第三章非均相物系的分離和固體流態(tài)化

1第三章、非均相混合物分離及固體流態(tài)化§3-1顆粒和顆粒群的特性§3-2重力沉降§3-3離心沉降（略）§3-4過濾2關于非均相物系的概述一、什么是均相物系或均相混合物？二、什么是非均相物系或非均相混合物？2.1、什么是分散物質或分散相？什么是分散介質或連續(xù)相?2.2、非均相物系分為幾類?采用什么方法進行分離?2.3、工業(yè)上分離非均相混合物的目的有哪些?3§3-1顆粒和顆粒群的特性一、顆粒的特性(形狀、體積、表面積）(一)、單一的顆粒1、球形顆粒體積表面積比表面積a:單位體積顆粒具有的表面積4§3-1顆粒和顆粒群的特性2、非球形顆粒（1）、當量直徑de(2)、形狀系數s(球形度)當量直徑de及形狀系數s(球形度)是非球形顆粒的兩個重要參數,通過它們可以確定顆粒的體積、表面積和比表面積形狀系數s(球形度)說明什么問題？5§3-1顆粒和顆粒群的特性3、顆粒群的特性(1)、粒度分布(篩分)(2)、顆粒的平均比表面積粒徑（3）、粒子的密度①、真密度s②、堆積密度b6§3-2重力沉降3-2-1沉降速度一、球形顆粒的自由沉降二、阻力系數7§3-2重力沉降滯流區(qū)或斯托克斯（Stokes）定律區(qū)過渡區(qū)或艾倫(Allen)定律區(qū)湍流區(qū)或牛頓(Newton)定律區(qū)8§3-2重力沉降三、影響沉降速度的因素什么是自由沉降？什么是干擾沉降？（一）、顆粒的體積濃度顆粒的體積濃度小于0.2%時，理論計算值偏差在1%以內（二）、器壁效應否則要修正9§3-2重力沉降（三）、顆粒形狀的影響顆粒球形度越小，相同Ret下的阻力系數越大，但在滯流區(qū)的影響不明顯注：自由沉降速度公式的適用范圍：d<0.5m,要考慮布朗運動，當Ret>10-4時，可以不考慮布朗運動10§3-2重力沉降四、沉降速度的計算（一）試差法（二）摩擦數群法3-2-2重力沉降設備一、降塵室1、沉降時間t2、顆粒停留時間11§3-2重力沉降顆粒沉降條件即所以結論：理論上降塵室的生產能力只與沉降面積bl和顆粒的沉降速度有關，而與降塵室的高度H無關多層降塵室生產能力比較Vs相同時，單層降塵室和多層降塵室的處理效果12§3-2重力沉降降塵室除塵有什么特點？二、沉降槽三、分級器注：液體向上的速度小于顆粒沉降的速度；增濃段必須有足夠高度13

3-4-1

過濾操作基本概念3-4-2過濾基本方程式3-4-3恒壓過濾3-4-4恒速過濾與先恒速后恒壓過濾3-4-5過濾常數的測定3-4-6過濾設備3-4-7濾餅洗滌3-4-8過濾機的生產能力§3-4過濾14

3-4-1

過濾操作基本概念一、過濾方式濾餅過濾和深床過濾153-4-1

過濾操作基本概念二、過濾介質（1）織物介質（濾布）；（2）堆積介質；（3）多孔固體介質；（4）多孔膜三、濾餅的壓縮性和助濾劑助濾劑混入懸浮液或預涂于過濾介質上16一、顆粒床層特性1、床層空隙率的影響因素：顆粒的形狀、大小、粒度分布與充填方式亂堆床層空隙率：0.47-0.70單分散球形顆粒：0.26-0.48非球形顆粒的空隙率大于球形的2、床層比表面積ab或按堆積密度b計算3-4-2過濾基本方程式173、床層自由截面積床層截面上未被顆粒占據的、流體可以自由通過的面積各向同性床層（亂堆床層）的自由截面積與床層截面積之比在數值上等于床層空隙率壁效應：由于壁面附近的空隙率大于床層內部的，從而導致較多的流體趨向近壁處流過，使床層截面上的流體分布不均的現象。床層直徑D與顆粒直徑d之比越小，壁效應越嚴重三、流體通過床層流動的壓降1、床層簡化模型18將床層中不規(guī)則的通道假設成長度為L，當量直徑為de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）細管的內表面積等于顆粒床層的全部表面積2、流體通過床層壓降的數學描述空床流速流體在床內的實際流速模型參數193、模型參數的試驗測定康采尼試驗及康采尼方程當Reb<2時康采尼常數，其值為5.0用于描述床層壓降的康采尼方程20二、濾液通過餅層的流動特點1、非定態(tài)2、滯流流動3、濾液通過濾餅層的流動模型(1)、細管的全部流動空間等于顆粒床層的空隙容積(2)、細管的內表面積等于顆粒床層的全部表面積213-4-2過濾基本方程式泊謖葉公式二、過濾速率與過濾速度1、過濾速率單位時間獲得的濾液體積,m3/s康采尼方程223-4-2過濾基本方程式過濾速率單位時間獲得的濾液體積，單位為m3/s。過濾速度單位時間通過單位過濾面積的濾液體積，單位m/s。23三、過濾阻力濾餅的比阻反映了顆粒形狀、尺寸及床層的空隙率對濾液流動的影響，為單位厚度床層的阻力，單位1/m2。（一）濾餅阻力24濾餅的阻力單位1/m。因此三、過濾阻力25（二）介質的阻力仿照式3-61可以寫出濾液穿過過濾介質層的速度關系式：過濾介質阻力,1/m。三、過濾阻力26（三）過濾總阻力

