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1、第三章第三章 固体颗粒流体力学基础与固体颗粒流体力学基础与机械分离机械分离2023/12/2912023/12/29本章重点：本章重点：（1）沉降分离（包括重力沉降和离心沉降）的原理、过程计）沉降分离（包括重力沉降和离心沉降）的原理、过程计算和相关典型设备的选型。算和相关典型设备的选型。（2）过滤操作的原理，恒压过滤的计算、）过滤操作的原理，恒压过滤的计算、过滤常数的测定过滤常数的测定。（3）固体流态化的基本概念、流化床的主要特征及操作特性。）固体流态化的基本概念、流化床的主要特征及操作特性。本章难点：本章难点：如何将理论上讨论的颗粒与流体间相对运动问题，运用于如何将理论上讨论的颗粒与流体间相
2、对运动问题，运用于实现非均相物系分离、固体流态化技术及固体颗粒的气力输送实现非均相物系分离、固体流态化技术及固体颗粒的气力输送等工业过程？等工业过程？2023/12/29主要内容主要内容o3.1 固体颗粒特性固体颗粒特性o3.2 固体颗粒在流体中运动时的阻力固体颗粒在流体中运动时的阻力o3.3 沉降分离沉降分离o3.4 过滤过滤o3.5 固体流态化（自学）固体流态化（自学）o3.6 其他机械分离技术（自学）其他机械分离技术（自学）2023/12/29前言前言分离：根据混合物性质的不同采用不同的方法分离：根据混合物性质的不同采用不同的方法 混合物混合物物系内各处组成均匀且不存在相界面。物系内各处
3、组成均匀且不存在相界面。传质分离方法：蒸馏、吸收传质分离方法：蒸馏、吸收均相混合物均相混合物非均相混合物非均相混合物 过程工业中，经常需将混合物加以过程工业中，经常需将混合物加以分离分离。由两相或两相以上构成，相界面两由两相或两相以上构成，相界面两侧物质的性质截然不同。机械方法侧物质的性质截然不同。机械方法分离。锅炉尾气除尘分离。锅炉尾气除尘2023/12/29前言前言 非均相混合物由具有不同物理性质（如密度、非均相混合物由具有不同物理性质（如密度、黏度等）的分散物质和连续介质组成。其中处于分黏度等）的分散物质和连续介质组成。其中处于分散状态的物质，如分散于流体中的固体颗粒、液滴散状态的物质，
4、如分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡，称为或气泡，称为分散相分散相；而包围分散物质且处于连续；而包围分散物质且处于连续状态的物质称为分散介质或状态的物质称为分散介质或连续相连续相。非均相混合物的分离就是非均相混合物的分离就是将不同的相分开将不同的相分开，通，通常采用能耗较低的常采用能耗较低的机械方法机械方法加以分离。加以分离。2023/12/29 非均相混合物的分离的非均相混合物的分离的目的目的：（1）净化分散介质；）净化分散介质；原料气，废气、废液原料气，废气、废液（2）回收分散物质）回收分散物质本章只讨论分离本章只讨论分离非均相混合物所采用的机械分离方法。非均相混合物所采用的机械分离方法。
5、2023/12/293.1 固体颗粒特性固体颗粒特性主要参数主要参数：颗粒的形状、大小（体积）和表面积：颗粒的形状、大小（体积）和表面积一、单一颗粒特性一、单一颗粒特性用直径（粒径）用直径（粒径）d表示大小表示大小颗粒体积颗粒体积V？颗粒表面积颗粒表面积S？比表面积比表面积a？1 球形颗粒球形颗粒2023/12/292、非球形颗粒非球形颗粒（1）当量直径）当量直径-根据实际颗粒与球体的某种等效性确定根据实际颗粒与球体的某种等效性确定（2）形状系数）形状系数（球形度）（球形度）s体积当量粒径体积当量粒径de：实际颗粒的体积等于当量球形颗：实际颗粒的体积等于当量球形颗粒的体积粒的体积表征颗粒的形状
6、与球形的差异程度。表征颗粒的形状与球形的差异程度。定义式：定义式：s=S/Sp s1 颗粒形状与球形差异越大，其值越小。颗粒形状与球形差异越大，其值越小。球形颗粒：其值等于球形颗粒：其值等于1。正方体。正方体0.806。2023/12/29颗粒体积？颗粒体积？颗粒表面积？颗粒表面积？比表面积？比表面积？非球形颗粒，必须有两个参数才能确定非球形颗粒，必须有两个参数才能确定其特性：其特性：体积当量直径和形状系数体积当量直径和形状系数2023/12/29二、二、颗粒群的特性颗粒群的特性-粒度分布和平均直径粒度分布和平均直径粒径是否相同：单分散性粒子和多分散性粒子粒径是否相同：单分散性粒子和多分散性粒
