化工原理第三章 机械分离与固体流态化Word文档下载推荐.docx
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助滤剂通常是一些不可压缩的粉状或纤维状固体，能形成结构疏松的固体层。
常用的助滤剂有：
硅藻土、纤维粉末、活性炭、石棉等。
3.1.2过滤基本方程
Lu1uule
图3-3
流体在滤饼中流动的简化模型
将孔道视为长度均为le的一组平行细管，流体在细管中的平均流速u1，同时考虑到滤饼较薄，广义压力降可近似用压力降代替，则：
u1=
p12de32μle
式中u1?
流体的真实流速，m/s；
p1?
通过滤饼的压力降，N/m2；
（3－1）μ?
滤液的粘度，N?
s/m2；
de?
滤饼层孔道的当量直径，m；
le?
孔道的平均长度，m。
在单位时间内通过单位过滤面积的滤液量为瞬大时过滤速度u：
dVdq化u==Adτdτ工式中q?
单位过滤面积所得的滤液量，q=V/A，m3/m2；
原A?
过滤面积，m2。
V——滤液量理令ε表示滤饼层空隙率（ε=空隙体积/滤饼层体积），则：
电udVu1==子εεAdτ课取le=CL，式3-1中的de采用水力当量直径，则：
件4×
流通截面积4×
细管的流动空间d==
e
润湿周边长
细管的全部内表面积
令颗粒比表面积a=颗粒表面积/颗粒体积，则：
de=4ε[a（1?
ε）]
将上述几式式代入式3-1，整理得：
p1dVε3=Adτ2Ca2（1?
ε）2μL
（3－2）
r=r0?
psr称为滤饼的比阻，与滤饼的结构有关。
可压缩滤饼的s大约为0.2～0.8。
不可压缩滤饼s=0。
于是式3-2可写成：
p1过滤推动力dV（3－3）==
Adτ
r=2Ca2（1?
ε）ε3
2
μrL
过滤阻力
式中?
p1为过滤推动力，μrL可视为滤饼阻力。
将介质阻力折合成厚度为L的滤饼阻力，式3-3成为：
e大dV?
p（3－4）=Adτμr（L+Le）化L=cV/A滤饼层厚度L为工2?
p2?
p1?
s（3－4a）=原Le=cVe/AK=令μrcμr0c理dVKA2代入（3-4）中得（3－5）=电dτ2（V+Ve）子dqK课=或（q+qe）式中qe=Ve/Adτ2件
——过滤基本方程
1．恒压过滤．
若过滤过程中保持过滤推动力（压差）不变，则称为恒压过滤。
对于指定滤浆的恒压过滤，K为常数，积分式3-5得：
或
V2+2VVe=KA2τ
q
+2qq
=Kτ
若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为：
V2=KA2τq2=Kτ
2．恒速过滤．
若过滤时保持过滤速度不变，则过滤过程为恒速过滤。
对恒速过滤，有代入式3-5中得：
dVV==常数AdτAτ
K2KAτ或q2+qqe=τ22若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为：
V2+VVe=
K2V=Aτ2
Kq=τ2
3.1.3过滤常数的测定
过滤计算要有过滤常数K、qe或Ve作依据。
由不同物料形成的悬浮液，其过滤常数差别很大。
即使是同一种物料，由于操作条件不同、浓度不同，其过滤常数亦不尽相同。
过滤常数一般要由实验来测定。
将恒压过滤积分方程改写成：
τ
12=q+qeqKK
此式表明，τ/q与q之间具有线性关系，实验中记录不同过滤时间τ内的单位面积滤液量q，将τ/q对q作图，得一直线，直线的斜率为1/K，截距为2qe/K，由此可求出K、qe。
用上述方法可以测出不同压差条件下的K值，再根据K与?
p关系式3-4a，有logK=（1?
s）log?
p+B可见logK与log?
p成直线关系，由直线的斜率可求出压缩指数s。
例3-1过滤常数测定
CaCO3粉末与水的悬浮液在恒定压差1.17×
105Pa及25℃下进行过滤，试验结果列于表3-1，过滤面积为400cm2，求此压差下的过滤常数K和qe。
恒压过滤试验中的V表3-1恒压过滤试验中的～τ数据
过滤时间τs滤液体积Vl6.80.519.01.034.51.553.42.076.02.5102.03.0
3.1.4滤饼洗涤
1．洗涤速度．
洗涤速度：
洗涤速度
洗涤推动力?
dV?
