机械分离和固体流态化

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1、第三章 非均相混合物分离教学教学教学教学内容内容内容内容3-03-0概述概述概述概述3-13-1沉降过程沉降过程沉降过程沉降过程3-23-2颗粒及颗粒颗粒及颗粒颗粒及颗粒颗粒及颗粒 床层的特性床层的特性床层的特性床层的特性3-33-3过滤过滤过滤过滤复习复习复习复习 通过本章学习，掌握沉降、过滤等过程的原理、计算方法、典型设备的结构特性，能够根据生产工艺的要求，合理选择设备。学习目的1 1教学要求重重重重 点点点点：沉沉沉沉降降降降速速速速率率率率的的的的计计计计算算算算；过过过过滤滤滤滤基基基基本本本本方方方方程程程程及及及及恒恒恒恒压压压压过过过过滤滤滤滤计计计计算。算。算。算。覆覆覆覆盖

2、盖盖盖内内内内容容容容：颗颗颗颗粒粒粒粒及及及及颗颗颗颗粒粒粒粒群群群群的的的的性性性性质质质质（体体体体积积积积、表表表表面面面面积积积积、比比比比表表表表面面面面积积积积、空空空空隙隙隙隙率率率率及及及及平平平平均均均均自自自自由由由由截截截截面面面面积积积积）；沉沉沉沉降降降降的的的的基基基基本本本本概概概概念念念念（重重重重力力力力沉沉沉沉降降降降、离离离离心心心心沉沉沉沉降降降降、自自自自由由由由沉沉沉沉降降降降和和和和干干干干扰扰扰扰沉沉沉沉降降降降）；沉沉沉沉降降降降速速速速度度度度的的的的计计计计算算算算；旋旋旋旋风风风风分分分分离离离离器器器器的的的的性性性性能能能能参参参参

3、数数数数（临临临临界界界界直直直直径径径径、分分分分离离离离效效效效率率率率、粒粒粒粒级级级级率率率率、分分分分割割割割直直直直径径径径）；降降降降沉沉沉沉室室室室的的的的结结结结构构构构与与与与设设设设计计计计，旋旋旋旋风风风风分分分分离离离离器器器器的的的的结结结结构构构构特特特特点点点点分分分分离离离离原原原原理理理理及及及及设设设设计计计计方方方方法法法法。过过过过滤滤滤滤操操操操作作作作的的的的基基基基本本本本概概概概念念念念，过过过过滤滤滤滤基基基基本本本本方方方方程程程程及及及及计计计计算算算算（滤滤滤滤液液液液量量量量、过过过过滤滤滤滤时时时时间间间间、洗洗洗洗涤涤涤涤时时时时

4、间间间间和和和和生生生生产产产产能能能能力力力力）；常常常常用用用用过过过过滤滤滤滤设设设设备备备备（板板板板筐筐筐筐压压压压滤滤滤滤机机机机、叶叶叶叶滤滤滤滤机机机机和和和和回回回回转转转转真真真真空空空空过过过过滤滤滤滤机机机机）的的的的结结结结构构构构特特特特点点点点；过过过过滤滤滤滤常常常常数数数数的的的的测测测测定方法定方法定方法定方法。2 21、混合物分类、混合物分类 3.0 概述概述a.均相物系：物系内部各处物料性质均匀，无相界面。均相物系：物系内部各处物料性质均匀，无相界面。 如溶液、混合气体。需用传质分离方法进行分离。如溶液、混合气体。需用传质分离方法进行分离。b.非均相物系

5、非均相物系：物系内部有明显的相界面，界面两侧：物系内部有明显的相界面，界面两侧 物料有不同的性质。如气固混合物、液固混合物料有不同的性质。如气固混合物、液固混合 物。用物。用机械分离机械分离方法进行分离。方法进行分离。2、连续相（分散介质）、连续相（分散介质） 在非均相物系内，处于连续状态的物质，又称为分在非均相物系内，处于连续状态的物质，又称为分散介质。如气固混合物中的气体为连续相。散介质。如气固混合物中的气体为连续相。3、分散相（分散物质）、分散相（分散物质） 非均相物系内部，处于分散状态的物质，称为分散相，非均相物系内部，处于分散状态的物质，称为分散相，又称为分散物质。如气固混合物中的固

6、体。又称为分散物质。如气固混合物中的固体。3 3（1） 回收有价值的分散物质（如气流夹带的催化剂颗粒）回收有价值的分散物质（如气流夹带的催化剂颗粒）（2 ）净化分散介质以满足生产工艺要求（如催化反应原料气中带）净化分散介质以满足生产工艺要求（如催化反应原料气中带有的杂质，需要净化除掉，以免降低催化剂效果）。有的杂质，需要净化除掉，以免降低催化剂效果）。（3） 环境保护和安全生产。环境保护和安全生产。4、分离非均相混合物的目的：、分离非均相混合物的目的：5、机械分离方法：、机械分离方法： 利用非均相混合物中两相的物理性质（如密度、颗粒利用非均相混合物中两相的物理性质（如密度、颗粒形状、尺寸等）的

7、差异，使两相之间发生相对运动而使形状、尺寸等）的差异，使两相之间发生相对运动而使其分离。其分离。（1）沉降：当固体颗粒相对较大时采用。分为重力）沉降：当固体颗粒相对较大时采用。分为重力沉降和离心沉降。沉降和离心沉降。（2）过滤：一般分离）过滤：一般分离液固混合物液固混合物。4 4（3）袋滤：粒径）袋滤：粒径1m左右。左右。（4）电除尘：粒径）电除尘：粒径1m以下。以下。3.1 重力沉降重力沉降一、沉降的概念一、沉降的概念1、沉降：在、沉降：在某种力某种力的作用下，利用分散相与连续相间的作用下，利用分散相与连续相间的的密度差异密度差异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。，使之发生相对运动而实

