第3章非均相物系的分離

第三章非均相物系的分離本章學(xué)習(xí)指導(dǎo)1本章學(xué)習(xí)目的通過本章的學(xué)習(xí)，要重點(diǎn)掌握沉降和過濾這兩種機(jī)械分離操作的原理、過程計(jì)算、典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)與特性，能夠根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，合理選擇設(shè)備類型和尺寸。2本章應(yīng)掌握的內(nèi)容

a沉降分離（包括重力沉降和離心沉降）的原理、過程計(jì)算、旋風(fēng)分離器的選型。

b

過濾操作的原理、過濾基本方程式推導(dǎo)的思路，恒壓過濾的計(jì)算、過濾常數(shù)的測定。均相物系(honogeneoussystem):

均相混合物。物系內(nèi)部各處均勻且無相界面。如溶液和混合氣體都是均相物系。非均相物系(non-honogeneoussystem):非均相混合物。物系內(nèi)部有隔開不同相的界面存在，且界面兩側(cè)的物料性質(zhì)有顯著差異。如：懸浮液、乳濁液、泡沫液屬于液態(tài)非均相物系，含塵氣體、含霧氣體屬于氣態(tài)非均相物系。自然界的混合物分為兩大類非均相物系由分散相和連續(xù)相組成分散相：分散物質(zhì)。在非均相物系中，處于分散狀態(tài)的物質(zhì)。連續(xù)相：分散介質(zhì)。包圍著分散物質(zhì)而處于連續(xù)狀態(tài)的流體。分離的目的：凈化、提純、資源化

要實(shí)現(xiàn)分離，必須使分散相和連續(xù)相之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，非均相物系的分離操作遵循流體力學(xué)的基本規(guī)律。非均相物系的分離原理：

非均相物系分離的理論基礎(chǔ)：根據(jù)兩相物理性質(zhì)(如密度等)的不同而進(jìn)行的分離。非均相物系的分離方法：由于非均相物的兩相間的密度等物理特性差異較大，因此常采用機(jī)械方法進(jìn)行分離。按兩相運(yùn)動(dòng)方式的不同，機(jī)械分離大致分為沉降和過濾兩種操作。通常先造成一個(gè)兩相物系，再用機(jī)械分離的方法分離，如蒸餾，萃取等。均相物系的分離：教學(xué)方向課程內(nèi)容簡單介紹顆粒的特性、單個(gè)顆粒的性質(zhì)、混合顆粒的特性參數(shù)目的與要求了解顆粒的特性、單個(gè)顆粒的性質(zhì)、混合顆粒的特性參數(shù)重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：混合顆粒、單個(gè)顆粒的性質(zhì)難點(diǎn)：混合顆粒解決辦法舉例、提問、作業(yè)、講解學(xué)時(shí)1教學(xué)方式多媒體教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥⒂^作業(yè)3.1顆粒的特性3.1顆粒的特性3.1.1單個(gè)顆粒的性質(zhì)大小(尺寸)、形狀、表而積〔或比表面積)形狀規(guī)則的顆粒（1）顆粒大小用某一個(gè)或幾個(gè)特征尺寸表示，如球形顆粒的大小用直徑ds表示。（2）比表面積單位體積顆粒所具有的表面積，其單位為m2/m3，球形顆粒為形狀不規(guī)則的顆粒（1）顆粒的形狀系數(shù)球形度3.1.2混合顆粒的特性參數(shù)（2）顆粒的當(dāng)量直徑①等體積當(dāng)量直徑dev,體積等于顆粒體積的球形顆粒的直徑，稱為非球形顆粒的等體積當(dāng)量直徑dev=(6V/π)1/3②等比表面積當(dāng)量直徑dea,比表面積等于顆粒比表面積的球形顆粒的直徑形顆粒的等比表面積當(dāng)量直徑

dea=6/a兩個(gè)當(dāng)量直徑之間的關(guān)系dea=ψdev3.1.2.1顆粒的篩分尺寸標(biāo)準(zhǔn)篩=>泰勒(Tyler)標(biāo)準(zhǔn)篩=>目=>篩分分析=>稱量篩分=>數(shù)據(jù)分析=>顆粒群的粒徑分布篩孔的大小以每英寸長度篩網(wǎng)上所具有的篩孔數(shù)目表示，稱為目統(tǒng)計(jì)學(xué)原理3.1.2.2顆拉群的平均特性參數(shù)顆粒群的平均粒徑dam=6/am=1/Σxi(1/dai)3.2沉降1.球形顆粒的自由沉降2.阻力系數(shù)ζ3.影響沉降速度的因素4.沉降速度的計(jì)算教學(xué)方向課程內(nèi)容學(xué)習(xí)顆粒-流體間的阻力、重力沉降、重力沉降設(shè)備、離心沉降速度、離心沉降設(shè)備凈化方法目的與要求掌握重力沉降和離心沉降的基本原理，沉降速度基本計(jì)算方法及沉降鑒定，旋風(fēng)分離器的主要性能。重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：沉降的基本理論、基本方程難點(diǎn)：沉降基本方程的應(yīng)用、設(shè)備解決辦法舉例、提問、作業(yè)、講解學(xué)時(shí)1教學(xué)方式多媒體教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥⒂^作業(yè)P1016、7、8、9、103.2沉降圖流體繞過顆粒的流動(dòng)uFdFd與顆粒運(yùn)動(dòng)的方向相反當(dāng)流體相對(duì)于靜止的固體顆粒流動(dòng)時(shí)，或者固體顆粒在靜止流體中移動(dòng)時(shí)，由于流體的粘性，兩者之間會(huì)產(chǎn)生作用力，這種作用力通常稱為曳力（dragforce)或阻力。只要顆粒與流體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生阻力。對(duì)于一定的顆粒和流體，只要相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度相同，流體對(duì)顆粒的阻力就一樣。3.2.1顆粒-流體間的阻力將表面光滑的剛性球形顆粒置于靜止的流體介質(zhì)中，若顆粒的密度大于流體的密度，則顆粒將在流體中降落u重力Fg阻力Fd浮力Fb重力沉降是利用流體中的固體顆粒受地球吸引力場的作用而發(fā)生的沉降過程

