化工原理第3章机械分离与固体流态化

1、自强不息 知行合一第三章第三章 机械分离机械分离与固体流态化与固体流态化3.1 3.1 概述概述3.1.1 3.1.1 非均相混合物非均相混合物3.1.2 3.1.2 颗粒与颗粒群的特性颗粒与颗粒群的特性3.1.3 3.1.3 筛分筛分3.23.2 沉降分离沉降分离3.2.1 3.2.1 重力沉降原理重力沉降原理3.2.2 3.2.2 重力沉降设备重力沉降设备3.2.3 3.2.3 离心沉降原理离心沉降原理3.2.4 3.2.4 离心沉降设备离心沉降设备3.33.3 过滤过滤 3.3.1 3.3.1 概述概述3.3.2 3.3.2 过滤基本方程过滤基本方程3.3.3 3.3.3 过滤常数的测定

2、过滤常数的测定3.3.4 3.3.4 滤饼洗涤滤饼洗涤3.3.5 3.3.5 过滤设备及过滤计算离心分离过滤设备及过滤计算离心分离3.43.4 离心分离离心分离3.53.5 固体流态化固体流态化3.5.1 3.5.1 什么是流态化什么是流态化3.5.2 3.5.2 流化床的两种形态流化床的两种形态3.5.3 3.5.3 流化床的主要特性流化床的主要特性3.1 3.1 概述概述3.1.1 非均相混合物非均相混合物3.1.2 颗粒与颗粒群的特性颗粒与颗粒群的特性3.1.3 筛分筛分.1分离过程在化工中的应用原料反应产物反应过程分离过程副产物如从气固催化反应器的尾气中收集催化剂颗粒废

3、气、废液中有害物质除去，以减少环境污染如原料气中颗粒杂质的去除以净化反应原料原料分离过程目的产物副产物尚未反应的原料纯度合格的产品反应产物混合物混合物 均相混合物均相混合物 非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物系内部各处物料性质均匀而且不存在相界面的混合物。合物。例如：互溶溶液及混合气体例如：互溶溶液及混合气体 分离方法：传质分离过程，相间的迁移过程分离方法：传质分离过程，相间的迁移过程物系内部有隔开两相的界面存在且界面两侧的物料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。性质截然不同的混合物。例如例如固体颗粒和气体构成的含尘气体固体颗

4、粒和气体构成的含尘气体固体颗粒和液体构成的悬浮液固体颗粒和液体构成的悬浮液 不互溶液体构成的乳浊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液体颗粒和气体构成的含雾气体3.1.2混合物的分类混合物的分类非均相物系非均相物系分散相分散相 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 如：分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡如：分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡 连续相连续相连续相介质连续相介质 包围着分散相物质且处于连续状态的流体包围着分散相物质且处于连续状态的流体 如：气态非均相物系中的气体如：气态非均相物系中的气体 液态非均相物系中的连续液体液态非均相物系中的连续液体 分离

5、分离机械机械分离分离 沉降沉降 过滤过滤 不同的物理性质不同的物理性质 连续相与分散相连续相与分散相发生相对运动的方式发生相对运动的方式 分散相和连续相分散相和连续相 非均相物系分离的依据：分散相与连续相之间的物理性质的差异。如密度、颗粒外径等。非均相物系的分离方法：机械法，使分散质与分散相之间发生相对运动，实现分离。表表3-1 非均相混合物分离方法非均相混合物分离方法气态非均相混合物气态非均相混合物液态非均相混合物液态非均相混合物微粒微粒d1m湿法除尘湿法除尘袋滤器袋滤器静电除尘静电除尘细粒细粒d10m离心沉降离心沉降粗粒粗粒d75m重力沉降重力沉降（惯性分离）（惯性分离）悬浮液增浓悬浮液增

6、浓乳浊液分离乳浊液分离固液分离固液分离旋风分离器旋风分离器（普通型与高（普通型与高效型）效型）降尘室降尘室沉聚沉聚旋液分离器旋液分离器离心分离机离心分离机深层过滤深层过滤饼层过滤饼层过滤砂滤砂滤炭虑炭虑真空过滤机真空过滤机压滤机压滤机离心过滤机离心过滤机沉降槽沉降槽旋液分离器旋液分离器沉降离心机沉降离心机自由沉降自由沉降干扰沉降干扰沉降颗粒相对于流体运动颗粒相对于流体运动流体通过颗粒床层流动流体通过颗粒床层流动（1）颗粒的特性-分离固体颗粒群分离固体颗粒群大小（粒径）大小（粒径）形状形状表面积表面积球形颗粒球形颗粒 非球形颗粒非球形颗粒 直径直径dp 当量直径，如体积当量直径当量直径，如体积当

7、量直径 deV颗粒的表面积表面积与颗粒体积相等的球的 球形度球形度 1 pdVAa6 球球eVda 63.1.2 颗粒与颗粒群的特性颗粒与颗粒群的特性自强不息 知行合一1）球形颗粒球形颗粒形状匀称，只用直径dp就可表明其大小。面积：体积：比表面积：2pAd36pVd6pAaVd球球形颗粒自强不息 知行合一2）非球形颗粒非球形颗粒的形状用形状因数反映。球形度球形度 表明颗粒形状接近于球形的程度； ，则颗粒越接近于球形。球形颗粒球形颗粒：颗粒的比表面积颗粒的比表面积说明说明： 相同时， ，则颗粒越接近球形。与颗粒等体积的球形颗粒的表面积颗粒的表面积1aVa236=eVmAamVd颗粒表面积()颗粒

