過程工程原理第三章：機(jī)械分離與固體流態(tài)化

目錄第三章機(jī)械分離與固體流態(tài)化

§3.1過濾一、概述二、過濾基本方程三、過濾常數(shù)的測定四、濾餅洗滌五、過濾設(shè)備及過濾計(jì)算習(xí)題課六、離心過濾機(jī)浙江大學(xué)《化工原理》電子教案/目錄1目錄

§3.2沉降分離§3.2.1重力沉降原理及設(shè)備一、重力沉降原理二、重力沉降設(shè)備§3.2.2離心沉降原理及設(shè)備一、離心沉降原理二、離心沉降設(shè)備§3.2.3離心機(jī)浙江大學(xué)《化工原理》電子教案/目錄2目錄

§3.3

固體流態(tài)化一、什么是流態(tài)化二、流化床的兩種形態(tài)三、流化床的主要特性浙江大學(xué)《化工原理》電子教案/目錄3第三章推薦閱讀材料：1、譚天恩，竇梅，周明華.化工原理.上冊.第三版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20062．McCabeWL，SmithJC,HarriottP.UnitOperationsofchemicalEngineering.

6thed.NewYork:McGraw-Hill,2001（英文影印版：化學(xué)工程單元操作.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003）3、時鈞等.化學(xué)工程手冊.第二版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996

浙江大學(xué)《化工原理》電子教案/目錄4第三章機(jī)械分離與固體流態(tài)化分離

懸浮液-----固-液混合物乳濁液-----液-液混合物含塵氣體----氣-固混合物

含霧氣體----氣-液混合物------篩分、沉降、過濾------將在甲II、甲III中介紹5/75§3.1過濾一、概述這種過濾是在過濾介質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行的，介質(zhì)表面無濾餅形成。此法適用于從液體中除去很小量的固體微粒，例如飲用水的凈化。多孔性過濾介質(zhì)懸浮液-----固-液混合物含塵氣體----氣-固混合物

過濾深層過濾：6/75一、概述濾漿濾餅過濾介質(zhì)濾液----推動力：重力、壓力、離心力

濾餅過濾請點(diǎn)擊觀看動畫7/75一、概述濾漿濾餅過濾介質(zhì)濾液濾餅過濾工業(yè)用過濾介質(zhì)主要有：棉、麻、絲、毛、合成纖維、金屬絲等編織成的濾布。過濾介質(zhì)：多孔性耐腐蝕、耐熱并具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。濾餅：

多孔性是真正的過濾阻力所在。濾餅的壓縮性：

空隙結(jié)構(gòu)易變形的濾餅為可壓縮濾餅。

8/75一、概述濾漿濾餅過濾介質(zhì)濾液濾餅過濾助濾劑能形成結(jié)構(gòu)疏松、而且?guī)缀跏遣豢蓧嚎s的濾餅?？筛纳圃瓰V餅的可壓縮性和過于致密的缺點(diǎn)。助濾劑：----是顆粒細(xì)小、粒度分布范圍較窄、堅(jiān)硬而懸浮性好

的顆粒狀或纖維固體，如硅藻土、纖維粉末、活性

炭、石棉。使用方法：預(yù)涂混入待濾的濾漿中一起過濾。9/75二、過濾基本方程------濾液量V～過濾時間的關(guān)系----單位時間、單位過濾面積通過的濾液體積，m3/m2s過濾速度A過濾速率即濾液的（空床）流速，又稱表觀速度m3/su非恒定濾餅過濾過程中，濾餅越來越厚過濾速率（速度）越來越小。濾液量越來越大；(單位過濾面積所得的濾液量)10/75二、過濾基本方程1、過濾基本方程的推導(dǎo)------濾液量V～過濾時間的關(guān)系細(xì)管的內(nèi)表面積等于全部顆粒的表面積流體的流動空間等于床層中顆粒之間的全部空隙體積。u1實(shí)際情況：流體流動路徑很復(fù)雜，阻力損失無法計(jì)算屬層流可視為并聯(lián)管路簡化模型：推動力、阻力不變均為等徑管，并聯(lián)細(xì)管長度le與床層高度L成正比屬層流阻力損失很易計(jì)算---哈根-泊謖葉方程11/75二、過濾基本方程(2)細(xì)管的內(nèi)表面積等于全部顆粒的表面積，流體的流動空間等于床層中顆粒之間的全部空隙體積。1、過濾基本方程的推導(dǎo)假定：濾餅體積濾餅的比表面積顆粒的比表面積------濾液量V～過濾時間的關(guān)系簡化模型(1)細(xì)管長度le與床層高度L成正比12/75二、過濾基本方程---哈根-泊謖葉方程由質(zhì)量守恒得：濾餅截面積A------濾液量V～過濾時間的關(guān)系真實(shí)速度

u113/75二、過濾基本方程△p2思考：影響過濾阻力的因素有哪些？影響過濾速度的因素有哪些？（濾餅）對過濾介質(zhì)：------濾液量V～過濾時間的關(guān)系△p1u△p14/75二、過濾基本方程

