非均相物系分離理論

關于非均相物系分離理論均相物系(honogeneoussystem):

均相混合物。物系內(nèi)部各處均勻且無相界面。如溶液和混合氣體都是均相物系。自然界的混合物分為兩大類：非均相物系(non-honogeneoussystem):

非均相混合物。物系內(nèi)部有隔開不同相的界面存在，且界面兩側的物料性質(zhì)有顯著差異。如：懸浮液、乳濁液、泡沫液屬于液態(tài)非均相物系，含塵氣體、含霧氣體屬于氣態(tài)非均相物系。第一節(jié)

概述第2頁,共97頁，2024年2月25日，星期天非均相物系的分離原理：在非均相物系中，分散物質(zhì)和分散介質(zhì)組成由于非均相物的兩相間的密度等物理特性差異較大，因此常采用機械方法進行分離。按兩相運動方式的不同，機械分離大致分為沉降和過濾兩種操作。第3頁,共97頁，2024年2月25日，星期天過濾介質(zhì):過濾采用的多孔物質(zhì)；

濾漿:所處理的懸浮液；

濾液:通過多孔通道的液體；

濾餅或濾渣:被截留的固體物質(zhì)。

以某種多孔物質(zhì)為介質(zhì)，在外力的作用下，使懸浮液中的液體通過介質(zhì)的孔道，而固體顆粒被截留在介質(zhì)上，從而實現(xiàn)固液分離的單元操作。

第二節(jié)

過

濾

一、過濾操作的基本概念

1過濾(filtration)

第4頁,共97頁，2024年2月25日，星期天濾漿濾餅過濾介質(zhì)濾液過濾操作示意圖(濾餅過濾)深床過濾第5頁,共97頁，2024年2月25日，星期天織物介質(zhì)(又稱濾布)：

由棉、毛、麻、絲等天然纖維及合成纖維制成的織物，以及玻璃絲、金屬絲等織成的網(wǎng)；過濾介質(zhì)的分類：堆積介質(zhì)

由各種固體顆粒（細砂、硅藻土等）堆積而成，

多用于深床過濾；多孔固體介質(zhì)

這類介質(zhì)具有很多細微孔道，如多孔陶瓷、多孔塑料等。多用于含少量細微顆粒的懸浮液，2過濾介質(zhì)

第6頁,共97頁，2024年2月25日，星期天3.過濾推動力懸浮液自身壓強差，重力懸浮液的—側加壓過濾介質(zhì)的—側抽真空離心力第7頁,共97頁，2024年2月25日，星期天4.過濾阻力介質(zhì)阻力：可視為平變，且一般過濾初較明顯濾餅阻力:濾餅厚度：隨過濾進行而增加濾餅特性：顆粒形狀、大小，粒大多情況下，過濾阻力主要取決于濾餅阻力。第8頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

對于顆粒層中不規(guī)則的通道，可以簡化成由一組當量直徑為de的細管，而細管的當量直徑可由床層的空隙率和顆粒的比表面積來計算。二、過濾的基本理論

1濾液通過餅層的流動第9頁,共97頁，2024年2月25日，星期天顆粒床層的特性可用空隙率、當量直徑等物理量來描述?？障堵剩簡挝惑w積床層中的空隙體積稱為空隙率。比表面積：單位體積顆粒所具有的表面積稱為比表面積。2顆粒床層的特性第10頁,共97頁，2024年2月25日，星期天依照第一章中非圓形管的當量直徑定義，當量直徑為：式中

de——床層流道的當量直徑，m故對顆粒床層直徑應可寫出：第11頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

濾液通過餅層的流動常屬于滯流流型，可以仿照圓管內(nèi)滯流流動的泊稷葉公式(哈根方程)來描述濾液通過濾餅的流動，則濾液通過餅床層的流速與壓強降的關系為：式中u1—濾液在床層孔道中的流速，m/s；

L—床層厚度，m,

Δpc—濾液通過濾餅層的壓強降，pa；

阻力與壓強降成正比，因此可認為上式表達了過濾操作中濾液流速與阻力的關系。第12頁,共97頁，2024年2月25日，星期天床層空隙中的濾液流速u1床層截面積計算的濾液平均流速u第13頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

