化工原理(第四版)谭天恩第三章机械分离与固体流态化

目录第三章机械分离与固体流态化第一节 筛分一、颗粒的特性二、颗粒群的特性三、筛分第二节沉降分离一、沉降原理二、沉降设备1化工原理》电子教案/目录目录第三节过滤一、概述二、过滤基本方程三、过滤常数的测定四、滤饼洗涤五、过滤设备及过滤计算习题课2化工原理》电子教案/目录目录第四节离心分离第五节固体流态化一、什么是流态化二、流化床的两种形态三、流化床的主要特性小结3化工原理》电子教案/目录第三章机械分离与固体流态化分离

悬浮液-----固-液混合物乳浊液-----液-液混合物含尘气体----气-固混合物

含雾气体----气-液混合物------筛分、沉降、过滤------将在下册中介绍4第一节 筛分一、颗粒的特性----分离固体颗粒群大小（粒径）形状表面积球形颗粒

非球形颗粒

直径dp

当量直径，如体积当量直径

deV球形度

5第一节 筛分二、颗粒群的特性粒度分布-----频率分布曲线（见下图）、累计分布曲线(如图3-1所示)。频率分布曲线6二、颗粒群的特性平均直径表面积平均直径

----每个颗粒平均表面积等于全部颗粒的表面积之

和除以颗粒的总数长度平均直径体积平均直径

----每个颗粒平均体积等于全部颗粒的体积之

和除以颗粒的总数体积表面积平均直径

----每个颗粒的平均比表面积等于全部颗粒的

比表面积平均值7三、筛分泰勒（Tyler）标准筛------其筛孔大小以每英寸长度筛网上的孔数表示，称为“目”。例如100目的筛即指每英寸筛网上有100个筛孔。目数越大，筛孔越小。筛网用金属丝制成，孔类似正方形。将几个筛子按筛孔从大到小的次序从上到下叠置起来，最底下置一无孔的盘-----底盘。样品加于顶端的筛上，摇动或振动一定的时间。通过筛孔的物料称为筛过物，未能通过的称为筛留物。筛留物的直径等于相邻两号筛孔宽度的算术平均值，将筛留物取出称重，可得样品质量分率分布曲线。标准筛筛分返回目录8第二节沉降分离一、沉降原理1、自由沉降极短，通常可以忽略该段的颗粒运动速度称为沉降速度，用u0表示。加速段：等速段：浮力Fb

曳力FD

质量力Fc颗粒在流体中沉降时受力---单个颗粒在无限流体

中的降落过程重力沉降速度：以球形颗粒为例

91、自由沉降Re0=du0/

1或2层流区如图3-2中的实线所示。

----斯托克斯定律

作业：101、自由沉降离心沉降速度对照重力场离心加速度ar=2r=ut2/r不是常量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颗粒受力：类似重力沉降速度推导，得：111、自由沉降Rer=dur/

1或2层流区对照重力场数值约为几千～几万-----离心分离因数122、实际沉降由于干扰作用，实际沉降速度小于自由沉降速度。由于壁面效应，实际沉降速度小于自由沉降速度。干扰沉降

非球形颗粒的沉降壁面效应球形度越小，沉降速度越小；颗粒的位向对沉降速度也有影响。13二、沉降设备---用于除去>75m以上颗粒---用于除去>5～10m颗粒141．重力沉降设备降尘室则表明，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？思考2：为什么降尘室要做成扁平的？结构：除尘原理：为了增大停留时间。15降尘室思考3：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？思考4：能够被100%除去的最小颗粒，必须满足什么条件？思考4：粒径比dmin小的颗粒，被除去的百分数如何计算？16降尘室思考2：为什么降尘室要做成扁平的？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!!

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，可取u<3m/s，较易扬起灰尘的，可取u<1.5m/s。最大处理量------能够除去最小颗粒时的气体流量Vs17降尘室降尘室优、缺点结构简单，设备庞大、效率低只适用于分离粗颗粒(直径75m以上)，或作为预分离设备。

作业：18增稠器（沉降槽）请点击观看动画结构：除尘原理：用于分离出液-固混合物与降尘室一样，沉降槽的生产能力是由截面积来保证的，与其高度无关。故沉降槽多为扁平状。

与降尘室相同19增稠器（沉降槽）属于干扰沉降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，对沉降的干扰、阻力便愈大；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。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。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。因固-液密度相差不是很悬殊，故较难分离，因此，连续沉降槽的直径可以大到100m以上，高度却都在几米以内。

特点：请点击观看动画202．离心沉降设备旋风分离器：请点击观看动画结构：除尘原理：含尘气体以切线方向进入，速度为12～25ms-1，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（未绘出）。上部为圆筒形，下部为圆锥形。

21旋风分离器能够从分离器内100%分离出来的最小颗粒的直径，用dc表示。其满足：几点假设：假设器内气体速度恒定，且等于进口气速ui；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；假设颗粒沉降服从斯托克斯公式。uiui临界粒径＝22旋风分离器结论：旋风分离器越细、越长，dc越小N值与进口气速有关，对常用形式的旋风分离器，风速1225ms-1范围内，一般可取N=34.5，风速愈大，N也愈大。思考：从上式可见，气体，入口B，气旋圈数N

，进口气速ui

，临界粒径越小，why？23旋风分离器评价旋风分离器性能的两个主要指标：小好，一般在5002000Pa左右24旋液分离器Why?特点：

与旋风分离器相比，直径小、锥形部分长。请点击观看动画结构：返回目录25第三节过滤一、概述深层过滤这种过滤是在过滤介质内部进行的，介质表面无滤饼形成。过滤用的介质为粒状床层或素烧（不上釉的）陶瓷筒或板。此法适用于从液体中除去很小量的固体微粒，例如饮用水的净化。26一、概述滤浆滤饼过滤介质滤液----推动力：重力、压力、离心力

