化工原理課件

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第三章顆粒與流體之間相對運(yùn)動3.0概述3.0.1均相物系和非均相物系

均相物系：物系內(nèi)部各處物料性質(zhì)均勻而不存在相界面混合物系。溶液以及多種氣體混合物都是均相物系，它們分離辦法將在背面章節(jié)討論。非均相物系：物系內(nèi)部有顯著相界面存在而界面兩側(cè)物料性質(zhì)不一樣混合物系。第1頁2023年10月10日2/1493.0.2非均相物系分類

1.按狀態(tài)分液態(tài)非均相物系：固、液、氣分散在液相中。分：懸浮液(液固物系)：指液體中具有一部分固體顆粒乳濁液(液液物系)：指一種液體分散在與其不互溶另一種液體中泡沫液(液氣物系)：指液體中具有氣泡物系氣態(tài)非均相物系：固、液分散在氣相中。分：含塵氣體(氣固物系)：指氣體中具有固體顆粒含霧氣體(氣液物系)：指氣體中具有少許液滴

2.按顆粒大小分粗懸浮系統(tǒng)：d>100μm懸浮系統(tǒng)：0.1μm>d>100μm膠體系統(tǒng)：d<0.1μm第2頁2023年10月10日3/1493.0.3連續(xù)相與分散相分散相(分散物質(zhì))：處于分散狀態(tài)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)物質(zhì)由于非均相物系中連續(xù)相與分散相之間具有不一樣物理性質(zhì)(如密度、粒子大小與另一相分子尺寸等)，受到外力作用時運(yùn)動狀態(tài)就不一樣，因而可應(yīng)用機(jī)械辦法將它們分開。要實(shí)現(xiàn)這種分離，其辦法是使分散物質(zhì)與分散介質(zhì)之間發(fā)生相對運(yùn)動，因此非均相物系分離操作也遵循流體流動基本規(guī)律。本章主要討論液固非均相物系和氣固非均相物系分離所根據(jù)基本原理和設(shè)備，即顆粒相對于流體而運(yùn)動沉降操作和流體相對于固粒而運(yùn)動過濾操作。第3頁2023年10月10日4/1493.0.4非均相物系分離目標(biāo)

1回收有用物質(zhì)如從氣流干燥器排出尾氣中回收帶出固體顆粒作為產(chǎn)品，或者從某些排泥中回收帶走液體等。2凈化物料如除去渾液中固相雜質(zhì)而使其成為清液，或者使壓縮后氣體中油滴分離而凈化氣體等。3環(huán)境保護(hù)需要象煙道氣排放、廢液排放都要求其含固量達(dá)成一定標(biāo)準(zhǔn)，以避免對大氣、河海等環(huán)境污染。

第4頁2023年10月10日5/1493.0.5非均相物系分離辦法1.沉降：根據(jù)重力、離心力、慣性力，使分散相與連續(xù)相分離。據(jù)力不一樣分：重力沉降離心沉降2.過濾：借助壓力或離心力使混合物通過某介質(zhì)(固體)，使液相與固相截留于介質(zhì)兩側(cè)而達(dá)成分離目標(biāo)。主要用于分離液態(tài)非均相物系。3.氣體濕法凈制：讓含塵氣體通過水或其他液體中，使顆粒溶于液體中或潤濕顆粒，而使顆粒粘在一起，通過重力沉降分離。4.電子除塵：使具有懸浮塵?；蜢F滴氣體通過金屬電極間高壓直流靜電場，氣體電離產(chǎn)生離子附著于懸浮塵?；蜢F滴上而使之荷電。荷電塵粒、霧滴在電場力作用下至電極后發(fā)生中和而恢復(fù)中性從而達(dá)成分離。第5頁2023年10月10日6/1493.1

顆粒及顆粒床層特性

3.1.1顆粒特性(單顆粒幾何特性參數(shù))固體顆粒由于其形成辦法和條件不一樣，致使它們具有不一樣幾何形狀和尺寸，在工程計(jì)算中，常需要懂得顆粒幾何特性參數(shù)：即大小(尺寸)、形狀和表面積(或比表面積)等。3.1.1.1特性尺寸1.球形顆粒：常用直徑d作為特性長度，其體積、表面積和比表面積為：式中：a——單位體積顆粒所具有表面積，m2/m3。對一定直徑顆粒，比表面積一定；顆粒直徑愈小，比表面積愈大，因此能夠根據(jù)比表面積大小，來表達(dá)顆粒大小，尤其是微小顆粒。

第6頁2023年10月10日7/1492.非球形顆粒：常用顆粒當(dāng)量直徑和球形度表達(dá)其特性。

(1)體積當(dāng)量直徑de：與實(shí)際顆粒體積Vp相等球形顆粒直徑定義為非球形顆粒當(dāng)量直徑。即：

(2)表面積當(dāng)量直徑ds：表面積等于實(shí)際顆粒表面積Sp球形顆粒直徑定義為非球形顆粒表面積當(dāng)量直徑。即：

(3)比表面積當(dāng)量直徑da:比表面積等于實(shí)際顆料比表面積ap球形顆粒直徑定義為非球形顆粒比表面積當(dāng)量直徑。即：工程上常用de。

第7頁2023年10月10日8/149(4)形狀系數(shù)亦稱球形度，用于表征顆粒形狀與球形差異程度。定義：體積與實(shí)際顆粒相等時球形顆粒表面積與實(shí)際顆粒表面積之比，即：〖說明〗由于體積相同步，球形顆粒表面積最小，故非球形顆粒

s<1,并且顆粒與球形差異愈大，其

s值愈小。

對非球形顆粒必須有兩個參數(shù)才能確定其幾何特性，一般選用de和

s來表征。

第8頁2023年10月10日9/1493.顆粒群特性工業(yè)中遇到顆粒大多是由大小和形狀不一樣若干顆粒組成集合體，稱為顆粒群。但一般以為它們形狀一致，而只考慮其大小分布，這樣就提出了其粒度分布及其平均直徑問題。(1).粒度分布按顆粒尺寸對顆粒群進(jìn)行排列劃分成果稱為粒度分布。根據(jù)顆粒大小范圍不一樣，采取不一樣辦法測量顆粒群粒度分布，對工業(yè)上常見尺寸大于40μm顆粒群，一般采取標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行測量，稱為篩分。a.篩分：標(biāo)準(zhǔn)篩由一系列篩孔大小不一樣篩組成，篩篩網(wǎng)由金屬絲網(wǎng)制成，篩孔呈正方形。一套標(biāo)準(zhǔn)篩各個篩網(wǎng)孔大小按標(biāo)準(zhǔn)要求制成，通用是泰勒(Tyler)標(biāo)準(zhǔn)篩系列。第9頁2023年10月10日10/149它各個篩用其篩網(wǎng)上每英寸長度上孔數(shù)作為篩號，也稱為目，且每個篩篩網(wǎng)金屬絲直徑也有要求，因此一定目數(shù)篩孔尺寸一定。如100號篩，1英寸長有篩孔100個，它篩網(wǎng)金屬絲直徑要求為0.0042in，故篩孔凈寬度為：(1/100-0.0042)=0.0058in=0.147mm，因而篩號愈大，篩孔愈小，相鄰篩號篩孔尺寸之比為20.5(即篩孔面積按2倍數(shù)遞增)。篩分時，將一系列篩按篩號大小次序由下到上疊起來，最底為一無孔底盤。把要篩分顆粒群放在最上面篩中，然后將整疊篩均衡搖動(振動)，小顆粒通過各篩依次下落。對每一篩，尺寸不大于篩孔顆粒通過而下落，稱為篩下產(chǎn)品；尺寸大于篩孔顆粒留在篩上，稱為篩上產(chǎn)品。振動一定期間后，稱量每個篩上篩余物，得到篩分分析基本數(shù)據(jù)。

第10頁2023年10月10日11/149

b.粒度分布表達(dá)法：篩分得到各篩網(wǎng)上篩余物顆粒尺寸，應(yīng)在上層篩孔尺寸和該層篩孔尺寸范圍之內(nèi)，一般定義第i層篩網(wǎng)上顆粒篩分尺寸dpi為：dpi=(di-1+di)/2式中：di-1——第i-1層篩網(wǎng)篩孔尺寸，mm;di——第i層篩網(wǎng)篩孔尺寸，mm。根據(jù)其篩分尺寸dpi和對應(yīng)篩余物質(zhì)量分率