上式中的比例常數(shù)K′與濾餅的空隙率、顆粒形狀、排列及粒度范圍諸因素有關。對于顆粒床層內(nèi)的滯流流動，K′值可取為5。第14頁,共97頁，2024年2月25日，星期天R——濾餅阻力，1/m,其計算式為：

對于不可壓縮濾餅，濾餅層中的空隙率ε可視為常數(shù)，顆粒的形狀、尺寸也不改變，因而比表面a亦為常數(shù)，則有式中r——濾餅的比阻，1/m2,其計算式為：R=rL4濾餅阻力

第15頁,共97頁，2024年2月25日，星期天式中

V——濾液量，m3；

θ——過濾時間，s；

A——過濾面積，m2。過濾速率為：任一瞬間的過濾速度為：過濾速度:

單位時間內(nèi)通過單位過濾面積的濾液體積，

m3/m2

s。過濾速率:

單位時間內(nèi)獲得的濾液體積，m3/s。3過濾速率

第16頁,共97頁，2024年2月25日，星期天比阻r

單位厚度濾餅的阻力；在數(shù)值上等于粘度為1Pa·s的濾液以1m/s的平均流速通過厚度為1m的濾餅層時所產(chǎn)生的壓強降；比阻反映了顆粒特性(形狀、尺寸及床層空隙率)對濾液流動的影響；床層空隙率ε愈小及顆粒比表面a愈大，則床層愈致密，對流體流動的阻滯作用也愈大。第17頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

通常把過濾介質(zhì)的阻力視為常數(shù)，仿照濾液穿過濾餅層的速度方程則可寫出濾液穿過過濾介質(zhì)層的速度關系式：式中

Δpm——過濾介質(zhì)上、下游兩側的壓強差，Pa；

Rm——過濾介質(zhì)阻力，l/m

由于很難劃定過濾介質(zhì)與濾餅之間的分界面，更難測定分界面處的壓強，在操作過程中總是把過濾介質(zhì)與濾餅聯(lián)合起來考慮。5過濾介質(zhì)的阻力

第18頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

通常，濾餅與濾布的面積相同。所以兩層中的過濾速度應相等，則：

上式表明，可用濾液通過串聯(lián)的濾餅與濾布的總壓強降來表示過濾推動力，用兩層的阻力之和來表示總阻力。式中：Δp—濾餅與濾布兩側的總壓強差，稱為過濾壓強差。第19頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

假設：厚度為Le的濾餅產(chǎn)生的阻力與濾布相同，而過程仍能完全按照原來的速率進行，則：rLe=Rm

在一定的操作條件下，以一定介質(zhì)過濾一定懸浮液時，Le為定值；但同一介質(zhì)在不同的過濾操作中，Le值不同。式中Le——過濾介質(zhì)的當量濾餅厚度，或稱虛擬濾餅厚度，m。

第20頁,共97頁，2024年2月25日，星期天式中：v—濾餅體積與相應的濾液體積之比，無因次。LA=vV

若每獲得1m3濾液所形成的濾餅體積為vm3，則任一瞬間的濾餅厚度L與當時已經(jīng)獲得的濾液體積V之間的關系為：

同理，如生成厚度為Le的濾餅所應獲得的濾液體積以Ve來表示，則式中Ve——過濾介質(zhì)的當量濾液體積，或稱虛擬濾液體積，m3。

三、過濾基本方程式

第21頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

注意：在一定的操作條件下，以一定介質(zhì)過濾一定的懸浮液時，Ve為定值，但同一介質(zhì)在不同的過濾操作中，Ve不同。上式適用于不可壓縮濾餅。

第22頁,共97頁，2024年2月25日，星期天對于可壓縮濾餅其比阻r與壓強差有關。上式稱為過濾基本方程式，它對各種過濾情況均適用。式中

r′——單位壓強下濾餅的比阻，1/m2

Δp——過濾壓強差，pas——濾餅的壓縮性指數(shù)，無因此。一般情況下，

s=0~1。對于不可壓縮濾餅，s=0。根據(jù)上兩式可得r=r′(Δp)s

第23頁,共97頁，2024年2月25日，星期天定義：過濾操作在恒定壓強下進行時稱為恒壓過濾。濾餅不斷變厚；阻力逐漸增加；推動力Δp恒定；過濾速率逐漸變小。過濾操作的兩種典型方式：恒壓過濾和恒速過濾。特點：四、恒壓過濾

