化工原理課件第三章-機(jī)械分離

1、第三章 機(jī)械分離與固體流態(tài)化 在工業(yè)生產(chǎn)中，為了適用不同的需要，經(jīng)常要把混合物加以分離、提純。例如：（1）原料常要經(jīng)過(guò)分離提純或凈化后才符合加工要求。（2）從反應(yīng)器送出的反應(yīng)產(chǎn)物一般多與尚未反應(yīng)的物料及副產(chǎn)物混在一起，也要從其中分離出純度合格的產(chǎn)品及將未反應(yīng)的原料送回反應(yīng)器或另行處理。（3）生產(chǎn)中的廢氣、廢液排放之前，應(yīng)將其中所含的有害物質(zhì)盡量除去，以減輕環(huán)境污染，并有可能將其變?yōu)橛杏弥??；旌衔锏姆诸?lèi)混合物可以分為兩大類(lèi)：均相混合物和非均相混合物。（1）均相混合物（homogeneous system） 是指混合物內(nèi)部各處物料性質(zhì)均勻，不存在相界面。如溶液、混合氣體。（2）非均相混合物（no

2、n-homogeneous system） 是指混合物內(nèi)部有隔開(kāi)兩相的界面存在，界面兩側(cè)的物料性質(zhì)不同。如含塵氣體、含霧氣體；懸浮液、乳濁液、泡沫液；固體顆粒混合物等。名稱(chēng)組成懸浮液固體顆粒+液體乳濁液不互溶的液體泡沫液不互溶的氣體與液體固體顆粒混合物大小不等及密度不同的顆粒固體顆?；旌衔锎笮〔坏鹊念w粒含塵氣體固體顆粒+氣體含霧氣體液滴+氣體表3.1 非均相混合物連續(xù)相和分散相非均相混合物是由分散相和連續(xù)相構(gòu)成。（1）分散相（分散物質(zhì)）處于分散狀態(tài)的物質(zhì)。如懸浮液中的固體顆粒。（2）連續(xù)相（分散介質(zhì)）包圍著分散物質(zhì)而且處于連續(xù)狀態(tài)的物質(zhì)。如懸浮液中的液體。常用的機(jī)械分離方法常用的機(jī)械分離方法有

3、篩分(sieving) 、沉降(settling) 、過(guò)濾(filtration) 、離心分離(centrifugal separation)等。非均相混合物機(jī)械分離方法舉例固體顆?；旌衔锓旨?jí)沉降、篩分等懸浮液過(guò)濾、重力沉降、離心沉降等含塵氣體重力沉降、離心沉降等含霧氣體重力沉降、離心沉降等乳濁液離心分離非均相物系分離在工業(yè)上的應(yīng)用 （1）回收分散相（分散物質(zhì)） 例如：從氣-固催化反應(yīng)器出來(lái)的氣體，常夾帶著有價(jià)值的催化劑顆粒，必須將這些固體催化劑顆粒回收并循環(huán)使用。從氣流干燥器出來(lái)的熱氣體（熱空氣），夾帶有被干燥的固體物料，必須回收作為產(chǎn)品。從結(jié)晶器出來(lái)的晶漿中帶有一些晶粒，必須回收作為產(chǎn)品。

4、 （2）凈化連續(xù)相（分散介質(zhì)）例如：反應(yīng)氣體進(jìn)入反應(yīng)器前必須除出氣體或固體中有害物質(zhì)，以保證反應(yīng)正常進(jìn)行。（3）環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)例如：對(duì)排放的工業(yè)廢氣、廢液中有毒的物質(zhì)或固體顆粒加以處理，以滿(mǎn)足排放要求。再比如：有些含碳物質(zhì)及金屬細(xì)粉與空氣易形成爆炸物，必須從空氣中除去這些物質(zhì)，消除爆炸隱患。第一節(jié) 篩分篩分根據(jù)固體顆粒大小用篩進(jìn)行分離的過(guò)程，稱(chēng)為：篩分。一、顆粒的特性1、 顆粒的最基本的特性是：顆粒的大?。６龋?、形狀、表面積。2、顆粒的粒度：顆粒的大小，稱(chēng)為：顆粒的粒度。（一）球形顆粒比表面積單位體積顆粒的表面積，稱(chēng)為：比表面積，用符號(hào)a表示，單位：m2/m3。（二）非球形顆粒非球形顆

5、?？梢杂卯?dāng)量直徑、形狀因數(shù)（又稱(chēng)：球形度）來(lái)表示其特性。1、當(dāng)量直徑非球形顆粒的大?。６龋┛梢杂卯?dāng)量直徑表示。根據(jù)使用目的的不同，當(dāng)量直徑的規(guī)定法有多種。有體積當(dāng)量直徑、表面積當(dāng)量直徑、比表面積當(dāng)量直徑等。（1）體積當(dāng)量直徑dev體積當(dāng)量直徑非球形顆粒的體積與某一球形顆粒的體積相等時(shí)，球形顆粒的直徑就是非球形顆粒的體積當(dāng)量直徑，用符號(hào)dev表示，單位：m。實(shí)際顆粒的體積，m3。（2）表面積當(dāng)量直徑deA表面積當(dāng)量直徑非球形顆粒的表面積與某一球形顆粒的表面積相等時(shí)，球形顆粒的直徑就是非球形顆粒的表面積當(dāng)量直徑，用符號(hào)deA 表示，單位：m。實(shí)際顆粒的表面積，m2。（3）比表面積當(dāng)量直徑dea比