8、体积()非球形颗粒1 1 ）粒度分布：某一粒度范围的质量分数随粒度的变化关系，称为颗粒群的粒度分布）粒度分布：某一粒度范围的质量分数随粒度的变化关系，称为颗粒群的粒度分布频率分布曲线为某一粒度范围的颗粒的质量分率与其平均直径的关系，累计分布曲线为等于及小于某一直径的颗粒所占的质量分率 图 颗粒大小的频率分布曲线和累计分布曲线（2 2）颗粒群的特性）颗粒群的特性2 2） 平均直径平均直径 kiikiiikkkLmndnnnnndndndndnd11321332211表面积平均直径表面积平均直径 kiikiiiAmndnd112-每个颗粒平均表面积每个颗粒平均表面积等于全部颗粒的表面积之等于全部颗

9、粒的表面积之 和除以颗粒的总数和除以颗粒的总数长度平均直径长度平均直径3131 kiiiVmdad体积平均直径体积平均直径 -每个颗粒平均体积每个颗粒平均体积等于全部颗粒的体积之和除以颗粒的等于全部颗粒的体积之和除以颗粒的总数总数体积表面积平均直径体积表面积平均直径 -每个颗粒的平均比表面积每个颗粒的平均比表面积等于全部颗粒的等于全部颗粒的 比表面积平均值（通过颗粒表面进行传热传质时，其比表面积平均值（通过颗粒表面进行传热传质时，其 速率与比表面积成正比）速率与比表面积成正比） kiiikiiiVAmVAmdndndd13123266 比比表表面面积积 kiiiV自强不息 知行合一（1）筛分原

10、理：根据固体颗粒大小用筛进行分离的过程。涉及到单个颗粒及颗粒群的特性标准筛：有不同的系列，常用泰勒标准筛。筛号（目数）：每英寸长度筛网上的筛孔数目；筛过物：通过筛孔的物料量；筛留物：截留于筛面上的物料量。3.1.3筛分例例100100目筛：目筛：每英寸筛网上有每英寸筛网上有100100个孔个孔孔宽孔宽= =（1/100-0.00421/100-0.0042） =0.0058in=0.147mm =0.0058in= 进行筛分分析时，将几个筛子按筛孔大小的次序从上到下叠置起来，筛孔尺寸最大的放在最上面，筛孔尺寸最小的放在最下面，在它底下放一无孔的底盘。 将称量过的颗粒样品放在上部筛子上，有规则地

11、摇动一定时间，较小的颗粒通过各个筛的筛孔依次往下落。 称量各层筛网上的颗粒量，即得筛分分析的基本数据。筛析操作完成后，应检查各粒级的质量总和与取样量的差值（损失），其值不应超过12%，否则没有代表性，应重新取样筛析。 自强不息 知行合一（2）筛的有效性与生产能力l分割直径分割直径d dc c：理想的筛要求做到筛流物中最小的颗：理想的筛要求做到筛流物中最小的颗粒刚好大于筛过物中的最大的颗粒，划分颗粒大小粒刚好大于筛过物中的最大的颗粒，划分颗粒大小界限的直径。界限的直径。l有效性：有效性：小于小于d dc c颗粒的通过率与大于颗粒的通过率与大于d dc c颗粒的截留颗粒的截留率的乘积。理想筛的有效

12、性等于率的乘积。理想筛的有效性等于1 1，实际筛的有效性，实际筛的有效性小于小于1.1.l筛的生产能力筛的生产能力：单位时间单位面积筛表面能处理的：单位时间单位面积筛表面能处理的物料量。物料量。l提高筛的摇动或振动速率可以提高其生产能力，但提高筛的摇动或振动速率可以提高其生产能力，但有效性下降。有效性下降。3.23.2 沉降分离沉降分离3.2.1 3.2.1 重力沉降原理重力沉降原理3.2.2 3.2.2 重力沉降设备重力沉降设备3.2.3 3.2.3 离心沉降原理离心沉降原理3.2.4 3.2.4 离心沉降设备离心沉降设备3.2 沉降分离3.2.1重力沉降原理rmamg 或或 sgm 422

13、20du （1 1）自由沉降）自由沉降极短，通常可以忽略极短，通常可以忽略该段的颗粒运动速度称为该段的颗粒运动速度称为沉降速沉降速度，度，用用u0表示。表示。加速段：加速段：等速段：等速段：浮力浮力Fb 曳力曳力FD质量力质量力Fc颗粒在流体中沉降时受力-单个颗粒在无限流体单个颗粒在无限流体 中的降落过程中的降落过程（2 2）重力沉降速度：）重力沉降速度：以球形颗粒为例以球形颗粒为例 设颗粒的密度为设颗粒的密度为s，直径为直径为d，流体的密度为流体的密度为， 重力重力 gdFsg36浮力浮力 gdFb36而阻力随着颗粒与流体间的相对运动速度而变，可而阻力随着颗粒与流体间的相对运动速度而变，可仿

14、照流体流动阻力的计算式写为仿照流体流动阻力的计算式写为 ：22uAFd24dA对球形颗粒 2422udFdmaFFFadudgdgdss3223362466(a)颗粒开始沉降的瞬间，速度颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力因此阻力Fd=0，颗粒开始沉降后，颗粒开始沉降后，u Fd ；u ut 时，时，a=0 。等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度ut 称为沉降速度。称为沉降速度。当当a=0时，时，u=ut，代入（代入（a）式式024662233tsudgdgd沉降速度表达式沉降速度表达式 3)(颗粒沉降的阻力系数与雷诺数的关系颗粒沉降的阻力系数与雷诺数的关系