可得到顆粒群粒度分布，分別以表格，圖示或分布函數(shù)曲線表達(dá)之。

xi－di粒徑段內(nèi)質(zhì)量分率wi－di粒徑段內(nèi)顆粒質(zhì)量第11頁2023年10月10日12/149(2).平均粒徑

顆粒平均粒徑有不一樣表達(dá)辦法，常以比表面積等于顆粒群比表面積顆粒直徑定義為顆粒群平均直粒dm。對于球形顆粒，1kg密度為ρs顆粒，其中粒徑為di顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為xi，則該顆粒群表面積為：

若顆粒群平均直徑為dm，則

第12頁2023年10月10日13/1493.粒子密度

單位體積內(nèi)粒子質(zhì)量稱為密度，kg/m3。若粒子體積不包括顆粒之間空隙，稱為粒子真密度，以ρs表達(dá)。若粒子體積包括顆粒之間空隙，稱為粒子堆積密度或表觀密度，以ρb表達(dá)。第13頁2023年10月10日14/1493.1.2顆粒床層特性

由顆粒堆積而成顆粒層稱為顆粒床層，顆粒床層具有下列特性。3.1.2.1.床層空隙率ε床層堆積疏密程度用空隙率表達(dá)，指單位體積床層所具有空隙體積(m3/m3)。即：ε=(床層體積-顆粒體積)/床層體積

ε大小與顆粒大小、形狀、粒度分布、填充方式等有關(guān)，其值由試驗(yàn)測定。[說明]非球形顆粒球形度愈小，床層空隙率愈大；大小愈不均勻顆粒，空隙率愈小；顆粒愈光滑，空隙率愈??；愈接近壁面，空隙率愈大。第14頁2023年10月10日15/1493.1.2.2.床層比表面積ab單位體積床層所具有顆粒表面積稱為床層比表面積，若忽視因顆?；ハ嘟佑|而減少裸露面積，則：

ab=(1-ε)a

3.1.2.3.床層各向同性在工業(yè)上小顆粒床層采取亂堆方式堆成，這時顆粒定位是隨機(jī)，因此堆成床層可以為是各向同性(意指從各個方向看，顆粒堆積情況都是相同)。各向同性床層主要特點(diǎn)是：床層橫截面上可供流體通過自由截面(即空隙截面)與床層截面之比在數(shù)值上等于空隙率。在近壁處，由于壁面形狀影響，造成顆粒分布與床層中間不一樣，稱為壁效應(yīng)，這時體現(xiàn)為各向不一樣性，它造成流體通過時出現(xiàn)溝流等現(xiàn)象。

第15頁2023年10月10日16/1493.2

沉降分離原理及辦法沉降是指在某種力作用下，固粒相對于流體產(chǎn)生定向運(yùn)動而實(shí)現(xiàn)分離操作過程。其根據(jù)是利用兩相間密度差異，受力時其運(yùn)動速度不一樣從而發(fā)生相對運(yùn)動。進(jìn)行沉降操作作用力能夠是重力，也能夠是慣性離心力，故沉降分為重力沉降和離心沉降。衡量沉降進(jìn)行快慢程度一般用沉降速度來表達(dá)。3.2.1重力沉降依靠重力而進(jìn)行沉降過程。

3.2.1.1球形顆粒自由沉降速度

自由沉降：發(fā)生在稀疏顆粒流體中干擾沉降：多發(fā)生在液態(tài)非均相物系中，沉降速度低。下列討論自由沉降過程。第16頁2023年10月10日17/149

浮力Fb阻力Fd重力Fg1受力情況：(3)阻力

顆粒與流體相對運(yùn)動表皮阻力與形體阻力微元面所受力在垂直于流動方向上分量沿顆粒表面積分

繞流，形成邊界層第17頁2023年10月10日18/149第18頁2023年10月10日19/149相對大小~運(yùn)動速度流體~固體作用力——沉降與繞流并無本質(zhì)區(qū)分，2．沉降速度與阻力系數(shù)

（1）重力沉降速度u0

重力-浮力-阻力=顆粒質(zhì)量×加速度

根據(jù)牛頓第二運(yùn)動定律：第19頁2023年10月10日20/149

Fg-Fb-Fd=ma即：

顆粒沉降過程分為兩個階段：加速階段：u=0,Fd=0,a=amaxu↑，F(xiàn)d↑，a↓等速階段：u=ut時，F(xiàn)d=Fg-Fb，a=0第20頁2023年10月10日21/149

等速階段里顆粒相對于流體運(yùn)動速度ut稱為“沉降速度”。沉降速度就是加速階段終了時顆粒相對于流體速度，因此亦稱“終端速度”。由于工業(yè)上沉降操作所處理顆粒往往甚小，因而在重力沉降過程中，加速階段經(jīng)?？珊鲆暡挥?jì)。等速階段：a=0時，u=ut--------重力沉降速度基本方程式。

第21頁2023年10月10日22/149（3公式成立假定條件—其他原因?qū)t影響①顆粒為球形；

②顆粒沉降時彼此相距較遠(yuǎn)，互不干擾

③容器壁對沉降阻滯作用能夠忽視④顆粒直徑不能小到受流體分子運(yùn)動影響因次分析

3.2.1.2阻力系數(shù)ζ第22頁2023年10月10日23/1493.2.1.2阻力系數(shù)ζ用前式計(jì)算沉降速度時，需先確定阻力系數(shù)ζ值。通過因次分析，ζ是顆粒形狀、顆粒與流體相對運(yùn)動雷諾數(shù)Ret=dutρ/μ函數(shù)，由試驗(yàn)測得綜合成果在下列圖中示出。對于球形顆粒曲線，從圖可看出，按Ret值大體分為三個區(qū)，各區(qū)內(nèi)曲線所對應(yīng)ζ可分別用對應(yīng)數(shù)學(xué)關(guān)系式表達(dá)。

1.滯流區(qū)(斯托克斯定律區(qū))10-4<Ret<12.過渡區(qū)(艾倫定律區(qū))1<Ret<1033.湍流區(qū)(牛頓定律區(qū))103<Ret<2×105第23頁2023年10月10日24/149①層流區(qū)(Stokes區(qū))

—Stokes公式—能夠從理論上推導(dǎo)出—能夠近似用到Ret=2表皮阻力占主導(dǎo)地位不發(fā)生邊界層分離第24頁2023年10月10日25/149②過渡區(qū)(Allen區(qū))

開始發(fā)生邊界層分離顆粒后部形成旋渦——尾流尾流區(qū)壓強(qiáng)低形體阻力增大第25頁2023年10月10日26/149③湍流區(qū)(牛頓區(qū))

形體阻力占主導(dǎo)地位，表皮阻力能夠忽視阻力

u2阻力系數(shù)與Ret無關(guān)第26頁2023年10月10日27/149④Ret>2105阻力系數(shù)驟然下降層流邊界層湍流邊界層分離點(diǎn)后移，尾流區(qū)收縮，形體阻力突然下降近似取

=0.1第27頁2023年10月10日28/1493.2.1.3影響沉降速度原因1.顆粒直徑影響由式Stokes公式、Allen公式、Newton公式可看出，顆粒直徑對沉降速度有顯著影響，但在不一樣區(qū)域，其影響不一樣：滯流區(qū)，ut∝d2；過渡區(qū)ut∝d1.143；湍流區(qū)ut∝d0.5。即伴隨Ret增加，其影響削弱，在生產(chǎn)中對小顆粒沉降采取添加絮凝劑來加速沉降。

第28頁2023年10月10日29/1493.2.1.3影響沉降速度原因2.粘度影響在滯流區(qū)，阻力主要來自于流體粘性引發(fā)表面摩擦力；在湍流區(qū)，流體粘性對沉降速度已無影響，此時由流體在顆粒尾部出現(xiàn)邊界層分離所引發(fā)形體阻力占主導(dǎo)作用。在過渡區(qū)，摩擦阻力和形體阻力都不可忽視。因沉降多在滯流區(qū)進(jìn)行，故減少粘度對操作有利，對懸浮液沉降過程應(yīng)設(shè)法提升溫度，而對含塵氣體沉降應(yīng)減少氣體溫度。

第29頁2023年10月10日30/1493.干擾沉降影響

當(dāng)顆粒體積濃度較高時，由于顆粒間互相作用，顆粒沉降彼此影響稱為干擾沉降(在懸浮液中干擾沉降稱為沉聚過程)。干擾沉降中顆粒周圍流體速度梯度受到鄰近粒子影響，使其所受阻力發(fā)生變化；顆粒沉降產(chǎn)生對流體置換作用將引發(fā)流體向上流動，使其絕對沉降速度減??；由于流體中具有顆粒使其有效密度和粘度增加而使沉降速度減少?？偝晒鞘诡w粒沉降速度減小，一般設(shè)計(jì)時應(yīng)通過試驗(yàn)測定其表觀沉降速度u0(表達(dá)清液層相對器壁移動速度)作為計(jì)算根據(jù)。