6、表面積當(dāng)量直徑非球形顆粒的比表面積與某一球形顆粒的比表面積相等時(shí)，球形顆粒的直徑就是非球形顆粒的比表面積當(dāng)量直徑，用符號(hào)dea 表示，單位：m。實(shí)際顆粒的比表面積，m2。球形度非球形顆粒的形狀用形狀因數(shù)（又稱(chēng)：球形度）來(lái)反映。球形度表示實(shí)際顆粒的形狀與球形顆粒的差異程度，用符號(hào)表示 。AeV 與顆粒體積相等的球的表面積，m2； Ap 顆粒的表面積，m2。球形顆粒的球形度非球形顆粒的球形度顆粒形狀球形度顆粒形狀球形度圓球1經(jīng)粉碎后的物料大多在0.60.7正方體0.805圓柱體（高：直徑）H:d=1H:d=5H:d=100.8740.700.58圓盤(pán)（高：直徑）H:d=1:3H:d=1:60.76

7、0.60各種砂粒0.75粗碎石子0.50.7細(xì)顆粒0.70.8球形顆粒的比表面積aP二、顆粒群的特性顆粒群由大小不同的顆粒組成的集合體，稱(chēng)為：顆粒群。（一）顆粒群的粒度分布1、粒度分布某一粒度范圍的顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨粒度的變化關(guān)系，稱(chēng)為：顆粒群的粒度分布，可用曲線(xiàn)表示。2、粒度分布曲線(xiàn)粒度分布曲線(xiàn)有：（1）頻率分布曲線(xiàn)；（2）累計(jì)分布曲線(xiàn)。（1）頻率分布曲線(xiàn)為某一粒度范圍的顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其平均直徑的關(guān)系。（2）累計(jì)分布曲線(xiàn)為等于及小于某一直徑的顆粒所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如圖所示。頻率分布曲線(xiàn)累計(jì)分布曲線(xiàn)（二）平均直徑（1）長(zhǎng)度平均直徑dLm（2）表面積平均直徑dAm（3）體積平均直徑dVm（4）體積

8、表面積平均直徑dVAm（1）長(zhǎng)度平均直徑dLm長(zhǎng)度平均直徑將全部顆粒的直徑相加，然后除以顆粒的總數(shù)，稱(chēng)為：長(zhǎng)度平均直徑，用符號(hào)dLm表示，單位m。 ai 平均直徑di所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。K1 比例系數(shù)。故即（2）表面積平均直徑dAm表面積平均直徑將全部顆粒的表面積相加，然后除以顆粒的總數(shù)，等于顆粒群的平均表面積 ，其中dAm為顆粒群的平均直徑，稱(chēng)為：表面積平均直徑，單位m。（3）體積平均直徑dVm體積平均直徑將全部顆粒的體積相加，然后除以顆粒的總數(shù)，等于顆粒群的平均體積 ，其中dVm 為顆粒群的平均直徑，稱(chēng)為：體積平均直徑，單位m。（4）體積表面積平均直徑dVAm體積表面積平均直徑定義一種平均直徑

9、，使其比表面積等于所有顆粒的比表面積的平均值，這種平均直徑，稱(chēng)為：體積表面積平均直徑，又稱(chēng)為：邵特（Sauter）直徑，用符號(hào)dVAm 表示，單位m。三、篩分（一）篩分原理1、標(biāo)準(zhǔn)篩為包括一系列具有不同大小孔眼的篩，篩網(wǎng)用金屬絲制成，孔類(lèi)似正方形。2、泰勒(Tyler)篩是世界上較通行的標(biāo)準(zhǔn)篩。3、目篩孔大小以每英寸長(zhǎng)度篩網(wǎng)上的孔數(shù)表示，稱(chēng)為：目。篩分1、篩過(guò)物通過(guò)篩孔的物料；2、篩留物未能通過(guò)篩孔的物料。3、篩過(guò)量通過(guò)篩孔的顆粒量，稱(chēng)為：篩過(guò)量。4、篩余量截留于篩面上的顆粒量，稱(chēng)為：篩過(guò)量。（二）篩的有效性與生產(chǎn)能力1、篩的有效性（1）分割粒徑dc 理想的篩要求做到篩留物中最小的顆粒剛好大于

10、篩過(guò)物中最大的顆粒。標(biāo)明這兩部分物料大小的界限，稱(chēng)為：分割粒徑，用符號(hào)dc表示，單位：m。（2）篩的有效性（篩分效率）比分割直徑小的顆粒的通過(guò)率與比分割直徑大的顆粒的截留率的乘積，稱(chēng)為：篩的有效性，又稱(chēng)為： 篩分效率。2、篩的生產(chǎn)能力篩的生產(chǎn)能力以單位時(shí)間能夠加到單位面積篩表面上的物料量表示，單位：kgs-1m-2。3、篩分分析結(jié)果將篩分結(jié)果用表或圖表示，可直觀地表示出顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)或累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其平均直徑的關(guān)系。見(jiàn)表3-1和圖3-1。頻率分布曲線(xiàn)累計(jì)分布曲線(xiàn)附錄二十（p279）常用篩子的規(guī)格表A：國(guó)內(nèi)常用篩表B：標(biāo)準(zhǔn)篩目泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩、日本標(biāo)準(zhǔn)篩、德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩第二節(jié) 沉降分離沉降分離(settl