15、),(Re tf（3）阻力系数）阻力系数 通过因次分析法得知，通过因次分析法得知，值是颗粒与流体相对运值是颗粒与流体相对运动时的雷诺数动时的雷诺数Ret的函数的函数 对于球形颗粒的曲线，按对于球形颗粒的曲线，按Ret值大致分为三个区：值大致分为三个区： a) 层流区或托斯克斯层流区或托斯克斯(stokes)定律区（定律区（10 4Ret1） tRe24斯托克斯公式斯托克斯公式艾伦公式 c) 湍流区或牛顿定律区（Nuton）（103Ret 2105） 牛顿公式 b) 过渡区或艾伦定律区（Allen）（1Ret75 m以上颗粒以上颗粒-用于除去用于除去510 m 颗粒颗粒（1）降尘室 气气 体体

16、气气 体体 进进 口口 出出 口口 集集 灰灰 斗斗 L B 含含 尘尘 气气 体体 u H u0 颗颗 粒粒 在在 降降 尘尘 室室 中中 的的 运运 动动 t 停停留留时时间间 0 沉沉降降时时间间0 t若若uL0u高高度度则表明，该颗粒能在降尘室中除去。则表明，该颗粒能在降尘室中除去。思考1：为什么气体进入降尘室后，流通截面积要扩大？从气流中分离尘粒的重力沉降设备从气流中分离尘粒的重力沉降设备称为降尘室称为降尘室除尘原理：除尘原理：为了增大停留时间。为了增大停留时间。0uHuL 即即思考2：要想使某一粒度的颗粒在降尘室中被100%除去，必须满足什么条件？00uHt 思考3：能够被100%

17、除去的最小颗粒，必须满足什么条件？0 t 0min1818AVgLgHudsss L u B 气气 体体 u0 H 颗颗 粒粒 在在 降降 尘尘 室室 中中 的的 运运 动动 思考4：粒径比dmin小的颗粒，被除去的百分数如何计算？1820gdus000uABLuBHuVs 思考5：为什么降尘室要做成扁平的？L u B气气 体体 ut H 颗颗 粒粒 在在 降降 尘尘 室室 中中 的的 运运 动动000uABLuBHuVs 多多 层层 降降 尘尘 室室 可见，降尘室最大处理量与底面积、沉降速度有关,而与降尘室高度无关。 故降尘室多做成扁平的。 注意注意! 降尘室内气体流速不应过高，以免将已沉降

18、下降尘室内气体流速不应过高，以免将已沉降下来的颗粒重新扬起。根据经验，多数灰尘的分离，来的颗粒重新扬起。根据经验，多数灰尘的分离，可取可取u3m/s，较易扬起灰尘的，可取，较易扬起灰尘的，可取u1.5m/s。最大处理量最大处理量-能够除去最小颗粒时的气体流量能够除去最小颗粒时的气体流量Vs0uHuL降尘室优、缺点结构简单结构简单设备庞大、效率低设备庞大、效率低只适用于分离粗颗粒只适用于分离粗颗粒(直径直径75 m以上以上)，或作为预分离设，或作为预分离设备。备。 降尘室的计算降尘室的计算 设计型设计型操作型操作型已知气体处理量和除尘要求，已知气体处理量和除尘要求，求降尘室求降尘室的大小的大小

19、用已知尺寸的降尘室处理一定量含尘气用已知尺寸的降尘室处理一定量含尘气体时，计算体时，计算可以完全除掉的最小颗粒的可以完全除掉的最小颗粒的尺寸尺寸，或者计算要求，或者计算要求完全除去直径完全除去直径dp的尘的尘粒时所能处理的气体流量。粒时所能处理的气体流量。 例例3-2：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：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和和6m,气体处气体处理量为理量为1标标m3/s，炉气温度为炉气温度为427，相应的密度，相应的密度=0.5kg/m3，粘度粘度=3.410-5Pa.s，固体密固体密度度S=400kg/m3操作条件下，规定气

20、体速度不大于操作条件下，规定气体速度不大于0.5m/s，试求：试求：1降尘室的总高度降尘室的总高度H，m；2理论上能完全分离下来的最小颗粒尺寸；理论上能完全分离下来的最小颗粒尺寸；3. 粒径为粒径为40m的颗粒的回收百分率；的颗粒的回收百分率；4. 欲使粒径为欲使粒径为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？的颗粒完全分离下来，需在降降尘室内设置几层水平隔板？解：解：1）降尘室的总高度）降尘室的总高度HsmtVVS/564.2273427273127327330buVHS5.02564.2m564.22）理论上能完全出去的最小颗粒尺寸）理论上能完全出去的最小颗粒尺寸 blVu

21、stsm/214.062564.2用试差法由用试差法由ut求求dmin。假设沉降在斯托克斯区假设沉降在斯托克斯区 gudst18min807.95.04000214.0104.3185m51078.5核算沉降流型核算沉降流型 1182.01014.35.0214.01078.5Re55ttdu原假设正确原假设正确 3、粒径为、粒径为40m的颗粒的回收百分率的颗粒的回收百分率粒径为粒径为40m的颗粒定在层流区的颗粒定在层流区 ，其沉降速度，其沉降速度 smgdust/气体通过降沉室的时间为：气体通过降沉室的时间为： suHt12214.0564.2直径为直径为40m的颗粒在的颗粒在12s内的沉降

22、高度为：内的沉降高度为： muHt234.112103.0 假设颗粒在降尘室入口处的炉气中是均匀分布的，则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率。直径为直径为40m的颗粒被回收的百分率为：的颗粒被回收的百分率为： %13.48%100564.2234.1HH4、水平隔板层数、水平隔板层数 由规定需要完全除去的由规定需要完全除去的最小粒径最小粒径求沉降速度求沉降速度， 再再由生产能力和底面积由生产能力和底面积求得多层降尘室的求得多层降尘室的水