8、现分离的操作过程。当作用力为重力时，称为重力沉降；当作用力是惯性离当作用力为重力时，称为重力沉降；当作用力是惯性离心力时，称为离心沉降。心力时，称为离心沉降。3、干扰沉降：分散物质浓度相对较大，颗粒间的、干扰沉降：分散物质浓度相对较大，颗粒间的作用力不能忽略，相互间受到干扰。对于干扰沉降作用力不能忽略，相互间受到干扰。对于干扰沉降速度的计算，可先计算自由沉降速度，再通过经验速度的计算，可先计算自由沉降速度，再通过经验法则修正。法则修正。2、自由沉降：分散物质浓度小，颗粒之间或颗粒、自由沉降：分散物质浓度小，颗粒之间或颗粒与器壁之间的距离很大，使颗粒间互不影响。与器壁之间的距离很大，使颗粒间互不

9、影响。5 5二、沉降速度（指自由沉降）二、沉降速度（指自由沉降）1、流体与颗粒间的相对运动方式：、流体与颗粒间的相对运动方式：流体静止，颗粒运动；流体静止，颗粒运动；流体运动，颗粒静止；流体运动，颗粒静止；流体运动，颗粒运动，但两者速度不同，产生相对流体运动，颗粒运动，但两者速度不同，产生相对运动，沉降速度指的是相对运动速度。运动，沉降速度指的是相对运动速度。2、沉降速度、沉降速度 将单个将单个球形球形颗粒置于静止的流颗粒置于静止的流体中，其受力情况如图所示：体中，其受力情况如图所示：F浮浮F阻阻F重重 开始，由于受力不平衡，颗粒开始，由于受力不平衡，颗粒沉降速度沉降速度，为加速阶段（时间，为

10、加速阶段（时间很短，可以忽略）；很短，可以忽略）； 当受力达平衡时，颗粒作匀速当受力达平衡时，颗粒作匀速运动，此时运动，此时F F重重F F浮浮F F阻阻，此匀速，此匀速运动速度即为沉降速度运动速度即为沉降速度u ut t。6 6对于球形颗粒，各项力计算如下：对于球形颗粒，各项力计算如下：7 78 8将各项力的计算式带入将各项力的计算式带入F重重F浮浮F阻阻，得：，得：重力沉降速度计算通式重力沉降速度计算通式 前已指出，阻力系数前已指出，阻力系数一般由一般由实验测实验测定，定，其测定结果其测定结果见书上见书上P145图图3-2。图中图中s s球形度，球形颗粒：球形度，球形颗粒： s19 9图3

11、-2 关系曲线 1010对于球形颗粒曲线，按对于球形颗粒曲线，按Ret值，值，大致分成三个区域：大致分成三个区域：a.b.c.说明：说明：阻力由两部分组成。一是由流体粘性引起的表面阻力由两部分组成。一是由流体粘性引起的表面摩擦力；二是由湍流边界层分离引起的形体阻力。摩擦力；二是由湍流边界层分离引起的形体阻力。在滞流区，阻力以表面摩擦力为主，随在滞流区，阻力以表面摩擦力为主，随Ret，粘性的影，粘性的影响响，在湍流区，主要以边界层分离引起的形体阻力为主。，在湍流区，主要以边界层分离引起的形体阻力为主。11113 3、影响沉降速度的的因素、影响沉降速度的的因素 当颗粒浓度较高时，颗粒间相互当颗粒浓

12、度较高时，颗粒间相互干扰。使大颗粒的实际沉降速度干扰。使大颗粒的实际沉降速度小于自由沉降速度；小颗粒的沉小于自由沉降速度；小颗粒的沉降速度增大。降速度增大。 由于壁面效应，实际沉降速由于壁面效应，实际沉降速度小于自由沉降速度。度小于自由沉降速度。在在Stokes区，器壁的影响：区，器壁的影响：（1）颗粒浓度）颗粒浓度（2）颗粒形状）颗粒形状球形度越小，沉降速度越小；颗粒的球形度越小，沉降速度越小；颗粒的位向对沉降速度也有影响。位向对沉降速度也有影响。（3）器壁效应）器壁效应1212三、沉降速度的计算三、沉降速度的计算1 试差法试差法2 摩擦数群法摩擦数群法已知：已知：1313 若要计算介质中具

13、有某一沉降速度 ut 的颗粒的直径d，可先令 查 曲线图，可求直径 d ，即14141515已知：已知：3 无因次数群判别法无因次数群判别法16164 由颗粒直径由颗粒直径d选公式计算选公式计算ut此法类似于此法类似于3。17171818三、重力沉降设备三、重力沉降设备1.降尘室降尘室 指借重力沉降从气流中指借重力沉降从气流中分离出尘粒的设备。分离出尘粒的设备。b要使颗粒能完全分离，则应满足：要使颗粒能完全分离，则应满足：由此可见：降尘室的生产能力只与由此可见：降尘室的生产能力只与沉降面积及沉降速度沉降面积及沉降速度有关，而与有关，而与降尘室降尘室高度无关高度无关。故一般设计成扁平形，或在室内

14、设置多层隔板。故一般设计成扁平形，或在室内设置多层隔板。1919构成多层降尘室构成多层降尘室。如图：。如图：对设置了对设置了n n层水平隔板的降尘室，其生产能力为：层水平隔板的降尘室，其生产能力为：（3-30a3-30a） 2020 降尘室的特点：降尘室的特点：多层降尘室虽能分离较细的颗粒且节省占地面积，多层降尘室虽能分离较细的颗粒且节省占地面积，但清灰比较麻烦。但清灰比较麻烦。 2121 3.2 3.2 离心沉降离心沉降 处理方法与重力沉降相同，公式形式也相同，只是处理方法与重力沉降相同，公式形式也相同，只是加速度不同。加速度不同。uT切向速度，切向速度，m/s2222比较结论：比较结论：离