7、子（1 1）粒度分布：）粒度分布：不同粒径范围内所含粒子的个数或质量。通常由实验测量其分不同粒径范围内所含粒子的个数或质量。通常由实验测量其分布。布。筛分分析筛分分析(粒径大于粒径大于4040 m)：泰勒标准筛：泰勒标准筛(表表3-1)，目数越大，孔径越，目数越大，孔径越小。小。目数：目数：一般指在一般指在1in1in的面积内有多少网孔数，即筛网的网孔数。的面积内有多少网孔数，即筛网的网孔数。物料能通过该网孔即定义为多少目数。物料能通过该网孔即定义为多少目数。如如200200目，该物料能通过目，该物料能通过1in1in内有内有200个网孔的筛网。个网孔的筛网。目数越大，物料粒度越细；目数越小，
8、物料粒度越粗。目数越大，物料粒度越细；目数越小，物料粒度越粗。2023/12/29最常用：平均比表面积直径最常用：平均比表面积直径da 设有一批大小不等的球形颗粒，其设有一批大小不等的球形颗粒，其总质量为总质量为G，经，经筛分分析得到相邻两号筛直径的颗粒质量为筛分分析得到相邻两号筛直径的颗粒质量为Gi，筛分筛分直径直径(两筛号筛孔的算术平均值两筛号筛孔的算术平均值)为为di。根据比表面积相。根据比表面积相等原则，颗粒群的平均比表面积直径为：等原则，颗粒群的平均比表面积直径为：（2）颗粒平均直径）颗粒平均直径xi：di粒径段内颗粒的质量分数粒径段内颗粒的质量分数2023/12/29三、粒径测量三
9、、粒径测量 粒径是颗粒占据空间大小的线性尺度粒径是颗粒占据空间大小的线性尺度。测量及表达粒径的方法可分为长度、质量、测量及表达粒径的方法可分为长度、质量、横截面、表面积、体积五类。横截面、表面积、体积五类。常用方法见表常用方法见表3-2和表和表3-3。2023/12/29表表3-2 常用粒径测量法常用粒径测量法2023/12/29表表3-3 超细粉尘的粒径分布测量超细粉尘的粒径分布测量2023/12/29o1、沉降分析、沉降分析o2、激光粒度分析、激光粒度分析o3、显微镜粒度分析、显微镜粒度分析o4、自动计数器法、自动计数器法 常用的粒径测量方法：常用的粒径测量方法：2023/12/293.2
10、 固体颗粒在流体中运动时的阻力固体颗粒在流体中运动时的阻力曳力或阻力：曳力或阻力：当流体以一定的速度绕过静止的固体颗当流体以一定的速度绕过静止的固体颗粒流动时，黏性流体会对颗粒施加一定的阻力；反之，粒流动时，黏性流体会对颗粒施加一定的阻力；反之，当固体颗粒在静止流体中移动时，流体同样会对颗粒当固体颗粒在静止流体中移动时，流体同样会对颗粒施加作用力，这两种情况的作用力性质相同，称为施加作用力，这两种情况的作用力性质相同，称为2023/12/29图图 流体绕过颗粒的流动流体绕过颗粒的流动uFdFd与颗粒运动的方向相反与颗粒运动的方向相反 只要颗粒与流体之间有相只要颗粒与流体之间有相对运动，就会产生
11、阻力。对运动，就会产生阻力。对于一定的颗粒和流体，对于一定的颗粒和流体，只要相对运动速度相同，流只要相对运动速度相同，流体对颗粒的阻力就一样体对颗粒的阻力就一样。爬流爬流(Creeping flow)(Creeping flow)：来流速度很小，流动很缓来流速度很小，流动很缓慢，颗粒迎流面与背流面慢，颗粒迎流面与背流面的流线对称。的流线对称。2023/12/29 仿照管路阻力的计算，即认为阻力与相对运动仿照管路阻力的计算，即认为阻力与相对运动速度的平方成正比。速度的平方成正比。阻力系数阻力系数（曳力系数）（曳力系数）、流体特性流体特性dp、u颗粒特性颗粒特性颗粒在运动方向颗粒在运动方向上的投影
12、面积上的投影面积流体相对于颗粒运动时的雷诺数Ret2023/12/29不同球形度颗粒的实测数据不同球形度颗粒的实测数据如图如图3-8所示所示(P(P125125)2023/12/29层流区层流区(Stokes区区)过渡区过渡区(Allen区区)湍流区湍流区(牛顿区牛顿区)球形颗粒，各区域的曲线可用不同的计算式表示：球形颗粒，各区域的曲线可用不同的计算式表示：准确准确近似近似2023/12/294.3 沉降分离沉降分离(Sedimentation)原理及设备原理及设备沉降：沉降：在某种力场中利用分散相和连续相间在某种力场中利用分散相和连续相间密度之差密度之差，使之发生相对运动而实现分离的操作过程