=洗涤阻力?
Adτ?
w
若洗涤压力与过滤终了时的操作压力相同
式中μ、μw分别为滤液、洗涤液的粘度，L、Lw分别为过滤终了时滤饼厚度、洗涤时穿过的滤饼厚度。
KA?
=由过滤基本方程可知：
e2（V+Ve）
wμL?
=μwLw?
式中V是过滤终了时的滤液量
2．洗涤时间τw．
设洗涤液用量为Vw，则洗涤时间：
Vwτw=?
dτ?
3.1.5过滤设备及过滤计算
1.过滤设备1.过滤设备
（1）板框压滤机
板与框的结构如所示，图3-6所示，四角均开有孔，均开有孔，组装叠合后分别构成滤浆通道、通道、滤液通道和洗涤液通道。
洗涤液通道。
图
图3-5
板框压滤机简图（暗流式）
1—固定架2—滤布3—滤板4—滤框5—滑动机头6—机架7—滑动机头板8—固定机头板9—机头连接机构
1
非洗涤板
框
洗涤板
图3-6
滤板和滤框
1—滤浆进口；
2—洗水进口
P139
西安交过滤大滤浆由总管入框→框内形成滤饼→滤液穿过饼和布化→经每板上旋塞排出（明流）工→从板流出的滤液汇集于某总管排出（暗流）原理横穿洗涤：
电洗涤液由总管入板→滤布→滤饼→滤布子→非洗涤板→排出课洗涤面=（1/2）过滤面积件
置换洗涤：
洗涤液行程与滤液相同。
洗涤面=过滤面说明①间歇操作——过滤、洗涤、卸渣、整理、装合②主要优缺点构造简单，过滤面积大而占地省，过滤压力高（可达1.5MPa左右），便于用耐腐蚀性材料制造，便于洗涤。
它的缺点是装卸、清洗劳动强度较大。
（2）叶滤机
叶滤机是由许多滤叶组成。
滤叶为内有金属网的扁平框架，外包滤布，将滤叶装在密闭的机壳内（加压式），为滤浆所浸没。
滤浆中液体在压力差作用下穿过滤布进入滤叶内部，成为滤液从其周边引出。
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，进行置换洗涤。
叶滤机也是间歇操作设备，具有过滤推动力大、单位地面所容纳的过滤面积大、滤饼洗涤较充分等优点。
其生产能力比板框压滤机大，而且机械化程度高，劳动力较省，密闭过滤，操作环境较好。
其缺点是构造较复杂、造价较高。
（3）回转真空过滤机
图P142
2.间歇式过滤机的生产能力及最佳操作周期2.间歇式过滤机的生产能力及最佳操作周期大操作周期包括过滤时间τ、洗涤时间τw和卸渣、整理、化重装等辅助时间τD。
设整个操作周期内获得的滤液量为工V，则生产能力Q可表示为：
VV原Q==（3-6）∑ττ+τw+τD理假设洗涤液粘度与滤液粘度相近，于是，对板框压滤电机，恒压操作时洗涤速率子课μLAw?
LAw?
1?
1KA2?
=?
=×
wμwLwA?
e2L×
2Aw?
e4?
e42（V+Ve）?
件
对叶滤机，洗涤速率则为：
大μLAw?
KA2?
=?
=化?
e?
e2（V+Ve）工综合板框压滤机、叶滤机，洗涤速率可统一写成：
原理KA2?
