第三章機(jī)械分離和固體流態(tài)化

第三章

非均相物系的分別和固體流態(tài)化3.2顆粒及顆粒床層的特性3.3沉降分別3.4過濾3.5離心機(jī)3.6固體流態(tài)化本章主要內(nèi)容3.1

概述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)部各處組成勻整且不存在相界面下冊(cè)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非均相混合物的分別方法機(jī)械方法沉降分別過濾：顆粒相對(duì)于流體運(yùn)動(dòng)重力離心力：流體相對(duì)于顆粒床層運(yùn)動(dòng)重力離心力壓強(qiáng)差非均相混合物的分別目的1、收集分散物質(zhì)

2、凈化分散介質(zhì)3、環(huán)境愛護(hù)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要參數(shù)為顆粒的形態(tài)、大?。w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球形顆粒球形顆粒的形態(tài)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)非球形顆粒（1）體積當(dāng)量直徑（2）形態(tài)系數(shù)對(duì)非球形顆粒，總有φS﹤1，顆粒的形態(tài)越接近球形，φS越接近1；對(duì)球形顆粒，φS＝1。粒度分布粒度分布：不同粒徑范圍內(nèi)所含粒子的個(gè)數(shù)或質(zhì)量稱為粒度分布測(cè)量方法：篩分法、顯微鏡法、沉降法、電感應(yīng)法、激光衍射、動(dòng)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(gè)或多個(gè)不同粒級(jí)產(chǎn)品的過程。操作：篩分時(shí)，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。顆粒的平均粒徑顆粒平均粒徑的計(jì)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(hào)篩之間的顆粒質(zhì)量為Gi，篩分直徑為di。依據(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?jǐn)?shù)――篩分直徑,m

3.2.2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）若忽視顆粒之間接觸面積的影響，則ab＝a(1-ε)床層比表面積也可依據(jù)積累密度估算，即

、分別是積累密度和真實(shí)密度，kg/m3，3.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(rèn)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流體通過床層流淌的壓降1．床層的簡(jiǎn)化模型簡(jiǎn)化模型是將床層中不規(guī)則的通道假設(shè)成長(zhǎng)度為L(zhǎng)，當(dāng)量直徑為的一組平行細(xì)管，并且規(guī)定：（1）細(xì)管的全部流淌空間等于顆粒床層的空隙容積；（2）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(jiǎn)化條件下，以1m3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(xì)管流淌的壓降為：u1與按整個(gè)床層截面計(jì)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)，其值由試驗(yàn)測(cè)定。3．模型參數(shù)的試驗(yàn)測(cè)定模型的有效性需通過試驗(yàn)檢驗(yàn)，模型參數(shù)需試驗(yàn)測(cè)定（1）康采尼（Kozeny）的試驗(yàn)結(jié)果康采尼通過試驗(yàn)發(fā)覺，在流速較低，床層雷諾數(shù)Reb﹤2的滯流狀況下（2）歐根（Ergun）的試驗(yàn)結(jié)果歐根在較寬的Reb范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，獲得如下關(guān)聯(lián)式其試驗(yàn)范圍為Reb＝0.17～330當(dāng)Reb﹤3時(shí)，式右邊其次項(xiàng)可忽視；當(dāng)Reb﹥100時(shí)，右邊第一項(xiàng)可略去。3.3沉降分別沉降運(yùn)動(dòng)發(fā)生的條件：固體顆粒與流體之間存在密度差，同時(shí)有外力場(chǎng)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(duì)顆粒進(jìn)行受力分析：沉降速度加速段等速段勻速階段中顆粒相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度為沉降速度

當(dāng)a=0時(shí)，u=

,則2）阻力系數(shù)用上式計(jì)算沉降速度時(shí)，首先須要確定阻力系數(shù)ζ值。依據(jù)因次分析，ζ是顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)雷諾準(zhǔn)數(shù)Ret的函數(shù)，由試驗(yàn)測(cè)得的綜合結(jié)果見圖p1453-2。圖中，φs為球形度，Ret為雷諾準(zhǔn)數(shù)從圖中可以看出，對(duì)球形顆粒（φs＝1），曲線按Ret值大致分為三個(gè)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(dá)如下：層流區(qū)層流區(qū)過渡區(qū)3）影響沉降的因素由于壁面效應(yīng)，實(shí)際沉降速度小于自由沉降速度。流體的黏度

