机械分离

第三节 离心沉降
一、离心沉降速度 设某个球形颗粒在流体中自由离心沉降，则该颗粒在径向所受力有： 惯性离心力 向心浮力
向心阻力
三力平衡时，得 所以 在层流区（10-4<Rer<1）， 所以 — 离心沉降速度
而 所以 — 离心分离因数
二、旋风分离器 1. 结构 2．原理：颗粒离心沉降到内壁后，靠重力沿内壁落入灰斗。 3. 临界粒径：能完全分离下来的最小粒径。 假定： (1) 颗粒平均切向速度等于进口气体平均速度ui (2) 气体入器后仍以入口形状沿园简旋转Ne圈，离心沉降距离为B。 （3）颗粒在层流下作自由离心沉降 由 得 所以沉降时间为 又停留时间为 由停留时间等于沉降时间，得 所以 对标准旋风分离器，Ne=5。 — 临界粒径 （3-26） （Rm为旋转平均半径）
— 比表面积，m 2 / m 3
（2）非球形颗粒 令 V p d e3
6
则
1．形状系数（形状） (1) 定义 形状系数（球形度）：颗粒当量表面积与其实际表面积之比，即
de 3
6V p
— （体积）当量直径
(1)
球形颗粒
(2)
非球形颗粒
二、颗粒群的特性 1．粒度分布（粒径分布） (1) 定义：不同粒径范围内所含粒子的个数或质量 （2）测定方法 标准筛法， ，目数与孔径的对应关系见表3-1 透射电镜法， 2．平均粒径 以球形颗粒为例，如图所设，则
3．粒子密度 （1）真密度：单位体积颗粒所具有的质量，即
n xn x 1 1 x1 x2 i d a d d1 d 2 d n i 1 d i
（2）堆积密度（表观密度）：单位体积床层所具有的质量，即
三、颗粒床层的特性 1．空隙率：单位体积床层所具有的空隙体积，即
2. 比表面积ab：单位体积床层所具有的颗粒表面积，即 －（3-7）
每周期过滤时间
由 得 m3/转
所以 当 则 时
第五节 离心机
一、一般概念 离心机是利用惯性离心力分离液态非均相混合物的机械。根据分离方式可分为： 过滤式 ；分离式 ； 沉降式。若被处理的物料为悬浮液就称为离心沉降；若被处理 的物料为乳浊液称为离心分离。 离心力与重力之比（即U2T /Rg）称为分离因数KC。根据KC 分为 常速 KC <3000 高速 KC =3000~50000 超速 KC >50000
在板框压滤机中，洗水流径的长度为滤液流径长度的2倍，而洗水流径的面积却为滤液流径面积的 一半，所以
当洗水粘度、洗涤压差与滤液粘度、过滤压差有明显差异时，则洗涤时间需校正
九. 过滤机的生产能力 1. 间歇过滤机 操作周期 生产能力：
，s m3/h
2. 连续过滤机（转筒真空过滤机） 浸没度：转筒表面浸入滤浆中的分数 即 操作周期
间歇
根据操作方式 连续 立式 根据转鼓轴线的方向 卧式 二、离心机的结构与操作 1. 三足式离心机 2. 卧式刮刀卸料离心机 3. 活塞推料离心机 4. 管式高速离心机
4．分离效率 （1）总效率：全部颗粒中被分离下来的质量分率，即：
式中 C1、C2- — 进、出口气体含尘浓度，g/m3。 （2）粒级效率：某个尺寸范围的颗粒中被分离下来的质量分率，即：
式中 C1i、C2i- — 进、出口气体中第i段尺寸范围的含尘浓度，g/m3。 （3）粒级效率曲线：图3-10、图3-11
)，得
－沉降速度
2. 阻力系数 通过量钢分析并结合实验测试，得出
式中
对球形颗粒（s=1）的曲线，可按Ret分为三个区，各区的曲线可用相应的经验关联式表达：
所以 层流区 过渡流区
层流区或Stokes定律区（10-4<Ret<1） 过渡流区或Allen定律区(1<Ret<103) 0.44，湍流区或Newton定律区(103<Ret<2105)
令 则
k—表征过滤物料特性的常数，m4/(N.s)
所以
令 或
— 过滤常数，m2/s
则
所以 相加 令
— 恒压过滤方程 m3/m2 介质常数 e s
则
恒速过滤
相加 当过滤介质的阻力可以忽略时 则 或 四. 恒速过滤 由不可压缩滤饼过滤基本方程
— 恒压过滤方程
得
