化工原理非均相分離

1、第 3 章 非均相物系的分離和固體流態(tài)化31 概述本章介紹利用流體力學(xué)原理 （ 顆粒與流體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng) ）實(shí)現(xiàn)非均相物系的 分離流態(tài)化及固體顆粒的氣力輸送等工業(yè)過程。1混合物的分類自然界的大多數(shù)物質(zhì)是混合物。 若物系內(nèi)部各處組成均勻且不存在相界面， 則 稱為均相混合物或均相物系， 溶液及混合氣體都是均相混合物。 由具有不同物理 性質(zhì) （如密度差別 ）的分散物質(zhì)和連續(xù)介質(zhì)所組成的物系稱為非均相混合物或非 均相物系。在非均相物系中， 處于分散狀態(tài)的物質(zhì)， 如分散于流體中的固體顆粒、 液滴或氣泡， 稱為分散物質(zhì)或分散相； 包圍分散物質(zhì)且處于連續(xù)狀態(tài)的物質(zhì)稱為 分散介質(zhì)或連續(xù)相。根據(jù)連續(xù)相的狀態(tài)，非均

2、相物系分為兩種類型： 氣態(tài)非均相物系，如含塵氣體、含霧氣體等； 液態(tài)非均相物系，如懸浮液、乳濁液及泡沫液等。2非均相混合物的分離方法 由于非均相物系中分散相和連續(xù)相具有不同的物理性質(zhì)， 故工業(yè)上一般都采 用機(jī)械方法將兩相進(jìn)行分離。 要實(shí)現(xiàn)這種分離， 必須使分散相與連續(xù)相之間發(fā)生 相對(duì)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)兩相運(yùn)動(dòng)方式的不同，機(jī)械分離可按下面兩種操作方式進(jìn)行。顆粒相對(duì)于流體 （靜止或運(yùn)動(dòng) ）運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)懸浮物系分離的過程稱為沉降 分離。實(shí)現(xiàn)沉降操作的作用力可以是重力，也可以是慣性離心力，因此，沉降過 程有重力沉降與離心沉降之分。流體相對(duì)于固體顆粒床層運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)固液分離的過程稱為過濾。 實(shí)現(xiàn)過濾 操作的外力可以

3、是重力、 壓強(qiáng)差或慣性離心力。 因此， 過濾操作又可分為重力過 濾、加壓過濾、真空過濾和離心過濾。氣態(tài)非均相混合物的分離， 工業(yè)上主要采用重力沉降和離心沉降方法。 在某 些場(chǎng)合，根據(jù)顆粒的粒徑和分離程度要求，也可采用慣性分離器、袋濾器、靜電 除塵器或濕法除塵設(shè)備 等，如表 3 1 所示。J此外，還可采用其他措施預(yù)先增大微細(xì)粒子的有效尺寸而后加以機(jī)械分離。 例如，使含塵或含霧氣體與過飽和蒸汽接觸，發(fā)生以粒子為核心的冷凝；又如， 將氣體引入超聲場(chǎng)內(nèi)， 使細(xì)粒碰撞并凝聚。 這樣，可使微細(xì)顆粒附聚成較大顆粒， 然后在旋風(fēng)分離器中除去。對(duì)于液態(tài)非均相物系， 根據(jù)工藝過程要求可采用不同的分離操作。 若要求

4、懸 浮液在一定程度上增濃， 可采用重力增稠器或離心沉降設(shè)備； 若要求固液較徹底 地分離，則要通過過濾操作達(dá)到目的；乳濁液的分離可在離心分離機(jī)中進(jìn)行。3非均相混合物分離的目的（1）收集分散物質(zhì) 例如收取從氣流干燥器或噴霧干燥器出來的氣體以及從 結(jié)晶器出來的晶漿中帶有的固體顆粒， 這些懸浮的顆粒作為產(chǎn)品必須回收； 又如 回收從催化反應(yīng)器出來的氣體中夾帶的催化劑顆粒以循環(huán)使用。（2）凈化分散介質(zhì) 某些催化反應(yīng)，原料氣中夾帶有雜質(zhì)會(huì)影響觸媒的效能，必須在氣體進(jìn)反應(yīng)器之前清除催化反應(yīng)原料氣中的雜質(zhì)，以保證觸媒的活性。（3）環(huán)境保護(hù)與安全生產(chǎn)為了保護(hù)人類生態(tài)環(huán)境，消除工業(yè)污染，要求對(duì)排放的廢氣、廢液中的有

5、害物質(zhì)加以處理，使其達(dá)到規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)；很多含碳 物質(zhì)或金屬細(xì)粉與空氣混合會(huì)形成爆炸物，必須除去這些物質(zhì)以消除爆炸的隱 患。機(jī)械分離操作涉及顆粒相對(duì)于流體以及流體相對(duì)于顆粒床層的流動(dòng)。同時(shí)， 在許多單元操作和化學(xué)反應(yīng)中經(jīng)常采用的流態(tài)化技術(shù)同樣涉及兩相間的流動(dòng)，它們都遵循流體力學(xué)的基本規(guī)律。本章重點(diǎn)討論沉降和過濾兩種機(jī)械分離操作的原 理、過程計(jì)算、典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)、特性和選型，同時(shí)簡要介紹流態(tài)化技術(shù)的基本 概念。3. 2顆粒及顆粒床層的特性顆粒與流體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)特性與顆粒本身的特性密切相關(guān)，因而首先介紹顆粒的有關(guān)性能。3. 2. 1顆粒的特性表述顆粒特性的主要參數(shù)為顆粒的形狀、大?。w積）和表面

6、積。1 .單一顆粒特性1）球形顆粒球形粒子通常用直徑（粒徑）表示其大小。球形顆粒的各有關(guān)特性均可用單一 的參數(shù)即直徑d全面表示。諸如：兀 3V = d6S =2a =6/d式中 d-顆粒直徑，m；V-球形顆粒的體積，m3;S-球形顆粒的表面積，m2;a比表面積（單位體積顆粒具有的表面積），m2/m3。2）非球形顆粒工業(yè)上遇到的固體顆粒大多是非球形的。 非球形顆?？捎卯?dāng)量直徑及形狀系 數(shù)來表示其特性。（1）體積當(dāng)量直徑 de當(dāng)量直徑是根據(jù)實(shí)際顆粒與球體某種等效性而確定 的。根據(jù)測(cè)量方法及在不同方面的等效性，當(dāng)量直徑有不同的表示方法。工程上, 體積當(dāng)量直徑應(yīng)用比較多。令實(shí)際顆粒的體積等于當(dāng)量球形顆

7、粒的體積，則體積當(dāng)量直徑定義為Vp =尹 de =3嚴(yán)式中 de體積當(dāng)量直徑，m ；Vp球形顆粒的實(shí)際體積，m3。(2)形狀系數(shù)形狀系數(shù)又稱球形度，它表征顆粒的形狀與球形的差異程度?？梢詫懗?* s Sp式中 S顆粒的形狀系數(shù)或球形度；Sp顆粒的表面積，m2;m2。S與該顆粒體積相等的圓球的表面積，由于體積相同時(shí)球形顆粒的表面積最小，因此，任何非球形顆粒的形狀系數(shù) 皆小于1。對(duì)于球形顆粒，s=1。顆粒形狀與球形差別愈大， S值愈低。對(duì)于非球形顆粒，必須有兩個(gè)參數(shù)才能確定其特征。通常選用體積當(dāng)量直徑 和形狀系數(shù)來表征顆粒的體積、表面積和比表面積，即兀 3Vp = de6Sp id；/sap =6