第24頁,共97頁，2024年2月25日，星期天對于一定的懸浮液，若μ、r′及v可視為常數(shù)，令

(V+Ve)dV=kA2Δp1-sd

式中：k——表征過濾物料特性的常數(shù)，m4/（N

s）。

過濾基本方程可寫成：恒壓過濾方程式的推導

第25頁,共97頁，2024年2月25日，星期天積分條件

=0,V=0;

=

e,V=Ve;

=

,V=V(1)和(2)式都稱為恒壓過濾方程式。令K=2kΔp1-s

當

=0時，則V=0(V+Ve)2=KA2(

+

e)

（1）Ve2=KA2

eV2+2VVe=KA2

（2）第26頁,共97頁，2024年2月25日，星期天又令

q=V/A，qe=Ve/A

恒壓過濾方程式中的K稱為過濾常數(shù)，由物料特性及過濾壓強差決定。

恒壓過濾時V~

的關系

ooe

e

+

e

+

ebV+VeVV+VeVVe

(q+qe)2=K(

+

e)q2+2qqe=K

上兩式也稱為恒壓過濾方程式。

第27頁,共97頁，2024年2月25日，星期天若維持過濾速率恒定，這樣的過濾操作方式稱為恒速過濾。

恒速過濾時q-

（或V-

）關系為一直線。

q=uR

V=uRA

恒速過濾時的過濾速度為：五、

恒速過濾

第28頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

在一定的操作條件下，μ、r、v、uR、qe均為常數(shù)，故有：對不可壓縮濾餅，由過濾基本方程可寫出：

上式表明：對于不可壓縮濾餅進行恒速過濾時，其壓強差隨過濾時間成直線增加。所以，在實踐中很少采用完全恒速過濾的方法。

Δp=μrvuR2θ+μrvuRqe=a

+b

第29頁,共97頁，2024年2月25日，星期天先恒速后恒壓過濾是工業(yè)中常用的一種過濾方法。

在過濾時間從0到

R時，計算方法與恒速過濾相同。而從時間

R

到

時，得到的濾液量從VR到V，故積分式為：操作過程：開始，從0到

R

時，采用恒速過濾，可在阻力還不太高時獲得較多的濾液。從

R到

時，改為恒壓過濾，以免壓強過高。

六、先恒速后恒壓過濾

第30頁,共97頁，2024年2月25日，星期天積分并將K=2kΔp1-s代入得

兩式中V為獲得的總濾液量，而不是恒壓階段獲得的濾液量。第31頁,共97頁，2024年2月25日，星期天幾種操作方式下的過濾方程恒壓過濾恒速過濾先恒速后恒壓(V+Ve)2=KA2(

+

)eq=uR

(V2-VR2)+2Ve(V-VR)=KA2(

-

R)V2+2VVe=KA2

V=uRA

(q2-qR2)+2qe(q-qR)=K(

-

R)

(q+qe)2=K(

+

e)Δp=a

+bq2+2qqe=K

第32頁,共97頁，2024年2月25日，星期天上式表明：d

/dq與q成直線關系，直線斜率為2/K，截距為2qe/K2(q+qe)dq=Kd

(q+qe)2=K(

+

e)微分上式得qd

/dt2qe/K由斜率=2/K，求出K;由截距=2qe/K，求出qe；由q2+2qqe=K

，

=0，q=0，求出

e=

qe2/K。測定時采用恒壓試驗，恒壓過濾方程為：

七、過濾常數(shù)的測定

第33頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

采用Δ

/Δq代替d

/dq，在過濾面積一定時，記錄下時間

和累計的濾液量V，并由此計算一系列q值，然后作圖，求出直線斜率和截距。最后算出過濾常數(shù)K和qe。

q

/

t2qe/K注意：橫坐標q的取值。實驗數(shù)據(jù)處理第34頁,共97頁，2024年2月25日，星期天lgK=(1-s)lg(Δp)+lg(2k)

