非均相物系的分離和固體流態(tài)化

1、第三章 非均相物系的分離和固體流態(tài)化,均相混合物,非均相混合物,物系內(nèi)部各處物料性質(zhì)均勻而且不存在相界面的混合物。例如：互溶溶液及混合氣體,物系內(nèi)部有隔開(kāi)兩相的界面存在且界面兩側(cè)的物料性質(zhì)截然不同的混合物。,固體顆粒和氣體構(gòu)成的含塵氣體,固體顆粒和液體構(gòu)成的懸浮液,不互溶液體構(gòu)成的乳濁液,液體顆粒和氣體構(gòu)成的含霧氣體,3.1 概述,分散相 分散物質(zhì),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,連續(xù)相連續(xù)相

2、介質(zhì),包圍著分散相物質(zhì)且處于連續(xù)狀態(tài)的流體 如：氣態(tài)非均相物系中的氣體 液態(tài)非均相物系中的連續(xù)液體,分離,沉降,過(guò)濾,3.2 顆粒及顆粒床層的特性,2. 非球形顆粒： ① 體積當(dāng)量直徑：,② 球形度：,對(duì)正方體： φ = 0.805對(duì)正圓柱體： φ = 0.874對(duì)一般顆粒： φ = 0.6 - 0.7液體顆粒（在另一液體中） φ = 0.95 - 0.98 或 φ ≈ 1.0,1. 球形顆粒： 顆粒體

3、積、表面積和比表面積都可用顆粒的直徑來(lái)表示。,2). 標(biāo)準(zhǔn)篩：—— 泰勒篩 篩號(hào)：（目數(shù)）—— 每英寸篩網(wǎng)上的孔數(shù)。3). 粒度分布： 即表示某一粒度（粒徑）或某一粒徑范圍的顆粒占總顆粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的一種函數(shù)關(guān)系。常用粒度分布曲線圖表示。,1). 粒度尺寸的表示：,粗顆粒：mm細(xì)顆粒：篩孔號(hào)表示超細(xì)顆粒：μm,,粒度的測(cè)量方法：,篩析統(tǒng)計(jì)測(cè)量法沉降速度計(jì)算法,,3. 顆粒群特性,② 體積平均粒徑：,

4、③ 比表面平均粒徑（又稱邵特Sauter平均直徑）,4). 顆粒的平均粒徑： ① 長(zhǎng)度平均粒徑（算術(shù)平均粒徑）,,沉降,在某種力場(chǎng)中利用分散相和連續(xù)相之間的密度差異，使之發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)分離的操作過(guò)程。,重力,慣性離心力,1、沉降速度,1）球形顆粒的自由沉降,設(shè)顆粒的密度為ρs，直徑為d，流體的密度為ρ，,3.3.1 重力沉降,3.3 沉降分離,重力,浮力,而阻力隨著顆粒與流體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度而變，可仿照流體流動(dòng)阻力的計(jì)

5、算式寫(xiě)為 ：,(a),顆粒開(kāi)始沉降的瞬間，速度u=0，因此阻力Fd=0，a→max 顆粒開(kāi)始沉降后，u ↑ →Fd ↑；u →ut 時(shí)，a=0 。等速階段中顆粒相對(duì)與流體的運(yùn)動(dòng)速度ut 稱為沉降速度。當(dāng)a=0時(shí)，u=ut，代入（a）式,——沉降速度表達(dá)式,2) 阻力系數(shù)ζ 通過(guò)因次分析法得知，ζ值是顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的雷諾數(shù)Ret的函數(shù)。 對(duì)于球形顆粒的曲線，按Ret值大致分為三個(gè)區(qū)： a

6、) 滯流區(qū)或托斯克斯(stokes)定律區(qū)（10 –4＜Ret<1）,——斯托克斯公式,——艾倫公式,c) 湍流區(qū)或牛頓定律區(qū)（Nuton）（103＜Ret ＜ 2×105）,——牛頓公式,b) 過(guò)渡區(qū)或艾倫定律區(qū)（Allen）（1＜Ret<103）,3) 影響沉降速度的因素 a）顆粒的體積濃度 在前面介紹的各種沉降速度關(guān)系式中，當(dāng)顆粒的體積濃度小于0.2%時(shí)，理論計(jì)算值的偏差在1%以內(nèi)，但當(dāng)顆粒濃度

7、較高時(shí)，由于顆粒間相互作用明顯，便發(fā)生干擾沉降，自由沉降的公式不再適用。b）器壁效應(yīng) 當(dāng)器壁尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒尺寸時(shí)，（例如在100倍以上）容器效應(yīng)可忽略，否則需加以考慮。,c）顆粒形狀的影響,球形度,對(duì)于球形顆粒，φs=1，顆粒形狀與球形的差異愈大，球形度φs值愈低對(duì)于非球形顆粒，雷諾準(zhǔn)數(shù)Ret中的直徑要用當(dāng)量直徑de代替 。,顆粒的球形度愈小，對(duì)應(yīng)于同一Ret值的阻力系數(shù)ζ愈大但φs值對(duì)ζ的影響在滯流區(qū)并不顯著，隨著Re

8、t的增大，這種影響變大。,4) 沉降速度的計(jì)算 1）試差法,假設(shè)沉降屬于層流區(qū),方法：,Ret＜1,Ret＞1,艾倫公式,2) 摩擦數(shù)群法,令,因ζ是Ret的已知函數(shù)， ζ Ret2必然也是Ret的已知函數(shù)，ζ ～Ret曲線便可轉(zhuǎn)化成 ζ Ret2～Ret曲線。 計(jì)算ut時(shí)，先由已知數(shù)據(jù)算出ζ Ret2的值，再由ζ Ret2～Ret曲線查得Ret值，最后由Ret反算ut 。,圖3-3 及

