第三章機械分離和固體流態(tài)化解讀課件

第三章

非均相物系的分離和固體流態(tài)化第三章13.2顆粒及顆粒床層的特性3.3沉降分離3.4過濾3.5離心機3.6固體流態(tài)化本章主要內(nèi)容3.1

概述3.2顆粒及顆粒床層的特性3.3沉降分離3.4過濾3.5離心2混合物的分類混合物均相混合物（均相物系）非均相混合物（非均相物系）物系內(nèi)部各處組成均勻且不存在相界面下冊介紹由具有不同物理性質(zhì)（如尺寸、密度差別）的分散物質(zhì)（分散相）和連續(xù)介質(zhì)（連續(xù)相）所組成氣態(tài)非均相物系液態(tài)非均相物系本章介紹混合物的分類混合物均相混合物（均相物系）非均相混合物3非均相混合物的分離方法機械方法沉降分離過濾：顆粒相對于流體運動重力離心力：流體相對于顆粒床層運動重力離心力壓強差非均相混合物的分離方法機械方法沉降分離過濾：顆粒相對4非均相混合物的分離目的1、收集分散物質(zhì)

2、凈化分散介質(zhì)3、環(huán)境保護和安全生產(chǎn)：如回收有用的固體顆粒作為產(chǎn)品：除去有害雜質(zhì)：用于處理排放的廢氣非均相混合物的分離目的1、收集分散物質(zhì)2、凈化分散介質(zhì)53.2顆粒及顆粒床層特性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、大小（體積）和表面積1、單一顆粒特性2、顆粒群的特性球形顆粒非球形顆粒顆粒的平均粒徑粒度分布3.2顆粒及顆粒床層特性3.2.1顆粒的特性表述顆粒特性的主6球形顆粒球形顆粒的形狀為球形，其尺寸由直徑d來確定，其它有關(guān)參數(shù)均可表示為直徑d的函數(shù)球形顆粒球形顆粒的形狀為球形，其尺寸由直徑d來確7非球形顆粒（1）體積當(dāng)量直徑（2）形狀系數(shù)對非球形顆粒，總有φS﹤1，顆粒的形狀越接近球形，φS越接近1；對球形顆粒，φS＝1。非球形顆粒（1）體積當(dāng)量直徑（2）形狀系數(shù)對非球形顆粒8粒度分布粒度分布：不同粒徑范圍內(nèi)所含粒子的個數(shù)或質(zhì)量稱為粒度分布測量方法：篩分法、顯微鏡法、沉降法、電感應(yīng)法、激光衍射、動態(tài)光散射法等篩分法：篩分是用單層或多層篩面將松散的物料按顆粒粒度分成兩個或多個不同粒級產(chǎn)品的過程。操作：篩分時，篩面上有篩孔，尺寸小于篩孔尺寸的物料通過篩孔，稱為篩下產(chǎn)品，其質(zhì)量稱為篩過量；尺寸大于篩孔尺寸的物料被截留在篩面上，稱為篩上產(chǎn)品，其質(zhì)量稱為篩余量。若用n層篩面，可得n+1種產(chǎn)品。粒度分布粒度分布：不同粒徑范圍內(nèi)所含粒子的個數(shù)或質(zhì)量稱為粒度9顆粒的平均粒徑顆粒平均粒徑的計算方法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篩之間的顆粒質(zhì)量為Gi，篩分直徑為di。根據(jù)比表面積相等原則，顆粒的平均比表面積直徑可寫為或――顆粒群的平均直徑，m

――粒徑段內(nèi)顆粒的質(zhì)量分數(shù)――篩分直徑,m

顆粒的平均粒徑顆粒平均粒徑的計算方法最常用的是平均比表面積直103.2.2顆粒床層的特性1.床層的空隙率ε－床層的空隙率

一般亂堆床層的空隙率大致在0.47~0.70

2.床層的比表面積指單位床層體積具有的顆粒表面積（即顆粒與流體接觸的表面積）若忽略顆粒之間接觸面積的影響，則ab＝a(1-ε)

床層比表面積也可根據(jù)堆積密度估算，即

、分別是堆積密度和真實密度，kg/m3

，3.2.2顆粒床層的特性1.床層的空隙率ε－床層的空隙率113.床層的自由截面積指床層截面上未被顆粒占據(jù)的、流體可以自由通過的面積

工業(yè)上，小顆粒的床層用亂堆方法堆成，亂堆床層可認為是各向同性的。各向同性床層的重要特性之一是其自由截面積與床層截面積之比在數(shù)值上與床層空隙率相等。3.2.3流體通過床層流動的壓降

1．床層的簡化模型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)量直徑為的一組平行細管，并且規(guī)定：（1）細管的全部流動空間等于顆粒床層的空隙容積；（2）細管的內(nèi)表面積等于顆粒床層的全部表面積。3.床層的自由截面積指床層截面上未被顆粒占據(jù)的、流體可以自由12在上述簡化條件下，以1m3床層體積為基準，細管的當(dāng)量直徑可表示為床層空隙率ε及比表面積ab的函數(shù)，即：2．流體通過床層壓降的數(shù)學(xué)描述流體通過一組平行細管流動的壓降為：

u1與按整個床層截面計算的空床流速u的關(guān)系為整理得：

式中的

為流體通過床層流道的摩擦系數(shù)，稱為模型參數(shù)，其值由實驗測定。在上述簡化條件下，以1m3床層體積為基準，細管的當(dāng)量直徑可133．模型參數(shù)的實驗測定模型的有效性需通過實驗檢驗，模型參數(shù)需實驗測定