ρ——流體密度；μ——流體粘度；dp——顆粒的當(dāng)量直徑；A——顆粒在運(yùn)動(dòng)方向上的投影面積；u——顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。

——阻力系數(shù)，是雷諾數(shù)Re的函數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定。顆粒所受的阻力Fd可用下式計(jì)算3.2.2球形顆粒的重力沉降根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，顆粒所受三個(gè)力的合力應(yīng)等于顆粒的質(zhì)量與加速度的乘積，即

Fg-Fb-Fd=ma

p為顆粒密度隨著顆粒向下沉降，u逐漸增大，du/d

逐漸減少。當(dāng)u增到一定數(shù)值ui時(shí)，du/d=0。顆粒開始作勻速沉降運(yùn)動(dòng)。上式表明：顆粒的沉降過程分為兩個(gè)階段：沉降速度（terminalvelocity）：也稱為終端速度，勻速階段顆粒相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)du/d

=0時(shí)，令u=ut，則可得沉降速度計(jì)算式加速階段；勻速階段。阻力系數(shù)ζ根據(jù)阻力隨顆粒雷諾數(shù)變化的規(guī)律，可分為三個(gè)區(qū)域：滯流區(qū)或斯托克斯定律區(qū)（10-4<Ret<1)過渡區(qū)或艾侖定律區(qū)（1<Ret<103）湍流區(qū)或牛頓定律區(qū)（103<Ret<2×105）幾種фs值下的阻力系數(shù)ζ與雷諾數(shù)Ret的關(guān)系曲線如圖所示將阻力系數(shù)的計(jì)算式代入，得到不同顆粒雷諾數(shù)范圍內(nèi)ut的計(jì)算式：湍流區(qū)過渡區(qū)滯流區(qū)試差法由于在計(jì)算出ut之前Ret的大小未知，因此要通過試差確定應(yīng)該選取的計(jì)算公式。即：先假設(shè)沉降屬于某一流型，則可直接選用與該流型相應(yīng)的沉降速度公式計(jì)算，然后按求出的ut檢驗(yàn)Ret值是否在原假設(shè)的流型范圍內(nèi)。沉降速度的計(jì)算摩擦數(shù)群法該法是將ζ與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線加以轉(zhuǎn)換，使其兩個(gè)坐標(biāo)軸之一變成不包含ut的無量綱數(shù)群，進(jìn)而便可得ut假設(shè)流體流動(dòng)類型；計(jì)算沉降速度；計(jì)算Re，驗(yàn)證與假設(shè)是否相符；如果不相符，則轉(zhuǎn)①。如果相符，OK!求沉降速度的試差法。沉降速度的求法：

例：計(jì)算直徑為95m，密度為3000kg/m3的固體顆粒分別在20℃的空氣和水中的自由沉降速度。計(jì)算Re，核算流型：假設(shè)正確，計(jì)算有效。解：在20℃的水中：20℃水的密度為998.2kg/m3，粘度為1.005×10-3Pas先設(shè)為層流區(qū)。影響沉降速度的因素1.顆粒的體積濃度當(dāng)顆粒的體積濃度小于0.2%時(shí)，理論計(jì)算值的偏差在1%以內(nèi)，當(dāng)顆粒濃度較高時(shí)便發(fā)生干擾沉降2.器壁效應(yīng)3.顆粒形狀的影響當(dāng)容器尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒尺寸時(shí)，器壁效應(yīng)可忽略，否則需加以考慮同一種固體物質(zhì)，球形或近球形顆粒比同體積非球形顆粒的沉降快一些。降塵室：利用重力降分離含塵氣體中塵粒的設(shè)備。是一種最原始的分離方法。一般作為預(yù)分離之用，分離粒徑較大的塵粒。降塵室的示意圖3.2.3.1降塵室3.2.3重力沉降設(shè)備假設(shè)顆粒運(yùn)動(dòng)的水平分速度與氣體的流速u相同；停留時(shí)間＝l/u沉降時(shí)間t＝H/ut顆粒分離出來的條件是l/u≥H/utlHb凈化氣體含塵氣體uut降塵室的計(jì)算即：滿足L/u＝H/ut

條件的粒徑當(dāng)含塵氣體的體積流量為Vs時(shí)，

u=Vs/Hb故與臨界粒徑dpc相對(duì)應(yīng)的臨界沉降速度為utc=Vs/

blut≥Vs/lb則有或Vs≤

blut

臨界沉降速度utc是流量和面積的函數(shù)。臨界粒徑dpc（criticalparticlediameter）：能100％除去的最小粒徑。當(dāng)塵粒的沉降速度小，處于斯托克斯區(qū)時(shí)，臨界粒徑為一定粒徑的顆粒，沉降室的生產(chǎn)能力只與與底面積bl和utc有關(guān)，而與H無關(guān)。故沉降室應(yīng)做成扁平形，或在室內(nèi)均勻設(shè)置多層隔板。氣速u不能太大，以免干擾顆粒沉降，或把沉下來的塵粒重新卷起。一般u不超過3m/s。由此可知：當(dāng)降塵室用水平隔板分為N層，則每層高度為H/N。水平速度u不變。此時(shí)：多層隔板降塵室示意圖含塵氣體粉塵隔板凈化氣體塵粒沉降高度為原來的1/N倍；utc降為原來的1/N倍(utc=Vs/

bl)