9、 關(guān)系曲線,,,,,計(jì)算顆粒的直徑d ：令ξ與Ret-1相乘，,將ξRet-1～Ret關(guān)系繪成曲線 ，由ξRet-1值查得Ret的值；,判別流型,再根據(jù)沉降速度ut值計(jì)算d。,當(dāng)Ret=1 時(shí)，K=2.62，為斯托克斯區(qū)的上限 牛頓定律區(qū)的下限K值為69.1 。,圖3-3 及 關(guān)系曲線,,,,,例：試計(jì)算直徑為95μm，密度為3000kg/m3的固體顆粒分別在20℃的空氣和水中的自由沉

10、降速度。 解：1）在20℃水中的沉降。用試差法計(jì)算先假設(shè)顆粒在滯流區(qū)內(nèi)沉降 ，,附錄查得，20℃時(shí)水的密度為998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s,核算流型,原假設(shè)滯流區(qū)正確，求得的沉降速度有效。,2） 20℃的空氣中的沉降速度用摩擦數(shù)群法計(jì)算20℃空氣：ρ=⒈205 kg/m3，μ=⒈81×10-5 Pa.s根據(jù)無(wú)因次數(shù)K值判別顆粒沉降的流型,2.61＜K<69.1，沉降

11、在過(guò)渡區(qū)。用艾倫公式計(jì)算沉降速度。,a）降塵室的結(jié)構(gòu),b）降塵室的生產(chǎn)能力 降塵室的生產(chǎn)能力是指降塵室所處理的含塵氣體的體積流量，用Vs表示，m3/s。,降塵室內(nèi)的顆粒運(yùn)動(dòng),1) 降塵室,2、重力沉降設(shè)備,則表明，該顆粒能在降塵室中除去。,思考1：為什么氣體進(jìn)入降塵室后，流通截面積要擴(kuò)大？,思考2：為什么降塵室要做成扁平的？,顆粒在降塵室的停留時(shí)間,顆粒沉降到室底所需的時(shí)間,思考3：要想使某一粒度的顆粒在降塵室中被100%除去，必須滿

12、足什么條件？,,,<100%,思考5：粒徑比dmin小的顆粒，被除去的百分?jǐn)?shù)為多少？,粒徑比dmin大的顆粒，被除去的百分?jǐn)?shù)為多少？,100%,,注意：降塵室內(nèi)氣體流速不應(yīng)過(guò)高，以免將已沉降下來(lái)的顆粒重新?lián)P起。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，多數(shù)灰塵的分離，可取u<3m/s，較易揚(yáng)起灰塵的，可取u<1.5m/s。,可見(jiàn)：降塵室生產(chǎn)能力與底面積、沉降速度有關(guān)，而與降塵室高度無(wú)關(guān),2) 多層降塵室,n 層隔板的多層降塵室生產(chǎn)能力：,降塵室的計(jì)算

13、,降塵室的計(jì)算,,設(shè)計(jì)型,操作型,已知?dú)怏w處理量和除塵要求，求降塵室的大小,用已知尺寸的降塵室處理一定量含塵氣體時(shí)，計(jì)算可以完全除掉的最小顆粒的尺寸，或者計(jì)算要求完全除去直徑 d 的塵粒時(shí)所能處理的氣體流量。,例：擬采用降塵室除去常壓爐氣中的球形塵粒。降塵室的寬和長(zhǎng)分別為2m和6m,氣體處理量為1標(biāo)m3/s，爐氣溫度為427℃，相應(yīng)的密度ρ=0.5kg/m3，粘度μ=3.4×10-5Pa.s，固體密度ρS=400kg/m3操作

14、條件下，規(guī)定氣體速度不大于0.5m/s，試求：1．降塵室的總高度H，m；2．理論上能完全分離下來(lái)的最小顆粒尺寸；3. 粒徑為40μm的顆粒的回收百分率；4. 欲使粒徑為10μm的顆粒完全分離下來(lái)，需在降降塵室內(nèi)設(shè)置幾層水平隔板？,解：1）降塵室的總高度H,2）理論上能完全出去的最小顆粒尺寸,用試差法由ut求dmin。假設(shè)沉降在斯托克斯區(qū),核算沉降流型,∴原假設(shè)正確 3）粒徑為40μm的顆粒的回收百分率粒徑為40μm的顆粒定

15、在滯流區(qū) ，其沉降速度,氣體通過(guò)降沉室的時(shí)間為：,直徑為40μm的顆粒在12s內(nèi)的沉降高度為：,假設(shè)顆粒在降塵室入口處的爐氣中是均勻分布的，則顆粒在降塵室內(nèi)的沉降高度與降塵室高度之比約等于該尺寸顆粒被分離下來(lái)的百分率。直徑為40μm的顆粒被回收的百分率為：,4）水平隔板層數(shù) 由規(guī)定需要完全除去的最小粒徑求沉降速度， 再由生產(chǎn)能力和底面積求得多層降塵室的水平隔板層數(shù)。 粒徑為10μm的顆粒的沉降必在滯流區(qū)，,取3