（1）康采尼（Kozeny）的實驗結(jié)果康采尼通過實驗發(fā)現(xiàn)，在流速較低，床層雷諾數(shù)Reb﹤2的滯流情況下

（2）歐根（Ergun）的實驗結(jié)果歐根在較寬的Reb范圍內(nèi)進行實驗，獲得如下關(guān)聯(lián)式其實驗范圍為Reb＝0.17～330當(dāng)Reb﹤3時，式右邊第二項可忽略；當(dāng)Reb﹥100時，右邊第一項可略去。3．模型參數(shù)的實驗測定模型的有效性需通過實驗檢驗，模型參數(shù)需143.3沉降分離沉降運動發(fā)生的條件：固體顆粒與流體之間存在密度差，同時有外力場存在。

3.3.1重力沉降1）球形顆粒的自由沉降1．沉降速度若顆粒的密度為,直徑為d,流體的密度為

對顆粒進行受力分析：3.3沉降分離沉降運動發(fā)生的條件：固體顆粒與流體之間存在密15沉降速度加速段等速段勻速階段中顆粒相對于流體的運動速度為沉降速度

當(dāng)a=0時，u=

,則沉降速度加速段等速段勻速階段中顆粒相對于流體的運動速度為沉降162）阻力系數(shù)用上式計算沉降速度時，首先需要確定阻力系數(shù)ζ值。根據(jù)因次分析，ζ是顆粒與流體相對運動時雷諾準數(shù)Ret的函數(shù)，由實驗測得的綜合結(jié)果見圖p1453-2。圖中，φs為球形度，Ret為雷諾準數(shù)從圖中可以看出，對球形顆粒（φs＝1），曲線按Ret值大致分為三個區(qū)域，各區(qū)域內(nèi)的曲線可分別用相應(yīng)的關(guān)系式表達如下：層流區(qū)層流區(qū)過渡區(qū)2）阻力系數(shù)用上式計算沉降速度時，首先需要確定阻力系數(shù)ζ值173）影響沉降的因素由于壁面效應(yīng)，實際沉降速度小于自由沉降速度。流體的黏度

顆粒的體積分數(shù)壁面效應(yīng)球形度越小，沉降速度越??；顆粒形狀的影響3）影響沉降的因素由于壁面效應(yīng)，實際沉降速度小于自由沉降速度184）沉降速度的計算在給定介質(zhì)中顆粒的沉降速度可采用以下計算方法：（1）試差法

假設(shè)流型

計算檢驗是否在原假設(shè)的流型區(qū)域內(nèi)YN有效（2）摩擦數(shù)群法又兩式相乘再令

4）沉降速度的計算在給定介質(zhì)中顆粒的沉降速度可采用以下計算方19計算ut時，可先將已知數(shù)據(jù)代入式3-35求出

值，再由圖3-3的－Ret曲線查出Ret，最后由Ret反求，即4）沉降速度的計算（3）用量綱為1的數(shù)群K值判別流型斯托克斯定律區(qū)，Ret≤1，則K≤2.62

牛頓定律區(qū)則K≥69.1

艾倫定律區(qū)，則2.62≤K≤69.1

計算ut時，可先將已知數(shù)據(jù)代入式3-35求出值，再由圖3-202．重力沉降設(shè)備1）降塵室則表明，該顆粒能在降塵室中除去。則表明，該顆粒剛好能完全除去。（1）單層降塵室

2．重力沉降設(shè)備1）降塵室則表明，該顆粒能在降塵室中除去。則212．重力沉降設(shè)備（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)，而與降塵室高度H無關(guān)。所以降塵室一般設(shè)計成扁平形，或在室內(nèi)均勻設(shè)置多層水平隔板，構(gòu)成多層降塵室多層降塵室的生產(chǎn)能力為

2．重力沉降設(shè)備（2）多層降塵室理論上降塵室的生產(chǎn)能力只與其222．重力沉降設(shè)備2）增稠器（沉降槽）2．重力沉降設(shè)備2）增稠器（沉降槽）23對照重力場離心加速度ac=R2=uT2/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3.3.2離心沉降對照重力場離心加速度ac=R2=uT2/R不是常量3.24Rep=dput/

1或2層流區(qū)分離因數(shù)是離心分離設(shè)備的重要指標Rep=dput/1或2層流區(qū)分離因數(shù)是離心25標準旋風(fēng)分離器的構(gòu)造操作原理2．旋風(fēng)分離器的操作原理

結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，沒有活動部件，可用多種材料制造，操作范圍廣，分離效率較高。旋風(fēng)分離器的優(yōu)點標準旋風(fēng)分離器的構(gòu)造2．旋風(fēng)分離器的操作原理26評價旋風(fēng)分離器性能的兩個主要指標：3、旋風(fēng)分離器的性能：評價旋風(fēng)分離器性能的兩個主要指標：3、旋風(fēng)分離器的性能：274、旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)形式與選用

近年來，為提高分離效率或降低壓降，在旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，主要從以下幾個方面進行改進：采用細而長的器身