所以 而 所以 或 五. 先恒速后恒压过滤 同恒压过滤 所以
4. 滤饼的压缩性 不可压缩滤饼：颗粒坚硬，阻力不变 可压缩滤饼：颗粒较软，阻力增大 5. 助滤剂：某种质地坚硬、粒度均匀的颗粒，如硅藻土、珍珠岩等。 （1）作用：防止滤饼压缩及细小颗粒堵塞过滤介质的孔隙。 （2）使用方法： A . 在悬浮液中加入助滤剂后一起过滤。 B. 先把助滤剂配成悬浮液并过滤，形成助滤剂层后，才正式过滤。 应予注意，一般以获得清净滤液为目的时，采用助滤剂才是适宜的。 （3）要求 A.能形成多孔饼层刚性颗粒 B.物理、化学性质稳定 c.具有不可压缩性（在使用的压力范围内） 二. 过滤基本方程 1. 定义 （1）空隙率：单位体积床层中的空隙体积，，m3/m3。 （2）比表面：单位体积颗粒所具有的表面积，a，m2/m3。 2. 孔道当量直径 3. 过滤速度： 由 所以
或
六. 过滤常数的测定 1. 恒压K、qe、e的测定 由
微分得
整理得 所以
或由
得
而 所以 2. 压缩指数S的测定 由 取对数 令 则
七. 过滤设备 间歇过滤机 连续过滤机
压滤机 吸滤机 离心过滤机
1. 板框压滤机 （1） 结构，图3-20、图3-21 （2） 原理，图3-22 2. 加压叶滤机 （1）结构，图3-23 （2）原理 3. 转筒真空过滤机 （1）结构，图3-24 （2）原理，图3-25 八. 滤饼的洗涤 洗涤速率：单位时间内消耗的洗水体积 m3/s。 由于洗涤过程中滤饼厚度不增加，所以当洗水路径与滤液路径相同时，洗涤速率大致等于过滤 终了时的过滤速率，即
重力沉降
一、方法 沉降： 离心沉降 重力过滤 加压过滤 过滤： 真空过滤 离心过滤 利用过滤介质 利用力场
一、目的 1．收集分散物质：回收分散物质和环境保护和安全生产
2. 净化分散介质
第一节 颗粒及颗粒床层的特性
一、颗粒的特性 1．直径（大小） (1) 球形颗粒
S 4r 2 d 2
a S 6 V d
（4）总效率与粒级效率的关系 显然
式中 xi-— 第i段尺寸范围的颗粒占全部颗粒的质量分率； n — 粒径划分的总段数。 5. 压力降 仿阻力系数法 对水平局部阻力 所以 对标准旋风分离器， =8.0，一般 p=500~2000Pa （3-31）
6．型式（类型） 标准型，图3-8 CLT/A型，图3-12 CLP/A、CLP/B 型，图3-13 扩散型，图3-14 7. 选择 物性 形式（类型） 生产能力 型号 允许压力降 三、旋液分离器 结构和原理与旋风分离器相似，旋液分离器的结构特点是直径小而圆锥部分长，而且旋液分离 器应采用耐磨材料制造或采用耐磨材料做内衬以延长使用期限。
第四节 过滤
一. 基本概念 1. 定义 （1）滤浆（料浆）— 悬浮液 （2）滤饼（滤渣）— 被截留的固体物质 （3）过滤介质 — 多孔物质 （4）滤液（母液）— 通过过滤介质的液体 2. 过滤方式 （1）饼层过滤：滤饼层为有效过滤介质（的过滤） 当悬浮液中所含颗粒较多时（固相体积分率>1%），常用滤布、滤网做过滤介质进行过滤。 当粒径大于过滤介质孔径时，显然会形成滤饼；当粒径小于过滤介质孔径时，通过“架桥现象” 也会形成滤饼。随着滤饼的增厚，滤饼层就成为有效的过滤介质，所以这种过滤称为饼层过滤。 常用于化工生产 （2）深床过滤：粒状床层孔道为有效过滤介质（的过滤）。 当悬浮液中所含颗粒很小，且含量很少时（固相体积分率<0.1%），常用较厚的粒状床层做 过滤介质进行过滤。颗粒在经过床层内细长而弯曲的孔道时，靠静电、分子间力、毛细管力等 的作用而附着在孔道壁上，没有滤饼形成，所以这种过滤称为深床过滤。常用于自来水净化和 污水处理。 3. 过滤介质 （1）织物介质：由纤维、金属丝等编织而成的滤布和滤网。 （2）堆积介质：由砂、木炭等堆积而成的床层。 （3）多孔介质：由多孔陶瓷、多孔金属和多孔塑料制成的管和板。
或Baidu Nhomakorabea
所以
－（3-8）