23、平隔板层数水平隔板层数。 粒径为粒径为10m的颗粒的沉降必在层流区，的颗粒的沉降必在层流区， smgdust/1041.6104.318807.95.0400010118362521tSbluVn1104.662564.233.32取33层 板间距为板间距为 1nH（2）增稠器（沉降槽） 加加 料料清清 液液 溢溢 流流水水 平平清清 液液挡挡 板板 耙耙 稠稠 浆浆 连 续 式 沉 降 槽结构：结构：除尘原理：除尘原理：用于分离液用于分离液- -固混合物固混合物与降尘室一样，沉与降尘室一样，沉降槽的生产能力是降槽的生产能力是由截面积来保证的，由截面积来保证的，与其高度无关。故与其高度无关。故

24、沉降槽多为扁平状。沉降槽多为扁平状。 与降尘室相同与降尘室相同u属于干扰沉降属于干扰沉降u愈往下沉降速度愈慢愈往下沉降速度愈慢-愈往下颗粒浓度愈高，其表观粘度愈大，对愈往下颗粒浓度愈高，其表观粘度愈大，对沉降的干扰、阻力便愈大；沉降的干扰、阻力便愈大；u沉降很快的大颗粒又会把沉降慢的小颗粒向下拉，结果小颗粒被加速而沉降很快的大颗粒又会把沉降慢的小颗粒向下拉，结果小颗粒被加速而大颗粒则变慢。大颗粒则变慢。u有时颗粒又会相互聚结成棉絮状整团往下沉，这称为絮凝现象，使沉降有时颗粒又会相互聚结成棉絮状整团往下沉，这称为絮凝现象，使沉降加快。加快。u这种过程中的沉降速度难以进行理论计算，通常要由实验决定

25、。这种过程中的沉降速度难以进行理论计算，通常要由实验决定。u因固因固- -液密度相差不是很悬殊，故较难分离，因此，连续沉降槽的直径液密度相差不是很悬殊，故较难分离，因此，连续沉降槽的直径可以大到可以大到100 m100 m以上，高度却都在几米以内。以上，高度却都在几米以内。 特点：特点：3.2.3 离心沉降原理离心沉降速度 A B ur r1 O C r2 r ut 颗粒 在旋 转流 场中 的运 动 u rcmaF 离离心心力力srbamF 浮浮力力AuFrD22 曳曳力力 34rsradu 对照重力场离心加速度离心加速度ar= 2r=ut2/r不是常量不是常量沉降过程没有匀速段，但在小颗粒沉

26、降时，加速沉降过程没有匀速段，但在小颗粒沉降时，加速度很小，可近似作为匀速沉降处理度很小，可近似作为匀速沉降处理颗粒受力：颗粒受力：类似重力沉降速度推导，得： 340gdus A B ur r1 O C r2 r ut 颗 粒 在 旋 转 流 场 中 的 运 动 u rRe24 rudrdadutssrsrgaKcC Rer=dur / 1或或2 层流区层流区对照重力场数值约为几千几万数值约为几千几万 1820gdus 离心分离因数离心分离因数离心沉降：离心沉降： 依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程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

27、度较细的非均相物系。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惯性离心力场与重力场的区别 重力场重力场离心力场离心力场力场强度力场强度重力加速度重力加速度gut2/R 方向方向指向地心指向地心 沿旋转半径从中心指向外周沿旋转半径从中心指向外周 Fg=mg RumFtC2作用力作用力 3.2.4离心沉降设备旋风分离器： B 净净 化化 气气 体体 含含 尘尘 气气 体体 A D 尘尘 粒粒 标 准 型 旋 风 分 离 器结构：结构：除尘原理：除尘原理： 含尘气体以切线方向进入，速度为含尘气体以切线方向进入，速度为1225 m s-1，按螺旋形路线向器底旋转，接

28、近底部后转而向上，成按螺旋形路线向器底旋转，接近底部后转而向上，成为气芯，然后从顶部的中央排气管排出。气流中所夹为气芯，然后从顶部的中央排气管排出。气流中所夹带的尘粒在随气流旋转的过程中逐渐趋向器壁，碰到带的尘粒在随气流旋转的过程中逐渐趋向器壁，碰到器壁后落下，自锥形底落入灰斗。器壁后落下，自锥形底落入灰斗。上部为圆筒形，下部为圆锥形。上部为圆筒形，下部为圆锥形。 imuNr 2 停停留留时时间间停停 留留 时时间间 = 沉沉 降降 时时间间 r B 净净 化化 气气 体体 含含 尘尘 气气 体体 A D 尘尘 粒粒 标 准 型 旋 风 分 离 器 能够从分离器内能够从分离器内100%分离出来

29、的最小颗粒的直径，用分离出来的最小颗粒的直径，用dc表示。表示。其满足：其满足：沉沉 降降 时时 间间 rruB 几点假设：几点假设：v假设器内气体速度恒定，且等于进口气速假设器内气体速度恒定，且等于进口气速ui；v假设颗粒沉降过程中所穿过的气流的最大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厚度等于进气口宽度B；v假设颗粒沉降服从斯托克斯公式。假设颗粒沉降服从斯托克斯公式。uiui临界粒径临界粒径miscmtscrrudrudu 1818)(2222 旋风分离器：22182iscmimudBruNr sicNuBd 9 B 净净 化化 气气 体体 含含 尘尘 气气 体体 A D