以lg(Δp)為橫坐標，lg(K)為縱坐標作直線，從而求出斜率(1-s)，截距l(xiāng)g(2k)，進而算出s和k。K=2kΔp1-s

濾餅的壓縮性指數(shù)s及物料特性常數(shù)k需在不同壓強差下對指定物料進行試驗，求得若干過濾壓強差下的K，然后對K-Δp數(shù)據(jù)加以處理，即可求得s

值。lg(Δp)lg(K)lg(2k)q

/

t2qe/K壓縮指數(shù)s的測定

第35頁,共97頁，2024年2月25日，星期天第36頁,共97頁，2024年2月25日，星期天第37頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

工業(yè)上使用的典型過濾設備：按操作方式分類：間歇過濾機、連續(xù)過濾機按操作壓強差分類：壓濾、吸濾和離心過濾板框壓濾機（間歇操作）轉筒真空過濾機（連續(xù)操作）過濾式離心機八、過濾設備

第38頁,共97頁，2024年2月25日，星期天結構：濾板、濾框、夾緊機構、機架等組成。

濾板：凹凸不平的表面，凸部用來支撐濾布，凹槽是濾液的流道。濾板右上角的圓孔，是濾漿通道；左上角的圓孔，是洗水通道。洗滌板：左上角的洗水通道與兩側表面的凹槽相通，

使洗水流進凹槽；

非洗滌板：洗水通道與兩側表面的凹槽不相通。1板框壓濾機

第39頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

為了避免這兩種板和框的安裝次序有錯，在鑄造時常在板與框的外側面分別鑄有一個、兩個或三個小鈕。非洗滌板為一鈕板，框帶兩個鈕板，框帶兩個鈕，洗滌板為三鈕板。濾框：濾漿通道：濾框右上角的圓孔洗水通道：濾框左上角的圓孔第40頁,共97頁，2024年2月25日，星期天第41頁,共97頁，2024年2月25日，星期天結構簡單，價格低廉，占地面積小，過濾面積大?？筛鶕?jù)需要增減濾板的數(shù)量，調(diào)節(jié)過濾能力。對物料的適應能力較強，由于操作壓力較高（3~10kg/cm2

），對顆粒細小而液體粘度較大的濾漿，也能適用。間歇操作，生產(chǎn)能力低，卸渣清洗和組裝階段需用人力操作，勞動強度大，所以它只適用于小規(guī)模生產(chǎn)。近年出現(xiàn)了各種自動操作的板框壓濾機，使勞動強度得到減輕。板框壓濾機的特點：第42頁,共97頁，2024年2月25日，星期天結構：轉筒，扇形格(18格)；

濾室；分配頭；動盤(18個孔，分別與扇形格的18個通道相連)；定盤(三個凹槽：濾液真空凹槽、洗水真空凹槽、壓縮空氣凹槽，分別將動盤的18個孔道分成三個通道)；

金屬網(wǎng)；濾布；濾漿槽。工作過程2轉筒真空過濾機（rotary-drumvacuumfilter）第43頁,共97頁，2024年2月25日，星期天110987654321817161514131112動盤轉筒及分配頭的結構定盤18格分成6個工作區(qū)1區(qū)(1~7格)：過濾區(qū)；2區(qū)(8~10格)：濾液吸干區(qū)；3區(qū)(12~13格)：洗滌區(qū)；4區(qū)(14格)：洗后吸干區(qū)；5區(qū)(16格)：吹松卸渣區(qū)；6區(qū)(17格)：濾布再生區(qū)。過濾區(qū)(1~2區(qū))，f槽;洗滌區(qū)(3~4區(qū))，g槽

;干燥卸渣區(qū)(5~6區(qū))，h

槽;f槽h槽g槽第44頁,共97頁，2024年2月25日，星期天自動連續(xù)操作；適用于處理量大，固體顆粒含量較多的濾漿；真空下操作，其過濾推動力較低(最高只有1atm)，對于濾餅阻力較大的物料適應能力較差。

轉筒旋轉時，藉分配頭的作用，能使轉筒旋轉一周的過程中，每個小過濾室可依次進行過濾、洗滌、吸干、吹松卸渣等項操作。整個轉筒圓周在任何瞬間都劃分為:特點：工作過程

過濾區(qū);洗滌區(qū);干燥卸渣區(qū)。第45頁,共97頁，2024年2月25日，星期天結構：1.懸筐式離心機(suspended-basketcentrifuge)

