1、第三章第三章 机械分离和固体流态化机械分离和固体流态化教学要求教学要求3-0概述概述3-1颗粒及颗粒床层的特性颗粒及颗粒床层的特性3-2沉降过程沉降过程3-3过滤过滤教学要求教学要求重重 点：沉降速率的计算；过滤基本方程及恒点：沉降速率的计算；过滤基本方程及恒 压过滤计算。压过滤计算。基本概念：基本概念：颗粒及颗粒群的颗粒及颗粒群的性质：体积、表面积、体积、表面积、比比 表面积、球形度表面积、球形度 床层性质床层性质：空隙率、比表面积；：空隙率、比表面积；沉降的基本概念沉降的基本概念：重力沉降、离心：重力沉降、离心 沉降、自由沉降和干扰沉降；沉降、自由沉降和干扰沉降；沉降 速度、临界直径、分离
2、效率、粒级率、临界直径、分离效率、粒级率、分割直径、压降分割直径、压降基本原理：影响旋风分离器性能的主要因素。基本原理：影响旋风分离器性能的主要因素。恒压、恒速、先恒压后恒速过滤恒压、恒速、先恒压后恒速过滤 的特点。的特点。设备特点：降沉室、旋风分离器的结构与特点；设备特点：降沉室、旋风分离器的结构与特点；板筐压滤机、叶滤机和回转真空板筐压滤机、叶滤机和回转真空 过滤机）的结构特点；过滤机）的结构特点；教学要求教学要求基本公式：基本公式：教学要求教学要求3g)(4sPtdu18g)(s2PtdutsbluV sic9NuBd 1201ccc212ipu)()()(dde21e1evrVVAPr
3、LLAPRRPAVss教学要求教学要求21e2kAPVVVs)(k2)(2R1Re2R2sPVVVVV2e2K2AVVV教学要求教学要求)(2K)()dd(e2e1VVALLrAPVsEWWW)dd(VVnAQK465DwVVQ混合物混合物 3.0 概述概述非均相物系非均相物系均相物系均相物系连续相连续相分散相分散相机械分离机械分离对象：非均相物系对象：非均相物系目的：相间分离目的：相间分离机械分离方法，即利用非均相混合物中两相的物机械分离方法，即利用非均相混合物中两相的物理性质（如密度、颗粒形状、尺寸等）的差异，理性质（如密度、颗粒形状、尺寸等）的差异，使两相之间发生相对运动而使其分离使两相
4、之间发生相对运动而使其分离 3.0 概述概述机械分离机械分离沉降沉降过滤过滤离心沉降离心沉降重力沉降重力沉降工业上分离非均相混合物的目的工业上分离非均相混合物的目的1 回收有价值的分散物质回收有价值的分散物质2 净化分散介质以满足生产工艺要求净化分散介质以满足生产工艺要求3 环境保护和安全生产环境保护和安全生产湿法除尘湿法除尘。静电除尘静电除尘3.1 颗粒及颗粒床层的特性颗粒及颗粒床层的特性一、一、颗粒的特性颗粒的特性d:直直径径36:dV 体体积积2:dS 表表面面积积dVSa6:比比表表面面积积（一）单一颗粒的大小和形状（一）单一颗粒的大小和形状 1、球形颗粒、球形颗粒3.1 颗粒及颗粒床
5、层的特性颗粒及颗粒床层的特性2、非球形颗粒、非球形颗粒当量直径当量直径表面积等效表面积等效体积等效体积等效比表面积等效比表面积等效3PPV6VdPSSdad6PasPV3PV62PSP6dddVSa形形状状系系数数s非非球球形形颗颗粒粒的的表表面面积积的的球球形形颗颗粒粒的的表表面面积积与与非非球球形形颗颗粒粒体体积积相相等等2PS2PVSdd非非球球形形颗颗粒粒体积体积表面表面积积比表面积比表面积3.1 颗粒及颗粒床层的特性颗粒及颗粒床层的特性63PVdV s2PVdS PVs6da需要两个参数描述需要两个参数描述（二）颗粒群的特性（二）颗粒群的特性1.粒度分布的测量与定量表示粒度分布的测量