13、。使之发生相对运动而实现分离的操作过程。分为分为重力沉降和离心沉降。重力沉降和离心沉降。一、重力沉降一、重力沉降（Gravitational sedimentation）在在重力场中重力场中利用连续相与分散相的利用连续相与分散相的密度差异密度差异而产生相对运动，使两相得以分离的过程称为重力而产生相对运动，使两相得以分离的过程称为重力沉降。沉降。2023/12/29 d，s s的球形颗粒，在密度为的球形颗粒，在密度为 的流体中自由沉降的流体中自由沉降1、光滑球形颗粒在静止流体中的自由沉降、光滑球形颗粒在静止流体中的自由沉降 Fb 浮力浮力 Fd 阻力阻力 Fg 重力重力 以重力的方向为正方向以重
14、力的方向为正方向 自由沉降自由沉降：颗粒浓度低，分散好，沉颗粒浓度低，分散好，沉降过程中互不碰撞、互不影响。降过程中互不碰撞、互不影响。颗粒下沉颗粒下沉2023/12/29重力：重力：（N）浮力：浮力：（N）阻力：阻力：（N）阻力系数阻力系数 t u u0加速段加速段匀速段匀速段2023/12/29颗颗粒粒做做匀匀速速运运动动，沉沉降降速速度度恒恒定定不不变变，该该速速度度称称为为自自由由沉沉降降速速度度。达达到到恒恒定定的的沉沉降降速速度度时时，合合力力为：为：（球形颗粒的自由沉降速度）（球形颗粒的自由沉降速度）2023/12/29（1 1）颗颗粒粒直直径径越越大大，沉沉降降速速度度越越大大
15、，大大直直径径颗颗粒较小直径颗粒更容易沉降；粒较小直径颗粒更容易沉降；（2 2）固固体体与与流流体体的的密密度度差差越越大大，沉沉降降也也越越快快，这正是非均相混合物机械分离的基本依据这正是非均相混合物机械分离的基本依据。影响沉降速度的其他因素：影响沉降速度的其他因素：壁效应：壁效应：靠近器壁处沉降速度小于自由沉降速度靠近器壁处沉降速度小于自由沉降速度干扰沉降干扰沉降：讨论：讨论：2023/12/29 通过实验得到阻力系数与雷诺数的关系绘成算通过实验得到阻力系数与雷诺数的关系绘成算图图,将他们回归成关联式为：将他们回归成关联式为：过渡区（过渡区（Allen区，区，1 Ret 1000）湍流区（
16、牛顿区，湍流区（牛顿区，1000 Ret）层流区（层流区（Stokes区，区，10-4Ret dc时，时，pi=100%，d dc的颗粒能否被的颗粒能否被分离？分离？能，但不能被完全分离即能，但不能被完全分离即pi 5 m旋风分离器主要技术参数旋风分离器主要技术参数 P134：例：例3-3 旋风分离器设旋风分离器设备尺寸及分离效率计算备尺寸及分离效率计算2023/12/29例例3-3 用标准旋风分离器除去气流中的固体颗粒。已知颗粒密度为用标准旋风分离器除去气流中的固体颗粒。已知颗粒密度为1100kg/m3，气体密度为，气体密度为1.2kg/m3,黏度为黏度为1.810-5Pas,流量为流量为1
17、440m3/h,允许压强降为允许压强降为130mmH2O(1mmH2O=9.807Pa)。已测得颗。已测得颗粒直径为粒直径为4.54.5m。试计算采用下列方案的设备尺寸及分离效率：试计算采用下列方案的设备尺寸及分离效率：（1）一台旋风分离器；）一台旋风分离器；（2）五台相同的旋风分离器串联；）五台相同的旋风分离器串联；（3）五台相同的旋风分离器并联。）五台相同的旋风分离器并联。分析：分析：解解:(1)采用一台旋风分离器时，已知标准旋风分离器的阻采用一台旋风分离器时，已知标准旋风分离器的阻力系数力系数=8=8；根据压降计算公式可求得进口气速，即：；根据压降计算公式可求得进口气速，即：则则旋风分离
18、器进口截面积为：旋风分离器进口截面积为：设备直径为：设备直径为：再计算分割粒径再计算分割粒径d50：则则:查图查图3-19得分离效率得分离效率h h=38%(2)当五台旋风分离器串联时，若忽略级间连接管的阻力，当五台旋风分离器串联时，若忽略级间连接管的阻力，则每级旋风分离器的允许压强降为则每级旋风分离器的允许压强降为则则旋风分离器进口截面积为：旋风分离器进口截面积为：设备直径为：设备直径为：则各级旋风分离器的进口气速：则各级旋风分离器的进口气速：则则:查图查图3-19得单级旋风分离器的分离效率得单级旋风分离器的分离效率h h=16%，则串联，则串联五级旋风分离器的总效率为：五级旋风分离器的总效
19、率为：再计算分割粒径再计算分割粒径d50：(3)当五台旋风分离器并联时，每台旋风分离器的气体当五台旋风分离器并联时，每台旋风分离器的气体流量为：流量为：则则旋风分离器进口截面积为：旋风分离器进口截面积为：设备直径为：设备直径为：因每台旋风分离器的允许压强降为因每台旋风分离器的允许压强降为130mmH2O,所以所以每台每台旋风分离器的进口气速：旋风分离器的进口气速：则则:查图查图3-19得分离效率得分离效率h h=57%再计算分割粒径再计算分割粒径d50：总结：总结：在处理气量及压强降相同的条件下，本例中串联在处理气量及压强降相同的条件下，本例中串联5台与并联台与并联5台旋风分离器的分离效率大致
