬浮液。），洗涤不充分，能耗高，不适宜处理高温悬浮液。盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离水平转筒分为若干段，滤布蒙于侧壁水平转筒分为若干段，滤布蒙于侧壁段段管管分配头转动盘分配头转动盘

52、( (多孔多孔) )分配头固定盘分配头固定盘(凹槽凹槽2、凹槽、凹槽1、凹槽、凹槽3) 三个通道的入口三个通道的入口滤液真空管滤液真空管洗水真空管洗水真空管 吹气管吹气管工作过程工作过程跟踪一段跟踪一段l当浸入滤浆中时，对应滤布当浸入滤浆中时，对应滤布对应管对应管转动盘孔转动盘孔凹凹槽槽2 滤液真空管滤液真空管 滤液通道滤液通道过滤过滤流程流程 过滤、洗涤、吸干、吹松、卸渣过滤、洗涤、吸干、吹松、卸渣盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离l当位于水喷头下，对应滤饼、滤布当位于水喷头下，对应滤饼、滤布对应管对应管转动盘转动盘孔孔凹槽凹槽1 洗水真空管洗水真空管 洗水通道洗水通道洗涤洗涤l吹气

53、管吹气管凹槽凹槽3转动盘孔转动盘孔 对应管对应管滤布滤布滤饼滤饼 压缩空气通道压缩空气通道吹松吹松l遇到刮刀遇到刮刀 卸渣卸渣l两凹槽之间的空白处：没有通道两凹槽之间的空白处：没有通道 停工停工两区不致两区不致串通串通 盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离3.4.2 过滤设备过滤设备特点特点 优点优点：操作连续、自动：操作连续、自动 缺点缺点：设备体积庞大，过滤面积相对较小，过滤、洗涤：设备体积庞大，过滤面积相对较小，过滤、洗涤推动力小，洗涤不充分，适用于处理量大而容易过滤的悬浮推动力小，洗涤不充分，适用于处理量大而容易过滤的悬浮液分离。液分离。 洗涤方式为洗涤方式为置换洗涤。置换洗涤。

54、盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离3.4.3 过滤基本理论过滤基本理论3.4.3.1 滤饼层特性滤饼层特性 （1）滤饼层空隙率）滤饼层空隙率滤饼层体积滤饼层体积滤饼中空隙体积滤饼中空隙体积 空隙率反映了滤饼层中固体颗粒的堆积密度；空隙率反映了滤饼层中固体颗粒的堆积密度； ，颗，颗粒堆积紧密，同样流量下，阻力粒堆积紧密，同样流量下，阻力；，颗粒堆积疏松，同，颗粒堆积疏松，同样流量下，阻力样流量下，阻力。 盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离 将孔道视为长度均为将孔道视为长度均为le，当量长度为，当量长度为de的一组平行的一组平行细管，流体在细管中的平均流速细管，流体在细管中的平均流

55、速u1。 L le u1 u u 图图 流体在滤饼中流动的简化模型流体在滤饼中流动的简化模型 3.4.3.2 滤液通过滤饼层的流动滤液通过滤饼层的流动简化条件：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；）细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积；（2）细管的内表面积等于颗粒床层的全部表面积。）细管的内表面积等于颗粒床层的全部表面积。盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离流动阻力可用流动阻力可用哈根哈根泊谡叶方程泊谡叶方程表示：表示： L le u1 u u 图图 流体在滤饼中流动的简化模型流体在滤饼中流动的简化模型 式中式中 u1 流体的真实流速，流体的真实流速，m/s；

56、p1 通过滤饼的压力降，通过滤饼的压力降，N/m2； 滤液的粘度，滤液的粘度，N s/m2； de 滤饼层孔道的当量直径，滤饼层孔道的当量直径，m； le 孔道的平均长度，孔道的平均长度，m。 21132eedlpu3.4.3.2 滤液通过滤饼层的流动滤液通过滤饼层的流动盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离 在单位时间内通过单位过滤面积的滤液量为瞬时在单位时间内通过单位过滤面积的滤液量为瞬时过滤速度过滤速度u： ddddqAVu式中式中 q 单位过滤面积所得的滤液量，单位过滤面积所得的滤液量，q=V/A，m3/m2； A 过滤面积，过滤面积，m2； V滤液量滤液量ddAVuu1取取le=

57、CL， de采用水力当量直径，则：采用水力当量直径，则： 细管的全部内表面积细管的流动空间润湿周边长流通截面积44ed流体的真实流速与空床速度流体的真实流速与空床速度u u的关系为：的关系为：3.4.3.2 滤液通过滤饼层的流动滤液通过滤饼层的流动盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离令颗粒比表面积令颗粒比表面积a=颗粒表面积颗粒表面积/颗粒体积，则：颗粒体积，则： 14adeLpCaAV122312dd将上述几式代入将上述几式代入哈根哈根泊谡叶方程泊谡叶方程，整理得：，整理得： 32212 Carr r称为滤饼的比阻，与滤饼的结构有关。称为滤饼的比阻，与滤饼的结构有关。 0srrp 可压

58、缩滤饼的可压缩滤饼的s大约为大约为0.2 0.8。不可压缩滤饼。不可压缩滤饼s=0。于是于是上式可写成：上式可写成： 过滤阻力过滤推动力ddrLAV1p式中式中 p1 为过滤推动力，为过滤推动力， rL可视为滤饼阻力。可视为滤饼阻力。 3.4.3.2 滤液通过滤饼层的流动滤液通过滤饼层的流动盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离3.4.2 过滤基本方程过滤基本方程 将介质阻力折合成厚度为将介质阻力折合成厚度为Le的滤饼阻力，则的滤饼阻力，则eLLrpAVdd/LvVA/eeLvVA1022sppKrvr v令令 eVVKAV22ddeqqKq2dd代入得代入得 ：或或AVqee/式中式中

59、过滤基本方程过滤基本方程 每获得每获得1m3滤液所形成的滤饼体积为滤液所形成的滤饼体积为vm3，则滤饼层厚度，则滤饼层厚度L为为 ：盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离3.4.2 过滤基本方程过滤基本方程 1恒压过滤恒压过滤 若过滤过程中保持过滤推动力（压差）不变，则称为若过滤过程中保持过滤推动力（压差）不变，则称为恒恒压过滤压过滤。对于指定滤浆的恒压过滤，K为常数，积分式3-70得： 222KAVVVeKqqqe 22或若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为： 22KAVKq2盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离3.4.2 过滤基本方程过滤基本方程2恒速过滤恒速过滤 若过滤时

60、保持过滤速度不变，则过滤过程为若过滤时保持过滤速度不变，则过滤过程为恒速过滤恒速过滤。 代入式3-70中得： 若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为： 对恒速过滤，有 常数AVAddV222AKVVVe或 22Kqqqe222AKV22Kq盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离3.5 过滤计算过滤计算 1间歇过滤机的计算 （1）操作周期与生产能力 操作周期总时间DWFT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生产能力：一个操作周期中，单位时间内得到的滤液或滤饼体积盐城工学院盐城工学院第三章 非均相机械分离RWFFCFVVQRWFFCFcVcVQ已知K，qe，由过滤方程，