1、1,第三章 机械分离,2,第一节 颗粒沉降,一 固体颗粒在流体中的沉降运动,1颗粒沉降运动中的受力分析,d，s的球形颗粒,(1) 场力,重力,离心力,3,(2) 浮力,重力场,离心力场,(3)阻力,颗粒与流体的相对运动,表皮阻力与形体阻力,微元面所受力在垂直于流动方向上的分量沿颗粒表面的积分,绕流，形成边界层,4,5,wdA,wdAsin,pdA,pdAcos ,表皮阻力,浮力,形体阻力,6,相对大小运动速度,流体固体作用力沉降与绕流并无本质区别，,2沉降速度与阻力系数,（1）重力沉降速度u0,重力-浮力-阻力=颗粒质量加速度,7,重、浮一定，u，阻力 ，加速度,加速度=0时，u=u0沉降速度
2、,8,（2）离心沉降速度,9,颗粒实际运动速度在径向上的分量,方向：由圆心指向外；,轨迹：逐渐扩大的螺旋线，,10,（3）公式成立假定条件,其它因素对u0的影响,颗粒为球形；,颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰,容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略, 颗粒直径不能小到受流体分子运动的影响,（4）阻力系数,因次分析,11,阻力系数Re0关系图,12,层流区(Stokes区),Stokes公式,可以从理论上推导出,可以近似用到Re0=2,表皮阻力占主导地位,不发生边界层分离,13,过渡区(Allen区),开始发生边界层分离,颗粒后部形成旋涡尾流,尾流区压强低形体阻力增大,14,湍流区(牛顿区),形体阻力占
3、主导地位，表皮阻力可以忽略,阻力u2,阻力系数与Re0无关,15, Re02105,阻力系数骤然下降,层流边界层湍流边界层,分离点后移，尾流区收缩，形体阻力突然下降,近似取=0.1,16,（5）沉降公式使用方法,事前能够确认流动区域，直接用对应公式,流动区域不能确定，采用试差法,假定流动处于层流区，Stokesu0 Re0 (？2)，yes结束no 换用相应区域公式 u0 Re0 判断，修正,通过实验整理数据得到(Re02105 ),17,Ar阿基米德数,用法： Ar Re0 u0, 离心力场中的u0，将g替换为ar,18,二 重力沉降分离设备,1降尘室,19,（1）工作原理,气体入室减速,颗
4、粒的沉降运动&随气体运动,沉降运动时间dc的颗粒=1,如颗粒入器时均布，,与器壁距离B的所有颗粒所占分率,28,ddc的,入器时如其BB，也可以被(100%)分离,由前式，能被(100%)分离颗粒的dB1/2,入器时距离B的，直径为d的都能被(100%)分离,所占分率为,总效率O：,被分离出来的颗粒点全部颗粒的质量分数,29,O与i,压降,能量损失,进气管、排气管、器壁、各各局部，气旋,常表示为,阻力系数实测,经验,（3）选型与计算,30,第二节 过 滤,一 过滤基本原理,1 过滤,固液混合，外力驱动，多孔介质，颗粒截留，液体通过,31,说明：,名词：过滤介质；滤浆；滤渣(饼)；滤液,过程推动
5、力：重力；压力(差)；离心力,滤饼过滤与深层过滤,操作目的：固体或清净的液体,洗涤回收滤饼中残存的滤液或除去其杂质,2. 过滤介质,支撑滤饼或截留颗粒，通过滤液,32,要求流动阻力小，机械强度高,织物介质 滤布(织物、网)，5-65m，工业应用广泛,堆积介质固体颗粒或纤维等堆积，深层过滤,多孔固体介质：具有微细孔道的固体，1-3m,多孔膜：有机膜、无机膜。1 m以下,3滤饼的可压缩性和助滤剂,滤饼受压，流动阻力,助滤剂加入，使滤饼疏松而坚硬,33,二 过滤设备,1板框过滤机,（1）结构与工作原理,34,35,1-非洗涤板；,2-框；,3-洗涤板；,四角均开孔,组装: 1-2-3-2-1-2-3
6、-2-1-2-3-2-1,滤布框的两侧,滤浆由总管入框,框内形成滤饼,滤液穿过饼和布,经每板上旋塞排出(明流),从板流出的滤液汇集于某总管排出(暗流),过滤,36,横穿洗涤：,洗涤液由总管入板,滤布,滤饼,滤布,非洗涤板,排出,洗涤面=(1/2)过滤面积,洗涤液行程与滤液相同。洗涤面=过滤面,置换洗涤：,说明,间歇操作过滤、洗涤、卸渣、整理、装合,主要优缺点,37,38,2叶滤机,3转筒过滤机,（1）结构与工作原理,39,水平转筒分为若干段，滤布蒙于侧壁,段管分配头转动盘(多孔)分配头固定盘,(凹槽2、凹槽1、凹槽3) 三个通道的入口,滤液真空管,洗水真空管,吹气管,工作过程跟综一段, 当浸入