20、相同，但并联时台旋风分离器的分离效率大致相同，但并联时所需的设备小，投资省所需的设备小，投资省.2、常用旋风分离器的形式、常用旋风分离器的形式o进气口四种形式：切向进口、倾斜螺旋面进进气口四种形式：切向进口、倾斜螺旋面进口、蜗壳形进口及轴向进口口、蜗壳形进口及轴向进口除标准型旋风分离器外，还有：除标准型旋风分离器外，还有：oCLP型型o扩散式：净化颗粒浓度较高的气体扩散式：净化颗粒浓度较高的气体 旋风分离器的性能不仅与含尘系统的物性、含旋风分离器的性能不仅与含尘系统的物性、含尘浓度、粒度分布以及操作条件有关，还与设备本尘浓度、粒度分布以及操作条件有关，还与设备本身的结构尺寸密切相关。身的结构尺
21、寸密切相关。2023/12/29 旋风分离器结构简单，无运动部件，操作不受温度和压旋风分离器结构简单，无运动部件，操作不受温度和压强的限制，价格低廉，性能稳定，可满足中等粉尘捕集的要强的限制，价格低廉，性能稳定，可满足中等粉尘捕集的要求，在工业生产中广泛应用。求，在工业生产中广泛应用。气量一定气量一定,进口气速越大进口气速越大,旋风分离器直径越小旋风分离器直径越小,分离效分离效果越好。工业上将许多小直果越好。工业上将许多小直径旋风分离器并联组成整体，径旋风分离器并联组成整体，装在一个外壳内，称为装在一个外壳内，称为旋风旋风分离器组分离器组，分离效果比大直，分离效果比大直径的旋风分离器好。径的旋
22、风分离器好。多级旋风分离器多级旋风分离器2023/12/292023/12/293 3、旋液分离器、旋液分离器 利用离心力从利用离心力从液流中液流中分分离出固体颗粒的分离设备。离出固体颗粒的分离设备。其工作原理、结构和操作特其工作原理、结构和操作特性与旋风分离器十分相似。性与旋风分离器十分相似。圆筒和圆锥圆筒和圆锥底流：底流：固体颗粒固体颗粒顶流：顶流：清液或含有细微颗粒清液或含有细微颗粒的液体的液体 2023/12/293 3、旋液分离器、旋液分离器 与与旋旋风风分分离离器器相相比比，直直径径小小、锥形部分长。锥形部分长。原因：原因：液液固固密密度度差差比比气气固固密密度度差差小小很很多多，
23、在在一一定定的的切切线线进进口口速速度度下下，较较小小的的旋旋转转半半径径可可使使固固体体颗颗粒粒受受到到较较大的离心力，进而提升离心沉降速度。大的离心力，进而提升离心沉降速度。适适当当增增加加圆圆锥锥部部分分长长度度，可可延延长长悬悬浮浮液液在在器器内内的的停留时间，有利于液固分离。停留时间，有利于液固分离。2023/12/292023/12/29 旋旋液液分分离离器器结结构构简简单单，设设备备费费用用低低，占占地地面面积积小小，处处理理量量大大。可可用用于于悬悬浮浮液液的的增增浓浓、分分级级操操作作，也也可可用用于于不不互互溶溶液液体体的的分分离离、气气液液分分离离、传传热、传质和雾化等操
24、作。热、传质和雾化等操作。缺缺点点：进进料料泵泵的的动动能能消消耗耗大大，内内壁壁磨磨损损大大，进进料料流量和浓度的变化容易影响分离性能。流量和浓度的变化容易影响分离性能。2023/12/294 4、环流式旋风除尘器与液固分离器、环流式旋风除尘器与液固分离器低处理量时，除低处理量时，除尘的分割粒径可尘的分割粒径可达达2 m以下；以下；高处理量时，可高处理量时，可达达3 m左右。左右。2023/12/29优点优点:压降低、效率高、压降低、效率高、放大效应小及操作弹放大效应小及操作弹性大，系统排出的气性大，系统排出的气体中不含体中不含1 m以上的以上的粉尘，分割粒径粉尘，分割粒径d50达达到到0.
25、5-0.7 m。2023/12/295 5、离心沉降机、离心沉降机分离悬浊液和乳浊液的有效设备。分离悬浊液和乳浊液的有效设备。2023/12/29本节小结本节小结重力沉降重力沉降 重力沉降速度，降尘室的特点及工艺计算重力沉降速度，降尘室的特点及工艺计算离心沉降离心沉降 离心沉降速度，旋风分离器的操作原理，旋离心沉降速度，旋风分离器的操作原理，旋风分离器的性能，旋风分离器的类型与选用，旋风分离器的性能，旋风分离器的类型与选用，旋液分离器液分离器 作业题：作业题：P170：三、：三、4、5、102023/12/293.4 过滤分离原理及设备过滤分离原理及设备o1、过滤操作原理、过滤操作原理o2、过