；臨界粒徑為原來的倍()；一般可分離20μm以上的顆粒。多層隔板降塵室排灰不方便。例：用高2m、寬2.5m、長5m的重力降塵室分離空氣中的粉塵。在操作條件下空氣的密度為0.799kg/m3，粘度為2.53×10-5Pa·s，流量為5.0×104m3/h。粉塵的密度為2000kg/m3。試求粉塵的臨界直徑。解：與臨界直徑對(duì)應(yīng)的臨界沉降速度為假設(shè)流型屬于過渡區(qū)，粉塵的臨界直徑為校核流型故屬于過渡區(qū)，與假設(shè)相符。Vs≤

blut

1)計(jì)算ut：2)確定低面積和b,l：3)確定沉降距離H已知含塵氣體的流量，粉塵的排放標(biāo)準(zhǔn)，氣固兩相的物理參數(shù)。沉降室的設(shè)計(jì)計(jì)算要點(diǎn)沉聚（sedimentation）：懸浮液放在大型容器里，其中的固體顆粒在重力下沉降，得到澄清液與稠漿的操作。澄清：當(dāng)原液中固體顆粒的濃度較低，而為了得到澄清液時(shí)的操作，所用設(shè)備稱為澄清器（clarifier）。增稠器（thickener）：從較稠的原液中盡可能把液體分離出來而得到稠漿的設(shè)備。3.2.3.2懸浮液的沉聚增稠器溶膠：含有顆粒大小會(huì)直徑小于1μm的液體。為了促進(jìn)細(xì)小顆粒絮凝成較大顆粒以增大沉降速度，可往溶膠中加入少量電解質(zhì)。絮凝劑（coagulant）：凡能促進(jìn)溶膠中微粒絮凝的物質(zhì)。常用絮凝劑明礬、三氧化鋁、綠礬（硫酸亞鐵）、三氯化鐵等。一般用量為40～200ppm（質(zhì)量）。絮凝劑3.2.4離心沉降慣性離心力作用下的沉降速度旋風(fēng)分離器的操作原理旋風(fēng)分離器的性能

a.

臨界粒徑b.

分離效率c.

壓強(qiáng)降如果以R為轉(zhuǎn)鼓半徑，則K值可作為衡量離心機(jī)分離能力的尺度。分離因素的極值與轉(zhuǎn)動(dòng)部件的材料強(qiáng)度有關(guān)。離心分離因素（separationfactor）K：離心力與重力比。

K=Rω2/g離心沉降（centrifugalsettling）依靠離心力的作用，使流體中的顆粒產(chǎn)生沉降運(yùn)動(dòng)，稱為離心沉降。離心分離因數(shù)顆粒在離心力場中沉降時(shí)，在徑向沉降方向上受力分析。u離心力Fc阻力Fd浮力Fb顆粒在離心力場中的受力分析離心沉降速度慣性離心力作用下的沉降速度

當(dāng)流體帶著顆粒旋轉(zhuǎn)時(shí)，慣性離心力場中顆粒在徑向上受到三個(gè)力的作用，如果上述三力達(dá)到平衡，即可求得ut注：在一定的條件下，重力沉降速度是一定的，而離心沉降速度隨著顆粒在半徑方向上的位置不同而變化。離心沉降速度：顆粒在徑向上相對(duì)于流體的速度，就是這個(gè)位置上的離心沉降速度。在離心沉降分離中，當(dāng)顆粒所受的流體阻力處于斯托克斯區(qū)，離心沉降速度為:旋風(fēng)分離器是利用離心力作用凈制氣體的設(shè)備。

其結(jié)構(gòu)簡單，制造方便；分離效率高；可用于高溫含塵氣體的分離；特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)：外圓筒；內(nèi)圓筒；錐形筒。3.2.5離心沉降設(shè)備1旋風(fēng)分離器(cycloneseparator)含塵氣體從圓筒上部長方形切線進(jìn)口進(jìn)入。入口氣速約為15～20m/s。含塵氣體沿圓筒內(nèi)壁作旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。顆粒的離心力較大，被甩向外層，氣流在內(nèi)層。氣固得以分離。在圓錐部分，旋轉(zhuǎn)半徑縮小而切向速度增大，氣流與顆粒作下螺旋運(yùn)動(dòng)。在圓錐的底部附近，氣流轉(zhuǎn)為上升旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，最后由上部出口管排出；固相沿內(nèi)壁落入灰斗。外圓筒內(nèi)圓筒錐形筒切向入口關(guān)風(fēng)器(防止空氣進(jìn)入)含塵氣體固相凈化氣體外螺旋內(nèi)螺旋工作過程技術(shù)參數(shù)a.臨界粒徑旋風(fēng)分離器能夠全部除掉的最小顆粒粒徑。假定顆粒的離心沉降最大距離為進(jìn)氣矩形管寬度B，則該粒徑的顆粒沉降分離所需的時(shí)間假定氣體在旋風(fēng)分離器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)為N（標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器可取N=5）、平均旋轉(zhuǎn)半徑為Rm，則其平均停留時(shí)間為若停留時(shí)間等于沉降時(shí)間，解出臨界粒徑為b.分離效率總效率被旋風(fēng)分離器除掉的總的顆粒質(zhì)量占進(jìn)口含塵氣體中全部顆粒質(zhì)量的分率分效率稱粒級(jí)效率。根據(jù)顆粒的粒徑大小分級(jí)，將入口氣體中某一粒級(jí)di的顆粒被旋風(fēng)分離器除掉的分率定義為粒級(jí)效率總效率與分效率的關(guān)系c.壓強(qiáng)降氣體經(jīng)旋風(fēng)分離器時(shí)，由于進(jìn)氣管和排氣管及主體器壁所引起的摩擦阻力，流動(dòng)時(shí)的局部阻力以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能損失等等，造成氣體的壓強(qiáng)降。工程上采用經(jīng)驗(yàn)公式，即將阻力損失Δp表達(dá)為式中的ζ為比例系數(shù)，即阻力系數(shù)。主要由旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)決定。同一結(jié)構(gòu)形式及尺寸比例的旋風(fēng)分離器，阻力系數(shù)ζ為常數(shù)。

ui——進(jìn)口氣流的流速，m/sB——入口寬度(沉降距離)，mN——?dú)饬餍D(zhuǎn)的圈數(shù)。計(jì)算時(shí)通常取N=5。臨界粒徑：能夠100％除去的最小粒徑。若在各種不同粒徑的塵粒中，有一種粒徑的塵粒所需沉降時(shí)間I等于停留時(shí)間，則該粒徑就是理論上能完全分離的最小粒徑，即臨界粒徑，用dpc表示。旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器的尺寸H1H2SBDD1hui