15、心沉降速度离心沉降速度与与重力沉降速度有相似的关系；重力沉降速度有相似的关系；重力沉降速度重力沉降速度ut为常数，而离心为常数，而离心沉降速度沉降速度ur不为常数，受旋转不为常数，受旋转速度速度uT和半径和半径r的影响；的影响；离心沉降速度离心沉降速度ur不是绝对值，而是不是绝对值，而是绝对速度在径向上的分量，方向沿半径向外。绝对速度在径向上的分量，方向沿半径向外。对照重力场对照重力场则根据受力平衡，可推出：则根据受力平衡，可推出：aT离心加速度离心加速度 平平衡衡时时颗颗粒粒在在径径向向上上相相对对于于流流体体的的运运动动速速度度u ur r便便是它在此位置上的离心沉降速度：是它在此位置上的

16、离心沉降速度：2323二、离心分离因子二、离心分离因子Kc是离心分离设备的一个重要指标，要提高分离效率，是离心分离设备的一个重要指标，要提高分离效率，可使可使r，nn。2424三、离心沉降设备三、离心沉降设备 旋风分离器旋风分离器旋风分离器旋风分离器是利用惯性离心力的作用从气流中分离出尘粒的设备。是利用惯性离心力的作用从气流中分离出尘粒的设备。如图所示为标准旋风分离器，各结构见图。其外旋流的上部是主如图所示为标准旋风分离器，各结构见图。其外旋流的上部是主要的除尘区。要的除尘区。1.1.结构结构 图上部为圆筒形，图上部为圆筒形，下部为圆锥形，对于下部为圆锥形，对于标准旋风分离器各部标准旋风分离器

17、各部分的尺寸比例为：分的尺寸比例为：h=D/2；B=D/4；D1=D/2；H1=2D；H2=2D；S=D/8；D2=D/42525 气流从上部进口进入，受器壁约束向下作螺旋运气流从上部进口进入，受器壁约束向下作螺旋运动。颗粒在惯性离心力作用下被抛向器壁，由于碰撞动。颗粒在惯性离心力作用下被抛向器壁，由于碰撞和摩擦作用，使其丧失动能，掉落于灰斗。净化后的和摩擦作用，使其丧失动能，掉落于灰斗。净化后的气体在中心轴附近由下而上作螺旋运动，最后由顶部气体在中心轴附近由下而上作螺旋运动，最后由顶部排气管排出。排气管排出。2.工作原理工作原理由上而下的螺旋形气流由上而下的螺旋形气流外旋流；外旋流；由下而上

18、的螺旋形气流由下而上的螺旋形气流内旋流。内旋流。 内外旋流旋转方向相同，顺时针方向。但径向速度指向内外旋流旋转方向相同，顺时针方向。但径向速度指向不同：外旋流指向中心，内旋流指向器壁。不同：外旋流指向中心，内旋流指向器壁。2626几点假设：几点假设：a假设气体速度假设气体速度uT恒定，且等于进口气速恒定，且等于进口气速ui，ui=Vs/hB。b假假设设颗颗粒粒沉沉降降过过程程中中所所穿穿过过的的气气流流的的最最大大厚厚度度等等于于进进气口宽度气口宽度B，即颗粒向器壁沉降距离为，即颗粒向器壁沉降距离为B。c假假设设颗颗粒粒沉沉降降服服从从斯斯托托克克斯斯公公式式。s，旋旋转转半半径径rm取平均取

19、平均值值，rm=(R+re)/2。（1 1） 临界直径临界直径dc ：3. 3. 旋风分离器的性能旋风分离器的性能定义：理论上定义：理论上能能100%分离出来的最小颗粒的直径，用分离出来的最小颗粒的直径，用dc表示。很明显，表示。很明显，dc,旋风分离器性能越好。旋风分离器性能越好。其应满足：其应满足：计算公式：计算公式：2727 由上式可知，有利于降低由上式可知，有利于降低dc的因素：减小旋风分离器直的因素：减小旋风分离器直径径D；降低旋风分离器的操作温度；提高操作流速降低旋风分离器的操作温度；提高操作流速ui；增；增大颗粒密度大颗粒密度s；改变旋风分离器类型，增大有效圈数；改变旋风分离器类

20、型，增大有效圈数Ne。dc，分离效果更好，但有些因素有双重影响。，分离效果更好，但有些因素有双重影响。2828（2）旋风分离器的分离效率）旋风分离器的分离效率分离效率是衡量气流在旋风分离器内净化程度的指标。分离效率是衡量气流在旋风分离器内净化程度的指标。c1、c2 分分别别为为进进、出出口口气气体体中中颗粒的质量浓度颗粒的质量浓度(g/cm3)。 ci1、 ci2 分分别别为为进进、出出口口气气体体中中平平均均粒粒径为径为 di 的颗粒的质量浓度。的颗粒的质量浓度。g/cm3xi 为为进进口口气气体体中中粒粒径径为为 di 的的颗颗粒粒的的质质量分率。量分率。 由由于于0 易易测测定定，故故通

21、通常常工工业业上上用用总总效效率率表表示示旋旋风风分分离离器器的的效效率率。但但它它不不能能表表明明旋旋风风分分离离器器对对各各种种不不同同尺尺寸寸粒子的分离程度。粒子的分离程度。a.总效率总效率0：被旋风分离器除掉的总的颗粒质量占进口：被旋风分离器除掉的总的颗粒质量占进口含尘气体中全部颗粒质量的分率。含尘气体中全部颗粒质量的分率。b.分效率分效率pi（粒级效率）：入口气体中某一粒级（粒级效率）：入口气体中某一粒级di的颗的颗粒被旋风分离器除掉的分率。粒被旋风分离器除掉的分率。2929 粒级效率pi与粒径di的关系由实验测定，其测定结果常用曲线表示，称为粒级效率曲线。粒级效率曲线粒级效率曲线

