非均相物系的分離和固體流態(tài)化課件

第二章非均相物系的分離和固體流態(tài)化

（heterogenoussystemseparation）§2-1概述化工生產(chǎn)過程中，經(jīng)常遇到非均相混合物的分離，如焙燒氣中懸浮細(xì)小固體顆粒的體系；沉淀液體中懸浮固體顆粒的體系，非均相混合物的分離是經(jīng)常要使用的操作。非均相分離涉及的體系主要有兩種，1、氣體非均相體系：氣體中含有懸浮的固體顆粒，或液滴所形成的混合物，（常見的是氣固）。2、液體非均相體系：液體中含有分散的固體顆粒（懸浮液）或與液體不互溶的液滴（乳濁液）或氣泡（泡沫液）形成的混合物，常見的是液固。第二章非均相物系的分離和固體流態(tài)化

（heterogen1在非均相混合物中，處于連續(xù)狀態(tài)的流體稱為連續(xù)相，處于分散狀態(tài)的稱為分散相，

非均相混合物的分離通常采用力學(xué)和流體力學(xué)的原理進(jìn)行分離。一般稱為機(jī)械分離，根據(jù)體系的性質(zhì)（如分散相濃度、顆粒大小、形狀、密度、連續(xù)相性質(zhì)、粘度、密度等）和分離的要求不同，可以采用不同的分離方法，氣體混合物與液體混合物的性質(zhì)有較大差別，分離方法各有特點(diǎn)，但這些方法都是基于共同的力學(xué)、流體力學(xué)規(guī)律和原理，我們放在一起來討論。非均相混合物的分離方法主要可分為以下幾種。

在非均相混合物中，處于連續(xù)狀態(tài)的流體稱為連續(xù)相，處于分散狀2（1）沉降（重力）（2）過濾

（3）慣性碰撞（4）洗滌分離非均相混合物的主要目的

（1）收集分散物質(zhì)。如結(jié)晶、粉塵（2）凈化、除塵。如硫酸生產(chǎn)煙道氣（3）環(huán)保。如廢氣、廢液中的固體顆粒

§2-2重力沉降（gravitysettling）對(duì)于非均相物系的分離，如果是在力場中利用分散相和連續(xù)相之間的密度差異，使之發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)分離的操作過程，稱為沉降（1）沉降（重力）（2）過濾

（3）慣性碰撞3實(shí)現(xiàn)沉降操作的作用力可以是重力或慣性離心力，沉降過程又分為重力沉降和離心沉降兩種方式。

一、描述顆粒的幾何特征參數(shù)（大小、形狀、面積）1、顆粒的當(dāng)量直徑（equivalentdiameter）對(duì)于規(guī)則形狀的顆粒，其大小可用它的某一主要線性尺度來表示，其它尺寸可以用此長度的比例來表示。如常見球形，可以用它的直徑來表示大小，而體積和表面積可分別表示為：VP=（π/6）d3A=πd2

顆粒的表面積一般用比表面積來表示，它的定義是單位體積顆粒所具有的表面積，對(duì)于球形顆粒來講實(shí)現(xiàn)沉降操作的作用力可以是重力或慣性離心力，沉降過程又分為4a=A/VP=（2-1）

比表面積與d反比，對(duì)于不規(guī)則的顆粒，其大小和形狀的表示比較困難，需要采用人為規(guī)定的方法，通常使用球形顆粒作比較，用當(dāng)量直徑和形狀系數(shù)來表示。A、等體積當(dāng)量直徑（dev），已知顆粒的體積Vp

（2-2）看作球形B、等比表面當(dāng)量直徑（2-3）a=A/VP=5a——不規(guī)則顆粒比表面積

1、顆粒的形狀系數(shù)（shapefactor）顆粒的形狀可用形狀系數(shù)來表示，最常用的形狀系數(shù)是球形度Φ（sphericity），它的定義為Φ=

與球形相差越大，Φ值越小，等體積形狀，球形表面最小，對(duì)于大多數(shù)粉碎顆粒，球形度Φ在0.6-0.7，通過球形度的概念，我們可把dev與dea聯(lián)系起來。a——不規(guī)則顆粒比表面積1、顆粒的形狀系數(shù)（shape6Φ=（2-4）dea=Φdev(2-5)二、沉降過程

1、沉降速度（terminalvelocity）ut顆粒在流體中的流動(dòng)可以看成是顆粒與流體間產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，只要顆粒與流體的密度不同，在力場的作用下，顆粒在流體中就產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如重力，可利用這一性質(zhì)來分離顆粒和流體。顆粒在流體中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是一種平行的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這樣我們就只考慮流體與顆粒間的相對(duì)速度，而不考慮是流體或是顆粒靜止不動(dòng)。Φ=7一般的顆粒都可以看作是球形的，下面就以光滑球形顆粒在靜止流體中沉降為例來討論沉降過程。