8、/Qde2. 顆粒群的特性工業(yè)中遇到的顆粒大多是由大小不同的粒子組成的集合體，稱為非均一性粒子或多分散性粒子；而將具有同一粒徑的顆粒稱為單一性粒子或單分散性粒子。1)粒度分布不同粒徑范圍內(nèi)所含粒子的個(gè)數(shù)或質(zhì)量， 即粒徑分布。可采用多種方法測(cè)量 多分散性粒子的粒度分布。對(duì)于大于 40 E的顆粒，通常采用一套標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行測(cè) 量。這種方法稱為篩分分析。泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩的目數(shù)與對(duì)應(yīng)的孔徑如表 32所示。當(dāng)使用某一號(hào)篩子時(shí)，通過篩孔的顆粒量稱為篩過量，截留于篩面上的顆粒 量則稱為篩余量。稱取各號(hào)篩面上的顆粒篩余量即得篩分分析的基本數(shù)據(jù)。 目前 各種篩制正向國際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO篩系統(tǒng)一。2)顆粒的平均粒徑顆粒平均直

9、徑的計(jì)算方法很多，其中最常用的是平均比表面積直徑。 設(shè)有一批大小不等的球形顆粒，其總質(zhì)量為G，經(jīng)篩分分析得到相鄰兩號(hào)篩之間的顆粒 質(zhì)量為Gi，篩分直徑（兩篩號(hào)篩孔的算術(shù)平均值）為di。根據(jù)比表面積相等原則, 顆粒群的平均比表面積直徑可寫為丄=送丄魚=送乞dadi Gdi或da =1/2乞di式中 da平均比表面積直徑，m;di篩分直徑，m;Xidi粒徑段內(nèi)顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。322顆粒床層的特性1. 床層空隙率由顆粒群堆積成的床層疏密程度可用空隙率來表示，其定義如下：床層體積-顆粒體積Z =床層體積53影響空隙率值的因素非常復(fù)雜，諸如顆粒的大小、形狀、粒度分布與充填 方式等。實(shí)驗(yàn)證明，單分散性球形

10、顆粒作最松排列時(shí)的空隙率為 0.48,作最緊密 排列時(shí)為0.26;亂堆的非球形顆粒床層空隙率往往大于球形的，形狀系數(shù)S值愈小，空隙率&值超過球形&的可能性愈大；多分散性顆粒所形成的床層空隙率 則較??；若充填時(shí)設(shè)備受到振動(dòng)，則空隙率必定小，采用濕法充填（即設(shè)備內(nèi)先充以液體），則空隙率必大。一般亂堆床層的空隙率大致在 0.470.70之間。2.床層的比表面積ab單位床層體積具有的顆粒表面積稱為床層的比表面積ab。若忽略之間接觸面積的影響，則ab = （1 - E a2 / 3m /m ;m /m ;式中：ab 床層比表面積， a 顆粒的比表面積，床層空隙率。床層比表面積也可根據(jù)堆積密度估算，即6P

11、bab dPs式中Pb、代分別為堆積密度和真實(shí) 密度，kg/m3, Pb和Ps之間的近似關(guān)系可用下式表示：Pb = （1 -名尸s3. 床層的自由截面積床層截面上未被顆粒占據(jù)的、流體可以自由通過的面積即為床層的自由截面 積。工業(yè)上，小顆粒的床層用亂堆方法堆成，而非球形顆粒的定向是隨機(jī)的，因 而可認(rèn)為床層是各向同性。各向同性床層的一個(gè)重要特點(diǎn)是，床層橫截面上可供 流體通過的自由截面（即空隙截面）與床層截面之比在數(shù)值上等于空隙率 &實(shí)際上，壁面附近床層的空隙率總是大于床層內(nèi)部的， 較多的流體必趨向近 壁處流過，使床層截面上流體分布不均勻， 這種現(xiàn)象稱為壁效應(yīng)。當(dāng)床層直徑 D 與顆粒直徑d之比D/d

12、較小時(shí)，壁效應(yīng)的影響尤為嚴(yán)重。323流體通過床層流動(dòng)的壓降固定床層中顆粒間的空隙形成可供流體通過的細(xì)小、 曲折、互相交聯(lián)的復(fù)雜 通道。流體通過如此復(fù)雜通道的流動(dòng)阻力很難進(jìn)行理論推算。本節(jié)采用數(shù)學(xué)模型 法進(jìn)行研究。1. 床層的簡化模型在保證單位床層體積表面積相等的細(xì)小而密集的固體顆粒床層具有很大的比表面積， 流體通過這樣床層的流動(dòng) 多為滯流，流動(dòng)阻力基本上為黏性摩擦阻力，從而使整個(gè)床層截面速度的分布均 勻化。為解決流體通過床層的壓降計(jì)算問題， 前提下，將顆粒床層內(nèi)實(shí)際流動(dòng)過程加以簡化，以便可以用數(shù)學(xué)方程式加以描述。簡化模型是將床層中不規(guī)則的通道假設(shè)成長度為L,當(dāng)量直徑為de的一組平行細(xì)管，并且規(guī)

13、定： 細(xì)管的全部流動(dòng)空間等于顆粒床層的空隙容積； 細(xì)管的內(nèi)表面積等于顆粒床層的全部表面積。在上述簡化條件下，以1 m3床層體積為基準(zhǔn)，細(xì)管的當(dāng)量直徑可表示為床 層空隙率&及比表面積ab的函數(shù)，即d eb_4咒床層流動(dòng)空間細(xì)管的全部內(nèi)表面積4S4呂ab(1 - E a2. 流體通過床層壓降的數(shù)學(xué)描述 根據(jù)前述簡化模型，流體通過一組平行細(xì)管流動(dòng)的壓降為I2Pf = 比 P de 2Pa;m; 速, m/s.Apf 流體通過床層的壓降， L 床層高度，m: deb 床層流道的當(dāng)量直徑， u1 流體在床層內(nèi)的實(shí)際流U1與按整個(gè)床層截面計(jì)算的空床流速u的關(guān)系uUi =s心Pf 0 - s a c 2L3

14、式312即為流體通過固定床壓降的數(shù)學(xué)模型， 式中的入為流體通過床層流 道的摩擦系數(shù)，稱為模型參數(shù)，其值由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。3. 模型參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定模型的有效性需通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，模型參數(shù)需實(shí)驗(yàn)測(cè)定。3. 3沉降分離在外力場(chǎng)作用下，利用分散相和連續(xù)相之間的密度差，使之發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而 實(shí)現(xiàn)非均相混合物分離的操作稱為沉降分離。顯然，實(shí)現(xiàn)沉降分離的前提條件是 分散相和連續(xù)相之間存在密度差，并且有外力場(chǎng)的作用。根據(jù)外力場(chǎng)的不同，沉 降分離分為重力沉降和離心沉降；根據(jù)沉降過程中顆粒是否受到其他顆粒或器壁 的影響而分為自由沉降和干擾沉降。沉降屬于流體相對(duì)于顆粒的繞流問題。液一固之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有三種情況： 流體靜止，顆粒