減小上渦流的影響消除下旋流影響排氣管和灰斗尺寸的合理設(shè)計

4、旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)形式與選用近年來，為提高分離效率或降28PV型粗旋風(fēng)分離器PV型外置旋風(fēng)分離器PV型單級旋風(fēng)分離器PV型一、二級旋風(fēng)分離器PV型粗旋風(fēng)分離器PV型外置旋風(fēng)分離器PV型單級旋風(fēng)分離器P295、旋液分離器旋液分離器的結(jié)構(gòu)特點是直徑小而圓錐部分長旋液分離器不僅可用于懸浮液的增濃、分級，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。結(jié)構(gòu)：應(yīng)用：5、旋液分離器旋液分離器的結(jié)構(gòu)特點是直徑小而圓錐部分長旋液303.4過濾3.4.1過濾操作的基本概念

1．過濾方式餅層過濾

深床過濾

本節(jié)介紹推動力：重力、壓力、離心力

深床過濾濾漿濾餅過濾介質(zhì)濾液濾餅過濾3.4過濾3.4.1過濾操作的基本概念1．過濾方式餅312．過濾介質(zhì)3.4.1過濾操作的基本概念

（1）對過濾介質(zhì)的性能要求

過濾介質(zhì)起著支撐濾餅的作用，對其基本要求是具有足夠的機強度和盡可能小的流動阻力，同時，還應(yīng)具有相應(yīng)的耐腐蝕性和耐熱性。（2）工業(yè)上常用的過濾介質(zhì)的種類織物介質(zhì)(又稱濾布)

堆積介質(zhì)

多孔固體介質(zhì)

2．過濾介質(zhì)3.4.1過濾操作的基本概念（1）對過濾介323.4.1過濾操作的基本概念

3．濾餅的壓縮性和助濾劑濾餅可壓縮濾餅

不可壓縮濾餅

助濾劑能形成多孔餅層的剛性顆粒

有化學(xué)穩(wěn)定性

要求3.4.1過濾操作的基本概念3．濾餅的壓縮性和助濾劑濾331）濾液通過濾餅層流動的特點：液通道細小曲折，形成不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

流動阻力逐漸加大，屬非穩(wěn)態(tài)操作

。3.4.2過濾基本方程式

1．濾液通過餅層的流動

濾液的流動大都在層流區(qū)1）濾液通過濾餅層流動的特點：液通道細小曲折，形成不規(guī)則的341．濾液通過餅層的流動2）濾液通過餅層流動的數(shù)學(xué)描述濾液通過濾餅層的流動，與在普通管內(nèi)的流動相仿，可以簡化成長度為L的一組平行細管。康采尼公式描述1．濾液通過餅層的流動2）濾液通過餅層流動的數(shù)學(xué)描述352．過濾速率和過濾速度過濾速度：過濾速率：3．濾餅的阻力反映了顆粒及顆粒床層的特性，其值隨物料而不同。

令濾餅阻力R=rL

2．過濾速率和過濾速度過濾速度：過濾速率：3．濾餅的阻力反映364．過濾介質(zhì)的阻力通常把過濾介質(zhì)的阻力視為常數(shù)，可以仿照寫出濾液穿過過濾介質(zhì)層的速度關(guān)系式

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，則假設(shè)過濾介質(zhì)對濾液流動的阻力相當(dāng)于厚度為的濾餅層的阻力，即4．過濾介質(zhì)的阻力通常把過濾介質(zhì)的阻力視為常數(shù)，可375．過濾基本方程式過濾過程中，餅厚L難以直接測定，而濾液體V則易于測量，故用V來計算過濾速度更為方便。若每獲得1m3濾液所形成的濾餅體積為υm3，則任一瞬間的濾餅厚度與當(dāng)時已經(jīng)獲得的濾液體積之間的關(guān)系為LA=υV

5．過濾基本方程式過濾過程中，餅厚L難以直接測383.4.3恒壓過濾

恒壓過濾：過濾操作是在恒定壓力差下進行令過濾時間濾液體積過濾時間濾液體積3.4.3恒壓過濾恒壓過濾：過濾操作是在恒定壓力差下393.4.4恒速過濾與先恒速后恒壓過濾

1．恒速過濾1、正位移泵2、支路閥3、壓濾機

當(dāng)用排量固定的正位移泵向過濾機供料，并且支路閥處于關(guān)閉狀態(tài)時，過濾速率便是恒定的。恒速過濾時的過濾速度為：，

不可壓縮濾餅

3.4.4恒速過濾與先恒速后恒壓過濾1．恒速過濾1、403.4.4恒速過濾與先恒速后恒壓過濾

2．先恒速后恒壓過濾恒壓階段

恒壓階段的過濾方程

3.4.4恒速過濾與先恒速后恒壓過濾2．先恒速后恒壓413.4.5過濾常數(shù)的確定

1．恒壓下過濾常數(shù)求出壓縮指數(shù)s

K、、的測定2．壓縮性指數(shù)的測定3.4.5過濾常數(shù)的確定1．恒壓下過濾常數(shù)求出壓縮42過濾設(shè)備

3.4.6過濾設(shè)備按推動力分按操作方式分間歇過濾機連續(xù)過濾機：轉(zhuǎn)筒真空過濾機板框壓濾機加壓葉濾機過3.4.6過濾設(shè)備按推動力分按操作方式分間歇過濾機連續(xù)過431、板框過濾機3.4.6過濾設(shè)備濾框、濾板結(jié)構(gòu)：洗板板框壓濾機框非洗板洗板一個操作循環(huán)：過濾、洗滌、卸渣、整理重裝