把球形顆粒放入靜止的流體中，顆粒就會(huì)受到重力與流體浮力的作用，如果顆粒與流體的密度不同，則顆粒受到的重力與浮力就會(huì)不等，如果顆粒的密度ρs大于流體的密度ρ，

顆粒受到的重力為Fg=mg=(π/6)d3ρsg(a)受到的浮力為Fb=(π/6)d3ρg(b)顆粒受到向下的凈力為Fg—Fb=(π/6)d3(ρs-ρ)g(c)FgFbFdA一般的顆粒都可以看作是球形的，下面就以光滑球形顆粒在靜止流8根據(jù)牛頓第二定律，顆粒就會(huì)在此凈力的作用下產(chǎn)生向下運(yùn)動(dòng)的加速度

，a=du/dθFg—Fb=ma=m(du/dθ)(d)這樣顆粒與流體就產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，一旦產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，顆粒又會(huì)受到流體對(duì)顆粒的運(yùn)動(dòng)阻力，F(xiàn)d（曳力drayforce）其大小為Fd=ξA(ρu2/2)它的方向與顆粒運(yùn)動(dòng)方向相反，并隨u增大而增大。A為顆粒在垂直方于其運(yùn)動(dòng)方向平面上的投影面積A=(π/4)d2m2

所以，當(dāng)顆粒產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，顆粒受到的凈力為F=Fg—Fb—Fd(e)根據(jù)牛頓第二定律，顆粒就會(huì)在此凈力的作用下產(chǎn)生向下運(yùn)動(dòng)的加速9沉降過程剛開始時(shí)，u=0,Fd=0,此時(shí)顆粒所受到向下的力最大，a具有最大值

隨著沉降開始，u逐漸增大，而Fg—Fb不變，顆粒受到向下方向的凈力減少，沉降過程為一減速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)u增加到一定程度時(shí)，F(xiàn)d增大，使得F=0，此時(shí)m不為零，a=du/dθ=0，顆粒變?yōu)榈人龠\(yùn)動(dòng)，（勻速運(yùn)動(dòng)），此后顆粒將一直保持此速度作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，顆粒達(dá)到等速運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度稱為顆粒的沉降速度或終端速度。在達(dá)到沉降速度前的階段，稱為加速階段。從理論上講，加速階段需很長的時(shí)間。但實(shí)驗(yàn)證明，顆粒沉降的速度達(dá)到接近終端速度u的時(shí)間很短。

沉降過程剛開始時(shí)，u=0,Fd=0,此時(shí)顆粒所受到向下的10因此，實(shí)際上可以忽略顆粒沉降時(shí)的加速度階段，而認(rèn)為顆粒在流體中始終以沉降速度（終端速度下降）。

在靜止流體中顆粒的沉降也稱為自由沉降，對(duì)于流動(dòng)的流體，則認(rèn)為顆粒與流體始終以終端速度作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。我們最關(guān)心的是顆粒在沉降的時(shí)候達(dá)到的終端速度是多少？即沉降的速度為多少？知道此速度，我們就可算出沉降過程的時(shí)間，從而決定設(shè)備尺寸的大小。當(dāng)顆粒達(dá)到終端速度時(shí)，其所受到的凈力為0，根據(jù)(a)(b)(c)(d)(e)式，有(π/6)d3(ρs-ρ)g-ξ(π/4)(ρut2/2)=0ut=（2-6）因此，實(shí)際上可以忽略顆粒沉降時(shí)的加速度階段，而認(rèn)為顆粒在流體11要算ut，關(guān)鍵是要算ξ（阻力系數(shù)）2、阻力系數(shù)ξ由于顆粒在流體中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)與固體和液體的物性，流動(dòng)有關(guān)，影響顆粒運(yùn)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)阻力Fd的因素相當(dāng)復(fù)雜。通過因次分析和大量實(shí)驗(yàn)證明，ξ是顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的雷諾準(zhǔn)數(shù)的函數(shù)ξ=f(Ret)ξ的計(jì)算可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式或算圖ξ=24/Ret層流區(qū)10-4<Ret<118.5/Ret0.6過渡區(qū)1<Ret<103

（2-7）0.44湍流區(qū)103<Ret<2×1050.1湍流邊界層2×105<Ret（很少）要算ut，關(guān)鍵是要算ξ（阻力系數(shù)）2、阻力系數(shù)ξ12

ut=d2g(ρs-ρ)10-4<Ret<1

1<Ret<103(2-8)