氣體通過旋風(fēng)分離器的壓力損失，可用進(jìn)口氣體動(dòng)壓的某一倍數(shù)表示為：式中的阻力系數(shù)用下式計(jì)算：壓力損失圓筒直徑一般為200～800mm，有系列尺寸。進(jìn)口速度一般為15～20m/s。壓力損失約為1～2kPa。分離的顆粒直徑約為>5m，dpc50=1~2m。主要技術(shù)參數(shù)例：溫度為20℃，壓力為0.101Mpa，流量為2.5m3/s的含塵空氣，用標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器除塵。粉塵密度為2500kg/m3，試計(jì)算臨界粒徑。選擇合適的旋風(fēng)分離器，使之能100%的分離出6.5m以上的粉塵。并計(jì)算壓損。解：20℃，0.101Mpa時(shí)空氣的：

=1.21kg/m3，=1.81×10-5Pas1、確定進(jìn)口氣速：ui=20m/s(15-20m/s)2、計(jì)算D和b：流量V=Aui=Bhu

B=D/5,h=3D/5

2.5=(D/5)×(3D/5)×20D=1.041m取D=1100mm旋風(fēng)分離器的選用舉例此時(shí)3、求dpc用標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器出去氣流中所含的固體顆粒。已知固體密度為1100kg/m3，粒徑為4.5m，氣體密度為1.2kg/m3，粘度為1.8×10-5Pas，流量為.40m3/s，允許壓強(qiáng)降為1780Pa。試選擇合適的分離器。習(xí)題由于分離器各部分的尺寸都是D的倍數(shù)，所以只要進(jìn)口氣速ui相同，不管多大的旋風(fēng)分離器，其壓力損失都相同。壓力損失相同時(shí)，小型分離器的b=D/5值較小，則小型分離器的臨界粒徑較小。旋風(fēng)分離器的使用雙聯(lián)四聯(lián)用若干個(gè)小旋風(fēng)分離器并來代替一個(gè)大旋風(fēng)分離器，可以提高分離效率?；覊m凈化氣體含塵氣體結(jié)構(gòu)濾袋、骨架、機(jī)殼、清灰裝置、灰斗、排灰閥。2.工作過程含塵氣體進(jìn)入袋濾器；氣體通過濾袋，經(jīng)頂部排出；灰塵被截留；聚集一定厚度灰塵后，壓縮空氣通入，濾袋振動(dòng)，灰塵落下；灰塵經(jīng)過排灰閥排除。壓縮空氣骨架濾袋機(jī)殼清灰裝置排灰閥灰斗清灰原則及時(shí)清灰；不徹底清灰。袋濾器

含塵氣體的分離系統(tǒng)>40~50m>5m，dpc50=1~2m0.5m達(dá)90%灰塵含塵氣體凈化氣體灰塵灰塵重力沉降室旋風(fēng)分離器袋濾器離心風(fēng)機(jī)利用離心力的作用，使懸浮液中固體顆粒增稠或使粒徑不同及密度不同的顆粒進(jìn)行分級(jí)。結(jié)構(gòu)和工作原理：與旋風(fēng)分離器相似。2旋液分離器(hydrauliccyclone)懸浮液從圓筒上部的切向進(jìn)口進(jìn)入器內(nèi)，旋轉(zhuǎn)向下流動(dòng)。工作過程：液流中的顆粒受離心力作用，沉降到器壁，并隨液流下降到錐形底的出口，成為較稠的懸浮液而排出，稱為底流。澄清的液體或含有較小較輕顆粒的液體，則形成向上的內(nèi)旋流，經(jīng)上部中心管從頂部溢流管排出，稱為溢流。

液體的粘度約為氣體的50倍，液體的(ρp-ρ)比氣體的小，懸浮液的進(jìn)口速度也比含塵氣體的小，所以同樣大小和密度的顆粒，沉降速度遠(yuǎn)小于含塵氣體在旋風(fēng)分離器中的沉降速度。要達(dá)到同樣的臨界粒徑要求，則旋液分離器的直徑要比旋風(fēng)分離器小很多。特點(diǎn)旋液分離器的圓筒直徑一般為75～300mm。懸浮液進(jìn)口速度一般為5～15m/s。壓力損失約為50～200kPa。分離的顆粒直徑約為10～40m。主要技術(shù)參數(shù)

特點(diǎn)：離心分離因數(shù)可達(dá)13000，也有高達(dá)105的超速離心機(jī)。轉(zhuǎn)鼓內(nèi)裝有三個(gè)縱向平板，以使料液迅速達(dá)到與轉(zhuǎn)鼓相同的角速度。適用于于分離乳濁液及含細(xì)顆粒的稀懸浮液。3沉降式離心機(jī)

