化工原理B（下）：第三章 机械分离

1第三章机械分离(非均相混合物的分离)23-1引言一、机械分离通过机械力（重力、离心力或压差）分离非均相混合物的单元操作。二、机械分离的目的及重要性使原料得到提纯和净化获得中间产品或成品回收有用物质机械分离在环境保护方面具有重要的作用三、机械分离的常用方法1.筛分2.沉降3.过滤3沉降:(1)依靠某种作用在粒子上的力(重力、离心力）（2）利用非均相混合物中各物质的ρ差异（3）使之发生相对运动，而将不同物质分离的过程沉降过程与物理学中的自由落体是否相同？它们间有何区别？区别：沉降：流体对下落固体颗粒的阻力不能忽略d=0.1~300m自由落体：流体对下落固体颗粒的阻力可以忽略d>300m因为沉降依据的有重力或离心力，重力沉降离心沉降所以沉降又可分为第二节沉降分离

4一固体颗粒在流体中的沉降运动

1．颗粒沉降运动中的受力分析

d，

s的球形颗粒(1)作用力重力离心力（一）重力沉降原理—沉降速度5(2)浮力重力场离心力场(3)阻力两种阻力：包括表皮阻力和形体阻力。当颗粒速度很小时，流体对球的运动阻力主要是粘性摩擦或表皮阻力。若速度增加，便有旋涡出现，即发生边界层分离，表皮阻力让位于形体阻力。阻力大小的计算仿照管路阻力的计算，即认为阻力与相对运动速度的平方成正比。672．沉降速度与阻力系数

（1）重力沉降速度u0

总合力=重力-浮力-阻力=颗粒质量×加速度

8重、浮一定，u

，阻力，加速度加速度=0时，u=u0——沉降速度9（2）离心沉降速度

10—颗粒实际运动速度在径向上的分量—方向：由圆心指向外；—轨迹：逐渐扩大的螺旋线，11（3）公式成立假定条件—其它因素对u0的影响①颗粒为球形；

②颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰—自由沉降③容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略即④颗粒直径不能小到受流体分子运动的影响即（4）阻力系数因次分析

d—颗粒直径,12阻力系数~Re0关系图13①层流区(Stokes区)

—可以从理论上推导出,可以近似用到Re0=2从Stokes公式可知:表皮阻力占主导地位不发生边界层分离—Stokes公式(2)(1)14②过渡区(Allen区)

开始发生边界层分离颗粒后部形成旋涡——尾流尾流区压强低形体阻力增大15③湍流区(牛顿区)

形体阻力占主导地位，表皮阻力可以忽略阻力

u2阻力系数与Re0无关④Re0>2105近似取

=0.1离心力场中的ur，将g替换为16（5）离心沉降与重力沉降的比较①作用力不同②作用力的方向不同③重力沉降速度是颗粒运动的绝对速度离心沉降速度不是颗粒运动的绝对速度,而是绝对速度在径向上的分量重力沉降方向指向地心离心沉降方向沿旋转半径从中心指向的方向

(6)分离因数—离心沉降设备的重要性能指标17二重力沉降分离设备3-5．降尘室

18（1）工作原理

气体入室减速颗粒的沉降运动&随气体运动沉降运动时间<气体停留时间分离说明①d

，容易除去②气量V

，容易除去（2）能(100%)被除去的最小颗粒直径

100%去除——室顶到室底19所需沉降时间=H/u0在室内停留时间=L/u分离满足的条件：颗粒被分离所需最低沉降速度假设沉降是在层流区则在降沉室内能被分离的最小颗径20说明①dmin~颗粒、气体性质，气体处理量，底面积②考虑是dmin

，一般认为处在层流区（3）最大处理量（生产能力）

说明①Vmax~某一粒径能100%被去除②Vmax~(100%去除的)d,A0，与H无关③

对于d'<dmin的颗粒被分离的分率h—在停留时间内直径为d'的颗粒的沉降垂直距离—直径为d'的颗粒的沉降速度2122三离心沉降设备重力沉降的不足与离心沉降的优势设备体积小而分离效率高3-9．旋风分离器