假設過濾介質對濾液流動的阻力相當于厚度為Le的濾餅層的阻力，即把過濾介質與濾餅聯(lián)合起來考慮當量濾餅厚度虛擬濾餅厚度三、濾餅的阻力27注：一定操作條件下，以一定介質過濾一定懸浮液時，Le為定值；但同一介質在過濾不同懸浮液的操作中，Le值不同。三、濾餅的阻力則上式變?yōu)?8

任一瞬間的濾餅厚度與當時已經獲得的濾液體積之間的關系為：濾餅體積與相應的濾液體積之比，m3/m3四、過濾基本方程式29同理有過濾介質的當量濾液體積，虛擬濾液體積所以不可壓縮濾餅過濾的基本方程式為:（3-45）

四、過濾基本方程式30另外,若令則不可壓縮濾餅過濾的基本方程式可寫為:有（3-45a）四、過濾基本方程式單位過濾面積所得濾液體積單位過濾面積所得當量濾液體積31

對可壓縮濾餅，比阻在過濾過程中不再是常數，它是兩側壓力差的函數。（3-46）濾餅的壓縮性指數，量綱為一。一般情況下，s=0～1。對于不可壓縮濾餅，s=0。幾種典型物料的壓縮性指數值，列于表3－5中。四、過濾基本方程式32或最后可得過濾基本方程式四、過濾基本方程式33五、強化過濾的途徑1、開發(fā)新的過濾設備和過濾途徑，以適應物料特性；2、加快過濾速率以提高過濾機的生產能力：（1）改變懸浮液中顆粒的聚集狀態(tài)：i、添加凝聚劑、絮凝劑等對原料液進行預處理，使細小顆粒凝聚成較大顆粒；ii、調整物理條件：加熱、冷凍、超聲波振動、電磁場處理、輻射等。（2）改變?yōu)V餅結構：助濾劑（摻濾與預涂）；（3）采用機械的、水力的或電場人為地干擾或限制濾餅的增厚（動態(tài)過濾技術）（4）提高懸浮液溫度以降低濾液粘度、當s<1時增大過濾推動力、選擇阻力小的濾布34六、過濾操作方法1、恒壓過濾過濾速率會如何變化？2、恒速過濾過濾壓差會如何變化？3、工業(yè)上往往采用先恒速后恒壓的過濾方式，為什么？例題3-735對于一定的懸浮液，k可視為常數，表征過濾物料特性的常數，m4/N.S。令：過濾基本方程式（3-47b)（3-47c）

（3-48）3-4-3恒壓過濾363-4-3恒壓過濾K是由物料特性及過濾壓力差所決定的，恒壓過濾時其為常數，稱為過濾常數，其單位為m2/s。

令：過濾基本方程式變?yōu)椋?/p>

或37積分，得到

恒壓過濾方程式3-4-3恒壓過濾38當過濾介質阻力可以忽略時，

恒壓過濾方程式3-4-3恒壓過濾39過濾常數

介質常數

由實驗測定

3-4-3恒壓過濾40恒速過濾

恒速過濾是維持過濾速率恒定的過濾方式。在這種情況下，由于隨著過濾的進行，濾餅不斷增厚，過濾阻力不斷增大，要維持過濾速率不變，必須不斷增大過濾的推動力——壓力差。

常數3-4-4恒速過濾與先恒速后恒壓的過濾41代入過濾基本方程式，得到

令：于是對不可壓縮濾餅進行恒速過濾時，其操作壓力差隨過濾時間成直線增高。3-4-4恒速過濾與先恒速后恒壓的過濾42先恒速后恒壓圖3-19先恒速后恒壓過濾裝置3-4-4恒速過濾與先恒速后恒壓的過濾43恒壓階段的過濾方程轉入恒壓操作后所經歷的過濾時間。轉入恒壓操作后所得的濾液體積。3-4-4恒速過濾與先恒速后恒壓的過濾44一、恒壓下的測定