103

<Ret<2×105根據(jù)上式，我們就知道沉降速度與各種因素的大小，對(duì)于一定的物系，μ、ρs、ρ是一定的，ut只與d有關(guān)，可算出不同d顆粒的沉降速度。同樣，也可根據(jù)測定的ut，求顆粒的直徑，如果在層流區(qū)，已知d、ρs、ρ，則可用此式來測定流體的粘度。ut=d2g(ρs-ρ)133、ut的計(jì)算

A、試差法（trialanderror）由于ut←→ξ有關(guān)，而ξ←→Ret，Ret←→ut有關(guān)，由于ut為待求，Ret也就是未知數(shù)，所以u(píng)t的計(jì)算需要用試差的方法求取，即先假定Ret（流型），選ut計(jì)算式計(jì)算，再用ut算Ret，是否與假定的流速一致，如一致則是正確，如不正確，則重新設(shè)定Ret。B、摩擦數(shù)群法(frictionnumbergroup)為了避免試差的麻煩，我們可作一些變換，

∵ut=，ξ=3、ut的計(jì)算A、試差法（trialanderror）14∵Ret2=

ξ·Ret=（2-9）此式不含ut令K=（2-10）則ξ·Ret2=（4/3）K3（2-10a）把ξ和Ret2的關(guān)系變換為ξRet

——Ret

的關(guān)系，見P148圖3-3∵Ret2=ξ·Ret=15根據(jù)物系的d、ρ、ρS、μ可算出ξRet2，查Ret，反算ut

ut=也可用K數(shù)群法，求K值，判斷流型，再用相應(yīng)的公式計(jì)算，避免試差。例題見P143（自學(xué)）4、影響沉降速度的因素

前面我們分析的是對(duì)一個(gè)顆粒在流體中沉降的過程，實(shí)際上，沉降過程是含有很多顆粒的，這些顆粒之間在沉降過程中會(huì)發(fā)生相互作用（如碰撞），另外，器壁對(duì)沉降也會(huì)發(fā)生影響，當(dāng)顆粒比較細(xì)時(shí)，流體的分子運(yùn)動(dòng)也會(huì)對(duì)顆粒沉降產(chǎn)生影響，根據(jù)物系的d、ρ、ρS、μ可算出ξRet2，查Ret16這些影響因素歸納起來有三類。

(1)、干擾沉降，由于顆粒含量大，顆粒之間產(chǎn)生相互作用對(duì)沉降的影響（校正）。(2)、壁效應(yīng)β=d/D不算小時(shí)，＜0.01，則要考慮壁效應(yīng)，校正。(3)、分子運(yùn)動(dòng)的影響當(dāng)d＜0.5μm，非常細(xì)時(shí)出現(xiàn)此情況，還有形狀，球形（快），非球形（慢）四、沉降分離設(shè)備1、分離一般原理非均相混合物流入沉降設(shè)備，沿一定的途徑從入口流向出口，在此過程中顆粒與流體間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，顆粒向器底（或其它表面）沉降。這些影響因素歸納起來有三類。(1)、干擾沉降17如果流體在流出設(shè)備以前，顆粒能沉到器底，則顆粒就能留到器中與流體分開，否則仍隨流體流出而不能分離?；旌衔飶脑O(shè)備入口流到出口的時(shí)間稱為停留時(shí)間θ，顆粒從設(shè)備入口處位置沉降到器底的時(shí)間為沉降時(shí)間θt。那么當(dāng)θ≥θt，顆粒就能分離出來，因此，用沉降方法使顆粒分離出來的必要條件為θ≥θt

（1-11）2、降塵室(dust-settlingcompartment)利用重力沉降從氣流中分離出塵粒的設(shè)備稱為降塵室，如P145圖。

如果流體在流出設(shè)備以前，顆粒能沉到器底，則顆粒就能留到器中與18θt=H/ut位于降塵室最高點(diǎn)顆粒降至室底所需時(shí)間（最大沉降路線）氣體通過降塵室的時(shí)間為（停留時(shí)間）

θ=L/u=（2-12）

按降塵分離的必要條件：θ≥θtL/u≥H/ut

uutHHLbθt=H/ut位于降塵室最高點(diǎn)顆粒降uutHHLb19

Vs≤utLb(2-13)由上式可知，當(dāng)體系一定，氣體的處理量一定時(shí)。要求把一定直徑的顆粒完全沉降的條件只取決于降塵室的底面積（Lb），與其高度無關(guān)，這是降塵室的一個(gè)重要特征。因此，降塵室一般上設(shè)計(jì)為扁型的。（多層，如P145）