設(shè)每獲得單位體積濾液時，被截留在過濾介質(zhì)上的濾餅體積為c（m3濾餅/m3濾液），則令濾餅濾液1c思考2：

如果已知濾漿中固體物濃度和濾餅空隙率，如何計(jì)算出c？壓縮指數(shù)0<s<1（可壓縮濾餅）s=0（不可壓縮濾餅）濾漿常數(shù)------濾液量V～過濾時間的關(guān)系思考1：

濾餅中全是固體物嗎？

c和哪些因素有關(guān)？15/75二、過濾基本方程---過濾基本方程過濾常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)測定△pu思考：影響K的因素有哪些？影響Ve或qe的因素有哪些？------濾液量V～過濾時間的關(guān)系（速率）（速度）---過濾常數(shù)16/75二、過濾基本方程影響K的因素：影響qe或Ve

的因素：濾餅性質(zhì)（s、、a）濾漿性質(zhì)（c、）推動力（p）過濾介質(zhì)的性質(zhì)（孔的結(jié)構(gòu)、、r0、厚度）△pu------濾液量V～過濾時間的關(guān)系17/75二、過濾基本方程2、恒壓過濾△pu表觀速度特點(diǎn)：

K為常數(shù)

積分得：

或若過濾介質(zhì)阻力可忽略不計(jì)，則

或，過濾速度愈來愈小。恒壓過濾方程---過濾基本方程18/75二、過濾基本方程3、恒速過濾

△pu

表觀速度特點(diǎn)：

u為常數(shù)，整理得：

若過濾介質(zhì)阻力可忽略不計(jì)，則

或或而K不為常數(shù)。恒速過濾方程---過濾基本方程19/75二、過濾基本方程思考：先恒速后恒壓操作，如何計(jì)算？---能用---不能用20/75需根據(jù)過濾基本方程（微分式）重新推導(dǎo)三、過濾常數(shù)的測定恒壓時：logp~logK作圖求出壓縮指數(shù)s

/q~q圖21/75四、濾餅洗滌思考：洗滌阻力與哪些因素有關(guān)？與濾餅厚度、濾餅性質(zhì)、洗滌液黏度、介質(zhì)阻力有關(guān)

推動力、阻力不變思考：洗滌過程與過濾過程的有何異同？洗滌速度為常數(shù)。22/75作業(yè)：1，4四、濾餅洗滌若推動力相同，則：23/75五、過濾設(shè)備及過濾計(jì)算過濾設(shè)備

24/75濾布洗板板框壓濾機(jī)框非洗板洗板五、過濾設(shè)備及過濾計(jì)算1、板框壓濾機(jī)濾框、濾板結(jié)構(gòu)：1060塊不等，過濾面積約為280m2

請點(diǎn)擊觀看動畫濾框和濾板的左上角與右上角均有孔。

請點(diǎn)擊觀看動畫請點(diǎn)擊觀看動畫25/751、板框壓濾機(jī)洗板板框壓濾機(jī)框非洗板洗板一個操作循環(huán)：過濾濾液流出懸浮液入口洗滌液流出洗滌液入口洗滌卸渣、整理重裝濾布旋轉(zhuǎn)強(qiáng)制式卸餅曲張?jiān)碜詣有对鷱堈翊蛟碜詣有对卫_濾板全自動壓濾機(jī)--濾餅最大厚度是框厚的1/2，過濾面積A=2A側(cè)面積--穿過的最大厚度是1個框厚，洗滌面積AW=A側(cè)26/751、板框壓濾機(jī)洗板板框壓濾機(jī)框非洗板洗板濾液流出懸浮液入口思考：對板框壓濾機(jī)，恒壓過濾方程中的V、Ve、A怎么取值？半個框的？一個框的？還是N個框的？均可。半個框：一個框：n個半框：27/751、板框壓濾機(jī)屬間歇式特點(diǎn)：橫穿洗滌：Lw=2L，Aw=A/2洗板板框壓濾機(jī)框非洗板洗板洗滌液流出洗滌液入口（速度之比）（速率之比）28/751、板框壓濾機(jī)生產(chǎn)能力：

