化工原理B（下）：第三章 機(jī)械分離

1第三章機(jī)械分離(非均相混合物的分離)23-1引言一、機(jī)械分離通過機(jī)械力（重力、離心力或壓差）分離非均相混合物的單元操作。二、機(jī)械分離的目的及重要性使原料得到提純和凈化獲得中間產(chǎn)品或成品回收有用物質(zhì)機(jī)械分離在環(huán)境保護(hù)方面具有重要的作用三、機(jī)械分離的常用方法1.篩分2.沉降3.過濾3沉降:(1)依靠某種作用在粒子上的力(重力、離心力）（2）利用非均相混合物中各物質(zhì)的ρ差異（3）使之發(fā)生相對運(yùn)動，而將不同物質(zhì)分離的過程沉降過程與物理學(xué)中的自由落體是否相同？它們間有何區(qū)別？區(qū)別：沉降：流體對下落固體顆粒的阻力不能忽略d=0.1~300m自由落體：流體對下落固體顆粒的阻力可以忽略d>300m因?yàn)槌两狄罁?jù)的有重力或離心力，重力沉降離心沉降所以沉降又可分為第二節(jié)沉降分離

4一固體顆粒在流體中的沉降運(yùn)動

1．顆粒沉降運(yùn)動中的受力分析

d，

s的球形顆粒(1)作用力重力離心力（一）重力沉降原理—沉降速度5(2)浮力重力場離心力場(3)阻力兩種阻力：包括表皮阻力和形體阻力。當(dāng)顆粒速度很小時(shí)，流體對球的運(yùn)動阻力主要是粘性摩擦或表皮阻力。若速度增加，便有旋渦出現(xiàn)，即發(fā)生邊界層分離，表皮阻力讓位于形體阻力。阻力大小的計(jì)算仿照管路阻力的計(jì)算，即認(rèn)為阻力與相對運(yùn)動速度的平方成正比。672．沉降速度與阻力系數(shù)

（1）重力沉降速度u0

總合力=重力-浮力-阻力=顆粒質(zhì)量×加速度

8重、浮一定，u

，阻力，加速度加速度=0時(shí)，u=u0——沉降速度9（2）離心沉降速度

10—顆粒實(shí)際運(yùn)動速度在徑向上的分量—方向：由圓心指向外；—軌跡：逐漸擴(kuò)大的螺旋線，11（3）公式成立假定條件—其它因素對u0的影響①顆粒為球形；

②顆粒沉降時(shí)彼此相距較遠(yuǎn)，互不干擾—自由沉降③容器壁對沉降的阻滯作用可以忽略即④顆粒直徑不能小到受流體分子運(yùn)動的影響即（4）阻力系數(shù)因次分析

d—顆粒直徑,12阻力系數(shù)~Re0關(guān)系圖13①層流區(qū)(Stokes區(qū))

—可以從理論上推導(dǎo)出,可以近似用到Re0=2從Stokes公式可知:表皮阻力占主導(dǎo)地位不發(fā)生邊界層分離—Stokes公式(2)(1)14②過渡區(qū)(Allen區(qū))

開始發(fā)生邊界層分離顆粒后部形成旋渦——尾流尾流區(qū)壓強(qiáng)低形體阻力增大15③湍流區(qū)(牛頓區(qū))

形體阻力占主導(dǎo)地位，表皮阻力可以忽略阻力

u2阻力系數(shù)與Re0無關(guān)④Re0>2105近似取

=0.1離心力場中的ur，將g替換為16（5）離心沉降與重力沉降的比較①作用力不同②作用力的方向不同③重力沉降速度是顆粒運(yùn)動的絕對速度離心沉降速度不是顆粒運(yùn)動的絕對速度,而是絕對速度在徑向上的分量重力沉降方向指向地心離心沉降方向沿旋轉(zhuǎn)半徑從中心指向的方向