6、与定量表示筛号或筛号或称目数称目数筛分分析结筛分分析结果图示法果图示法分布函数分布函数频率函数频率函数筛过量筛过量筛余量筛余量3.1 颗粒及颗粒床层的特性颗粒及颗粒床层的特性方法：筛析法方法：筛析法筛余量：通过了第筛余量：通过了第i号筛，截留于第号筛，截留于第i+1号筛的颗粒量号筛的颗粒量筛过量：通过了第筛过量：通过了第i号筛的颗粒量号筛的颗粒量3.1 颗粒及颗粒床层的特性颗粒及颗粒床层的特性FdifidPissiiWWF 颗粒直径颗粒直径21iiiPddd筛过率筛过率di+1didPi)(ddidFf fFidifidPi3.1 颗粒及颗粒床层的特性颗粒及颗粒床层的特性假设（假设（1）所找颗
7、粒群的平均直径）所找颗粒群的平均直径dPm,其个数与原颗其个数与原颗 粒群相等；粒群相等；（2）比表面积相等。）比表面积相等。推导思路：推导思路：在筛分的基础上表达出原颗粒群在筛分的基础上表达出原颗粒群nixi关系关系;再根据比表面积相等的原则，即可推出表达式。再根据比表面积相等的原则，即可推出表达式。k1iiiPm1dxd2.平均直径平均直径3.1 颗粒及颗粒床层的特性颗粒及颗粒床层的特性床床层层体体积积颗颗粒粒体体积积床床层层体体积积-（一）（一）床层空隙率床层空隙率影响因素：影响因素：颗粒形状：颗粒形状：表面情况：表面情况：粒度分布粒度分布：粒径比：粒径比：填充方式：填充方式：球球非非非
8、非均均匀匀均均光光粗粗d de e小小大大d de e振振湿湿壁效应壁效应二二 床层特性床层特性3.1 颗粒及颗粒床层的特性颗粒及颗粒床层的特性 床层横截面上可供流体通过的自由截面床层横截面上可供流体通过的自由截面(即即空隙截空隙截)与床层截面之比在数值上等于空隙率，与床层截面之比在数值上等于空隙率，即床层中自由截面的大小与床层的即床层中自由截面的大小与床层的轴向高度轴向高度无无关。关。（三）床层的各向同性（三）床层的各向同性当忽略颗粒之间接触面积的影响当忽略颗粒之间接触面积的影响aa)1(b单位体积床层具有的颗粒表面积单位体积床层具有的颗粒表面积（二）床层的比表面积（二）床层的比表面积3.2
9、 沉降过程沉降过程沉降操作：在某种力的作用下，利用分散相与沉降操作：在某种力的作用下，利用分散相与 连续相间密度的差异，使之发生相连续相间密度的差异，使之发生相 对运动而实现分离的操作过程。对运动而实现分离的操作过程。所受力不同所受力不同重力沉降重力沉降离心沉降离心沉降颗粒浓度颗粒浓度自由沉降自由沉降干扰沉降干扰沉降干扰沉降干扰沉降一、定义及分类一、定义及分类3.2 沉降过程沉降过程对单个球形颗粒受力分析：对单个球形颗粒受力分析：FCFBFDFC质量力（重力）质量力（重力）FB浮力浮力FD曳力曳力FCFBFD=ma表面曳力表面曳力形体曳力形体曳力二、重力沉降二、重力沉降（一）沉降速度（一）沉降
10、速度曳力曳力3.2 沉降过程沉降过程沉降阶段沉降阶段加速段加速段匀速段匀速段),(tPDudfF FCFBFD=maut,FD ut=0,amaxut ,aa=0,ut 沉降速度沉降速度沉降速度沉降速度ut匀速段颗粒匀速段颗粒相对于相对于流体的速度。流体的速度。3.2 沉降过程沉降过程2P2tdtPD)(KduudF用因次分析法讨论用因次分析法讨论FD),(tPDudfF 22tPDuAF)(ReRetdtfK3g)(4sPtdutRe246.0tRe5.186.0tsptReg)(27.0du44.0g)(74.1sptdu18g)(s2ptdu对不同沉降区域，得出计算公式对不同沉降区域，得
11、出计算公式3.2 沉降过程沉降过程5t3102e10 RNewton区区3t10e1 RAllen区区1e10t4RStokes区区3.2 沉降过程沉降过程（二）沉降速度的计算（二）沉降速度的计算1.试差法试差法 设沉降区域设沉降区域选式计算选式计算ut算算Ret验证验证2.阿基米德常数法阿基米德常数法2s3P2t43g)(RedAr 令：令：Ar=f（颗粒、流体性质）（颗粒、流体性质）3.2 沉降过程沉降过程18r1Ree/24maxttARStokes，区区53mint103.3r10e44.0ARNewton，区区 计算计算Ar 判断沉降区域判断沉降区域 计算计算ut2s3P2t43g)