轉鼓濾餅濾布濾網(wǎng)離心過濾機工作原理圖轉鼓(上有小孔，亦稱懸框)；濾網(wǎng)；濾布；機架。

原理：

由于離心力作用，液體產(chǎn)生徑向壓差，通過濾餅、濾網(wǎng)及濾筐而流出。3離心過濾機（centrifugalfilter）第46頁,共97頁，2024年2月25日，星期天設備名稱主要結構工作過程特點、適用性生產(chǎn)能力計算板框壓濾機濾板、濾框、夾緊機構、機架裝合、過濾、洗滌、卸渣、整理加壓過濾，推動力較大結構簡單，造價低；過濾面積大，能耗少；讀為間歇操作，推動力較大；洗滌時間長，生產(chǎn)效率低。應用范圍廣。對原料的適應性強轉鼓真空過濾機轉筒(濾網(wǎng)、濾布)、分配頭、濾漿槽過濾、洗滌、吹干、卸渣真空過濾，推動力較??；連續(xù)化生產(chǎn)，自動化程度高，推動力小，濾餅濕度大，設備投資高適于粒度中等，粘度不太大的物料離心過濾機轉鼓(濾網(wǎng)、濾布)、機架過濾、洗滌、卸渣等離心過濾，推動力最大；濾液濕度小。應用廣泛，適應性強。儀設備成本高，過濾面積小。(q+qe)2=K(

+

e)幾種過濾設備的比較第47頁,共97頁，2024年2月25日，星期天式中V——過濾終了時所得濾液體積，m3由恒壓過濾方程知，過濾終了時的過濾速率為：洗滌速率：單位時間內(nèi)消耗的洗滌液體積。

由于洗滌液中不含固相，洗滌過程中濾餅厚度不變。若在恒壓下洗滌，則它既是恒壓洗滌又是恒速洗滌。九、過濾機的生產(chǎn)能力

1洗滌速率的計算第48頁,共97頁，2024年2月25日，星期天若洗滌液粘度和洗滌時的壓差與濾液粘度和過濾壓差相比差異較大，則應校正，校正后的洗滌速率為若洗滌用的壓差與過濾相同，洗滌液粘度與濾液粘度大致相等：

對于轉筒真空過濾機，洗滌速率與過濾終了速率相等對于板框過濾機，洗滌速率等于過濾終了速率的1/4第49頁,共97頁，2024年2月25日，星期天生產(chǎn)能力:單位時間內(nèi)獲得的濾液體積。對于間歇過濾機，一個過濾循環(huán)包括過濾、洗滌、卸渣、清理、重裝等步驟。通常把卸渣、清理、重裝等所用的時間合在一起稱為輔助時間

D

。一個循環(huán)時間T=

+

W+

D

。其中只有過濾時間真正用于過濾。2間歇過濾機的生產(chǎn)能力第50頁,共97頁，2024年2月25日，星期天式中V——一個操作循環(huán)內(nèi)所獲得的濾液體積，m3；

Q——生產(chǎn)能力，m3/h；

T——一個循環(huán)時間。

T=

+

W+

D

如果以濾液量Q表示生產(chǎn)能力，則有第51頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

浸沒度ψ

：轉筒真空過濾機的轉筒表面浸入濾漿中的分數(shù)

以轉筒真空過濾機為例，轉筒在任何時候總有一部分表面浸沒在濾漿中進行過濾。

有效過濾時間θ：某一瞬時開始進入濾漿中的轉筒表面，經(jīng)過過濾區(qū)，最后從濾漿中出來，這一段時間為該表面旋轉一周的有效過濾時間。3連續(xù)過濾機的生產(chǎn)能力第52頁,共97頁，2024年2月25日，星期天由于轉筒式真空過濾機為恒壓操作，則有轉鼓每轉一周得到的濾液體積為：(V+Ve)2=KA2(θ+θe)

過濾時間

為:

假設轉鼓轉速為nr/min，則轉一周的時間為:T=60/n第53頁,共97頁，2024年2月25日，星期天按每小時計的濾液生產(chǎn)能力為：若忽略濾布阻力，則θe=0、Ve=0，則上式簡化為：