15、相對(duì)于流體作沉降或浮升運(yùn)動(dòng)； 固體顆粒靜止，流體對(duì)固體作繞 流；固體和流體都運(yùn)動(dòng)，但二者保持一定相對(duì)速度。只要相對(duì)速度相同，上述三種情況并沒本質(zhì)區(qū)別。本節(jié)從最簡單的沉降過程一一剛性球形顆粒的自由沉降入手，討論沉降速度 的計(jì)算，分析影響沉降速度的因素，介紹沉降設(shè)備的設(shè)計(jì)或操作原則 3. 3.1重力沉降在重力場(chǎng)中進(jìn)行的沉降過程稱為重力沉降。1 .沉降速度1）球形顆粒的自由沉降將表面光滑的剛性球形顆粒置于靜止的流體介質(zhì)中，如果顆粒的密度大于流體的密度，貝U顆粒將在流體中降落。此時(shí)，顆粒受到三個(gè)力的作用，即重力、浮力和阻力，如圖3 1所示。重力向下，浮力向上，阻力與顆粒運(yùn)動(dòng)的方向相反 （即向 上）。對(duì)

16、于一定的流體和顆粒，重力與浮力是恒定的，而阻力卻隨顆粒的降落速 度而變。令顆粒的密度為Ps,直徑為d,流體密度為p,則兀 3 c=d3PSg6 s兀 3Pg,Pu2Fd 阻力系數(shù)，量綱為1;A 顆粒在垂直于其運(yùn)動(dòng)方 向的平面上的投影面積，A= 4重力浮力阻力式中FgFbU顆粒相對(duì)于流體的降落 速度，m/s根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律可知，上面三個(gè)力的合力應(yīng)等于顆粒的質(zhì)量與加速度a的 乘積，即Fg Fb - Fd = maSul式中兀L tt 兀 2d(Ps-Pfe-rd264m 顆粒的質(zhì)量，a 加速度，ml& 時(shí)間，S.I 2丿 kg;2s ；兀 3 e du=6d sd9顆粒開始沉降的瞬間，速度u為

17、零，因此阻力Fd也為零，故加速度a具有最大 值。顆粒開始沉降后，阻力隨運(yùn)動(dòng)速度u的增加而相應(yīng)加大，直至u達(dá)到某一數(shù) 值ut后，阻力、浮力與重力達(dá)到平衡，即合力為零。質(zhì)量 m不可能為零，故只 有加速度a為零。此時(shí)，顆粒便開始作勻速沉降運(yùn)動(dòng)。由上面分析可見，靜止流體中顆粒的沉降過程可分為兩個(gè)階段，起初為加速段，后為等速段。由于小顆粒具有相當(dāng)大的比表面積，使得顆粒與流體間的接觸面積很大， 故阻力在很短時(shí)間內(nèi)便與顆粒所受的凈重力(重力減浮力)接近平衡。因而，經(jīng) 歷加速段的時(shí)間很短，在整個(gè)沉降過程中往往可以忽略。等速階段中顆粒相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度 ut稱為沉降速度。由于這個(gè)速度是 加速階段終了時(shí)顆粒相對(duì)

18、于流體的速度，故又稱為“終端速度”。當(dāng) a =0時(shí)，U = Ut,貝y4gd(Ps P)UtF 3 綁m/ s；m；式中Ut 顆粒的自由沉降速度， d 顆粒直徑，Ps，P分別為顆粒和流體的密 度，kg/m3; g 重力加速度，m/ S2.2. 阻力系數(shù)E用式3-20計(jì)算沉降速度時(shí)，首先需要確定阻力系數(shù)E值。通過量綱分析可知，E是顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)雷諾數(shù) Ret的函數(shù)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的綜合結(jié)果示于 圖3-2中。圖中雷諾數(shù)Ret的定義為Ret普由圖看出，球形顆粒的 可分別用相應(yīng)的關(guān)系式層流區(qū)或斯托克斯（Stokes）定律區(qū)（10 cRet 1）: -24Ret過渡區(qū)或艾侖（Allen）定律區(qū)（1 R

19、et 103）:戶 18.5湍流區(qū)或牛頓（Nuwton）定律區(qū)（10 =0.44顆粒在各區(qū)相應(yīng)的沉降速度公式，即dU-吆曲線（S =1）按Ret值大致分為三個(gè)區(qū)，各 區(qū)內(nèi)的曲線 表達(dá)。vRet C2X105):滯流區(qū)Ut過渡區(qū)Ut湍流區(qū)Ut18卩=0.27P；生 Rei06 = 1.74斯托克斯公式艾侖公式牛頓公式3）影響沉降速度的因素上面的討淪，都是針對(duì)表面光滑、剛性球形顆粒在流體中作自由沉降的簡單情況。 所謂自由沉降是指在沉降過程中，顆粒之間的距離足夠大，任一顆粒的沉降不因 其他顆粒的存在而受到干擾，以及可以忽略容器壁面的影響。單個(gè)顆粒在空間中的沉降或氣態(tài)非均相物系中顆粒的沉降都可視為自由

20、沉降。 如果分散相的體積分 率較高，顆粒間有顯著的相互作用， 容器壁面對(duì)顆粒沉降的影響不可忽略， 則稱 為干擾沉降或受阻沉降。 液態(tài)非均相物系中， 當(dāng)分散相濃度較高時(shí)， 往往發(fā)生干 擾沉降。下面討論實(shí)際沉降操作中影響沉降速度的因素。(1) 流體的黏度 在層流沉降區(qū)內(nèi)，由流體黏性引起的表面摩擦力占主要地 位。在湍流區(qū)， 流體黏性對(duì)沉降速度已無影響， 由流體在顆粒后半部出現(xiàn)的邊界 層分離所引起的形體阻力占主要地位。 在過渡區(qū)， 表面摩擦阻力和形體阻力二者 都不可忽略。在整個(gè)范圍內(nèi)，隨雷諾數(shù) Ret 的增大，表面摩擦阻力的作用逐漸減 弱，而形體阻力的作用逐漸增長。當(dāng)雷諾數(shù)Ret超過2x 105時(shí)，出

21、現(xiàn)湍流邊界層，此時(shí)反而不易發(fā)生邊界層分離，故阻力系數(shù)E值突然下降，但在沉降操作中很少達(dá)到這個(gè)區(qū)域。(2) 顆粒的體積分?jǐn)?shù) 前述各種沉降速度關(guān)系式中，當(dāng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)小于 0.2%時(shí)，理論計(jì)算值的偏差在 1%以內(nèi)。當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，由于顆粒間相 互作用明顯，便發(fā)生干擾沉降。(3) 器壁效應(yīng) 容器的壁面和底面均增加顆粒沉降時(shí)的曳力，使顆粒的實(shí)際 沉降速度較 自由沉降速度低。當(dāng)容器尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒尺寸時(shí) (例如在 100倍以上)，器壁效 應(yīng)可忽略，否則需加以考慮。(4) 顆粒形狀的影響同一種固體物質(zhì)， 球形或近球形顆粒比同體積非球形顆粒的沉降要快一些，非球形顆粒的形狀及其投影面積 A 均影響沉降