=电?
wδ（V+Ve）子对板框压滤机，式中δ=8；
对叶滤机，δ=2。
课件
设洗涤液量Vw=bV，则洗涤时间：
δVw（V+Ve）δbV2+VVeVwτw===（dVdτ）wKA2KA2
（
）
而过滤时间
τ=
V2+2VVeKA2
将τ、τw表达式代入式3-6得：
KA2VQ=2V+2VVe+δbV2+VVe+τDKA2
将上式对V求导数，得：
KA2τDKA2?
V2?
δbV2dQ=dVV2+2VVe+δbV2+VVe+τDKA2
[（
]
西安dQV2δbV2交并令，=0得：
τD=KA2+KA2dV大δbV2V化若介质阻力忽略不计，则=τ，KA2=δbτ=τw，于是KA工τD=τ+τw=τ+δbτ原当τD<
τ+τw时，dQ/dV>
0；
τD>
τ+τw时，dQ/dV<
0。
这表明理，在过滤介质阻力忽略不计的条件下，当过滤时间与洗涤时间之和等于辅助时间时，板框过滤机生产能力最大，此时的操作周期电为最佳操作周期，即子（∑τ）opt=2τD课若滤饼不洗涤，则τw=0，达到最大生产能力的条件是：
τD=τ件
22
3.回转真空过滤机的生产能力回转真空过滤机的生产能力大设转筒的转数为每秒钟n次，转筒浸入面积占全部转筒面积的分率为φ，则转筒任何一部分表面在一个操作周期中的过滤时间为化τ=φn工原根据恒压过滤方程，在忽略过滤介质阻力的情况下，有V2=KA2τ理即转一圈（一个操作周期）的滤液量为V=AKτ=AKφn电故生产能力为：
Q=V∑τ=nV=nKφnA=AKφn子课此式表明，提高转筒的浸没分数φ及转数n均可提高生产能力，但这类方法受到一定的限制。
例3-2板框压滤机计算现用一板框压滤机过滤含钛白（TiO2）的水悬浮液，过滤压力为3×
105Pa（表压）。
已知滤框尺寸为810×
810×
45mm，共有40个框，已经测得过滤常数K=5×
10-5m2/s，qe=0.01m3/m2，滤饼体积与滤液体积之比c=0.08m3/m3。
滤框充满后，在同样压力下用清水洗涤滤饼，洗涤水量为滤液体积的1/10，水与钛白水悬浮液的粘度可认为近似相等。
试计算：
（1）框全部充满时所需过滤时间；
（2）洗涤时间；
（3）洗涤后卸渣、清理、重装等共需40分钟，求板框压滤机的生产能力；
（4）这个板框压滤机的最大生产能力及最大生产能力下的滤饼厚度。
例3-3回转真空过滤机计算大有一浓度为9%（质量）的水悬浮液，固相密度为3000kg/m3。
已经测得滤饼空隙率为ε=0.4，操作压力化3×
105Pa（表压）下的过滤常数为K=3×
10-5m2/s。
现采工用一台回转真空过滤机进行过滤，此过滤机的转筒直原径为2.6m，长度为2.6m，浸入角度为120°
，生产时采理用的转速为0.5转/分，操作真空度为0.7×
105Pa。
试求此电过滤机的生产能力（以滤液计）和滤饼厚度。
假设滤子饼压缩指数s=0.3，过滤介质阻力可忽略不计，滤饼空课隙内充满液体。
3.2沉降
3.2.1沉降速度?
3.2.2重力沉降设备?
3.2.3离心沉降设备?
3.2.4离心机
3.2.1沉降速度
1.自由沉降速度自由沉降速度?
自由沉降:
单个颗粒在流体中的沉降过程称。
干扰沉降：
若颗粒数量较多，相互间距离较近，则颗粒沉降时相互间会干扰，称为干扰沉降。
颗粒在流体中受到三个力的作用，如图3-13所示：
大化?