16、3層,板間距為,降塵室,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但設(shè)備龐大、效率低，只適用于分離粗顆粒------直徑75?m以上的顆粒，或作為預(yù)分離設(shè)備。,2) 增稠器（沉降槽）,3) 分級(jí)器,例：本題附圖所示為一雙錐分級(jí)器，利用它可將密度不同或尺寸不同的粒子混合物分開(kāi)?；旌狭Ｗ佑缮喜考尤?，水經(jīng)可調(diào)錐與外壁的環(huán)形間隙向上流過(guò)。沉降速度大于水在環(huán)隙處上升流速的顆粒進(jìn)入底流，而沉降速度小于該流速的顆粒則被溢流帶出,利用雙錐分級(jí)器對(duì)方鉛礦與石英兩種粒子混合物分離。已知

17、：粒子形狀 正方體 粒子尺寸 棱長(zhǎng)為0.08~0.7mm方鉛礦密度 ρs1=7500kg/m3 石英密度 ρs2=2650kg/m320℃水的密度和粘度ρ=998.2kg/m3 μ=1.005×10-3 Pa·s假定粒子在上升水流中作自由沉降，試求

18、：1）欲得純方鉛礦粒，水的上升流速至少應(yīng)取多少m/s？2）所得純方鉛礦粒的尺寸范圍。,解：1)水的上升流速 為了得到純方鉛礦粒，應(yīng)使全部石英粒子被溢流帶出，應(yīng)按最大石英粒子的自由沉降速度決定水的上升流速。 對(duì)于正方體顆粒，先算出其當(dāng)量直徑和球形度。 設(shè) l 代表棱長(zhǎng)，Vp 代表一個(gè)顆粒的體積。,用摩擦數(shù)群法求最大石英粒子的沉降速度,φs=0.806，查圖3-3的，Ret=60，則：,2）純方鉛礦的尺寸范圍

19、 所得到的純方鉛礦粒尺寸最小的沉降速度應(yīng)等于0.0696m/s 用摩擦數(shù)群法計(jì)算該粒子的當(dāng)量直徑。,與此當(dāng)量直徑相對(duì)應(yīng)的正方體的棱長(zhǎng)為：,所得方鉛礦的棱長(zhǎng)范圍為0.2565~0.7mm。,φs=0.806，查圖3-3的，Ret=22，則：,離心沉降：,依靠慣性離心力的作用而實(shí)現(xiàn)的沉降過(guò)程 適于分離兩相密度差較小，顆粒粒度較細(xì)的非均相物系。,3.3.2 離心沉降,慣性離心力場(chǎng)與重力場(chǎng)的區(qū)別,1、離心沉降速度,離心力：,徑向向外

20、,浮力：(向心力）,指向中心,受力平衡時(shí)，徑向速度ur為該點(diǎn)的離心沉降速度。,表達(dá)式：重力沉降速度公式中的重力加速度改為離心加速度數(shù)值：重力沉降速度基本上為定值 離心沉降速度為絕對(duì)速度在徑向上的分量， 隨顆粒在離心力場(chǎng)中的位置而變。,離心沉降速度與重力沉降速度的比較,阻力系數(shù) ：層流時(shí),離心加速度ac=?2r=ut2/r不是常量 沉降過(guò)程沒(méi)有勻速段，但在小顆粒沉降時(shí)，加速度很小，可近似作

21、為勻速沉降處理,同一顆粒在同一種介質(zhì)中的離心沉降速度與重力沉降速度的比值為 ：,比值 Kc 就是粒子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)。 例如；當(dāng)旋轉(zhuǎn)半徑 R = 0.4m，切向速度uT = 20m/s時(shí)，求分離因數(shù)。,一般離心設(shè)備 Kc 在 5～2500 之間，高速離心機(jī) Kc 可達(dá)幾萬(wàn)～數(shù)十萬(wàn)。,2 旋風(fēng)分離器的工作原理,構(gòu)造及氣、固運(yùn)動(dòng)軌跡,圖3-7 標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器,圖3-8 氣體在旋風(fēng)分

22、離器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況,1）氣體處理量 旋風(fēng)分離器的處理量由入口的氣速?zèng)Q定，入口氣體流量是旋風(fēng)分離器最主要的操作參數(shù)。一般入口氣速ui在15～25m/s。 旋風(fēng)分離器性能的主要操作參數(shù)為氣體處理量，旋風(fēng)分離器的處理量,3 旋風(fēng)分離器的性能,判斷旋風(fēng)分離器分離效率高低的重要依據(jù)是臨界粒徑。臨界粒徑 ： 理論上在旋風(fēng)分離器中能完全分離下來(lái)的最小顆粒直徑。,① 臨界粒徑的計(jì)算式 a

23、) 進(jìn)入旋風(fēng)分離器的氣流嚴(yán)格按照螺旋形路線作等速運(yùn)動(dòng)，且切線速度恒定，等于進(jìn)口氣速uT=ui； b) 顆粒沉降過(guò)程中所穿過(guò)的氣流厚度為進(jìn)氣口寬度B,表示,c) 顆粒在滯流情況下做自由沉降，徑向速度可用,2）臨界粒徑,∵ρ<<ρS，故ρ可略去，而旋轉(zhuǎn)半徑R可取平均值Rm，并用進(jìn)口速度ui代替uT。,氣流中顆粒的離心沉降速度為：,顆粒到達(dá)器壁所需要的時(shí)間：,停留時(shí)間為：,對(duì)某尺寸的顆粒所需的沉降時(shí)間θt恰好等于停留時(shí)間θ，該