一、构造与工作原理

圆筒、圆锥、矩形切线入口气流获得旋转向下锥口向上，气芯

顶部中央排气口23颗粒器壁滑落各部分尺寸——按比例(见教材)二、旋风分离器的主要性能

能被分离出的最小颗粒直径——临界直径dc1、分离性能——评价分离性能的两种不同方式有

分离效率

粒级效率

:混合物经旋风分离器后某一(范围的)粒径被分离出来的质量分数d>dc的颗粒

=1总效率

O：被分离出来的颗粒占全部颗粒的质量分数24

O与i2、压降能量损失——进气管、排气管、器壁、各个局部，气旋常表示为阻力系数实测经验三、选型与计算

—颗粒的质量分数25第三节过滤3-11过滤基本原理1

过滤固液混合，外力驱动，多孔介质，颗粒截留，液体通过26说明：

名词：过滤介质；滤浆；滤渣(饼)；滤液

过程推动力：重力；压力(差)；离心力

滤饼过滤与深层过滤

操作目的：固体或清净的液体

洗涤——回收滤饼中残存的滤液或除去其杂质2.过滤介质—支撑滤饼或截留颗粒，通过滤液27—要求流动阻力小，机械强度高①织物介质—滤布(织物、网)，5-65m，工业应用广泛②堆积介质—固体颗粒或纤维等堆积，—深层过滤

③多孔固体介质：具有微细孔道的固体，1-3m④多孔膜：有机膜、无机膜。1m以下

3．滤饼的可压缩性和助滤剂

滤饼受压

，

，流动阻力助滤剂——加入，使滤饼疏松而坚硬283-12过滤设备1．板框过滤机

（1）结构与工作原理

按操作方式间歇过滤机—压滤机,叶滤机连续过滤机—转筒真空过滤机(多采用真空操作)(可在较高的压强下操作)结构滤板滤框洗涤板非洗涤板29301-非洗涤板；2-框；3-洗涤板；组装:1-2-3-2-1-2-3-2-1-2-3-2-1滤布—框的两侧滤浆由总管入框

框内形成滤饼

滤液穿过饼和布

经每板上旋塞排出(明流)

从板流出的滤液汇集于某总管排出(暗流)过滤31横穿洗涤：洗涤液由总管入板

滤布

滤饼

滤布

非洗涤板

排出洗涤面=(1/2)过滤面积,洗涤液行程与滤液相同。洗涤面=过滤面置换洗涤：说明①间歇操作——装合、过滤、洗涤、卸渣、整理②主要优缺点

板框压滤机构造简单，过滤面积大而占地省，过滤压力高，便于用耐腐蚀材料制造，操作灵活，过滤面积可根据生产任务调节。主要缺点是间歇操作，劳动强度大，生产效率低。洗涤液穿过的滤饼厚度=过滤终了时滤液穿过厚度的2倍32332．叶滤机

3．转筒过滤机

（1）结构与工作原理

34水平转筒分为若干段，滤布蒙于侧壁段—管—分配头转动盘(多孔)——分配头固定盘(凹槽2、凹槽1、凹槽3)—三个通道的入口滤液真空管洗水真空管吹气管工作过程—跟综一段①

当浸入滤浆中时，对应滤布—对应管—转动盘孔—凹槽2—滤液真空管—滤液通道—过滤35②当位于水喷头下，对应滤饼、滤布—对应管—转动盘孔—凹槽1—洗水真空管—洗水通道—洗涤③吹气管—凹槽3—转动盘孔—对应管—滤布—滤饼—压缩空气通道—吹松④

遇到刮刀—卸渣⑤两凹槽之间的空白处：没有通道——停工—两区不致串通主要优缺点：

转筒过滤机的突出优点是操作自动，对处理量大而容易过滤的料浆特别适宜。其缺点是转筒体积庞大而过滤面积相形之下嫌小；用真空吸液，过滤推动力不大，悬浮液中温度不能高。363-13过滤基本理论

1.颗粒（滤饼）物理模型与基本参数物理模型:

颗粒（滤饼）一组平行细管—流体通道①细管内表面=滤饼内颗粒全部表面②细管的总体积=滤饼内空隙体积基本参数(1)空隙率

：滤饼中空隙体积/滤饼总体积(2)比表面积S0：颗粒表面积/颗粒体积(3)孔道(细管)平均长度le：滤饼厚度，即le=K0L37(4)孔道(细管)当量直径de：(5)滤液流速(细管中）:382.过滤速度及其表达(1)定义A—过滤面积；

