分离机械结构与维护课件

分离机械结构与维护

学习情境一非均相物系分离方案及设备选择1、了解非均相物系分离在化工生产中的重要性，化工生产过程中常见的非均相物系分离的主要方法、分离过程、主要特点与工业应用；2、熟悉各种类型的气-固非均相物系分离设备的结构、工作原理、性能及应用场合，使用注意事项，能根据分离任务选择合适的气-固分离方案及设备并做到正确操作。3、掌握旋风分离器的操作规程、了解其他气-固分离设备的操作要点。4、熟悉各种类型的液-固非均相物系分离设备的结构、工作原理、性能及应用场合，使用注意事项，能正确操作各种液-固分离设备。5、掌握框过滤机、离心过滤机的操作规程。2引言化工生产中所处理的原料、中间产物和粗产品等几乎都是由若干组分组成的混合物，在化工生产中，原料、半成品以及排放物等大多为混合物。为了使生产顺利的进行，以得到较高纯度的原料、产品或者满足环境保护的需要，常常需要对混合物进行分离。3某硫酸厂SO2炉气除尘方案的制定4任

务

分

析本任务的主要目的就是除去SO2气体中含有的粉尘（固体）砷和硒（固体）酸雾、水分（液体）、氟化物（气体），可见是一典型的混合物的分离任务。51、分离任务的性质混合物可以分为均相混合物和非均相混合物两大类。均相混合物是指由不同组分的物质混合在一起形成单一相的物系如酒精水溶液、空气等；非均相物系是指物系中至少存在着两相或更多的相，其中有气-固、气-液、液-固和液-液等多种形式。6就含有两相的非均相物系而言其中一相为分散物质或称为分散内相，以细微的分散状态存在。包围在分散物质各个粒子的周围的另一相称为连续相。7根据连续相的物理状态不同，非均相物系可分为两类：（1）气态非均相物系，连续相为气体，如含尘气体和含雾气体；（2）液态非均相物系，连续相为液体，例如悬浮液、乳浊液以及含有气泡的液体，即泡沫液等。8对照上述混合物的分类方法，可见这是一个以气-固分离任务为主，其中又包含气-液分离和气-气分离任务的较复杂的工作任务。任务中，要求分离的对象为气态非均相物系，连续相为气体，非连续相（分散相）为粉尘和液滴，92、分离任务中需要解决的问题由前面分析已知这是一个如何从气态非均相混合物系除去分散相粉尘和液滴的问题，应该选择气态非均相物系的分离方法和设备。由于用于气态非均相物系的分离方法和设备较多，需要依次解决如下问题：（1）可采用哪些分离方法？怎样选择合适的方法？（2）可采用哪些分离设备？怎样选择合适的设备？10模块一气态非均相物系的分离方法和设备的选择引言工程任务中的从气体中除去悬浮的固体粒子或液滴的操作过程，是化工生产常见的单元操作过程，不仅用于反应前原料气体的净化过程，而且也是化工厂废气放空前。为了保护环境净化废气必须采用的操作。气态分离操作的主要目的是：1、净制气体，以满足后续生产工艺的要求；2、回收生产中有价值的物料，例如贵重的固体催化剂等；3、环境保护和安全生产。很多含碳物质及金属的细粉与空气形成爆炸物，必须除去这些物质，消除爆炸的危险。11由于生产中气体的处理量、粒子大小与特性、允许的压强降以及要求达到的分离效率等都并不相同，因此分离方法和设备必然有差异。任务中主要涉及到矿尘的清除，要正确选用合适的分离方法、设备、正确操作方法等。先了解一下常见的气-固相分离方法和设备。12一、气-固分离方法和设备的认识目前，气-固分离设备的种类繁多，根据在除尘过程中是否采用液体除尘和清水，可分为干式和湿式气-固分离设备两大类。按捕集粉尘的机理不同，可将各种气-固分离设备分为机械式气-固分离设备(机械力)、过滤式气-固分离设备、洗涤式除尘器和静电气-固分离设备(静电力)四类。13（一）机械式气-固分离设备机械式气-固分离设备是一类利用重力、惯性力或者离心力的作用将尘粒从气体中分离的装置。这类气-固分离设备主要包括重力分离设备、惯性分离设备和旋风分离器。这类气-固分离设备的特点是结构简单、造价比较低、维护管理方便、耐高温湿烟气、耐腐蚀性气体。对粒径在5µm以下的尘粒去除率较低。当气体含尘浓度高时，这类气-固分离设备往往用作多级除尘系统中的前级预除尘，以减轻二级除尘的负荷。141、重力沉降式气-固分离设备重力气-固分离设备又称重力沉降室，它是利用尘粒与气体的密度不同，通过重力作用使尘粒从气流中自然沉降分离的除尘设备。15最简单的设备形式有降尘气道如图2-1所示。降尘气道具有相当大的横截面积和一定的长度。当含尘气体进入气道后，其流通面积增大，流速降低，使得灰尘在气体离开气道以前，有足够的停留时间沉到室底而被除去。16动画17图2-2为降尘室的示意图，含尘气体由气体入口进入降尘室后，气体中的尘粒一方面随着气流在水平方向流动，其速度与气流速度u相同，另一方面在重力作用下以沉降速度ut在垂直方向向下运动。只要含尘气体从降尘室入口到出口所需的停留时间等于或大于尘粒从降尘室的顶部沉降到底部所需的沉降时间，尘粒即可被分离出来（即尘粒沉降在降尘室内不被带走）18LH动画19集尘斗气体入口气体出口降尘室含尘气体净化气体颗粒降尘室操作示意图20颗粒在介质中的沉降过程分为两个阶段，开始为加速阶段，而后为等速阶段。因为工业所处理的非均相物系中颗粒一般很小，其加速阶段时间极短，故通常可以忽略不计，即认为整个沉降过程均在等速阶段中进行。在等速阶段里颗粒相对于流体的运动速度称为沉降速度，用ut表示。ut的大小与颗粒的大小，颗粒的浓度、流体的物理性质等有关。ut求取方法详见拓展部分或查阅有关资料。颗粒的沉降速度对于我们分析沉降设备的性能和设计沉降设备非常重要。21降尘室的长为L、高为H、宽为b（单位均为m），则气体通过降尘室的时间（气体在降尘室的停留时间）为θ：