22、速度。需要指出，上述各區(qū)沉降速度關(guān)系式既可適用于顆粒密度ps大于流體密度P的沉降操作，也可適用于顆粒密度 P小于流體密度P的顆粒浮升運(yùn)動(dòng)。4)沉降速度的計(jì)算 計(jì)算在給定介質(zhì)中球形顆粒的沉降速度，可采用以下方法。(1) 試差法 根據(jù)式 3-24、式 3-25 及式 3-26 計(jì)算沉降速度 ut 時(shí)，需要預(yù)先 知道沉降雷諾數(shù)Ret值才能選用相應(yīng)的計(jì)算式。但是，ut為待求，Ret值也就為 未知。所以，沉降速度ut的計(jì)算需要用試差法，即先假設(shè)沉降屬于某一流型 (譬 如層流區(qū))，則可直接選用與該流型相應(yīng)的沉降速度公式計(jì)算 ut。然后按ut檢驗(yàn) Ret值是否在原設(shè)的流型范圍內(nèi)。如果與原設(shè)一致，則求得的 u

23、t有效。否則，按 算出的Ret值另選流型，并改用相應(yīng)的公式求ut,直到按求得ut算出的Ret值恰 與所選用公式的Ret值范圍相符為止。(2) 摩擦數(shù)群法該法是把圖 3-2 加以轉(zhuǎn)換，使兩個(gè)坐標(biāo)軸之一變成不包含ut的量綱為1的數(shù)群，進(jìn)而便可求得ut。+具體：E%3Put2.2 2 c2又Re2 =dA二k2令Re2相乘，便可消去ut,即卩壓2案巴=k呷匹尹=ERe2V一，、5 ”一=4K3342Y卩23由已知數(shù)據(jù)算出 牟e2值，再由ERe2-Ret曲線查得Ret，由Rq反算5值。如果要計(jì)算在一定介質(zhì) 中具有某一沉降速度ut的顆粒的直徑，也可用 類似的方法解決。2.重力沉降設(shè)備1)降塵室藉重力沉降

24、從氣流中分離出塵粒的設(shè)備稱為降塵室。(1)單層降塵室 最常見的單層降塵室如圖所示。凈化弐休含塵牡體:1*1凈化氣體 (b)塵粒4）降塵室厲）塵料在降塵室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)悄況便可從氣流中分離出來。顆粒在降塵室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情含塵氣體進(jìn)入降塵室后，因流道截面積擴(kuò)大而速度減慢，只要顆粒能夠在氣體通 過降塵室的時(shí)間內(nèi)降至室底， 況如圖所示。I 降塵室的長度，H 降塵室的高度， b 降塵室的寬度，m;m;m;U 氣體在降塵室的水平通 V 降塵室的生產(chǎn)能力（即則位于降塵室最高點(diǎn)的過速度，m / S；含塵氣通過降塵室的體 積流量），m3/s._ HUt顆粒沉降至室底需要的時(shí)間為0t氣體通過降塵室的時(shí)間為滿足除塵要求，氣體

25、9 耳或-U Ut0 =丄U在降塵室內(nèi)的停留時(shí)間至少需等于顆粒的沉降時(shí)間，即氣體在降塵室內(nèi)的水平通過速度為VsU =Hb單層降塵室的生產(chǎn)能力為VsblUt（2）多層降塵室理論上，降塵室的生產(chǎn)能力只與其沉降面積bl及顆粒的沉降速度Ut有關(guān)，與降塵室高度H無關(guān)，故降塵室應(yīng)設(shè)計(jì)成扁平形，或在室內(nèi)均 勻設(shè)置多層水平隔板，構(gòu)成多層降塵室，如圖所示。隔板間距一般為40100mm。I隔板2 *6調(diào)節(jié)閘閥3氣休分配逍4%怵集聚道5氣道7-榊灰口若降塵室設(shè)置n層水平隔板，則多層降塵室的生產(chǎn)能力變?yōu)閂s 珂n+1)blut降塵室結(jié)構(gòu)簡單，流動(dòng)阻力小，但體積龐大，分離效率低，通常只適用于分離粒 度大于50呵的粗顆粒

26、，一般作為預(yù)除塵使用。多層降塵室雖能分離較細(xì)的顆粒 且節(jié)省地面，但清灰比較麻煩。需要指出，沉降速度ut應(yīng)根據(jù)需要完全分離下來的最小顆粒尺寸計(jì)算。此 外，氣體在降塵室內(nèi)的速度不應(yīng)過高，一般應(yīng)保證氣體流動(dòng)的雷諾數(shù)處于層流區(qū), 以免干擾顆粒的沉降或把已沉降下來的顆粒重新?lián)P起。2)沉降槽沉降槽是用來提高懸浮液濃度并同時(shí)得到澄清液體的重力沉降設(shè)備。沉降槽又稱增濃器或澄清器。沉降槽可間歇操作或連續(xù)操作。間歇沉降槽通常為帶有錐底的圓槽，其中的沉降情況與間歇沉降試驗(yàn)時(shí)玻璃 筒內(nèi)的情況相似。需要處理的懸浮料漿在槽內(nèi)靜置足夠時(shí)間以后， 增濃的沉渣由 槽底排出，清液則由槽上部排出管抽出。料漿2471-進(jìn)料槽逍2轉(zhuǎn)動(dòng)

27、機(jī)構(gòu)：J料井4一溢詭糟5溢流6-葉片7-轉(zhuǎn)耙連續(xù)沉降槽是底部略成錐狀的大直徑淺槽， 料漿經(jīng)中央進(jìn)料口送到液面以下 0.3 1.0m處，在盡可能減小擾動(dòng)的條件下，迅速分散到整個(gè)橫截面上，液體向 上流動(dòng)，清液經(jīng)由槽頂端四周的溢流堰連續(xù)流出， 稱為溢流；固體顆粒下沉至底 部，槽底有徐徐旋轉(zhuǎn)的耙將沉渣緩慢地聚攏到底部中央的排渣口連續(xù)排出。排出的稠漿稱為底流。連續(xù)沉降槽的自徑，小者數(shù)米，大者可達(dá)數(shù)百米；高度為 2.5- 4m。有時(shí)將 數(shù)個(gè)沉降槽垂直疊放，共用一根中心豎軸帶動(dòng)各槽的轉(zhuǎn)耙。 這種多層沉降槽可以 節(jié)省地面，但操作控制較為復(fù)雜。連續(xù)沉降槽適用于處理量大而濃度不高且顆粒不甚細(xì)微的懸浮料漿，常見的污