—过滤时间；V—滤液体积说明u1与u的关系(2)过程推动力——滤浆侧和滤液侧的压差滤饼压降介质压降u—瞬时过滤速度，m3/s·m2，m/s39

(3)

p1的表达——Hagen-Poiseuille方程(4)滤饼层的阻力

le(L)

，如p不变，则u—瞬时速度

恒压降速，恒速升压说明其中r——滤饼的比阻,取决滤饼的性质40u=滤饼层推动力/滤饼层阻力。滤饼阻力~滤饼层的性质和L及滤液的

。说明(5)过滤介质的阻力近似：阻力~厚度为Le的一层滤饼(6)总推动力与总阻力41(7)过滤速度的两种具体表达形式定义:AL=cV—获取单位体积滤液所得滤饼体积系数：c=AL/VVe—与Le对应的滤液体积。不存在，虚拟量，

~滤饼的性质及过滤介质形式1—过滤基本方程式(不可压缩滤饼)~滤浆浓度与颗粒性质(3-40)423(恒压)过滤方程式

积分形式1c、r、

~与时间无关(对于一定的悬浮液为常数)Ve、A、p常数——过滤常数（m2/s）另一写法其中43说明①过滤方程式——V~

的关系，抛物线44②关于过滤常数K和qe——滤饼的(不

)可压缩性，③K,qe~p的关系平均r~p:s—压缩性指数,r0_单位压强差下滤饼的比阻为常数;不可压缩，s=0④可压缩滤饼的过滤基本方程式45对过滤方程进行微分微分用增量代替连续测定，q算出一系列及对应q/q~q作图，直线斜率=2/K，截距=2qe/K原理二过滤方程同除以Kq测量变量相同4．过滤常数的实验测定

原理一46/q~q作图，直线斜率=1/K，截距=2qe/K讨论①实验条件必须与生产条件一致——过滤机设计在不同p下测多个常数②对一定的悬浮液

,c一定，一定p测出Kr；多次

一组（r,p）双对数坐标，直线斜率=s,

截距=r047四过滤计算

1．间歇过滤机的计算

（1）操作周期与生产能力

操作周期总时间总时间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设计型计算:已知V和θ求A(解题指南P73例3-1、3-2）操作型计算:已知A求Q48已知K，qe，由过滤方程，

FVFQ（2）洗涤速率和洗涤时间

一般认为：洗涤液量滤液量，即假定：洗涤液粘度与滤液相同；洗涤压力与过滤时相同

洗涤速率：单位时间内通过滤饼层的洗涤液体积洗涤速率恒定

滤饼厚度不变①叶滤机的洗涤速率和洗涤时间——置换洗涤49对置换洗法50②板框压滤机的洗涤速度和洗涤时间——横穿洗涤

洗涤时间51若不满足两个假定，则对置换洗法:对横穿洗涤:：52写成通式:53，（3）最佳操作周期在一个操作周期中,

R—一般固定

F

，V，L,,Q可能

F

，V，L,但R所占比例大，Q可能在一个最优的过滤时间，使Q最大可以证明：

F+W=R(介质阻力不计),则Q可达最大(见书P109-110)54介质阻力有计时的最佳操作周期与最大生产能力(见指南P68-70)生产能力：(a)(b)55(指南3-37）56将式(a)式(b)带入（3-37）得【指南（3-38）】2．连续过滤机的计算(1)操作周期与过滤时间间歇过滤机：部分时间，全部面积—

过滤连续过滤机：部分面积，全部时间—

过滤转筒过滤机，每秒n周，则

C=1/n—每周用时转筒表面浸入分数：57一个周期中全部面积经历过滤时间部分面积，全部时间—

全部面积，部分时间

CA（2）生产能力

58当滤布阻力可以忽略Q~A，，n说明

，过滤面积，其它面积，操作可能达不到要求n

，

F

，L，难以卸渣，功率消耗59例题2在试验装置中过滤钛白的水悬浮液，过滤压力为3kgf/cm2

（表压），求得过滤常数如下：K=510-5m2/s，qe=0.01m3/m2。又测出滤渣体积与滤液体积之比c