微粒沉降至室底所需要的时间为θt：

当θ≥θt时，微粒便可被分离，即：（2-1）22若取极限条件θ=θt则：

（2-2）又因为降尘室的含尘气体的最大处理量（又称为降尘室的生产能力为）

将其代入式（2-2）得：

（2-3）或

（2-4）式中

为降尘室的底面积。23由公式2-4可见，降尘室的生产能力仅与其沉降速度ut和降尘室的沉降面积A有关，而与降尘室的高度无关。因此也可将降尘室做成多层，如图2-3所示称为多层降尘室。室内以隔板均匀分成若干层，隔板间距为40～100mm。多层降尘室虽能分离较细小的颗粒并节省地面，但出灰不便。24多层降沉室清洁气流含尘气流挡板隔板25重力沉降室具有结构简单，造价低，维护管理方便、阻力小(一般约为50～150Pa)等优点，一般作为第一级或预处理设备。重力沉降室的主要缺点是体积庞大，除尘效率低(一般只有40％一70％)，清灰麻烦。鉴于以上特点，重力沉降室主要用以净化那些密度大，颗粒粗的粉尘，特别是磨损性很强的粉尘，它能有效地捕集50μm以上的尘粒，但不宜掳集20μm以下的尘粒。2627重力沉降室的选用或设计沉降分为：自由沉降、干扰沉降。自由沉降是指单一颗粒或者是经过充分分散的颗粒群，在流体中沉降时颗粒间不相互碰撞或接触的沉降过程。若沉降系统中颗粒的浓度较大，颗粒间距离很小，颗粒在沉降过程中，因颗粒之间的相互影响不能正常沉降，称为干扰沉降。实际生产中的沉降几乎都是干扰沉降。但由于自由沉降的影响因素少，为了了解沉降过程的规律，通常从自由沉降入手进行研究。28一表面光滑的球形颗粒在静止流体中的自由沉降，设颗粒的密度ρs大于流体的密度ρ，则颗粒在重力作用下即可在介质中沉降，沉降时颗粒与介质间产生相对运动，如图2-4所示。颗粒在沉降过程中受到的作用力有重力FG、浮力Fb和阻力FR。重力方向和颗粒沉降方向一致，其值为1、沉降速度29浮力方向与颗粒沉降方向相反，其值为

阻力方向亦与颗粒沉降方向相反，其大小为式中：d──颗粒直径，m；ρs──颗粒密度，kg/m3；ρ──流体密度（介质密度），kg/m3；g──重力加速度，m/s2；ζ──介质阻力系数，无因次；u──颗粒与流体间的相对速度，m/s；m──颗粒质量，kg；A──颗粒在运动方向上的投影面积，m2，

。30若颗粒及流体已定，则重力FG及浮力Fb为一定值，而阻力FR则随着颗粒下降速度增加而增大。当颗粒开始沉降的瞬间，因颗粒处于静止状态，故u＝0，此刻的阻力FR＝0，与之对应的加速度a值为最大，即颗粒作加速运动。随着u值的增加，FR亦随之增加，经过一段时间后，当重力、浮力和阻力达到平衡时，即重力等于浮力与阻力之和时加速度a＝0，颗粒开始作匀速沉降运动，此时的颗粒下降速度（颗粒相对于流体的运动速度）称为沉降速度，以符号ut表示，单位为m/s。31由上分析可知，颗粒在介质中的沉降过程分为两个阶段，即开始为加速阶段，而后为等速阶段。以因为工业所处理的非均相物系中颗粒一般很小，其加速阶段时间极短，故通常可以忽略不计，即认为整个沉降过程均在等速阶段中进行，从而给计算带来方便。32当FG-Fb-FR＝0时，颗粒与流体间的相对速度即为沉降速度ut整理式（2－5）得沉降速度ut的计算公式为（2-5）（2-6）332、阻力系数用式（2－6）计算沉降速度ut时，应已知阻力系数ζ值。用因次分析法可导出阻力系数ζ是与流体与颗粒间的相对运动时的雷诺数Ret的函数，即其中式中：μ──连续相的粘度，Pa•s。（2-7）（2-8）34实际生产中所处理的颗粒形状有时并非球形，非球形颗粒与球形颗粒的差异用球形度φ来表示，其定义为：体积和不规则形状粒子相等的球形粒子的表面积S与不规则粒子的实际表面积SP的比值。φ值是：粒子的球形度由实验确定，若颗粒为球体，则φ=1；为立方体时，则φ=0.806；为圆柱体（h=10r,r是底的半径），则φ=0.69，圆盘（h=r/15）则φ=0.254。由上可见，φ值对于球形、立方体、圆柱形和片状形颗粒是依次递减的。35实验证明，在沉降过程中，颗粒在流体中运动时所受到的阻力与颗粒本身的形状及其方位密切相关。颗粒形状偏离球形愈大，其阻力系数也愈大。目前尚没有确切方法的来表示颗粒形状，因此计算非球形颗粒的沉降速度时仍用球形颗粒的计算公式，但其中的颗粒直径d需用当量直径de′代替。通常取同体积球形颗粒的直径，即式中VP──任意形状的一个颗粒的体积，m3。36由上述分析可知，沉降速度不仅与雷诺数有关，还与颗粒的球形度有关，根据实验结果作出不同φ值下的阻力系数ζ与雷诺数Ret之间的关系曲线，见图2-5所示。图2-5介质阻力系数与微粒雷诺准数Ret的关系曲线37图中曲线可分为四个区域：⑴ 层流区（又称斯托克斯区）Ret≤1时，此区域内ζ-Ret呈直线关系，阻力系数ζ可用下式计算：⑵ 为过渡区（又称艾伦区）1<Ret<103，阻力系数ζ与Ret关系如下：38⑶ 湍流区（又称牛顿区）103<Ret<2×105，此区域内阻力系数的变化不大，可近近似看作一定值：

ζ=0.44⑷ 边界层内呈湍流，Ret>105，实验结果表明ζ-Ret关系呈不规则现象。39将上3式分别代入式（2-6）中，即可得如下的一系列的沉降速度计算公式。⑴ 层流区——斯托克斯公式