28、水處理就是一例。經(jīng)過這種設(shè)備處理后的沉渣中還含有約 50 %的液體。沉降槽有澄清液體和增濃懸浮液的雙重功能。為了獲得澄清液體，沉降槽必 須有足夠大的槽截面積，以保證任何瞬間液體向上的速度小于顆粒的沉降速度。為了把沉渣增濃到指定的稠度，要求顆粒在槽中有足夠的停留時(shí)間。 所以沉降槽 加料口以下的增濃段必須有足夠的高度， 以保證壓緊沉渣所需要的時(shí)間。在沉降槽的增濃段中大都發(fā)生顆粒的干擾沉降，所進(jìn)行的過程稱為沉聚過 程。為了使給定尺寸的沉降槽獲得最大可能的生產(chǎn)能力，應(yīng)盡可能提高沉降速度。向懸浮液中添加少量電解質(zhì)或表面活性劑，使細(xì)粒發(fā)生“凝聚”或“絮凝”；改變一些物理?xiàng)l件（如加熱、冷凍或震動(dòng)），使顆粒的

29、粒度或相界面積發(fā)生變化， 這些都有利于提高沉降速度。沉降槽中裝置攪拌耙的作用，除能把沉渣導(dǎo)向排出 口外，還能減低非牛頓型懸浮物系的表觀黏度，并能促使沉淀物的壓緊，從而加速沉聚過程。攪拌耙的轉(zhuǎn)速應(yīng)選擇適當(dāng)，通常小槽耙的轉(zhuǎn)速為1 r/min，大槽的在0.1 r/min左右。3）分級(jí)器利用重力沉降可將懸浮液中不同粒度的顆粒進(jìn)行粗略的分離，或?qū)煞N不同密度的顆粒進(jìn)行分類，這樣的過程統(tǒng)稱為分級(jí)。實(shí)現(xiàn)分級(jí)操作的設(shè)備稱為分級(jí)器。附圖所示為一個(gè)雙錐分級(jí)器，利用它可將密度不同或尺寸不同的粒子混合物 分開?；旌狭Ｗ由喜考尤?，水經(jīng)可調(diào)錐與外壁的環(huán)形間隙向上流過。 沉降速度大 于水在環(huán)隙處上升流速的顆粒進(jìn)入底流，而沉

30、降速度小于該流速的顆粒則被溢流 帶出。I水及顆粒113.3.2離心沉降依靠慣性離心力的作用而實(shí)現(xiàn)的沉降過程稱為離心沉降。兩相密度差較小、顆粒粒度較細(xì)的非均相物系，在重力場(chǎng)中的沉降效率很低甚至完全不能分離，若改用離心沉降則可大大地提高沉降速度，設(shè)備尺寸也可縮小很多。通常，氣固非均相物系的離心沉降是在旋風(fēng)分離器中進(jìn)行， 液固懸浮物系一 般可在旋液分離器或沉降離心機(jī)中進(jìn)行。1.慣性離心力作用下的沉降速度當(dāng)流體圍繞某一中心軸作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)， 便形成了慣性離心力場(chǎng)。在與轉(zhuǎn)軸距 離為R、切向速度為Ut的位置上，慣性離心力場(chǎng)強(qiáng)度為Ut 2（即離心加速度）。顯 見，慣性離心力場(chǎng)強(qiáng)度不是常數(shù)，隨位置及切向速度而變

31、，其方向是沿旋轉(zhuǎn)半徑 從中心指向外周。重力場(chǎng)強(qiáng)度 g（即重力加速度）基本上可視作常數(shù)，其方向指向 地心。）。如果球形顆粒的直徑為d,密度為 R,切向速度為UT，則上述三個(gè)力分其方向?yàn)檠匕霃街赶蛑行?P顆粒與中心軸的距離為當(dāng)流體帶著顆粒旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果顆粒的密度大于流體的密度，則慣性離心力將 會(huì)使顆粒在徑向上與流體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而飛離中心。 與顆粒在重力場(chǎng)中受到三個(gè) 作用力相似，慣性離心力場(chǎng)中顆粒在徑向上也受到三個(gè)力的作用， 即慣性離心力、 向心力（與重力場(chǎng)中的浮力相當(dāng)，其方向?yàn)檠匕霃街赶蛐D(zhuǎn)中心）和阻力（與顆粒徑 向運(yùn)動(dòng)方向相反， e,流體密度為 別為慣性離心力2UtsJLq _= -d3P,6 R

32、2UtJI向心力=d3 p6 R阻力仝td2ful42三力達(dá)到平衡時(shí)，則22C 2u-d3 P 比-Ed2 理=042對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度訐 d3PR平衡時(shí)顆粒在徑向上相ur便是它在此位置上的離 心沉降速度。_ j4d(Ps-P)u；UrV 3P匕頁顆粒的離心沉降速度ur與重力沉降速度ut比較:1.相似性具有相似的計(jì)算關(guān)系式UtMd(Ps - P)V 頁離心力場(chǎng)強(qiáng)度j4d(Ps-P)廠重力場(chǎng)強(qiáng)度在離心沉降時(shí)，如果顆d2(Ps-P)U：=粒與流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)屬 于滯流，沉降速度也符合斯托克斯公式。UrUtIR丿1842不同點(diǎn) 沉降的方向不同 重力沉降是向下，顆粒 離心沉降是向外，顆粒 由于慣性離心力

33、隨旋轉(zhuǎn)向下。是背離旋轉(zhuǎn)中心。半徑而變化，Ur也隨顆粒的位置而變，ur本身不是一個(gè)恒定的數(shù)值，是個(gè)變量。而u(重力沉降速度)是不 變的，恒定的。分離因數(shù) 同一種顆粒在同種介質(zhì)中的離心沉降速度與重力沉降速度的比值。2K =比=且cUt gR即:顆粒所在位置上的慣性離心力場(chǎng)強(qiáng)度與重力場(chǎng)強(qiáng)度之比，稱為離心分離因數(shù)。 分離因數(shù)是離心分離設(shè) 備的重要指標(biāo)。2.旋風(fēng)分離器的操作原理旋風(fēng)分離器是利用慣性離心力的作用從氣流中分離出塵粒的設(shè)備。附圖所示是具有代表性的結(jié)構(gòu)類型，稱為標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器。主體的上部為圓筒形，下部為 圓錐形。各部件的尺寸比例均標(biāo)注于圖中。含塵氣體由圓筒上部的進(jìn)氣管切向進(jìn) 入，受器壁的約束向下

34、作螺旋運(yùn)動(dòng)。 在慣性離心力作用下，顆粒被拋向器壁而與 氣流分離，再沿壁面落至錐底的排灰口。凈化后的氣體在中心軸附近由下而上作 螺旋運(yùn)動(dòng)，最后由頂部排氣管排出。附圖的側(cè)視圖上描繪了氣體在器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情 況。通常，把下行的螺旋形氣流稱為外旋流，上行的螺旋形氣流稱為內(nèi)旋流(又稱氣芯）。內(nèi)、外旋流氣體的旋轉(zhuǎn)方向相同。外旋流的上部是主要除塵區(qū)。因此，如果出灰口或集塵室密封不良， 便易漏旋風(fēng)分離器內(nèi)的靜壓強(qiáng)在器壁附近最高， 僅稍低于氣體進(jìn)口處的壓強(qiáng)，往中 心逐漸降低，在氣芯處可降至氣體出口壓強(qiáng)以下。 旋風(fēng)分離器內(nèi)的低壓氣芯由排 氣管入口一直延伸到底部出灰口。入氣體，把已收集在錐形底部t凈比氣標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器進(jìn)