30、 尘尘 粒粒 标 准 型 旋 风 分 离 器结论：结论：旋风分离器越细、越长，旋风分离器越细、越长，dc越小越小 N值与进口气速有关，对常用形式的旋风分离器，风速值与进口气速有关，对常用形式的旋风分离器，风速12 25 m s-1范围内，一般可取范围内，一般可取N =3 4.5，风速愈大，风速愈大，N也愈大。也愈大。 思考：思考：从上式可见，气体从上式可见，气体 ，入口，入口B ，气旋圈数，气旋圈数N ，进口，进口气速气速ui ，临界粒径越小临界粒径越小旋风分离器：评价旋风分离器性能的两个主要指标：分离性能：压降：用 临 界 粒 径 和 分 离 效 率 来 表 示 %100%100的颗粒，粒级

31、效率均；的颗粒，粒级效率均为被分离出来的百分率。粒级效率：某一种颗粒cpcpdddd总 效 率 ： 被 分 离 出 来 的 颗 粒 占 全 部 颗 粒 的 质 量 分 率小好，一般在5002000Pa左右旋风分离器： 例题3-3 石英和方铅矿的混合球形颗粒在如图所示的水力分级器中进行分离。两者的密度分别为2650kg/m3和7500kg/m3，且粒度范围均为 。水温为20。假设颗粒在分级器中均作自由沉降。试计算能够得到纯石英和纯方铅矿的粒度范围及三个分级器中的水流速度解：1、2、3号分级器直径逐渐增大而三者中上升水流量均相同，所以水在三者中流速逐渐减小。水在1号中的速度最大，可将密度小的石英颗

32、粒全部带走，于是1号底部可得到纯方铅矿。但是，也有部分小颗粒的方铅矿随同全部石英被带走。在2号分级器，控制水流速度，将全部方铅矿全部沉降下来，但也有部分大颗粒石英会沉降下来。在3号分级器，控制水流速度，可将全部小石英粒子全部沉降下来。 综上所述，1号分级器的作用在于要带走所有石英粒子（最大为100），因此1号的水流速应该等于100石英的沉降速度；2号的作用在于截下全部方铅矿（最小为20），因此2号的水流速应该等于20方铅矿的沉降速度；3号的作用在于截下全部石英粒子（最小为20），因此3号水流速应该等于20石英的沉降速度。1号码分级器的水流速：smgdul/1096. 810005. 11881

33、. 9)2 .9982650()10100(18)(33262石校核：89. 010005. 1182 .9981096. 810100Re336lldu，近似认为处于层流区。在1号中能够被分离出来的方铅矿的最小直径为：2/1min)(）（力石ddl所以，在1号分级器中得到纯方铅矿的粒度范围为：50.4100mmd4 .502 .99875002 .99826501002/1min（该值也可由水流速度反算）2号分级器中的水流速：smgdul/1041. 110005. 11881. 9)2 .9987500()1020(18)(33262力在该速度下能被2号中沉降下来的最小石英粒子：7 .39

34、202 .99826502 .9987500)(2/12/1mindd）（石力因此，在2号中，方铅矿2050.4m；石英39.7100m；smgdu/10583. 310005. 11881. 9)2 .9982650()1020(18)(332623石在3号中能被截下的是2039.7m的石英。3.33.3 过滤过滤 3.3.1 概述概述3.3.2 过滤基本方程过滤基本方程3.3.3 过滤常数的测定过滤常数的测定3.3.4 滤饼洗涤滤饼洗涤3.3.5 过滤设备及过滤计算过滤设备及过滤计算 离心分离离心分离3.3 过滤 滤滤饼饼过过滤滤深深层层过过滤滤两两种种过过滤滤方方式式3.3.1概述概述

35、这种过滤是在过滤介质内这种过滤是在过滤介质内部进行的，介质表面无滤饼形部进行的，介质表面无滤饼形成。过滤用的介质为粒状床层成。过滤用的介质为粒状床层或素烧（不上釉的）陶瓷筒或或素烧（不上釉的）陶瓷筒或板。板。 此法适用于从液体中除去很此法适用于从液体中除去很小量的固体微粒，例如饮用水小量的固体微粒，例如饮用水的净化。的净化。深层过滤深层过滤过滤是用某种多孔物质作为介质来处理悬浮液以实现固液分离的一种单元操作滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤两种过滤方式深层过滤滤饼过滤当悬浮液中所含颗粒较多当悬浮液中所含颗粒较多时，常用滤布、滤网做过时，常用滤布、滤网做过滤介质进行过滤，在滤饼滤介质进行过滤，在滤饼形

36、成以后，滤饼层成为主形成以后，滤饼层成为主要的过滤介质，过滤阻力要的过滤介质，过滤阻力随着滤饼层的加厚而渐增随着滤饼层的加厚而渐增，滤液滤出的速率亦渐减，滤液滤出的速率亦渐减 滤饼过滤与深层过滤的主要区别：1 .过滤介质：粒状床层孔道 滤饼层2. 推动力：静电、分子间力、毛细管力 重力、压力、离心力滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤滤饼过滤深层过滤深层过滤滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤滤饼过滤过滤介质过滤介质多孔性介质、耐腐蚀、耐热并具有足够的机械强度。工业用过滤介质主要有：棉、麻、丝、毛、合成纤维、金属丝等编织成的滤布。滤饼的压缩性滤饼的压缩性颗粒形状和之间的空隙随过滤进行而变化为可压缩滤饼，颗粒为