顆粒的體積分?jǐn)?shù)壁面效應(yīng)球形度越小，沉降速度越??；顆粒形態(tài)的影響4）沉降速度的計(jì)算在給定介質(zhì)中顆粒的沉降速度可接受以下計(jì)算方法：（1）試差法

假設(shè)流型

計(jì)算檢驗(yàn)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

計(jì)算ut時(shí)，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，最終由Ret反求，即4）沉降速度的計(jì)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

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（2）多層降塵室理論上降塵室的生產(chǎn)實(shí)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(jì)成扁平形，或在室內(nèi)均勻設(shè)置多層水平隔板，構(gòu)成多層降塵室多層降塵室的生產(chǎn)實(shí)力為2．重力沉降設(shè)備2）增稠器（沉降槽）對(duì)照重力場(chǎng)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(shí)，加速度很小，可近似作為勻速沉降處理3.3.2離心沉降Rep=dput/

1或2層流區(qū)分別因數(shù)是離心分別設(shè)備的重要指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分別器的構(gòu)造操作原理2．旋風(fēng)分別器的操作原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，造價(jià)低廉，沒有活動(dòng)部件，可用多種材料制造，操作范圍廣，分別效率較高。旋風(fēng)分別器的優(yōu)點(diǎn)評(píng)價(jià)旋風(fēng)分別器性能的兩個(gè)主要指標(biāo)：3、旋風(fēng)分別器的性能：4、旋風(fēng)分別器的結(jié)構(gòu)形式與選用近年來，為提高分別效率或降低壓降，在旋風(fēng)分別器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：接受細(xì)而長(zhǎng)的器身減小上渦流的影響消退下旋流影響排氣管和灰斗尺寸的合理設(shè)計(jì)

PV型粗旋風(fēng)分別器PV型外置旋風(fēng)分別器PV型單級(jí)旋風(fēng)分別器PV型一、二級(jí)旋風(fēng)分別器5、旋液分別器旋液分別器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是直徑小而圓錐部分長(zhǎng)旋液分別器不僅可用于懸浮液的增濃、分級(jí)，而且還可用于不互溶液體的分別、氣液分別以及傳熱、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：3.4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(dòng)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2．過濾介質(zhì)3.4.1過濾操作的基本概念

（1）對(duì)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(duì)其基本要求是具有足夠的機(jī)強(qiáng)度和盡可能小的流淌阻力，同時(shí)，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)

積累介質(zhì)多孔固體介質(zhì)

3.4.1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

不行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1）濾液通過濾餅層流淌的特點(diǎn)：液通道細(xì)小曲折，形成不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

流淌阻力漸漸加大，屬非穩(wěn)態(tài)操作。3.4.2過濾基本方程式

1．濾液通過餅層的流淌濾液的流淌大都在層流區(qū)1．濾液通過餅層的流淌2）濾液通過餅層流淌的數(shù)學(xué)描述濾液通過濾餅層的流淌，與在一般管內(nèi)的流淌相仿，可以簡(jiǎn)化成長(zhǎng)度為L(zhǎng)的一組平行細(xì)管?？挡赡峁矫枋?．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

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(duì)濾液流淌的阻力相當(dāng)于厚度為的濾餅層的阻力，即5．過濾基本方程式過濾過程中，餅厚L難以干脆測(cè)定，而濾液體V則易于測(cè)量，故用V來計(jì)算過濾速度更為便利。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(shí)已經(jīng)獲得的濾液體積之間的關(guān)系為L(zhǎng)A=υV

3.4.3恒壓過濾

恒壓過濾：過濾操作是在恒定壓力差下進(jìn)行令過濾時(shí)間濾液體積過濾時(shí)間濾液體積3.4.4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(jī)

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

不行壓縮濾餅3.4.4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

3.4.5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(cè)定2．壓縮性指數(shù)的測(cè)定過濾設(shè)備