操作周期：

單位時間內(nèi)獲得的濾液量或?yàn)V餅量。其中：----有最大值

29/751、板框壓濾機(jī)若過濾、洗滌的操作壓力相同濾液＝洗滌液w介質(zhì)阻力忽略不計(jì)------最佳操作周期

生產(chǎn)能力最大時的操作周期最大生產(chǎn)能力：

30/752、葉濾機(jī)屬間歇式置換洗滌：Lw=L，Aw=A濾葉一個操作循環(huán)：過濾、洗滌、卸渣、整理重裝

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)：請點(diǎn)擊觀看動畫思考：對葉濾機(jī)，下式中V、Ve、A如何取值？一個濾葉的？還是N個的？均可。（速度之比）（速率之比）＝1（＝w）＝1（＝w）31/752、葉濾機(jī)操作周期：

與板框機(jī)相同生產(chǎn)能力：

與板框機(jī)相同最佳操作周期：

與板框機(jī)相同（=w，介質(zhì)阻力忽略不計(jì)）32/753、轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)置換洗滌：Lw=L，Aw=A屬連續(xù)式過濾、洗滌、吹松、刮渣轉(zhuǎn)筒---筒的側(cè)壁上覆蓋有金屬網(wǎng)，長、徑之比約為1/22，濾布---蒙在筒外壁上。分配頭---轉(zhuǎn)動盤、固定盤浸沒于濾漿中的過濾面積約占全部面積的3040%轉(zhuǎn)速為0.1至23（轉(zhuǎn)/分）

一個操作循環(huán)：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)：請點(diǎn)擊觀看動畫（速度之比）（速率之比）33/753、轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)其中：操作周期：

生產(chǎn)能力：

思考1：對轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)，上式中V、Ve、A、如何取值？按過濾區(qū)？還是按整個轉(zhuǎn)筒？均可。按整個轉(zhuǎn)筒?。篤，Ve，A，=T按過濾區(qū)?。篤，Ve，A，

=T

浸沒分?jǐn)?shù)（轉(zhuǎn)筒浸入面積占全部轉(zhuǎn)筒面積的分率）思考2：是否有最大生產(chǎn)能力？設(shè)轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)數(shù)為每秒鐘n次34/753、轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)若介質(zhì)阻力忽略不計(jì)，則

可見：但這類方法受到一定的限制

35/75習(xí)題課【例】

某板框過濾機(jī)有5個濾框，框的尺寸為635635

25mm。過濾操作在20℃、恒定壓差下進(jìn)行，過濾常數(shù)K=4.2410-5m2/s，qe=0.0201m3/m2，濾漿為含固體物12.24%（質(zhì)量）的水懸浮液，固相密度為3000kg/m3。測得濾餅空隙率為0.4，濾餅不洗滌，卸渣、重整等輔助時間為10分鐘。試求框全充滿所需時間?，F(xiàn)改用一臺回轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)過濾濾漿，所用濾布與前相同，過濾壓差也相同。轉(zhuǎn)筒直徑為1m，長度為1m，浸入角度為120。問轉(zhuǎn)鼓每分鐘多少轉(zhuǎn)才能維持與板框過濾機(jī)同樣的生產(chǎn)能力？假設(shè)濾餅不可壓縮。36/75以一個框?yàn)榛鶞?zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。濾液量

過濾面積【解】框全充滿所需時間？（框全充滿）再根據(jù)恒壓過濾方程得：K=4.2410-5m2/sqe=0.0201m3/m2思考：以5個框?yàn)榛鶞?zhǔn)，如何求解？5個框，63563525mmK=4.2410-5m2/s，qe=0.0201m3/m212.24%（質(zhì)量），固相密度為3000kg/m3=0.4，c:每獲得單位體積濾液時，被截留在過濾介質(zhì)上的濾餅體積（m3濾餅/m3濾液）37/75改用回轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)后，壓差不變，故K不變；濾布不變，故qe不變。K=4.2410-5m2/s，qe=0.0201m3/m2過濾面積板框：設(shè)轉(zhuǎn)筒每秒鐘轉(zhuǎn)n轉(zhuǎn)，則回轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)生產(chǎn)能力回轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)：轉(zhuǎn)鼓每分鐘多少轉(zhuǎn)才能維持與板框過濾機(jī)同樣的生產(chǎn)能力？濾餅不洗滌，卸渣、重整等輔助時間為10分鐘回轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)所用濾布與前相同