過濾常數通常是在相同條件下，用相同物料，在小型實驗設備上進行恒壓過濾實驗而獲得。將恒壓過濾方程式直線的斜率為1/K，截距為

2qe/K

。變換為3-4-5過濾常數的測定45二、壓縮性指數s的測定

先求出若干過濾壓力差下的K值，然后對K－Δp數據加以處理上式兩端取對數，得K與Δp的關系在雙對數坐標上標繪時應是直線，直線的斜率為(1-s)，截距為lg(2k)。3-4-5過濾常數的測定46一、板框壓濾機3-4-6過濾設備47一、板框壓濾機3-4-6過濾設備48一、板框壓濾機3-4-6過濾設備49一、板框壓濾機動畫173-4-6過濾設備50二、加壓葉濾機動畫273-4-6過濾設備51三、轉筒真空過濾機3-4-6過濾設備52練習題目思考題作業(yè)題:6、7、81.從過濾基本方程式分析提高過濾速率的措施。2.板框壓濾機與葉濾機的洗滌方式有什么差別？3.試分析過濾壓力差對過濾常數的影響。533-4-7濾餅洗滌1、濾餅洗滌時間

2、濾餅洗滌速率與洗滌方式有關

（1）、葉濾機采用置換洗滌法，其洗滌速率為：

543-4-7濾餅洗滌（2）、板框過濾機采用橫穿洗滌法，其洗滌速率為：553-4-8過濾機生產能力一、間歇過濾機生產能力

一個循環(huán)的操作時間T為：

生產能力Q(m3/h)的計算式為：

思考：間歇過濾機的最大生產能力如何計算？

56習題1、流體通過固定床，顆粒的平均直徑是以為

基準的，理由是

。若流體一定的流速通過一大小均勻且規(guī)則裝填的球形顆粒固定床，球形顆粒直徑越小，流體通過床層的壓降越

，原因是

。工業(yè)上康采尼方程常用來

。

2、葉濾機中如濾餅不可壓縮，當過濾壓差增加一倍時，過濾速率是原來的

倍。粘度增加一倍時，過濾速率是原來的

倍。3、對真空回轉過濾機，轉速越大，則每轉一周所得的濾液量就越

。該濾機的生產能力越

。4、某葉濾機恒壓操作，過濾終了時，V=0.5m3，=1h,Ve=0，濾液粘度是水的4倍?，F在同一壓強下再用清水洗滌，Vw=0.1m3，則洗滌時間為

。比表面積相等流動阻力與顆粒層固體表面積大小有關大壓降隨比表面積增大而增大測顆粒的比表面積20.5少大0.1h575、含塵氣體通過長為4m，寬3m，高1m的降塵室，已知顆粒的沉降速度為0.03m/s，則該降塵室的生產能力為

m3/s6、重力場中，微小顆粒的沉降速度與下列因素無關：

。（A)顆粒幾何形狀；（B)流體與顆粒的密度；（C）顆粒幾何尺寸；（D)流體的流速。7、推導過濾基本方程式時一個最基本的依據是：

。（A)固體顆粒的沉降速度；（B)流體的層流流動；（C）濾餅的可壓縮性；（D)過濾介質的比阻。8、玻璃管長1米，充滿油。從頂端每隔1秒加入1滴水，問：A、油靜止，當加入第21滴水時，第一滴正好到底部，則沉降速度為

m/sB、現油以0.01m/s的速度向上運動，加水速度不變，則管內有水

滴。0.0525D58二、某懸浮液用板框過濾機過濾，該板框過濾機有濾框28個，尺寸為635×635×25mm，操作表壓恒定為98.1kPa,該條件下，K=1×10-5m2/s，qe=0.02m3/m2。已知濾餅與濾液的體積比為0.075,試求：（1）濾餅充滿濾框需要多少時間？0.96h（2