1、第二章第二章 非均相物系的分離和固體流態化非均相物系的分離和固體流態化（heterogenous system separation）2-1 概概 述述 化工生產過程中，經常遇到非均相混合物的分離，如焙燒氣中懸浮細小固體顆粒的體系；沉淀液體中懸浮固體顆粒的體系，非均相混合物的分離是經常要使用的操作。 非均相分離涉及的體系主要有兩種，1、氣體非均相體系：氣體中含有懸浮的固體顆粒，或液滴所形成的混合物，（常見的是氣固氣固）。2、液體非均相體系：液體中含有分散的固體顆粒（懸浮液）或與液體不互溶的液滴（乳濁液）或氣泡（泡沫液）形成的混合物，常見的是液固液固。 在非均相混合物中，處于連續狀態的流體稱為連

2、在非均相混合物中，處于連續狀態的流體稱為連續相，處于分散狀態的稱為分散相，續相，處于分散狀態的稱為分散相， 非均相混合物的分離通常采用力學和流體力學的非均相混合物的分離通常采用力學和流體力學的原理進行分離。一般稱為機械分離，根據體系的原理進行分離。一般稱為機械分離，根據體系的性質（如分散相濃度、顆粒大小、形狀、密度、性質（如分散相濃度、顆粒大小、形狀、密度、連續相性質、粘度、密度等）和分離的要求不同，連續相性質、粘度、密度等）和分離的要求不同，可以采用不同的分離方法，氣體混合物可以采用不同的分離方法，氣體混合物(氣固）與氣固）與液體混合物（液固）的性質有較大差別，分離方液體混合物（液固）的性質

3、有較大差別，分離方法各有特點，但這些方法都是基于共同的力學、法各有特點，但這些方法都是基于共同的力學、流體力學規律和原理，我們放在一起來討論。流體力學規律和原理，我們放在一起來討論。 非均相混合物的分離方法主要可分為以下幾種。非均相混合物的分離方法主要可分為以下幾種。 （1）沉降（重力）沉降（重力） （2）過濾）過濾 （3）慣性碰撞）慣性碰撞 （4）洗滌）洗滌 分離非均相混合物的主要目的分離非均相混合物的主要目的 （1）收集分散物質。如結晶、粉塵）收集分散物質。如結晶、粉塵（2）凈化、除塵。如硫酸生產煙道氣）凈化、除塵。如硫酸生產煙道氣（3）環保。如廢氣、廢液中的固體顆粒）環保。如廢氣、廢液中

4、的固體顆粒 2-2 重力沉降（重力沉降（gravity settling） 對于非均相物系的分離，如果是在力場中利用對于非均相物系的分離，如果是在力場中利用分散相和連續相之間的密度差異，使之發生分散相和連續相之間的密度差異，使之發生相相對運動對運動而實現分離的操作過程，稱為沉降而實現分離的操作過程，稱為沉降 實現沉降操作的作用力可以是重力或慣性離心力，沉降過程又分為重力沉降和離心沉降重力沉降和離心沉降兩種方式。 一、描述顆粒的幾何特征參數（大小、形狀、面積）一、描述顆粒的幾何特征參數（大小、形狀、面積）1、顆粒的當量直徑（equivalent diameter）對于規則形狀的顆粒，其大小可用它

5、的某一主要線線性尺度性尺度來表示，其它尺寸可以用此長度的比例來表示。如常見球形，可以用它的直徑來表示大小，而體積和表面積可分別表示為： VP=（/6）d3 A=d2 顆粒的表面積一般用比表面積來表示，它的定義是單位體積顆粒所具有的表面積，對于球形顆粒來講 a=A/VP= （2-1） 比表面積與d反比，對于不規則的顆粒，其大小和形狀的表示比較困難，需要采用人為規定的方法，通常使用球形顆粒作比較，用當量直徑和形狀系數來表示。A、等體積當量直徑（dev），已知顆粒的體積Vp （2-2）看作球形B、等比表面當量直徑 （2-3）dddpp662236pevVdadea6a不規則顆粒比表面積 1、顆粒的形

6、狀系數（shape factor） 顆粒的形狀可用形狀系數來表示，最常用的形狀系數是球形度（sphericity），它的定義為 = 與球形相差越大，值越小，等體積形狀，球形表面最小，對于大多數粉碎顆粒，球形度在0.6-0.7，通過球形度的概念，我們可把dev與dea聯系起來。 顆粒的表面積的表面積體積與顆粒相等的球形= （2-4） dea=dev (2-5) 二、沉降過程二、沉降過程 1、沉降速度（terminal velocity）ut 顆粒在流體中的流動可以看成是顆粒與流體間產生的相對運動，只要顆粒與流體的密度不同，在力場的作用下，顆粒在流體中就產生相對運動，如重力，可利用這一性質來分離顆