濾液流出懸浮液入口1060塊不等，過濾面積約為280m2

洗滌液流出洗滌液入口屬間歇式特點：橫穿洗滌：Lw=2L1、板框過濾機3.4.6過濾設(shè)備濾框、濾板結(jié)構(gòu)：洗板板框壓44屬間歇式置換洗滌：Lw=L2、加壓葉濾機濾葉結(jié)構(gòu)：一個操作循環(huán)：過濾、洗滌、卸渣、整理重裝

特點：生產(chǎn)能力：

操作周期：

思考：

V、Ve、A的含義是什么？

與板框機相同其中：與板框機相同3.4.6過濾設(shè)備屬間歇式置換洗滌：Lw=L2、加壓葉濾機濾葉結(jié)構(gòu)：一個操作循45置換洗滌：Lw=L屬連續(xù)式過濾、洗滌、吹松、刮渣3、回轉(zhuǎn)真空過濾機3.4.6、過濾設(shè)備轉(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

構(gòu)造：一個操作循環(huán)：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）

特點：置換洗滌：Lw=L屬連續(xù)式過濾、洗滌、吹松、刮渣3、回轉(zhuǎn)真空463.4.7、濾餅的洗滌特點：洗滌時推動力、阻力不變，洗滌速度為常數(shù)。

1、洗滌速度與過濾終了速度間的關(guān)系

若推動力相同，則：3.4.7、濾餅的洗滌特點：洗滌時推動力、阻力不變，洗滌速度473.4.7、濾餅的洗滌2、洗滌時間w

3.4.7、濾餅的洗滌2、洗滌時間w481、板框過濾機生產(chǎn)能力：

操作周期：

單位時間內(nèi)獲得的濾液量或濾餅量。其中：思考：V、Ve、A的含義是什么？

3.4.8過濾機的生產(chǎn)能力1、板框過濾機生產(chǎn)能力：操作周期：單位時間內(nèi)獲得的濾液量491、板框過濾機最佳操作周期：

生產(chǎn)能力最大時的操作周期其中：3.4.8過濾機的生產(chǎn)能力1、板框過濾機最佳操作周期：生產(chǎn)能力最大時的操作周期其中：50若介質(zhì)阻力忽略不計，則

(A)3.4.8過濾機的生產(chǎn)能力若介質(zhì)阻力忽略不計，則(A)3.4.8過濾機的生產(chǎn)能力51代入式(A)得：------最佳操作周期

當(dāng)D<+w時，dQ/dV>0；

D>+w時，dQ/dV<0故D＝+w時，Q有最大值（=w，介質(zhì)阻力忽略不計）故3.4.8過濾機的生產(chǎn)能力代入式(A)得：------最佳操作周期當(dāng)D<+w時52屬間歇式置換洗滌：Lw=L2、葉濾機濾葉結(jié)構(gòu)：一個操作循環(huán)：過濾、洗滌、卸渣、整理重裝

特點：生產(chǎn)能力：

操作周期：

思考：

V、Ve、A的含義是什么？

與板框機相同其中：與板框機相同3.4.8過濾機的生產(chǎn)能力屬間歇式置換洗滌：Lw=L2、葉濾機濾葉結(jié)構(gòu)：一個操作循環(huán)：53對照板框過濾機：最佳操作周期：

若介質(zhì)阻力忽略不計，則

3.4.8過濾機的生產(chǎn)能力對照板框過濾機：最佳操作周期：若介質(zhì)阻力忽略不計，則3.54（=w，介質(zhì)阻力忽略不計）3.4.8過濾機的生產(chǎn)能力（=w，介質(zhì)阻力忽略不計）3.4.8過濾機的生產(chǎn)能力55其中：設(shè)轉(zhuǎn)筒浸入面積占全部轉(zhuǎn)筒面積的分率為浸沒分數(shù)，則生產(chǎn)能力：

操作周期：

思考：V、Ve、A的含義是什么？

若介質(zhì)阻力忽略不計，則

3.4.8過濾機的生產(chǎn)能力其中：設(shè)轉(zhuǎn)筒浸入面積占全部轉(zhuǎn)筒面積的分率為浸沒分56可見：但這類方法受到一定的限制

3.4.8過濾機的生產(chǎn)能力可見：但這類方法受到一定的限制3.4.8過濾機的生產(chǎn)能57離心過濾機分為立式和臥式兩種。離心過濾機是一種利用物料在轉(zhuǎn)鼓表面受到的離心力的分力進行過濾的全自動過濾機。離心過濾機生產(chǎn)能力大、適應(yīng)范圍廣，適用于分離固相顆粒＞0.05mm的易過濾懸浮液。3.5離心機離心過濾機分為立式和臥式兩種。3.5離心機58例1

某板框過濾機有5個濾框，框的尺寸為63563525mm。過濾操作在20℃、恒定壓差下進行，過濾常數(shù)K=4.2410-5m2/s，qe=0.0201m3/m2，濾餅體積與濾液體積之比c=0.08m3/m3，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和生產(chǎn)能力?，F(xiàn)改用一臺回轉(zhuǎn)真空過濾機過濾濾漿，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同樣的生產(chǎn)能力？