37、刚性，单位厚度床层阻力恒定为不可压缩滤饼助滤剂助滤剂 是颗粒细小、粒度分布范围较窄、坚硬而悬浮性好的颗粒状或纤维固体，如硅藻土、纤维粉末、活性炭、石棉。使用时，可预涂，也可以混入待滤的滤浆中一起过滤。 助滤剂能形成结构疏松、而且几乎是不可压缩的滤饼。可改善原滤饼的可压缩性和过于致密的缺点。 3.3.2 过滤基本方程 L u 过滤基本方程过滤基本方程滤液量滤液量V/m3过滤时间过滤时间 /s的关系的关系-即为流速，即为流速，单位时间内通过单位过单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积，滤面积的滤液体积，m/s过滤速度过滤速度uAVq 其其中中ddddqAVu 滤饼过滤过程中，滤饼逐渐增厚，流动阻力也

38、随之逐渐增大，所以过滤饼过滤过程中，滤饼逐渐增厚，流动阻力也随之逐渐增大，所以过滤过程属于不稳定的流动过程。故滤过程属于不稳定的流动过程。故 A-滤液量滤液量V过滤时间过滤时间 的关系的关系 L le u de u 流 体 在 固 定 床 内 流 动 的 简 化 模 型 （1）过滤基本方程的推导原型原型真实速度真实速度 u u p1221udlpweef 无法用已有物理公式描述等效与简化简化模型简化模型(a)细管长度细管长度le与床层高度与床层高度L成正比成正比(b)细管的内表面积等于全部颗粒的表面积，细管的内表面积等于全部颗粒的表面积， 流体的流动空间等于床层中颗粒之间的全部空隙体积。流体的

39、流动空间等于床层中颗粒之间的全部空隙体积。221udlpweef eR64 滤饼内，雷诺数很小，属层流流动，滤饼内，雷诺数很小，属层流流动， ude eR2132eedlpu 哈根哈根-泊谡叶方程泊谡叶方程 uu AuuA 由质量守恒得：由质量守恒得：滤饼截面积滤饼截面积润润湿湿周周边边流流通通截截面面积积 4ed 1444aVaVB细细管管的的全全部部内内表表面面积积细细管管的的流流动动空空间间 1aaB滤饼体积滤饼体积滤饼的比表面积滤饼的比表面积颗粒的颗粒的比表面比表面积积LKle0 LpaKu 1220312 Lrp 1 ddqAddVu 过过滤滤阻阻力力过过滤滤推推动动力力 eLrpL

40、rpu 22 介介质质阻阻力力）（滤滤饼饼阻阻力力过过滤滤总总推推动动力力 eLLrpu p2 p1u 2322012 maKr比比阻阻，单单位位令令 思考：思考：影响过滤阻力的因素有哪些？影响过滤阻力的因素有哪些？ 影响过滤速度的因素有哪些？影响过滤速度的因素有哪些？ eVVcrpA AddV 设每获得单位体积滤液时，被截留在过滤介质上的设每获得单位体积滤液时，被截留在过滤介质上的滤饼体积为滤饼体积为c c（m m3 3滤饼滤饼/m/m3 3滤液），则滤液），则 sprr 0令令 AddV esVVcrAp 01AcVL AcVLee eLLrpu 滤滤饼饼滤滤液液1c思考：思考：滤饼中全是

41、固体物吗？滤饼中全是固体物吗？压缩指数压缩指数0s1（可压缩滤饼）（可压缩滤饼）s=0（不可压缩滤饼）（不可压缩滤饼）-滤液量滤液量V过滤时间过滤时间 的关系的关系 crpKs012 令令 eVVKAddV 22 eqqKddq 2 过滤基本方程过滤基本方程过滤常数，由实过滤常数，由实验测定验测定 pu思考：影响K的因素有哪些？ 影响Ve或qe的因素有哪些？滤液量滤液量V过滤时间过滤时间 的关系的关系 crpKs012 32212 Car影响影响K的因素：的因素：影响影响qe或或Ve 的因素：的因素：滤饼性质（滤饼性质（s、 、a）滤浆性质（滤浆性质（c、 ）推动力（推动力（ p）过滤介质的性

42、质（孔的结构、过滤介质的性质（孔的结构、 、r0、厚度）、厚度） pu滤液量滤液量V过滤时间过滤时间 的关系的关系 222KAVVVe （2 2）恒压过滤）恒压过滤 crpKs012 过过滤滤阻阻力力过过滤滤推推动动力力 AddVu eVVKA 2 pu 表观速度表观速度特点：特点： K为常数为常数 积分得：积分得： 或或 Kqqqe 22若过滤介质阻力可忽略不计，则若过滤介质阻力可忽略不计，则 22KAV 或或 Kq 2，过滤速度愈来愈小。，过滤速度愈来愈小。恒压过滤方程恒压过滤方程滤液量滤液量V过滤时间过滤时间 的关系的关系（3）过滤常数的测定eqKqKq21 1500 1000 q 50

43、0 0 0 0.025 0.05 0.075 q 斜率 1/K截 距 2qe/KCpsK log)1(log crpKs012 恒压时： Kqqqe 22log plogK作图求出压缩作图求出压缩指数指数s /qq图（4）滤饼洗涤 洗 涤 液 w p Lw u 表 观 速 度 洗洗涤涤阻阻力力洗洗涤涤推推动动力力 wAddV 思考：思考：洗涤阻力与哪些因洗涤阻力与哪些因素有关？素有关？与滤饼厚度、滤饼与滤饼厚度、滤饼性质、性质、洗涤液粘度、介质洗涤液粘度、介质阻力有关阻力有关 p推动力、阻力不变推动力、阻力不变p洗涤速度为常数。洗涤速度为常数。wwwddVV思考：洗涤过程与过滤过程的有何异同？