11、ing separation) 利用非均相混合物在重力場(chǎng)或離心力場(chǎng)中，其中各個(gè)不同成分所受到的重力或離心力不同，從而將各個(gè)不同成分加以分離的方法，稱(chēng)為：沉降分離。 沉降分離 的分類(lèi) 按照混合物所處的力場(chǎng)，沉降分離可分為：重力沉降(gravity settling)和離心沉降(centrifugal separation) 。（1）重力沉降適用于分離出較大的固體顆粒（約100m以上）。（2）離心沉降適用于分離出較小的固體顆粒（約510m以上）?；旌衔锼幍牧?chǎng)沉降分類(lèi)適用的物系重力場(chǎng)重力沉降自由沉降氣固、液固干擾沉降氣液、液液離心力場(chǎng)離心力場(chǎng)氣固、液固氣液、液液電場(chǎng)電沉降電除塵器顆粒極微者電捕焦

12、油器表3.2 沉降分類(lèi)一、重力沉降(gravity settling)原理（一）自由沉降1、自由沉降(free settling) 顆粒在重力沉降過(guò)程中，不受周?chē)w粒和器壁的影響，稱(chēng)為：自由沉降。 一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)顆粒含量較少，設(shè)備尺寸又足夠大（容器直徑大于顆粒直徑的100倍以上）的情況下，可以認(rèn)為是自由沉降。干擾沉降干擾沉降(hindered settling) 當(dāng)顆粒濃度大，顆粒之間的距離小，在沉降過(guò)程中，因顆粒之間相互影響而使顆粒不能正常降落的過(guò)程，稱(chēng)為：干擾沉降。先討論自由沉降。2、沉降速度以球形顆粒在靜止流體中的重力沉降為例。FbFgFd圖中： Fg 重力，N； Fb 浮力，N； Fd

13、阻力，N； 流體密度，kg/m3； s 顆粒密度， kg/m3 ； a 顆粒沉降加速度，m/s2； m 顆粒質(zhì)量，kg。根據(jù)牛頓第二定律：（1）重力Fg（2）浮力Fb （3）阻力Fd 阻力系數(shù)，無(wú)量綱。沉降速度u0（m/s） 式中 u0 沉降速度settling velocity，m/s； 阻力系數(shù)； d 顆粒直徑，m； 流體密度，kg/m3； S 固體密度， kg/m3 。3、阻力系數(shù)式中: 阻力系數(shù),又稱(chēng)：曳力系數(shù)，是顆粒雷諾數(shù)Re0的函數(shù) 。沉降速度u0:（1）層流區(qū)(Re00.3)層流區(qū)這一范圍也稱(chēng)為：斯托克斯（Stokes）區(qū)， Re0 0.3。 上式稱(chēng)為：斯托克斯（Stokes）阻

14、力定律?？梢越朴玫剑篟e0=2 即Re0 2。（2）過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū)這一范圍也稱(chēng)為：阿倫（Allen）區(qū)， Re0=2500。（3）湍流區(qū)（ Re0=500 2105 ）湍流區(qū)這一范圍也稱(chēng)為：牛頓區(qū)， Re0=500 2105 。（4）湍流邊界層（Re02105）湍流邊界層區(qū)Re02105 0.10 Re0=（3 10）105時(shí)重力沉降時(shí)： 小顆粒斯托克斯區(qū)； 粒徑大些的艾倫區(qū)； 能到牛頓區(qū)的情況已很少見(jiàn)。沉降速度u0計(jì)算公式（1）層流區(qū)(斯托克斯Stokes區(qū)) 上式，也稱(chēng)為：斯托克斯（Stokes）定律。（2）過(guò)渡區(qū)，即阿侖（Allen）區(qū)或:（3）湍流區(qū)，即牛頓區(qū)Newton沉降速度u0計(jì)

15、算方法1、試差法。2、摩擦數(shù)群Ar法。3、無(wú)因次判據(jù)K法。1、試差法試差法步驟:(1)先假設(shè)沉降屬于層流區(qū),故(2)核驗(yàn)。2、摩擦數(shù)群Ar法由有由有故令稱(chēng)為：阿基米德數(shù)故故上式適用于 的全部范圍。摩擦數(shù)群Ar法步驟:（1）計(jì)算阿基米德數(shù)Ar ：（2）計(jì)算顆粒雷諾數(shù)Re0：（3）計(jì)算沉降速度u0：由故3、無(wú)因次判據(jù)K法（1）計(jì)算無(wú)因次判據(jù)K值：（2）判斷沉降屬于哪個(gè)區(qū)域：（3）選用正確的公式計(jì)算沉降速度。例3-2 塵粒的直徑為30m，密度為2000 kg/m3，求它在空氣中做自由沉降時(shí)的沉降速度?？諝獾拿芏葹?.2 kg/m3 ，粘度為0.0185 mPas。（二）干擾沉降1、干擾沉降干擾沉降(

16、hindered settling) 當(dāng)顆粒濃度大，顆粒之間的距離小，在沉降過(guò)程中，因顆粒之間相互影響而使顆粒不能正常降落的過(guò)程，稱(chēng)為：干擾沉降。 干擾沉降的速度比用前述方法計(jì)算出的值要小。2、干擾沉降的速度比用前述方法計(jì)算出的值要小，其原因有二。（1）顆粒實(shí)質(zhì)上是在密度與粘度都比清液大的懸浮體系內(nèi)沉降，所受的浮力與阻力都比較大。（2）顆粒向下沉降時(shí)，流體被置換而向上運(yùn)動(dòng)，阻滯了靠得很近的其他顆粒的沉降。 混合物中顆粒的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)0.1，干擾沉降的影響便開(kāi)始顯現(xiàn)。干擾沉降的速度可用自由沉降速度的計(jì)算方法計(jì)算，只是要根據(jù)顆粒的濃度對(duì)所用流體的密度及粘度進(jìn)行校正。（三）分級(jí)沉降 用“雙錐分級(jí)器”