（2-12）由上式可见，在层流区颗粒的沉降速度与颗粒的直径的平方及颗粒与流体的密度差成正比，与流体的粘度成反比。40⑵ 过渡区——艾伦公式

（2-13）⑶湍流区——牛顿公式

（2-14）由上式中可见，在湍流区内流体粘度对沉降速度无影响。这是因为，在层流区由于流体粘性而引起的表面摩擦阻力占主导地位；而湍流区内由于颗的粒尾部出现边界层分离及旋涡的产生，使表面摩擦阻力的作用消失，代之为形体阻力为主；过渡区内摩擦阻力及形体阻力均起作用。

413、自由沉降速度的计算流体的流动类型不同，颗粒在流体中的沉降速度的计算式也不同，因此，计算沉降速度ut时，为选用相应的计算公式，应先判断流动类型，这就需要计算出Ret，而计算时Ret需要已知ut，但ut又是待求量。用公式计算沉降速度ut需要用试差法，即先假定流动类型（层流区、过渡区、湍流区）选用相应的沉降速度ut的计算公式，算出ut，用ut计算Ret，再检查假设的流型是否正确。如果计算结果与假设不符，则应重新假设流型，重复上述计算，直到计算结果与假设一致。由于沉降操作中所处理的颗粒一般粒径较小，沉降过程大多属于层流区），因此试差时通常先假设在层流区。42综上，沉降速度应根据需要分离下来的最小颗粒计算。气流速度不应过高，以免干扰颗粒的沉降或把已经沉降下来的颗粒重新卷起。为此应保证气体流动的雷诺准数处于层流范围以内。对于含有不同灰尘的气体也有一些经验数据可供决定气速时参考。例如，对金属微粒的分离可取u<3m/s；对于较易扬起的炭黑或淀粉等可取u<1.5m/s。43【例2-1】微粒的直径为10μm，密度为2000kg/m3。求它在空气中的沉降速度。已知空气的密度1.2kg/m3，粘度为0.0185CP。解：假设微粒在层流区沉降，颗粒的自由沉降速度为

复核

因为Ret<1，故假设正确，即微粒的沉降速度ut=0.0059m/s。44【例2-2】一除尘室用以除去炉气中的硫铁矿尘粒。矿尘最小粒径为8μm，密度为4000kg/m3。除尘室长为4.1m，宽为1.8m，高为4.2m。室内温度为427℃，在此温度下炉气的粘度为3.4×10-5N•S/m2、密度为0.5kg/m3。若每小时处理炉气2160标准m3，试计算除尘室隔板间的距离及除尘室层数。解：设最小粒径矿尘的沉降在层流区，则