35、氣塵赫氣體在碇鳳分離 器內(nèi)的進(jìn)動(dòng)惜況2 = n # * 旳=尋的粉塵重新卷起，嚴(yán)重降低分離效果。旋風(fēng)分離器的應(yīng)用已有近百年的歷史，因其結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，沒有活動(dòng)部件，可用多種材料制造，操作條件范圍寬廣，分離效率較高，所以至今仍是化 工、采礦、冶金、機(jī)械、輕工等工業(yè)部門里最常用的一種除塵、分離設(shè)備。旋風(fēng) 分離器一般用來除去氣流中直徑在 5卩m以上的塵粒。對(duì)顆粒含量高于 200g/ m3的氣體，由于顆粒聚結(jié)作用，它甚至能除去 3卩m以下的顆粒。旋風(fēng)分離器 還可以從氣流中分離出霧沫。對(duì)于直徑在 200卩m以上的粗大顆粒，最好先用重 力沉降法除去，以減少顆粒對(duì)分離器器壁的磨損；對(duì)于直徑在5卩m以下的

36、顆粒， 一般旋風(fēng)分離器的捕集效率已不高，需用袋濾器或濕法捕集。旋風(fēng)分離器不適用 于處理黏性粉塵、含濕量高的粉塵及腐蝕性粉塵。 此外，氣量的波動(dòng)對(duì)除塵效果 及設(shè)備阻力影響較大。3.旋風(fēng)分離器的性能評(píng)價(jià)旋風(fēng)分離器性能的主要指標(biāo)是塵粒從氣流中的分離效果及氣體經(jīng)過旋 風(fēng)分離器的壓強(qiáng)降。1）臨界粒徑研究旋風(fēng)分離器分離性能時(shí)，常從分析其臨界粒徑入手。所謂臨界粒徑，是 理論上在旋風(fēng)分離器中能被完全分離下來的最小顆粒直徑。 臨界粒徑是判斷分離 效率高低的重要依據(jù)。2)分離效率旋風(fēng)分離器的分離效率有兩種表示法：一是總效率，以n 0表示；一是分 效率，又稱粒級(jí)效率，以表示n P。% /C2總效率是指進(jìn)入旋風(fēng)分離器

37、的全部顆粒中被分離下來的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即C1式中C1 旋風(fēng)分離器進(jìn)口氣體含 塵濃度，g/m3; C2 旋風(fēng)分離器出口氣體含 塵濃度，g/m3。3)壓強(qiáng)降氣體經(jīng)旋風(fēng)分離器時(shí)，由于進(jìn)氣管和排氣管及主體器壁所引起的摩擦阻力, 流動(dòng)時(shí)的局部阻力以及氣體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能損失等等，造成氣體的壓強(qiáng) 降?？梢苑抡盏?章的方法，將壓強(qiáng)降看做與進(jìn)口氣體動(dòng)能成正比， 即式中的E為比例系數(shù)，亦即阻力系數(shù)。對(duì)于同一結(jié)構(gòu)形式及尺寸比例的旋風(fēng)分離 器，E為常數(shù)，不因尺寸大小而變。影響旋風(fēng)分離器性能的因素多而復(fù)雜，物系情況及操作條件是其中的重要方 面。一般說來，顆粒密度大、粒徑大、進(jìn)口氣速高及粉塵濃度高等情況均有利于 分離。

38、譬如，含塵濃度高則有利于顆粒的聚結(jié)，可以提高效率，而且顆粒濃度增 大可以抑制氣體渦流，從而使阻力下降，所以較高的含塵濃度對(duì)壓強(qiáng)降與效率兩 個(gè)方面都是有利的。但有些因素則對(duì)這兩個(gè)方面有相互矛盾的影響，譬如進(jìn)口氣速稍高有利于分離，但過高則導(dǎo)致渦流加劇，反而不利于分離，徒然增大壓強(qiáng)降。 因此，旋風(fēng)分離器的進(jìn)口氣速保持在 10 25m/s范圍內(nèi)為宜。4.旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)形式與選用旋風(fēng)分離器的分離效率不僅受含塵氣的物理性質(zhì)、含塵濃度、粒度分布及操 作的影響，還與設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸密切相關(guān)。只有各部分結(jié)構(gòu)尺寸恰當(dāng)，才能獲得 較高的分離效率和較低的壓強(qiáng)降。近年來，在旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行

39、改進(jìn)，以提 高分離效率或降低氣流阻力。(1) 采用細(xì)而長的器身 減小器身直徑可增大慣性離心力，增加器身長度可 延長氣體停留時(shí)間，所以，細(xì)而長的器身有利于顆粒的離心沉降， 使分離效率提 咼。(2) 減小渦流的影響 含塵氣體自進(jìn)氣管進(jìn)入旋風(fēng)分離器后，有一小部分氣 體向頂蓋流動(dòng)，然后沿排氣管外側(cè)向下流動(dòng)，當(dāng)達(dá)到排氣管下端時(shí)匯入上升的內(nèi) 旋氣流中，這部分氣流稱為上渦流。分散在這部分氣流中的顆粒由短路而逸出器 外，這是造成旋風(fēng)分離器低效的主要原因之一。采用帶有旁路分離室或采用異形 進(jìn)氣管的旋風(fēng)分離器，可以改善上渦流的影響。在標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器內(nèi)，內(nèi)旋流旋轉(zhuǎn)上升時(shí)，會(huì)將沉集在錐底的部分顆粒重新 揚(yáng)起，這是影響

40、分離效率的另一重要原因。 為抑制這種不利因素，設(shè)計(jì)了擴(kuò)散式 旋風(fēng)分離器。此外，排氣管和灰斗尺寸的合理設(shè)計(jì)都可使除塵效率提高。5 旋液分離器旋液分離器又稱水力旋流器，是利用離心沉降原理從懸浮液中分離固體顆粒 的設(shè)備。它的結(jié)構(gòu)與操作原理和旋風(fēng)分離器相類似。 設(shè)備主體也是由圓筒和圓錐 兩部分組成，如附圖所示。懸浮液經(jīng)入口管沿切向進(jìn)入圓筒，向下作螺旋形運(yùn)動(dòng)，固體顆粒受慣性離心 力作用被甩向器壁，隨下旋流降至錐底的出口，由底部排出，此處的增濃液稱為 底流；清液或含有微細(xì)顆粒的液體則成為上升的內(nèi)旋流，從頂部的中心管排出， 此液稱為溢流。內(nèi)層旋流中心有一個(gè)處于負(fù)壓的氣柱， 氣柱中的氣體是由料漿中 釋放出來的