22、3030 总效率与总效率与设备的操作性能设备的操作性能及及颗粒的粒度分布颗粒的粒度分布有关。有关。同一台设备、同样的操作条件和同样的颗粒进口浓度，同一台设备、同样的操作条件和同样的颗粒进口浓度，分离粗颗粒时的总效率远高于分离细尘粒。分离粗颗粒时的总效率远高于分离细尘粒。故粒级效率才能准确表达旋风分离器的工作性能。故粒级效率才能准确表达旋风分离器的工作性能。 工程上更多地采用工程上更多地采用分割直径分割直径 d50（粒级效率为（粒级效率为 50% 的颗的颗粒的直径）来评价旋风分离器的性能。粒的直径）来评价旋风分离器的性能。 该该参参数数可可以以更更多多地地反反映映旋旋风风分分离离过过程程特特征征

23、，所所以以粒粒级效率采用级效率采用 d50 为基本量进行表达，即为基本量进行表达，即 3131对对标准旋风分离器标准旋风分离器下图为下图为pid/d50曲曲线 pi(d/d50)曲线只与曲线只与旋风旋风分离器的类型分离器的类型有关，与器大有关，与器大小无关小无关。故用。故用d50求求pi比比较方便。方便。图图3-11 3-11 标准旋风分离器的标准旋风分离器的 曲线曲线 3232(3)旋风分离器的阻力损失旋风分离器的阻力损失 p pf f旋风分离器的特点：流量大、压头低。旋风分离器的特点：流量大、压头低。 摩擦阻力损失以及各个部位的局部阻力损失等。摩擦阻力损失以及各个部位的局部阻力损失等。有理

24、论或半理论式，但工程上主要采用经验公式：有理论或半理论式，但工程上主要采用经验公式： 阻阻力力系系数数 主主要要由由旋旋风风分分离离器器的的结结构构决决定定。同同一一结结构构型型式式、不不论论其其尺尺寸寸大大小小，阻阻力力系系数数 接接近近定定值值。标标准准旋旋风分离器风分离器 8.0 。 入口气速入口气速 ，分离效率，分离效率 ，但阻力，但阻力，不经济。，不经济。 压压降降一一般般控控制制在在 0.52kPa 左左右右(入入口口气气速速 1025m/s)，采采取取缩缩小小直直径径、多多台台并并联联的的方方式式满满足足分分离离效效率率与与大大流流量量的要求。的要求。 33334、影响旋风分离器

25、分离性能的因素（1）设备 D：D,dc,0,pf。 设备高H：H, 0, pf。 排气管管径D1：D1, 0, pf。（2）操作条件 ui,dc,0, pf。故适当提高流速有利于分离，但ui不宜过高，因为ui,导致涡流加剧，反而分离效率，而且pf。（3）颗粒s,d,0;含尘浓度c: c, 0（c，有利于颗粒的聚集）； c， pf（ c，可抑制气体涡流）。34345 5、旋风分离器的结构和形式旋风分离器的结构和形式 为为提提高高旋旋风风分分离离器器的的分分离离效效率率和和降降低低压压强强降降，在在旋旋风分离器的设计时主要考虑以下两方面：风分离器的设计时主要考虑以下两方面： 1) 1) 采用细而长

26、的器身采用细而长的器身 2) 2) 减小涡流的影响减小涡流的影响 采采用用带带有有旁旁路路分分离离室室或或采采用用异异形形进进气气管管的的旋旋风风分分离器可以改善上涡流的影响。离器可以改善上涡流的影响。 XLT/AXLT/A型型 XLP/BXLP/B型型 XLKXLK型型( (扩散式扩散式) ) 3535例：已知颗粒的分布情况如下：例：已知颗粒的分布情况如下：d di i( ( m)m)104040X Xi i(%)(%)10101010202020204040重重60，离离90，且沉降属于，且沉降属于Stokes区，区，现改改变流量，使流量，使V=0.5V，估，估计重重=?离离=?(假设首先

27、分离假设首先分离大颗粒）大颗粒）6.6.旋风分离器的选用旋风分离器的选用 首首先先应应根根据据系系统统的的物物性性，结结合合各各型型设设备备的的特特点点，选定旋风分离器的类型；选定旋风分离器的类型； 然然后后依依据据含含尘尘气气的的体体积积流流量量，要要求求达达到到的的分分离离效效率，允许的压力降计算决定旋风分离器的型号与个数。率，允许的压力降计算决定旋风分离器的型号与个数。 3636解：由题意知，重力沉降分离的临界直径解：由题意知，重力沉降分离的临界直径dc=30m，离心沉降分离的离心沉降分离的临临界直径界直径dc=10 m。重力沉降：重力沉降：3737结论：结论：u，离心沉降，离心沉降，重

28、力沉降，重力沉降。解释：这是因为对于重力沉降解释：这是因为对于重力沉降, ,u，停留时间，停留时间，故，故 ； 离心沉降，离心沉降，uT（=ui），惯性离心力），惯性离心力，故，故。38383.33.3过滤过滤 与沉降分离相比，过滤操作可使悬浮液的分离更迅速与沉降分离相比，过滤操作可使悬浮液的分离更迅速和彻底和彻底.一、一、 过滤操作的基本概念过滤操作的基本概念1.过滤：利用能让液体通过而不让固体通过的多孔介质分过滤：利用能让液体通过而不让固体通过的多孔介质分离离液固液固混合物的操作。混合物的操作。如图所示：如图所示：其中的多孔介质其中的多孔介质过滤介质；过滤介质；处理的混合液处理的混合液滤（

29、料）浆；滤（料）浆；通过多孔介质的液体通过多孔介质的液体滤液；滤液；截留的固体截留的固体滤饼（滤渣）滤饼（滤渣）3939实验室常见的过滤装置（一）实验室常见的过滤装置（一）实验室常见的过滤装置（一）实验室常见的过滤装置（一） 右图为实验室中常用的右图为实验室中常用的重力过滤的装置，主要元重力过滤的装置，主要元件包括玻璃制的锥形漏斗件包括玻璃制的锥形漏斗和白色圆形滤纸。和白色圆形滤纸。重力过滤重力过滤4040抽滤抽滤实验室常见的过滤装置（二）实验室常见的过滤装置（二）实验室常见的过滤装置（二）实验室常见的过滤装置（二）41412.2.过滤操作的推动力：重力、压力差、惯性离心力过滤操作的推动力：重