17、可以將不同或不同d的粒子混合物分開(kāi)。如下圖所示： 混合粒子由上部加入中央錐形圓筒中。筒中有一可上下調(diào)節(jié)的“可調(diào)錐”，它與外錐形筒間形成一個(gè)環(huán)形通道。當(dāng)可調(diào)錐上（下）移動(dòng)，環(huán)形通道變大（變?。?，同體積流量的水流過(guò)時(shí)速度u變?。ㄗ兇螅；旌狭Ｗ又衭0u的顆粒會(huì)沉降至外錐形筒的底部成為底流排出；u0u的則隨著水流從內(nèi)、外錐筒間溢流出來(lái)。式中： 在層流區(qū)：n=0.5 過(guò)渡狀態(tài)：n=0.5 1 在湍流區(qū)：n=1二、重力沉降分離設(shè)備 （一）降塵室降塵室(dust-settling chamber) 從氣流中分離塵粒的重力沉降設(shè)備，稱(chēng)為：降塵室，又稱(chēng)為：沉降室。如圖3-3所示。圖3-3 降塵室1、工作原理

18、含塵氣體在管道中流動(dòng)，因氣速較大，塵粒來(lái)不及沉降；進(jìn)入突然擴(kuò)大的流道沉降室，氣速u(mài)顯著減少。那些在流體離開(kāi)降塵室之前落到室底的顆粒便與流體分離了。圖：沉降室的工作原理 2、降塵室的計(jì)算 H 降塵室的高度，m； L 沿氣流方向的的長(zhǎng)度，m； B 降塵室的的寬度，m； u 氣流速度，m/s； u0 沉降速度，m/s；t 顆粒在降塵室內(nèi)的停留時(shí)間，s；0 位于室內(nèi)最高點(diǎn)的顆粒沉降至室底所需用的時(shí)間，s；圖3-4 顆粒在降塵室中的運(yùn)動(dòng)顆粒在降塵室內(nèi)的停留時(shí)間 為：位于室內(nèi)最高點(diǎn)的顆粒沉降至室底所需用的時(shí)間 為：顆粒因沉降而完全被除去所滿(mǎn)足的條件是：含塵氣體的最大處理量為：式中：A0 降塵室的底面積，m

19、2；VS 氣體流量，m3/s。含塵氣體的最大處理量為：式中：A0 降塵室的底面積，m2；VS 氣體流量，m3/s；u0 沉降速度， m/s。完全被分離出的最小顆粒直徑dmin為：（三）沉降槽 沉降槽 從懸浮液中分離出清液也而留下稠厚沉渣的重力沉降設(shè)備，稱(chēng)為：沉降槽settling bath。沉降槽分為：間歇沉降槽和連續(xù)沉降槽。（1）間歇沉降槽間歇沉降槽將料漿裝入槽內(nèi)，靜置足夠長(zhǎng)時(shí)間后，用泵或虹吸管將清液抽出，并打開(kāi)槽底的口將沉渣放出。（2）連續(xù)沉降槽連續(xù)沉降槽進(jìn)料、排清液、排沉渣，都是連續(xù)進(jìn)行的。連續(xù)沉降槽的直徑可以大到100m以上，高度卻都在幾米以?xún)?nèi)。如圖3-5所示。圖3-5 連續(xù)沉降槽23

20、856751圓形槽；2進(jìn)料口；3溢流堰；4卸料錐；5耙；6葉片（刮刀）；7垂直軸；8機(jī)械支架；146圖3-9 連續(xù)式沉降槽（3）沉降槽操作的強(qiáng)化強(qiáng)化沉降槽操作的一種方法是提高顆粒的沉降速度。在懸浮液中加入少量電解質(zhì)，往往有助于膠體顆粒的沉降，并促進(jìn)絮凝現(xiàn)象的發(fā)生。（三）懸浮液的沉聚過(guò)程濃懸浮液中顆粒的沉降要受到：（1）其它顆粒；（2）B器壁；（3）被顆粒取代其空間的流體向上流動(dòng)等因素的影響。圖：間歇沉降過(guò)程中不同區(qū)域的變化A、清液區(qū)；B、等濃度區(qū)；C、變濃度區(qū)；D、沉聚區(qū)三、離心沉降原理1、離心沉降依靠離心力的作用，實(shí)現(xiàn)沉降的過(guò)程，稱(chēng)為：離心沉降centrifugal settling。2、離

21、心沉降的原理如圖3-6所示。離心沉降的原理物體在圍繞圓心進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生離心力。若顆粒密度s大于流體密度 ，在離心力作用下，顆粒沿旋轉(zhuǎn)切線(xiàn)方向甩出，使顆粒在徑向與流體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而使顆粒與流體分離。3、離心沉降速度ur（m/s） 顆粒在離心力場(chǎng)中自由沉降時(shí)，共受到三個(gè)力的作用：（1）離心力（2）浮力（3）阻力式中：ur 離心沉降速度，m/s； s 顆粒密度，kg/m3； 流體密度，kg/m3； d 顆粒直徑，m； 阻力系數(shù)，無(wú)因次； ut 顆粒的切線(xiàn)速度，m/s； r 顆粒的旋轉(zhuǎn)半徑，m。離心分離因數(shù)工程上，常將離心加速度at與重力加速度g之比，稱(chēng)為：離心分離因數(shù)separation

