第三章非均相物系的分离和固体流态化

1第三章、非均相混合物分离及固体流态化§3-1颗粒和颗粒群的特性§3-2重力沉降§3-3离心沉降（略）§3-4过滤2关于非均相物系的概述一、什么是均相物系或均相混合物？二、什么是非均相物系或非均相混合物？2.1、什么是分散物质或分散相？什么是分散介质或连续相?2.2、非均相物系分为几类?采用什么方法进行分离?2.3、工业上分离非均相混合物的目的有哪些?3§3-1颗粒和颗粒群的特性一、颗粒的特性(形状、体积、表面积）(一)、单一的颗粒1、球形颗粒体积表面积比表面积a:单位体积颗粒具有的表面积4§3-1颗粒和颗粒群的特性2、非球形颗粒（1）、当量直径de(2)、形状系数s(球形度)当量直径de及形状系数s(球形度)是非球形颗粒的两个重要参数,通过它们可以确定颗粒的体积、表面积和比表面积形状系数s(球形度)说明什么问题？5§3-1颗粒和颗粒群的特性3、颗粒群的特性(1)、粒度分布(筛分)(2)、颗粒的平均比表面积粒径（3）、粒子的密度①、真密度s②、堆积密度b6§3-2重力沉降3-2-1沉降速度一、球形颗粒的自由沉降二、阻力系数7§3-2重力沉降滞流区或斯托克斯（Stokes）定律区过渡区或艾伦(Allen)定律区湍流区或牛顿(Newton)定律区8§3-2重力沉降三、影响沉降速度的因素什么是自由沉降？什么是干扰沉降？（一）、颗粒的体积浓度颗粒的体积浓度小于0.2%时，理论计算值偏差在1%以内（二）、器壁效应否则要修正9§3-2重力沉降（三）、颗粒形状的影响颗粒球形度越小，相同Ret下的阻力系数越大，但在滞流区的影响不明显注：自由沉降速度公式的适用范围：d<0.5m,要考虑布朗运动，当Ret>10-4时，可以不考虑布朗运动10§3-2重力沉降四、沉降速度的计算（一）试差法（二）摩擦数群法3-2-2重力沉降设备一、降尘室1、沉降时间t2、颗粒停留时间11§3-2重力沉降颗粒沉降条件即所以结论：理论上降尘室的生产能力只与沉降面积bl和颗粒的沉降速度有关，而与降尘室的高度H无关多层降尘室生产能力比较Vs相同时，单层降尘室和多层降尘室的处理效果12§3-2重力沉降降尘室除尘有什么特点？二、沉降槽三、分级器注：液体向上的速度小于颗粒沉降的速度；增浓段必须有足够高度13

3-4-1

过滤操作基本概念3-4-2过滤基本方程式3-4-3恒压过滤3-4-4恒速过滤与先恒速后恒压过滤3-4-5过滤常数的测定3-4-6过滤设备3-4-7滤饼洗涤3-4-8过滤机的生产能力§3-4过滤14

3-4-1

过滤操作基本概念一、过滤方式滤饼过滤和深床过滤153-4-1

过滤操作基本概念二、过滤介质（1）织物介质（滤布）；（2）堆积介质；（3）多孔固体介质；（4）多孔膜三、滤饼的压缩性和助滤剂助滤剂混入悬浮液或预涂于过滤介质上16一、颗粒床层特性1、床层空隙率的影响因素：颗粒的形状、大小、粒度分布与充填方式乱堆床层空隙率：0.47-0.70单分散球形颗粒：0.26-0.48非球形颗粒的空隙率大于球形的2、床层比表面积ab或按堆积密度b计算3-4-2过滤基本方程式173、床层自由截面积床层截面上未被颗粒占据的、流体可以自由通过的面积各向同性床层（乱堆床层）的自由截面积与床层截面积之比在数值上等于床层空隙率壁效应：由于壁面附近的空隙率大于床层内部的，从而导致较多的流体趋向近壁处流过，使床层截面上的流体分布不均的现象。床层直径D与颗粒直径d之比越小，壁效应越严重三、流体通过床层流动的压降1、床层简化模型18将床层中不规则的通道假设成长度为L，当量直径为de的一组平行细管，并且规定：（1）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2、流体通过床层压降的数学描述空床流速流体在床内的实际流速模型参数193、模型参数的试验测定康采尼试验及康采尼方程当Reb<2时康采尼常数，其值为5.0用于描述床层压降的康采尼方程20二、滤液通过饼层的流动特点1、非定态2、滞流流动3、滤液通过滤饼层的流动模型(1)、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213-4-2过滤基本方程式泊谡叶公式二、过滤速率与过滤速度1、过滤速率单位时间获得的滤液体积,m3/s康采尼方程223-4-2过滤基本方程式过滤速率单位时间获得的滤液体积，单位为m3/s。过滤速度单位时间通过单位过滤面积的滤液体积，单位m/s。23三、过滤阻力滤饼的比阻反映了颗粒形状、尺寸及床层的空隙率对滤液流动的影响，为单位厚度床层的阻力，单位1/m2。（一）滤饼阻力24滤饼的阻力单位1/m。因此三、过滤阻力25（二）介质的阻力仿照式3-61可以写出滤液穿过过滤介质层的速度关系式：过滤介质阻力,1/m。三、过滤阻力26（三）过滤总阻力