复核45

气流通过降尘室的流速为根据降尘室除尘的必要条件

得降尘室每层的高H为：

降尘室的层数为：

层462、惯性气-固分离设备惯性除尘器是使利用惯性力的作用使尘粒从气流中分离出来的除尘装置。如利用含尘气体与挡板撞击或者急剧改变气流方向分离并捕集粉尘。图2-6惯性除尘器分离机理示意图47（1）惯性除尘器的除尘机理惯性除尘器的工作原理如图2-6所示。当含尘气流以u1的速度进入装置后，在T1点较大的粒子(粒径d1)由于惯性力作用离开曲率半径为R1的气流撞在挡板B1上，碰撞后的粒子由于重力的作用沉降下来而被捕集。直径比d1小的粒子(粒径为d2)则与气流以曲率半径R1绕过挡板B1，然后再以曲率半径R2随气流作回旋运动。当粒径为d2的粒子运动到T2点时，在离心力作用下将脱离以u2速度流动的气流撞击到挡板B2上，同样也因重力沉降而被捕集下来。因此，惯性除尘器的除尘是惯性力、离心力和重力共同作用的结果。48（2）惯性除尘器的分类惯性除尘器有碰撞式和反转式两类。碰撞式除尘器（如图2-7）一般是在气流流动的通道内增设挡板构成的，当含尘气流流经挡板时，尘粒借助惯性力撞击在挡板上，失去动能后的尘粒在重力作用下沿挡板下落，进入灰斗中。挡板额可以是单级，也可以是多级。多级挡板交错布置，可以设置3～6排。在实际工作中常采用多级式，目的是增加撞击的机会，提高除尘效率。这类除尘器的阻力较小，一般在100Pa以内。是一种低效除尘器，尽管使用多级挡板，除尘效率只能达到65%～75%。49图2-7碰撞式惯性除尘器50反转式除尘器又分为弯管型、百叶窗型和多层隔板塔型三种（如图2-8）。弯管型和百叶窗型反转式除尘器与碰撞式惯性除尘器一样，都适合于安装在烟道上使用。塔形反转式惯性除尘器主要用于分离烟雾，能捕集粒径为几微米的雾滴。由于反转式惯性除尘器是采用内部构件使气流急剧折转，利用气体和尘粒在折转时所受惯性力的不同，使尘粒在折转处从气流中分离出来。因此，气流折转角越大，折转次数越多，气流速度越高，除尘效率越高，但阻力越大。51图2-8反转式惯性除尘器52惯性除尘器结构简单，除尘效率优于重力沉降室，但由于气流方向转变次数有限，净化效率也不高，多用于一级除尘或者高效除尘的前级除尘。惯性除尘器适应于捕集粒径在10～20μm以上的金属或者矿物性粉尘，压力损失为100～1000Pa。对于粘结性和纤维性的粉尘，因易堵塞，故不宜采用。533、旋风分离设备旋风分离器是利用惯性离心力作用来分离气体中的尘粒或液滴的设备。（1）旋风分离器的构造和操作原理图2-9为一标准型旋风分离器构造示意图，以圆筒直径D表示其它部分的比例尺寸。旋风分离器的主体上部为圆筒形，下部为一圆锥形底，锥底下部有排灰口，圆筒形上部装有顶盖，侧面装一与圆筒相切的矩形截面进气管，圆筒的上部中央处装一排气口。54旋风分离器吊装多组旋风分离器组合55图2-9标准型旋风分离器5657含尘气体由圆筒上侧面的矩形进气管以切线方向进入，由于圆筒器壁的约束作用，含尘气体只能在圆筒内和排气管之间的环状空间内向下作螺旋运动，如图2-10中实线所示。在旋转过程中，含尘气体中的颗粒在离心力的作用下被甩向器壁，与器壁撞击后，因本身失去能量而沿器壁落至锥形底后由排灰口排出。经过一定程度净化后的气体（因不可能将全部尘粒除掉）从圆锥底部自下而上作旋转运动到排气管中排出，如图2-10中虚线所示。58图2-10旋风分离器内流体流动示意图动画59旋风分离器的特点是：结构简单、造价和运行费较低、体积小、操作维修方便；压力损失中等，动力消耗不大。除尘效率较高；可用各种材料制造，适用于粉尘负荷变化大的含尘气体，性能较好，能用于高温、高压及腐蚀性气体的除尘，可直接回收干粉尘；无运动部件。运行管理简便等。旋风气-固分离设备历史较久，现在一般用来捕集5～15μm以上的尘粒，除尘效率可达80％左右。60（2）常见旋风气-固分离设备的结构和性能按结构形式可将旋风气-固分离设备分为多管组合式、旁路式、扩散式、直流式、平旋式、旋流式等。国内多是根据旋风气-固分离设备的结构特点用拼音字母对其命名。如XLP/B-4.2(CLP/B-4.2)，型，其中X或者C表示气-固分离设备，L表示离心式，P表示旁路式，B表示该类型气-固分离设备中的B类，4.2是以分米数表示的筒体直径。还根据在系统中安排位置的不同分为两种型式，X型吸入式，Y型压出式，另外还考虑到使用时连接上的方便，在X型、Y型中各设有S型和N型两种型式，从气-固分离设备顶部看，进入气流按顺时针旋转为S型，逆时针旋转者为N型。生产中使用的旋风气-固分离设备类型很多，有100多种，常见的有XLT(CLT)型、XLP(CLP)型、XLK（CLK）型、XZT型和XCX型五种型号。下面仅介绍几种国内常用的旋风气-固分离设备。61①XLT型旋风分离器XLT型旋风器是应用最早的标准旋风分离器，其结构如图(2-12)所示，其他各种类型的旋风气-固分离设备都是由它改进而来的。它结构简单，制造容易，压力损失小，处理气量大，但除尘效率不高，目前已被其他高效旋风气-固分离设备所取代。62XLT／A型旋风气-固分离设备是XLT的改进型，具有倾斜螺旋面进口，其结构如图(2-11)所示。倾斜方向进气可在一定程度上减小涡流的影响，并使气流阻力较低(阻力系数值可取5.0～5.5)。合尘气体入口速度在10～18m／s范围内，压力损失大约是500～700Pa，除尘效率大约80％～90％。6364②XLP型旋风分离器XLP型是带有旁路分离室的旋风分离器，又称旁路式旋风分离器，采用蜗壳式进气口，其上沿较器体顶盖稍低。含尘气进入器内后即分为上、下两股旋流。“旁室”结构能迫使被上旋流带到顶部的细微尘粒聚结并由旁室进入向下旋转的主气流而得以捕集，对5μm以上的尘粒具有较高的分离效果。根据器体及旁路分离室形状的不同，XLP型又分为A和B两种形式，图2-13和2-14分别是呈半螺旋形的XLP/A型和呈全螺旋形的XLP/B型两种不同的结构图（XLP/A型筒体为双锥体XLP/B型筒体为单锥体），XLP型气-固分离设备的入口进气速度范围是12∽20m/s，压力损失约为500∽00Pa。可除去5μm以上的粉尘，若除去5μm以下的粉尘效率很低，只能达到20%～30%，而除去10μm粉尘分级效率为90%。6566表2-1XLP型旋风气-固分离设备的主要性能67③XLK型旋风分离器又称扩散式旋风分离器(图2-15)。其结构特点是180度蜗壳入口，锥体为倒置的，锥体下部装有圆锥形的反射屏(又称挡灰盘)。在一般的旋风气-固分离设备中，有一部分气流随尘粒一起进入集尘斗，当气流自下向上进入内旋涡时，由于内旋涡负压产生的吸引力作用，使已分离的尘粒被重新卷入内旋涡，并被出气流带出气-固分离设备，降低了除尘效率。而在XLK型旋风气-固分离设备中，含尘气流进入气-固分离设备后，从上而下作旋转运动，到达锥体下部反射屏时已净化的气体在反射屏的作用下，大部分气流转化形成上旋气流从排出管排出。紧靠器壁的少量含尘气流由反射屏和倒锥体之间的环隙进入灰斗。进入灰斗后的含尘气体由于流通面积大、速度降低，粉尘得以分离。净化后的气流由反射屏中心透气孔向上排出，与上升的主气流汇合后经排气管排出。由于反射屏的作用，防止了返混气流重新卷起粉尘，提高了除尘效率。扩散式旋风气-固分离设备对入口粉尘负荷有良好的适应性，进口气流速度10～20m/s，900～1200Pa，除尘效率在90%左右。XLK型旋风气-固分离设备的主要性能见表2-2。686970④组合式多管旋风分离器为了提高除尘效率或增大处理气体量，往往将多个旋风气-固分离设备串联或并联使用。当要求除尘效率较高，采用一级除尘不能满足要求时，可将多台气-固分离设备串联起来使用，这种组合方式称为串联式旋风气-固分离设备组合形式。当处理气体量较大时。可将若干个小直径的旋风气-固分离设备并联起来作用，这种组合方式称为并联式旋风除尘器组合形式。71串联组合的目的是提高气-固分离设备的除尘效率，因此愈是后段设置的气-固分离设备，气体的含尘浓度最低，细尘比例愈高，因而对后段气-固分离设备的性能要求也愈高。所以需要效率不同的旋风器串联使用。图2-16为同直径不同锥体长度的三级串联式旋风气-固分离设备组，第一级锥体较短，净化粗尘；第二、三级锥体逐次加长，净化减小的粉尘，处理气体量取决于第一级的处理气量。总压力损失等于各级气-固分离设备连接件的阻力之和，再乘以系数1.1～1.2。旋风气-固分离设备串联使用的情况不是很多。7273并联使用的目的是增大气体处理量，但在处理量相同的情况下，以多个小直径的气-固分离设备代替大直径的旋风气-固分离设备可以提高效率。为便于组合和均匀分配风量，常用相同直径的旋风器并联组合。组合方式有双筒并联、单支多筒、双支多筒（如图2-17）和多筒环形组合等几种。并联气-固分离设备的压损为单体压损的1.1倍，处理气体量为各单体气量之和。7475除了单体使用外，还可以将许多小旋风分离器（称旋风子）组合在一个壳体内并联使用，称多管气-固分离设备。多管气-固分离设备布置紧凑、外形体积小、效率高、处理气量大，但金属耗量大，制造较难，所以仅在效率要求高和处理气体大时才选用。76陶瓷多管除尘器多级旋风分离器77