22、 factor，用KC表示。離心分離因數(shù)KC最大可達(dá)幾千至幾萬(wàn)。4、離心分離因數(shù)層流時(shí)：比較上兩式可知：是用離心加速度u2t/r代替了重力加速度g。四、離心沉降分離設(shè)備（一）旋風(fēng)分離器cyclone separator1、構(gòu)造與操作如圖3-7所示。2、旋風(fēng)分離器的主要性能（1）臨界直徑（critical particle diameter）dc（m）式中： 流體粘度，Pas；s 顆粒密度，kg/m3；ui 氣體進(jìn)口速度，m/s；N 旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，一般取N=35；B 進(jìn)氣口寬度，m；模型參數(shù)NN 旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，一般取N=35。（2）分離效率 粒級(jí)效率粒級(jí)效率 是指某一粒徑的顆粒被分離的質(zhì)量百分率，用表示

23、。 總效率0總效率是指由分離器分離出來(lái)的顆粒量與入口氣體中總粒子量之比。（3）壓降式中： 阻力系數(shù)，需通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，對(duì)于同一種結(jié)構(gòu)形式的旋風(fēng)分離器，不論其尺寸大小，接近常數(shù)。旋風(fēng)分離器的壓降一般在5002000Pa范圍內(nèi)。3、選型 選擇旋風(fēng)分離器形式及決定其主要尺寸的根據(jù)是：（1）生產(chǎn)能力（氣體流量）（2）可允許的壓降（3）粉塵性質(zhì)（3）要求的分離效率等。（二）旋液分離器1、旋液分離器好樣的hydrauli cyclone 是一種利用離心力從液流中分離固體顆粒的設(shè)備。2、構(gòu)造與操作原理 旋液分離器的構(gòu)造與操作原理都與旋風(fēng)分離器基本上相同。如圖3-9所示。第三節(jié) 過(guò)濾一、概述（一）深層過(guò)濾和濾餅

24、過(guò)濾（1）過(guò)濾filtration利用多孔介質(zhì)（稱(chēng)為：過(guò)濾介質(zhì)），使液體通過(guò)而截留固體顆粒，從而使懸浮液中的固、液得到分離的過(guò)程，稱(chēng)為：過(guò)濾。（2）濾漿原始的懸浮液，稱(chēng)為：濾漿slurry。（3）濾液通過(guò)多孔介質(zhì)后的液體，稱(chēng)為：濾液filtrate。（4）濾渣（或稱(chēng)：濾餅）被截留住的固體顆粒堆積層，稱(chēng)為：濾渣，或稱(chēng)為：濾餅filter cake（其空隙中充滿(mǎn)液體）。（5）過(guò)濾推動(dòng)力驅(qū)使液體通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)的推動(dòng)力，有重力、壓力、離心力。本節(jié)重點(diǎn)討論應(yīng)用最廣泛的壓力過(guò)濾。（6）工業(yè)上的過(guò)濾方法 工業(yè)上的過(guò)濾方法主要有兩種：深層過(guò)濾filtration和濾餅過(guò)濾cake filtration 。1、深

25、層過(guò)濾如圖3-10所示。（1）過(guò)濾介質(zhì)砂子或砂子、礫石混合成成或其它堆積介質(zhì)。（2）過(guò)濾原理 介質(zhì)層較厚，里面形成長(zhǎng)而曲折的流道。通常處理顆粒直徑小于流道直徑的懸浮液。 過(guò)濾時(shí)，顆粒隨流體進(jìn)入孔道靠攔截、慣性碰撞、擴(kuò)散沉積、重力沉積及靜電效應(yīng)等使顆粒細(xì)小且含量甚微的物料，如自來(lái)水廠水的凈化、煙揀除塵或合成氣除霧等。 當(dāng)使用時(shí)間較長(zhǎng)，介質(zhì)中積累的顆粒增多，流道變窄，流阻增大，出現(xiàn)顆粒“穿透”現(xiàn)象，濾液中顆粒含量增大，此時(shí)要對(duì)介質(zhì)進(jìn)行清洗再生。2、濾餅過(guò)濾如下圖3-11所示。圖：濾餅過(guò)濾的架橋現(xiàn)象（1）過(guò)濾介質(zhì)織物、多孔固體或多孔膜。（2）過(guò)濾原理 隨過(guò)濾進(jìn)行，濾渣在濾介的一側(cè)形成濾餅。 初時(shí)，小

26、于過(guò)濾介質(zhì)微孔的顆?？赡艽┻^(guò)過(guò)濾介質(zhì)進(jìn)入濾液使之混濁；但顆粒經(jīng)過(guò)微孔時(shí)互相“架橋”使流道更狹窄，使小于孔道直徑的顆粒也能被攔截，濾液逐漸清澈，當(dāng)濾餅開(kāi)成后，濾液便澄清了。 將初始濁液重新過(guò)濾即可得澄清溶液。 可見(jiàn)，有效過(guò)濾靠的是濾餅而不是過(guò)濾介質(zhì)。 （二）過(guò)濾介質(zhì)1、工業(yè)上的過(guò)濾介質(zhì)filtering medium，應(yīng)具有以下特性：（1）多孔性；（2）耐腐蝕性、耐熱性；（3）有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。2、工業(yè)上常用的過(guò)濾介質(zhì)（1）織物（即濾布）；（2）金屬絲網(wǎng)；（3）其他。（三）濾餅的可壓縮性 根據(jù)濾餅受壓后是否變形，把濾餅分為：可壓縮性濾餅和不可壓縮性濾餅。（四）助濾劑1、助濾劑filter aid