26、滤基本方程过滤基本方程o3、过滤过程计算：、过滤过程计算：恒压过滤恒压过滤、恒速过滤、恒速过滤o4、过滤常数的测定过滤常数的测定o5、过滤设备、过滤设备o6、滤饼洗涤、滤饼洗涤o7、过滤生产能力、过滤生产能力2023/12/29一、过滤操作原理一、过滤操作原理1 1 过滤过滤 过滤是以某种多孔过滤是以某种多孔物质为物质为介质介质，在，在外力外力的的作用下，使作用下，使悬浮液悬浮液中的中的液体通过介质的孔道，液体通过介质的孔道，而而固体颗粒固体颗粒被截留在介被截留在介质上，从而实现固、液质上，从而实现固、液分离的操作。分离的操作。2023/12/29名词名词：滤浆滤浆；过滤介质过滤介质；滤液滤液
27、；滤渣滤渣(饼饼)2023/12/29推动力推动力：压力差，离心力，重力：压力差，离心力，重力 阻阻 力力：过滤介质、滤饼阻力：过滤介质、滤饼阻力过滤介质过滤介质滤滤 饼饼滤滤 浆浆滤滤 液液 克服过滤阻力克服过滤阻力(介质阻力、滤饼阻力介质阻力、滤饼阻力)，悬浮液在重，悬浮液在重力、加压或真空作用下进行过滤，以维持滤饼与介质的力、加压或真空作用下进行过滤，以维持滤饼与介质的两侧间存在一定的压力差，两侧间存在一定的压力差，过滤过程的推动力。过滤过程的推动力。对流体做功，机械能是过滤所必需的能量。对流体做功，机械能是过滤所必需的能量。两种过滤方式两种过滤方式1）.饼层过滤饼层过滤“架桥现象架桥现
28、象”必要！必要！处理固体颗粒体积含量处理固体颗粒体积含量1%的悬浮液的悬浮液2023/12/29 刚开始时，过滤介质中微细孔道的直径可能大于悬浮液中部刚开始时，过滤介质中微细孔道的直径可能大于悬浮液中部分颗粒的直径，因而，过滤之初会有一些分颗粒的直径，因而，过滤之初会有一些细小颗粒穿过介质细小颗粒穿过介质而使而使滤液浑浊（滤液浑浊（先浑先浑）；）；但是颗粒会在孔道中迅速堆积而形成一个颗粒层（滤饼），但是颗粒会在孔道中迅速堆积而形成一个颗粒层（滤饼），使小于孔道直径的细小颗粒也能被截留，此现象称为使小于孔道直径的细小颗粒也能被截留，此现象称为“架桥架桥”现现象象。在滤饼形成之后，它便成为对其后的
29、颗粒起主要截留作用的。在滤饼形成之后，它便成为对其后的颗粒起主要截留作用的介质。因此，不断增厚的介质。因此，不断增厚的滤饼才是真正有效的过滤介质滤饼才是真正有效的过滤介质，穿过滤，穿过滤饼的液体则变为澄清的液体（饼的液体则变为澄清的液体（后清后清）。）。理解过滤操作的理解过滤操作的先浑后清。先浑后清。饼层过滤过程：饼层过滤过程：2023/12/29 过滤操作包括：过滤操作包括：过滤、洗涤、去湿及卸料过滤、洗涤、去湿及卸料四个阶四个阶段，周而复始循环进行。段，周而复始循环进行。滤饼厚度增加，阻力增加，速度降低，不能进行，滤饼厚度增加，阻力增加，速度降低，不能进行，不够经济，移走滤饼。不够经济，移
30、走滤饼。洗涤洗涤滤饼，滤饼，洗涤液，洗涤液，后除去滤饼中的液体后除去滤饼中的液体(去湿去湿)。卸料卸料（滤饼）（滤饼）反吹反吹 滤布清洗滤布清洗滤饼洗涤滤饼洗涤目的目的：回收滤饼里存留的滤液或净化构成滤饼的颗粒：回收滤饼里存留的滤液或净化构成滤饼的颗粒2023/12/292 2）深层过滤深层过滤（澄清过滤、深床过滤）（澄清过滤、深床过滤）适于处理颗粒很小、含量很小（适于处理颗粒很小、含量很小（0.1%0.1%）的悬浮液）的悬浮液例如：自来水的净化，例如：自来水的净化，污水处理污水处理 深层过滤时，深层过滤时，固体颗粒并不在介固体颗粒并不在介质上形成滤饼，而质上形成滤饼，而是沉积于过滤介质是沉积
31、于过滤介质床层的内部。床层的内部。2023/12/29特点（不同于饼层过滤）特点（不同于饼层过滤）特特 点点：颗粒沉积于过滤介质内部：颗粒沉积于过滤介质内部(没有形成滤饼没有形成滤饼）过滤介质过滤介质：堆积较厚的粒状床层。：堆积较厚的粒状床层。过滤原理过滤原理：颗粒通过细长而弯曲的孔道时，靠：颗粒通过细长而弯曲的孔道时，靠静电和静电和 分子的作用力分子的作用力附着在介质孔道上。附着在介质孔道上。操作目的：操作目的：获得固体或清净的液体获得固体或清净的液体2023/12/292.过滤介质过滤介质支撑滤饼或截留颗粒，通过滤液；支撑滤饼或截留颗粒，通过滤液；要求流动阻力小要求流动阻力小，机械强度高机