第3章非均相分离

3.1概述

非均匀混合物的分离及流动：①从含有粉尘或液滴的气体中分离出粉尘或液滴；②从含有固体颗粒的悬浮液中分离出固体颗粒；③流体通过由大量固体颗粒堆集而成的颗粒或床层的流动（如过滤、离子交换器、催化反应器等）。均涉及到流体相对于固体颗粒及颗粒床层流动时的基本规律以及与之有关的非均相混合物的机械分离问题。78非均相分离流态化

沉降和过滤设备

过滤

离心沉降

重力沉降

793.2颗粒及颗粒床层的特性3.2.1单颗粒的特性参数

(1)描述颗粒形状

①颗粒的球形度φ

表明：颗粒形状接近于球形的程度；

φ↑，则颗粒越接近于球形。球形颗粒：球形颗粒非球形颗粒80②颗粒的比表面积

a说明：V相同时，a

↓，则颗粒越接近球形。a与φ关系：球形颗粒比表面积：81(2)描述颗粒大小①等体积当量直径dv

指：与颗粒体积相等的球形颗粒的直径。dV

与a、φ关系：82

②等比表面积当量直径da

与非球形颗粒比表面积相等的球形颗粒的直径833.2.2混合颗粒的特性参数

(1)颗粒的筛分尺寸

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；

筛过量：通过筛孔的颗粒量；

筛余量：截留于筛面上的颗粒量。84①颗粒的筛分尺寸②筛分尺寸与颗粒特性参数的关系颗粒不是明显的长或短：颗粒在某方向上略长：

(2)颗粒群的平均特性参数①平均比表面积：

di-1didi+1di+285②颗粒群的等比表面积当量直径3.2.3 颗粒床层的特性(1)床层空隙率

①定义：床层中，空隙所占体积分率。表明：

床层堆积的松散程度；

ε↑，空隙越大，床层越松散；

ε对流体流过床层的阻力影响很大。Lu86

②影响床层空隙率的因素（a）装填方法：干装湿装（b）颗粒特性的影响

颗粒形状：

靠壁面处：

粒径分布：③空隙率测量---充水法、称量法(2)床层的自由截面积

即：床层中空隙的面积(流体的流通截面积)。

自由截面积分率：87S0与ε关系：同样表明颗粒堆积的松散程度均匀颗粒，则S0↑，ε↑。(3)床层的比表面积aB

忽略颗粒相互重叠减少的面积，则：88①颗粒静止，流体绕过颗粒流动；②流体静止，颗粒流动；③颗粒和流体都运动，维持一定相对速度。3.3.1流体绕过颗粒的流动

(1)曳力阻力：颗粒对流体的作用力；曳力：流体对颗粒的作用力。流体和颗粒相对运动的情况：3.3

流体和颗粒的相对运动不同颗粒的形状物体的不同形状和位向对曳力的影响(a)平板平行于流向(b)平板垂直于流向(c)流线型物体89

水平方向，颗粒所受曳力：

流体流过固体时，固体表面的受力情况：作用在颗粒上的曳力90

影响曳力的因素：(2)曳力系数①球形颗粒总曳力计算：91曳力系数ξ与ReP的关系：（1）圆球（2）圆盘（3）圆柱实验获得ξ与Rep的关系：10-410-310-210-11.01010210310410510610-11.010102103105RePξ（1）（2）（3）92层流区：过渡区：湍流区：湍流边界层区：93②非球形颗粒的曳力系数

计算方法：

近似用球形颗粒公式，ds→da

或dV；

实测ξ-Rep

关系。3.3.2颗粒与流体的相对运动

(1)颗粒在力场中的受力分析

合力：①质量力

②浮力③曳力颗粒受力分析FeFDFb94(2)颗粒的运动情况运动方向：沿合力方向颗粒运动的两个阶段：加速阶段、恒速阶段简化：加速阶段很短，忽略不计。认为全过程中，颗粒匀速运动。①加速阶段：

②恒速阶段：

终端速度:

颗粒在流体中匀速运动的速度。颗粒受力分析FeFDFb95

目的：流体与固体颗粒分离

原理：利用颗粒与流体之间的密度差，将固体颗粒从流体中分离出来。

常用方法：

(1)重力沉降(分离较大的颗粒）

例：选矿3.4沉降(2)离心沉降(分离尺寸小的颗粒）

例：气体除尘

963.4.1重力沉降速度的计算

(1)球形颗粒的自由沉降

自由沉降：容器壁和其它颗粒不影响沉降速度；

干扰沉降：实际颗粒的沉降。匀速阶段受力分析：

颗粒受力分析FeFDFb97其它条件相同时，小颗粒后沉降。◆影响沉降速度的因素其它条件相同时，密度大的颗粒先沉降。◆球形颗粒的沉降速度其它条件相同时，颗粒在空气较在水中易沉降。

①颗粒直径

②流体密度

③颗粒密度

98②过渡区

◆沉降速度计算③湍流区①层流区99问题：沉降速度ut未知，如何判断流型？解决方法：试差法或判据法（避免试差）判据法：将上式代入Rep中，得到：100令则101(2)非球形颗粒的沉降速度处理方法：可先假定为颗粒球形，然后校正。同样条件下因此ReP颗粒球形度对沉降速度的影响ut（非球形）/ut（球形）102(3)不均匀颗粒的沉降速度粒径不同时，大颗粒沉降速度快，小颗粒沉降速度慢。除去所有颗粒，应以最小颗粒直径计算ut

。

颗粒分级时，以不同粒度，分别进行计算ut

。(4)影响沉降速度的其它因素①干扰沉降------颗粒沉降时彼此影响

颗粒浓度对沉降速度的影响大量颗粒沉降，造成流体反向运动103反向运动速度：表明：

流体表观物性的影响

颗粒存在，改变了流体的表观密度和表观粘度。表观粘度：表观密度：104

③液滴或气泡变形液滴或气泡受曳力变形，影响计算准确性。②流体分子运动的影响

颗粒直径小于2~3μm以下时，抑制重力沉降。计算干扰沉降速度：④壁效应和端效应时,器壁有影响105

3.4.2重力沉降设备

(1)降尘室①结构及工作原理

入口截面：矩形

随气体的水平流速u；颗粒沉降速度ut。降尘室底面积：含尘气体积流量：含尘气流通截面积：颗粒运动速度分解：集尘斗气体入口气体出口降尘室含尘气体净化气体颗粒降尘室操作示意图106颗粒的停留时间颗粒的沉降时间②颗粒分离(沉降)条件③生产能力(可处理的尘气体积流量q