27、是顆粒細(xì)小且粒度分布范圍較窄，堅(jiān)硬而懸浮性好的顆粒狀或纖維狀物質(zhì)。2、常用的助濾劑（1）硅藻土（2）珍珠巖（3）炭粉、纖維素等。3、助濾劑的施用方法（1）預(yù)涂（2）混濾二、過(guò)濾設(shè)備 工業(yè)上應(yīng)用最廣的過(guò)濾設(shè)備是以壓差為推動(dòng)力的過(guò)濾機(jī)。典型的過(guò)濾機(jī)有：（1）壓濾機(jī)（間歇式）（2）葉濾機(jī)（間歇式）（3）轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)（連續(xù)式）（一）壓濾機(jī)1、結(jié)構(gòu)壓濾機(jī)，是間歇過(guò)濾機(jī)。板框式壓濾機(jī)plate-and-frame filter press，如圖3-12所示。明流式（1）板與框如圖3-13所示。洗滌水通道濾漿通道支耳支耳圖a. 非洗滌板洗滌水通道濾漿通道支耳支耳圖b. 濾框洗滌水通道濾漿通道支耳支耳圖c.

28、 洗滌板2、操作（1）過(guò)濾階段 如圖3-14（a）所示。非洗滌板非洗滌板非洗滌板濾框?yàn)V框?yàn)V框?yàn)V框洗滌板洗滌板濾布濾布濾布濾布濾布濾布濾布濾布濾漿入口非洗滌板濾框?yàn)V框洗滌板非洗滌板濾布濾布濾布濾布濾液濾液濾液濾漿開(kāi)關(guān)關(guān)（2）洗滌階段如圖3-14（b）所示。清水入口非洗滌板濾框?yàn)V框洗滌板非洗滌板濾布濾布濾布濾布洗滌水洗滌水清水關(guān)開(kāi)開(kāi)暗流式（1）板與框如圖3-13所示。圖a. 非洗滌板3濾液通道4洗滌液出口通道圖b. 濾框1懸浮液通道圖c. 洗滌板2洗滌液入口通道2、操作（1）過(guò)濾階段 如圖3-14（a）所示。濾漿入口非洗滌板濾框?yàn)V框洗滌板非洗滌板濾布濾布濾布濾布濾漿濾液濾液出口（2）洗滌階段如圖3

29、-14（b）所示。清水入口非洗滌板濾框?yàn)V框洗滌板非洗滌板濾布濾布濾布濾布清水洗滌水洗滌水出口3、材料及規(guī)格（1）壓濾機(jī)的板和框可用鑄鐵、碳鋼、不銹鋼、鋁、塑料、木材制造。（2）操作壓力一般為：0.30.05MPa。（3）我國(guó)制造的壓濾機(jī)規(guī)格系列中： 板的厚度為25 50mm。 框每邊長(zhǎng)320 1000mm。 框的數(shù)目可自幾塊到50塊，隨生產(chǎn)能力而定。4、特點(diǎn)（1）優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，過(guò)濾面積大且占地省，過(guò)濾壓力高（可達(dá)1.5MPa）。便于用耐腐蝕材料制造，濾餅含水量少且能進(jìn)行洗滌。（2）缺點(diǎn)操作不是連續(xù)的、自動(dòng)的，所費(fèi)的勞動(dòng)力多且勞動(dòng)強(qiáng)度大。二、葉濾機(jī)1、結(jié)構(gòu)葉濾機(jī)是由許多濾葉組成，濾葉可以垂直放

30、置也可水平放置。如圖3-15所示。2、特點(diǎn)葉結(jié)構(gòu)，也是間歇過(guò)濾機(jī)。優(yōu)點(diǎn)是過(guò)濾推動(dòng)力大，單位地面所容納的過(guò)濾面積大，濾餅洗滌較充分。生產(chǎn)能力比壓結(jié)構(gòu)大，機(jī)械化程度較高，勞動(dòng)力較省，操作環(huán)境也較好。缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，造價(jià)較高，洗滌不易均勻。（三）轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)rotary-drum vacuum filter是工業(yè)上應(yīng)用很廣的一種連續(xù)操作的真空過(guò)濾機(jī)。1、結(jié)構(gòu)如圖3-17所示。其主要部件為轉(zhuǎn)筒。長(zhǎng)度與直徑之比約為1/22，轉(zhuǎn)速為0.1 3r/min。2、操作流程如圖3-19所示。3、材料及規(guī)格我國(guó)制定的轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)規(guī)格系列中，轉(zhuǎn)筒直徑為1 3m，過(guò)濾面積為250m2。4、特點(diǎn)（1）