32、械强度高织物介质织物介质 滤布滤布(织物、网织物、网)，5-65 m，工业应用广泛工业应用广泛堆积介质堆积介质固体颗粒或纤维等堆积固体颗粒或纤维等堆积，深层过滤深层过滤 多孔固体介质多孔固体介质：具有微细孔道的固体具有微细孔道的固体，1-3 m 多孔膜多孔膜：有机膜、无机膜。有机膜、无机膜。1 m以下以下 2023/12/293 3滤饼的可压缩性和助滤剂滤饼的可压缩性和助滤剂 滤饼受压滤饼受压，流动阻力流动阻力 助滤剂助滤剂为了使过滤顺利进行，可以将质地坚为了使过滤顺利进行，可以将质地坚硬而能形成硬而能形成疏松滤饼疏松滤饼的另一种固体颗粒的另一种固体颗粒混入混入悬浮悬浮液或液或预涂预涂于过滤介
33、质上，以形成疏松饼层，使得于过滤介质上，以形成疏松饼层，使得滤液畅流（减小阻力）。使滤饼疏松而坚硬。滤液畅流（减小阻力）。使滤饼疏松而坚硬。不可压缩滤饼：单位厚度床层的流动阻力恒定。不可压缩滤饼：单位厚度床层的流动阻力恒定。可压缩性滤饼：单位厚度床层的流动阻力随压力可压缩性滤饼：单位厚度床层的流动阻力随压力差增大而增大。差增大而增大。2023/12/29助滤剂的基本要求：助滤剂的基本要求：1、能形成多孔饼层的刚性颗粒，使滤饼有良好、能形成多孔饼层的刚性颗粒，使滤饼有良好的渗透性及较低的流体阻力。的渗透性及较低的流体阻力。2、具有化学稳定性。、具有化学稳定性。3、在操作压强范围内具有不可压缩性。
34、、在操作压强范围内具有不可压缩性。2023/12/29常用的助滤剂：常用的助滤剂：硅藻土硅藻土由硅藻土经煅烧、粉碎、筛分而得到粒度由硅藻土经煅烧、粉碎、筛分而得到粒度均匀的颗粒。主要成分为含均匀的颗粒。主要成分为含SiO2的硅酸盐。的硅酸盐。珍珠岩珍珠岩由珍珠岩粉经煅烧迅速膨胀后、粉碎、筛由珍珠岩粉经煅烧迅速膨胀后、粉碎、筛分而得到粒度均匀的颗粒。主要成分为含分而得到粒度均匀的颗粒。主要成分为含70%SiO2的硅酸铝。的硅酸铝。石棉石棉天然的纤维状的硅酸盐类矿物质天然的纤维状的硅酸盐类矿物质2023/12/29 液体通过饼层液体通过饼层(包括滤饼和过滤介质包括滤饼和过滤介质)空隙的流动空隙的流
35、动与普通管内流动相仿。与普通管内流动相仿。通道不规则网状结构通道不规则网状结构。孔道很。孔道很细小，滤液的流动，设为细小，滤液的流动，设为层流。参照范宁公式层流。参照范宁公式：液体通过饼层克服流动阻力的压强差液体通过饼层克服流动阻力的压强差p二、过滤基本方程二、过滤基本方程 2023/12/29 dpd0 对于颗粒层中不规则的通道，可将滤液通过饼层的流动看作对于颗粒层中不规则的通道，可将滤液通过饼层的流动看作液体以速度液体以速度u u通过许多平均直径为通过许多平均直径为d d0 0,长度等于饼层厚度长度等于饼层厚度(L+LL+Le e)的小的小管内的流动管内的流动。L L为滤饼厚度，为滤饼厚度
36、，L Le e为过滤介质的当量滤饼厚度。为过滤介质的当量滤饼厚度。滤液通过饼层的流动滤液通过饼层的流动毛细孔道尺寸？毛细孔道尺寸？当量直径化当量直径化细管内表面细管内表面=床层颗粒的全部表床层颗粒的全部表面面细管的总体积细管的总体积=床层空隙体积床层空隙体积2023/12/29流体通过饼层的瞬间平均速度为流体通过饼层的瞬间平均速度为A0-饼层空隙的平均截面积，饼层空隙的平均截面积，m2;A-过滤面积，过滤面积，m2;e e-饼层空隙率，对不可压缩滤饼为定值；饼层空隙率，对不可压缩滤饼为定值；t -过滤时间过滤时间,sV -滤液量，滤液量，m3dV/dt-单位时间获得的滤液体积，单位时间获得的滤
37、液体积，过滤速率过滤速率2023/12/29 r:滤饼比阻。滤饼比阻。物理意义为物理意义为单位厚度滤饼的阻单位厚度滤饼的阻力力,数值上等于黏度为数值上等于黏度为1Pas的滤液以的滤液以1m/s的平均流的平均流速通过厚度为速通过厚度为1m的滤饼层时所产生的压强降。的滤饼层时所产生的压强降。r反映滤饼结构特征的参数，其值反映了滤饼反映滤饼结构特征的参数，其值反映了滤饼对滤液流动阻力的大小。对滤液流动阻力的大小。r，d0r等。等。引入系数引入系数：获取单位体积滤液所得滤饼体积获取单位体积滤液所得滤饼体积,m3滤饼滤饼/m3滤液滤液过滤基本方程式过滤基本方程式，表示过滤过程中任，表示过滤过程中任意瞬间