7、粒和流體。 顆粒在流體中的相對運動是一種平行的相對運動，這樣我們就只考慮流體與顆粒間的相對速度，而不考慮是流體或是顆粒靜止不動。 eveaeaevddddaa66固體球 一般的顆粒都可以看作是球形的，下面就以光滑球形顆粒在靜止流體中沉降為例來討論沉降過程。 把球形顆粒放入靜止的流體中，顆粒就會受到重力與流體浮力的作用，如果顆粒與流體的密度不同，則顆粒受到的重力與浮力就會不等，如果顆粒的密度s 大于流體的密度， 顆粒受到的重力為 Fg =mg=(/6)d3s g (a) 受到的浮力為 Fb=(/6)d3g (b) 顆粒受到向下的凈力為 FgFb=(/6)d3(s-)g (c)FgFbFdA根據牛

8、頓第二定律，顆粒就會在此凈力的作用下產生向下運動的加速度 ，a=du/d FgFb= ma = m (du/d) (d) 這樣顆粒與流體就產生一個相對運動，一旦產生相對運動，顆粒又會受到流體對顆粒的運動阻力，Fd（曳力dray force）其大小為 Fd=A(u2/2) 它的方向與顆粒運動方向相反，并隨u增大而增大。A為顆粒在垂直方于其運動方向平面上的投影面積 A=(/4)d2 m2 所以，當顆粒產生相對運動時，顆粒受到的凈力為 F = FgFbFd (e) 沉降過程剛開始時，u=0, Fd=0,此時顆粒所受到向下的力最大，a 具有最大值 隨著沉降開始，u逐漸增大，而FgFb不變，顆粒受到向下

9、方向的凈力減少，沉降過程為一減速運動，當u增加到一定程度時，Fd增大，使得 F=0，此時m不為零，a = du/d =0，顆粒變為等速運動，（勻速運動），此后顆粒將一直保持此速度作相對運動，顆粒達到等速運動時的速度稱為顆粒的沉降沉降速度或終端速度。速度或終端速度。 在達到沉降速度前的階段，稱為加速階段。從理論上講，加速階段需很長的時間 。 但實驗證明，顆粒沉降的速度達到接近終端速度u的時間很短。 因此，實際上可以忽略顆粒沉降時的加速度階段，而認為顆粒在流體中始終以沉降速度（終端速度下降）。 在靜止流體中顆粒的沉降也稱為自由沉降，對于流動的流體，則認為顆粒與流體始終以終端速度作相對運動。我們最關

10、心的是顆粒在沉降的時候達到的終終端速度端速度是多少？即沉降的速度沉降的速度為多少？知道此速度，我們就可算出沉降過程的時間，從而決定設備尺寸的大小。 當顆粒達到終端速度時，其所受到的凈力為0，根據(a)(b)(c)(d)(e)式，有 (/6)d3(s-)g-(/4) (ut2/2)=0 ut= （2-6）3)(4gds要算要算ut，關鍵是要算，關鍵是要算（阻力系數）（阻力系數）2、阻力系數、阻力系數 由于顆粒在流體中的相對運動與固體和液體的物性，由于顆粒在流體中的相對運動與固體和液體的物性，流動有關，影響顆粒運動及運動阻力流動有關，影響顆粒運動及運動阻力Fd的因素相當的因素相當復雜。通過因次分析

11、和大量實驗證明，復雜。通過因次分析和大量實驗證明，是顆粒與是顆粒與流體相對運動時的雷諾準數的函數流體相對運動時的雷諾準數的函數=f (Ret ) 的計算可以根據經驗公式或算圖的計算可以根據經驗公式或算圖 = 24/ Ret 層流區層流區 10-4Ret1 18.5/ Ret0.6 過渡區過渡區 1Ret103 （2-7） 0.44 湍流區湍流區 103Ret2105 0.1 湍流邊界層湍流邊界層 2105Ret（很少）（很少） ut = d2g(s-) 10-4Ret1 1Ret 103 (2-8) 103 Ret 2105 根據上式，我們就知道沉降速度與各種因素的大小，根據上式，我們就知道沉