注意：提高轉速可增加生產(chǎn)能力，但若轉速太高，則每周期中過濾時間減至很短，濾餅層很薄，難于卸除，也不利于洗滌，而且功率消耗大，反而不經(jīng)濟。合適的轉速需由實驗確定，以得到合適厚度的濾餅，使成本最低。第54頁,共97頁，2024年2月25日，星期天例：用轉鼓真空過濾機過濾某種懸浮液，料漿處理量為20m3/h。已知每得1m3濾液可得濾餅0.04m3，要求轉筒的浸沒度為0.35，過濾表面上濾餅厚度不低于5mm?，F(xiàn)測得過濾常數(shù)為K=8×10-4m2/s，qe=0.01m3/m2。試求過濾機的過濾面積和轉筒的轉速。解：以1min為基準，v=0.04,

=0.35

第55頁,共97頁，2024年2月25日，星期天濾餅體積0.321×0.04=0.01284m3/min將n及

代入上式，得：A=2.771m2

n=0.927r/min第56頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

定義：沉降力場：重力、離心力。

在某種力場的作用下，利用分散物質(zhì)與分散介質(zhì)的密度差異，使之發(fā)生相對運動而分離的單元操作。

沉降操作分類：重力沉降、離心沉降。第三節(jié)

沉降第57頁,共97頁，2024年2月25日，星期天圖流體繞過顆粒的流動uFdFd與顆粒運動的方向相反

當流體相對于靜止的固體顆粒流動時，或者固體顆粒在靜止流體中移動時，由于流體的粘性，兩者之間會產(chǎn)生作用力，這種作用力通常稱為曳力（dragforce)或阻力。只要顆粒與流體之間有相對運動，就會產(chǎn)生阻力。對于一定的顆粒和流體，只要相對運動速度相同，流體對顆粒的阻力就一樣。一、顆粒運動時的阻力第58頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

ρ——流體密度；μ——流體粘度；

dp——顆粒的當量直徑；

A——顆粒在運動方向上的投影面積；

u——顆粒與流體相對運動速度。

——阻力系數(shù)，是雷諾數(shù)Re的函數(shù)，由實驗確定。顆粒所受的阻力Fd可用下式計算第59頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

層流區(qū)（斯托克斯Stokes區(qū)，10-4<Re<1）

注意：其中斯托克斯區(qū)的計算式是準確的，其它兩個區(qū)域的計算式是近似的。過渡區(qū)（艾侖Allen區(qū)，1<Re<103）湍流區(qū)（牛頓Newton區(qū)，103<Re<105）圖中曲線大致可分為三個區(qū)域，各區(qū)域的曲線可分別用不同的計算式表示為：第60頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

自由沉降（freesettling）：

單個顆粒在流體中沉降，或者顆粒群在流體中分散得較好而顆粒之間互不接觸互不碰撞的條件下沉降。

二、重力沉降

重力沉降(gravitysettling)：由地球引力作用而發(fā)生的顆粒沉降過程，稱為重力沉降。

1沉降速度

1.1球形顆粒的自由沉降

第61頁,共97頁，2024年2月25日，星期天根據(jù)牛頓第二定律，顆粒的重力沉降運動基本方程式應為:u重力

Fg阻力

Fd浮力

Fb

p為顆粒密度第62頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

隨著顆粒向下沉降，u逐漸增大，du/d

逐漸減少。

當u增到一定數(shù)值ui時，du/d

=0。顆粒開始作勻速沉降運動。上式表明：顆粒的沉降過程分為兩個階段：沉降速度（terminalvelocity）

：也稱為終端速度，勻速階段顆粒相對于流體的運動速度。

當du/d

=0時，令u=ut，則可得沉降速度計算式加速階段；勻速階段。第63頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

將不同流動區(qū)域的阻力系數(shù)分別代入上式，得球形顆粒在各區(qū)相應的沉降速度分別為：

層流區(qū)（Re<1）過渡區(qū)（1<Re<500）湍流區(qū)（500<Re<105）ut與dp有關。dp愈大，ut則愈大。層流區(qū)與過渡區(qū)中，ut還與流體粘度有關。液體粘度約為氣體粘度的50倍，故顆粒在液體中的沉降速度比在氣體中的小很多。第64頁,共97頁，2024年2月25日，星期天假設流體流動類型；計算沉降速度；計算Re，驗證與假設是否相符；如果不相符，則轉①。如果相符，OK!求沉降速度通常采用試差法。沉降速度的求法：