38、的过滤速度与有关因素间的关意瞬间的过滤速度与有关因素间的关系，是过滤计算及强化过滤操作的基系，是过滤计算及强化过滤操作的基本依据。本依据。适用于不可压缩滤饼。适用于不可压缩滤饼。Ve与与Le对应的滤液体积（对应的滤液体积（过过滤介质的当量滤液体积滤介质的当量滤液体积）。不）。不存在，虚拟量存在，虚拟量2023/12/29可压缩滤饼：可压缩滤饼：r r复杂，经验公式：复杂，经验公式：r=r(p)sr单位压强差下滤饼的比阻，体系确定后，为一常数。单位压强差下滤饼的比阻，体系确定后，为一常数。s：压缩性指数。：压缩性指数。s=01，颗粒刚性越大，颗粒刚性越大，s0，不可压缩滤饼：不可压缩滤饼：s=0
39、。硅藻土。硅藻土s=0.01，氢氧化铝，氢氧化铝s=0.9。过滤基本方程式过滤基本方程式2023/12/29三、过滤过程计算三、过滤过程计算o工业中大多数过滤为工业中大多数过滤为恒压过滤恒压过滤过滤操作方式：过滤操作方式：恒压过滤恒速过滤先恒速后恒压的复合操作方式p 恒压过滤：恒压过滤：在恒定压强差下进行的过滤操作。恒压过滤时，滤饼不断变厚致使阻力逐渐增加。但推动力P恒定，过滤速率逐渐变小。2023/12/291、恒压过滤基本方程式、恒压过滤基本方程式 对对于于一一定定的的悬悬浮浮液液和和过过滤滤介介质质，r、mm、uu、Ve可视为定值。可视为定值。恒恒压压过过滤滤方方程程，表表达达了了过过滤
40、滤时时间间t与与获获得得滤滤液液体体积积V或单位过滤面积上获得的滤液体积或单位过滤面积上获得的滤液体积(q)的关系的关系。2023/12/29oK与物料特性及压强差有关，单位与物料特性及压强差有关，单位m2/soqe与过滤介质阻力大小有关，单位与过滤介质阻力大小有关，单位m3/m2过滤参数，可由实验测定。过滤参数，可由实验测定。P143例例3-42023/12/292、恒速过滤与先恒速后恒压过滤、恒速过滤与先恒速后恒压过滤 用用排排量量固固定定的的正正位位移移泵泵向向过过滤滤机机供供料料，并并且且支支路路阀阀处处于于关关闭闭状状态态时时，过过滤滤速速率率恒恒定定。滤滤饼饼增增厚厚，阻阻力力增增
41、大大，维维持过滤速率不变，需不断增大过滤的推动力持过滤速率不变，需不断增大过滤的推动力-压力差。压力差。表明恒速过滤时，表明恒速过滤时，V(或或q)与与t关系是通过原点的直线关系是通过原点的直线。2023/12/29对于不可压缩滤饼：对于不可压缩滤饼：p=ruRq+ruRqe=ruR2+ruRqe在一定条件下，在一定条件下，r，uR，qe均为常数。均为常数。p=a+b 为一条直线。为一条直线。若介质阻力忽略，若介质阻力忽略，p=a 正比关系正比关系ab2023/12/29先恒速后恒压过滤先恒速后恒压过滤分两段计算：分两段计算：（恒速段）：（恒速段）：范围范围 V:0 VR，:0R。关系式关系式
42、 VR2+VeVR=K终终A2R/22023/12/29定积分得：定积分得：(V+Ve)2-(VR+Ve)2=KA2(-R)(V2VR2)+2Ve(V-VR)=KA2(-R)注：恒速与恒压交界点处的一些参数之间的关系。注：恒速与恒压交界点处的一些参数之间的关系。边界条件：边界条件：V:VRV，:R。恒压阶段：恒压阶段：2(V+Ve)dV=KA2dP144,例例3-52023/12/29根据恒压过滤基本方根据恒压过滤基本方程式程式求导求导得得微分用微分用增量增量代替代替连续测定连续测定，q算出一系列算出一系列 及对应及对应 q /q q作图，作图，直线斜率直线斜率=2/K，截距截距=2qe/K四
43、四 过滤常数的实验测定过滤常数的实验测定（恒压（恒压）然后由然后由qe2=Ke，求求e。也可由恒压过滤方程式计算，给出两组数据即可。也可由恒压过滤方程式计算，给出两组数据即可。例例3-4.但可靠度差但可靠度差方程同除以方程同除以K q2023/12/29另一种方法：另一种方法：过滤方程同除以过滤方程同除以Kq测量变量和前述方法相同测量变量和前述方法相同t/q q作图作图，直线斜率直线斜率=1/K，截距截距=2qe/Kq2+2qeq=Kt滤饼压缩性指数滤饼压缩性指数s及物料特性参数及物料特性参数k的求法：的求法：K2k(P)1-slgK=(1-s)lgp+lg(2k)2023/12/29五、五、
44、过滤设备过滤设备-过滤机过滤机操作方法操作方法加压过滤机加压过滤机真空过滤机真空过滤机间歇过滤机间歇过滤机连续过滤机连续过滤机过滤推动力过滤推动力板框压滤机板框压滤机加压叶滤机加压叶滤机转筒真空过滤机转筒真空过滤机2023/12/29（一）板框压滤机（一）板框压滤机1）板框压滤机的构造）板框压滤机的构造 由许多块带凹凸纹路的滤板与滤框交替排列组装于机而构成。2023/12/29p 滤板和滤框多做成正方形，板、框左右角上均开有小孔，组合后即构成供滤浆和洗涤水流通的孔道。滤框的两侧覆以滤布，围成容纳滤浆及滤饼的空间。滤板的作用：支持滤布和提供滤液流出的通道。滤板洗涤板：非洗板：滤框：二钮板 三钮板