第30頁2023年10月10日31/1494.器壁效應(yīng)影響容器壁面和底面均增加顆粒沉降時阻力，使實(shí)際沉降速度減少。當(dāng)容器直徑D遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒直徑d(D/d>100)時，器壁影響可忽視。不然需考慮，在層流區(qū)器壁對沉降速度影響可表達(dá)為：

式中：ut′——顆粒實(shí)際沉降速度，m/s。5.顆粒形狀影響顆粒在流體中沉降時，所受到阻力除與運(yùn)動Ret有關(guān)外，還與其形狀有關(guān)。在體積相同步因圓球表面積最小，故圓球下沉?xí)r受到阻力最小。一般φs愈小，受到阻力愈大，詳細(xì)影響見阻力系數(shù)圖。

第31頁2023年10月10日32/1493.2.1.4球形顆粒沉降速度計(jì)算1.事前能夠確認(rèn)流動區(qū)域，直接用對應(yīng)公式

2.試差法流動區(qū)域不能確定，采取試差法若ut未知→Ret未知→ζ未知→無法選擇計(jì)算公式→無法計(jì)算ut，此時可采取試差法。計(jì)算步驟：假設(shè)某種流型用對應(yīng)公式計(jì)算出ut校核Ret第32頁2023年10月10日33/149假定流動處于層流區(qū)，Stokes

ut

Ret(？<1)，yes結(jié)束no換用對應(yīng)區(qū)域公式utRet

判斷，修正第33頁2023年10月10日34/1493.無量綱數(shù)群鑒別法(1)已知d求ut第34頁2023年10月10日35/149計(jì)算步驟：第35頁2023年10月10日36/149(2)已知ut求d第36頁2023年10月10日37/149計(jì)算步驟：第37頁2023年10月10日38/1493.摩擦數(shù)群法(1)已知d求ut第38頁2023年10月10日39/149計(jì)算步驟：第39頁2023年10月10日40/149(2)已知ut求d第40頁2023年10月10日41/149計(jì)算步驟：第41頁2023年10月10日42/149例題3-1直徑為80μm，密度為3000kg/m3固體顆粒在25℃水中自由沉降，試計(jì)算其沉降速度。解：法一：試差法。假設(shè)顆粒在層流區(qū)沉降。查P494附錄六，得25℃水密度為996.9kg/m3，粘度為0.8973×10-3Pa.s。則第42頁2023年10月10日43/149法二：無量綱數(shù)群判斷法第43頁2023年10月10日44/149法三：摩擦數(shù)群法第44頁2023年10月10日45/1493.2.1.4非球形顆粒自由沉降速度非球形顆粒在自由沉降時：當(dāng)量直徑：πde3/6=Vp→de=1.24(Vp)1/3用de替代Ret中d計(jì)算ut，辦法同球形顆粒計(jì)算〖說明〗對非規(guī)則形狀顆粒，當(dāng)量直徑計(jì)算利用密度

de=1.24(ms/ρs)1/3第45頁2023年10月10日46/1493.2.1.5重力沉降設(shè)備重力沉降是最簡單沉降分離辦法，它既可用于分離氣固非均相物系，也可用于分離液固非均相物系；既可用于將混合物系中顆粒與流體分開，也可用來使不一樣大小或密度不一樣顆粒分開。根據(jù)重力沉降原理進(jìn)行操作裝置稱為重力沉降設(shè)備。1.降塵室利用重力沉降從氣流中分離出塵粒設(shè)備稱為降塵室，常見如圖所示。

操作原理：含塵氣體進(jìn)入降塵室后，因流動截面積擴(kuò)大而使顆粒與氣體間產(chǎn)生相對運(yùn)動，顆粒向室底作沉降運(yùn)動。只要在氣流通過降塵室時間內(nèi)顆粒能夠降至室底，塵粒便可從氣流中分離出來。

第46頁2023年10月10日47/149第47頁2023年10月10日48/149utu顆粒降至室底所需時間為θt：當(dāng)θ≥θt時，塵粒便從氣流中分離出來，即有：H/ut≤lbH/VS

VS≤ut·lb降塵室一般為矩形方體設(shè)備，其長、寬和高分別用l、b、H表達(dá)，兩端分別為含塵氣體進(jìn)口和凈化氣出口，氣體流量為Vs,m3/s。設(shè)氣體通過降塵室時間為θ：第48頁2023年10月10日49/149VS≤ut·lb可見，從理論上講降塵室生產(chǎn)能力只與其沉降截面積bl及顆粒沉降速度ut有關(guān)，而與其高度H無關(guān)。故可將降塵室做成多層，室內(nèi)均勻設(shè)置若干水平隔板(間距為40～100mm)，組成多層降塵室。

多層降塵室生產(chǎn)能力(n層水平隔板)：VS≤(n+1)ut·lb第49頁2023年10月10日50/149〖說明〗沉降速度ut應(yīng)按需要分離下來最小顆粒計(jì)算；氣流速度u不應(yīng)太高，以免干擾顆粒沉降或把已經(jīng)沉降下來顆粒重新卷起。為此，應(yīng)確保氣體流動雷諾準(zhǔn)數(shù)處于滯流范圍之內(nèi)；降塵室構(gòu)造簡單，流動阻力小，但體積龐大，分離效率低，一般僅適用于分離直徑大于50μm顆粒，用于過程預(yù)除塵。多層降塵室雖能分離細(xì)小顆粒，并節(jié)省地面，但出灰麻煩。

第50頁2023年10月10日51/149降塵室計(jì)算舉例例3-1擬采取降塵室回收常壓爐氣中所含固體顆粒，降塵室底面積為10m2，寬和高均為2m，爐氣處理量為4m3/s。操作條件下氣體密度為0.75kg/m3，粘度2.6×10-5Pa·s,固體密度為3000kg/m3。求(1)理論上能完全捕集下來最小粒徑；(2)粒徑為40μm顆粒回收百分率；(3)若完全回收直徑為15μm塵粒，對降塵室應(yīng)作如何改善?解：(1)能完全分離出最小顆粒沉降速度ut=VS/bl=4/10=0.4m/s

故沉降屬于滯流區(qū)，因而能除去最小顆粒直徑為：第51頁2023年10月10日52/149(2)直徑為40μm顆粒必在滯流區(qū)沉降，其沉降速度ut′：因氣體通過降塵室時間為：θ=lb·H/VS=10×2/4=5s故理論上直徑40μm顆粒在此時間內(nèi)沉降高度H′=utθ=0.1006×5=0.503m設(shè)降塵室入口爐氣均布，在降塵室入口端處于頂部及其附近d=40μm塵粒，因其ut<0.4m/s，它們隨氣體達(dá)到出口時還沒有沉究竟而隨氣體帶出，而入口端處于距室底0.503m下列40μm塵粒均能除去，因此40μm塵粒除塵效率：η=H′/H=0.503/2=25.15%

第52頁2023年10月10日53/149(3)要完全回收直徑為15μm顆粒，則可在降塵室內(nèi)設(shè)置水平隔板，使之變?yōu)槎鄬咏祲m室。降塵室內(nèi)隔板層數(shù)n及板間距h計(jì)算為：取n=28,則隔板間距h=H/(n+1)=2/29=0.069m因而在原降塵室內(nèi)設(shè)置28層隔板理論上可所有回收直徑為15μm顆粒。