假設(shè)濾餅不可壓縮。習(xí)題課例1某板框過濾機有5個濾框，框的尺寸為635635259解：以一個框為基準進行計算?？蛉錆M時濾餅的體積為：

濾液量

過濾面積再根據(jù)恒壓過濾方程得：K=4.2410-5m2/s，qe=0.0201m3/m2思考：以5個框為基準，如何求解？解：以一個框為基準進行計算?？蛉錆M時濾餅的體積為：濾液量60流態(tài)化3.6固體流態(tài)化

將大量固體顆粒懸浮于流動的流體中，并在流體作用下使顆粒作翻滾運動，類似于液體的翻騰，故稱這種狀態(tài)為固體流態(tài)化。固體流態(tài)化：3.6.1流態(tài)化的基本概念1.流態(tài)化現(xiàn)象

固定床階段

流化床階段

顆粒輸送床階段

2.兩種不同流化形式

散式流化

聚式流化

流態(tài)化3.6固體流態(tài)化將大量固體顆粒懸613.6.2流化床的主要特征流化床的主要特征恒定的壓強降

類似于液體的特點

流化床中的兩相流動流化床的不正常現(xiàn)象

理想流化床的壓強降

實際流化床的壓強降騰涌

溝流3.6.2流化床的主要特征流化恒定的壓強降類似于液體的623.6.3流化床的操作范圍1.臨界流化速度實測法

計算法2.帶出速度3.流化床的操作范圍對于均勻的細顆粒，

/=91.7

對于大顆粒，

/=8.62

3.6.3流化床的操作范圍1.臨界流化速度實測法計633.6.4提高流化質(zhì)量的措施流化質(zhì)量：指流化床均勻的程度，即氣體分布和氣固接觸的均勻程度。

提高流化質(zhì)量從如下幾方面入手：

分布板應(yīng)有足夠的流動阻力

設(shè)備內(nèi)部構(gòu)件

采用小粒徑、寬分布的顆粒分布板的作用

分布板的形式

直流式

側(cè)流式

填充式

擋網(wǎng)

擋板

3.6.4提高流化質(zhì)量的措施流化質(zhì)量：指流化床均勻的程度643.6.5氣力輸送簡介氣力輸送的分類按氣流壓強分類吸引式壓送式按氣流中固相濃度分類稀相輸送密相輸送3.6.5氣力輸送簡介氣力輸送的分類按氣流壓強分類吸引65第三章

非均相物系的分離和固體流態(tài)化第三章663.2顆粒及顆粒床層的特性3.3沉降分離3.4過濾3.5離心機3.6固體流態(tài)化本章主要內(nèi)容3.1

概述3.2顆粒及顆粒床層的特性3.3沉降分離3.4過濾3.5離心67混合物的分類混合物均相混合物（均相物系）非均相混合物（非均相物系）物系內(nèi)部各處組成均勻且不存在相界面下冊介紹由具有不同物理性質(zhì)（如尺寸、密度差別）的分散物質(zhì)（分散相）和連續(xù)介質(zhì)（連續(xù)相）所組成氣態(tài)非均相物系液態(tài)非均相物系本章介紹混合物的分類混合物均相混合物（均相物系）非均相混合物68非均相混合物的分離方法機械方法沉降分離過濾：顆粒相對于流體運動重力離心力：流體相對于顆粒床層運動重力離心力壓強差非均相混合物的分離方法機械方法沉降分離過濾：顆粒相對69非均相混合物的分離目的1、收集分散物質(zhì)

2、凈化分散介質(zhì)3、環(huán)境保護和安全生產(chǎn)：如回收有用的固體顆粒作為產(chǎn)品：除去有害雜質(zhì)：用于處理排放的廢氣非均相混合物的分離目的1、收集分散物質(zhì)2、凈化分散介質(zhì)703.2顆粒及顆粒床層特性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、大小（體積）和表面積1、單一顆粒特性2、顆粒群的特性球形顆粒非球形顆粒顆粒的平均粒徑粒度分布3.2顆粒及顆粒床層特性3.2.1顆粒的特性表述顆粒特性的主71球形顆粒球形顆粒的形狀為球形，其尺寸由直徑d來確定，其它有關(guān)參數(shù)均可表示為直徑d的函數(shù)球形顆粒球形顆粒的形狀為球形，其尺寸由直徑d來確72非球形顆粒（1）體積當(dāng)量直徑（2）形狀系數(shù)對非球形顆粒，總有φS﹤1，顆粒的形狀越接近球形，φS越接近1；對球形顆粒，φS＝1。非球形顆粒（1）體積當(dāng)量直徑（2）形狀系數(shù)對非球形顆粒73粒度分布粒度分布：不同粒徑范圍內(nèi)所含粒子的個數(shù)或質(zhì)量稱為粒度分布測量方法：篩分法、顯微鏡法、沉降法、電感應(yīng)法、激光衍射、動態(tài)光散射法等篩分法：篩分是用單層或多層篩面將松散的物料按顆粒粒度分成兩個或多個不同粒級產(chǎn)品的過程。操作：篩分時，篩面上有篩孔，尺寸小于篩孔尺寸的物料通過篩孔，稱為篩下產(chǎn)品，其質(zhì)量稱為篩過量；尺寸大于篩孔尺寸的物料被截留在篩面上，稱為篩上產(chǎn)品，其質(zhì)量稱為篩余量。若用n層篩面，可得n+1種產(chǎn)品。粒度分布粒度分布：不同粒徑范圍內(nèi)所含粒子的個數(shù)或質(zhì)量稱為粒度74顆粒的平均粒徑顆粒平均粒徑的計算方法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篩之間的顆粒質(zhì)量為Gi，篩分直徑為di。根據(jù)比表面積相等原則，顆粒的平均比表面積直徑可寫為或――顆粒群的平均直徑，m