降塵室結(jié)構(gòu)簡單，流體阻力小，由于重力沉降一般沉降速度小，因此為使顆粒分離，流體在設(shè)備中所需的停留時(shí)間長，所以一般重力沉降設(shè)備的體積都較大，可做成多層。通常降塵室只適用于分離粒度大于50μm的粗顆粒，一般作為預(yù)除塵用。

Vs≤utLb(2-13)由上式可20要注意的一點(diǎn)

ut應(yīng)根據(jù)需要完全分離下來的最小顆粒尺寸計(jì)算，氣體在降塵室中的速度不應(yīng)過高，一般是在層流區(qū)。降塵室的工藝計(jì)算可分為兩類，一類是設(shè)計(jì)型，已知?dú)怏w處理量和除塵要求（dm）計(jì)算降塵室大?。℉、b）。一類是操作型，已知降塵室的尺寸，求處理氣量及除塵效果。其計(jì)算原理是一樣的。計(jì)算例子見P146，例3-2，（操作型）（自學(xué)）要注意的一點(diǎn)ut應(yīng)根據(jù)需要完全分離下來的最小顆粒尺寸計(jì)算213、

沉降槽(subsider)對(duì)于液固非均相體系的分離，可使用沉降槽，沉降槽一般只能用于分離顆粒不很細(xì)的稀懸浮液，得到清液，及含50%左右的固體顆粒的增稠液，工業(yè)上把沉降槽稱為增稠器(thickener)，應(yīng)用很廣，如燒堿生產(chǎn)中食鹽水沉清等。

沉降槽的典型結(jié)構(gòu)見P152圖，沉降槽里的沉降過程稱為沉聚過程。沉聚過程可以用沉降試驗(yàn)來說明，把攪拌均勻，粒度分布不寬的懸浮液倒入玻璃筒中，由于顆粒的沉降運(yùn)動(dòng)，筒內(nèi)出現(xiàn)四個(gè)區(qū)。3、沉降槽(subsider)對(duì)于液固非均相體系的分離，可22頂層已無顆粒，稱為清液區(qū)（A）；上層內(nèi)固相分布均勻，濃度與原懸浮液相同，稱為等濃區(qū)（B）；

下部自上而下濃度增大，其中顆粒增多，稱為變濃區(qū)（C）；最下部為沉下來的顆粒，堆積比較緊密，稱為沉聚區(qū)（D）。

隨著沉降過程的進(jìn)行，B、C逐漸縮小并消失，C區(qū)剛剛消失這一時(shí)刻稱為“臨界沉降點(diǎn)”(criticalsedimentationpoint)，此時(shí)清液區(qū)與沉聚區(qū)有一清晰的界面。

abcdBADABCDACD頂層已無顆粒，稱為清液區(qū)（A）；上層內(nèi)固相分布均勻，濃度與原23自此以后，便是沉聚區(qū)的壓緊過程，沉聚區(qū)中液體含量逐漸降低，壓緊過程一般很慢，經(jīng)常占沉聚過程的大部分時(shí)間。沉降槽中由于懸浮液中固體顆粒的含量較高，沉降過程多屬于干擾沉降，顆粒的沉降受到其它顆粒的影響，如顆粒下降引起的液體向上運(yùn)動(dòng)等，由于這因素的影響，試驗(yàn)觀察到的沉降速度要小于顆粒的自由沉降速度，我們把這種沉降速度稱為表觀沉降速度(apparentsedimentationvelocity)，這是沉降槽設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)。

工業(yè)上連續(xù)沉降槽的設(shè)計(jì)必須保證得到工藝過程所需的澄清液和一定濃度的增稠液。自此以后，便是沉聚區(qū)的壓緊過程，沉聚區(qū)中液體含量逐漸降低，壓24因此要求：(1)、槽的直徑要保證在槽的任何截面上顆粒的沉降速率大于液體向上的流動(dòng)速度。(2)、沉降槽進(jìn)料口以下高度必須保證稠液有足夠的停留時(shí)間使沉渣壓緊到要求的濃度。因此，沉降槽設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)為沉降槽的面積及高度。

§2-3離心沉降(centrifugalsettling)對(duì)于一些直徑小的顆粒，由于質(zhì)量較小，受到的重力較小，單靠重力沉降的沉降速度較小，因此，分離這些小顆粒的非均相混合物的重力沉降設(shè)備往往比較大，而且對(duì)于一些更小的顆粒不能分離。例如20℃水中d=50

m，=2000kg/m3ut=0.00136m/s因此要求：(1)、槽的直徑要保證在槽的任何截面上顆粒的沉降25為了提高分離效率，提高顆粒的沉降速度，可利用離心力場的作用。