沉降式離心機(jī)是利用離心沉降的原理分離懸浮液或乳濁液的機(jī)械。

管式離心機(jī)（tubular-bowlcentrifuge）分離乳濁液的管式離心機(jī)操作原理轉(zhuǎn)鼓由轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。乳濁液由底部進(jìn)入，在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)從下向上流動(dòng)過程中，由于兩種液體的密度不同而分成內(nèi)、外兩液層。外層為重液層，內(nèi)層為輕液層。到達(dá)頂部后，輕液與重液分別從各自的溢流口排出。分離懸浮液的管式離心機(jī)操作原理流量Vs為懸浮液從底部進(jìn)入，懸浮液是由密度為ρ的與密度為ρp的少量顆粒形成的。假設(shè)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的液體以轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)角速度ω隨著轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)。液體由下向上流動(dòng)過程中，顆粒由液面r1處沉降到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面r2處。凡沉降所需時(shí)間小于式等于在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)停留時(shí)間的顆粒，均能沉降除去。當(dāng)顆粒的沉降處于斯托克斯區(qū)時(shí)，其沉降速度（徑向）為斯托克斯區(qū)的重力沉降速度為積分邊界邊界條件：θ=0時(shí)，r=r1；θ=θt時(shí)，

r=r2。取顆粒的停留時(shí)間等于流體在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的停留時(shí)間，即對(duì)上式積分，得沉降時(shí)間對(duì)于一定的懸浮液處理量Vs，只有粒徑dp滿足條件θt≤θ的顆粒，才能全部除去。根據(jù)θt=θ，可得式中ut的為重力沉降速度。所以當(dāng)顆粒為臨界粒徑dpc時(shí)，懸浮液的處理量為以上兩式表示懸浮液處理量Vs與轉(zhuǎn)鼓尺寸（r1、r2及h）、轉(zhuǎn)鼓角速度ω及顆粒臨界直徑dpc之間的關(guān)系。例：水中含有極少量細(xì)小顆粒的懸浮液，想用管式高速離心機(jī)分離，使其中1μm以上的顆粒全部除去。試求最大的懸浮液進(jìn)料量為多少。離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓尺寸為：r1=5cm、r2=8cm，h=60cm。轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)數(shù)為12000rpm。懸浮液溫度為20℃，顆粒的密度為23000kg/m3。解：查得水在20℃時(shí)的μ=10-3Pa·s，ρ=1000kg/m3，轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)角速度ω=2πN/60=2π(12000)/60=1257rad/s重力沉降速度ut=gdp2(ρp-ρ)/18μ=9.81(10-6)2(2300-1000)/(18×10-3)=7.09×10-7m/s懸浮液的進(jìn)料量為

分離乳濁液的碟式離心機(jī)：碟片上開有小孔。乳濁液通過小孔流到碟片的間隙。在離心力作用下，重液沿著每個(gè)碟片的斜面沉降，并向轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁移動(dòng)，由重液出口連續(xù)排出。而輕液沿著每個(gè)碟片的斜面向上移動(dòng)，匯集后由輕液出口排出。主要分離乳濁液中輕、重兩液相，例如油類脫水、牛乳脫脂等；也可以澄清含少量細(xì)小顆粒固體的懸浮液。澄清懸浮液用的碟式離心沉降機(jī)：碟片上不開孔。只有一個(gè)清液排出口。沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的沉渣，間歇排出。只適用于固體顆粒含量很少的懸浮液。當(dāng)固體顆粒含量較多時(shí)，可采用具有噴嘴排渣的碟式離心沉降機(jī)，例如淀粉的分離。碟式離心機(jī)（disk-bowlcentrifuge）工作原理：轉(zhuǎn)鼓內(nèi)有可旋轉(zhuǎn)的螺旋輸送器，其轉(zhuǎn)數(shù)比轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)數(shù)稍低。懸浮液通過螺旋輸送器的空心軸進(jìn)入機(jī)內(nèi)中部。沉積在轉(zhuǎn)鼓壁面渣，被螺旋輸送器沿斜面向上推到排出口而排出。澄清液從轉(zhuǎn)鼓另一端溢流出去。用途：用于分離固體顆粒含量較多的懸浮液，其生產(chǎn)能力較大。也可以在高溫、高壓下操作，例如催化劑回收。螺旋式離心機(jī)（scroll-typecentrifuge）3.3過濾過濾操作的基本概念過濾基本方程式，過濾常數(shù)的測定提高過濾生產(chǎn)能力的措施教學(xué)方向課程內(nèi)容學(xué)習(xí)過濾過程的基本概念、影響過濾的因數(shù)、過濾過程的計(jì)算、過濾常數(shù)的測定、濾餅的洗滌、氣體的其他凈化方法目的與要求掌握過濾操作的基本概念，過濾和過濾速率恒壓過濾，恒速過濾，掌握恒壓過濾常數(shù)的計(jì)算方法和測定方法。重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：過濾的基本理論、基本方程難點(diǎn)：過濾基本方程的應(yīng)用、過濾設(shè)備解決辦法舉例、提問、作業(yè)、講解學(xué)時(shí)1教學(xué)方式多媒體教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥⒂^作業(yè)P10211、13、143.3過濾過濾：利用重力或壓差使懸浮液通過多孔性過濾介質(zhì)，將固體顆粒截留，從而實(shí)現(xiàn)固-液分離的單元操作。過濾介質(zhì)織物介質(zhì)最常用的過濾介質(zhì)，工業(yè)上稱為濾布(網(wǎng))，由天然纖維、玻璃纖維、合成纖維或者金屬絲編織而成?？山亓舻淖钚☆w粒的直徑為5-65微米。棉、毛、麻、絲、玻璃絲、金屬絲多孔固體介質(zhì)具有很多微細(xì)孔道的固體材料，如多孔陶瓷、多孔金屬及多孔性塑料制成的管或板，能截留1-3μm的微小顆粒。（細(xì)砂、硅藻土等）堆積介質(zhì)由沙、木炭之類的固體顆粒堆積而成的床層，稱作濾床，用作過濾介質(zhì)使含少量懸浮物的液體澄清。如多孔陶瓷、多孔塑料等。多用于含少量細(xì)微顆粒的懸浮液，如白酒等的精濾。多孔膜用于膜過濾的各種有機(jī)分子膜和無機(jī)材料膜。3.3.1過濾操作的基本概念濾漿(slurry)：原懸浮液。濾餅(filtercake)：截留的固體物質(zhì)。過濾介質(zhì)(filteringmedium)：多孔物質(zhì)。濾液(filterate)：通過多孔通道的液體。過濾操作示意圖(濾餅過濾)濾餅過濾過程：剛開始：有細(xì)小顆粒通過孔道，濾液混濁。開始后：迅速發(fā)生“架橋現(xiàn)象”，顆粒被攔截，濾液澄清。所以，在濾餅過濾時(shí)真正起過濾作用的是濾餅本身，而非過濾介質(zhì)。過濾操作方式分類