V)说明：生产能力由底面积、沉降速度决定，与降尘室高度无关，多用扁平形状或多层降尘室(层高40-100mm)含尘气体净化气体107气体速度的选取：说明：设计时，以所需分离的最小颗粒为基准适合于分离直径在75μm以上的粗粒，一般作预除尘用多层降沉室清洁气流含尘气流挡板隔板108(2)沉降槽（增稠器）利用重力沉降分离悬浮液的设备。分类：间歇式和连续式沉降过程：第一阶段：沉降槽上部，颗粒浓度低，近似自由沉降；第二阶段：沉降槽下部，颗粒浓度大，属于干扰沉降。沉降速度：通常由实验来确定。109①计算沉降槽的截面积

假定颗粒全从沉降槽底部排出，则该截面上流体向上流动速度为：若该截面处固体颗粒的沉降速度为utm，则应使u＜utm，于是得沉降槽的最小截面积为：注意：A的数值应在进料与底流之间的整个范围内进行计算，选出其中的最大值，再乘以适当的安全系数，作沉降槽的横截面积。110②计算沉降槽的高度沉降槽的总高度=压紧区高度+其它区域的高度(1~2m)压紧区高度：依据压紧时间来决定，压紧时间一般由间歇试验来确定。压紧区高度计算式为：注意：按上式计算出的压紧区高度，通常需附加75%的安全量。

1113.4.3离心沉降速度的计算(1)离心沉降速度

计算方法：同重力场，重力→离心力；

离心沉降速度ur：随颗粒旋转半径r变化。层流Stokes区：112(2)衡量离心分离性能的指标

离心分离因数:说明:评价离心分离设备的重要指标

KC越大，分离效能越高。1133.4.4

离心沉降设备工业上应用的两种型式：旋流器和离心沉降机。旋流器：设备静止，流体旋转运动；离心沉降机：设备本身和液体一起旋转。(1)旋风分离器

①基本结构与操作原理

进气口形状：矩形

尺寸：进口管A、B；圆柱筒直径D(主要尺寸)；排气口直径D1。进气排气出灰口旋风分离器示意图B114标准型旋风分离器尺寸间关系：②旋风分离器的性能参数

◆临界粒径dc：能够分离出的最小颗粒直径。假设条件：

a）颗粒与气体在器内等速运动，均为进口气速；

b）颗粒沉降时，最大距离是旋风分离器进气口宽度B；

c）颗粒沉降处于stokes区。沉降速度：115沉降时间：

设：气体旋转圈数N，则气流运行距离颗粒分离条件：气体停留时间：116◆分离效率：

（1）总效率（2）分级效率两者关系：按假设情况：实际情况：117◆旋风分离器的阻力

是旋风分离器的经济指标。分级效率曲线0102030405020406080100粒径

di/μm分级效率ηi/%101.00.1粒径比

di/d50分级效率ηi/%204060100标准旋风分离器的ηi与di/d50曲线118③常见旋风分离器的形式

1）进口方式

切向进口：切向进口方式结构简单，较常用。

旋风分离器切向进口B119螺旋面进口：结构复杂，设计制造不方便。蜗壳形进口：结构简单，减小阻力。轴向进口：常用于多管式旋风分离器。120

2）常用型式标准型、CLT/A型、CLP型、扩散式等。标准型：结构简单、容易制造、处理量大；适用于捕集密度大且颗粒尺寸大的粉尘。标准型旋风分离器121CLT/A型：具有螺旋面进口，结构与标准型旋风分离器相似；CLP型：蜗壳形进口，分为A型和B型；扩散式：适用于净化颗粒浓度较高的气体。多级旋风分离器122(2)旋液分离器

●分离液-固非均相混合物；

●结构与工作原理与旋风分离器类似；

●特点：形状细长、直径小、圆锥部分长；

●优点：结构简单，没有运动部件，体积小、处理量大；

●缺点：产生较大阻力；造成设备严重磨损。1－悬浮液入口管2－圆筒3－锥形筒4－第流出口5－中心溢流管6－溢流出口管123(3)

离心沉降机

▲分离液-固非均相混合物

▲特点：转速可以根据需要调整，适用于分离困难的体系，

▲常用的离心沉降机：转鼓式离心机、蝶片式离心机等。转鼓式离心沉降机：

1－固体2－液体124蝶片式离心机：

用途：分离乳浊液和从液体中分离少量极细的固体颗粒，广泛用于润滑油脱水、牛乳脱脂、饮料澄清等。125管式超速离心机：126

固定床：流体以较小的流速通过颗粒床层，颗粒保持静止状态。

流动情况：流体在床层的空隙中流动；

复杂性：孔道的形状、数目、流动状态随机，孔道中流动属层流，但局部出现湍流。

处理方法：简化床层，管外流问题→管内流问题。3.5 流体通过固定床的流动床层阻力：床层中所有颗粒所受曳力之和。优点：用简化的模型来代替床层内的真实流动，便于用数学方法来处理，然后再通过实验加以校正。3.5.1固定床的床层简化模型127

1）颗粒床层由许多平行的细管组成，孔道长度与床层高度成正比；

2）孔道内表面积之和=全部颗粒的外表面积；

3）孔道内全部流动空间=床层中空隙的体积；简化模型：根据模型：Lu(a)u(b)实际床层简化模型128以1m3床层为基准虚拟细管的当量直径：Lu(a)u(b)实际床层简化模型1293.5.2流体流过固定床的阻力