44、wwLrp wAwV 常常数数洗涤液量洗涤液量洗涤速度洗涤速度 洗 涤 液 p u 表 观 速 度 eeVVKAAddV 2 其其中中若推动力相同，则：p洗涤速度与过滤终了速度的关系洗涤速度与过滤终了速度的关系? ?wwewLLAddVAddV 过过滤滤终终了了阻阻力力洗洗涤涤阻阻力力 LrpAddVewAddV wwLrp 数学模型法与因次分析方法的对比数学模型法与因次分析方法的对比数学模型法因次分析方法对象的认识程度不同机理比较清楚机理不清、输出与输出处理方法不同等效、简化因次一致性原理实验目的不同确定参数确定数学关系参数意义不同物理意义/K数字关系/a方程物理方程准数方程（5）过滤设备及

45、过滤计算过滤过滤设备设备 以压力差为推动力：如板框压滤机、叶滤机、回转真空过滤机等；以离心力为推动力：如各种离心机。1)、板框压滤机滤框、滤板 非非洗洗板板洗洗板板结构：洗洗板板板框压滤机板框压滤机框框非非洗洗板板洗洗板板1060块不等，过滤面积约为280m2 滤框和滤板的左上角与右上角均有孔。 一个操作循环：过滤222KAVVVe洗涤卸渣、整理重装思考：对板框压滤机，下式中V、Ve、A怎么取值？半个框的？一个框的？还是N个框的？均可。洗板板框压滤机框非洗板洗板滤液流出悬浮液入口属间歇式属间歇式特点：特点：横穿洗涤：横穿洗涤：Lw=2L， Aw=A/2wwewLLAddVAddV 洗洗板板板框

46、压滤机框框非非洗洗板板洗洗板板洗涤液流出洗涤液流出洗洗涤涤液液入入口口21 ewAddVAddV w 若若41 wwwewLALAddVddV 板板 框框 悬悬浮浮液液 入入口口辅辅助助时时间间洗洗涤涤时时间间过过滤滤时时间间操操作作周周期期 生产能力：生产能力： 操作周期：操作周期： 单位时间内获得的滤液量或滤饼量单位时间内获得的滤液量或滤饼量 。222KAVVVe 其中：其中：wwwddVV Rwc RwcVVQ 板板 框框 悬悬 浮浮 液液 入入 口口最佳操作周期：最佳操作周期： 生产能力最大时的操作周期生产能力最大时的操作周期令令dQdV=0可得：可得：wR 若过滤、洗涤的操作压力相同

47、若过滤、洗涤的操作压力相同 滤液滤液 洗涤液洗涤液 w 介质阻力忽略不计介质阻力忽略不计最佳操作周期 RVQ 2max Roptc 2, 2）叶滤机属间歇式属间歇式置换洗涤：置换洗涤：Lw=L ，Aw=A滤叶滤叶一个操作循环：一个操作循环：过滤、洗涤、卸渣、整理重装过滤、洗涤、卸渣、整理重装 特点：特点： 滤 浆 滤 液 滤 叶 的 构 造结构：结构： 222KAVVVe 思考：对叶滤机，下式中V、Ve、A怎么取值？一个滤叶的？还是N个的？均可。均可。? ewAddVAddV ? ewddVddV 密闭加压叶滤机Rwc 操作周期： 滤 浆 滤 液 滤 叶 的 构 造与板框机相同生产能力： 与板

48、框机类似RwcVVQ 最佳操作周期： Roptc 2, 与板框机相同3）转筒真空过滤机置换洗涤：置换洗涤：Lw=L ，Aw=A属连续式属连续式过滤、洗涤、吹松、刮渣过滤、洗涤、吹松、刮渣转筒转筒-筒的侧壁上覆盖有金属网，长、径之比约为筒的侧壁上覆盖有金属网，长、径之比约为1/2 2，滤布滤布-蒙在筒外壁上。蒙在筒外壁上。分配头分配头-转动盘、固定盘转动盘、固定盘 浸没于滤浆中的过滤面积约占全部面积的浸没于滤浆中的过滤面积约占全部面积的30 40%转速为转速为0.1至至2 3（转（转/分）分） 一个操作循环：一个操作循环：特点：特点：结构：结构： 回转真空过滤机上的转筒过过滤滤区区洗洗涤涤区区吹

49、吹干干区区卸卸渣渣区区 转动盘上的孔与转筒表面的某一段相通，凹槽通过管道分别与滤液罐、洗水罐及鼓风机稳定罐相连通，当孔与凹槽相遇，则转筒表面与孔相连接的某段就与相应的罐接通 回 转 真 空 过 滤 机 上 的 转 筒过过 滤滤 区区洗洗 涤涤 区区吹吹 干干 区区卸卸 渣渣 区区nVTVQ 222KAVVVe 其中：操作周期：操作周期：生产能力：生产能力： 转筒真空过滤机在一个操作周期内，只有部分面积进行过滤 ,也可转换为转筒的全部面积在部分时间内进行过滤。 n 浸没分数（转筒浸入面积占全部转筒面积的分率）1Tn操作周期n AT 式式中中， 回 转 真 空 过 滤 机 上 的 转 筒过过 滤滤

50、 区区洗洗 涤涤 区区吹吹 干干 区区卸卸 渣渣 区区nKAV 22 若介质阻力忽略不计，则若介质阻力忽略不计，则 nKAnKnAQ Qn, 可见：可见：但这类方法受到一定的限制但这类方法受到一定的限制 例题3-4 某板框过滤机有5个滤框,框的尺寸为63563525mm。过滤操作在20、恒定压差下进行，过滤常数K=4.2410-5m2/s，qe=0.0201m3/m2，滤饼体积与滤液体积之比c=0.08 m3/m3，滤饼不洗涤，卸渣、重整等辅助时间为10分钟。试求框全充满所需时间。现改用一台回转真空过滤机过滤滤浆，所用滤布与前相同，过滤压差也相同。转筒直径为1m，长度为1m，浸入角度为120。