第53頁2023年10月10日54/1492.沉降槽

利用重力沉降從懸浮液中分離固相設(shè)備稱為沉降槽，它可從懸浮液中分出清液而得到稠厚沉渣，又稱為增稠器。按操作方式分為間歇式和連續(xù)式，一般化工生產(chǎn)中均采取連續(xù)沉降槽。(1)連續(xù)沉降槽構(gòu)造與操作連續(xù)沉降槽是底部略成錐狀大直徑淺槽，如圖。懸浮液經(jīng)中央進(jìn)料管送到液面下列0.3～1.0m處，分散到槽整個橫截面上。因截面積擴(kuò)大顆粒下沉，清液向上流動，經(jīng)由槽頂四周設(shè)置溢流堰排出，沉到槽底沉渣由緩緩轉(zhuǎn)動耙撥向底部中心排渣口排出。連續(xù)沉降槽操作屬于穩(wěn)定操作狀態(tài)，上部為清液區(qū)，下部為增稠區(qū)，增稠區(qū)內(nèi)顆粒濃度自上而下逐漸增高，并且各部位區(qū)內(nèi)粒子濃度、沉降速度等不隨時間而變化。第54頁2023年10月10日55/149(2)特性連續(xù)沉降槽直徑大，大者可達(dá)百米以上，高度為2～4米。為節(jié)省占地面積，有時將數(shù)個沉降槽疊在一起組成多層沉降槽，共用一根共同軸帶動各槽耙。耙轉(zhuǎn)速很低，一般在0.1～1rpm之內(nèi)，以防將已沉積固粒重新攪起。連續(xù)沉降槽適于處理量大而顆粒濃度不高懸浮液，對于顆粒細(xì)微料漿，常需加入高分子量絮凝劑，使細(xì)粒之間發(fā)生凝聚而促進(jìn)沉降作用，以提升其生產(chǎn)能力和得到符合要求清液，其底部排出沉渣還具有約50%液體。第55頁2023年10月10日56/1493.2.2

離心沉降

依靠慣性離心力作用而進(jìn)行沉降過程稱為離心沉降。對于兩相密度差較小，顆粒粒度較細(xì)非均相物系，用重力沉降很難進(jìn)行分離甚至完全不能分離時，改用離心沉降則可大大提升沉降速度，且可縮小設(shè)備尺寸。離心沉降是利用沉降設(shè)備使流體和顆粒一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，在離心力作用下，由于顆粒密度大于流體密度，將使顆粒沿徑向與流體產(chǎn)生相對運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)分離。在高速旋轉(zhuǎn)過程中，顆粒受到離心力比重力大得多，且可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，因而其分離效果好于重力沉降。

第56頁2023年10月10日57/1493.2.2.1離心沉降速度

流體作圓周運(yùn)動時，使其方向不停變化力稱為向心力。而顆粒慣性卻促使它脫離圓周軌道而沿切線方向飛出，這種慣性力稱為離心力。當(dāng)顆粒在距中心R處旋轉(zhuǎn)時，其切向速度uT，徑向速度ur

。受力分析：FFCFduTurR在穩(wěn)定運(yùn)動中，作用力與阻力達(dá)成平衡，顆粒與流體相對運(yùn)動速度ur達(dá)成恒定，即：

離心沉降速度第57頁2023年10月10日58/149〖說明〗ut是常量，ur隨uT和R變化，是變量。2.離心沉降所處理非均相物系中固粒直徑一般很小，沉降一般在滯流區(qū)進(jìn)行，故其沉降速度可表達(dá)為：

3.分離因數(shù)：同一顆粒在同種介質(zhì)中離心沉降速度與重力沉降速度比值，以Kc表達(dá)：

Kc值一般在102～105之間，其大小反應(yīng)了離心沉降設(shè)備效能為重力沉降設(shè)備倍數(shù)，是離心分離設(shè)備性能一項(xiàng)主要指標(biāo)。

第58頁2023年10月10日59/1493.2.2.2旋風(fēng)分離器構(gòu)造與操作原理構(gòu)造：進(jìn)氣管、上筒體、下錐體和中央升氣管等

顆粒在隨氣流旋轉(zhuǎn)過程中，受到離心力大，故逐漸向筒壁運(yùn)動，達(dá)到筒壁后沿壁面落下，自錐體排出進(jìn)入灰斗。凈化后氣流在中心軸附近范圍內(nèi)由下而上做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，最后經(jīng)頂部排氣管排出。

一般，將下行螺旋形氣流稱為外旋流，上行螺旋形氣流稱為內(nèi)旋流。內(nèi)、外旋流旋轉(zhuǎn)方向相同。外旋流上部是主要除塵區(qū)。操作原理：含塵氣體由進(jìn)氣管進(jìn)入旋風(fēng)分離器后，沿圓筒切線方向，自上而下作圓周運(yùn)動。第59頁2023年10月10日60/149主要構(gòu)造參數(shù)為筒體直徑D，其他尺寸以D為標(biāo)準(zhǔn)，如圖示?！继攸c(diǎn)〗：構(gòu)造簡單，造價低廉，無運(yùn)動部件，操作范圍廣，可用多種材料制造，是化工、輕工、冶金等部門常用分離和除塵設(shè)備。〖說明〗旋風(fēng)分離器一般用來除去氣流中粒徑5μm以上塵粒，對顆粒含量高于200g/m3氣體，由于顆粒聚集作用，它甚至能除去3μm下列顆粒。對直徑在200μm以上顆粒最佳先用重力沉降法除去，以減小對器壁磨損；對于直徑5μm下列顆粒，除塵效率很低，需采取袋濾器或濕法捕集。

第60頁2023年10月10日61/1493.2.2.3旋風(fēng)分離器性能

(1)含塵氣體處理量：旋風(fēng)分離器處理量除與其進(jìn)口寬度B和高度h有關(guān)外，主要由進(jìn)口氣速ui來確定，氣速過高過低均對分離效率不利，一般在15～25m/s之間，故：VS=uiBh(2)臨界直徑dC：指理論上能夠完全分離出來最小顆粒直徑，為判斷旋風(fēng)分離器分離效率高低主要根據(jù)之一。假設(shè)：①氣體在旋風(fēng)分離器中有規(guī)則地旋轉(zhuǎn)Ne圈，旋轉(zhuǎn)平均半徑為Rm，切向速度恒等于進(jìn)口氣速，即uT=ui=VS/(hB)；②顆粒向器壁運(yùn)動時，穿過厚度為進(jìn)氣口寬度B流體層；③顆粒與流體相對運(yùn)動為滯流，且ρs>>ρ。即：

第61頁2023年10月10日62/149臨界粒徑計(jì)算公式推導(dǎo)若某種尺寸顆粒所需沉降時間θt恰等于氣流在器內(nèi)停留時間θ，該顆粒就是理論上能被完全分離下來最小顆粒。以dC代表這種顆粒直徑，即臨界粒徑，則：第62頁2023年10月10日63/149〖討論〗D↑，B=D/4↑，dC↑，η↓故設(shè)備尺寸不能太大，當(dāng)氣體處理量大時，使用若干小尺寸旋風(fēng)分離器并聯(lián)使用，以維持較高分離效率。ui↑，dC↓，η↑說明提升進(jìn)口氣速可提升分離效率，但進(jìn)口阻力增加，同步湍流情況增大，易帶起灰塵，因此一般不采取此法。上式中只要給出合適Ne值，即可計(jì)算dC。一般情況：Ne=0.5~3.0；標(biāo)準(zhǔn)型：Ne=5.0第63頁2023年10月10日64/149(3)分離效率

分離效率是衡量旋風(fēng)分離器操作效果參數(shù)，可用總效率和分效率表達(dá)。

①總效率η0：

進(jìn)入旋風(fēng)分離器所有粉塵中被分離下來質(zhì)量百分率，即：

式中：C1、C2－旋風(fēng)分離器進(jìn)口、出口氣體中含塵濃度，g/m3?？傂适枪こ躺献畛Ｓ茫彩亲钜子跍y定分離效率。其缺陷是不能表白旋風(fēng)分離器對多種尺寸粒子不一樣分離效果。第64頁2023年10月10日65/149②分效率(粒級效率)ηi按多種粒度分別表白其被分離下來質(zhì)量百分率。即：

式中：C1i、C2i－粒徑為di顆粒在旋風(fēng)分離器進(jìn)口、出口氣體中含塵濃度，g/m3。分效率表達(dá)辦法：ηo～di曲線稱粒級效率曲線ηpi～di/d50函數(shù)曲線第65頁2023年10月10日66/149ηo～di粒級效率曲線：此曲線可通過實(shí)測旋風(fēng)分離器進(jìn)、出口氣流中含塵濃度及粒度分布得到。設(shè)其臨界直徑dc為10μm。理論上：凡d>10μm顆粒，均應(yīng)ηpi=100%;而

d<10μm顆粒，均為ηpi=0,即為折線所示。100100粒徑d/μm粒徑效率ηpi/％事實(shí)上：d<dc顆粒也有可觀分離效果；d>dc顆粒也有部分未被分離下來。第66頁2023年10月10日67/149d<dc顆粒有些也許已在進(jìn)口處接近壁面，在停留時間內(nèi)能夠達(dá)到器壁；或者互相聚集而成大顆粒因而具有較大沉降速度。d>dc顆粒因受氣體渦流影響而未達(dá)到壁面，或者沉降后又被氣流重新卷起而帶走。其原因：第67頁2023年10月10日68/149③總效率與分效率間關(guān)系總效率取決于分效率和粒度分布，其計(jì)算式為：ηo=Σxiηpi