24、顆粒就是理論上能被完全分離下來(lái)的最小顆粒，用dc表示這種顆粒的直徑，即臨界粒徑 。,——臨界粒徑的表達(dá)式,② 臨界粒徑的影響因素,即臨界粒徑隨分離器尺寸的增大而增大。分離效率隨分離器尺寸的增大而減小。,b)入口氣速ui愈大，dc愈小，效率愈高。,3）分離效率,分離效率,,總效率ηo,進(jìn)入旋風(fēng)分離器的全部粉塵中被分離下來(lái)的粉塵的質(zhì)量分率,粒級(jí)效率ηpi,進(jìn)入旋風(fēng)分離器的粒徑為di的顆粒被分離下來(lái)的質(zhì)量分率,粒級(jí)效率ηpi與顆粒直徑di

25、 的對(duì)應(yīng)關(guān)系可通過(guò)實(shí)測(cè)得到，稱為粒級(jí)效率曲線。,如圖，臨界粒徑約為10μm。理論上，凡直徑大于10μm的顆粒，其粒級(jí)效率都應(yīng)為100%而小于10μm的顆粒，粒級(jí)效率都應(yīng)為零，圖中折線obcd。,直徑小于dc的顆粒中有些在旋風(fēng)分離器進(jìn)口處已很靠近壁面，在停留時(shí)間內(nèi)能夠達(dá)到壁面上有些在器內(nèi)聚結(jié)成了大的顆粒，因而具有較大的沉降速度直徑大于dc的顆粒氣體渦流的影響，可能沒(méi)達(dá)到器壁。 即使沉到器壁也會(huì)被重新?lián)P起,實(shí)測(cè)的粒級(jí)效率曲線，直

26、徑小于10μm的顆粒，也有可觀的分離效果，而直徑大于dc的顆粒，還有部分未被分離下來(lái),有時(shí)也把旋風(fēng)分離器的粒級(jí)效率標(biāo)繪成d/d50的函數(shù)曲線，d50為粒級(jí)效率為50%的顆粒直徑，稱為分割粒徑。 對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器,4) 壓強(qiáng)降,氣體通過(guò)旋風(fēng)分離器時(shí)，由于進(jìn)氣管、排氣管及主體器壁所引起的摩擦阻力，氣體流動(dòng)時(shí)的局部阻力以及氣體旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的動(dòng)能損失造成了氣體的壓強(qiáng)降，,對(duì)型式不同或尺寸比例不同的設(shè)備ζ的值也不同，要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)

27、旋風(fēng)分離器ζ=8.0。旋風(fēng)分離器的壓降一般在500～2000Pa內(nèi)。,為了保證高速氣流進(jìn)入旋風(fēng)分離器時(shí)形成較規(guī)則的旋轉(zhuǎn)流，減少局部渦流與死角，設(shè)計(jì)了傾斜螺旋進(jìn)口，螺殼形進(jìn)口、軸向進(jìn)口等。,旋風(fēng)分離器的形式多種多樣，主要是在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型式的旋風(fēng)分離器的改進(jìn)設(shè)計(jì)出來(lái)的。,進(jìn)氣口 ：,主體結(jié)構(gòu)與各部分尺寸比例的優(yōu)化：,根據(jù)流場(chǎng)與顆粒流動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)。,4 旋風(fēng)分離器的選型與計(jì)算,1）旋風(fēng)分離器的型式,一般細(xì)長(zhǎng)的旋風(fēng)分離器效率高，但

28、超過(guò)一定限度，分離效率的提高不明顯，而壓降卻增加。改進(jìn)下灰口 ：,防止已分離下來(lái)的粉塵重新?lián)P起 。,2）旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)計(jì)算 例如，已知?dú)怏w流量VS(m3/s)、原始含塵量C1(g/m3)、粉塵的粒度分布，除塵要求及氣體通過(guò)旋風(fēng)分離器允許的壓強(qiáng)降，要求選擇旋風(fēng)分離器的形式，確定旋風(fēng)分離器的直徑和個(gè)數(shù)。,步驟： a) 根據(jù)具體情況選擇合適型式，選型時(shí)應(yīng)在高效率與低阻力者之間作權(quán)衡，一般長(zhǎng)、徑比大且出入口截面小

29、的設(shè)備效率高且阻力大，反之，阻力小效率低。 b) 根據(jù)允許的壓降確定氣體在入口的流速ui c) 根據(jù)分離效率或除塵要求，求出臨界粒徑dC d) 根據(jù)ui和dc計(jì)算旋風(fēng)分離器的直徑D e) 根據(jù)ui與D計(jì)算旋風(fēng)分離器的處理量，再根據(jù)氣體流量確定旋風(fēng)分離器的數(shù)目。 f) 校核分離效率與壓力降,例：氣體中所含塵粒的密度為2000kg/m3，氣體的流量為5500標(biāo)m3/h，

30、溫度為500℃，密度為0.43kg/m3，粘度為3.6×10-5Pa.s，擬采用標(biāo)準(zhǔn)形式的旋風(fēng)分離器進(jìn)行除塵，要求分離效率不低于90%，且知相應(yīng)的臨界粒徑不大于10μm，要求壓降不超過(guò)700Pa，試決定旋風(fēng)分離器的尺寸與個(gè)數(shù)。 解： 根據(jù)允許的壓強(qiáng)降確定氣體在入口的流速ui,ζ=8.0,按分離要求，臨界粒徑不大于10μm，故取臨界粒徑dc=10μm來(lái)計(jì)算粒徑的尺寸。 由ui與dc計(jì)算D,