過濾的操作基本方式有兩種：濾餅過濾和深層過濾。

濾餅過濾(cakefiltration)：餅層過濾架橋現(xiàn)象注意：所選過濾介質(zhì)的孔道尺寸一定要使“架橋現(xiàn)象”能夠過發(fā)生。餅層過濾適于處理固體含量較高的懸浮液。特點(diǎn)：顆粒(粒子)沉積于介質(zhì)內(nèi)部。深層過濾過濾對(duì)象：懸浮液中的固體顆粒小而少。過濾介質(zhì)：堆積較厚的粒狀床層。過濾原理：顆粒尺寸介質(zhì)通道尺寸，顆粒通過細(xì)長而彎曲的孔道，靠靜電和分子的作用力附著在介質(zhì)孔道上。應(yīng)用：適于處理生產(chǎn)能力大而懸浮液中顆粒小而且含量少的場合，如水處理和酒的過濾。深層過濾(deepbedfiltration)：深床過濾餅層過濾與深床過濾比較餅層過濾

固體物質(zhì)沉積于過濾介質(zhì)表面而形成濾餅層的操作，真正發(fā)揮截留顆粒作用的主要是濾餅本身，因此稱作餅層過濾。餅層過濾主要用于含固量較大（>1%）的場合。深床過濾

固體顆粒并不形成濾餅，而是沉積于較厚的粒狀對(duì)濾介質(zhì)床層內(nèi)部的過濾操作。深床過濾主要用于凈化含固量很少（<0.1%）流體，如水凈化等。過濾的操作過濾操作示意圖過濾操作方式過濾操作還可分為間歇式與連續(xù)式。根據(jù)過濾推動(dòng)力的方式，又有加壓過濾、真空過濾和離心過濾

dpde

對(duì)于顆粒層中不規(guī)則的通道，可以簡化成由一組當(dāng)量直徑為de的細(xì)管，而細(xì)管的當(dāng)量直徑可由床層的空隙率和顆粒的比表面積來計(jì)算。3.3.2過濾過程的基本理論

1濾液通過餅層的流動(dòng)顆粒床層的特性可用空隙率、當(dāng)量直徑等物理量來描述?？障堵剩簡挝惑w積床層中的空隙體積稱為空隙率。式中ε——床層的空隙率，m3/m3。式中α——顆粒的比表面，m2/m3。比表面積：單位體積顆粒所具有的表面積稱為比表面積。2顆粒床層的特性依照第一章中非圓形管的當(dāng)量直徑定義，當(dāng)量直徑為：式中de——床層流道的當(dāng)量直徑，m故對(duì)顆粒床層直徑應(yīng)可寫出：濾液通過餅層的流動(dòng)常屬于滯流流型，可以仿照?qǐng)A管內(nèi)滯流流動(dòng)的泊稷葉公式(哈根方程)來描述濾液通過濾餅的流動(dòng)，則濾液通過餅床層的流速與壓強(qiáng)降的關(guān)系為：式中u1—濾液在床層孔道中的流速，m/s；

L—床層厚度，m,

Δpc—濾液通過濾餅層的壓強(qiáng)降，pa；阻力與壓強(qiáng)降成正比，因此可認(rèn)為上式表達(dá)了過濾操作中濾液流速與阻力的關(guān)系。

在與過濾介質(zhì)相垂直的方向上，床層空隙中的濾液流速u1與按整個(gè)床層截面積計(jì)算的濾液平均流速u之間的關(guān)系為：

上式中的比例常數(shù)K′與濾餅的空隙率、顆粒形狀、排列及粒度范圍諸因素有關(guān)。對(duì)于顆粒床層內(nèi)的滯流流動(dòng)，K′值可取為5。3.3.3.1過濾速度過濾速率過濾速度單位時(shí)間獲得的濾液體積單位過濾面積上的過濾速率若過濾過程中其他因素維持不變，則由于濾餅厚度不斷增加過濾速度會(huì)逐漸變小。任一瞬間的過濾速度應(yīng)寫成如下形式3.3.3.2過濾阻力分析濾餅阻力介質(zhì)阻力過濾總阻力為方便起見，假設(shè)過濾介質(zhì)對(duì)濾液流動(dòng)的阻力相當(dāng)于厚度為Le的濾餅層的阻力，即則上式可寫為3.3.3.3過濾基本方程式不可壓縮濾餅可壓縮濾餅恒壓過濾計(jì)算式恒速過濾計(jì)算式基本方程式在恒壓下對(duì)某種懸浮液進(jìn)行過濾．過濾10min得濾液4L。再過濾10min又得濾液2L。如果繼續(xù)過濾10min，可再得濾液多少升?基本方程式應(yīng)用例題3.3.3.4過濾常數(shù)的測定恒壓下K、qe、θe的測定由過濾常數(shù)K的定義式

K~p為直線方程，斜率為(1-s)、截距為2k。在不同壓差

p

下進(jìn)行恒壓過濾實(shí)驗(yàn)，求得一系列與之對(duì)應(yīng)的過濾常數(shù)K，再通過上式回歸出濾餅常數(shù)k和壓縮指數(shù)s。將恒壓過濾方程式微分得即表明在恒壓過濾條件下，θ/q