式中：xi－粒徑為di顆粒質(zhì)量分率。(4)壓強(qiáng)降△p：氣體通過旋風(fēng)分離器時，由于進(jìn)出口、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動以及對器壁摩擦等產(chǎn)生能量損失，造成氣體壓強(qiáng)減少。仿照局部能量損失計(jì)算辦法表達(dá)為：

式中：ζ－旋風(fēng)分離器阻力系數(shù)。〖說明〗同一構(gòu)造型式及尺寸百分比旋風(fēng)分離器，ζ為常數(shù)，不因尺寸而變。標(biāo)準(zhǔn)型ζ=8一般△p=500～2023Pa，其大小為評價旋風(fēng)分離器性能好壞一項(xiàng)主要指標(biāo)。

第68頁2023年10月10日69/149〖總結(jié)〗影響旋風(fēng)分離器性能原因中，物系條件及操作條件是主要。顆粒密度大、粒徑大、進(jìn)口氣速高及粉塵濃度高，都有助于分離。但氣速過高，易使湍流加劇，不利于分離，且增加壓強(qiáng)降，故進(jìn)口氣速在10～25m/s范圍內(nèi)為宜。粒徑大，對器壁磨損較嚴(yán)重，使旋風(fēng)分離器使用壽命減少，故分離粒徑在5～200μm為宜。第69頁2023年10月10日70/1493.2.2.4旋風(fēng)分離器型式

旋風(fēng)分離器分離效果和壓強(qiáng)降與其構(gòu)造型式關(guān)系較大，為提升分離效果，減少壓強(qiáng)降，在旋風(fēng)分離器構(gòu)造設(shè)計(jì)中，主要改善方面為：①進(jìn)氣方式，為確保高速氣流進(jìn)入時形成比較規(guī)則旋轉(zhuǎn)流，減少局部渦流或改善渦流影響而對切向進(jìn)口方式進(jìn)行改善；②優(yōu)化主體構(gòu)造與各部分尺寸百分比，根據(jù)流場與顆粒流動規(guī)律設(shè)計(jì)旋風(fēng)分離器構(gòu)造，采取細(xì)而長器身提升分離效率；③改善下灰口，避免將已沉集下來粉塵重新?lián)P起。目前旋風(fēng)分離器已定型化，如CLT，CLT/A，CLP/A，CLP/B，CLK型等。一般型式代號為：C—除塵器，L—離心，T—筒式，P—旁路式，K—擴(kuò)散式，A、B為產(chǎn)品代號。其性能見書中表3-2,3-3,3-4，現(xiàn)列舉幾個常見類型。

第70頁2023年10月10日71/149(1)CLT/A型

這是具有傾斜螺旋面進(jìn)口旋風(fēng)分離器，構(gòu)造如圖。氣流進(jìn)口管與水平面呈15°角，并帶有螺旋型導(dǎo)向頂蓋，以避免向上氣流遇到頂蓋時形成上部渦流，從而使部分灰塵被此氣流夾帶沿排氣管外壁下降時，由排氣管排出，其阻力系數(shù)ζ=5.0～5.5。

第71頁2023年10月10日72/149(2)CLP型采取蝸殼式進(jìn)氣口，進(jìn)氣口位置低且?guī)в信月贩蛛x室，構(gòu)造見圖?？墒乖谛L(fēng)分離器頂蓋下面強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)粉塵環(huán)通過旁路分離室向下運(yùn)動而使細(xì)粒粉塵得到深入分離，提升了分離效率。根據(jù)旁路分離室形狀不一樣，分為A、B兩種型式，其阻力系數(shù)ζ=4.8～5.8。

第72頁2023年10月10日73/149(3)CLK型(擴(kuò)散型)

筒體下部為一倒錐形，并在底部裝有倒置頂部開孔漏斗形擋灰盤，其下沿與四壁底圈留有齒縫，如圖。這種構(gòu)造作用是避免返回氣流將落下粉塵重新卷起，因而提升了除塵效率，尤其對直徑10μm下列顆粒，效果更為顯著，它適用于凈化顆粒濃度高氣體。

第73頁2023年10月10日74/1493.2.2.5旋風(fēng)分離器選用和計(jì)算

已知內(nèi)容：氣體流量Vs(m3/s)，含塵量C1(g/m3)，粉塵粒度分布，除塵要求，壓強(qiáng)降計(jì)算內(nèi)容：旋風(fēng)分離器型式，直徑和個數(shù)一般步驟如下：(1)根據(jù)粉塵性質(zhì)，選擇旋風(fēng)分離器型式；(2)根據(jù)要求除塵效率和粉塵粒度分布，計(jì)算臨界直徑dc或分割粒徑d50；(3)根據(jù)允許壓強(qiáng)降確定氣體進(jìn)口速度ui；第74頁2023年10月10日75/149(4)根據(jù)ui與dc(或d50)計(jì)算旋風(fēng)分離器直徑D；(5)根據(jù)D與ui計(jì)算每個旋風(fēng)分離器處理量，確定旋風(fēng)分離器臺數(shù)；(6)對除塵效率與壓強(qiáng)降進(jìn)行校核。并聯(lián)使用：阻力相同，風(fēng)量均分串聯(lián)使用：阻力均分，風(fēng)量相同第75頁2023年10月10日76/149旋風(fēng)分離器選用示例例3-3煙氣中所含粉塵粒度分布如下表：0.020.050.140.380.190.120～55～1010～1515～2020～2525～30質(zhì)量分率粒徑/μm0.050.030.010.0130～4040～5050～6060～70質(zhì)量分率粒徑/μm操作條件下氣體流量為7200m3/h,密度為0.43kg/m3，粘度為3.6×10-5Pa·s,粉塵密度為2023kg/m3，采取標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)分離器進(jìn)行分離，要求除塵效率達(dá)成88%，壓強(qiáng)減少于700Pa,試確定旋風(fēng)分離器尺寸與臺數(shù)。第76頁2023年10月10日77/149解：(1)計(jì)算分割粒徑d50。采取試差法，設(shè)d50＝5.4μm，由圖3-10ηp～di/d50曲線查得粒級效率ηp，并計(jì)算總效率ηo,計(jì)算成果如下表：顆粒直徑μm平均直徑di,μm質(zhì)量分率xi

di/d50

粒級效率ηpixiηpi

0～55～1010～1515～2020～2525～3030～4040～5050～6060～702.57512.517.522.527.5354555650.020.050.140.380.190.120.050.030.010.010.461.392.313.244.175.096.488.3310.1912.040.180.660.840.900.940.960.991.001.001.000.00360.03300.11760.34200.17860.11520.04950.030.010.01Σ1.000.8895第77頁2023年10月10日78/149因計(jì)算總效率ηo=Σxiηpi=88.95%>88%,可見所設(shè)正確?！郿50=5.4μm(2)確定氣體進(jìn)口速度ui

取ζ=8

(3)計(jì)算旋風(fēng)分離器直徑D：第78頁2023年10月10日79/149(4)計(jì)算所需旋風(fēng)分離器臺數(shù)n：對標(biāo)準(zhǔn)型：B=D/4=0.45/4=0.1125mh=D/2=0.225m直徑為0.45m旋風(fēng)分離器每臺處理量為:VS′=uiBh=20.2×0.1125×0.225=0.51m3/s

取n=4，并聯(lián)使用。(5)壓強(qiáng)降校核：

因而能達(dá)成要求。

第79頁2023年10月10日80/1493.2.2.6旋液分離器用于分離懸浮液。懸浮液在旋液分離器中被分為頂部溢流和底部底流兩部分，由于液體密度和粘度大，顆粒沉降分離比較困難，因而一般底流中具有大量液體，溢流中往往也帶有部分顆粒。旋液分離器既可用于懸浮液增稠或分級，也可用于乳濁液分離。與旋風(fēng)分離器相比，旋液分離器特點(diǎn)是(1)形狀細(xì)長，直徑小，圓錐部分長，以利于顆粒分離；(2)中心經(jīng)常有一種處于負(fù)壓氣柱，有助于提升分離效果。旋液分離器中顆粒沿壁面高速運(yùn)動，磨損嚴(yán)重，一般采取耐磨材料制造。