12、降速度與各種因素的大小，對于一定的物系，對于一定的物系，、s、是一定的，是一定的，ut只與只與d有有關，可算出不同關，可算出不同d顆粒的沉降速度。同樣，也可根顆粒的沉降速度。同樣，也可根據測定的據測定的ut，求顆粒的直徑，如果在層流區，已知，求顆粒的直徑，如果在層流區，已知 d、 s、，則可用此式來測定流體的粘度。，則可用此式來測定流體的粘度。 6 . 0.)(27. 0etsRgdgds)(74. 13、ut的計算的計算 A、試差法（、試差法（trial and error） 由于ut有關，而Ret， Retut有關，由于由于ut為待求為待求，Ret也就是未知數也就是未知數，所以 ut的計算

13、需要用試試差的方法求取差的方法求取，即先假定Ret （流型），選 ut 計算式計算，再用ut算 Ret ，是否與假定的流速一致，如一致則是正確，如不正確，則重新設定 Ret 。B、摩擦數群法、摩擦數群法(friction number group) 為了避免試差的麻煩，我們可作一些變換， ut= ， = 3)(4Sgd23)(4tsugd Ret2= Ret = （2-9） 此式不含此式不含ut 令令K= （2-10） 則Ret2=（4/3）K3 （2-10a） 把 和Ret2的關系變換為Ret Ret 的關系，見P148圖圖3-3 2222uudt233)(4gds32)(gds 根據物系的

14、 d、S、 可算出Ret2 ，查Ret ，反算ut ut = 也可用也可用K數群法，求數群法，求K值，判斷流型，再用相應的值，判斷流型，再用相應的公式計算，避免試差。公式計算，避免試差。 例題見例題見P143（自學）（自學） 4、影響沉降速度的因素、影響沉降速度的因素 前面我們分析的是對一個顆粒在流體中沉降的過前面我們分析的是對一個顆粒在流體中沉降的過程，實際上，沉降過程是含有很多顆粒的，這些顆程，實際上，沉降過程是含有很多顆粒的，這些顆粒之間在沉降過程中會發生相互作用（如碰撞），粒之間在沉降過程中會發生相互作用（如碰撞），另外，器壁對沉降也會發生影響，當顆粒比較細時，另外，器壁對沉降也會發生

15、影響，當顆粒比較細時，流體的分子運動也會對顆粒沉降產生影響，流體的分子運動也會對顆粒沉降產生影響，dRet這些影響因素歸納起來有三類。這些影響因素歸納起來有三類。 (1)、干擾沉降，由于顆粒含量大，顆粒之間產生、干擾沉降，由于顆粒含量大，顆粒之間產生相互作用對沉降的影響（校正）。相互作用對沉降的影響（校正）。 (2)、壁效應、壁效應 =d/D 不算小時，不算小時，0.01，則要考慮壁效應，校正。，則要考慮壁效應，校正。 (3)、分子運動的影響、分子運動的影響 當當d 0.5m，非常細時出現此情況，還有形狀，非常細時出現此情況，還有形狀，球形（快），非球形（慢）球形（快），非球形（慢）四、沉降分

16、離設備四、沉降分離設備 1、分離一般原理、分離一般原理 非均相混合物流入沉降設備，沿一定的途徑從入口非均相混合物流入沉降設備，沿一定的途徑從入口流向出口，在此過程中顆粒與流體間產生相對運動，流向出口，在此過程中顆粒與流體間產生相對運動，顆粒向器底（或其它表面）沉降。顆粒向器底（或其它表面）沉降。如果流體在流出設備以前，顆粒能沉到器底，則如果流體在流出設備以前，顆粒能沉到器底，則顆粒就能留到器中與流體分開，否則仍隨流體流顆粒就能留到器中與流體分開，否則仍隨流體流出而不能分離出而不能分離 。 混合物從設備入口流到出口的時間稱為停留時間混合物從設備入口流到出口的時間稱為停留時間，顆粒從設備入口處位置

17、沉降到器底的時間為沉降時顆粒從設備入口處位置沉降到器底的時間為沉降時間間t 。那么當。那么當t ，顆粒就能分離出來，因此，用，顆粒就能分離出來，因此，用沉降方法使顆粒分離出來的必要條件為沉降方法使顆粒分離出來的必要條件為 t （1-11） 2、降塵室、降塵室(dust-settling compartment) 利用重力沉降從氣流中分離出塵粒的設備稱為降塵利用重力沉降從氣流中分離出塵粒的設備稱為降塵室，如室，如P145圖。圖。 t=H/ ut位于降塵室最高點顆粒降位于降塵室最高點顆粒降至室底所需時間（至室底所需時間（最大沉降路線）最大沉降路線）氣體通過降塵室的時間為氣體通過降塵室的時間為（停留