质量力BFB=mg（重力），或FB=mac（离心力）质量力F工浮力F曳力F原Fb=mρg/ρp?
浮力Fb浮力Fb理ρu2电FD=ζDA质量力F?
曳力FD曳力F2子图3-13颗粒在流体式中ζD为曳力系数，A为颗课中沉降时受力粒在流动方向上的投影面积件
bDB
根据牛顿第二定律，作用于颗粒上的合外力使其产生加速运动，即：
大duFB?
Fb?
FD=m（3-7）化dt工?
单个颗粒在流体中的沉降过程分为两个阶段：
加速段和等速段，对于小颗粒，加速段极短，通常可以忽略，于是，整个沉降过程原都可认为是匀速沉降。
理用ut表示沉降速度，将式3-7用于球形颗粒的自由沉降，忽略加电速段，得在重力场中：
子?
ρ?
ζρuπd=0mg?
1?
24ρ?
课?
4dp（ρp?
ρ）g件式中dp为颗粒的当量直径。
u=整理得：
2tD2pp
t
3ρζD
2.曳力系数2.曳力系数
利用因次分析可知ζD为雷诺数Rep=dputρ/μ的函数，其中μ为流体的粘度。
下图示出了球形颗粒的曳力系数与雷诺数Rep关系的实验结果。
100004000100040010040
ζD
10410.40.10.0010.010.111010010001000010
5
10
6
Rep=dputρ/μ
图3-15
曳力系数与雷诺数关系
此曲线显示出四个不同特征的区域：
大24ζD=化?
（1）Rep≤2，爬流区，又称斯托克斯（Stokes）区，此时Rep工18.5ζD=0.6?
（2）2≤Rep≤500过渡区，又称阿仑（Allen）区，此时原Rep理?
（3）500<
Rep<
2×
105湍流区（除边界层外），又称牛顿电（Allen）区，此时ζD≈0.44子?
（4）Rep≥2×
105边界层内也为湍流，ζD将突然下降，呈现课不规则现象。
3.影响沉降速度的其它因素影响沉降速度的其它因素
（1）干扰沉降
（2）非球形颗粒的沉降（3）壁面效应
3.2.2重力沉降设备
1.降尘室降尘室
LB气体utuH气体进口气体出口
集灰斗
图3-16
降尘室
图3-17
颗粒在降尘室中的运动
（1）工作原理气体入室→减速颗粒的沉降运动&
随气体运动
沉降运动时间<
气体停留时间→分离
说明①d↑，容易除去②气量V↓，容易除去要想使颗粒从降尘室中被除去，必须满足：
τ0≥τt（停留时间>
=沉降时间）
τ0=L/u，而τt=H/ut
能够刚好被100%除去的最小颗粒，将满足其中的条件τ0=τt即
LH=uut
此时气体体积流量Vs=HBu=LBut=Aut
假设颗粒沉降服从斯托克斯公式大处理量为Vs时能够被100%除去的最小颗粒直径为：
化工Vs18μdpmin=?
原g（ρp?
ρ）A说明理①dmin~颗粒、气体性质，气体处理量，底面积电②考虑是dmin，一般认为处在层流区子③气体均布重要性——入口锥形课④横截面大——操作气速低→不被卷起件底面积大——分离效率高
例3-4降尘室计算大用降尘室除去矿石焙烧炉炉气中的氧化铁粉化尘（密度4500kg/m3），操作条件下的气体体工积流量为6m3/s，密度为0.6kg/m3，粘度为原0.03cP，降尘室高2m，宽2m，长5m。
试求能100%除去的最小尘粒直径。
理电若将该降尘室用隔板分成10层（不计隔板厚度），而需完全除去的最小颗粒要求不变，则子降尘室的气体处理量为多大？
若生产能力不变，课则能100%除去的最小尘粒直径为多大？
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