12、(RedAr不试差！不试差！3 摩擦数群法摩擦数群法3.2 沉降过程沉降过程tt2tReReu计计算算查查图图得得计计算算：2s3P2t3g)(4Red3t2s13)(4Reug有何用？有何用？3.2 沉降过程沉降过程（三）影响沉降的因素（三）影响沉降的因素各项修正可查取相关经验公式计算。各项修正可查取相关经验公式计算。1.颗粒的体积浓度颗粒的体积浓度2.非球形颗粒的沉降非球形颗粒的沉降3.壁效应壁效应（四）重力沉降设备（四）重力沉降设备3.2 沉降过程沉降过程1降尘室降尘室沉降速度为沉降速度为ut的颗粒怎样才能分离下来呢？的颗粒怎样才能分离下来呢？气气体体 气气体体进进口口 出出口口 集集灰
13、灰斗斗 降降尘尘室室 L B 气气体体 u H ut 颗颗粒粒在在降降尘尘室室中中的的运运动动 t若若3.2 沉降过程沉降过程uL停停留留时时间间ttuH沉沉降降时时间间则沉降速度为则沉降速度为ut的颗粒可以分离。的颗粒可以分离。3.2 沉降过程沉降过程2.生产能力生产能力tuHuLtSbLuV 降尘室的特点降尘室的特点HbVuS1.结构简单，但体积大，效率低结构简单，但体积大，效率低2.适于分离适于分离75m以上的颗粒。以上的颗粒。3 沉降槽沉降槽 用来提高悬浮液浓度并同时得到澄清液体。用来提高悬浮液浓度并同时得到澄清液体。构造构造3.2 沉降过程沉降过程3.2 沉降过程沉降过程（一）（一）
14、旋风分离器旋风分离器构造及工作原理构造及工作原理离心分离因子离心分离因子Ruag2T二、离心沉降二、离心沉降3.2 沉降过程沉降过程 B 净化气体净化气体 含尘含尘 气体气体 A D 尘粒尘粒 标准型旋风分离器1.工作原理工作原理外旋流外旋流向下、起主要分离作用。向下、起主要分离作用。内旋流内旋流向上、旋转方向不变向上、旋转方向不变上灰环上灰环向上、带走少量粉尘向上、带走少量粉尘2.离心沉降速度离心沉降速度Rudu3)(42TsprStokes区区：Rudu18)(2Ts2Pr3.2 沉降过程沉降过程4 旋风分离器的性能旋风分离器的性能1)临界直径临界直径dc:旋风分离器能完全分离的最小颗旋风
15、分离器能完全分离的最小颗 粒的直径。粒的直径。假设：假设：a假设气体速度恒定，且等于进口气速假设气体速度恒定，且等于进口气速ui；b假设颗粒沉降过程中所穿过的气流的最大假设颗粒沉降过程中所穿过的气流的最大 厚度等于进气口宽度厚度等于进气口宽度B；c假设颗粒沉降服从斯托克斯公式。假设颗粒沉降服从斯托克斯公式。沉沉停停原原则则：3.2 沉降过程沉降过程is2Cr)(18BBudRu沉沉im2uNR停停留留时时间间sic9NuBd 哪些因素将影响哪些因素将影响dc?3.2 沉降过程沉降过程2)旋风分离器分离效率旋风分离器分离效率1201cccc1、c2 分别为进、出口气体中颗粒的质量浓度。分别为进、
16、出口气体中颗粒的质量浓度。g/cm3粒级率：入口气体中某一粒径粒级率：入口气体中某一粒径di的颗粒被旋风分离的颗粒被旋风分离 器除掉的分率器除掉的分率1i2i1iPiCCCiPiOx3.2 沉降过程沉降过程分割直径分割直径d50：分离效率（粒级率）为：分离效率（粒级率）为50%的颗粒的颗粒 的直径的直径对标准旋风分离器对标准旋风分离器d50的经验公式为：的经验公式为：si5027.0uDd Pi(d/d50)曲线只与旋风分离器的类型有关，曲线只与旋风分离器的类型有关，与设备大小无关。与设备大小无关。3.2 沉降过程沉降过程实验测定的粒级效率曲线实验测定的粒级效率曲线 筛分筛分dixi iui