一、離心沉降速度我們來分析一球形顆粒與流體一起在離心力作用下旋轉(zhuǎn)的情況：當(dāng)顆粒與流體一起以角速度ω旋轉(zhuǎn)，則切向速度為uT,uT

=rω則顆粒受到的慣性離心力為，方向向外Fc=aRFcFbFduTur

為了提高分離效率，提高顆粒的沉降速度，可利用離心力場的作用。26同時(shí)，顆粒在流體中受到向心力的作用（向心力與重力場的浮力相當(dāng)），方向向圓心。Fb=b設(shè)顆粒的密度大于流體密度，則Fc—Fb＞0顆粒受到一個(gè)向外的凈力，從而產(chǎn)生加速度，這時(shí)，顆粒與流體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，顆粒又受到流體對(duì)顆粒的阻力Fd

FD=c同時(shí)，顆粒在流體中受到向心力的作用（向心力與重力場的浮力相當(dāng)27此時(shí)顆粒受到的凈力為F=Fc—Fb—Fd=m(du/dθ)d與重力沉降一樣，當(dāng)凈力=0時(shí)，du/dθ可視為0。根據(jù)(a)(b)(c)(d)式，可得：ur=（2-14）從上式可以看出，ur與uT2成正比，uT與ω成正比，因此可通過改變轉(zhuǎn)速來提高沉降速度，使小顆粒得到分離。同時(shí)我們還知，顆粒的ur與uT（重力）具有相類似的關(guān)系式此時(shí)顆粒受到的凈力為F=Fc—Fb—Fd28但是，與重力沉降過程不同，uT2/R為離心加速度，

離心沉降速度不是顆粒運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)速度，而是絕對(duì)速度在徑向上的分布，方向是沿半徑向外。再者離心沉降速度不是定值，與R有關(guān)，重力沉降速度為恒定的。對(duì)于離心沉降中的阻力系數(shù)，可與重力沉降時(shí)計(jì)算的方法一樣，如在層流區(qū)ξ=24/Retur=（2-15）但是，與重力沉降過程不同，uT2/R為離心加速度，29我們把同一顆粒在同一種介質(zhì)中的離心沉降速度與重力沉降速度的比值稱為離心分離系數(shù)(centrifugulfactor)ur/uT=ur2/(gR)=KC

（2-16）Kc值是離心分離設(shè)備的一個(gè)重要指標(biāo)，Kc值越大，比較重力沉降速度就越好，如Kc=102，即比重力沉降速度大102倍。二、離心沉降設(shè)備（旋風(fēng)分離器）(cyclone)氣—固非均相分離1、結(jié)構(gòu)及工作原理旋風(fēng)分離器在生產(chǎn)中的應(yīng)用已有近百年歷史，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，分離效率高，目前在化工、采礦、冶金等部門大量使用我們把同一顆粒在同一種介質(zhì)中的離心沉降速度與重力沉降速度的比30旋風(fēng)分離器主要用于除去5μm以上的顆粒，其結(jié)構(gòu)為：主體為圓筒，上部為圓筒形，下部為圓錐形。塵粒旋風(fēng)分離器中下行的螺旋P156氣流稱為外旋流，上行的螺旋氣流稱為內(nèi)旋流（氣芯）2、性能參數(shù)A、

臨界粒徑（criticaldiameter）是指理論上在旋風(fēng)分離器中能被完全分離下來的最小顆粒直徑，用dc表示。它是判斷旋風(fēng)分離器分離效率高低的重要依據(jù)。進(jìn)氣DBui旋風(fēng)分離器主要用于除去5μm以上的顆粒，其結(jié)構(gòu)為：主體為圓31臨界粒徑的計(jì)算：假設(shè)1、嚴(yán)格按螺旋形等速運(yùn)動(dòng)，其切向速度等于進(jìn)口氣速ui2、穿過等于整個(gè)進(jìn)氣口的氣流層，方被分離。3、在湍流作自由沉降?！擀眩迹鸡裺，ρs—ρ=ρs