31、N=5,旋風(fēng)分離器的直徑 ：,D=4B=4×0.196=0.78m,根據(jù)D與ui計(jì)算每個(gè)分離器的處理量，再根據(jù)氣體流量確定旋風(fēng)分離器的數(shù)目。進(jìn)氣管截面積,每個(gè)旋風(fēng)分離器的氣體處理量為：,所需旋風(fēng)分離器的臺(tái)數(shù)為：,為滿足規(guī)定的氣體處理量、壓強(qiáng)降及分離效率三項(xiàng)指標(biāo)，需要直徑不大于0.78m的標(biāo)準(zhǔn)分離器至少三臺(tái)，為了便于安排，現(xiàn)采用四臺(tái)并聯(lián)。校核壓力降與分離效率四臺(tái)并聯(lián)時(shí)，每臺(tái)旋風(fēng)分離氣分?jǐn)偟臍怏w處理量為：,為了保證指定的分離

32、效率，臨界粒徑仍取為10μm。,含塵氣體在操作狀況下的總流量為：,校核ΔP,或者從維持指定的最大允許壓降數(shù)值為前提，求得每臺(tái)旋風(fēng)分離器的最小直徑,ΔP=700Pa ui=20.2m/s,校核臨界粒徑,根據(jù)以上計(jì)算可知，當(dāng)采用四個(gè)尺寸相同的標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)分離器并聯(lián)操作來(lái)處理本題中的含塵氣體時(shí)，只要分離器在（0.654～0.695m）范圍內(nèi)，便可同時(shí)滿足氣量、壓強(qiáng)降及效率指標(biāo)。倘若直徑D>0.695m，則在規(guī)定的氣量下不能達(dá)到規(guī)

33、定的分離效率。倘若直徑D<0.654m，則在規(guī)定的氣量下，壓降將超出允許的范圍。,3.4 過(guò)濾,過(guò)濾操作的基本概念過(guò)濾基本方程式恒壓過(guò)濾恒速過(guò)濾過(guò)濾常數(shù)的測(cè)定過(guò)濾設(shè)備濾餅的洗滌過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力,3.4.1 過(guò)濾操作的基本概念,過(guò)濾：利用能讓液體通過(guò)而截留固體顆粒的多孔介質(zhì)（過(guò)濾介質(zhì)），使懸浮液中固液得到分離的單元操作。濾漿：過(guò)濾操作中所處理的懸浮液。 濾液：通過(guò)多孔介質(zhì)的液體 。濾渣（濾餅）：被截留住的固體

34、物質(zhì),1、過(guò)濾的概念,實(shí)現(xiàn)過(guò)濾操作的外力有重力、壓力、離心力，化工中應(yīng)用最多的是壓力過(guò)濾。,2、過(guò)濾方式,深層過(guò)濾,濾餅過(guò)濾,固體顆粒的沉積發(fā)生在較厚的粒狀過(guò)濾介質(zhì)床層內(nèi)部，懸浮液中的顆粒直徑小于床層直徑，當(dāng)顆粒隨流體在床層的曲折孔邊穿過(guò)時(shí)，便粘附在過(guò)濾介質(zhì)上。 適用于懸浮液中顆粒甚小且含量甚微（固相體積分率在0.1%以下）的場(chǎng)合,固體顆粒成餅層狀沉積于過(guò)濾介質(zhì)表面，形成濾餅適用于處理固相含量稍高（固相體積分率在1%以上）的懸浮液。

35、,3、過(guò)濾介質(zhì) 過(guò)濾介質(zhì)是濾餅的支承物，應(yīng)具有下列條件： a) 多孔性，孔道適當(dāng)?shù)男。瑢?duì)流體的阻力小，又能截住要分離的顆粒。 b) 物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐熱，耐化學(xué)腐蝕。 c)足夠的機(jī)械強(qiáng)度，使用壽命長(zhǎng) d) 價(jià)格便宜工業(yè)常用的過(guò)濾介質(zhì)主要有 ： a) 織物介質(zhì)：又稱濾布，棉、毛、絲等天然纖維，玻璃絲和各種合成纖維制成的織物及金屬網(wǎng)。截留的粒徑的范圍從幾十μm到1μm。 優(yōu)點(diǎn)：織物介質(zhì)薄，阻力小，清洗與更新方便，價(jià)

36、格比較便宜，是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的過(guò)濾介質(zhì)。,b)多孔固體介質(zhì)：如素?zé)沾?，燒結(jié)金屬．塑料細(xì)粉粘成的多 孔塑料，棉花餅等。這類介質(zhì)較厚，孔道細(xì) 阻力大，能截留1～3μm的顆粒。c) 堆積介質(zhì)：由各種固體顆粒（砂、木炭、石棉粉等）或非編織

37、 的纖維（玻璃棉等）堆積而成，層較厚。d) 多孔膜：由高分子材料制成，膜很?。◣资蘭到200μm）， 孔很小，可以分離小到0.05μm的顆粒，應(yīng)用多孔膜 的過(guò)濾有超濾和微濾。,4、助濾劑,濾餅,,不可壓縮濾餅:,顆粒有一定的剛性，所形成的濾餅并不因所受的壓力差而變形,可壓縮濾餅:,顆粒比較軟，所形成的濾餅在壓差的作用下變形，使濾

38、餅中的流動(dòng)通道變小，阻力增大。,助濾劑：可減少可壓縮濾餅的流動(dòng)阻力,加入方法,,預(yù)涂：,預(yù)混： 將助濾劑混在濾漿中一起過(guò)濾,用助濾劑配成懸浮液，在正式過(guò)濾前用它進(jìn)行過(guò)濾，在過(guò)濾介質(zhì)上形成一層由助濾劑組成的濾餅。,3.4.2 過(guò)濾的基本方程,1、濾液通過(guò)餅層的流動(dòng) 空隙率: 單位體積床層中的空隙體積，用ε表示。 ε=空隙體積 / 床層體積 m3/m3顆粒比表面積：?jiǎn)挝惑w積顆粒所具有的表面積，