――粒徑段內(nèi)顆粒的質(zhì)量分數(shù)――篩分直徑,m

顆粒的平均粒徑顆粒平均粒徑的計算方法最常用的是平均比表面積直753.2.2顆粒床層的特性1.床層的空隙率ε－床層的空隙率

一般亂堆床層的空隙率大致在0.47~0.70

2.床層的比表面積指單位床層體積具有的顆粒表面積（即顆粒與流體接觸的表面積）若忽略顆粒之間接觸面積的影響，則ab＝a(1-ε)

床層比表面積也可根據(jù)堆積密度估算，即

、分別是堆積密度和真實密度，kg/m3

，3.2.2顆粒床層的特性1.床層的空隙率ε－床層的空隙率763.床層的自由截面積指床層截面上未被顆粒占據(jù)的、流體可以自由通過的面積

工業(yè)上，小顆粒的床層用亂堆方法堆成，亂堆床層可認為是各向同性的。各向同性床層的重要特性之一是其自由截面積與床層截面積之比在數(shù)值上與床層空隙率相等。3.2.3流體通過床層流動的壓降

1．床層的簡化模型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)量直徑為的一組平行細管，并且規(guī)定：（1）細管的全部流動空間等于顆粒床層的空隙容積；（2）細管的內(nèi)表面積等于顆粒床層的全部表面積。3.床層的自由截面積指床層截面上未被顆粒占據(jù)的、流體可以自由77在上述簡化條件下，以1m3床層體積為基準，細管的當(dāng)量直徑可表示為床層空隙率ε及比表面積ab的函數(shù)，即：2．流體通過床層壓降的數(shù)學(xué)描述流體通過一組平行細管流動的壓降為：

u1與按整個床層截面計算的空床流速u的關(guān)系為整理得：

式中的

為流體通過床層流道的摩擦系數(shù)，稱為模型參數(shù)，其值由實驗測定。在上述簡化條件下，以1m3床層體積為基準，細管的當(dāng)量直徑可783．模型參數(shù)的實驗測定模型的有效性需通過實驗檢驗，模型參數(shù)需實驗測定

（1）康采尼（Kozeny）的實驗結(jié)果康采尼通過實驗發(fā)現(xiàn)，在流速較低，床層雷諾數(shù)Reb﹤2的滯流情況下

（2）歐根（Ergun）的實驗結(jié)果歐根在較寬的Reb范圍內(nèi)進行實驗，獲得如下關(guān)聯(lián)式其實驗范圍為Reb＝0.17～330當(dāng)Reb﹤3時，式右邊第二項可忽略；當(dāng)Reb﹥100時，右邊第一項可略去。3．模型參數(shù)的實驗測定模型的有效性需通過實驗檢驗，模型參數(shù)需793.3沉降分離沉降運動發(fā)生的條件：固體顆粒與流體之間存在密度差，同時有外力場存在。

3.3.1重力沉降1）球形顆粒的自由沉降1．沉降速度若顆粒的密度為,直徑為d,流體的密度為

對顆粒進行受力分析：3.3沉降分離沉降運動發(fā)生的條件：固體顆粒與流體之間存在密80沉降速度加速段等速段勻速階段中顆粒相對于流體的運動速度為沉降速度

當(dāng)a=0時，u=

,則沉降速度加速段等速段勻速階段中顆粒相對于流體的運動速度為沉降812）阻力系數(shù)用上式計算沉降速度時，首先需要確定阻力系數(shù)ζ值。根據(jù)因次分析，ζ是顆粒與流體相對運動時雷諾準數(shù)Ret的函數(shù)，由實驗測得的綜合結(jié)果見圖p1453-2。圖中，φs為球形度，Ret為雷諾準數(shù)從圖中可以看出，對球形顆粒（φs＝1），曲線按Ret值大致分為三個區(qū)域，各區(qū)域內(nèi)的曲線可分別用相應(yīng)的關(guān)系式表達如下：層流區(qū)層流區(qū)過渡區(qū)2）阻力系數(shù)用上式計算沉降速度時，首先需要確定阻力系數(shù)ζ值823）影響沉降的因素由于壁面效應(yīng)，實際沉降速度小于自由沉降速度。流體的黏度

顆粒的體積分數(shù)壁面效應(yīng)球形度越小，沉降速度越??；顆粒形狀的影響3）影響沉降的因素由于壁面效應(yīng)，實際沉降速度小于自由沉降速度834）沉降速度的計算在給定介質(zhì)中顆粒的沉降速度可采用以下計算方法：（1）試差法

假設(shè)流型

計算檢驗是否在原假設(shè)的流型區(qū)域內(nèi)YN有效（2）摩擦數(shù)群法又兩式相乘再令

4）沉降速度的計算在給定介質(zhì)中顆粒的沉降速度可采用以下計算方84計算ut時，可先將已知數(shù)據(jù)代入式3-35求出

值，再由圖3-3的－Ret曲線查出Ret，最后由Ret反求，即4）沉降速度的計算（3）用量綱為1的數(shù)群K值判別流型斯托克斯定律區(qū)，Ret≤1，則K≤2.62