3.4.6過濾設(shè)備按推動(dòng)力分按操作方式分間歇過濾機(jī)連續(xù)過濾機(jī)：轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)板框壓濾機(jī)加壓葉濾機(jī)1、板框過濾機(jī)3.4.6過濾設(shè)備濾框、濾板結(jié)構(gòu)：洗板板框壓濾機(jī)框非洗板洗板一個(gè)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(diǎn)：橫穿洗滌：Lw=2L屬間歇式置換洗滌：Lw=L2、加壓葉濾機(jī)濾葉結(jié)構(gòu)：一個(gè)操作循環(huán)：過濾、洗滌、卸渣、整理重裝

特點(diǎn)：生產(chǎn)實(shí)力：操作周期：

思索：V、Ve、A的含義是什么？與板框機(jī)相同其中：與板框機(jī)相同3.4.6過濾設(shè)備置換洗滌：Lw=L屬連續(xù)式過濾、洗滌、吹松、刮渣3、回轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)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(zhǎng)、徑之比約為1/22，濾布---蒙在筒外壁上。安排頭---轉(zhuǎn)動(dòng)盤、固定盤構(gòu)造：一個(gè)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(diǎn)：3.4.7、濾餅的洗滌特點(diǎn)：洗滌時(shí)推動(dòng)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(dòng)力相同，則：3.4.7、濾餅的洗滌2、洗滌時(shí)間w

1、板框過濾機(jī)生產(chǎn)實(shí)力：操作周期：

單位時(shí)間內(nèi)獲得的濾液量或?yàn)V餅量。其中：思索：V、Ve、A的含義是什么？3.4.8過濾機(jī)的生產(chǎn)實(shí)力1、板框過濾機(jī)最佳操作周期：

生產(chǎn)實(shí)力最大時(shí)的操作周期其中：3.4.8過濾機(jī)的生產(chǎn)實(shí)力若介質(zhì)阻力忽視不計(jì)，則(A)3.4.8過濾機(jī)的生產(chǎn)實(shí)力代入式(A)得：------最佳操作周期

當(dāng)D<+w時(shí)，dQ/dV>0；

D>+w時(shí)，dQ/dV<0故D＝+w時(shí)，Q有最大值（=w，介質(zhì)阻力忽視不計(jì)）故3.4.8過濾機(jī)的生產(chǎn)實(shí)力屬間歇式置換洗滌：Lw=L2、葉濾機(jī)濾葉結(jié)構(gòu)：一個(gè)操作循環(huán)：過濾、洗滌、卸渣、整理重裝

特點(diǎn)：生產(chǎn)實(shí)力：操作周期：

思索：V、Ve、A的含義是什么？與板框機(jī)相同其中：與板框機(jī)相同3.4.8過濾機(jī)的生產(chǎn)實(shí)力比照板框過濾機(jī)：最佳操作周期：

若介質(zhì)阻力忽視不計(jì)，則3.4.8過濾機(jī)的生產(chǎn)實(shí)力（=w，介質(zhì)阻力忽視不計(jì)）3.4.8過濾機(jī)的生產(chǎn)實(shí)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?jǐn)?shù)，則生產(chǎn)實(shí)力：操作周期：

思索：V、Ve、A的含義是什么？若介質(zhì)阻力忽視不計(jì)，則3.4.8過濾機(jī)的生產(chǎn)實(shí)力可見：但這類方法受到一定的限制

3.4.8過濾機(jī)的生產(chǎn)實(shí)力離心過濾機(jī)分為立式和臥式兩種。離心過濾機(jī)是一種利用物料在轉(zhuǎn)鼓表面受到的離心力的分力進(jìn)行過濾的全自動(dòng)過濾機(jī)。離心過濾機(jī)生產(chǎn)實(shí)力大、適應(yīng)范圍廣，適用于分別固相顆粒＞0.05mm的易過濾懸浮液。3.5離心機(jī)例1某板框過濾機(jī)有5個(gè)濾框，框的尺寸為63563525mm。過濾操作在20℃、恒定壓差下進(jìn)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、重整等協(xié)助時(shí)間為10分鐘。試求框全充溢所需時(shí)間和生產(chǎn)實(shí)力?，F(xiàn)改用一臺(tái)回轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)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(zhǎng)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(jī)同樣的生產(chǎn)實(shí)力？假設(shè)濾餅不行壓縮。習(xí)題課解：以一個(gè)框?yàn)榛鶞?zhǔn)進(jìn)行計(jì)算?？蛉湟鐣r(shí)濾餅