與q的函數(shù)關(guān)系是以1/K

為斜率、2qe/K為截距的直線，實(shí)驗(yàn)測得不同時(shí)刻單位過濾面積的累積濾液量q，即可由上式回歸出K和qe。上式表明：d/dq與q成直線關(guān)系，直線斜率為2/K，截距為2qe/K2(q+qe)dq=Kd(q+qe)2=K(+e)微分上式得qd/dt2qe/K由斜率=2/K，求出K;由截距=2qe/K，求出qe；由q2+2qqe=K，=0，q=0，求出e=

qe2/K。測定時(shí)采用恒壓試驗(yàn)，恒壓過濾方程為：過濾常數(shù)測定的具體方法

采用Δ/Δq代替d/dq，在過濾面積一定時(shí)，記錄下時(shí)間和累計(jì)的濾液量V，并由此計(jì)算一系列q值，然后作圖，求出直線斜率和截距。最后算出過濾常數(shù)K和qe。q/t2qe/K注意：橫坐標(biāo)q的取值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理lgK=(1-s)lg(Δp)+lg(2k)以lg(Δp)為橫坐標(biāo)，lg(K)為縱坐標(biāo)作直線，從而求出斜率(1-s)，截距l(xiāng)g(2k)，進(jìn)而算出s和k。K=2kΔp1-s濾餅的壓縮性指數(shù)s及物料特性常數(shù)k需在不同壓強(qiáng)差下對(duì)指定物料進(jìn)行試驗(yàn)，求得若干過濾壓強(qiáng)差下的K，然后對(duì)K-Δp數(shù)據(jù)加以處理，即可求得s值。lg(Δp)lg(K)lg(2k)q/t2qe/K壓縮指數(shù)s的測定工業(yè)上使用的典型過濾設(shè)備：按操作方式分類：間歇過濾機(jī)、連續(xù)過濾機(jī)按操作壓強(qiáng)差分類：壓濾、吸濾和離心過濾板框壓濾機(jī)（間歇操作）轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)（連續(xù)操作）過濾式離心機(jī)3.3.6過濾設(shè)備結(jié)構(gòu)：濾板、濾框、夾緊機(jī)構(gòu)、機(jī)架等組成。濾板：凹凸不平的表面，凸部用來支撐濾布，凹槽是濾液的流道。濾板右上角的圓孔，是濾漿通道；左上角的圓孔，是洗水通道。洗滌板：左上角的洗水通道與兩側(cè)表面的凹槽相通，使洗水流進(jìn)凹槽；非洗滌板：洗水通道與兩側(cè)表面的凹槽不相通。1）板框壓濾機(jī)

為了避免這兩種板和框的安裝次序有錯(cuò)，在鑄造時(shí)常在板與框的外側(cè)面分別鑄有一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)小鈕。非洗滌板為一鈕板，框帶兩個(gè)鈕板，框帶兩個(gè)鈕，洗滌板為三鈕板。濾框：濾漿通道：濾框右上角的圓孔洗水通道：濾框左上角的圓孔濾漿洗水濾板濾框洗板濾布板框過濾機(jī)

板框過濾機(jī)的操作是間歇式的，每個(gè)操作循環(huán)由裝合、過濾、洗滌、卸渣、整理五個(gè)階段。過濾過程1)、裝合：將板與框按1-2-3-2-1-2-3的順序，濾板的兩側(cè)表面放上濾布，然后用手動(dòng)的或機(jī)動(dòng)的壓緊裝置固定，使板與框緊密接觸。2)、過濾：用泵把濾漿送進(jìn)右上角的濾漿通道，由通道流進(jìn)每個(gè)濾框里。濾液穿過濾布沿濾板的凹槽流至每個(gè)濾板下角的閥門排出。固體顆粒積存在濾框內(nèi)形成濾餅，直到框內(nèi)充滿濾餅為止。3)、洗滌：將洗水送入洗水通道，經(jīng)洗滌板左上角的洗水進(jìn)口，進(jìn)入板的兩側(cè)表面的凹槽中。然后，洗水橫穿濾布和濾餅，最后由非洗滌板下角的濾液出口排出。在此階段中，洗滌板下角的濾液出口閥門關(guān)閉。4)、卸渣、整理打開板框，卸出濾餅，洗滌濾布及板、框。在洗液粘度與濾液粘度相近的情況下，且在壓差相同時(shí)，洗滌速率約為過濾終了速率的1/4。為什么？結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，占地面積小，過濾面積大?？筛鶕?jù)需要增減濾板的數(shù)量，調(diào)節(jié)過濾能力。對(duì)物料的適應(yīng)能力較強(qiáng)，由于操作壓力較高（3~10kg/cm2

），對(duì)顆粒細(xì)小而液體粘度較大的濾漿，也能適用。間歇操作，生產(chǎn)能力低，卸渣清洗和組裝階段需用人力操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，所以它只適用于小規(guī)模生產(chǎn)。近年出現(xiàn)了各種自動(dòng)操作的板框壓濾機(jī)，使勞動(dòng)強(qiáng)度得到減輕。板框壓濾機(jī)的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)筒，扇形格(18格)；

濾室；分配頭；動(dòng)盤(18個(gè)孔，分別與扇形格的18個(gè)通道相連)；定盤(三個(gè)凹槽：濾液真空凹槽、洗水真空凹槽、壓縮空氣凹槽，分別將動(dòng)盤的18個(gè)孔道分成三個(gè)通道)；金屬網(wǎng)；濾布；濾漿槽。轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖動(dòng)盤定盤轉(zhuǎn)筒金屬網(wǎng)濾布濾餅攪拌器洗滌噴頭料漿槽刮刀2）轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)（rotary-drumvacuumfilter）110987654321817161514131112動(dòng)盤轉(zhuǎn)筒及分配頭的結(jié)構(gòu)定盤18格分成6個(gè)工作區(qū)1區(qū)(1~7格)：過濾區(qū)；2區(qū)(8~10格)：濾液吸干區(qū)；3區(qū)(12~13格)：洗滌區(qū)；4區(qū)(14格)：洗后吸干區(qū)；5區(qū)(16格)：吹松卸渣區(qū)；6區(qū)(17格)：濾布再生區(qū)。過濾區(qū)(1~2區(qū))，f槽;洗滌區(qū)(3~4區(qū))，g槽

