第三章机械分离

dV
KA2
d 2V V
e
dq
d
K
2q
q
e
第三章 流体输送机械
影响K的因素：
K
2p1s
r '
滤饼性质（、a）
滤浆性质（ν、）
推动力（p）
r (a, )
△p
影响qe或Ve 的因素：
过滤介质的性质（孔的结构、、r、厚度）
u 表观速度
第三章 流体输送机械
LA
V
υ：每获得单位体积滤液时，被截
△p1 △p2
即过滤速度
u 表观速度
第三章 流体输送机械
设每获得单位体积滤液时，
被截留在过滤介质上的滤饼体积
为υ（m3滤饼/m3滤液），则
LA
V
p
u rL Le
L V
A
Le
Ve
A
代入过滤速度表达式中： dV pA
Ad (V V ) e
r 5a2 1 2
3
令 : K 2p
r
qV A
❖ 非球形颗粒的沉降
球形度越小，沉降速度越小 颗粒的位向对沉降速度也有影响。
❖ 壁面效应
由于壁面效应，实际沉降速度小于自由沉降速度。
第三章 流体输送机械
例3-1 某除尘室高2m、宽2m、长5m，用于矿石焙烧炉的炉气 除尘。矿尘的密度为4500kg/m3，其形状近于圆球。操作条 件下气体流量为25000m3/h，气体密度为0.6kg/m3、粘度 为 3×10-5Pas 。试求理论上能完全除去的最小矿粒直径。
➢ 过滤介质：
滤浆
要求：多孔性介质、耐腐蚀、耐热并 滤饼 具有足够的机械强度。
过滤介质
工业中常用过滤介质主要有：
滤液
织物介质: 如棉、麻、丝、毛、 合成纤维、金属丝等编织成的滤布。
滤饼过滤
多孔性固体介质: 如素瓷板或管、 烧结金属等。
滤饼层起到了主要的过滤介质的 作用。
第三章 流体输送机械
➢ 滤饼的压缩性：
1020kg m3 s
1.005 103 Pa s
ut
(15 106 )2 (1020 998.2)
18 1.005 103
9.807
2.66 106 m s 1
校核:
Ret
dut
15 106 2.66 106 1.005 103
998.2
3.96 105
1
计算有效
第三章 流体输送机械
知识目标：
❖ 掌握沉降分离和过滤操作的基本概念和原理 ❖ 掌握机械分离设备的类型、结构及相关计算
能力目标：
❖能根据生产工艺要求合理选择分离方法、设备类 型及尺寸 ❖ 掌握过滤操作的强化措施
第三章 机械分离
3.1 概述
混合物
均相物系 非均相物系------沉降、过滤
分离
悬浮液（固-液混合物） 乳浊液（液-液混合物） 含尘气体、含雾气体（固-气、液-气混合物）
恒压过滤方程为：
V 2 KA2
K 2p
r
第三章 流体输送机械
K
2 100 103
4.996 105 m2 s 1
0.8007 103 11014 0.05
V2
10 2
1251s 20.85 min
A
r1 O
r2
r
B ur C
u u
颗粒在旋转流场中的运动
第三章 流体输送机械
浮力 Fb
66dd3
3
ugT2
R
曳力 FD
d
2
(
u
2 r
)
42
质量力 Fc
mmagc
66
dd3
3s
suRgT2
颗粒在流体中沉降时受力
g
ac
uT2 R
ut
4ds s g
3
ur
4d s s ac
3
4d s s uT2
粒级效率：每一种颗粒被分离出来的百分率。
P158 图3-9可 d p dc的颗粒，粒级效率均为100%；
查粒级效率
dp
d
的颗粒，粒级效率均
c
100%
压降：小好，一般在 5002000Pa 左右
p ui2
2
8
第三章 流体输送机械
3.3、影响沉降的因素
❖ 干扰沉降
由于干扰作用，实际沉降速度 小于自由沉降速度。
L 滤液(V)
第三章 流体输送机械
1、过滤基本方程的推导 p166-170
简化模型： 滤饼内，雷诺数很小，属层流流动，
le CL 4 流通截面积
d e 润湿周边
于是：
wf
p1
le
de
u2 2
64
Re
u'
p1d
2 e
32le
u 空床气速（表观速度）
u
L
le
de
流体在固定床内流动的简化模型
影响过滤速率的影 响有哪些？
什么是比阻？其影 响因素是什么？
第三章 流体输送机械
p166-171
写出过滤的基本方程式 写出恒压过滤方程式
写出过滤常数 K的表达式
何谓比阻
第三章 流体输送机械
例3-3. 在100KPa的恒压下过滤某悬浮液，温度30℃，
过滤面积为40m2，并已知滤渣的比阻为 11014 m2 ，υ
u真实速度
第三章 流体输送机械
le CL
de
4 流通截面积
润湿周边
4
a1
ε：孔隙率 α: 比表面积m2/m3
床层孔隙体积 床层体积
V孔隙 V床层
u u
3
u
p1
2Ca 2 1 2 L
u'
p1d
2 e
32le
u
u
L
le
de
u
流体在固定床内流动的简化模型
真实速度
第三章 流体输送机械
u
3
p1
值为0.05。过滤介质的阻力忽略不计，滤渣为不可压缩， 试求：(1)要获得10m3滤液需要多少过滤时间？(2)若仅 将过滤时间延长一倍，可以再获得多少滤液？(3)若仅将 过滤压差增加一倍，同样获得10m3滤液时需要多少过滤 时间？温度为30℃时，滤液粘度为0.8007cp .