第80頁2023年10月10日81/1493.3

過濾分離原理及設(shè)備

3.3.1過濾操作基本概念

過濾：以某種多孔物質(zhì)為介質(zhì)，在外力作用下，使懸浮液中液體通過介質(zhì)孔道，而使固體顆粒被截留在介質(zhì)上，從而實(shí)現(xiàn)固、液分離單元操作。過濾操作所處理懸浮液稱為濾漿或料漿所用多孔性介質(zhì)稱為過濾介質(zhì)通過過濾介質(zhì)液體稱為濾液被截留下來顆粒層稱為濾餅或?yàn)V渣

實(shí)現(xiàn)過濾操作外力有重力，壓強(qiáng)差或慣性離心力，在化工生產(chǎn)中應(yīng)用最多是過濾介質(zhì)上、下游兩側(cè)壓強(qiáng)差。第81頁2023年10月10日82/1493.3.1.1過濾方式過濾操作分兩類：1.餅層過濾：固體顆粒呈餅層狀沉積于過濾介質(zhì)上游一側(cè)。適于處理固體含量較高(固體體積分率在1％以上)懸浮液。真正發(fā)揮分離作用是濾餅層，而不是過濾介質(zhì)。2.深床過濾：固體顆粒沉積發(fā)生在較厚粒狀過濾介質(zhì)床層內(nèi)部。適于處理顆粒小、含量少(固體體積分率在0.1％下列)懸浮液。真正發(fā)揮作用是過濾介質(zhì)?；ぶ兴幚響腋∫簼舛韧^高。故本章只討論餅層過濾。第82頁2023年10月10日83/1493.3.1.2過濾介質(zhì)作用是使清液通過，截留和支承濾餅。對其要求是：1.具有多孔性，孔道大小合適；2.具有足夠機(jī)械強(qiáng)度和盡也許小流動阻力；3.具有對應(yīng)耐腐蝕性、耐熱性、抗老化性等。工業(yè)上常用過濾介質(zhì)種類主要有：(1)織物介質(zhì)(濾布)：由棉、毛、絲、麻等天然纖維或尼綸、聚氯乙烯纖維等合成纖維及玻璃絲、金屬絲(Cu、Ni、不銹鋼)等材料制成網(wǎng)。被截留最小顆粒直徑5～65μm，應(yīng)用最廣；(2)粒狀介質(zhì)(粒狀介質(zhì))：由細(xì)而硬粒狀物質(zhì)(砂、木碳、硅藻土、石綿、纖維球、碎石等)堆積而成。用于深床過濾(3)多孔固體介質(zhì)：多孔陶瓷、多孔塑料等具有細(xì)微孔道固體材料。被截留最小顆粒直徑1～3μm，適于處理含量少、顆粒小腐蝕性懸浮液或其他特殊場所。第83頁2023年10月10日84/1493.3.1.3濾餅壓縮性和助濾劑由懸浮液中被截留下來顆粒累積而成床層，隨過濾進(jìn)行而增厚，根據(jù)其變形情況分為：不可壓縮濾餅：當(dāng)濾餅厚度增加或壓強(qiáng)差增大時，顆粒形狀和顆粒間空隙不發(fā)生顯著變化，故單位濾餅層厚度流體阻力基本恒定。可壓縮濾餅：當(dāng)濾餅厚度增加或過濾壓強(qiáng)差增大時，顆粒形狀和顆粒間空隙發(fā)生顯著變化，單位濾餅層厚度流體阻力不停增大。濾餅壓縮性用壓縮性指數(shù)s衡量，其值在0～1之間。通過試驗(yàn)測定。S=0：不可壓縮濾餅，無壓縮性S=0～1：可壓縮濾餅，s愈大，壓縮性愈強(qiáng)

第84頁2023年10月10日85/149助濾劑:能夠變化濾餅構(gòu)造，提升剛性，減少濾餅阻力固體顆粒。預(yù)涂或預(yù)混對助濾劑要求：應(yīng)是能形成多孔餅層剛性顆粒具有化學(xué)穩(wěn)定性和不溶于液相中過濾操作壓強(qiáng)差范圍內(nèi)，具有不可壓縮性常用作助濾劑物質(zhì)有：硅藻土：單細(xì)胞水生植物沉積化石，通過干燥或焙燒，含85％以上SiO2珍珠巖：將一種玻璃狀火山巖熔融后傾入水中，得到中空小球，再打壞而成其他：炭粉、石綿粉、紙漿粉等第85頁2023年10月10日86/1493.3.2過濾基本方程式

3.3.2.1濾液通過餅層流動

特點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)狀流道空隙率ε：單位體積床層中空隙體積，m3/m3，即第86頁2023年10月10日87/1493.3.2過濾基本方程式

比表面積a：單位體積顆粒所具有表面積，m2/m3當(dāng)量直徑de：仿照第一章非圓形管當(dāng)量直徑計(jì)算，寫出顆粒床層當(dāng)量直徑：de∝rH第87頁2023年10月10日88/149孔道(細(xì)管)平均長度l：床層厚度，即l=K0L取面積為1m2，厚度為1m濾餅考慮：床層體積=1×1=1m3假設(shè)細(xì)管所有流動空間等于床層空隙體積：流道容積(空隙體積)＝床層體積×ε＝1×ε＝εm3流道表面積＝顆粒表面積＝顆粒體積×比表面積＝(1-ε)am2顆粒床層一組平行細(xì)管—流體通道①細(xì)管內(nèi)表面=床層顆粒所有表面②細(xì)管總體積=床層空隙體積第88頁2023年10月10日89/149平均流速u第89頁2023年10月10日90/149

濾液流動速度因流道細(xì)微，故流動處于層流仿Hagen-Poiseuille方程濾液通過床層第90頁2023年10月10日91/1493.3.2.2過濾速度與過濾速率以濾液通過整個床層時速度為u,則有u=εu1設(shè)A1是孔道面積，A是過濾面積則

uA=u1A1

過濾速度：單位時間單位過濾面積通過濾液體積第91頁2023年10月10日92/149(1)定義A—濾餅層總截面積；

—過濾時間；V—濾液體積說明u1與u關(guān)系(2)過程推進(jìn)力——濾漿側(cè)和濾液側(cè)壓差濾餅壓降介質(zhì)壓降3.3.2.2過濾速度與過濾速率第92頁2023年10月10日93/149(4)濾餅層阻力

l(L)

，如p不變，則u—瞬時速度恒壓降速，恒速升壓說明其中——濾餅比阻K——百分比系數(shù)，對粒狀物，K=5第93頁2023年10月10日94/149過濾速率:單位時間取得濾液體積第94頁2023年10月10日95/1493.3.2.3濾餅阻力對不可壓縮濾餅，其形狀，大小不變，故ε、a為常數(shù)，則：式中：R－濾餅阻力，1/mr－濾餅比阻，1/m2過濾推進(jìn)力：促成濾液流動原因，即壓強(qiáng)差ΔpC過濾阻力：μrL濾液本身粘性，μ濾餅阻力：rL第95頁2023年10月10日96/149物理意義：比阻在數(shù)值上等于粘度為1Pa·s濾液以1m/s平均速度通過厚度為1m濾餅層時所產(chǎn)生壓強(qiáng)降。因此，比阻反應(yīng)了顆粒形狀、尺寸及床層空隙率對濾液流動影響。ε↓，a↑：床層越致密，對流體流動阻滯作用越大第96頁2023年10月10日97/149例直徑為0.1mm球形顆粒狀物質(zhì)懸浮于水中，用過濾辦法給予分離。過濾時形成不可壓縮濾餅，其空隙率為60％。試求濾餅比阻r；又知此懸浮液中固相所占體積分率為10％。求每平方米過濾面積上取得0.5m3濾液時濾餅阻力R。解(1)ε＝60％＝0.6第97頁2023年10月10日98/149以1m2過濾面積為基準(zhǔn)：濾液體積＝0.5m3濾餅體積＝1×Lm3濾餅中水體積＝空隙體積＝1×L×0.6m3濾漿體積＝濾液體積＋濾餅體積＝0.5＋1×Lm30.5＋1×L×0.6＝(0.5＋1×L)×(1-0.1)∴L=0.1667m∴R=rL＝1.333×1010×0.1667＝2.22×1091/m∵R=rL因此關(guān)鍵在于求解L。濾餅厚度可通過濾餅、濾液及濾漿進(jìn)行體積衡算得到。因過濾中水密度沒有變化，故：濾漿體積＝濾液體積＋濾餅體積濾漿中固體體積＝濾餅中固體體積濾漿中水體積＝濾餅中水體積＋濾液體積第98頁2023年10月10日99/1493.3.2.4過濾介質(zhì)阻力過濾介質(zhì)阻力與其厚度和本身致密程度有關(guān)，一般為常數(shù)。仿寫：由于很難劃定過濾介質(zhì)與濾餅間分界面，更難測定分界面處壓強(qiáng)，因而過濾操作總是把過濾介質(zhì)同濾餅聯(lián)合起來考慮：