(6)分離因數(shù)—離心沉降設(shè)備的重要性能指標(biāo)17二重力沉降分離設(shè)備3-5．降塵室

18（1）工作原理

氣體入室減速顆粒的沉降運(yùn)動&隨氣體運(yùn)動沉降運(yùn)動時(shí)間<氣體停留時(shí)間分離說明①d

，容易除去②氣量V

，容易除去（2）能(100%)被除去的最小顆粒直徑

100%去除——室頂?shù)绞业?9所需沉降時(shí)間=H/u0在室內(nèi)停留時(shí)間=L/u分離滿足的條件：顆粒被分離所需最低沉降速度假設(shè)沉降是在層流區(qū)則在降沉室內(nèi)能被分離的最小顆徑20說明①dmin~顆粒、氣體性質(zhì)，氣體處理量，底面積②考慮是dmin

，一般認(rèn)為處在層流區(qū)（3）最大處理量（生產(chǎn)能力）

說明①Vmax~某一粒徑能100%被去除②Vmax~(100%去除的)d,A0，與H無關(guān)③

對于d'<dmin的顆粒被分離的分率h—在停留時(shí)間內(nèi)直徑為d'的顆粒的沉降垂直距離—直徑為d'的顆粒的沉降速度2122三離心沉降設(shè)備重力沉降的不足與離心沉降的優(yōu)勢設(shè)備體積小而分離效率高3-9．旋風(fēng)分離器

一、構(gòu)造與工作原理

圓筒、圓錐、矩形切線入口氣流獲得旋轉(zhuǎn)向下錐口向上，氣芯

頂部中央排氣口23顆粒器壁滑落各部分尺寸——按比例(見教材)二、旋風(fēng)分離器的主要性能

能被分離出的最小顆粒直徑——臨界直徑dc1、分離性能——評價(jià)分離性能的兩種不同方式有

分離效率

粒級效率

:混合物經(jīng)旋風(fēng)分離器后某一(范圍的)粒徑被分離出來的質(zhì)量分?jǐn)?shù)d>dc的顆粒

=1總效率

O：被分離出來的顆粒占全部顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)24

O與i2、壓降能量損失——進(jìn)氣管、排氣管、器壁、各個(gè)局部，氣旋常表示為阻力系數(shù)實(shí)測經(jīng)驗(yàn)三、選型與計(jì)算

—顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)25第三節(jié)過濾3-11過濾基本原理1

過濾固液混合，外力驅(qū)動，多孔介質(zhì)，顆粒截留，液體通過26說明：

名詞：過濾介質(zhì)；濾漿；濾渣(餅)；濾液

過程推動力：重力；壓力(差)；離心力

濾餅過濾與深層過濾

操作目的：固體或清凈的液體

洗滌——回收濾餅中殘存的濾液或除去其雜質(zhì)2.過濾介質(zhì)—支撐濾餅或截留顆粒，通過濾液27—要求流動阻力小，機(jī)械強(qiáng)度高①織物介質(zhì)—濾布(織物、網(wǎng))，5-65m，工業(yè)應(yīng)用廣泛②堆積介質(zhì)—固體顆?；蚶w維等堆積，—深層過濾

③多孔固體介質(zhì)：具有微細(xì)孔道的固體，1-3m④多孔膜：有機(jī)膜、無機(jī)膜。1m以下

3．濾餅的可壓縮性和助濾劑

濾餅受壓

，

，流動阻力助濾劑——加入，使濾餅疏松而堅(jiān)硬283-12過濾設(shè)備1．板框過濾機(jī)

（1）結(jié)構(gòu)與工作原理

按操作方式間歇過濾機(jī)—壓濾機(jī),葉濾機(jī)連續(xù)過濾機(jī)—轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)(多采用真空操作)(可在較高的壓強(qiáng)下操作)結(jié)構(gòu)濾板濾框洗滌板非洗滌板29301-非洗滌板；2-框；3-洗滌板；組裝:1-2-3-2-1-2-3-2-1-2-3-2-1濾布—框的兩側(cè)濾漿由總管入框

框內(nèi)形成濾餅

濾液穿過餅和布

經(jīng)每板上旋塞排出(明流)

從板流出的濾液匯集于某總管排出(暗流)過濾31橫穿洗滌：洗滌液由總管入板

濾布

濾餅

濾布

非洗滌板

排出洗滌面=(1/2)過濾面積,洗滌液行程與濾液相同。洗滌面=過濾面置換洗滌：說明①間歇操作——裝合、過濾、洗滌、卸渣、整理②主要優(yōu)缺點(diǎn)