41、，或者是由溢流管口暴露于大氣中時(shí)吸入器內(nèi)的空氣。旋液分離器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是直徑小而圓錐部分長。 因?yàn)楣?、液間的密度差比固、 氣間的密度差小，在一定的切線進(jìn)口速度下，小直徑的圓筒有利于增大慣性離心力，以提高沉降速度；同時(shí)，錐形部分加長可增大液流的行程，從而延長了懸浮液在器內(nèi)的停留時(shí)間。旋液分離器不僅可用于懸浮液的增濃，在分級(jí)方面更有顯著特點(diǎn)，而且還可 用于不互溶液體的分離、氣、液分離以及傳熱、傳質(zhì)和霧化等操作中，因而廣泛 應(yīng)用于多種工業(yè)領(lǐng)域中。旋液分離器的粒級(jí)效率和顆粒直徑的關(guān)系曲線與旋風(fēng)分離器頗為相似，并且同樣可根據(jù)粒級(jí)效率及粒徑分布計(jì)算總效率。在旋液分離器中，顆粒沿器壁快速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重磨損。為

42、了延長使用期限， 應(yīng)采用耐磨材料制造或采用耐磨材料作內(nèi)襯。3.4過濾過濾是分離懸浮液最普遍和最有效的單元操作之一。藉過濾操作可獲得清凈 的液體或固相產(chǎn)品。與沉降分離相比，過濾操作可使懸浮液的分離更迅速更徹底。 在某些場(chǎng)合下，過濾是沉降的后繼操作。過濾也屬于機(jī)械分離操作，與蒸發(fā)、干 燥等非機(jī)械操作相比，其能量消耗比較低。3.4.1過濾操作的基本概念過濾是以某種多孔物質(zhì)為介質(zhì)，在外力作用下，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(shí)現(xiàn)固、液分離的操作。過濾操作采 用的多孔物質(zhì)稱為過濾介質(zhì)，所處理的懸浮液稱為濾漿或料漿， 液體稱為濾液，被截留的固體物質(zhì)稱為濾餅或?yàn)V渣。通過多孔

43、通道的濾講 過濾介質(zhì)I濾械過濾操作示意圖實(shí)現(xiàn)過濾操作的外力可以是重力、壓強(qiáng)差或慣性離心力。 的還是以壓強(qiáng)差為推動(dòng)力的過濾。1過濾方式工業(yè)上的過濾操作分為兩大類，即餅層過濾和深床過濾。 液置于過濾介質(zhì)的一側(cè)，固體物沉積于介質(zhì)表面而形成濾餅層。 孔道的直徑可能大于懸浮液中部分顆粒的直徑，在化工中應(yīng)用最多餅層過濾時(shí)，懸浮 過濾介質(zhì)中微細(xì) 因而，過濾之初會(huì)有一些細(xì)小顆粒穿過介質(zhì)而使濾液渾濁，但是顆粒會(huì)在孔道中迅速地發(fā)生“架橋”現(xiàn)象（見附圖），使小于孔道直徑的細(xì)小顆粒也能被截?cái)r，故當(dāng)濾餅開始形成，濾液即變清， 此后過濾才能有效地進(jìn)行?？梢?，在餅層過濾中，真正發(fā)揮截?cái)r顆粒作用的主要 是濾餅層而不是過濾介質(zhì)

44、。通常，過濾開始階段得到的渾濁液，待濾餅形成后應(yīng) 返回濾漿槽重新處理。餅層過濾適用于處理固體含量較高（固相體積分?jǐn)?shù)約在1% 以上）的懸浮液。架橋現(xiàn)象在深床過濾中，固體顆粒并不形成濾餅，而是沉積于較厚的粒狀過濾介質(zhì)床 層內(nèi)部。懸浮液中的顆粒尺寸小于床層孔道直徑， 當(dāng)顆粒隨流體在床層內(nèi)的曲折 孔道中流過時(shí)，便附在過濾介質(zhì)上。這種過濾適用于生產(chǎn)能力大而懸浮液中顆粒 小、含量甚微（固相體積分?jǐn)?shù)在0.1%以下）的場(chǎng)合。自來水廠飲水的凈化及從合 成纖維紡絲液中除去極細(xì)固體物質(zhì)等均采用這種過濾方法。另外，隨著膜分離技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，作為精密分離技術(shù)的膜過濾（包括 微孔過濾和超濾）近年來發(fā)展非常迅速?；ぶ?/p>

45、所處理的懸浮液固相濃度往往較高，故本節(jié)只討論餅層過濾。2.過濾介質(zhì)過濾介質(zhì)是濾餅的支承物，它應(yīng)具有足夠的力學(xué)強(qiáng)度和盡可能小的流動(dòng)阻力 應(yīng)具有相應(yīng)的耐腐蝕性和耐熱性。工業(yè)上常用的過濾介質(zhì)主要有下面三類。絲、麻等天然纖維及合成纖維制成 這類介質(zhì)能截留顆粒的最小直徑為（細(xì)砂、木炭、石棉、硅藻土）或非編（1）織物介質(zhì)（又稱濾布）包括由棉、毛、 的織物，以及由玻璃絲、金屬絲等織成的網(wǎng)。 5-65卩m?？椢锝橘|(zhì)在工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛。（2）堆積介質(zhì) 此類介質(zhì)由各種固體顆粒 織纖維等堆積而成.多用于深床過濾中。（3）多孔固體介質(zhì) 這類介質(zhì)是具有很多微細(xì)孔道的固體材料，如多孔陶瓷、 多孔塑料及多孔金屬制成的管或

46、板，能截?cái)r1 3卩m的微細(xì)顆粒。3濾餅的壓縮性和助濾劑濾餅是由截留下的固體顆粒堆積而成的床層， 隨著操作的進(jìn)行， 濾餅的厚度 與流動(dòng)阻力都逐漸增加。 構(gòu)成濾餅的顆粒特性對(duì)流動(dòng)阻力的影響懸殊。 顆粒如果 是不易變形的堅(jiān)硬固體 （如硅藻土、碳酸鈣等 ），則當(dāng)濾餅兩側(cè)的壓強(qiáng)差增大時(shí)， 顆粒的形狀和顆粒間的空隙都不發(fā)生明顯變化， 單位厚度床層的流動(dòng)阻力可視為 恒定，這類濾餅稱為不可壓縮濾餅。 相反， 如果濾餅是由某些類似氫氧化物的膠 體物質(zhì)構(gòu)成， 則當(dāng)濾餅兩側(cè)的壓強(qiáng)差增大時(shí)， 顆粒的形狀和顆粒間的空隙便有明 顯的改變， 單位厚度餅層的流動(dòng)阻力隨壓強(qiáng)差加高而增大， 這種濾餅稱為可壓縮 濾餅。為了減少可壓

47、縮濾餅的流動(dòng)阻力， 有時(shí)將某種質(zhì)地堅(jiān)硬而能形成疏松餅層的 另一種固體顆粒混入懸浮液或預(yù)涂于過濾介質(zhì)上， 以形成疏松餅層， 使濾液得以 暢流。這種預(yù)混或預(yù)涂的粒狀物質(zhì)稱為助濾劑。對(duì)助濾劑的基本要求如下： 應(yīng)是能形成多孔餅層的剛性顆粒， 使濾餅有良好的滲透性、 較高的孔隙率 及較低的流動(dòng)阻力； 應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性，不與懸浮液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也不溶于液相中。應(yīng)予注意， 一般以獲得清凈濾液為目的時(shí)， 采用助濾劑才是適宜的， 34.2 過濾基本方程式過濾基本方程式是描述過濾速率 （或過濾速度 ）與過濾推動(dòng)力、過濾面積、料 漿性質(zhì)、介質(zhì)特性及濾餅厚度等諸因素關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 本節(jié)，從分析濾液通 過濾餅層流動(dòng)