30、力、压力差、惯性离心力a)a)饼层过滤饼层过滤：3.过滤的两种方式过滤的两种方式 悬浮液置于过滤介质的一侧，固悬浮液置于过滤介质的一侧，固体物沉积于介质表面而形成滤饼层。体物沉积于介质表面而形成滤饼层。 对于饼层过滤，并不要求颗粒的对于饼层过滤，并不要求颗粒的直径完全大于介质孔道的直径，因直径完全大于介质孔道的直径，因此在过滤之初时，一些小的颗粒会此在过滤之初时，一些小的颗粒会深入孔道，迅速的在孔道中发生深入孔道，迅速的在孔道中发生“架架桥桥”现象，当现象，当“架桥架桥”好后，细小好后，细小颗粒颗粒也不能进入孔道而被截留于介质表也不能进入孔道而被截留于介质表面形成滤饼。很明显，过滤之初滤面形成

31、滤饼。很明显，过滤之初滤液会浑浊，但随着液会浑浊，但随着“架桥架桥”现象的现象的发生，滤液逐渐澄清。发生，滤液逐渐澄清。图图3-18 3-18 架桥现象架桥现象4242要求：颗粒浓度高（体积含量要求：颗粒浓度高（体积含量1以上）。以上）。 经历过程：经历过程：架桥现象架桥现象滤饼滤饼过滤过滤特点：真正起过滤作用的主要是滤饼而不是过滤介质；特点：真正起过滤作用的主要是滤饼而不是过滤介质；以饼层阻力为主。以饼层阻力为主。b) b) 深床过滤深床过滤（深层过滤（深层过滤 ） 当流体流过过滤介质时，颗粒附着当流体流过过滤介质时，颗粒附着于过滤介质内部。于过滤介质内部。特点：不形成滤饼；以介质阻力为主。

32、特点：不形成滤饼；以介质阻力为主。要求：颗粒浓度低（体积含量要求：颗粒浓度低（体积含量0.1以下）；以下）； 颗粒小。颗粒小。4343 工业生产所处理的悬浮液固体颗粒浓度往往较高，属于工业生产所处理的悬浮液固体颗粒浓度往往较高，属于饼层过滤，因此重点讨论饼层过滤。饼层过滤，因此重点讨论饼层过滤。4.过滤介质过滤介质 要求：要求：多孔性介质；多孔性介质；有足够的机械强度；有足够的机械强度；耐腐蚀、耐腐蚀、耐热、易得等。耐热、易得等。 应用于食品和生物制品过滤的介质还应考虑无毒，不应用于食品和生物制品过滤的介质还应考虑无毒，不易滋生微生物，易清洗消毒等。易滋生微生物，易清洗消毒等。工业用过滤介质主

33、要有：工业用过滤介质主要有：织物介质：能截流颗粒的最小直径为织物介质：能截流颗粒的最小直径为565 m（多用于饼（多用于饼层过滤）层过滤）.堆积介质：多种固体颗粒或非编织纤维堆积介质：多种固体颗粒或非编织纤维(多用于深床过滤中多用于深床过滤中)c)膜过滤膜过滤包括微孔过滤（包括微孔过滤（0.550 m)和超滤和超滤(0.0510 m)，可实现分子级过滤。可实现分子级过滤。4444多孔性固体介质：如素瓷板或管、烧结金属等；能拦截直多孔性固体介质：如素瓷板或管、烧结金属等；能拦截直径为径为13 m的小颗粒的小颗粒。不可压缩滤饼不可压缩滤饼可压缩滤饼可压缩滤饼 当当滤滤饼饼两两侧侧的的压压力力差差增

34、增大大时时，颗颗粒粒的的形形状状和和颗颗粒粒间间的的空空隙隙不不会会发发生生明明显显变变化化，单单位位厚厚度度床床层层的的流流动阻力可视作恒定。动阻力可视作恒定。 当当滤滤饼饼两两侧侧的的压压力力差差增增大大时时，颗颗粒粒的的形形状状和和颗颗粒粒间间的的空空隙隙会会有有明明显显的的改改变变，单单位位厚厚度度饼饼层层的的流动阻力随压力差增大而增大。流动阻力随压力差增大而增大。 5 5、滤饼的压缩性和助滤剂、滤饼的压缩性和助滤剂4545助滤剂：对于可压缩性滤饼，随着过滤过程的进行，阻助滤剂：对于可压缩性滤饼，随着过滤过程的进行，阻力力，故故推动力推动力，滤饼会变形，单位厚度饼层阻力滤饼会变形，单位

35、厚度饼层阻力，为了减少这种现象，常向滤饼中加入另一种物质，以形成为了减少这种现象，常向滤饼中加入另一种物质，以形成疏松坚固的骨架，使滤液得以畅流，所加的物质称为助滤疏松坚固的骨架，使滤液得以畅流，所加的物质称为助滤剂。剂。 本节主要讨论饼层过滤，对于饼层过滤，起过滤作用的本节主要讨论饼层过滤，对于饼层过滤，起过滤作用的主要是滤饼，滤饼是由众多固体颗粒堆积成的床层。故首主要是滤饼，滤饼是由众多固体颗粒堆积成的床层。故首先讨论颗粒床层的特性。先讨论颗粒床层的特性。二、颗粒床层的特性二、颗粒床层的特性1.单颗粒的特性单颗粒的特性 对颗粒床层流体通道有重要影响的单颗粒特性主要是颗对颗粒床层流体通道有重