18、時間）（停留時間） =L/u = （2-12） 按降塵分離的必要條件：按降塵分離的必要條件： t L/u H/ ut uutHHLbSSVLHbHbVLSSVLHbHbVLVsut L b (2-13) 由上式可知，當體系一定，氣體的處理量一定時。由上式可知，當體系一定，氣體的處理量一定時。要求把一定直徑的顆粒完全沉降的條件只取決于降要求把一定直徑的顆粒完全沉降的條件只取決于降塵室的底面積（塵室的底面積（Lb），與其高度無關，這是降塵室），與其高度無關，這是降塵室的一個重要特征。因此，降塵室一般上設計為扁型的一個重要特征。因此，降塵室一般上設計為扁型的。（多層，如的。（多層，如P145） 降塵

19、室結構簡單，流體阻力小，由于重力沉降一般降塵室結構簡單，流體阻力小，由于重力沉降一般沉降速度小，因此為使顆粒分離，流體在設備中所沉降速度小，因此為使顆粒分離，流體在設備中所需的停留時間長，所以一般重力沉降設備的體積都需的停留時間長，所以一般重力沉降設備的體積都較大，可做成多層。通常降塵室只適用于分離粒度較大，可做成多層。通常降塵室只適用于分離粒度大于大于50m的粗顆粒，一般作為預除塵用。的粗顆粒，一般作為預除塵用。 tSuHVLHb要注意的一點要注意的一點 ut 應根據需要完全分離下來的最小顆粒尺寸計應根據需要完全分離下來的最小顆粒尺寸計算，氣體在降塵室中的速度不應過高，一般是算，氣體在降塵室

20、中的速度不應過高，一般是在層流區。在層流區。 降塵室的工藝計算可分為兩類，一類是設計型，降塵室的工藝計算可分為兩類，一類是設計型，已知氣體處理量和除塵要求（已知氣體處理量和除塵要求（dm）計算降塵室）計算降塵室大小（大小（H、 b）。一類是操作型，已知降塵室）。一類是操作型，已知降塵室的尺寸，求處理氣量及除塵效果。其計算原理的尺寸，求處理氣量及除塵效果。其計算原理是一樣的。是一樣的。 計算例子見計算例子見P146，例，例3-2，（操作型）（自學），（操作型）（自學）3、 沉降槽沉降槽(subsider) 對于液固非均相體系的分離，可使用沉降槽，沉降對于液固非均相體系的分離，可使用沉降槽，沉降槽

21、一般只能用于分離顆粒不很細的稀懸浮液，得到槽一般只能用于分離顆粒不很細的稀懸浮液，得到清液，及含清液，及含50%左右的固體顆粒的增稠液，工業上左右的固體顆粒的增稠液，工業上把沉降槽稱為增稠器把沉降槽稱為增稠器(thickener)，應用很廣，如燒，應用很廣，如燒堿生產中食鹽水沉清等。堿生產中食鹽水沉清等。 沉降槽的典型結構見沉降槽的典型結構見P152圖，沉降槽里的沉降過程圖，沉降槽里的沉降過程稱為沉聚過程。稱為沉聚過程。 沉聚過程可以用沉降試驗來說明，把攪拌均勻，粒沉聚過程可以用沉降試驗來說明，把攪拌均勻，粒度分布不寬的懸浮液倒入玻璃筒中，由于顆粒的沉度分布不寬的懸浮液倒入玻璃筒中，由于顆粒的

22、沉降運動，筒內出現四個區。降運動，筒內出現四個區。頂層已無顆粒，稱為清液區（A）；上層內固相分布均勻，濃度與原懸浮液相同，稱為等濃區（B）； 下部自上而下濃度增大，下部自上而下濃度增大，其中顆粒增多，稱為變濃其中顆粒增多，稱為變濃區（區（C）；最下部為沉下）；最下部為沉下來的顆粒，堆積比較緊密，來的顆粒，堆積比較緊密，稱為沉聚區（稱為沉聚區（D）。）。 隨著沉降過程的進行，隨著沉降過程的進行，B、C逐漸縮小并消失，逐漸縮小并消失，C區區剛剛消失這一時刻稱為剛剛消失這一時刻稱為“臨界沉降點臨界沉降點”(critical sedimentation point)，此時清液區與沉聚區有一清，此時清液