(1)层流

130(2)湍流根据范宁公式：适用条件：高度湍流，摩擦系数为常数。实验数据证明，

131

(3)欧根(Ergun)方程将以上两方程叠加得到：

(4)欧根方程的其它形式优点：适应于各种流型。132▲层流

▲湍流13312310201002001000231020100200ReP/(1-ε)fFfF与ReP/(1-ε)的关系134过滤目的：从悬浮液中分离出固体颗粒。过滤原理：在外力的作用下，悬浮液中的液体通过多孔介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固、液分离。过滤术语：滤浆：过滤操作所处理的悬浮液过滤介质：所用的多孔物质（过滤介质是织物时，称为滤布)；滤液：通过介质孔道的液体；滤饼（滤渣）：被截留的物质。3.6过滤135

(1)工业过滤方式:深层过滤、滤饼过滤

特点：固体颗粒的沉积发生在较厚的粒状过滤介质内部，过滤介质表面上无颗粒层形成。特点：固体颗粒呈饼层状沉积于过滤介质的上游一侧，形成滤饼层。适用：处理颗粒含量较高的悬浮液，是化工生产中的主要过滤方式。适用：悬浮液中颗粒尺寸甚小而且含量甚微的场合。悬浮液过滤介质滤液深层过滤清液过滤介质悬浮液滤饼滤饼过滤136滤饼过滤中流体→滤饼层(固定床)+过滤介质过滤后期，滤饼为主要的“过滤介质”。137(2)过滤介质

要求：具有多孔性，足够的机械强度。

①丝织物品：棉、麻、合纤、金属网(滤布、滤纸)；

②多孔性固体介质：多孔塑料；

③堆积介质：砂、木炭、石棉粉等。(3)过滤推动力克服流体流动阻力，提高过滤速度。

过滤推动力:重力、离心力、压力差。

化工生产上常用压差作推动力，压差有可调性。

138(5)助滤剂

目的：减小过滤阻力；

使用方法：预涂法、预混法。

要求：助滤剂应能较好地悬浮于料液中，颗粒大小合适，助滤剂中还不应含有可溶于滤液的物质。注意：当滤饼是产品时不能使用助滤剂。(6)过滤过程特点

▲服从流体经过固定床的流动规律，

▲随过滤进行，床层厚度↑，过滤阻力↑。(4)滤饼的压缩性不可压缩滤饼：推动力↑时，ε不变；阻力随厚度↑；可压缩滤饼：推动力↑时，ε↓，阻力↑↑。139(1)对所得固体颗粒进行质量衡算

滤饼中固体颗粒质量=滤浆质量×滤浆中固体颗粒质量分率x

设：获得单位体积滤液所形成滤饼体积v

，

(2)对滤饼进行质量衡算

3.6.2 过滤过程的物料衡算

1403.6.3过滤基本方程式

(1)过滤速度与过滤速率过滤速率：过滤速度：

计算前提：*过滤过程可视为流体通过固定床的流动；*滤液通过滤布和滤饼的流动多处于层流区。①滤饼层阻力

141

②过滤介质(滤布)阻力

Le：滤布阻力折成滤饼阻力的当量厚度。③过滤总阻力142(2)过滤的基本方程式

(3)滤饼比阻r及常数k

①滤饼比阻说明：滤饼结构对过滤阻力的影响，大小与滤饼特性常数a、ε有关。滤饼厚度：当量滤饼厚度：143r与压差Δp关系不可压缩滤饼：a、ε=常数，则r与Δp无关

r0：单位压差下的滤饼比阻，与Δp无关。

s

：压缩指数不可压缩滤饼s=0；可压缩滤饼s≠0(0.2-0.8)。

影响因素：滤液性质、滤浆浓度、滤饼性质。说明：k与Δp无关。②滤饼常数k可压缩滤饼：反映物料特性的常数。144计算内容：设计型、操作型。过滤的操作方式：

恒压过滤：Δp一定，过滤阻力↑，u↓；

恒速过滤：u

一定，则需Δp↑；

先恒速，后恒压组合操作。明确：过滤过程——非稳态过程。3.6.4 过滤计算145（1）恒压过滤

过滤基本方程式：146147(2)恒速过滤特点：速度恒定，V均匀，要求Δp↑

。148(3)先恒速后恒压过滤——分段计算（注意边界条件）149(4)过滤常数的测定测定数据：

实验条件：同种悬浮液，恒定压差、恒定温度①实验测定K，qe，τe150Δp

与过滤常数

K的关系：不可压缩滤饼：根据定义：

可压缩滤饼：151

不同压差下，测K，做图求s，r0。②实验测定s，r0log(K)log(p)ab152

3.6.5滤饼的洗涤

目的：回收滤饼中滤液，或除去滤饼中可溶性杂质；

方法：恒压洗涤，压差为过滤的最终压差；特点：洗涤速率恒定（滤饼厚度不变，阻力恒定）

计算的内容：使用一定量洗涤液时所需要的洗涤时间。

洗涤液用量：取决于对滤渣的质量要求或滤液的回收要求；洗涤速率：与洗涤液的性质及洗涤方法有关，后者又与所用的过滤设备结构有关。1533.6.6 过滤机及其生产能力

以压力差为推动力：板框式压滤机（间歇操作）；叶滤机（间歇操作）；回转真空过滤机（连续操作）。

以离心力为推动力：离心过滤机。

(1)板框式压滤机①结构和工作原理

滤框、滤板—洗涤板，非洗涤板。料液通道2钮1钮3钮洗涤液通道洗涤板框非洗涤板154排列方式：板、框交替，个数可调。操作周期：组装→过滤→洗涤→卸渣→整理。操作方式：间歇操作滤液滤浆过滤过程：155洗液废洗液洗涤过程：优点：操作灵活，过滤面积大，可承受较大压力；缺点：劳动强度大，操作不连续，生产效率低。156②板框过滤机的生产能力生产能力：一个周期内，单位时间可获得滤液量。洗涤时间τw的计算：

洗涤条件：洗涤压差=过滤最终压差；洗涤时，滤饼厚度不变；洗涤液粘度与滤液相近。157洗涤L过滤L滤液穿过滤饼厚度L/2L

流通截面2A(A框面积)A推动力过滤终了Δp洗涤Δp速率洗涤方法：横穿洗涤法

速率间关系：158最终过滤速率：159③最佳过滤周期最佳：安排操作周期，使生产能力最大。时，过滤机生产能力最大160②叶滤机的生产能力(2)叶滤机

①结构和工作原理主要部件：机壳，滤叶

操作方式：间歇操作

操作周期：过滤→洗涤→卸渣

洗涤方式：置换法

42-金属网;2531滤叶的构造1-空框;3-滤布;4-顶盖;