36、要影响的单颗粒特性主要是颗粒的形状、体积粒的形状、体积V及表面积及表面积A。首先讨论特殊的球形颗粒。首先讨论特殊的球形颗粒。4646A.球形颗粒球形颗粒球形颗粒各特性可用统一的参数球形颗粒各特性可用统一的参数颗粒直径颗粒直径d表示。表示。B.非球形颗粒非球形颗粒 以某种特性相当的球形颗粒代表，相应的球的直径称以某种特性相当的球形颗粒代表，相应的球的直径称当量直径。当量直径。4747 描述颗粒特性的参数主要是颗粒的体积描述颗粒特性的参数主要是颗粒的体积V、表面积、表面积A及及比表面积比表面积a。等效的球形颗粒的当量直径。等效的球形颗粒的当量直径de应能反应实际应能反应实际颗粒在这些方面的特性。因

37、此相应定义不同的当量径。颗粒在这些方面的特性。因此相应定义不同的当量径。a.体积当量直径体积当量直径de：使当量球形颗粒的体积等于真实颗粒：使当量球形颗粒的体积等于真实颗粒 体积。体积。b.表面积当量直径表面积当量直径dS:使当量球形颗粒的表面积等于真实颗粒的表面积使当量球形颗粒的表面积等于真实颗粒的表面积Sp。c.比表面积当量直径比表面积当量直径da：使当量球形颗粒的比表面积等于实际颗粒的比表面积使当量球形颗粒的比表面积等于实际颗粒的比表面积a。4848 显然，显然，de，ds，da三者在数值上不等，但由各自的定义三者在数值上不等，但由各自的定义可推导出三者的关系。可推导出三者的关系。球形颗

38、粒，球形颗粒，s=1s=1；非球形颗粒，；非球形颗粒， sdi , dpi 5353如果相邻两号筛孔直径无限接近，则矩形数目无限增多，而每个矩形的面积无限缩小并趋近一条直线。将这些直线的顶点连接起来，可得到一条光滑的曲线，称为频率函数曲线。曲线上任一点的纵坐标 fi称为粒径为dpi 的颗粒的频率函数。频率函数曲线有两个重要特性：.在一定粒度范围内的颗粒占全部颗粒的质量分率等于该粒度范围内频率函数曲线下的面积；原则上讲，粒度为某一定值的颗粒的质量分率为零。.频率函数曲线下的全部面积等于 1。分布函数与频率函数的关系5454B.平均直径平均直径 虽然颗粒群有某种粒度分布，但为了简单起见，常用某当虽

39、然颗粒群有某种粒度分布，但为了简单起见，常用某当量直径代替。需指明，任何一个当量直径都不能全面代表量直径代替。需指明，任何一个当量直径都不能全面代表一个分布函数，而只能在某一侧面与原分布函数等效。一个分布函数，而只能在某一侧面与原分布函数等效。 本章涉及的过滤，颗粒尺寸小，流体在颗粒内的流动很本章涉及的过滤，颗粒尺寸小，流体在颗粒内的流动很慢，故流动阻力主要由颗粒内固体表面积决定，而颗粒形慢，故流动阻力主要由颗粒内固体表面积决定，而颗粒形状影响小（局部阻力小），所以以比表面积等效作为准则状影响小（局部阻力小），所以以比表面积等效作为准则来确定颗粒群的平均直径。来确定颗粒群的平均直径。5555式

40、中：式中：dpa-平均比表面积直径，平均比表面积直径，m； xi-dpi粒径段内颗粒的质量分率粒径段内颗粒的质量分率5656B. 床层空隙率床层空隙率3.固定床的特性固定床的特性p140A.固定床：由众多颗粒堆积成的静止床层。固定床：由众多颗粒堆积成的静止床层。定义：定义：影响空隙率影响空隙率的因素：的因素：不同颗粒：不同颗粒：不同填充方式：湿法填充不同填充方式：湿法填充振动填充振动填充湿法填充：先在设备内充以液体，再将颗粒倒入设备湿法填充：先在设备内充以液体，再将颗粒倒入设备内，颗粒所受冲击力小，填充相对较松，内，颗粒所受冲击力小，填充相对较松，相对较大。相对较大。振动填充：设备受到振动的情

41、况下将颗粒注入，因此振动填充：设备受到振动的情况下将颗粒注入，因此填充相对较紧密，填充相对较紧密，相对小一些。相对小一些。壁效应的影响壁效应的影响5757D.床层的比表面积床层的比表面积abE. 单位体积床层（不是颗粒）具有的颗粒表面积。单位体积床层（不是颗粒）具有的颗粒表面积。即颗粒与流体接触的表面积。即颗粒与流体接触的表面积。当忽略颗粒之间接触面积的影响时，有：当忽略颗粒之间接触面积的影响时，有： 指颗粒碰到器壁而反弹，从而使指颗粒碰到器壁而反弹，从而使分布不均匀。靠近分布不均匀。靠近壁面附近的孔隙率大于中间的，这种情况对传热传质不利。壁面附近的孔隙率大于中间的，这种情况对传热传质不利。C

42、.床层的平均自由截面积床层的平均自由截面积A0定义：定义：上式推导过程如下：上式推导过程如下：5858床层的比表面积也可用颗粒的堆积密度估算，即 颗粒的堆积密度颗粒的真实密度5959三、流体通过固定床的流动三、流体通过固定床的流动目的：找流动阻力与流速的关系。目的：找流动阻力与流速的关系。1.流体通过颗粒床层的流动特点：流体通过颗粒床层的流动特点：流道曲折且相互交联，即流道不规则；流道曲折且相互交联，即流道不规则；对过滤而言，由于流道不规则，因而细小密集的颗粒对过滤而言，由于流道不规则，因而细小密集的颗粒对滤液的流动产生较大的阻力。对滤液的流动产生较大的阻力。2.阻力产生的原因：阻力产生的原因

43、：流道突变，流体对颗粒的碰撞。但对过滤而言，由于流道突变，流体对颗粒的碰撞。但对过滤而言，由于u很小，故这部分阻力很小，可以忽略。很小，故这部分阻力很小，可以忽略。流体的内摩擦。流体的内摩擦。了解了固定床的特点，知道阻力产生的原因及主要原因，了解了固定床的特点，知道阻力产生的原因及主要原因，可以采用数学模型法来解决问题。可以采用数学模型法来解决问题。6060颗粒床层中不规则的通道长度 l、管径de的平行细管3.模型的建立：思路：用一组平行的细管代替复杂的不规则流道，如下图。对细管的要求：管道截面积=床层中孔的截面积管道总表面积=床层孔的表面积细管容积=床层孔容积。A11226161我们的目的是