23、區與沉聚區有一清晰的界面。晰的界面。 a b c dBADABCDACD自此以后，便是沉聚區的壓緊過程，沉聚區中液自此以后，便是沉聚區的壓緊過程，沉聚區中液體含量逐漸降低，壓緊過程一般很慢，經常占沉體含量逐漸降低，壓緊過程一般很慢，經常占沉聚過程的大部分時間。聚過程的大部分時間。 沉降槽中由于懸浮液中固體顆粒的含量較高，沉降沉降槽中由于懸浮液中固體顆粒的含量較高，沉降過程多屬于干擾沉降，顆粒的沉降受到其它顆粒的過程多屬于干擾沉降，顆粒的沉降受到其它顆粒的影響，如顆粒下降引起的液體向上運動等，由于這影響，如顆粒下降引起的液體向上運動等，由于這因素的影響，試驗觀察到的沉降速度要小于顆粒的因素的影響

24、，試驗觀察到的沉降速度要小于顆粒的自由沉降速度，我們把這種沉降速度稱為表觀沉降自由沉降速度，我們把這種沉降速度稱為表觀沉降速度速度(apparent sedimentation velocity)，這是沉降，這是沉降槽設計的一個重要參數。槽設計的一個重要參數。 工業上連續沉降槽的設計必須保證得到工藝過程所工業上連續沉降槽的設計必須保證得到工藝過程所需的澄清液和一定濃度的增稠液需的澄清液和一定濃度的增稠液 。 因此要求：(1)、槽的直徑要保證在槽的任何截面上顆粒的沉降、槽的直徑要保證在槽的任何截面上顆粒的沉降速率大于液體向上的流動速度。速率大于液體向上的流動速度。(2)、沉降槽進料口以下高度必須

25、保證稠液有足夠的、沉降槽進料口以下高度必須保證稠液有足夠的停留時間使沉渣壓緊到要求的濃度。因此停留時間使沉渣壓緊到要求的濃度。因此 ，沉降，沉降槽設計的關鍵參數為沉降槽的面積及高度。槽設計的關鍵參數為沉降槽的面積及高度。 2-3離心沉降離心沉降(centrifugal settling) 對于一些直徑小的顆粒，由于質量較小，受到的對于一些直徑小的顆粒，由于質量較小，受到的重力較小，單靠重力沉降的沉降速度較小，因此，重力較小，單靠重力沉降的沉降速度較小，因此，分離這些小顆粒的非均相混合物的重力沉降設備分離這些小顆粒的非均相混合物的重力沉降設備往往比較大，而且對于一些更小的顆粒不能分離。往往比較大

26、，而且對于一些更小的顆粒不能分離。 例如例如20 水中水中d=50 m， =2000kg/m3 ut=0.00136m/s為了提高分離效率，提高顆粒的沉降速度，可利為了提高分離效率，提高顆粒的沉降速度，可利用離心力場的作用。用離心力場的作用。 一、離心沉降速度一、離心沉降速度 我們來分析一球形顆粒與流體一起在離心力作用下旋轉的情況：當顆粒與流體一起以角速度 旋轉，則切向速度為 uT, uT = r則顆粒受到的慣性離心力為，方向向外 Fc= aRFcFbFdRudRumTST23261uTur同時，顆粒在流體中受到向心力的作用（向心力同時，顆粒在流體中受到向心力的作用（向心力與重力場的浮力相當）

27、，方向向圓心。與重力場的浮力相當），方向向圓心。 Fb= b設顆粒的密度大于流體密度，則設顆粒的密度大于流體密度，則 FcFb0 顆粒受到一個向外的凈力，從而產生加速度，這時，顆粒受到一個向外的凈力，從而產生加速度，這時，顆粒與流體產生相對運動。因此，顆粒又受到流體顆粒與流體產生相對運動。因此，顆粒又受到流體對顆粒的阻力對顆粒的阻力Fd FD= cRudT23612422rud 此時顆粒受到的凈力為 F=FcFbFd = m(du/d) d 與重力沉降一樣，當凈力與重力沉降一樣，當凈力=0時，時，du/d 可視為可視為0。根據根據(a)(b)(c)(d)式，可得：式，可得： ur= （2-14