旋轉(zhuǎn)半徑取平均半徑Rm，則ur=顆粒到達(dá)器壁所需時(shí)間為θt=B/ur=

令氣流進(jìn)入旋風(fēng)分離器后，繞Ne圈轉(zhuǎn)入內(nèi)管流出，

臨界粒徑的計(jì)算：假設(shè)32則停留時(shí)間為

θ=如果某種直徑為dc的顆粒其沉降時(shí)間等于停留時(shí)間，則是理論完全分離的最小顆粒直徑，（稱為臨界直徑）θ≥θtθ=θt（2-17）則停留時(shí)間為θ=33一般旋風(fēng)分離器是以圓筒直徑C為主要參數(shù)，其他尺寸都與D成一定比例。由上式可知，臨界粒徑隨分離器的尺寸增大而增大，因此分離效率隨分離器的尺寸增大而減少。當(dāng)處理量很大時(shí)，常將若干小個(gè)尺寸旋風(fēng)分離器并聯(lián)使用，以維持較高的分離效率。B、分離效率旋風(fēng)分離器的分離效率有兩種表示方法總效率（

0）：指進(jìn)入旋風(fēng)分離器的全部顆粒被分離下來的質(zhì)量分率。

0=（2-18）一般旋風(fēng)分離器是以圓筒直徑C為主要參數(shù)，其他尺寸都與D成一定34分效率

p（又稱為粒級(jí)效率）ηpi=（C1i—C2i）/C1i（2-19）C1i

—進(jìn)口氣體中第i段粒度范圍內(nèi)的濃度g/m3C2i

—出口氣體中第i段粒度范圍內(nèi)的濃度g/m3不同的旋風(fēng)分離器分效率是不一樣的。ηpi與di的對(duì)應(yīng)關(guān)系稱為粒級(jí)效率曲線（實(shí)測獲得），以dc為清晰分割，見P154為了方便，通常把粒級(jí)效率為50%的顆粒直徑稱為分割粒徑d50，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器，

d50估算式d50=

（2-20）分效率p（又稱為粒級(jí)效率）ηpi=（C135一般來講，顆粒粒徑起大，效率越高。η0=xi——平均粒為di的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（3、壓強(qiáng)降△p=ξ(ρui/2)(2-19)一般在500~2000Pa，ui為20~25m/s以上是旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)選型的三個(gè)主要計(jì)算參數(shù)旋液分離器液固非均相體系分離

一般來講，顆粒粒徑起大，效率越高。η0=36§2-4過濾(filtration)一、過濾操作的基本概念在化工生產(chǎn)中，廣泛地采用過濾操作來分離懸浮液以獲得澄清的液體或固體物料。利用一種具有許多毛細(xì)孔的間隔層（或稱多孔介質(zhì)），使非均相混合物達(dá)到分離的操作稱為過濾。一般用在懸浮液的分離，主要討論液固體系。在過濾操作中，通常稱原料懸浮液為濾漿，被截留在過濾介質(zhì)上的濾渣層稱為濾餅（濾渣），通過濾餅及過濾介質(zhì)的澄清液稱為濾液。1、過濾操作過程A、初始階段§2-4過濾(filtration)一、過濾操作的基37由于濾漿所含的固體顆粒往往不一樣，而一般所用的過濾介質(zhì)孔徑基本是一致的，且比其中的一部分顆粒大，故在過濾開始時(shí)，過濾介質(zhì)往往不能完全阻止細(xì)小顆粒的通過，因此開始階段所得的濾液常常是渾濁的，循環(huán)使用。隨著過程的進(jìn)行，細(xì)小的顆?？赡茉诳椎郎霞翱椎乐邪l(fā)生架橋現(xiàn)象，攔截后來的顆粒不能通過，同時(shí)濾餅開始形成，由于濾餅中的孔道常常比過濾介質(zhì)小，更能攔截細(xì)小的粒子，所以過濾進(jìn)行一段時(shí)間后可得到澄清的溶液，這時(shí)過濾的阻力主要來自過濾介質(zhì)。濾液濾餅介質(zhì)濾槳由于濾漿所含的固體顆粒往往不一樣，而一般所用的過濾介質(zhì)孔38B、過濾階段當(dāng)過濾介質(zhì)上形成了濾餅以后，真正是過濾的有效操作，這時(shí)濾餅逐漸加厚，過濾的主要阻力來自濾餅，過濾介質(zhì)阻力可忽略不計(jì)。C、完成階段當(dāng)過濾操作進(jìn)行一定時(shí)間以后，由于濾餅的增厚，過濾速度大大降低，再繼續(xù)進(jìn)行下去是不經(jīng)濟(jì)的，這時(shí)要把濾餅移走，此時(shí)完成過濾。D、洗滌有時(shí)考慮到濾餅中含有較多濾液，為了充分回收這部分濾液，或因?yàn)V餅是產(chǎn)物，不能允許濾液污染時(shí)，都必須將這部分濾液分離出來，一般采用洗滌的方法。先置換，后沖走，大致洗滌只需少量洗滌液，而完全洗凈則需大量洗滌液。在洗滌時(shí)，要防止濾餅開裂而發(fā)生溝流現(xiàn)象，使洗滌效果下降。B、過濾階段當(dāng)過濾介質(zhì)上形成了濾餅以后，真正是過濾的有效操作39E、吹干