過濾壓差也相同

轉(zhuǎn)筒直徑為1m，長度為1m，浸入角度為12038/75習(xí)題課39/75六、離心過濾機(jī)離心過濾機(jī)分為立式和臥式兩種。離心過濾機(jī)是一種利用物料在轉(zhuǎn)鼓表面受到的離心力的分力進(jìn)行過濾的全自動過濾機(jī)。離心過濾機(jī)生產(chǎn)能力大、適應(yīng)范圍廣，適用于分離固相顆粒＞50m的易過濾懸浮液。請點(diǎn)擊觀看動畫40/75§3.2沉降分離利用重力、離心力等將密度不同的兩種或兩種以上物質(zhì)加以分離的操作，稱為沉降。

什么是沉降操作？作業(yè)：8、1041/75§3.2沉降分離沉降重力沉降離心沉降---用于除去>75m以上顆粒---用于除去>5～10m

顆粒42/75§3.2.1重力沉降原理及設(shè)備一、重力沉降原理1、自由沉降極短，通?？梢院雎栽摱蔚念w粒運(yùn)動速度稱為沉降速度，用ut表示。此時加速段：等速段：浮力Fb曳力FD

重力FB顆粒在流體中沉降時受力---單個球型顆粒在無限流體中的降落過程對球形顆粒則有：回憶：第一章的摩擦阻力計(jì)算式思考：ut是顆粒與流體的相對速度，而不一定是顆粒的絕對速度，此話對否？43/751、自由沉降D如圖3-15所示。

爬流區(qū)Rep=dput/

1或2

層流區(qū)（爬流區(qū)，斯托克斯區(qū)）----斯托克斯公式44/751、自由沉降顆粒越大，沉降越快；顆粒相對越重，沉降越快；流體越黏，沉降越慢。45/752、實(shí)際沉降干擾沉降

大量顆粒的存在使流體的表觀黏度和密度較純流體的大，尤其是沉降設(shè)備的下部更是如此，此因素的影響將使實(shí)際沉降速度要比自由沉降時的小。當(dāng)顆粒沉降時，流體會被置換而向上運(yùn)動，從而阻滯了鄰近顆粒的沉降，此因素的影響將使顆粒相對地面速度要比自由沉降時的小。當(dāng)混合物中顆粒的濃度較大時，大量固相顆粒之間可能會相互黏連而成為較大顆粒向下沉降，此因素的影響將使實(shí)際沉降速度要比自由沉降時的大。

容器的壁面會增大顆粒沉降時的曳力，使顆粒的沉降速度比自由沉降時的小，稱為壁面效應(yīng)。46/752、實(shí)際沉降非球形顆粒的影響

顆粒形狀偏離球形程度越大，曳力系數(shù)越大，相應(yīng)地，沉降速度越小。球形顆粒非球形度非球形顆粒的位向?qū)Τ两邓俣纫灿杏绊?，例如，針形顆粒直立著沉降與平臥著沉降，其阻力顯然大有區(qū)別。47/75二、重力沉降設(shè)備---用于除去>75m以上顆粒重力沉降設(shè)備48/751、降塵室則表明，該顆粒能在降塵室中除去。思考1：為什么氣體進(jìn)入降塵室后，流通截面積要擴(kuò)大？思考2：為什么降塵室要做成扁平的？結(jié)構(gòu)：除塵原理：為了增大停留時間。ut

uu49/751、降塵室思考3：能夠被100%除去的最小顆粒，必須滿足什么條件？思考4：粒徑比dpmin小的顆粒，被除去的百分?jǐn)?shù)如何計(jì)算？----斯托克斯公式50/751、降塵室可見，降塵室（最大）處理量與底面積、沉降速度有關(guān),而與降塵室高度無關(guān)。故降塵室多做成扁平的。

注意!!