7、滤浆中时，对应滤布对应管转动盘孔凹槽2 滤液真空管 滤液通道过滤,40,当位于水喷头下，对应滤饼、滤布对应管转动盘孔凹槽1 洗水真空管 洗水通道洗涤,吹气管凹槽3转动盘孔 对应管滤布滤饼 压缩空气通道吹松, 遇到刮刀 卸渣,两凹槽之间的空白处：没有通道 停工两区不致串通,主要优缺点：,41,三 过滤基本理论,1. 颗粒床层的物理模型与基本参数,颗粒床层一组平行细管流体通道,细管内表面=床层颗粒的全部表面,细管的总体积=床层空隙体积,基本参数,空隙率：床层的空隙体积/床层的总体积,比表面积S0：颗粒表面积/颗粒体积,孔道(细管)平均长度l：床层厚度，即l=K0L,42,孔道(细管)当量直径de：
8、,滤液流速u1:,43,2. 过滤速度及其表达,(1)定义,A滤饼层总截面积；过滤时间；V滤液体积,说明,u1与u的关系,(2)过程推动力,滤浆侧和滤液侧的压差,滤饼压降,介质压降,44,(3) p1的表达Hagen-Poiseuille 方程,(4)滤饼层的阻力,l(L)，如p不变，则u 瞬时速度,恒压降速，恒速升压,说明,其中,滤饼的比阻,45,u=滤饼层推动力/滤饼层阻力。滤饼阻力滤饼层的性质及L；滤液的。,说明,(5)过滤介质的阻力,近似：阻力厚度为Le的一层滤饼,(6)总推动力与总阻力,46,(7)过滤速度的两种具体表达形式,认为:,AL=cV,获取单位体积滤液所得滤饼体积,系数：c
9、=AL/V,Ve与Le对应的滤液体积。不存在，虚拟量，滤饼的性质,形式1,47,W=cV,又认为：,获取单位体积滤液所得滤饼质量 滤浆浓度与颗粒性质,系数：c=W/V,仿照,可得,形式2,48,比较形式1与2可得,3 (恒压)过滤方程式,积分形式1,c、r、与时间无关,Ve、A、p常数,过滤常数（m2/s）,49,另一写法,其中,说明,过滤方程式V 的关系，抛物线,关于过滤常数K和qe滤饼的(不 )可压缩性，, K, qep的关系,平均r(r)p:,50,其中r0(r0)为常数;,不可压缩，s=0,4过滤常数的实验测定,原理一,51,对过滤方程进行微分,微分用增量代替,连续测定，q,算出一系列
10、 及对应 q, /q q作图，,直线斜率=2/K，,截距=2qe/K,原理二,过滤方程同除以Kq,测量变量相同,52,/q q作图，,直线斜率=1/K，,截距=2qe/K,讨论,实验条件必须与生产条件一致过滤机设计,在不同p下测多个常数,测出c或c，,一定p测出K r；,多次一组（r, p）,双对数坐标，直线斜率=s, 截距=r0,53,四 过滤计算,1间歇过滤机的计算,（1）操作周期与生产能力,操作周期总时间,总时间,过滤时间,洗涤时间,卸渣、清理、装合,设计和操作计算要基于C,生产能力：一个操作周期中，单位时间内得到的滤液或滤饼体积,54,已知K，qe，由过滤方程，FVF Q,（2）洗涤速
11、率和洗涤时间,一般认为：洗涤液量滤液量，即,假定：洗涤液粘度与滤液相同；洗涤压力与过滤时相同,洗涤速率：单位时间内通过滤饼层的洗涤液体积,55,叶滤机的洗涤速率和洗涤时间置换洗涤,洗涤速率恒定滤饼厚度不变,板框压滤机的洗涤速度和洗涤时间横穿洗涤,56,洗涤时间,（3）最佳操作周期,在一个操作周期中,R一般固定,F，V ，但上升幅度，Q可能,F ，V ，且下降幅度 ，Q可能,57,存在一个最优的过滤时间，使Q最大,可以证明： F + W= R，则Q可达最大,2连续过滤机的计算,(1)操作周期与过滤时间,间歇过滤机：部分时间，全部面积过滤,连续过滤机：部分面积，全部时间过滤,转筒过滤机，每秒n周,
12、，则C=1/n,每圈用时,转筒表面浸入分数：,58,一个周期中全部面积经历过滤时间,部分面积，全部时间全部面积，部分时间,C,A,（2）生产能力,59,当滤布阻力可以忽略,QA，n,说明,，过滤面积 ，其它面积，操作不便,n ， F ，L ，难以卸渣，功率消耗,60,例题2 在试验装置中过滤钛白的水悬浮液，过滤压力为3kgf/cm2 （表压），求得过滤常数如下：K=510-5m2/s，qe=0.01m3/m2。又测出滤渣体积与滤液体积之比c=0.08 m3/m3 。现要用工业压滤机过滤同样的料液，过滤压力及所用滤布亦与实验时相同。压滤机型号为BMY33/810-45。这一型号设备滤框空处长与宽
13、均为810mm，厚度为45mm，共有26个框，过滤面积为33，框内总容量为0.760m3。试计算：（1）过滤进行到框内全部充满滤渣所需要过滤时间；（2）过滤后用相当于滤液量1/10的水进行横穿洗涤，求洗涤时间；（3）洗涤后卸渣、清理、装合等共需要40分钟，求每台压滤机的生产能力，分别以每小时平均可得多少滤渣计。,61,第三节 离心分离简介,旋风(液)分离器,利用混合物中不同成分所受离心力Fr不同,Fr源自物料以切线方向进入设备,离心机,Fr源自设备本身旋转,高速旋转的转鼓,转鼓直径、转速，则Fr ，分离效果,62,离心机的分离因数KC,其产生的离心加速度与重力加速度之比,常速（ KC 500000 ）,（1）过滤式离心机,（2）沉降式离心机,（3）分离式离心机,