假设过滤介质对滤液流动的阻力相当于厚度为Le的滤饼层的阻力，即把过滤介质与滤饼联合起来考虑当量滤饼厚度虚拟滤饼厚度三、滤饼的阻力27注：一定操作条件下，以一定介质过滤一定悬浮液时，Le为定值；但同一介质在过滤不同悬浮液的操作中，Le值不同。三、滤饼的阻力则上式变为28

任一瞬间的滤饼厚度与当时已经获得的滤液体积之间的关系为：滤饼体积与相应的滤液体积之比，m3/m3四、过滤基本方程式29同理有过滤介质的当量滤液体积，虚拟滤液体积所以不可压缩滤饼过滤的基本方程式为:（3-45）

四、过滤基本方程式30另外,若令则不可压缩滤饼过滤的基本方程式可写为:有（3-45a）四、过滤基本方程式单位过滤面积所得滤液体积单位过滤面积所得当量滤液体积31

对可压缩滤饼，比阻在过滤过程中不再是常数，它是两侧压力差的函数。（3-46）滤饼的压缩性指数，量纲为一。一般情况下，s=0～1。对于不可压缩滤饼，s=0。几种典型物料的压缩性指数值，列于表3－5中。四、过滤基本方程式32或最后可得过滤基本方程式四、过滤基本方程式33五、强化过滤的途径1、开发新的过滤设备和过滤途径，以适应物料特性；2、加快过滤速率以提高过滤机的生产能力：（1）改变悬浮液中颗粒的聚集状态：i、添加凝聚剂、絮凝剂等对原料液进行预处理，使细小颗粒凝聚成较大颗粒；ii、调整物理条件：加热、冷冻、超声波振动、电磁场处理、辐射等。（2）改变滤饼结构：助滤剂（掺滤与预涂）；（3）采用机械的、水力的或电场人为地干扰或限制滤饼的增厚（动态过滤技术）（4）提高悬浮液温度以降低滤液粘度、当s<1时增大过滤推动力、选择阻力小的滤布34六、过滤操作方法1、恒压过滤过滤速率会如何变化？2、恒速过滤过滤压差会如何变化？3、工业上往往采用先恒速后恒压的过滤方式，为什么？例题3-735对于一定的悬浮液，k可视为常数，表征过滤物料特性的常数，m4/N.S。令：过滤基本方程式（3-47b)（3-47c）

（3-48）3-4-3恒压过滤363-4-3恒压过滤K是由物料特性及过滤压力差所决定的，恒压过滤时其为常数，称为过滤常数，其单位为m2/s。

令：过滤基本方程式变为：

或37积分，得到

恒压过滤方程式3-4-3恒压过滤38当过滤介质阻力可以忽略时，

恒压过滤方程式3-4-3恒压过滤39过滤常数

介质常数

由实验测定

3-4-3恒压过滤40恒速过滤

恒速过滤是维持过滤速率恒定的过滤方式。在这种情况下，由于随着过滤的进行，滤饼不断增厚，过滤阻力不断增大，要维持过滤速率不变，必须不断增大过滤的推动力——压力差。

常数3-4-4恒速过滤与先恒速后恒压的过滤41代入过滤基本方程式，得到

令：于是对不可压缩滤饼进行恒速过滤时，其操作压力差随过滤时间成直线增高。3-4-4恒速过滤与先恒速后恒压的过滤42先恒速后恒压图3-19先恒速后恒压过滤装置3-4-4恒速过滤与先恒速后恒压的过滤43恒压阶段的过滤方程转入恒压操作后所经历的过滤时间。转入恒压操作后所得的滤液体积。3-4-4恒速过滤与先恒速后恒压的过滤44一、恒压下的测定