第65頁,共97頁，2024年2月25日，星期天例：計算直徑為95

m，密度為3000kg/m3的固體顆粒分別在20℃的空氣和水中的自由沉降速度。計算Re，核算流型：假設正確，計算有效。解：在20℃的水中：20℃水的密度為998.2kg/m3，粘度為1.005×10-3Pa

s

先設為層流區(qū)。

第66頁,共97頁，2024年2月25日，星期天1)顆粒直徑dp:2)連續(xù)相的粘度

：3)兩相密度差(

p-

)：2影響沉降速度的因素(以層流區(qū)為例)

4)

顆粒形狀非球形顆粒的形狀可用球形度

s

來描述。

s——球形度；S——顆粒的表面積，m2；Sp——與顆粒體積相等的圓球的表面積，m2。第67頁,共97頁，2024年2月25日，星期天假設顆粒運動的水平分速度與氣體的流速

u相同；停留時間

＝l/u沉降時間

t＝H/ut

顆粒分離出來的條件是

l/u≥H/utlHb凈化氣體含塵氣體u

ut降塵室的計算

第68頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

即：滿足L/u＝H/ut

條件的粒徑當含塵氣體的體積流量為Vs時，

u=Vs/Hb故與臨界粒徑dpc相對應的臨界沉降速度為utc=Vs/

blut≥Vs/lb則有或Vs≤

blut

臨界沉降速度utc是流量和面積的函數(shù)。臨界粒徑dpc（criticalparticlediameter）：能100％除去的最小粒徑。第69頁,共97頁，2024年2月25日，星期天當塵粒的沉降速度小，處于斯托克斯區(qū)時，臨界粒徑為一定粒徑的顆粒，沉降室的生產(chǎn)能力只與與底面積bl和utc有關，而與H無關。故沉降室應做成扁平形，或在室內(nèi)均勻設置多層隔板。氣速u不能太大，以免干擾顆粒沉降，或把沉下來的塵粒重新卷起。一般u不超過3m/s。由此可知：第70頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

當降塵室用水平隔板分為N層，則每層高度為H/N。水平速度u不變。此時：多層隔板降塵室示意圖

含塵氣體粉塵隔板凈化氣體塵粒沉降高度為原來的1/N倍；utc降為原來的1/N倍(utc=Vs/

bl)

；臨界粒徑為原來的

倍()；一般可分離20μm以上的顆粒。多層隔板降塵室排灰不方便。第71頁,共97頁，2024年2月25日，星期天例：用高2m、寬2.5m、長5m的重力降塵室分離空氣中的粉塵。在操作條件下空氣的密度為0.799kg/m3，粘度為2.53×10-5Pa·s，流量為5.0×104m3/h。粉塵的密度為2000kg/m3。試求粉塵的臨界直徑。解：與臨界直徑對應的臨界沉降速度為第72頁,共97頁，2024年2月25日，星期天假設流型屬于過渡區(qū)，粉塵的臨界直徑為校核流型故屬于過渡區(qū)，與假設相符。

第73頁,共97頁，2024年2月25日，星期天Vs≤

blut

1)計算ut：2)確定低面積和b,l：3)確定沉降距離H

已知含塵氣體的流量，粉塵的排放標準，氣固兩相的物理參數(shù)。沉降室的設計計算第74頁,共97頁，2024年2月25日，星期天沉聚（sedimentation）：懸浮液放在大型容器里，其中的固體顆粒在重力下沉降，得到澄清液與稠漿的操作。澄清：當原液中固體顆粒的濃度較低，而為了得到澄清液時的操作，所用設備稱為澄清器（clarifier）。增稠器（thickener）：從較稠的原液中盡可能把液體分離出來而得到稠漿的設備。