45、 一钮板 滤框的作用：提供滤浆流入的通道和收集滤渣。滤板与滤框装合方式：按钮数以1-2-3-2-1-2-3-2的顺序排列。2023/12/292023/12/292）板框压滤机的操作）板框压滤机的操作 板板框框压压滤滤机机为为间间歇歇操操作作，每每个个操操作作循循环环由由装装合合、过过滤滤、洗洗涤涤、卸卸饼饼、清清理理5个阶段组成。个阶段组成。悬悬浮浮液液在在指指定定压压强强下下经经滤滤浆浆通通路路由由滤框角上的孔道并行进入各个滤框。滤框角上的孔道并行进入各个滤框。滤滤液液分分别别穿穿过过滤滤框框两两侧侧的的滤滤布布，沿沿滤板板面的沟道至滤液出口排出滤板板面的沟道至滤液出口排出 颗颗粒粒被被滤
46、滤布布截截留留而而沉沉积积在在滤滤布布上上，待滤饼充满全框后，停止过滤。待滤饼充满全框后，停止过滤。洗洗板板板框压滤机板框压滤机框框非非洗洗板板洗洗板板滤液流出滤液流出悬悬浮浮液液入入口口2023/12/29洗洗板板板框压滤机板框压滤机框框非非洗洗板板洗洗板板洗涤液流出洗涤液流出洗洗涤涤液液入入口口p 横穿洗涤法：横穿洗涤法：洗洗涤涤时时，先先将将洗洗涤涤板板上上的的滤滤液液出出口口关关闭闭，洗洗涤涤水水经经洗洗水水通通路路从从洗洗涤涤半半角角上上的的孔孔道道并并行行进进入入各个洗涤板的两侧。各个洗涤板的两侧。特特点点：洗洗涤涤水水穿穿过过的的途途径径正正好好是是过过滤滤终终了了时时滤滤液液穿
47、穿过过途途径径的的二倍二倍。p 置换洗涤法：置换洗涤法：洗涤液行程与滤液相同。洗涤面洗涤液行程与滤液相同。洗涤面=过滤过滤面面2023/12/292023/12/29优点：结构简单，制造容易，设备紧凑，过滤面积大而占地小，操作压强高，滤饼含水少，对各种物料的适应能力强。缺点：间歇手工操作，劳动强度大，生产效率低。间歇操作间歇操作过滤、洗涤、卸渣、整理、装过滤、洗涤、卸渣、整理、装合合2023/12/29 叶滤机由许多滤叶组成。滤叶内有空叶滤机由许多滤叶组成。滤叶内有空间，外包滤布，将滤叶装在密闭的机壳内，间，外包滤布，将滤叶装在密闭的机壳内，为滤浆所浸没。为滤浆所浸没。1 1）滤浆中的液体在压
48、力作用下穿过滤）滤浆中的液体在压力作用下穿过滤布进入滤叶内部，成为滤液后从其一端排布进入滤叶内部，成为滤液后从其一端排出出（过滤）（过滤）。2 2）过滤完毕，机壳内改充清水，使水）过滤完毕，机壳内改充清水，使水循着与滤液相同的路径通过滤饼进行洗涤，循着与滤液相同的路径通过滤饼进行洗涤，故为置换洗涤故为置换洗涤（洗涤）（洗涤）。3 3）最后，滤饼可用振动器使其脱落，）最后，滤饼可用振动器使其脱落，或用压缩空气将其吹下或用压缩空气将其吹下（卸渣）（卸渣）。滤叶可以滤叶可以水平放置也可以垂直放置水平放置也可以垂直放置，滤浆可用滤浆可用泵压入也可用真空泵抽入泵压入也可用真空泵抽入。2、加压叶滤机、加压
49、叶滤机2023/12/29优点优点:叶滤机也是间歇操作设备。它具有过滤推动力大，过滤叶滤机也是间歇操作设备。它具有过滤推动力大，过滤面积大，滤饼洗涤较充分等优点。其生产能力比压滤机还大，面积大，滤饼洗涤较充分等优点。其生产能力比压滤机还大，而且机械化程度高，劳动力较省。而且机械化程度高，劳动力较省。缺点缺点:构造较为复杂，造价较高，粒度差别较大的颗粒可能分构造较为复杂，造价较高，粒度差别较大的颗粒可能分别聚集于不同的高度，故洗涤不均匀。别聚集于不同的高度，故洗涤不均匀。2023/12/29o加压式叶滤机的过滤面积一般为加压式叶滤机的过滤面积一般为20-100m2，主要，主要用于含固体量少（约用
50、于含固体量少（约1%）的悬浮液和需要液体）的悬浮液和需要液体而不是固体的场合，如各种而不是固体的场合，如各种酒类、食品饮料以及酒类、食品饮料以及植物油等的过滤植物油等的过滤。2023/12/293、转筒真空过滤机、转筒真空过滤机1）转筒真空过滤机的结构）转筒真空过滤机的结构 转筒真空过滤机是工业上应用最广的一种连续操作的过滤设备。设备的主体是一个能转动的水平圆筒，圆筒表面有一层金属网，网上覆盖滤布，筒的下部进入滤浆中，圆筒沿径向分割成若干扇形格，每个都有单独的孔道通至分配头上。圆筒转动时，凭借分配头的作用使这些孔道依次分别与真空管及压缩空气管相通，因而在回转一周的过程中每个扇形格表面即可顺序进