44、找我们的目的是找pc与与u的关系，因此就的关系，因此就该用固定床的特用固定床的特性代替式中的性代替式中的u1，l，de。6262K模型参数模型参数 对上述床层的简化处理只是一种假定，其有效性应通过对上述床层的简化处理只是一种假定，其有效性应通过实验检验。康采尼对此进行了实验研究，证明了模型的有实验检验。康采尼对此进行了实验研究，证明了模型的有效性，且确定出模型参数效性，且确定出模型参数K5.0，称为康采尼常数。，称为康采尼常数。63631.1.过滤速率与过滤速率与过滤速度过滤速度过滤速率过滤速率dV/d ：单位时间内获得的滤液体积。单位时间内获得的滤液体积。m3/s, 过滤速度过滤速度u：指单

45、位时间通过单位截面面积的滤液体积，：指单位时间通过单位截面面积的滤液体积，m/s。即过滤速度是单位过滤面积上的过滤速率。即过滤速度是单位过滤面积上的过滤速率。用公式表示如下：用公式表示如下：四、过滤基本方程四、过滤基本方程64642.2.滤饼的阻力滤饼的阻力r r滤饼的比阻滤饼的比阻1/m1/m2 2，反映了颗粒形状、反映了颗粒形状、尺寸及床层的空隙率对滤液流动的影响，尺寸及床层的空隙率对滤液流动的影响，为单位厚度床层的阻力，单位为单位厚度床层的阻力，单位1/m2。则滤饼的阻力：则滤饼的阻力：65653.3.过滤介质的阻力过滤介质的阻力 过滤介质的阻力一般较小，但有时不可忽略，特别是过滤介质的

46、阻力一般较小，但有时不可忽略，特别是在过滤初始滤饼层较薄的期间。在过滤初始滤饼层较薄的期间。 由于滤饼和过滤介质分界处的压强很难确定，因此常将由于滤饼和过滤介质分界处的压强很难确定，因此常将过滤介质与滤饼联合起来考虑。由等比定律得：过滤介质与滤饼联合起来考虑。由等比定律得： 一一定定操操作作条条件件下下，以以一一定定介介质质过过滤滤一一定定悬悬浮浮液液时时，L Le e为为定定值；但同一介质在过滤不同悬浮液的操作中，值；但同一介质在过滤不同悬浮液的操作中，L Le e值不同。值不同。66664.4.过滤基本方程式过滤基本方程式为了计算的方便，将上式继续变形。为了计算的方便，将上式继续变形。 对

47、可压缩性滤饼，对可压缩性滤饼，随随p p变化，变化，r r也将发生变化，常用也将发生变化，常用以下经验式估算。以下经验式估算。同理有同理有: :6767令令q:单位过滤面积所得滤液体积；单位过滤面积所得滤液体积；qe:单位过滤面积所得当量滤液体积。单位过滤面积所得当量滤液体积。6868则有：则有：6969 特点：过滤操作是在恒定压强差下进行的。随特点：过滤操作是在恒定压强差下进行的。随着操作的进行，滤饼不断变厚，致使过滤阻力逐渐着操作的进行，滤饼不断变厚，致使过滤阻力逐渐增加，但推动力不变，因而过滤速率逐渐变小。增加，但推动力不变，因而过滤速率逐渐变小。五、恒压过滤方程五、恒压过滤方程7070

48、边界条件：边界条件：过滤时间过滤时间滤液体积滤液体积过滤前过滤前0e0Ve过滤后过滤后e+eVeV+ Ve则过滤前有则过滤前有7171过滤时有：过滤时有：7272过滤常数过滤常数 介质常数介质常数 由实验测定由实验测定 六、六、 恒速过滤和先恒速后恒压过滤恒速过滤和先恒速后恒压过滤特点：过滤速率为常数，随特点：过滤速率为常数，随 ，L,L,p,p,K K不为常数不为常数1.1.恒速过滤恒速过滤7373 对不可压缩滤饼进行恒速过滤时，其压强差随着过滤对不可压缩滤饼进行恒速过滤时，其压强差随着过滤时间成直线增高。时间成直线增高。 实际上很少采用把恒速过滤进行到底的操作方法，而实际上很少采用把恒速过

49、滤进行到底的操作方法，而是采用先恒速后恒压的复合过滤操作方法。是采用先恒速后恒压的复合过滤操作方法。对不可压缩滤饼，对不可压缩滤饼，令：令：于是于是74742.2.先恒速后恒压过滤先恒速后恒压过滤恒速过滤的时间为恒速过滤的时间为 R，得滤液得滤液VR。恒速段：恒速段：注意：注意：V,指恒速、恒指恒速、恒压过滤总压过滤总的的滤滤液体液体积积和和总总的的过过 滤时间滤时间。 V-VR, - R指恒压阶段所得的滤液体积及恒指恒压阶段所得的滤液体积及恒 压阶段过滤时间。压阶段过滤时间。7575先恒速后恒压操作，V,p,过滤速率随时间的变化关系七、过滤常数的测定1.恒压下K、（Ve) qe、e的测定RV

50、 (dV/d ) P V7676为了便于测定为了便于测定7777123qq1q2q3qq1q1+q2q1+ q2+q3/q将以上数据作图，如下将以上数据作图，如下由斜率由斜率2/KK由截距由截距2qe/Kqe78782. S2. S、k k的测定的测定七、过滤设备七、过滤设备按操作方式分：间歇性过滤机和连续性过滤机。按操作方式分：间歇性过滤机和连续性过滤机。按推动力分：压滤过滤机；吸滤过滤机；离心过滤机。按推动力分：压滤过滤机；吸滤过滤机；离心过滤机。1.1.板板框过滤机框过滤机 由许多带有凹凸纹路的滤板和滤框交替排列于机架上组由许多带有凹凸纹路的滤板和滤框交替排列于机架上组装而成。见下页图。

