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

1、 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 L u1 u u le 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 = p1 2 de 32l e 式中 u1 ? 流体的真实流速，m/s；p1 ? 通过滤饼的压力降，N/m2； （31） ? 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

2、滤液量为瞬 大 时过滤速度u： dV dq 化 u= = Ad d 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 令表示滤饼层空隙率（ = 空隙体积/滤饼层体积），则： 电 u dV u1 = = 子 Ad 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： d e = 4 a（1 ? ） 将上述几式式代入式3-1，整理得： p1 dV 3 = Ad 2Ca 2 （1 ? ）2 L （3

3、2） r = r0 ?p s r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0.20.8。不可压缩滤饼s=0。于是 式3-2可写成：p 1 过滤推动力 dV （33） = = Ad r = 2Ca 2 （1 ? ） 3 2 rL 过滤阻力 式中?p1 为过滤推动力， rL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 （34） = Ad r （L + Le ） 化 L = cV / A 滤饼层厚度L为 工 2?p 2?p 1? s （34a） = 原 Le = cVe / A K = 令 rc r0 c 理 dV KA 2 代入（3-4）

4、中得 （35） = 电 d 2（V + Ve ） 子 dq K 课 = 或 （q + q e ） 式中 q e = Ve / A d 2 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 V 2 + 2VVe = KA 2 q + 2 qq = K 若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为： V 2 = KA 2 q2 = K 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： dV V = = 常数 Ad A K 2 K A 或 q 2 + qq e

5、 = 2 2 若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为： V 2 + VVe = K 2 V = A 2 K q = 2 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： 1 2 = q + qe q K K 此式表明，/q与q之间具有线性关系，实验中记录不同过滤 时间 内的单位面积滤液量q，将 /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

6、同压差条件下的K值，再根据K与?p 关系 式3-4a，有 log K = （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1.1710 5 Pa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 数据 过滤时间 s 滤液体积V l 6.8 0.5 19.0 1.0 34.5 1.5 53.4 2.0 76.0 2.5 102.0 3.0 3.1.4 滤饼洗涤 1洗涤速度 洗涤速

7、度： 洗涤速度 洗涤推动力 ? dV ? = 洗涤阻力 ? Ad ? w 若洗涤压力与过滤终了时的操作压力相同 式中、w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： e 2（V + Ve ） w L ? = w Lw ? 式中V是过滤终了时的滤液量 2洗涤时间 w 设洗涤液用量为Vw，则洗涤时间： Vw w = ? d ? 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

8、 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

9、同。洗涤面=过滤面 说明 间歇操作过滤、洗涤、卸渣、整理、装合 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

10、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、洗涤时间w和卸渣、整理、 化 重装等辅助时间D。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： V V 原 Q= = （3-6） +w +D 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 LAw ? LAw ? 1 ? 1 KA 2 ? = ? = w w L w A ? e 2 L 2

11、Aw ? e 4 ? e 4 2（V + Ve ） ? 件 对叶滤机，洗涤速率则为： 大 LAw ? KA 2 ? =? = 化 ? e ? e 2（V + Ve ） 工 综合板框压滤机、叶滤机，洗涤速率可统一写成： 原 理 KA 2 ? = 电 ? w （V + Ve ） 子 对板框压滤机，式中=8；对叶滤机，=2。 课 件 设洗涤液量Vw=bV，则洗涤时间： V w （V + Ve ） b V 2 + VVe Vw w = = = （dV d ）w KA 2 KA 2 （ ） 而过滤时间 = V 2 + 2VVe KA 2 将、w表达式代入式3-6得： KA 2V Q= 2 V + 2VV

12、e + b V 2 + VVe + D KA 2 将上式对V求导数，得： KA 2 D KA 2 ? V 2 ? bV 2 dQ = dV V 2 + 2VVe + b V 2 + VVe + D KA 2 （ 西 安 dQ V2 bV 2 交 并令， = 0 得： D = KA 2 + KA 2 dV 大 bV 2 V 化 若介质阻力忽略不计，则 = ， KA 2 = b = w，于是 KA 工 D = + w = + b 原 当D0；D+w时，dQ/dV0。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

13、最佳操作周期，即 子 （ ）opt = 2 D 课 若滤饼不洗涤，则w=0，达到最大生产能力的条件是： D = 件 2 2 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，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 = n 工 原 根据恒压过滤方程，在忽略过滤介质阻力的情况下，有 V 2 = KA 2 理 即转一圈（一个操作周期）的滤液量为 V = A K =A K n 电 故生产能力为： Q = V = nV = n K n A = A Kn 子 课 此式表明，提高转筒的浸没分数及转数n均可提高生 产能力，

14、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3105Pa（表压）。已知滤框尺寸为81081045mm，共有40 个框，已经测得过滤常数K=510-5m2/s，qe=0.01m3/m2，滤饼体积 与滤液体积之比c=0.08 m3/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

15、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=0.4，操作压力 化 3105Pa（表压）下的过滤常数为K=310-5m2/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0.7105Pa。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

16、 ? 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 B FB=mg （重力），或FB=mac（离心力） 质量力F 工 浮力 F 曳力 F 原 Fb=mg/p ? 浮力Fb 浮力Fb 理 u 2 电 FD = D A 质量力 F ? 曳力FD 曳力F 2 子 图 3-13 颗粒在流体 式中D为曳力系数，A为颗 课 中沉降时受力 粒在流动

17、方向上的投影面积 件 b D B 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 du FB ? 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 ? ? u d = 0 mg ?1 ? 2 4 ? 课 ? 4d p （ p ? ）g 件 式中dp为颗粒的当量直径。 u = 整理得： 2 t D 2 p p t 3 D 2.曳力系数 2

18、.曳力系数 利用因次分析可知D为雷诺数Rep=dput/的函数，其 中为流体的粘度。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。 10000 4000 1000 400 100 40 D 10 4 1 0.4 0.1 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 10 5 10 6 Rep=dp u t/ 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 24 D = 化 ? （1） Rep 2，爬流区，又称斯托克斯（Stokes）区，此时 Re p 工 18.5 D = 0.6 ? （2） 2 Rep 500 过渡区，又称阿仑

19、（Allen） 区，此时 原 Re p 理 ? （3） 500 Rep 2105 湍流区（除边界层外），又称牛顿 电 （Allen） 区，此时 D 0.44 子 ? （4） Rep 2105 边界层内也为湍流，D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 L B 气体 ut u H 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=沉降时间

20、） 0=L/u，而t=H/ut 能够刚好被100%除去的最小颗粒，将满足其中的条件 0 = t 即 L H = u ut 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 Vs 18 d p min = ? 原 g （ p ? ） A 说明 理 dmin颗粒、气体性质，气体处理量，底面积 电 考虑是dmin ，一般认为处在层流区 子 气体均布重要性入口锥形 课 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 6 m3/s， 密 度 为 0 . 6 kg/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？