31、優(yōu)點(diǎn) 轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)是：操作連續(xù)、自動(dòng)，（2）缺點(diǎn) 缺點(diǎn)是：轉(zhuǎn)筒體積龐大而其過(guò)濾面積相形之下更嫌小。三、過(guò)濾的基本理論過(guò)濾過(guò)程屬于不穩(wěn)定流動(dòng)。（一）過(guò)濾速度過(guò)濾速度單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位過(guò)濾面積的濾液體積，用符號(hào)u表示，單位為：m3/(m2s)，即m/s。式中：u 過(guò)濾速度， m3/(m2 s)，即m/s；V 濾液體積，m3；A 過(guò)濾面積，m2； 過(guò)濾時(shí)間，s；q 單位過(guò)濾面積所得的濾液量，m3/m2。q 單位過(guò)濾面積所得的濾液量，m3/m2;V 濾液體積，m3；A 過(guò)濾面積，m2；（二）液體通過(guò)濾渣層的流動(dòng)過(guò)濾，是液體通過(guò)濾渣層的流動(dòng)。式中：p 通過(guò)濾餅和過(guò)濾介質(zhì)的總壓降，即壓力差，也

32、即過(guò)濾推動(dòng)力，Pa；p1 通過(guò)濾餅的壓力降，Pa；p2 通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)的壓力降，Pa。液體通過(guò)濾渣層的流動(dòng)將真實(shí)流動(dòng)簡(jiǎn)化為：均為長(zhǎng)度為 的一組平行細(xì)管中的流動(dòng)，并規(guī)定：（1）細(xì)管的內(nèi)表面積之和等于濾餅內(nèi)顆粒的全部表面積；（2）細(xì)管的全部流動(dòng)空間等于濾餅內(nèi)的全部空隙體積。虛擬細(xì)管的當(dāng)量直徑de（m）細(xì)管的全部流動(dòng)空間（m3） 式中： 濾餅的空隙率，m3/m3；VC 濾餅的體積，m3濾餅；濾餅的空隙率 細(xì)管的全部?jī)?nèi)表面積（m3）細(xì)管的全部?jī)?nèi)表面積=aBVC=a（1-）VC式中： 過(guò)濾餅的空隙率，m3/m3；VC 濾餅的體積，m3濾餅； a 顆粒的比表面積， m2/m3 ； aB 濾餅的比表面積， m

33、2/m3 ；顆粒的比表面積a ， m2/m3 濾餅的比表面積aB ， m2/m3 細(xì)管的當(dāng)量直徑de（m）管內(nèi)層流的壓力損失哈根（Hagen）-泊謖葉（Poiseuile）公式通過(guò)濾餅的壓降p1 ，Pa；根據(jù)連續(xù)性方程 u1 濾液在虛擬管內(nèi)的流速，m/s。 過(guò)濾餅的空隙率，m3/m3； u 過(guò)濾速度， m3/(m2 s)，即m/s；細(xì)管長(zhǎng)度le（m） 細(xì)管長(zhǎng)度，m；L 濾餅厚度，m；KO比例常數(shù)稱(chēng)為：康采尼（Kozeny）式。令則r 過(guò)濾餅的比阻，單位：m-2。式中： p1 過(guò)濾推動(dòng)力； rL 過(guò)濾阻力； r 過(guò)濾餅的比阻，單位：m-2。（三）過(guò)濾基本方程式1、過(guò)濾速度公式式中：u 過(guò)濾速度，

34、 m3/(m2 s)，即m/s；V 濾液體積，m3；A 過(guò)濾面積，m2； 過(guò)濾時(shí)間，s；濾液在濾餅中的過(guò)濾速度濾液在過(guò)濾介質(zhì)中的過(guò)濾速度 Le 過(guò)濾介質(zhì)的當(dāng)量厚度，m；p2 通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)的壓力降，Pa。過(guò)濾速度u（m/s）式中：u 過(guò)濾速度， m3/(m2 s)，即m/s；V 濾液體積，m3；A 過(guò)濾面積，m2； 過(guò)濾時(shí)間，s；p 壓力差，即過(guò)濾推動(dòng)力，Pa； 濾液粘度，Pas；r 濾餅的比阻，m-2；L 濾餅厚度，m；Le 過(guò)濾介質(zhì)的當(dāng)量厚度，m；2、濾渣層厚度L的計(jì)算令c 獲得單位體積濾液時(shí)，在過(guò)濾介質(zhì)上被截留的濾餅體積，單位為：m3濾餅/m3濾液；簡(jiǎn)寫(xiě)為：m3/m3。濾渣層厚度L的計(jì)算。

35、式中：c 獲得單位體積濾液時(shí)，在過(guò)濾介質(zhì)上被截留的濾餅體積，單位為：m3濾餅/m3濾液；V 濾液體積，m3；A 過(guò)濾面積，m2；L 濾餅厚度，m。式中：c 獲得單位體積濾液時(shí)，在過(guò)濾介質(zhì)上被截留的濾餅體積，單位為：m3濾餅/m3濾液；由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。V 濾液體積，m3；A 過(guò)濾面積，m2；L 濾餅厚度，m；3、過(guò)濾介質(zhì)的當(dāng)量厚度Le的計(jì)算令：Le 與過(guò)濾介質(zhì)阻力相當(dāng)?shù)臑V渣層的厚度，即過(guò)濾介質(zhì)的當(dāng)量厚度，單位為：m。由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。Ve 濾出厚度為L(zhǎng)e的一層濾渣所獲得的濾液體積，m3；由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。式中：c 獲得單位體積濾液時(shí)，在過(guò)濾介質(zhì)上被截留的濾餅體積，單位為：m3濾餅/m3濾液；由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。Ve 濾