板框壓濾機(jī)構(gòu)造簡單，過濾面積大而占地省，過濾壓力高，便于用耐腐蝕材料制造，操作靈活，過濾面積可根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)調(diào)節(jié)。主要缺點(diǎn)是間歇操作，勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。洗滌液穿過的濾餅厚度=過濾終了時(shí)濾液穿過厚度的2倍32332．葉濾機(jī)

3．轉(zhuǎn)筒過濾機(jī)

（1）結(jié)構(gòu)與工作原理

34水平轉(zhuǎn)筒分為若干段，濾布蒙于側(cè)壁段—管—分配頭轉(zhuǎn)動盤(多孔)——分配頭固定盤(凹槽2、凹槽1、凹槽3)—三個(gè)通道的入口濾液真空管洗水真空管吹氣管工作過程—跟綜一段①

當(dāng)浸入濾漿中時(shí)，對應(yīng)濾布—對應(yīng)管—轉(zhuǎn)動盤孔—凹槽2—濾液真空管—濾液通道—過濾35②當(dāng)位于水噴頭下，對應(yīng)濾餅、濾布—對應(yīng)管—轉(zhuǎn)動盤孔—凹槽1—洗水真空管—洗水通道—洗滌③吹氣管—凹槽3—轉(zhuǎn)動盤孔—對應(yīng)管—濾布—濾餅—壓縮空氣通道—吹松④

遇到刮刀—卸渣⑤兩凹槽之間的空白處：沒有通道——停工—兩區(qū)不致串通主要優(yōu)缺點(diǎn)：

轉(zhuǎn)筒過濾機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)是操作自動，對處理量大而容易過濾的料漿特別適宜。其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)筒體積龐大而過濾面積相形之下嫌?。挥谜婵瘴?，過濾推動力不大，懸浮液中溫度不能高。363-13過濾基本理論

1.顆粒（濾餅）物理模型與基本參數(shù)物理模型:

顆粒（濾餅）一組平行細(xì)管—流體通道①細(xì)管內(nèi)表面=濾餅內(nèi)顆粒全部表面②細(xì)管的總體積=濾餅內(nèi)空隙體積基本參數(shù)(1)空隙率

：濾餅中空隙體積/濾餅總體積(2)比表面積S0：顆粒表面積/顆粒體積(3)孔道(細(xì)管)平均長度le：濾餅厚度，即le=K0L37(4)孔道(細(xì)管)當(dāng)量直徑de：(5)濾液流速(細(xì)管中）:382.過濾速度及其表達(dá)(1)定義A—過濾面積；

—過濾時(shí)間；V—濾液體積說明u1與u的關(guān)系(2)過程推動力——濾漿側(cè)和濾液側(cè)的壓差濾餅壓降介質(zhì)壓降u—瞬時(shí)過濾速度，m3/s·m2，m/s39

(3)

p1的表達(dá)——Hagen-Poiseuille方程(4)濾餅層的阻力

le(L)

，如p不變，則u—瞬時(shí)速度

恒壓降速，恒速升壓說明其中r——濾餅的比阻,取決濾餅的性質(zhì)40u=濾餅層推動力/濾餅層阻力。濾餅阻力~濾餅層的性質(zhì)和L及濾液的

。說明(5)過濾介質(zhì)的阻力近似：阻力~厚度為Le的一層濾餅(6)總推動力與總阻力41(7)過濾速度的兩種具體表達(dá)形式定義:AL=cV—獲取單位體積濾液所得濾餅體積系數(shù)：c=AL/VVe—與Le對應(yīng)的濾液體積。不存在，虛擬量，

~濾餅的性質(zhì)及過濾介質(zhì)形式1—過濾基本方程式(不可壓縮濾餅)~濾漿濃度與顆粒性質(zhì)(3-40)423(恒壓)過濾方程式

積分形式1c、r、

~與時(shí)間無關(guān)(對于一定的懸浮液為常數(shù))Ve、A、p常數(shù)——過濾常數(shù)（m2/s）另一寫法其中43說明①過濾方程式——V~