51、问转鼓每分钟多少转才能维持与板框过滤机同样的生产能力？假设滤饼不可压缩。以一个框为基准进行计算。以一个框为基准进行计算。30101.0025.0635.0635.0mV 饼饼滤液量滤液量 cVV饼饼 23/156.0806.0126.0mm Kqqqe 222806.0635.0635.022mAA侧侧 过滤面积过滤面积再根据恒压过滤方程得：再根据恒压过滤方程得：K=4.24 10-5m2/sqe=0.0201m3/m2AVq 3126.008.00101.0m min0.129.7211024.40201.0156.02156.02522 sKqqqe 【解解】 框全充满所需时间？框全充满所

52、需时间？（框全充满）（框全充满） smVQD/10773.460100.12126.05534 改用回转真空过滤机后，压差不变，故改用回转真空过滤机后，压差不变，故K不变；不变；滤布不变，故滤布不变，故qe不变。不变。K=4.24 10-5m2/s，qe=0.0201m3/m2过滤面积过滤面积214.311mDLA 30631.014.30201.0mAqVee 31360120 板框板框：smnVQQ/10773.434 设转筒每分钟转设转筒每分钟转n转，则回转真空过滤机生产能力转，则回转真空过滤机生产能力nKAVVVe 222 回转真空过滤机：回转真空过滤机：3166.0mV 转鼓每分钟多

53、少转才能维持与板框过滤机同样的生产能力？转鼓每分钟多少转才能维持与板框过滤机同样的生产能力？3.43.4 离心分离离心分离3.4 离心分离 利用离心力分离非均相混合物。其设备除前述的旋风（液）利用离心力分离非均相混合物。其设备除前述的旋风（液）分离器外，还有离心机分离器外，还有离心机 。旋风旋风( (液液) )分离器分离器利用混合物中不同成分所受离心力利用混合物中不同成分所受离心力F Fr r不同不同F Fr r源自物料以切线方向进入设备源自物料以切线方向进入设备离心机离心机F Fr r源自设备本身旋转源自设备本身旋转高速旋转的转鼓高速旋转的转鼓222242mrnnmrmrmaFrr转鼓直径、

54、转速转鼓直径、转速 ，则，则F Fr r ，分离效果，分离效果 离心机的分离因数离心机的分离因数KC 其产生的离心加速度与重力加速度之比其产生的离心加速度与重力加速度之比常速（常速（ KC 3000）高速（高速（ 3000KC 500000 ） （1 1）过滤式离心机）过滤式离心机 （2 2）沉降式离心机）沉降式离心机 （3 3）分离式离心机）分离式离心机 转鼓真空过滤机优点：自动化程度高，劳动强度小，滤饼厚度可自由调节，便于在转鼓表面预涂助滤剂后用于黏、细物料的过滤。缺点：附属设备度，设备投资费用高，过滤推动力有限，滤饼含液量较大，常达30%。 3. 转筒真空过滤机图 三足式离心机1一支脚

55、2一外壳 3一转鼓 4一电动机 5一皮带轮图 卧式刮刀卸料离心机1一进料管 2一转鼓 3一滤网 4一外壳 5一滤饼 6一滤液 7一冲洗管 8一刮刀 9一溜槽 10一液压缸 图图 活塞推料离心机活塞推料离心机1一转鼓 2一滤网 3一进料管 4一滤饼 5一活塞推进器 6一进 料斗.7一滤液出口 8一冲洗管 9-固体排出 10一洗水出口3.5 固体流态化固体流态化3.5.1 流态化流态化3.5.2 流化床的两种形态流化床的两种形态3.5.3 流化床的主要特性流化床的主要特性3.5 固体流态化p 固体流态化：将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒具有类似于流体的某些表观特性，这种流固接触状态称

56、为固体流态化。p 颗粒表面全部暴露湍动剧烈的流体中，强化传热、传质和化学反应，得到广泛应用。缺点是动力消耗大，设备易磨损，颗粒易碎。 固体流态化运用在粉粒状物料的输送、混合、加热固体流态化运用在粉粒状物料的输送、混合、加热或冷却、干燥、吸附、煅烧和气或冷却、干燥、吸附、煅烧和气 固反应等过程中。固反应等过程中。 (a )固 定 床 (b )流 化 床 (c )气 力 输 送 浮浮 力力 曳曳 力力 u （ 真真 正正 速速 度度 ） 重重 力力 u（ 表 观 速 度 ） 3.5.1 基本概念此时流体的真正速度 u （1） 固定床阶段 流体通过颗粒床层的表观速度u较低，使颗粒空隙中流体的真实速度 小于颗粒的沉降速度 ，则颗粒基本上保持静止不动，颗粒层为固定床。1u0u（a）固定床 （b）流化床 （c）气力输送 （2）流化床阶段 在一定的表观速度下，颗粒床层膨胀到一定程度后将不再膨胀，此时颗粒悬浮于流体中，床层有一个明显的上界面，与沸腾水的表面相似，这种床层称为流化床。（3）颗粒输送阶段 如果继续提高流体的表观速度u，使真实速度 大于颗粒的沉降速度 ，则颗粒将被气流所带走，此时床层上界面消失，这种状态称为气力输送。1u0u（b）流化床）流化床（c）气力输送）气力输送3.5.2 流化床的两种形态 聚 式 流 化 床 床内颗粒的分散状态和扰动程度平缓地加大，床层的上