17、D d50 Pi 03）旋风分离器的压降）旋风分离器的压降3.2 沉降过程沉降过程）旋风分离器类型旋风分离器类型(f5 旋风分离器旋风分离器的结构和类型的结构和类型1)标准型标准型；2)扩散型；扩散型；XLK 3)旁路型旁路型,XLP2i21uP3.2 沉降过程沉降过程XLT/A型 XLP/B型 XLK型(扩散式)旋风分离器设计、选型步骤：旋风分离器设计、选型步骤：由限制压降由限制压降 P计算流速计算流速ui，结合含尘流体处理量，结合含尘流体处理量 初估直径初估直径D3.2 沉降过程沉降过程对要分离的含尘流体做筛分分析，得出对要分离的含尘流体做筛分分析，得出dixi关系关系;计算计算d50；由
18、；由di/d50查粒级率；由筛分结果得总效率。查粒级率；由筛分结果得总效率。3.3过滤过滤一、一、过滤操作的基本概念过滤操作的基本概念 滤浆 滤饼过滤介质 滤液 滤饼过滤操作示意图 过滤是在外力作用下，使悬浮液中的液体通过多孔介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固、液分离的操作。深床过滤（一）（一）过滤方式过滤方式1.饼层过滤：固体物沉积于介质表面形成滤饼层产饼层过滤：固体物沉积于介质表面形成滤饼层产生过滤作用的不是过滤介质而是滤饼。生过滤作用的不是过滤介质而是滤饼。颗粒之间在过滤初期会有颗粒之间在过滤初期会有架桥现象架桥现象发生。发生。2.深床过滤：不形成滤饼，颗粒沉积于过滤介质深
19、床过滤：不形成滤饼，颗粒沉积于过滤介质 内部内部3.3过滤过滤3.膜过滤膜过滤工业用过滤介质主要有：工业用过滤介质主要有：1 织物介质：能截流颗粒的最小直径为织物介质：能截流颗粒的最小直径为565 m.2 多孔性固体介质：如素瓷板或管、烧结金属等多孔性固体介质：如素瓷板或管、烧结金属等;能拦截直径为能拦截直径为13 m的小颗粒的小颗粒。3 堆积介质：多种固体颗粒或非编织纤维堆积介质：多种固体颗粒或非编织纤维(多用于多用于 深床过滤中深床过滤中)（二）（二）过滤介质过滤介质3.3过滤过滤 多孔性、高强度多孔性、高强度（三）（三）滤饼的压缩性和助滤剂滤饼的压缩性和助滤剂 1.可压缩滤饼：空隙结构易
20、变形的滤饼为可压缩可压缩滤饼：空隙结构易变形的滤饼为可压缩 滤饼滤饼 2.不可压缩滤饼：当滤饼两侧的压强差增大时，不可压缩滤饼：当滤饼两侧的压强差增大时，颗粒的形状和颗粒间的空隙都不发生明显的变颗粒的形状和颗粒间的空隙都不发生明显的变 化化 3.助滤剂助滤剂 要求：刚性颗粒；化学稳定性；不可压缩性。要求：刚性颗粒；化学稳定性；不可压缩性。3.3过滤过滤3.3过滤过滤（一）滤液通过饼层的流动（一）滤液通过饼层的流动床层的简化物理模型床层的简化物理模型 u u L l de 滤液在滤饼层中流动的简化模型 将颗粒床层中不规则的通道简化成长度为将颗粒床层中不规则的通道简化成长度为 l 的一组的一组平行
21、细管。平行细管。二、过滤基本方程二、过滤基本方程3.3过滤过滤要求：要求：1.细管的总体积等于孔容积；细管的总体积等于孔容积；2.细管的总内表面积等于孔道总表面积；细管的总内表面积等于孔道总表面积；3.细管截面积等于孔道截面积。细管截面积等于孔道截面积。流动特点：流道细小，弯曲复杂，流速低。流动特点：流道细小，弯曲复杂，流速低。结结 论：流体呈滞流流动。论：流体呈滞流流动。要解决问题：要解决问题：p u关系关系处理方法：数学模型法处理方法：数学模型法1uu3.3过滤过滤2f32dulP：滞滞流流时时，圆圆管管内内2e1fCdluP：滞滞流流时时，孔孔道道内内式中式中：LCl)1(4eaduLa