第99頁2023年10月10日100/149上式表白：可用濾液通過串聯(lián)濾餅與濾布總壓強(qiáng)降表達(dá)過濾推進(jìn)力，用兩層阻力之和表達(dá)總阻力。式中：Le－過濾介質(zhì)當(dāng)量濾餅厚度，或稱虛擬濾餅厚度，m在一定操作條件，以一定介質(zhì)過濾一定懸浮液時，Le為定值同一介質(zhì)在不一樣過濾操作中，Le值不一樣近似：阻力~厚度為Le一層濾餅第100頁2023年10月10日101/1493.3.2.5過濾基本方程式若以υ表達(dá)濾餅體積與濾液體積之比(m3/m3)，即濾漿稠度時，則得到濾液量為V(m3)時，濾餅體積為：υV=LA∴L=υV/A同理可得：Le=υVe/A式中：Ve——過濾介質(zhì)當(dāng)量濾液體積，或稱虛擬濾液體積，m3。

對于不可壓縮性濾餅r為常數(shù)，但對于可壓縮濾餅，r是壓強(qiáng)差函數(shù)，可表達(dá)為：r=r′△Ps

式中：r′——單位壓強(qiáng)差下濾餅比阻，1/m2;

過濾基本方程式一定操作條件，以一定介質(zhì)過濾一定懸浮液時，Ve為定值同一介質(zhì)在不一樣過濾操作中，Ve值不一樣第101頁2023年10月10日102/1493.3.3恒壓過濾恒壓過濾是指過濾操作始終是在恒定壓強(qiáng)差下進(jìn)行，特點(diǎn)是隨過濾進(jìn)行，濾餅層不停增厚，過濾阻力逐漸增加，從而過濾速率不停下降。對于一定濾漿而言，μ、r′、υ均為常數(shù)，令：

恒壓過濾，△p為常數(shù)，而s為顆粒特性常數(shù)，故再令：K=2kΔp1-s據(jù)上兩式，整頓過濾基本方程式，得：第102頁2023年10月10日103/149積分限：時間0～θe，體積：0～Ve積分限：時間θe～θe＋θ，體積：Ve～Ve＋V(1)+(2)得(V+Ve)2=KA2(θ＋θe)(3)以上三式稱為恒壓過濾方程式。表白恒壓過濾時濾液體積與過濾時間關(guān)系為一拋物線。第103頁2023年10月10日104/149當(dāng)過濾介質(zhì)阻力能夠忽視不計(jì)時，ve=0,θe=0恒壓過濾方程式簡化為：V2=KA2θ第104頁2023年10月10日105/149〖討論〗K為物料特性及壓強(qiáng)差所決定常數(shù)，稱為濾餅常數(shù)，m2/s。θe、Ve反應(yīng)過濾介質(zhì)阻力大小常數(shù)，稱為介質(zhì)常數(shù)，s,m3；濾餅常數(shù)、介質(zhì)常數(shù)統(tǒng)稱為過濾常數(shù)以單位過濾面積為基準(zhǔn)，即：(q+qe)2=K(θ＋θe)q2+2qeq

=Kθeqe

2=Kθ

過濾介質(zhì)阻力忽視時q2=Kθ第105頁2023年10月10日106/149總結(jié)：恒壓過濾方程式以絕對濾液量為基準(zhǔn)以相對濾液量為基準(zhǔn)(V+Ve)2=KA2(θ＋θe)V2+2VeV

=KA2θe

Ve2=KA2θe(q+qe)2=K(θ＋θe)q2+2qeq

=Kθe

qe2=Kθe過濾介質(zhì)阻力忽視V2=KA2θq2=Kθ第106頁2023年10月10日107/149恒壓過濾計(jì)算舉例例3-5擬在9.81kPa恒定壓強(qiáng)差下過濾懸浮于水中直徑為0.1mm球形顆粒物質(zhì)，懸浮液中固相體積分率為10%，水粘度為1×10-3Pa·s。過濾過程介質(zhì)阻力不計(jì)，濾餅為不可壓縮濾餅，其空隙率為60%，過濾機(jī)過濾面積為10m2，計(jì)算：(1)得到15m3濾液時需過濾時間；(2)若將過濾時間延長一倍時，可得濾液共為若干?解：

恒壓過濾并且過濾介質(zhì)阻力不計(jì)；其過濾方程式為V2=KA2θ，關(guān)鍵計(jì)算K第107頁2023年10月10日108/149第108頁2023年10月10日109/1493.3.4恒速過濾與先恒速后恒壓過濾

3.3.4.1恒速過濾恒速過濾是指過濾操作始終是在恒定速率下進(jìn)行，特點(diǎn)是伴隨過濾進(jìn)行，濾餅層不停增厚，過濾阻力不停增大，要維持過濾速率不變，必須不停增大推進(jìn)力。根據(jù)過濾速度定義:

式中：uR－恒速階段過濾速度，m/s為恒速過濾方程式，表白濾液量V與過濾時間θ成線性關(guān)系第109頁2023年10月10日110/149第110頁2023年10月10日111/1493.3.4.2先恒速后恒壓過濾恒壓過濾：V2∝θ（過濾介質(zhì)阻力忽視時）恒速過濾：V∝θ，可見，在相同時間內(nèi)，恒速過濾可取得更多濾液量。但由于恒速過濾時，隨時間增加，過濾壓強(qiáng)差不停增大，因此事實(shí)上沒有將恒速方式進(jìn)行究竟過濾操作。。

恒速過濾恒壓過濾過濾時間0～θRθR～θ濾液體積0～VRVR～VVR、θR－恒速階段終了(恒壓階段開始)瞬間濾液體積及過濾時間。第111頁2023年10月10日112/149方程式推導(dǎo)過濾基本方程式：〖說明〗將上式各項(xiàng)除以(V-VR)，整頓得：表白恒壓階段過濾時間與濾液體積比(θ-θR)/(V-VR)與總濾液體積V成正比。先恒速后恒壓過濾方程式第112頁2023年10月10日113/1493.3.5過濾常數(shù)測定3.3.5.1恒壓下K、qe、θe測定1.圖解法(q+qe)2=K(θ＋θe)對過濾方程進(jìn)行微分第113頁2023年10月10日114/149為便于測定微分用增量替代在一定Δp下做試驗(yàn)，連續(xù)測定，q算出一系列及對應(yīng)q

/q~q作圖，直線斜率=2/K，截距=2qe/K第114頁2023年10月10日115/1492.解析法用最小二乘法回歸直線方程Y=mX+b，求m,b步驟：測定一系列Xi，Yi數(shù)據(jù)計(jì)算XiYi，Xi2計(jì)算∑Xi、∑Yi、∑XiYi、∑Xi2計(jì)算m，bXiYiXiYiXi201n∑第115頁2023年10月10日116/149解析法求過濾常數(shù)步驟：在恒定壓強(qiáng)差下試驗(yàn)，測定一系列θ～q值計(jì)算θ/q令Y=θ/q，X=q，m=1/K，b=2qe/K利用最小二乘法計(jì)算m,b計(jì)算K,qe計(jì)算θe第116頁2023年10月10日117/1493.3.5.2壓縮性指數(shù)s測定原理：將K=2k△p1-s

兩邊取對數(shù)：

lgK=(1-s)lg△p+lg(2k)對一定物料k、s為常數(shù)，故此式表白lgK與lg△p為直線關(guān)系，其斜率為(1-s)，截距為lg(2k)。因此在不一樣壓強(qiáng)差下進(jìn)行恒壓過濾，測得對應(yīng)K值，即可根據(jù)上式通過作圖法或最小二乘法求出s。第117頁2023年10月10日118/1491.圖解法求解步驟：在不一樣壓強(qiáng)差下進(jìn)行恒壓試驗(yàn)，測定一系列θ～q值計(jì)算不一樣Δp下K值在雙對數(shù)坐標(biāo)系中以K~Δp做圖讀圖得斜率m，截距b，則：s=1-m,k=b/22.解析法求解步驟在不一樣壓強(qiáng)差下進(jìn)行恒壓試驗(yàn)，測定一系列θ～q值計(jì)算不一樣Δp下K值令Y=lgK,X=lgΔp，m=1-s,b=lg(2k)利用最小二乘法求解m,b計(jì)算s：s=1-m第118頁2023年10月10日119/149過濾常數(shù)測定計(jì)算舉例例3-6在25℃下對每升水中含25g某種顆粒懸浮液進(jìn)行了三次恒壓過濾試驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)如下：