36、出厚度為L(zhǎng)e的一層濾渣所獲得的濾液體積，m3；由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。V 濾液體積，m3；A 過(guò)濾面積，m2；L 濾餅厚度，m；4、過(guò)濾速度u過(guò)濾速度u過(guò)濾常數(shù)K令K過(guò)濾常數(shù)filtration constant，單位：m2/s。5、過(guò)濾基本方程式的微分式如下式所示。式中：K，qe，Ve 過(guò)濾常數(shù)，其值由實(shí)驗(yàn)測(cè)定?；?、可壓縮濾餅（1） 不可壓縮濾餅 濾餅的比阻r不隨壓力而變，在整個(gè)過(guò)濾過(guò)程中是常數(shù)。即 r=常數(shù)（2）可壓縮濾餅濾餅的比阻r隨壓力而變。（3）可壓縮濾餅的比阻r（m-2）考慮到濾餅的可壓縮性，則有：式中：r 濾餅的比阻， m-2；p 通過(guò)濾餅和過(guò)濾介質(zhì)的總壓降，即壓力差，也即過(guò)濾推動(dòng)力，Pa

37、；s 稱(chēng)為：壓縮性系數(shù)，無(wú)因次。由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。r0 過(guò)濾常數(shù)，m-2；即過(guò)濾壓力p=1（即1個(gè)壓力單位）時(shí)的比阻，不隨壓力而變，是物的性質(zhì)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。（4）物料的壓縮性系數(shù)ss 稱(chēng)為：壓縮性系數(shù)，無(wú)因次。由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 濾餅的壓縮性愈大，s值愈大，反之，s值愈小。不可壓縮性濾餅，壓縮性系數(shù)為：s=0。物料硅藻土碳酸鈣鈦白（絮凝）高嶺土滑石粘土硫化鋅氫氧化鋁s0.01 0.19 0.270.330.510.560.60.690.9表3.2 典型物料的壓縮指數(shù)s（3）過(guò)濾常數(shù)K（m2/s）可壓縮濾餅過(guò)濾常數(shù)K（m2/s）式中：K 過(guò)濾常數(shù)，m2/s；由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。p 通過(guò)濾餅和過(guò)濾介質(zhì)的總壓降，即壓力

38、差，也即過(guò)濾推動(dòng)力，Pa；s 稱(chēng)為：壓縮性系數(shù)，無(wú)因次。由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。r0 過(guò)濾常數(shù)，m-2；即過(guò)濾壓力p=1（即1個(gè)壓力單位）時(shí)的比阻，不隨壓力而變，是物的性質(zhì)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。c 獲得單位體積濾液時(shí)，在過(guò)濾介質(zhì)上被截留的濾餅體積，單位為：m3濾餅/m3濾液；由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。（四）恒壓過(guò)濾方程式 通過(guò)對(duì)過(guò)濾基本方程式的微分式進(jìn)行積分，可得到恒壓過(guò)濾方程式。如下所示。恒壓過(guò)濾方程的微分式式中：V 濾液體積，m3；Ve 過(guò)濾常數(shù)， m3；其值由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。A 過(guò)濾面積，m2； 過(guò)濾時(shí)間，s；K 過(guò)濾常數(shù)，m2/s；其值由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。恒壓過(guò)濾方程式恒壓過(guò)濾方程式式中：q 濾液體積，m3濾液/m2過(guò)濾面積；qe

39、過(guò)濾常數(shù)， m3/m2；由實(shí)驗(yàn)測(cè)定；A 過(guò)濾面積，m2；K 過(guò)濾常數(shù)，m2/s；由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。若過(guò)濾介質(zhì)阻力可以忽略不計(jì)（五）過(guò)濾常數(shù)的測(cè)定1、恒壓K、qe及e 的測(cè)定（1）方法一：等式兩邊同時(shí)乘以 ，得：直線(xiàn)方程。（2）方法二改寫(xiě)為：2、壓縮性指數(shù)s即即四、濾餅洗滌（一）洗滌速度洗滌速度，m3/（m2s）。洗滌推動(dòng)力=常數(shù)洗滌阻力=常數(shù)洗滌速度=常數(shù)過(guò)濾終了時(shí)的過(guò)濾速度， m3/ （m2s）。洗滌速度，m3/（m2s）； 洗滌速率，m3/s；過(guò)濾終了時(shí)的過(guò)濾速率， m3/ s。1、橫穿洗滌橫穿洗滌板框壓濾機(jī)。假定：即2、置換洗滌置換洗滌葉濾機(jī)和真空轉(zhuǎn)筒過(guò)濾機(jī)。假定：即（二）洗滌時(shí)間W洗滌時(shí)間，s。W 洗滌時(shí)間，s；VW 洗滌水的用量，m3； 洗滌速率，m3/s。（三）最終過(guò)濾速率五、生產(chǎn)能力（一）間歇過(guò)濾機(jī)1、操作周期及生產(chǎn)能力（1）操作周期 一個(gè)操作周期的時(shí)間，用符號(hào)c表示，單位：s。式中： C 操作周期，s； 過(guò)濾時(shí)間，s； W 洗滌時(shí)間，s； R 輔助時(shí)間，s。（2）生產(chǎn)能力Q式中： Q 過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力，m3濾液/s； V 濾液體積，m3； C 操作周期，s。生產(chǎn)能力Q補(bǔ)充式中： Q 過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力，m3濾餅/s； Vc 濾餅體積， m3； V 濾液體積，m3； C 操作周期