39、用a表示。 a=顆粒表面積 / 顆粒體積 de=4×水力半徑=4×管道截面積 / 潤(rùn)濕周邊,(1)細(xì)管長(zhǎng)度le與床層高度L成正比(2)細(xì)管的內(nèi)表面積等于全部顆粒的表面積， 流體的流動(dòng)空間等于床層中顆粒之間的全部空隙體積。,簡(jiǎn)化模型：假定：,,,,,,,流體在固定床內(nèi)流動(dòng)的簡(jiǎn)化模型,,顆粒床層的當(dāng)量直徑可寫(xiě)為：,de∝流通截面積×流道長(zhǎng)度∕潤(rùn)濕周

40、邊長(zhǎng)度×流道長(zhǎng)度de∝流道容積∕流道表面積 取面積為1m2厚度為1m 的濾餅考慮：床層體積＝1×1＝1m3 流道容積＝1×ε＝εm3,流道表面積＝顆粒體積×顆粒比表面＝（1－ε）a m2所以床層的當(dāng)量直徑為 ：,濾液通過(guò)餅層的流動(dòng)常屬于滯流流型 ，,(1),濾液通過(guò)餅床層的流速與壓強(qiáng)降的關(guān)系為：,（2）,在與過(guò)濾介質(zhì)層相垂直的方向上床層空隙中的濾液流速u’與按整個(gè)床層截面積計(jì)算的濾

41、液平均流速u之間的關(guān)系為 ：,（3）,將（1）、（3）代入（2）并寫(xiě)成等式,比例常數(shù)K’與濾餅的空隙率、粒子形狀、排列及粒度范圍等因素有關(guān)。對(duì)于顆粒床層的滯流流動(dòng)，K’值可取為5。,——過(guò)濾速度表達(dá)式,2、過(guò)濾速率,3、濾餅的阻力,,---單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位過(guò)濾 面積的濾液體積,濾餅的比阻，1/m2,,令,——濾餅阻力,由R＝ r L 可知，比阻 r 是單位厚度濾餅的阻力， 數(shù)值上等于粘度為 1Pa.s 的濾液以 1

42、 m/s 的平均流速通過(guò)厚度為 1m 的濾餅層時(shí)，所產(chǎn)生的壓強(qiáng)降 。 反映了顆粒形狀、尺寸及床層空隙率對(duì)濾液流動(dòng)的影響 床層空隙率ε愈小及顆粒比表面積α愈大，則床層愈致密，對(duì)流體流動(dòng)的阻滯作用也愈大。,濾液穿過(guò)過(guò)濾介質(zhì)層的速度關(guān)系式 ：,式中：ΔP=ΔP1+ΔP2，代表濾餅與濾布兩側(cè)的總壓強(qiáng)降，稱為過(guò)濾壓強(qiáng)差。也稱為過(guò)濾設(shè)備的表壓強(qiáng) 。,4、過(guò)濾介質(zhì)的阻力 過(guò)濾介質(zhì)的阻力與其厚度及本身的致密程度有關(guān)，通

43、常把過(guò)濾介質(zhì)的阻力視為常數(shù)。,可用濾液通過(guò)串聯(lián)的濾餅與濾布的總壓強(qiáng)降來(lái)表示過(guò)濾推動(dòng)力，用兩層的阻力之和來(lái)表示總阻力。,設(shè)想以一層厚度為L(zhǎng)e的濾餅來(lái)代替濾布，,式中：Le——過(guò)濾介質(zhì)的當(dāng)量濾餅厚度，或稱為虛擬濾餅厚度，m 在一定的操作條件下，以一定介質(zhì)過(guò)濾一定懸浮液時(shí)，Le為定值，但同一介質(zhì)在不同的過(guò)濾操作中，Le值不同。,5、過(guò)濾基本方程式,設(shè)每獲得單位體積濾液時(shí)，被截留在過(guò)濾介質(zhì)上的濾餅體積為v（m3濾餅/m3濾液），則,代

44、入過(guò)濾速度表達(dá)式中：,過(guò)濾介質(zhì)的當(dāng)量濾液體積，或稱虛擬濾液體積，m3 在一定的操作條件下，以一定介質(zhì)過(guò)濾一定的懸浮液時(shí)，Ve為定值，但同一介質(zhì)在不同的過(guò)濾操作中，Ve值不同。,,——過(guò)濾速率的一般關(guān)系式,,,令,-----過(guò)濾基本方程,所以,3.4.3 恒壓過(guò)濾,恒壓過(guò)濾：在恒定壓強(qiáng)差下進(jìn)行的過(guò)濾操作。 恒壓過(guò)濾時(shí)，濾餅不斷變厚致使阻力逐漸增加。但推動(dòng)力ΔP 恒定，過(guò)濾速率逐漸變小。,令,——表征過(guò)濾

45、物料特性的常數(shù)（m4/N.s）,過(guò)濾速率,,對(duì)于一定的懸浮液，μ,r’及ν均可視為常數(shù)。,假定獲得體積為Ve濾液所需的虛擬過(guò)濾時(shí)間為θe,則積分的邊界條件為： 過(guò)濾時(shí)間 濾液體積 0 →θe 0→Ve θe→θ+θe Ve→V+Ve,積分得 ：,積分兩式，并令 K=2kΔP1-s,兩式相加，得：,