試驗(yàn)序號123壓強(qiáng)差△p×10－5/Pa0.4631.953.39單位面積濾液量q×103/m3/m2

過濾時間θ/s11.3522.7034.0545.4056.7568.1017.341.472.0108.4152.3201.66.514.024.137.151.869.14.39.416.224.534.646.1計(jì)算：(1)各壓強(qiáng)差下過濾常數(shù)K、qe、θe；(2)濾餅壓縮性指數(shù)s。

第119頁2023年10月10日120/149原題解：利用最小二乘法回歸直線方程，令：Y=θ/q;X=q;m=1/K;b=2qe/K;由題給數(shù)據(jù)，對△p=0.463×105Pa下試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理如下：

序號XiYiXi2XiYi

12345611.35×10-322.70×10-334.05×10-345.40×10-356.75×10-368.10×10-3

1.524×1031.824×103

2.115×103

2.388×103

2.684×103

2.960×103

1.288×10-45.153×10-411.594×10-420.612×10-432.206×10-446.376×10-4

17.341.472.0108.4152.3201.6∑238.35×10-3

13.495×103

117.229×10-4

593第120頁2023年10月10日121/149第121頁2023年10月10日122/149同樣可求得△p=1.95×105Pa和△p=3.39×105Pa下K、qe、θe值，計(jì)算成果列表如下：

試驗(yàn)序號△p/PaK/m2/sqe/m3/m2

θe/s1230.463×105

1.95×105

3.39×105

3.96×10-51.15×10-41.86×10-4

2.47×10-22.62×10-22.82×10-2

15.46.04.3(2)令Y=lgK,X=lg△p,m=1-s,b=lg(2k),處理成果如下：

序號△p/PaXiYiXi2XiYi

1230.463×1051.95×1053.39×105

4.66565.29005.5302-4.4023-3.9393-3.730521.7727.9830.58-20.54-20.84-20.63∑15.4858-12.072180.33-62.01

解得：m=0.7764,b=-8.03∴s=1-m=0.2236k=exp(b)/2=1.67×10-9m4/N·s第122頁2023年10月10日123/1493.3.6過濾設(shè)備3.3.6.1板框過濾機(jī)

板框過濾機(jī)為最普遍使用一種過濾機(jī)，它由許多塊濾板與濾框交替排列組合而成，見圖。濾板與濾框靠支耳架在一對橫梁上，通過壓緊裝置將其壓緊。

第123頁2023年10月10日124/149第124頁2023年10月10日125/149過濾途徑：濾漿→框內(nèi)→濾餅→濾布→板內(nèi)→排出第125頁2023年10月10日126/149第126頁2023年10月10日127/149板框過濾機(jī)為間歇操作，每一操作循環(huán)由組裝、過濾、洗滌、卸餅、清理五個階段組成。板框組裝完成，開始過濾，濾漿在指定壓強(qiáng)下由濾框角上濾漿通道并行進(jìn)入各個濾框，濾液分別穿過濾框兩側(cè)濾布，沿濾板面上溝槽至濾液出口排出；顆粒則被濾布截留在框內(nèi)，待濾渣充滿每個框后，停頓進(jìn)料過濾結(jié)束。關(guān)閉進(jìn)料漿閥及濾液出口閥。

第127頁2023年10月10日128/149洗水途徑：洗水→洗板→濾布→框（濾餅）→非洗滌板→排出第128頁2023年10月10日129/149對于一種框，橫截面積為A,厚度為B洗水途徑為過濾終了時過濾途徑兩倍，洗滌面積為過濾面積二分之一。

濾液排出方式：明流：濾液經(jīng)每塊過濾板底部側(cè)管直接排出暗流：各板流出濾液聚集在總管后排出第129頁2023年10月10日130/149濾板和濾框材料：可用鑄鐵、碳鋼、不銹鋼、塑料等。特性：框厚度為25～50mm，框邊長為320～1000mm，濾板和濾框數(shù)目可根據(jù)需要自行調(diào)整，一般為10～60塊，提供過濾面積為2～80m2。操作壓強(qiáng)一般為0.3～0.5MPa(表壓)。其型號表達(dá)如下：BMS20／635-25其中：B——板框過濾機(jī)代號M——明流式(指濾液排出方式，若為A表達(dá)暗流式)S——手動壓緊(若為Y，則表達(dá)液壓壓緊)20——過濾面積，m2(A=2×邊長×邊長×框數(shù))635——框內(nèi)邊長，mm，(框體積Vc=框數(shù)×邊長×邊長×框厚)特點(diǎn)：構(gòu)造簡單，制造方便，過濾面積大，適應(yīng)能力強(qiáng)，自動化程度高，濾餅含水量小，因而得到廣泛應(yīng)用。

第130頁2023年10月10日131/1493.3.6.2加壓葉濾機(jī)

構(gòu)造：加壓葉濾機(jī)是由若干不一樣寬度長方形濾葉組裝而成，濾葉由金屬多孔板或金屬網(wǎng)制成，內(nèi)部具有空間，外部覆蓋濾布，濾葉組裝完成后放入密閉圓筒內(nèi)，見圖。

過濾：將濾漿用泵送入圓筒內(nèi)，濾液穿過濾布進(jìn)入濾葉中心空間，聚集至總管后排出；顆粒則沉積在濾布上形成濾餅，當(dāng)積到一定厚度時停頓進(jìn)料過濾結(jié)束，濾餅厚度為5～35mm，視情況而定。

第131頁2023年10月10日132/149洗滌：過濾完成放盡筒內(nèi)殘余濾漿通入洗水，洗滌辦法與過濾完全相同，稱為置換洗滌法：洗滌途徑與過濾終了途徑相同洗滌面積與過濾終了面積相同洗滌后可用壓縮空氣反吹濾餅，然后打開圓筒上蓋，抽出濾葉經(jīng)旋轉(zhuǎn)卸出濾餅，清洗后重新裝入圓筒中進(jìn)行下一循環(huán)操作，因此亦為間歇過濾機(jī)。特點(diǎn)：設(shè)備緊湊，密閉操作，過濾洗滌效果好。過濾面積小，濾布損壞更換費(fèi)時。

第132頁2023年10月10日133/1493.3.6.3轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)(連續(xù)過濾機(jī))第133頁2023年10月10日134/149第134頁2023年10月10日135/149第135頁2023年10月10日136/149操作：藉分派頭作用，轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)一周時各小室可依次進(jìn)行過濾、洗滌、吸干、吹松、卸渣等項(xiàng)操作，而整個轉(zhuǎn)筒上在任何時候都在不一樣部位同步進(jìn)行過濾、洗滌、吸干、卸渣操作。固定盤上三個圓弧凹槽之間留有一定距離，以防轉(zhuǎn)筒上操作區(qū)域過渡時互相串通，刮刀固定在濾漿槽之上，與濾布相貼。

第136頁2023年10月10日137/149特性：過濾面積一般為5～40m2，轉(zhuǎn)筒浸沒部分占總面積30～40%，轉(zhuǎn)速可調(diào)一般在0.1～3rpm，濾餅厚度在10～40mm之間，含水量10～30%。特點(diǎn)：連續(xù)自動操作，節(jié)省人力，生產(chǎn)能力大，適用處理量大、易過濾懸浮液分離從屬設(shè)備多，投資費(fèi)用高，過濾面積小，推進(jìn)力有限，濾漿溫度不能過高，洗滌不夠充足，對濾漿適應(yīng)能力差，不適于傷心濾物系。

第137頁2023年10月10日138/1493.3.7濾餅洗滌洗滌濾餅?zāi)繕?biāo)：回收殘留在濾餅中濾液，或者凈化組成濾餅顆粒狀物料。單位時間內(nèi)消耗洗水體積稱為洗滌速率。洗滌時濾餅厚度不變，因而當(dāng)洗滌推進(jìn)力恒定期，洗滌速率為常數(shù)。

若每次過濾終了以體積為VW洗水洗滌時，則所需洗滌時間θW為：第138頁2023年10月10日139/149假定:若洗滌時推進(jìn)力與過濾終了時壓強(qiáng)差相同，洗水粘度與濾液粘度相近時，則洗滌速率與過濾終了時過濾速率有關(guān)，這個關(guān)系取決與過濾設(shè)備上采取洗滌方式。洗滌速率恒定

濾餅厚度不變第139頁2023年10月10日140/