3．方向性 各向同性：床层截面上的空隙面积与床层截面积之比等于。 各向异性：出现壁效应，即壁面附近的空隙率较大，生产壁流。
第二节 重力沉降
一、沉降速度 1．球形颗粒的自由沉降（单个颗粒沉降） 设某个球形颗粒在流体中自由沉降，则该颗粒所受力有： 重力 浮力 阻力
由牛顿第二定律( 当 时 ，解得
•第三章 机械分离
一、定义 1．分散物系：由一种或几种物质的微粒分散在另一种物质中所组成的物系。 2．分散相（分散物质）：处于分散状态的物质。 3．连续相（分散介质）：处于连续状态的物质。 4．均相物系：内部无相界面的分散物系。
5. 非均相物系：内部有相界面的分散物系。
一、分类
非均相物系
悬浮液， 固液 乳浊液， 液液 泡沫液， 气液 含尘气体，固气 含雾气体，液气
sS
6

s S1
6

s S2
6

s Sn
6
mS m S m1 S1 m2 S 2 n n 6V 6V1 6V2 6V3
ma m a m1 a1 m2 a 2 n n 6 6 6 6 x a a x1 a1 x2 a 2 n n 6 6 6 6
湍流区
3．影响沉降速度的因素 (1) 颗粒的体积浓度 浓度较高时，便发生干扰沉降 (2) 器壁效应 当容器直径较小时，便发生受阻沉降 在Stokes定律区，可按下式修正：
(3) 颗粒形状 对非球形颗粒，其沉降得慢一些。修正如下： 图3－2
4．沉降速度的计算 (1) 试差法 假设沉降属于某一流型，则按该流型选择相应的公式计算ut；再算Ret校核流型。 流型 ut Ret 流型 再设流型 （2）摩擦数群法 由 得 而 相乘得 由
知
作图3-3：任取一ut 计算： 求颗粒直径也可用类似的方法： 相除得 同理 作图3-3：任取一d
计算：
此外，也可用无因次数群K值判别流型： 将 得 当 Ret=1 时，K=2.62 代入 代入
同理将
得
Ret=1000 时， K=69.1 <2.62，层流 K =2.62~69.1，过渡流 >69.1， 湍流 二、降尘室 1．结构 见图3-4(a) 2. 原理 如图所设，且设颗粒水平分速度 与气体的流速u相等，则 沉降时间为： 当
相加，得 所以
7. 基本方程 设v-— 获得单位体积滤液所形成的滤饼体积，m3/m3 则
所以 同理
所以
－过滤速率基本方程式
又 所以 式中 — 过滤速率基本方程式 S — 压缩指数，S = 0~1； r’ — (单位压力差下，即ps=1时)的滤饼比阻
三. 恒压过滤 衡压过滤是最常见的过滤方式，过滤过程中推动力p 恒定，因而过滤速率逐渐变小。
得
而 所以 层流时 所以
— 滤液在孔道中的流速，m/s
— 过滤速度
（3-35a）
即单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积，m/s。 4. 过滤速率（体积流量）：单位时间内获得的滤液体积 显然 所以 5. 滤饼的阻力 令 — 滤饼的比阻
则
令 则 — 滤饼阻力
6. 过滤介质的阻力 设 过滤介质的阻力 则 Le— 与过滤介质阻力相等的滤饼厚度，即当量滤饼厚度，m 同理 所以
b
l
H
ut
u
停留时间为： 当颗粒的停留时间等于或大于其沉降时间时，该颗粒便能沉降至室底而被分离，所以 ： 或 而
所以 或 而
与H无关
所以
— 能完全分离的最小粒径 — 临界粒径
三、沉降槽 1．沉降槽的构造与操作 (1) 间歇沉降槽 (2) 连续沉降槽，见图3-6 2．浓悬浮液的沉聚过程 当悬浮液浓度较高时，则属干扰沉降： （1）大颗粒相对于小颗粒进行沉降，因而介质的有效密度和粘度均大于纯液体，而沉降速度与 介质密度和粘度成反比。 (2) 液体被沉降颗粒置换而上升的速度大，因而颗粒受到的阻力大。 (3) 大颗粒的拖曳，微细粒子的絮凝，使小颗粒的沉降被加速。 总之，大颗粒受阻，小颗粒加速。 沉聚过程： 均匀悬浮液 四区（清液区、等浓区、变浓区、沉聚区） 等浓区消失 变浓区消失 沉 聚区压紧。见图3-7。 五、分级器：利用重力沉降来分离悬浮液中不同密度或不同粒度的粒子的设备。