在洗滌完畢后還要進(jìn)行去濕，一般以壓縮空氣通過濾餅，使濾餅中殘留的濾液或洗滌液盡可能排除。F、卸料歸納起來，過濾操作包括過濾、洗滌、去濕、卸料4個(gè)階段，對(duì)于所有過濾設(shè)備，就必須要求能很好的實(shí)現(xiàn)這四個(gè)階段的不同操作，在過濾操作中，過濾是主要的階段，我們主要討論這一階段的有關(guān)問題。2、過濾操作的分類在工業(yè)生產(chǎn)中，過濾的分離對(duì)象各種各樣，分離的要求也各不相同。這里簡單介紹過濾的分類E、吹干在洗滌完畢后還要進(jìn)行去濕，一般以壓縮空氣通過濾餅，40A、按機(jī)理表面過濾，對(duì)顆粒攔截較多在介質(zhì)表面深層過濾，顆粒沉積在孔道中B、按介質(zhì)與濾餅的變化澄清過濾濾餅過濾限制濾餅增長過濾按過濾推動(dòng)力重力過濾壓差過濾離心過濾C、A、按機(jī)理表面過濾，對(duì)顆粒攔截較多在介質(zhì)表面C、413、過濾介質(zhì)

過濾介質(zhì)對(duì)過濾操作是至關(guān)重要的，工業(yè)上對(duì)過濾介質(zhì)的基本要求，具有多孔性、阻力小、能耐腐蝕、耐熱、并具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。常用的有下列幾類：A、濾布棉、毛、麻、多種合成纖維、金屬網(wǎng)等，應(yīng)用最廣泛，阻力小、清洗易。B、多孔固體介質(zhì)、陶管等孔道細(xì)、阻力大。C、顆粒介質(zhì)砂、木炭等。D、多孔膜高分子材料，最新、最有發(fā)展的一類，超濾、微濾。3、過濾介質(zhì)過濾介質(zhì)對(duì)過濾操作是至關(guān)重要的，工業(yè)上對(duì)過濾介424、過濾設(shè)備化工廠常用的過濾機(jī)有如下幾種：A、

板框過濾機(jī)由板、框、壓緊，漿料輸送設(shè)備組成分洗滌型及非洗滌型、明流、暗流、間歇操作、材料可是金屬及非金屬。B、離心過濾機(jī)由轉(zhuǎn)鼓、外殼、電機(jī)組成，應(yīng)用廣泛。連續(xù)、間歇、自動(dòng)卸料C、

轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)金屬轉(zhuǎn)筒，真空系統(tǒng)組成，連續(xù)，大型4、過濾設(shè)備化工廠常用的過濾機(jī)有如下幾種：43二、過濾基本方程

1、過濾過程的主要操作參數(shù)A、處理量：單位時(shí)間處理的懸浮液或得濾液量Vm3/sB、過程推動(dòng)力：以壓差表示，△PC、過濾面積：A表示過濾機(jī)大小的參數(shù)D、過濾速度：u單位時(shí)間通過單位面積的濾液量。m/s。實(shí)際是濾液通過濾面的表觀流速u=dV/(Adt)(2-21)過濾速率:u單位時(shí)間通過的濾液量2、濾液通過濾餅層的流動(dòng)濾液通過濾餅層的流動(dòng)是十分復(fù)雜的，但通過對(duì)過程的分析，我們可以把流動(dòng)過程進(jìn)行一些簡化。二、過濾基本方程1、過濾過程的主要操作參數(shù)44把流體在濾餅層中的流通通道看作是一組長度為L的平行管。經(jīng)過簡化以后，就可與普通管中流體流動(dòng)的情況相仿，我們知道，計(jì)算直管的阻力必須知道d、L，那么對(duì)于濾餅層這些參數(shù)如何定義？濾餅層中細(xì)管的直徑可以由床層的空隙率(voidage)和顆粒的比表面積來計(jì)算：空隙率（）=m3/m3單位體積顆粒的表面積稱為比表面積aLV把流體在濾餅層中的流通通道看作是一組長度為L的平行管。經(jīng)過45a=

