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(cè)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(cè).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(shí)鈞等.化學(xué)工程手冊(cè).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(dòng)力：重力、壓力、離心力

濾餅過濾請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)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(shí)間的關(guān)系----單位時(shí)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(jiǎn)化模型：推動(dòng)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(dòng)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(shí)間的關(guān)系簡(jiǎn)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(shí)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(duì)過濾介質(zhì)：------濾液量V～過濾時(shí)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(shí)，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(shí)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(cè)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(shí)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(dòng)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(shí)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(cè)定恒壓時(shí)：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(dòng)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(dòng)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(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫濾框和濾板的左上角與右上角均有孔。

請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)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(gè)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?dòng)卸渣曲張振打原理自動(dòng)卸渣三次拉開濾板全自動(dòng)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(gè)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(duì)板框壓濾機(jī)，恒壓過濾方程中的V、Ve、A怎么取值？半個(gè)框的？一個(gè)框的？還是N個(gè)框的？均可。半個(gè)框：一個(gè)框：n個(gè)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(shí)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(shí)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(gè)操作循環(huán)：過濾、洗滌、卸渣、整理重裝

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)：請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫思考：對(duì)葉濾機(jī)，下式中V、Ve、A如何取值？一個(gè)濾葉的？還是N個(gè)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(dòng)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(gè)操作循環(huán)：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)：請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)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(duì)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(gè)轉(zhuǎn)筒？均可。按整個(gè)轉(zhuǎn)筒取：V，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(gè)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(cè)得濾餅空隙率為0.4，濾餅不洗滌，卸渣、重整等輔助時(shí)間為10分鐘。試求框全充滿所需時(shí)間?，F(xiàn)改用一臺(tái)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(gè)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(shí)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(gè)框?yàn)榛鶞?zhǔn)，如何求解？5個(gè)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(shí)，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(shí)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(dòng)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(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)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(dòng)速度稱為沉降速度，用ut表示。此時(shí)加速段：等速段：浮力Fb曳力FD

重力FB顆粒在流體中沉降時(shí)受力---單個(gè)球型顆粒在無限流體中的降落過程對(duì)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(duì)速度，而不一定是顆粒的絕對(duì)速度，此話對(duì)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(duì)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(shí)的小。當(dāng)顆粒沉降時(shí)，流體會(huì)被置換而向上運(yùn)動(dòng)，從而阻滯了鄰近顆粒的沉降，此因素的影響將使顆粒相對(duì)地面速度要比自由沉降時(shí)的小。當(dāng)混合物中顆粒的濃度較大時(shí)，大量固相顆粒之間可能會(huì)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(shí)的大。

容器的壁面會(huì)增大顆粒沉降時(shí)的曳力，使顆粒的沉降速度比自由沉降時(shí)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两邓俣纫灿杏绊懀?，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(shí)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(shí)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(jiǎn)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(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)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(shí)，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(duì)照重力場(chǎng)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(duì)照重力場(chǎng)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(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫結(jié)構(gòu)：除塵原理：上部為圓筒形，下部為圓錐形。

兩個(gè)氣旋兩個(gè)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(shí)間

0=沉降時(shí)間rN值與進(jìn)口氣速有關(guān)，對(duì)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(píng)價(jià)旋風(fēng)分離器性能的兩個(gè)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(jí)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(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)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(chǎng)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(shí)流體的真正速度u<顆粒的沉降速度ut此時(shí)u=ut顆粒懸浮于流體中，床層有一個(gè)明顯的上界面，與沸騰水的表面相似此時(shí)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(dòng)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(shí)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