降塵室不可太扁，即氣體流速不應(yīng)過高，以免將已沉降下來的顆粒重新?lián)P起。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，多數(shù)灰塵的分離，可取u<3m/s，較易揚(yáng)起灰塵的，可取u<1.5m/s。能夠完全除去dpmin顆粒時的氣體流量V(最大)處理量----思考2：為什么降塵室要做成扁平的？51/751、降塵室降塵室優(yōu)、缺點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備龐大、效率低只適用于分離粗顆粒(直徑75m以上)，或作為預(yù)分離設(shè)備。

52/752、增稠器（沉降槽）請點(diǎn)擊觀看動畫結(jié)構(gòu)：除塵原理：-----用于分離出液-固混合物與降塵室相同因固-液密度相差不是很懸殊,故沉降速度很小.生產(chǎn)能力是由截面積來保證的----斯托克斯公式沉降槽的直徑與高度比通常都很大，例如直徑可以大到100m以上，高度卻都在幾米以內(nèi)。為什么？53/75§3.2.2離心沉降原理及設(shè)備離心沉降速度（自由沉降）離心加速度ac=2r=u2/r不是常量沉降過程沒有勻速段，但在小顆粒沉降時，加速度很小，可近似作為勻速沉降處理顆粒受力：類似重力沉降速度推導(dǎo)，得：一、離心沉降原理對照重力場54/75一、離心沉降原理數(shù)值約為幾千～幾萬---離心分離因數(shù)Rep=dpur/

1或2層流區(qū)對照重力場55/75二、離心沉降設(shè)備---用于除去>5～10m顆粒離心沉降設(shè)備除去<2.5m的顆粒要用袋濾或電除塵方法。56/751、旋風(fēng)分離器請點(diǎn)擊觀看動畫結(jié)構(gòu)：除塵原理：上部為圓筒形，下部為圓錐形。

兩個氣旋兩個氣旋各起什么作用？Why？57/751、旋風(fēng)分離器滿足：幾點(diǎn)假設(shè)：假設(shè)器內(nèi)氣體速度恒定，且等于進(jìn)口氣速ui；假設(shè)顆粒沉降過程中所穿過的氣流的最大

厚度等于進(jìn)氣口寬度B；假設(shè)顆粒沉降服從斯托克斯公式。uiui臨界粒徑dc---100%分離出來的最小顆粒的直徑停留時間

0=沉降時間rN值與進(jìn)口氣速有關(guān)，對常用形式的旋風(fēng)分離器，風(fēng)速1225ms-1范圍內(nèi)，一般可取N=34.5，風(fēng)速愈大，N也愈大。58/751、旋風(fēng)分離器結(jié)論：

旋風(fēng)分離器越細(xì)、越長（N越大）,ui越大，除塵效果越好（dc越?。┧伎?：將相同的旋風(fēng)分離器串聯(lián)操作能否提高分離性能?并聯(lián)操作呢？59/751、旋風(fēng)分離器評價旋風(fēng)分離器性能的兩個主要指標(biāo)：小好，一般在5002000Pa左右總效率：被分離出來的顆粒占全部顆粒的百分率粒級效率：每一種顆粒被分離的百分率理論值實(shí)際值60/752、旋液分離器Why?

與旋風(fēng)分離器相比，直徑更小、錐形部分更長。結(jié)構(gòu)：61/75§3.2.3離心機(jī)請點(diǎn)擊觀看動畫在旋風(fēng)（液）分離器中，離心力是由被分離的混合物以切線方向進(jìn)入設(shè)備而引起；

在離心機(jī)中，離心力是由設(shè)備本身的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生。結(jié)構(gòu)：分離原理：適用場合：懸浮液或乳濁液利用離心力離心機(jī)與旋風(fēng)（液）分離器的區(qū)別？62/75§3.3固體流態(tài)化一、什么是固體流態(tài)化？此時流體的真正速度u<顆粒的沉降速度ut此時u=ut顆粒懸浮于流體中，床層有一個明顯的上界面，與沸騰水的表面相似此時u>ut浮力曳力重力真正速度u表觀速度u>浮力+曳力（用u算）重力=浮力+曳力重力<浮力+曳力u與u關(guān)系？-----固體顆粒像流體一樣進(jìn)行流動的現(xiàn)象。從起始流態(tài)化開始到氣力輸送為止，這段都屬于流態(tài)化范圍,即從起始流化時的空隙率mf→163/75固體流態(tài)化被廣泛運(yùn)用在粉粒狀物料的輸送、混合、加熱或冷卻、干燥、吸附、煅燒和氣固反應(yīng)等過程中。

64/75二、流化床的兩種形態(tài)床層膨脹均勻、顆粒在床內(nèi)分布較均勻，床層的上界面較為清晰。

散式流態(tài)化：液固體系聚式流態(tài)化：氣固體系乳化相（密相）氣泡相（稀相）兩種不正?，F(xiàn)象