过滤常数通常是在相同条件下，用相同物料，在小型实验设备上进行恒压过滤实验而获得。将恒压过滤方程式直线的斜率为1/K，截距为

2qe/K

。变换为3-4-5过滤常数的测定45二、压缩性指数s的测定

先求出若干过滤压力差下的K值，然后对K－Δp数据加以处理上式两端取对数，得K与Δp的关系在双对数坐标上标绘时应是直线，直线的斜率为(1-s)，截距为lg(2k)。3-4-5过滤常数的测定46一、板框压滤机3-4-6过滤设备47一、板框压滤机3-4-6过滤设备48一、板框压滤机3-4-6过滤设备49一、板框压滤机动画173-4-6过滤设备50二、加压叶滤机动画273-4-6过滤设备51三、转筒真空过滤机3-4-6过滤设备52练习题目思考题作业题:6、7、81.从过滤基本方程式分析提高过滤速率的措施。2.板框压滤机与叶滤机的洗涤方式有什么差别？3.试分析过滤压力差对过滤常数的影响。533-4-7滤饼洗涤1、滤饼洗涤时间

2、滤饼洗涤速率与洗涤方式有关

（1）、叶滤机采用置换洗涤法，其洗涤速率为：

543-4-7滤饼洗涤（2）、板框过滤机采用横穿洗涤法，其洗涤速率为：553-4-8过滤机生产能力一、间歇过滤机生产能力

一个循环的操作时间T为：

生产能力Q(m3/h)的计算式为：

思考：间歇过滤机的最大生产能力如何计算？

56习题1、流体通过固定床，颗粒的平均直径是以为

基准的，理由是

。若流体一定的流速通过一大小均匀且规则装填的球形颗粒固定床，球形颗粒直径越小，流体通过床层的压降越

，原因是

。工业上康采尼方程常用来

。

2、叶滤机中如滤饼不可压缩，当过滤压差增加一倍时，过滤速率是原来的

倍。粘度增加一倍时，过滤速率是原来的

倍。3、对真空回转过滤机，转速越大，则每转一周所得的滤液量就越

。该滤机的生产能力越

。4、某叶滤机恒压操作，过滤终了时，V=0.5m3，=1h,Ve=0，滤液粘度是水的4倍。现在同一压强下再用清水洗涤，Vw=0.1m3，则洗涤时间为

。比表面积相等流动阻力与颗粒层固体表面积大小有关大压降随比表面积增大而增大测颗粒的比表面积20.5少大0.1h575、含尘气体通过长为4m，宽3m，高1m的降尘室，已知颗粒的沉降速度为0.03m/s，则该降尘室的生产能力为

m3/s6、重力场中，微小颗粒的沉降速度与下列因素无关：

。（A)颗粒几何形状；（B)流体与颗粒的密度；（C）颗粒几何尺寸；（D)流体的流速。7、推导过滤基本方程式时一个最基本的依据是：

。（A)固体颗粒的沉降速度；（B)流体的层流流动；（C）滤饼的可压缩性；（D)过滤介质的比阻。8、玻璃管长1米，充满油。从顶端每隔1秒加入1滴水，问：A、油静止，当加入第21滴水时，第一滴正好到底部，则沉降速度为

m/sB、现油以0.01m/s的速度向上运动，加水速度不变，则管内有水

滴。0.0525D58二、某悬浮液用板框过滤机过滤，该板框过滤机有滤框28个，尺寸为635×635×25mm，操作表压恒定为98.1kPa,该条件下，K=1×10-5m2/s，qe=0.02m3/m2。已知滤饼与滤液的体积比为0.075,试求：（1）滤饼充满滤框需要多少时间？0.96h（2