m2/m3

床層當(dāng)量直徑dede=4×m進(jìn)行一個(gè)變換：

de∝de∝取1m2，厚度為1m的濾餅考慮，床層體積為1m3假設(shè)空隙率為流動(dòng)全部空間a=46流道容積=1×ε=εm3

流道表面積=顆粒體積×顆粒比表面=1（1—ε）a（m2）

∴de∝ε／[（1—ε）a]a一般流體在濾餅層中作層流對(duì)直管△P=32μLu/d2u=d2△P/32μLb同理，在濾餅層中流速為u1

u1∝de2△Pc/μLcu1與整個(gè)床層截面積計(jì)算的濾液平均流速u的關(guān)系為:u1流道容積=1×ε=εm3流道表面積=顆粒體積×顆粒比表47u1=u/εd綜合（a）、（b）、（c）、（d）得:u=K’為一個(gè)與空隙系、粒子形狀、排列、粘度有關(guān)的常數(shù)，對(duì)顆粒床滯流時(shí)，K’=5u=u--單位時(shí)間，單位過濾面積獲得的濾液體積，稱為過濾速度u1=u/εd482、過濾速率單位時(shí)間獲得的濾液體積稱為過濾速率m3/s∵∴3、濾餅阻力令r=則2、過濾速率單位時(shí)間獲得的濾液體積稱為過濾速率m3/s49濾餅阻力R=rLr：稱為濾餅比阻，反映顆粒形狀，尺寸及床層空隙率對(duì)濾液流動(dòng)的影響。ε↓，a↑，床層致密，阻滯作用愈大。

4、介質(zhì)阻力對(duì)于濾液穿過過濾介質(zhì)也會(huì)有阻力，同樣，涉及到流液在小孔中的流動(dòng)。

串聯(lián)Lm濾餅阻力R=rLr：稱為濾餅比阻，反映顆粒形狀，尺寸及床50如把濾布也看作一定厚度的濾餅。Rm=rLe

則有：△P代表過濾所需的壓差，也稱為過濾壓強(qiáng)差。過濾一般一側(cè)為表氣壓強(qiáng)、實(shí)際上也稱為過濾的表壓。5、過濾的基本方程在過濾過程中，濾餅的厚度是隨時(shí)間發(fā)生變化的。設(shè)每獲得1m3濾液所形成的濾餅體積為

m3，則對(duì)任一瞬間的濾餅厚度L與濾液的關(guān)系為：LA=

V（濾餅體積）

V

L如把濾布也看作一定厚度的濾餅。Rm=rLe則有：VL51則有L=

V/A,同樣Le=

Ve/A

在一定的操作條件下，以一定的介質(zhì)濾，Ve為定值，Ve隨過濾介質(zhì)變化而變化?！邔?duì)不可壓縮的濾餅，對(duì)于一般情況，濾餅或多或少是可壓縮的，對(duì)r要進(jìn)行校正。則有L=V/A,同樣Le=Ve/52r=r’(△P)s

s—壓縮系數(shù)0~1

（s=0不可壓縮）

典型物料壓縮系數(shù)見P166表∴對(duì)一般情況，考慮壓縮性上式過濾的基本方程，過濾方程表示過濾過程中任一瞬間的過濾速率與各有關(guān)影響因素間的關(guān)系。適用于所有過濾過程。對(duì)于具體的過濾過程，進(jìn)行求解。過濾過程有兩種操作方式：恒壓過濾，恒速過濾。三、恒壓過濾r=r’(△P)ss—壓縮系數(shù)0~1（s=053若過濾時(shí)在恒壓差的條件下進(jìn)行稱為恒壓過濾。

這種方式是工業(yè)上最常采用的操作方式。

對(duì)于一定的懸浮液，體系μ、r’、

可視為常數(shù)令k=1/μr’

k—表征過濾的特征參數(shù)邊界條件θ：0→θeV:0→Veθe→θ+θeVe→V+VeθeVe為虛擬的過濾時(shí)間及體積若過濾時(shí)在恒壓差的條件下進(jìn)行稱為恒壓過濾。這種方式是工業(yè)54

令K=2k△P1-s積分整理得

Ve2=KA2θ(2-26)V2+2VeV=KA2θ(2-27)(V+Ve)2+2VeV=KA2(θ+θe)(2-28)上面三式為恒壓過濾方程，如以單位過濾面積獲得的濾液體積表示

55q=V/Aqe=Ve/A

qe2=Kθe(2-26a)q2+2qeq=Kθ(2-27b)(q+qe)2=K(θ+θe)(2-28a)K為過濾常數(shù)，θe、qe為介質(zhì)常數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)測得。q=V/Aqe=Ve/Aqe56四、過濾常數(shù)的測定.（K、qe、

e、S）

在過濾方程中，K的確立是最重要的，而K目前一般只能采用實(shí)驗(yàn)測定。在恒壓操作時(shí)根據(jù)（2-28b）q2+2qeq=Kθ兩邊除以Kq則有q=V/A∵