51、装而成。见下页图。滤框、滤板（洗涤板、过滤板）滤框、滤板（洗涤板、过滤板）79798080 为了便于区别，通常在板、框外铸有小钮。过滤板为了便于区别，通常在板、框外铸有小钮。过滤板为一钮（为一钮（1），框为二钮（），框为二钮（2），洗涤板为三钮（），洗涤板为三钮（3）。）。板框在机架上的组装顺序为板框在机架上的组装顺序为12321232181818282至下页注意板框过滤机各代号及数字的意义p179。8383 由此可见，洗水的由此可见，洗水的路径是滤浆的路径是滤浆的2倍，横倍，横穿面积是过滤时的穿面积是过滤时的1/2。称为。称为横穿洗涤横穿洗涤法。法。板框过滤机每一周期经历的步骤：板框过滤机每

52、一周期经历的步骤：装合装合过滤过滤（洗涤）（洗涤） 卸饼卸饼清洗滤布。清洗滤布。8484返回板框过滤机的滤板，滤框和过滤过程板框过滤机的滤板，滤框和洗涤过程12321横穿洗涤法洗水进口洗水出口85852.2.加压叶滤机加压叶滤机属加压间歇式操作，但属于属加压间歇式操作，但属于置换置换洗涤洗涤，即洗水路径与滤液相同，即洗水路径与滤液相同，Lw=L。86863.转筒真空过滤机回转筒真空过滤机及分配头结构1转筒；2滤饼；3割刀；4分配头 5吸走滤液的真空凹槽；6吸走洗水的真空凹槽；7通入压缩空气的凹槽I过滤区；II洗涤脱水区；III卸渣区1.结构87872 2 操作特点操作特点8888特点：特点：在

53、过滤终了进行洗涤，此时滤饼厚度不变，在过滤终了进行洗涤，此时滤饼厚度不变，洗涤推动力洗涤推动力 p p不变，等于过滤终了时的推动力。洗不变，等于过滤终了时的推动力。洗涤速度为常数涤速度为常数 。八、八、 滤饼的洗涤及过滤机的生产能力滤饼的洗涤及过滤机的生产能力1.洗涤洗涤A.目的：回收滞流在滤饼中的滤液；净化滤饼。目的：回收滞流在滤饼中的滤液；净化滤饼。B.洗涤速率及时间洗涤速率及时间洗涤速率：单位时间消耗的洗水容积。用洗涤速率：单位时间消耗的洗水容积。用(dv/d)w表示。表示。8989对板框：对板框：9090洗涤时间洗涤时间ww 对叶滤机、回转真空过滤机：对叶滤机、回转真空过滤机：即同样条

54、件下，板框的洗涤时间是叶滤机、回转真空过滤即同样条件下，板框的洗涤时间是叶滤机、回转真空过滤机的机的4倍倍。91912.生产能力生产能力QA.指一个生产周期指一个生产周期T所获得的滤液量。所获得的滤液量。m3/s，区别于过，区别于过 滤速率。滤速率。B.板框、叶滤机：板框、叶滤机：C.回转真空过滤机回转真空过滤机生产周期生产周期T：指转筒旋转一周所需的时间。单位：指转筒旋转一周所需的时间。单位：s。 要得到要得到Q的计算式，首先需找出一个生产周期所获得的滤的计算式，首先需找出一个生产周期所获得的滤液量液量V。92929393例例.在在3105Pa的压强差下对钛白粉在水中的悬浮液进行过的压强差下

55、对钛白粉在水中的悬浮液进行过滤实验，测得过滤常数滤实验，测得过滤常数K=5 10 5m2/S、qe=0.01m3/m2，又测得滤饼体积和滤液体积之比为又测得滤饼体积和滤液体积之比为v=0.08。现拟用有现拟用有38个个框的框的BMY50/810-25型的板框压滤机处理该料浆，过滤的型的板框压滤机处理该料浆，过滤的推动力及滤布与实验相同。求：推动力及滤布与实验相同。求：1）过滤至框内全部充满）过滤至框内全部充满滤饼所需要的时间；滤饼所需要的时间；2）过滤完毕，用）过滤完毕，用0.1倍滤液量的清水倍滤液量的清水进行洗涤。洗涤时间是多少；进行洗涤。洗涤时间是多少；3）若每次卸渣、重装等全）若每次卸渣

56、、重装等全部辅助操作时间为部辅助操作时间为15min，以滤饼计的每台过滤机的生产以滤饼计的每台过滤机的生产能力是多少。能力是多少。解：解：1）过滤时间）过滤时间94943）生产能力例：p203思考题（5），p202.10题9595复习1.基本概念颗粒特性（体积、表面积、比表面积、形状系数）、颗粒群的性质（筛分分析、分布函数、密度函数、平均直径、密度）、床层特性（空隙率、比表面积、各向同性）、沉降操作（重力沉降、离心沉降；自由沉降、干扰沉降；沉降速度及影响因素）；离心分离因素；旋风分离器的临界直径及影响因素降、分离效率、压降；尘室的特点；滤饼、料浆、滤液；饼层过滤与深层过滤；可压缩滤饼、不可压缩滤饼、助滤剂；过滤基本方程、比阻、过滤速率、恒压过滤、恒速过滤、先恒速后恒压过滤；滤饼洗涤、洗涤速率；板框压滤机、叶滤机、转筒真空过滤机的特点；生产能力及影响因素。2.仪器设备降尘室、旋风分离器、板框压滤机、液滤机、转筒真空过滤机等的结构特征、原理与选用。不同过滤的洗涤速率与恒压过滤终了速率间的关系、生产能力。9696基本公式基本公式沉降速度过滤过程的物料衡算恒压过滤方程：先恒速后恒压过滤方程9797洗涤时间间歇设备的生产能力转筒真空过滤机的生产能力9898