解：（1）求过滤时间
过滤介质阻力可以忽略不计，滤渣为不可压缩的
3
P145 图3-2 ζ-Ret的关系
如何求？
Re t
dsut
1或2
滞流区/斯托克斯区 24
Re t
ut
d
2 s
s
18
g
(3-24)
过渡区、湍流区ut 的计算参见教材 p146
第三章 流体输送机械
2) 沉降速度的计算 试差法
ut
4ds s g
3
试差过程：
① 设沉降处于滞流区 /斯托克斯区
3 R
第三章 流体输送机械
uT2
离心分离因素：
Kc
ac g
R g
当处理相同（气固）混合物且 沉降处于滞流区，同种颗粒：
uT2
ur ut
R g
Kc
一般 Kc=5~2500 P155 当R=0.4m, uT=20m/s时，Kc=102 离心沉降的效果远高于重力沉降的分离效果。
第三章 流体输送机械
3.2.2、离心沉降设备
解：降尘室能完全除去的最小颗粒的沉降速度为：
生产能力 :Vs ut • A底
ut
Vs bl
25000 / 3600 25
0.694m s 1
假定沉降在层流区:
ut
d 2(s )g 18
d 18 3105 0.694＝9.21105 m 4500 9.81
校核:
Ret
d
ut
9.21105 0.694 3 10 5
留在过滤介质上的滤饼体积为。
比阻r: r (a, )
r 5a2 1 2
3
r r ' (p)s
S:可压缩指数
S=0~1 滤饼不可压缩: S=0
ε：孔隙率 α: 比表面积m2/m3
(3-44) P167
悬浮液
△p
L
滤液(V)
第三章 流体输送机械
过滤基本方程式:
p166-170
过滤速率： dV
降尘室生产能力:
V u • (B H ) ut • (L B) ut • A
能够满足 100%除去某粒度颗粒时的气体处理量-----生产能力
可见：降尘室生产能力与底面积、沉降速度有关， 而与降尘室高度无关
第三章 流体输送机械
生产能力:Vs ut • A底
思考：如何提高生产能力？
ut
d
A p 2
1 s
d '(V V )
e
(3-53) p170
悬浮液
V ：滤液量；
△p
θ：过滤时间；
Ve：虚拟滤液量 ； A ：过滤面积；
△p ：过滤压力差。
L
滤液(V)
Le虚拟 滤饼
虚拟滤液量 (Ve)
层高 度
第三章 流体输送机械
dV
A p 2
1 s
过滤基本方程式:
d '(V V )
e
dV
d
KA2
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第三章
流体输送机械
例3-2:有一玉米淀粉水悬浮液，温度20℃，淀粉颗粒平均直径 为15μm，淀粉颗粒吸水后的密度为1020kg，试求颗粒的沉 降速度。
解：假定沉降在层流区进行
ut
d
2 s
s
18
g
已知：d 15m 15106 m, s
查出20℃的水: 998.2kg m3 ,
第二节 过 滤
▪ 概述 ▪ 过滤基本方程式 ▪ 恒压过滤方程式 ▪ 滤饼洗涤 ▪ 过滤设备及过滤计算
第三章 流体输送机械
一、概 述 过滤：流体相对于颗粒而运动的过程称为过滤。 过滤方式深滤层饼过过滤滤 推动力：重力、压力、离心力
深层过滤
滤浆
滤饼 过滤介质
滤液
滤饼过滤
第三章 流体输送机械
滤饼过滤
2Ca 2 1 2 L
r：比阻
令
1 r
3
2Ca 2 1
2
r 2Ca 2 1 2
3
比阻的含义？
过滤速度
u
p1
rL
dV
Ad
dq
d
过滤推动力 过滤阻力
q V —滤流通量 A
u p1 p2
rL rLe
p
rL
Le
过滤总推动力
（滤饼阻力 介质阻力）
---单位时间内通 过单位过滤面 积的滤液体积
进口
出口
高度 H 沉降时间 t ut ut
若
t
则表明，该颗粒能在降 尘室中完全被除去。
集灰斗 降尘室
L B
气体
t