牛頓定律區(qū)則K≥69.1

艾倫定律區(qū)，則2.62≤K≤69.1

計算ut時，可先將已知數(shù)據(jù)代入式3-35求出值，再由圖3-852．重力沉降設(shè)備1）降塵室則表明，該顆粒能在降塵室中除去。則表明，該顆粒剛好能完全除去。（1）單層降塵室

2．重力沉降設(shè)備1）降塵室則表明，該顆粒能在降塵室中除去。則862．重力沉降設(shè)備（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)，而與降塵室高度H無關(guān)。所以降塵室一般設(shè)計成扁平形，或在室內(nèi)均勻設(shè)置多層水平隔板，構(gòu)成多層降塵室多層降塵室的生產(chǎn)能力為

2．重力沉降設(shè)備（2）多層降塵室理論上降塵室的生產(chǎn)能力只與其872．重力沉降設(shè)備2）增稠器（沉降槽）2．重力沉降設(shè)備2）增稠器（沉降槽）88對照重力場離心加速度ac=R2=uT2/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3.3.2離心沉降對照重力場離心加速度ac=R2=uT2/R不是常量3.89Rep=dput/

1或2層流區(qū)分離因數(shù)是離心分離設(shè)備的重要指標Rep=dput/1或2層流區(qū)分離因數(shù)是離心90標準旋風(fēng)分離器的構(gòu)造操作原理2．旋風(fēng)分離器的操作原理

結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，沒有活動部件，可用多種材料制造，操作范圍廣，分離效率較高。旋風(fēng)分離器的優(yōu)點標準旋風(fēng)分離器的構(gòu)造2．旋風(fēng)分離器的操作原理91評價旋風(fēng)分離器性能的兩個主要指標：3、旋風(fēng)分離器的性能：評價旋風(fēng)分離器性能的兩個主要指標：3、旋風(fēng)分離器的性能：924、旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)形式與選用

近年來，為提高分離效率或降低壓降，在旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，主要從以下幾個方面進行改進：采用細而長的器身

減小上渦流的影響消除下旋流影響排氣管和灰斗尺寸的合理設(shè)計

4、旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)形式與選用近年來，為提高分離效率或降93PV型粗旋風(fēng)分離器PV型外置旋風(fēng)分離器PV型單級旋風(fēng)分離器PV型一、二級旋風(fēng)分離器PV型粗旋風(fēng)分離器PV型外置旋風(fēng)分離器PV型單級旋風(fēng)分離器P945、旋液分離器旋液分離器的結(jié)構(gòu)特點是直徑小而圓錐部分長旋液分離器不僅可用于懸浮液的增濃、分級，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。結(jié)構(gòu)：應(yīng)用：5、旋液分離器旋液分離器的結(jié)構(gòu)特點是直徑小而圓錐部分長旋液953.4過濾3.4.1過濾操作的基本概念

1．過濾方式餅層過濾

深床過濾

本節(jié)介紹推動力：重力、壓力、離心力

深床過濾濾漿濾餅過濾介質(zhì)濾液濾餅過濾3.4過濾3.4.1過濾操作的基本概念1．過濾方式餅962．過濾介質(zhì)3.4.1過濾操作的基本概念

（1）對過濾介質(zhì)的性能要求

過濾介質(zhì)起著支撐濾餅的作用，對其基本要求是具有足夠的機強度和盡可能小的流動阻力，同時，還應(yīng)具有相應(yīng)的耐腐蝕性和耐熱性。（2）工業(yè)上常用的過濾介質(zhì)的種類織物介質(zhì)(又稱濾布)

堆積介質(zhì)

多孔固體介質(zhì)

2．過濾介質(zhì)3.4.1過濾操作的基本概念（1）對過濾介973.4.1過濾操作的基本概念

3．濾餅的壓縮性和助濾劑濾餅可壓縮濾餅

不可壓縮濾餅

助濾劑能形成多孔餅層的剛性顆粒

有化學(xué)穩(wěn)定性

要求3.4.1過濾操作的基本概念3．濾餅的壓縮性和助濾劑濾981）濾液通過濾餅層流動的特點：液通道細小曲折，形成不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

流動阻力逐漸加大，屬非穩(wěn)態(tài)操作

。3.4.2過濾基本方程式

1．濾液通過餅層的流動

濾液的流動大都在層流區(qū)1）濾液通過濾餅層流動的特點：液通道細小曲折，形成不規(guī)則的991．濾液通過餅層的流動2）濾液通過餅層流動的數(shù)學(xué)描述濾液通過濾餅層的流動，與在普通管內(nèi)的流動相仿，可以簡化成長度為L的一組平行細管?？挡赡峁矫枋?．濾液通過餅層的流動2）濾液通過餅層流動的數(shù)學(xué)描述1002．過濾速率和過濾速度過濾速度：過濾速率：3．濾餅的阻力反映了顆粒及顆粒床層的特性，其值隨物料而不同。

令濾餅阻力R=rL

2．過濾速率和過濾速度過濾速度：過濾速率：3．濾餅的阻力反映1014．過濾介質(zhì)的阻力通常把過濾介質(zhì)的阻力視為常數(shù)，可以仿照寫出濾液穿過過濾介質(zhì)層的速度關(guān)系式