;干燥卸渣區(qū)(5~6區(qū))，h

槽;f槽h槽g槽自動(dòng)連續(xù)操作；適用于處理量大，固體顆粒含量較多的濾漿；真空下操作，其過濾推動(dòng)力較低(最高只有1atm)，對(duì)于濾餅阻力較大的物料適應(yīng)能力較差。轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，藉分配頭的作用，能使轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)一周的過程中，每個(gè)小過濾室可依次進(jìn)行過濾、洗滌、吸干、吹松卸渣等項(xiàng)操作。整個(gè)轉(zhuǎn)筒圓周在任何瞬間都劃分為:特點(diǎn)：工作過程過濾區(qū);洗滌區(qū);干燥卸渣區(qū)。結(jié)構(gòu)：1.懸筐式離心機(jī)(suspended-basketcentrifuge)

轉(zhuǎn)鼓濾餅濾布濾網(wǎng)離心過濾機(jī)工作原理圖轉(zhuǎn)鼓(上有小孔，亦稱懸框)；濾網(wǎng)；濾布；機(jī)架。原理：

由于離心力作用，液體產(chǎn)生徑向壓差，通過濾餅、濾網(wǎng)及濾筐而流出。3）離心過濾機(jī)（centrifugalfilter）過濾方程及壓力的計(jì)算采用恒壓過濾方程式：(q+qe)2=K(+e)A——過濾面積，m2；H——轉(zhuǎn)筒高度，m;R——轉(zhuǎn)筒半徑，m；p——過濾推動(dòng)力，Pa。r——任意處濾餅半徑，m。在離心力作用下液體沿加料斗的錐形面流動(dòng)，均勻地沿圓周分散到濾筐的過濾段。濾液透過濾網(wǎng)而形成濾渣層?；钊圃髋c加料斗一齊作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將濾渣間斷地沿著濾筐內(nèi)表面向排渣口排出。排渣器的往復(fù)運(yùn)動(dòng)是先向前推，馬上后退，經(jīng)過一段時(shí)間形成一定厚度的濾渣層后，再次向前推，如此重復(fù)進(jìn)行推渣。分離因數(shù)約為300～700，其生產(chǎn)能力大，適用于分離固體顆粒濃度較濃、粒徑較大（0.1~5mm）的懸浮液，在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。工作原理：特點(diǎn)：4）往復(fù)活塞推渣離心機(jī)（reciprocating-pushercentrifuge）離心力自動(dòng)卸料離心機(jī)，又稱為錐籃離心機(jī)

結(jié)構(gòu)：如圖工作過程：料漿濾液濾渣轉(zhuǎn)鼓濾餅濾布濾網(wǎng)洗滌料漿進(jìn)入錐形濾筐底部，靠離心力甩向?yàn)V筐；液相通過濾布，固相被截留。濾渣克服摩擦阻力，沿濾筐向上移動(dòng)，經(jīng)過洗滌段和干燥段。最后從頂端排出。5）離心力自動(dòng)卸渣離心機(jī)（conicalbasketcentrifuge）特點(diǎn)：離心力,F重力,mg摩擦力,f支承力,Nxy結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，功率消耗小。對(duì)懸浮液的濃度和固體顆粒大小的波動(dòng)敏感。生產(chǎn)能力較大，分離因數(shù)約為2000，可分離固體顆粒濃度較濃、粒度為0.04~1mm的懸浮液。在各種結(jié)晶產(chǎn)品的分離中廣泛應(yīng)用。為什么會(huì)自動(dòng)卸料？式中V——過濾終了時(shí)所得濾液體積，m3由恒壓過濾方程知，過濾終了時(shí)的過濾速率為：洗滌速率：單位時(shí)間內(nèi)消耗的洗滌液體積。由于洗滌液中不含固相，洗滌過程中濾餅厚度不變。若在恒壓下洗滌，則它既是恒壓洗滌又是恒速洗滌。洗滌速率的計(jì)算3.3.5洗滌若洗滌液粘度和洗滌時(shí)的壓差與濾液粘度和過濾壓差相比差異較大，則應(yīng)校正，校正后的洗滌速率為若洗滌用的壓差與過濾相同，洗滌液粘度與濾液粘度大致相等：對(duì)于轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)，洗滌速率與過濾終了速率相等對(duì)于板框過濾機(jī)，洗滌速率等于過濾終了速率的1/4生產(chǎn)能力:單位時(shí)間內(nèi)獲得的濾液體積。對(duì)于間歇過濾機(jī)，一個(gè)過濾循環(huán)包括過濾、洗滌、卸渣、清理、重裝等步驟。通常把卸渣、清理、重裝等所用的時(shí)間合在一起稱為輔助時(shí)間D

。一個(gè)循環(huán)時(shí)間T=+W+D

。其中只有過濾時(shí)間真正用于過濾。1間歇過濾機(jī)的生產(chǎn)能力過濾機(jī)的生產(chǎn)能力式中V——一個(gè)操作循環(huán)內(nèi)所獲得的濾液體積，m3；

Q——生產(chǎn)能力，m3/h；

T——一個(gè)循環(huán)時(shí)間。T=+W+D

如果以濾液量Q表示生產(chǎn)能力，則有浸沒度ψ

：轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)的轉(zhuǎn)筒表面浸入濾漿中的分?jǐn)?shù)以轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)為例，轉(zhuǎn)筒在任何時(shí)候總有一部分表面浸沒在濾漿中進(jìn)行過濾。有效過濾時(shí)間θ：某一瞬時(shí)開始進(jìn)入濾漿中的轉(zhuǎn)筒表面，經(jīng)過過濾區(qū)，最后從濾漿中出來，這一段時(shí)間為該表面旋轉(zhuǎn)一周的有效過濾時(shí)間。2連續(xù)過濾機(jī)的生產(chǎn)能力由于轉(zhuǎn)筒式真空過濾機(jī)為恒壓操作，則有轉(zhuǎn)鼓每轉(zhuǎn)一周得到的濾液體積為