4懸浮液的沉聚

4.1增稠器

第75頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

如果以R為轉鼓半徑，則K值可作為衡量離心機分離能力的尺度。分離因素的極值與轉動部件的材料強度有關。

離心分離因素（separationfactor）K：離心力與重力比。

K=Rω

2/g三、

離心沉降（centrifugalsettling）

依靠離心力的作用，使流體中的顆粒產(chǎn)生沉降運動，稱為離心沉降。

1離心分離因數(shù)第76頁,共97頁，2024年2月25日，星期天顆粒在離心力場中沉降時，在徑向沉降方向上受力分析。若這三個力達到平衡，則有u離心力

Fc阻力

Fd浮力

Fb顆粒在離心力場中的受力分析2離心沉降速度

第77頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

注：在一定的條件下，重力沉降速度是一定的，而離心沉降速度隨著顆粒在半徑方向上的位置不同而變化。離心沉降速度：顆粒在徑向上相對于流體的速度，就是這個位置上的離心沉降速度。

在離心沉降分離中，當顆粒所受的流體阻力處于斯托克斯區(qū)，離心沉降速度為:

第78頁,共97頁，2024年2月25日，星期天旋風分離器是利用離心力作用凈制氣體的設備。

其結構簡單，制造方便；分離效率高；可用于高溫含塵氣體的分離；特點：結構：外圓筒；內(nèi)圓筒；錐形筒。3旋風分離器(cycloneseparator)第79頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

ui——進口氣流的流速，m/sB——入口寬度(沉降距離)，mN——氣流旋轉的圈數(shù)。

計算時通常取N=5。臨界粒徑：能夠100％除去的最小粒徑。

若在各種不同粒徑的塵粒中，有一種粒徑的塵粒所需沉降時間

I等于停留時間

，則該粒徑就是理論上能完全分離的最小粒徑，即臨界粒徑，用dpc表示。

設計計算

第80頁,共97頁，2024年2月25日，星期天標準旋風分離器的尺寸H1H2S

BD

D1hui第81頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

氣體通過旋風分離器的壓力損失，可用進口氣體動壓的某一倍數(shù)表示為：式中的阻力系數(shù)用下式計算：壓力損失第82頁,共97頁，2024年2月25日，星期天圓筒直徑一般為200～800mm，有系列尺寸。進口速度一般為15～20m/s。壓力損失約為1～2kPa。分離的顆粒直徑約為>5

m，dpc50=1~2

m。主要技術參數(shù)第83頁,共97頁，2024年2月25日，星期天例：溫度為20℃，壓力為0.101Mpa，流量為2.5m3/s的含塵空氣，用標準旋風分離器除塵。粉塵密度為2500kg/m3，試計算臨界粒徑。選擇合適的旋風分離器，使之能100%的分離出6.5

m以上的粉塵。并計算壓損。解：

20℃，0.101Mpa時空氣的：

=1.21kg/m3，

=1.81×10-5Pa

s1、確定進口氣速：ui=20m/s(15-20m/s)2、計算D和b：流量V=Aui=Bhu

B=D/5,h=3D/5

2.5=(D/5)×(3D/5)×20D=1.041m

取D=1100mm

旋風分離器的選用第84頁,共97頁，2024年2月25日，星期天此時3、

求dpc

第85頁,共97頁，2024年2月25日，星期天4、求

p5、

求D，使dpc=6.5

m第86頁,共97頁，2024年2月25日，星期天B=0.175，D=5B，h=3D/5=3B=0.525，取ui=17m/sx=1.6，取x=2D=5B=0.875，取D=800mm6、

校核所以，所選分離器適用。由

V=bhu，b=D/5，h=3D/5，得第87頁,共97頁，2024年2月25日，星期天由于分離器各部分的尺寸都是D的倍數(shù)，所以只要進口氣速ui相同，不管多大的旋風分離器，其壓力損失都相同。壓力損失相同時，小型分離器的b=D/5值較小，則小型分離器的臨界粒徑較小。旋風分離器的使用

第88頁,共97頁，2024年2月25日，星期天灰塵凈化氣體含塵氣體結構

濾袋、骨架、機殼、清灰裝置、灰斗、排灰閥。2.工作過程含塵氣體進入袋濾器；氣體通過濾袋，經(jīng)頂部排出；灰塵被截留；聚集一定厚度灰塵后，壓縮空氣通入，濾袋振動，灰塵落下；灰塵經(jīng)過排灰閥排除。

壓縮空氣骨架濾袋機殼清灰裝置排灰閥灰斗清灰原則及時清灰；不徹底清灰。袋濾器

第89頁,共97