滤饼过滤27一、概述滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤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。过滤介质：多孔性介质、耐腐蚀、耐热并具有足够的机械强度。28一、概述滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤滤饼的压缩性：

空隙结构易变形的滤饼为可压缩滤饼。

29一、概述滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤使用时，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。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。30二、过滤基本方程------滤液量V～过滤时间的关系----即为流速，单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积过滤速度u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

A31二、过滤基本方程------滤液量V～过滤时间的关系(1)细管长度le与床层高度L成正比(2)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。1、过滤基本方程的推导简化模型：假定：真实速度

u滤饼体积滤饼的比表面积颗粒的比表面积32二、过滤基本方程------滤液量V～过滤时间的关系滤饼内，雷诺数很小，属层流流动，------哈根-泊谡叶方程le、de表达式（见上页）由质量守恒得：滤饼截面积A33二、过滤基本方程△p2△p1u------滤液量V～过滤时间的关系思考：影响过滤阻力的因素有哪些？影响过滤速度的因素有哪些？34二、过滤基本方程------滤液量V～过滤时间的关系

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c（m3滤饼/m3滤液），则令滤饼滤液1c思考：滤饼中全是固体物吗？压缩指数0<s<1（可压缩滤饼）s=0（不可压缩滤饼）35二、过滤基本方程-----过滤基本方程过滤常数，由实验测定△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V～过滤时间的关系36二、过滤基本方程------滤液量V～过滤时间的关系影响K的因素：影响qe或Ve

的因素：滤饼性质（s、、a）滤浆性质（c、）推动力（p）过滤介质的性质（孔的结构、、r0、厚度）△pu37二、过滤基本方程------滤液量V～过滤时间的关系2、恒压过滤△pu表观速度特点：

K为常数

积分得：

或若过滤介质阻力可忽略不计，则

或，过滤速度愈来愈小。恒压过滤方程38三、过滤常数的测定恒压时：logp~logK作图求出压缩指数s

/q~q图39四、滤饼洗涤思考：洗涤阻力与哪些因素有关？与滤饼厚度、滤饼性质、洗涤液粘度、介质阻力有关

推动力、阻力不变洗涤速度为常数。思考：洗涤过程与过滤过程的有何异同？40四、滤饼洗涤若推动力相同，则：洗涤速度与过滤终了速度的关系?41五、过滤设备及过滤计算过滤设备

42五、过滤设备及过滤计算滤布洗板板框压滤机框非洗板洗板1、板框压滤机滤框、滤板结构：请点击观看动画滤框和滤板的左上角与右上角均有孔

431、板框压滤机洗板板框压滤机框非洗板洗板一个操作循环：过滤滤液流出悬浮液入口洗涤液流出洗涤液入口洗涤卸渣、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。441、板框压滤机属间歇式特点：横穿洗涤：Lw=2L，Aw=A/2洗板板框压滤机框非洗板洗板洗涤液流出洗涤液入口451、板框压滤机生产能力：

操作周期：

单位时间内获得的滤液量或滤饼量。其中：461、板框压滤机最佳操作周期：

生产能力最大时的操作周期令dQ／dV=0可得：若过滤、洗涤的操作压力相同滤液＝洗涤液w

介质阻力忽略不计------最佳操作周期

472、叶滤机属间歇式置换洗涤：Lw=L，Aw=A滤叶一个操作循环：过滤、洗涤、卸渣、整理重装

特点：结构：请点击观看动画思考：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。482、叶滤机操作周期：

与板框机相同生产能力：

与板框机类似最佳操作周期：

与板框机相同493、转筒真空过滤机置换洗涤：Lw=L，Aw=A属连续式过滤、洗涤、吹松、刮渣转筒---筒的侧壁上覆盖有金属网，长、径之比约为1/22，滤布---蒙在筒外壁上。分配头---转动盘、固定盘浸没于滤浆中的过滤面积约占全部面积的3040%转速为0.1至23（转/分）

一个操作循环：特点：结构：请点击观看动画503、转筒真空过滤机其中：操作周期：

生产能力：

思考：对转筒真空过滤机，上式中V、Ve、A、怎么取值？按过滤区？还是按整个转筒？均可。按整个转筒取：V，Ve，A，=T按过滤区取：V，Ve，A，=T

浸没分数（转筒浸入面积占全部转筒面积的分率）513、转筒真空过滤机若介质阻力忽略不计，则

可见：但这类方法受到一定的限制

52习题课【例】

某板框过滤机有5个滤框，框的尺寸为635635

25mm。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=0.08m3/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。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。53以一个框为基准进行计算。滤液量

过滤面积再根据恒压过滤方程得：K=4.2410-5m2/sqe=0.0201m3/m2思考：以5个框为基准，如何求解？【解】框全充满所需时间？（框全充满）54改用回转真空过滤机后，压差不变，故K不变；滤布不变，故qe不变。K=4.2410-5m2/s，qe=0.0201m3/m2过滤面积板框：设转筒每分钟转n转，则回转真空过滤机生产能力回转真空过滤机：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？55习题课作业：返回目录56第四节 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）分离器外，还有离心机。返回目录57第五节固体流态化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、煅烧和气固反应等过程中。

一、什么是流态化？此时流体的真正速度u<颗粒的沉降速度u0此时u=u0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此时u>u058二、流化床的两种形态床内颗粒的分散状态和扰动程度平缓地加大，床层的上界面较为清晰。

散式流化床：液固体系聚式流化床：气固体