46、——恒壓過(guò)濾方程式,K ——過(guò)濾常數(shù),由物料特性及過(guò)濾壓強(qiáng)差所決定 ，m2/s,θe和 qe —— 介質(zhì)常數(shù),反映過(guò)濾介質(zhì)阻力大小 ，s及m3/m2，由過(guò)濾介質(zhì)的性質(zhì)（孔的結(jié)構(gòu)、?、r0、厚度）決定。,當(dāng)介質(zhì)阻力可以忽略時(shí)，,表明：恒壓過(guò)濾時(shí)，濾液體積與過(guò)濾時(shí)間的關(guān)系為拋物線方程 當(dāng)介質(zhì)阻力可以忽略時(shí)，Ve=0，θe=0，則,令,,3.4.4 恒速過(guò)濾,特點(diǎn)：,K不為常數(shù)，而u為常數(shù)。,整理得：,若過(guò)濾介質(zhì)阻力可忽略不計(jì)，則,或,3

47、.4.5 過(guò)濾常數(shù)的測(cè)定,1、恒壓下K、qe、θe的測(cè)定 實(shí)驗(yàn)原理：,對(duì)于一定恒壓下過(guò)濾的懸浮液，測(cè)出延續(xù)的時(shí)間及濾液的累計(jì)量q（按單位面積計(jì)）的數(shù)據(jù)，然后算出一系列的Δθ與Δq的對(duì)應(yīng)值。,由恒壓過(guò)濾方程,微分,,然后在直角坐標(biāo)紙上以Δθ/Δq為縱坐標(biāo)，以q為橫坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)繪，可得到一斜率為2/K，截距為2qe/K的直線。,求得：,由：,,2、壓縮性指數(shù)s的測(cè)定,由,兩端取對(duì)數(shù)，得,＝常數(shù),∴l(xiāng)gK與lg(△p)的關(guān)系在對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)

48、繪時(shí)應(yīng)是直線,直線的斜率為1-s，截距為lg(2k)。由此可得到濾餅的壓縮性指數(shù)s及物料特性常數(shù)k。,3.4.6 過(guò)濾設(shè)備,圖3-18 板框壓縮機(jī)1-壓緊裝置 2-可動(dòng)頭 3-濾框 4-濾板 5-固定頭 6-濾液出口 7-濾漿進(jìn)口 8-濾布,1、板框壓濾機(jī),,圖3-19 濾板和濾框,板框壓濾機(jī)為間歇操作，每個(gè)操作循環(huán)由裝合、過(guò)濾、洗滌、卸餅、清理5個(gè)階段組成。 懸浮液在指定壓強(qiáng)下經(jīng)濾漿通路

49、由濾框角上的孔道并行進(jìn)入各個(gè)濾框。 濾液分別穿過(guò)濾框兩側(cè)的濾布，沿濾板板面的溝道至濾液出口排出 顆粒被濾布截留而沉積在濾布上，待濾餅充滿全框后，停止過(guò)濾。,2）板框壓濾機(jī)的操作,橫穿洗滌法： 洗滌時(shí)，先將洗滌板上的濾液出口關(guān)閉 ，洗滌水經(jīng)洗水通路從洗滌半角上的孔道并行進(jìn)入各個(gè)洗滌板的兩側(cè)。特點(diǎn)：洗滌水穿過(guò)的途徑正好是過(guò)濾終了時(shí)濾液穿過(guò)途徑的二倍。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，設(shè)備緊湊，過(guò)濾面積大而占地

50、小，操作壓強(qiáng)高，濾餅含水少，對(duì)各種物料的適應(yīng)能力強(qiáng)。缺點(diǎn)：間歇手工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。,2、加壓葉濾機(jī) 葉濾機(jī)是由許多不同寬度的長(zhǎng)方形濾葉裝合而成。濾葉由金屬絲網(wǎng)制造，內(nèi)部具有空間，外罩濾布。,一個(gè)操作循環(huán)：,過(guò)濾、洗滌、卸渣、整理重裝,特點(diǎn)：,優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備緊湊，密閉操作，勞動(dòng)條件較好，每次循環(huán)濾布不用裝卸，勞動(dòng)力較省。,圖3-21 加壓葉濾機(jī) 1-濾餅 2-濾布 3-拔出裝置 4-

51、橡膠圈,3、轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)1）轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)的結(jié)構(gòu),置換洗滌：Lw= L,屬連續(xù)式,轉(zhuǎn)筒---筒的側(cè)壁上覆蓋有金屬網(wǎng)，長(zhǎng)、徑之比約為1/2?2，濾布---蒙在筒外壁上。分配頭---轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)、固定盤(pán),構(gòu)造：,一個(gè)操作循環(huán)：,浸沒(méi)于濾漿中的過(guò)濾面積約占全部面積的30?40%，轉(zhuǎn)速為0.1至2?3（轉(zhuǎn)/分） 。,特點(diǎn)：,過(guò)濾、洗滌、吹松、刮渣,3.4.7 濾餅的洗滌,洗滌速率：,特點(diǎn)：洗滌時(shí)推動(dòng)力、阻力不變，洗滌速度為常數(shù)。,濾餅洗滌的目

52、的：為了回收濾餅里存留的濾液，或者凈化構(gòu)成濾餅顆粒。,單位時(shí)間內(nèi)消耗的洗水容積,,洗滌時(shí)間：,洗滌液量,,洗滌速率與過(guò)濾終了時(shí)的過(guò)濾速率有關(guān)，這個(gè)關(guān)系取決于濾液設(shè)備上采用的洗滌方式。,橫穿洗滌法：洗水橫穿兩層濾布及整個(gè)厚度的濾餅，流徑長(zhǎng)度約為過(guò)濾終了時(shí)濾液流動(dòng)的兩倍。而供洗水流通的面積僅為過(guò)濾面積的一半 。,當(dāng)操作壓強(qiáng)差和洗水與濾液粘度相同時(shí),當(dāng)洗水粘度、洗水表壓與濾液粘度、過(guò)濾壓強(qiáng)差有明顯差異時(shí)，所需的過(guò)濾時(shí)間可進(jìn)行校正。,葉濾機(jī)采用