5-滤饼161③最佳操作周期(3)回转真空过滤机①结构和工作原理

主要部件：水平转筒、分配头；

操作方式：恒压、连续操作；

操作周期(旋转一周)：过滤→洗涤→吸干→吹松→卸渣。1621-转筒；2-分配头；3-洗涤水喷嘴4-刮刀；5-悬浮液槽；6-抖搅器卸渣区洗涤脱水区过滤区123456回转真空过滤机操作简图16312345回转真空过滤机的分配头转动盘固定盘1、2－与滤液储槽相同的槽；3－与洗液相通的槽；4、5－通压缩空气的孔164

设：转筒过滤面积A，一生产周期得滤液量V，转筒浸没分率φ，转数n（rps）②生产能力Vh生产周期：过滤时间：过滤基本方程式：卸渣区洗涤脱水区过滤区123456165

n：0.1-3rpm，过高，滤饼薄，不易卸料；φ

：过滤面积为转筒总面积的30%-40%为宜。(4)其它过滤设备①预涂层转鼓真空过滤机

普通回转真空过滤机的改进型式优点：滤饼层很薄，过滤速度较高，滤饼可卸得很干净；适用：一些粒度小、易受压变形，且渗透性很差的固体颗粒形成的悬浮液。166②真空式带式过滤机特点：滤饼薄，过滤速度大，可用于颗粒小、可压缩性滤饼的过滤；卸饼快且干净；辅助时间较短。适用：有色冶金、化工、制药、磷酸工业和环境保护。1－预涂层加料槽2－配料罐3－悬浮液4－密封罩5－滤饼6－真空室167③可变容积过滤机可变容积过滤机的结构类似于板框压滤机，但其滤板用钢材加强的硬橡皮制成，因厚度小，使过滤空间增大。（a）（b）（a）过滤1－料液2－滤饼3－滤液4－滤布5－橡皮膜（b）过滤1－被压缩滤饼2－钢板3－压缩空气168④管式压滤机管式压滤机由一根或多根钻孔管组成，这些管由支撑板支撑排列在受压的筒体容器内，有卧式和立式两种类型。优点：更换过滤介质容易，过滤周期可根据需要调节，滤饼损失量小，滤液在壳内容易排净，得到的滤饼含湿量小且维修方便。缺点：更换介质等需人工操作，密度大的颗粒可能沉积在封头与管板组成的加料室内。适用：小型工厂和中试场合，过滤较细颗粒物料。卧式立式169⑤带式压榨过滤机脱水过程：重力过滤区、楔形挤压区、挤压压榨区挤压区段是该机的主要脱水区1－加料；2－重力区；3－上带调偏；4－下带张紧；5－上带张紧；6－楔行区；7－下带调偏听偏；8－卸料；9－压力区1703.6.7离心过滤

(1)工作原理过滤推动力：离心力；离心机分类：常速、高速、超速离心机。

(2)

离心过滤计算作用在薄圆筒形液体上的离心力为：由此产生的径向压力差为：R1h离心机过滤R3171颗粒在旋转流体中的运动172则积分基本方程式有:(3)离心过滤机型式及操作若滤饼厚度相对转鼓半径可忽略不计,则过滤面积可视为常数,令忽略介质阻力,离心过滤的基本方程式为:173①三足式离心机优点：构造简单、运转周期灵活；缺点：卸料时劳动条件差、检修不方便；适用：小批量物料处理，各种盐类结晶的过滤和脱水。1－底盘；2－支柱；3－缓冲弹簧；4－摆杆；5－鼓壁；6－转鼓底；7－拦液板；8－机盖；9－主轴；10－轴承座；11－制动吕手柄；12－外壳；13－电动机；14－制动轮；15－滤液出口174②刮刀卸料式离心机优点：连续运转、生产能力大、劳动条件好；适用：直径在0.1mm以上的颗粒的过滤；不适用：细、粘颗粒的过滤，必须保持晶粒完整的物料的过滤。175③活塞往复式卸料离心机适用：颗粒直径较大（>0.15mm)、浓度大（>30%)的滤浆食盐、硫酸铵、尿素等的生产中。121－原料液2－洗涤液3－脱液固体4－洗出液5－滤液1763.7.1床层的流态化过程

三个阶段：固定床、流化床、颗粒输送。3.7固体流态化及气力输送177(1)固定床阶段

颗粒静止（流体空床流速小，颗粒受曳力小）；床层高度、空隙率，均保持不变；阻力服从欧根方程(）。

(2)流化床(沸腾床)阶段空床流速↑，颗粒受曳力↑，把颗粒托起；

临界流化状态(起始流化状态）：

最小流化速度178

空床流速一定时，有一个稳定的床层上界面。(3)颗粒（气力或液力）输送当u=ut时，颗粒被带走。

带出速度：颗粒被吹出的临界速度。1793.7.2流化床类似液体的特性流化床类似液体的性质180

（1）密度比床层密度小的物体能浮在床层的上面;

（2）床层倾斜，床层表面仍能保持水平；

（3）床层中任意两截面间的压差可用静力学关系式表示（△p=ρgL,）；

（4）有流动性，颗粒能像液体一样从器壁小孔流出；（5）联通两个高度不同的床层时，床层能自动调整平衡。 1813.7.3流体通过流化床的阻力

固定床阶段，阻力服从欧根方程，如图中a段；流化床阶段，床层压降基本恒定，如图中cd段；12351020304050100水力或气力输送流化床固定床斜率=1umfaa'夹带开始△p,mmH2Oe空气流速ucm/s流化床阻力损失与流速的关系（空气、沙粒系统）c,dbut182

即：流化床层阻力=单位面积床层中颗粒的总重力，

因此流化床阶段，床层压降基本恒定。流化床阶段，近似认为颗粒处于动态平衡。1833.7.4

流化床的流化类型与不正常现象（1）流化类型①散式流化：颗粒均匀地分散在流动的流体中，有一稳定的上界面。如：大多数液-固流化。

②聚式流化：床层中存在两个不同的相乳化相（固体浓度大、分布均匀的连续相），气泡相（夹带少量固体颗粒以气泡形式通过床层的不连续相）。如：气-固流态化③判断依据：弗鲁特准数Fr184（2）腾涌①现象：