则表明，该颗粒刚好能 完全除去。
u
H
t ？
ut
颗粒在降尘室中的运动
第三章 流体输送机械
100%除去的条件: t
L B
LH u ut
气体
u
u
L H
• ut
ut
H
颗粒在降尘室中的运动
2V Ve
令 : K 2p1s
r '
第三章 流体输送机械
过滤常数
dV KA2
d 2 V Ve -----过滤基本方程
dq
d
K
2q qe
qV A
qe
Ve A
K 2p1s
r'
滤饼不可压缩时 s=0
K 2p
r
第三章 流体输送机械
2、恒压过滤方程式 p170-171
dV
d
KA2
2V Ve
dq
d
K
2q qe
2p1s K
r '
K为常数
积分得：
V 2 2VVe KA2
(3-57) p171
—恒压过滤方程式
或
q2 2qqe K
(3-57a) p171
若过滤介质阻力可忽略不 计
V 2 KA2
q2 K
—恒压过滤方程式
注意：V/q、θ均为累计量。
第三章 流体输送机械
过滤过程的特点 是什么？
空隙结构易变形的滤饼为可压缩滤饼。
滤浆
➢ 助滤剂：
滤饼
质地坚硬，能形成疏松饼层的 过滤介质 固体颗粒。（如硅藻土、碳酸钙等） 滤液
滤饼过滤
第三章 流体输送机械
二、过滤基本方程式 p166-170 过滤过程流动的特点：
层流
❖ 流体在过滤时同一截面上的流速分布很不均匀且流速较小
❖ 过程不稳定
悬浮液
V —θ关系 △p
均相混合物内部各点均匀且不存在相界面，如互溶液体及气 体混合物。
第三章 流体输送机械
3.2 沉降过程
沉降：颗粒相对于流体而运动的过程称为沉降。
实现沉降操作的作用力可以是重力，或惯性离心力。
故沉降过程有重力沉降和离心沉降两种。
自由沉降
第三章 流体输送机械
3.2.1 重力沉降
1) 重力沉降速度
沉降分两个阶段：加速段、等速段
旋风分离器：
❖构造 图3-7标准旋风分离器尺寸
p156
B
含尘 气体
A
❖操作原理 切向进入速度
10~25m/s，外旋、内旋。
净化气体 D
尘粒
标准型旋风分离器
第三章 流体输送机械
• 评价旋风分离器性能的两个主要指标：
分离性能： 用临界粒径和分离效率来表示 分割直径d50
dc
9B N e sui
总效率：被分离出来的颗粒占全部颗粒的质量分率
②
③
由滞流区计算式求ut ut
校核
Re t
dsut
＜1、2
d
2 s
s 18
g
第三章 流体输送机械
3) 重力沉降设备——降尘室
降尘室气固体系
沉降
重力沉降设备
沉降槽液固体系
设备 离心沉降设备
旋风分离器 气固体系 旋液分离器 液固体系
第三章 流体输送机械
降尘室
停留时间 L
气体
气体
u
耙
稠浆 连续式沉降槽
清液溢流 清液
第三章 流体输送机械
3.2、离心沉降
3.2.1 离心沉降速度
重力Fc=mg 浮力 Fb 阻力 FD
离心力Fc ma c
向心力 Fb 阻力 FD
区别：
▪ 重力加速度(g)为常数
▪ 离心加速度
ac
u
2 T
R
不是常量
浮力 Fb
曳力 FD
质量力 Fc
颗粒在流体中沉降时受力
d 3 g
浮力 Fb 6 曳力 FD
加速段极短，通常可以忽略 等速段的颗粒运动速度称为沉降速度，
d 2 ( u 2 ) 42
用ut表示。
合外力 Fc Fb FD 0
质量力 Fc
mg
6
d
3s
g
ut
颗粒在流体中沉降时受力
6
d
3(s
)g
4
d
2(
u 2
2
)
0
第三章 流体输送机械
ut
4ds s g
2 s
s
g
18
L
u
气体
ut
B H
多层降尘室
颗粒在降尘室中的运动
生产能力:Vs ut • (n 1) A底
第三章 流体输送机械
降尘室特点：
结构简单， 但设备庞大、效率低， 只适用于分离粗颗粒------直径 75m 以上的颗粒， 或作为预分离设备。
第三章 流体输送机械
增稠器（沉降槽）
加料
水平 挡板