48、的特點(diǎn)入手， 將復(fù)雜的實(shí)際流動(dòng)加以簡化， 對(duì)濾液的流動(dòng)用數(shù)學(xué)方 程式進(jìn)行描述， 并以基本方程式為依據(jù)， 分析強(qiáng)化過濾操作的途徑， 進(jìn)行過濾計(jì) 算。1濾液通過餅層的流動(dòng) 1）濾液通過濾餅層流動(dòng)的特點(diǎn) 濾液通道細(xì)小曲折，形成不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)； 隨著過濾進(jìn)行， 濾餅厚度不斷增加， 流動(dòng)阻力逐漸加大， 因而過濾屬非穩(wěn) 態(tài)操作； 細(xì)小而密集的顆粒層提供了很大的液、 固接觸表面， 濾液的流動(dòng)大都在層 流區(qū)。2）濾液通過餅層流動(dòng)的數(shù)學(xué)描述對(duì)于濾液通過平行細(xì)管的層流流動(dòng)，由康采尼方程式得到名3pPc、U 5a2(1 汀(al 丿式中 u 按整個(gè)床層截面積計(jì)算 的濾液平均流速， m/s; 鄒c 濾液通過濾餅層的

49、壓強(qiáng) 降，Pa;L 濾餅層厚度，m;卩一濾液黏度，Pa s.2.過濾速率和過濾速度前面討論的u為單位州司通過單位過濾面積的濾液體積，稱為過濾速度。通 常將單位時(shí)間獲得的濾液體積稱為過濾速率，單位為m3/s。過濾速度是單位過濾面積上的過濾速率，應(yīng)防止將二者相混淆。若過濾進(jìn)程中其他因素維持不變， 則由于濾餅厚度不斷增加而使過濾速度逐漸變小。 任一瞬間的過濾速度應(yīng)寫成如 下形式：S3cdV 時(shí)仏PAd0 5a2(1 -汀 I 4L 丿 而過濾速率為 dVS3d 日 5a2(1-汀 式中 V 濾液量，m3;9 過濾時(shí)間，S；2m .3濾餅的阻力對(duì)于不可壓縮濾餅，不改變，因而比表面a亦為常數(shù)。3Z濾餅層

50、中的空隙率可視為常數(shù),顆粒的形狀、尺寸也5a2z 反映了顆粒的特性，其值隨物料而不同 名3令 5a (1 -汀 r則先=器R=rLAd9 H-LAR式中r 濾餅的比阻，1/m2R 濾餅阻力，1/m.A 過濾面積，1 Pa .S的濾液以1 m比阻反映了顆粒形比阻r是單位厚度濾餅的阻力.它在數(shù)值上等于黏度為 /S的平均流速通過厚度為1m的濾餅層時(shí)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)降。 狀、尺寸及床層空隙率對(duì)濾液流動(dòng)的影響。床層空隙率愈小及顆粒比表面a愈 大，則床層愈致密，對(duì)流體流動(dòng)的阻滯作用也愈大。4過濾介質(zhì)的阻力餅層過濾中，過濾介質(zhì)的阻力一般都比較小，但有時(shí)卻不能忽略，尤其在過 濾初始濾餅尚薄的期間。過濾介質(zhì)的阻力當(dāng)

51、然也與其厚度及本身的致密程度有 關(guān)。通常把過濾介質(zhì)的阻力視為常數(shù)，仿照濾餅阻力公式可寫出濾液穿過過濾介質(zhì)層的速度關(guān)系式：dV鄒m由于很難劃定過濾介質(zhì) 與濾餅之間的分界面，更難測(cè)定分界面處的壓 強(qiáng), 因而過濾介質(zhì)的阻力與 最初所形成的濾餅層的 阻力往往是無法分開的，所以 過濾操作中總是把過濾 介質(zhì)與濾餅聯(lián)合起來考 慮。J(R + Rm)Le的濾餅來代替濾布通常，濾餅與濾布的面 積相同，所以兩層中的 過濾速度應(yīng)相等，則 dV _ 心Pc + Pm 忌卩(R + Rm) 設(shè)想以一層厚度為rLe =Rmpp巴rL + rLe)片(L + L。)Apm 過濾介質(zhì)上、下游兩側(cè) 的壓強(qiáng)差，Pa;Rm 過濾介

52、質(zhì)阻力，1/ m.Le 過濾介質(zhì)的當(dāng)量濾餅厚 度，或稱虛擬濾餅厚度，m.在一定條件下，以一定介質(zhì)過濾一定懸浮液時(shí)，Le為定值；但同一介質(zhì)在不同 的過濾操作中Le值不同。dV _ Ad 9 -式中5過濾基本方程式若每獲得1m3濾液所形成的濾餅體積 為U m3,則任一瞬間的濾餅厚度L與當(dāng)時(shí)已經(jīng) 獲得的濾液體積V之間的關(guān)系LA VA如生成厚度為Le的濾餅所應(yīng)獲得的濾液體積以Ve表示，則L -叢e A過濾速度和過濾速率分別為7 +Ve 丿dVA2ApdVAp叭de 叭(V +Ve)式中 U 濾餅體積與相應(yīng)的濾液 體積之比，量綱為1,或m3/m3.Ve 過濾介質(zhì)的當(dāng)量濾液體 積，或稱虛擬濾液體積，m3.

53、可壓縮濾餅的情況比較復(fù)雜，它的比阻是兩側(cè)壓強(qiáng)差的函數(shù)。 考慮到濾餅的 壓縮性，通常可借用下面的經(jīng)驗(yàn)公式來粗略估算壓強(qiáng)差增大時(shí)比阻的變化，即r = r 伽 s式中r單位壓強(qiáng)差下濾餅的比 阻,1/m2;Ap 過濾壓強(qiáng)差，Pa;s 濾餅的壓縮性指數(shù)，量 綱為1.一般情況下，s = 0-1. 對(duì)于不可壓縮濾餅，s=0.故過濾基本方程式可表示為dVA2Ap1d日片u(V +Ve )應(yīng)用過濾基本方程式時(shí)，需針對(duì)操作的具體方式而積分。過濾操作有兩種典 型的方式，即恒壓過濾及恒速過濾。有時(shí)，為避免過濾初期因壓強(qiáng)差過高而引起 濾液渾濁或?yàn)V布堵塞，可采用先恒速后恒壓的復(fù)合操作方式， 過濾開始時(shí)以較低 的恒定速率操作，當(dāng)表壓升至給定數(shù)值后，再轉(zhuǎn)入恒壓操作。當(dāng)然，工業(yè)上也有 既非恒速亦非恒壓的過濾操作，如用離心泵向壓濾機(jī)送料漿即屬此例。3.4.3恒壓過濾若過濾操作是在恒定壓強(qiáng)差下進(jìn)