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，則假設(shè)過濾介質(zhì)對濾液流動的阻力相當(dāng)于厚度為的濾餅層的阻力，即4．過濾介質(zhì)的阻力通常把過濾介質(zhì)的阻力視為常數(shù)，可1025．過濾基本方程式過濾過程中，餅厚L難以直接測定，而濾液體V則易于測量，故用V來計算過濾速度更為方便。若每獲得1m3濾液所形成的濾餅體積為υm3，則任一瞬間的濾餅厚度與當(dāng)時已經(jīng)獲得的濾液體積之間的關(guān)系為LA=υV

5．過濾基本方程式過濾過程中，餅厚L難以直接測1033.4.3恒壓過濾

恒壓過濾：過濾操作是在恒定壓力差下進行令過濾時間濾液體積過濾時間濾液體積3.4.3恒壓過濾恒壓過濾：過濾操作是在恒定壓力差下1043.4.4恒速過濾與先恒速后恒壓過濾

1．恒速過濾1、正位移泵2、支路閥3、壓濾機

當(dāng)用排量固定的正位移泵向過濾機供料，并且支路閥處于關(guān)閉狀態(tài)時，過濾速率便是恒定的。恒速過濾時的過濾速度為：，

不可壓縮濾餅

3.4.4恒速過濾與先恒速后恒壓過濾1．恒速過濾1、1053.4.4恒速過濾與先恒速后恒壓過濾

2．先恒速后恒壓過濾恒壓階段

恒壓階段的過濾方程

3.4.4恒速過濾與先恒速后恒壓過濾2．先恒速后恒壓1063.4.5過濾常數(shù)的確定

1．恒壓下過濾常數(shù)求出壓縮指數(shù)s

K、、的測定2．壓縮性指數(shù)的測定3.4.5過濾常數(shù)的確定1．恒壓下過濾常數(shù)求出壓縮107過濾設(shè)備

3.4.6過濾設(shè)備按推動力分按操作方式分間歇過濾機連續(xù)過濾機：轉(zhuǎn)筒真空過濾機板框壓濾機加壓葉濾機過3.4.6過濾設(shè)備按推動力分按操作方式分間歇過濾機連續(xù)過1081、板框過濾機3.4.6過濾設(shè)備濾框、濾板結(jié)構(gòu)：洗板板框壓濾機框非洗板洗板一個操作循環(huán)：過濾、洗滌、卸渣、整理重裝

濾液流出懸浮液入口1060塊不等，過濾面積約為280m2

洗滌液流出洗滌液入口屬間歇式特點：橫穿洗滌：Lw=2L1、板框過濾機3.4.6過濾設(shè)備濾框、濾板結(jié)構(gòu)：洗板板框壓109屬間歇式置換洗滌：Lw=L2、加壓葉濾機濾葉結(jié)構(gòu)：一個操作循環(huán)：過濾、洗滌、卸渣、整理重裝

特點：生產(chǎn)能力：

操作周期：

思考：

V、Ve、A的含義是什么？

與板框機相同其中：與板框機相同3.4.6過濾設(shè)備屬間歇式置換洗滌：Lw=L2、加壓葉濾機濾葉結(jié)構(gòu)：一個操作循110置換洗滌：Lw=L屬連續(xù)式過濾、洗滌、吹松、刮渣3、回轉(zhuǎn)真空過濾機3.4.6、過濾設(shè)備轉(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

構(gòu)造：一個操作循環(huán)：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）

特點：置換洗滌：Lw=L屬連續(xù)式過濾、洗滌、吹松、刮渣3、回轉(zhuǎn)真空1113.4.7、濾餅的洗滌特點：洗滌時推動力、阻力不變，洗滌速度為常數(shù)。

1、洗滌速度與過濾終了速度間的關(guān)系

若推動力相同，則：3.4.7、濾餅的洗滌特點：洗滌時推動力、阻力不變，洗滌速度1123.4.7、濾餅的洗滌2、洗滌時間w

3.4.7、濾餅的洗滌2、洗滌時間w1131、板框過濾機生產(chǎn)能力：

操作周期：

單位時間內(nèi)獲得的濾液量或濾餅量。其中：思考：V、Ve、A的含義是什么？

3.4.8過濾機的生產(chǎn)能力1、板框過濾機生產(chǎn)能力：操作周期：單位時間內(nèi)獲得的濾液量1141、板框過濾機最佳操作周期：

生產(chǎn)能力最大時的操作周期其中：3.4.8過濾機的生產(chǎn)能力1、板框過濾機最佳操作周期：生產(chǎn)能力最大時的操作周期其中：115若介質(zhì)阻力忽略不計，則

(A)3.4.8過濾機的生產(chǎn)能力若介質(zhì)阻力忽略不計，則(A)3.4.8過濾機的生產(chǎn)能力116代入式(A)得：------最佳操作周期

當(dāng)D<+w時，dQ/dV>0；

D>+w時，dQ/dV<0故D＝+w時，Q有最大值（=w，介質(zhì)阻力忽略不計）故3.4.8過濾機的生產(chǎn)能力代入式(A)得：------最佳操作周期當(dāng)D<+w時117屬間歇式置換洗滌：Lw=L2、葉濾機濾葉結(jié)構(gòu)：一個操作循環(huán)：過濾、洗滌、卸渣、整理重裝

特點：生產(chǎn)能力：

操作周期：

思考：

V、Ve、A的含義是什么？

與板框機相同其中：與板框機相同3.4.8