53、的置換洗滌法，洗水與過(guò)濾終了時(shí)的濾液流過(guò)的路徑就完全相同。當(dāng)操作壓強(qiáng)差和洗水與濾液粘度相同時(shí),過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力 ：,單位時(shí)間的濾液體積或?yàn)V渣體積，m3/s,1、間歇過(guò)濾機(jī)的計(jì)算 一個(gè)操作周期時(shí)間為：,生產(chǎn)能力為：,3.4.8 過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力,2、連續(xù)過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力 浸沒(méi)度: 轉(zhuǎn)筒表面浸入濾漿中的分?jǐn)?shù)，φ＝浸沒(méi)角度/360°,若轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速為n r/min,轉(zhuǎn)筒回轉(zhuǎn)一周所用時(shí)間：,轉(zhuǎn)筒上任一塊過(guò)濾面積所經(jīng)歷的過(guò)濾時(shí)

54、間為：,一臺(tái)總過(guò)濾面積為A，浸沒(méi)角度為φ，轉(zhuǎn)速為n r/min的連續(xù)式轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)，與一臺(tái)同樣條件下操作的過(guò)濾面積為A，操作周期為T(mén)=60/n，每次過(guò)濾時(shí)間,的間歇式板框壓濾機(jī)是等效的。,轉(zhuǎn)筒每轉(zhuǎn)一周所得濾液的體積為：,生產(chǎn)能力：,當(dāng)濾布阻力可以忽略不計(jì)時(shí),其中：,D-轉(zhuǎn)筒直徑 L-轉(zhuǎn)筒的長(zhǎng)度,轉(zhuǎn)速n愈高，浸沒(méi)度愈大，生產(chǎn)能力愈大。,3.6 固體流態(tài)化3.6.1 流態(tài)化的基本概念,將大量固體顆粒懸浮于流動(dòng)的流體之中，并在流體作用

55、下使顆粒作翻滾運(yùn)動(dòng)，類似于液體的沸騰，故稱這種狀態(tài)為固體流態(tài)化?；瘜W(xué)工業(yè)中廣泛使用固體流態(tài)化技術(shù)以強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)，并實(shí)現(xiàn)某些化學(xué)反應(yīng)、物理加工乃至顆粒的輸送等過(guò)程。,當(dāng)一種流體自下而上流過(guò)顆粒床層時(shí)，隨著流速的加大，會(huì)出現(xiàn)以下三種不同的情況。,固定床階段流化床階段稀相輸送床階段,,氣速增加,圖3-31 不同流速時(shí)床層的變化(a)固定床 (b)初始或臨界流化床 (c)散式流化床 (d)聚式流化床 (e)輸送

56、床,散式流化,散式流化狀態(tài)的特點(diǎn)為固體顆粒均勻地分散在流化介質(zhì)中，故亦稱均勻流化。當(dāng)流速增大時(shí)，床層逐漸膨脹而沒(méi)有氣泡產(chǎn)生，顆粒彼此分開(kāi)，顆粒間的平均距離或床層中各處的空隙率均勻增大，床層高度上升，并有一穩(wěn)定的上界面。通常兩相密度差小的系統(tǒng)趨向散式流化，故大多數(shù)液—固流化屬于“散式流化”。,散式流化,聚式流化,床層內(nèi)分為兩相:乳化相和氣泡相。由于氣泡在上界面處破裂，所以上界面是以某種頻率上下波動(dòng)的不穩(wěn)定界面，床層壓強(qiáng)降也隨之作相應(yīng)的波動(dòng)

57、。對(duì)于密度差較大的氣－固流化系統(tǒng)，一般趨向于形成聚式流化。,聚式流化,理想流化床 的壓強(qiáng)降,圖3-32 理想流化床的Δp-u關(guān)系圖,3.6.2 流化床的主要特征,2. 實(shí)際流化床 的壓強(qiáng)降,圖3-33 實(shí)際流化床的Δp-u關(guān)系曲線,駝峰,類似液體的特點(diǎn),圖3-34 氣體流化床類似液體的特性,流化床中兩相流動(dòng)特點(diǎn)： ①顆粒軸向混合，系統(tǒng)顆粒混和均勻； ②溫度、濃度分布均勻，避免局部過(guò)熱；

58、③但溫度、濃度不均勻會(huì)使床層內(nèi)傳熱、傳質(zhì)推動(dòng)力下降，反應(yīng)進(jìn)行得不完全； ④易于連續(xù)自動(dòng)操作。,騰涌現(xiàn)象,圖3-35 騰涌發(fā)生后Δp-u關(guān)系曲線,2. 溝流現(xiàn)象,圖3-36 溝流發(fā)生后Δp-u關(guān)系曲線,要使固體顆粒床層在流化狀態(tài)下操作，必須使氣速高于臨界流速umf，而最大氣速又不得超過(guò)顆粒的沉降速度，以免顆粒被氣流帶走。,1．實(shí)測(cè)法 測(cè)取流化床回到固定床的一系列壓降與氣體流速的對(duì)應(yīng)數(shù)值。 測(cè)定時(shí)常用空氣作流化介