22、P322f)1(KK：康采尼常数康采尼常数dd15c223AVLpau（二）（二）过滤速率过滤速率（三）（三）滤饼的阻力滤饼的阻力(滤饼的比阻滤饼的比阻)，则滤饼的阻力则滤饼的阻力rLR 3.3过滤过滤LAPaVC223)1(5dd：过过滤滤速速率率过滤速度过滤速度（四）（四）过滤介质的阻力过滤介质的阻力）（介介质质阻阻力力滤滤饼饼阻阻力力过过滤滤总总推推动动力力)(ddeceeLLrpRpRpAVeeddRpAV3.3过滤过滤RAPLrAPVCCdd（五）（五）过滤基本方程式过滤基本方程式令：令：v为得到单位体积滤液所形成的滤饼的体积。为得到单位体积滤液所形成的滤饼的体积。3.3过滤过滤Av
23、VL对不可压缩滤饼对不可压缩滤饼vrVVPArLLPARRPAV)()()(dde2ee对可压缩滤饼对可压缩滤饼s Prr)()()(dde2s1es1evrVVAPrLLAPRRPAV3.3过滤过滤1.恒压特点恒压特点：ddVLconstP，方程：料浆一定时方程：料浆一定时）料料浆浆特特性性(1kfvr22K2AVVVesP1k2Km2/sAVq/sm3/kgK2e2 qqq)()(dde2s1e2s1VVAPkvrVVAPV介质阻力不计时如何？介质阻力不计时如何？积分，且积分，且三、恒压过滤、恒速过滤和先恒速后恒压过滤三、恒压过滤、恒速过滤和先恒速后恒压过滤 3.3过滤过滤2.恒速特点恒速
24、特点 constPLVdd，2s12keAPVVV方程方程3.先恒速后恒压先恒速后恒压：时间时间：R0恒速恒速恒压恒压VRV滤液滤液：0恒速恒速恒压恒压)(2)(2Rs1Re2R2PkVVVVV)(2122RsRPkVV过滤速率为常数，过滤速率为常数，K不为常数不为常数3.3过滤过滤（一）恒压下（一）恒压下K、qe、e的测定的测定)(K)(e2e qq：恒恒压压下下K2K2ddeqqq方法：测方法：测、V（q）直线斜率得直线斜率得K，截距得，截距得qe(二二)k 及压缩性指数及压缩性指数 s 的测定的测定s1k2KP作图作图 e四、过滤常数测定四、过滤常数测定3.3过滤过滤1.特点：洗涤推动力
25、、阻力不变，洗涤速度为常数特点：洗涤推动力、阻力不变，洗涤速度为常数 W)dd(V)(2K)()dd(e2es1EVVALLrAPV2.洗涤时间洗涤时间 w WWW)dd(VV洗涤速率与过滤设备结构有关洗涤速率与过滤设备结构有关洗涤速率与过滤终了洗涤速率与过滤终了速率有什么关系呢？速率有什么关系呢？五、滤饼的洗涤五、滤饼的洗涤3.3过滤过滤板框压滤机板框压滤机、叶滤机、回转真空过滤机等、叶滤机、回转真空过滤机等各种离心机各种离心机一、一、板框压滤机板框压滤机过滤设备过滤设备 二、二、回转真空过滤机回转真空过滤机三、三、叶滤机叶滤机注意各设备滤液注意各设备滤液及洗液的路径！及洗液的路径！六、过滤
26、设备六、过滤设备滤液料浆清洗水洗涤液开启关闭阀门浆料清洗水板框过滤机的滤板，滤框和过滤过程板框过滤机的滤板，滤框和洗涤过程洗涤速率洗涤速率如操作条件与过滤终了相同如操作条件与过滤终了相同)(8K)dd(41)dd(e2EWVVAVV3.3过滤过滤板框压滤机洗涤速率板框压滤机洗涤速率叶滤机、回转真空过滤机洗涤速率叶滤机、回转真空过滤机洗涤速率)(2K)dd()dd(e2EwVVAVV3.3过滤过滤DwVVQ对板框压滤机对板框压滤机叶滤机叶滤机对回转真空过滤机对回转真空过滤机：过滤面积过滤面积A，过滤时间过滤时间T连续过滤设备连续过滤设备过滤面积过滤面积A，过滤时间过滤时间 T间歇过滤设备间歇过滤设备T2RRll转转鼓鼓面面积积浸浸没没面面积积七、生产能力七、生产能力3.3过滤过滤nT60TVQ ee2)60(KVnAVnAQK465忽略介质阻力时忽略介质阻力时：