的關(guān)系，拋物線44②關(guān)于過濾常數(shù)K和qe——濾餅的(不

)可壓縮性，③K,qe~p的關(guān)系平均r~p:s—壓縮性指數(shù),r0_單位壓強(qiáng)差下濾餅的比阻為常數(shù);不可壓縮，s=0④可壓縮濾餅的過濾基本方程式45對過濾方程進(jìn)行微分微分用增量代替連續(xù)測定，q算出一系列及對應(yīng)q/q~q作圖，直線斜率=2/K，截距=2qe/K原理二過濾方程同除以Kq測量變量相同4．過濾常數(shù)的實(shí)驗(yàn)測定

原理一46/q~q作圖，直線斜率=1/K，截距=2qe/K討論①實(shí)驗(yàn)條件必須與生產(chǎn)條件一致——過濾機(jī)設(shè)計(jì)在不同p下測多個(gè)常數(shù)②對一定的懸浮液

,c一定，一定p測出Kr；多次

一組（r,p）雙對數(shù)坐標(biāo)，直線斜率=s,

截距=r047四過濾計(jì)算

1．間歇過濾機(jī)的計(jì)算

（1）操作周期與生產(chǎn)能力

操作周期總時(shí)間總時(shí)間過濾時(shí)間洗滌時(shí)間卸渣、清理、裝合設(shè)計(jì)和操作計(jì)算要基于

C生產(chǎn)能力：一個(gè)操作周期中，單位時(shí)間內(nèi)得到的濾液或?yàn)V餅體積設(shè)計(jì)型計(jì)算:已知V和θ求A(解題指南P73例3-1、3-2）操作型計(jì)算:已知A求Q48已知K，qe，由過濾方程，

FVFQ（2）洗滌速率和洗滌時(shí)間

一般認(rèn)為：洗滌液量濾液量，即假定：洗滌液粘度與濾液相同；洗滌壓力與過濾時(shí)相同

洗滌速率：單位時(shí)間內(nèi)通過濾餅層的洗滌液體積洗滌速率恒定

濾餅厚度不變①葉濾機(jī)的洗滌速率和洗滌時(shí)間——置換洗滌49對置換洗法50②板框壓濾機(jī)的洗滌速度和洗滌時(shí)間——橫穿洗滌

洗滌時(shí)間51若不滿足兩個(gè)假定，則對置換洗法:對橫穿洗滌:：52寫成通式:53，（3）最佳操作周期在一個(gè)操作周期中,

R—一般固定

F

，V，L,,Q可能

F

，V，L,但R所占比例大，Q可能在一個(gè)最優(yōu)的過濾時(shí)間，使Q最大可以證明：

F+W=R(介質(zhì)阻力不計(jì)),則Q可達(dá)最大(見書P109-110)54介質(zhì)阻力有計(jì)時(shí)的最佳操作周期與最大生產(chǎn)能力(見指南P68-70)生產(chǎn)能力：(a)(b)55(指南3-37）56將式(a)式(b)帶入（3-37）得【指南（3-38）】2．連續(xù)過濾機(jī)的計(jì)算(1)操作周期與過濾時(shí)間間歇過濾機(jī)：部分時(shí)間，全部面積—

過濾連續(xù)過濾機(jī)：部分面積，全部時(shí)間—

過濾轉(zhuǎn)筒過濾機(jī)，每秒n周，則

C=1/n—每周用時(shí)轉(zhuǎn)筒表面浸入分?jǐn)?shù)：57一個(gè)周期中全部面積經(jīng)歷過濾時(shí)間部分面積，全部時(shí)間—

全部面積，部分時(shí)間

CA（2）生產(chǎn)能力

58當(dāng)濾布阻力可以忽略Q~A，，n說明

，過濾面積，其它面積，操作可能達(dá)不到要求n

，

F

，L，難以卸渣，功率消耗59例題2在試驗(yàn)裝置中過濾鈦白的水懸浮液，過濾壓力為3kgf/cm2

（表壓），求得過濾常數(shù)如下：K=510-5m2/s，qe=0.01m3/m2。又測出濾渣體積與濾液體積之比c