28、） 從上式可以看出，從上式可以看出， ur 與與 uT2 成正比，成正比，uT 與與 成成正比，因此可通過改變轉速來提高沉降速度，使小正比，因此可通過改變轉速來提高沉降速度，使小顆粒得到分離。同時我們還知，顆粒的顆粒得到分離。同時我們還知，顆粒的 ur 與與 uT （重力）具有相類似的關系式（重力）具有相類似的關系式 RudTS3)(42但是，與重力沉降過程不同，uT2/R 為離心加速度， 離心沉降速度不是顆粒運動的絕對速度，而是絕對離心沉降速度不是顆粒運動的絕對速度，而是絕對速度在徑向上的分布，方向是沿半徑向外。再者離速度在徑向上的分布，方向是沿半徑向外。再者離心沉降速度不是定值，與心沉降速

29、度不是定值，與R有關，重力沉降速度為有關，重力沉降速度為恒定的。恒定的。 對于離心沉降中的阻力系數，可與重力沉降時計算對于離心沉降中的阻力系數，可與重力沉降時計算的方法一樣，如在層流區的方法一樣，如在層流區 =24/Ret ur = （2-15）RudTs2218)(我們把同一顆粒在同一種介質中的離心沉降速度與重力沉降速度的比值稱為離心分離系數(centrifugul factor) ur/uT=ur2/(gR)=KC （2-16） Kc值是離心分離設備的一個重要指標，值是離心分離設備的一個重要指標，Kc 值越大，值越大，比較重力沉降速度就越好，如比較重力沉降速度就越好，如 Kc =102，即

30、比重力，即比重力沉降速度大沉降速度大102倍倍 。二、離心沉降設備二、離心沉降設備 （旋風分離器）（旋風分離器）(cyclone) 氣氣固非均相分離固非均相分離1、結構及工作原理、結構及工作原理 旋風分離器在生產中的應用已有近百年歷史，結旋風分離器在生產中的應用已有近百年歷史，結構簡單，操作方便，分離效率高，目前在化工、構簡單，操作方便，分離效率高，目前在化工、采礦、冶金等部門大量使用采礦、冶金等部門大量使用 旋風分離器主要用于除去旋風分離器主要用于除去5m 以上的顆粒，其結構以上的顆粒，其結構為：主體為圓筒，上部為圓筒形，下部為圓錐形。為：主體為圓筒，上部為圓筒形，下部為圓錐形。 塵粒旋風分

31、離器中下行的螺旋旋風分離器中下行的螺旋P156氣流稱為外旋流，上行的氣流稱為外旋流，上行的螺旋氣流稱為內旋流（氣芯）螺旋氣流稱為內旋流（氣芯）2、性能參數、性能參數A、 臨界粒徑臨界粒徑 （critical diameter） 是指理論上在旋風分離器中是指理論上在旋風分離器中能被完全分離下來的最小顆粒直徑，能被完全分離下來的最小顆粒直徑，用用dc 表示。它是判斷旋風分離器表示。它是判斷旋風分離器分離效率高低的重要依據。分離效率高低的重要依據。 進氣DBui臨界粒徑的計算： 假設1、嚴格按螺旋形等速運動，其切向速度等于進口氣速嚴格按螺旋形等速運動，其切向速度等于進口氣速ui2、穿過等于整個進氣口

32、的氣流層，方被分離。、穿過等于整個進氣口的氣流層，方被分離。3、在湍流作自由沉降。、在湍流作自由沉降。s， s= s 旋轉半徑取平均半徑Rm，則ur=顆粒到達器壁所需時間為 t=B/ur= 令氣流進入旋風分離器后，繞Ne 圈轉入內管流出， misRud1822ismudBR218則停留時間為 = 如果某種直徑為 dc 的顆粒其沉降時間等于停留時間，則是理論完全分離的最小顆粒直徑，（稱為臨界直徑） t=t （2-17）iemuNR2ieiccmuRNudBR21822isecuNBd9一般旋風分離器是以圓筒直徑一般旋風分離器是以圓筒直徑C為主要參數，其為主要參數，其他尺寸都與他尺寸都與D成一定比

33、例。成一定比例。 由上式可知，臨界粒徑隨分離器的尺寸增大而增由上式可知，臨界粒徑隨分離器的尺寸增大而增大，因此分離效率隨分離器的尺寸增大而減少。大，因此分離效率隨分離器的尺寸增大而減少。當處理量很大時，常將若干小個尺寸旋風分離器當處理量很大時，常將若干小個尺寸旋風分離器并聯使用，以維持較高的分離效率。并聯使用，以維持較高的分離效率。B、分離效率、分離效率旋風分離器的分離效率有兩種表示方法旋風分離器的分離效率有兩種表示方法 總效率（總效率（ 0）：指進入旋風分離器的全部顆粒被分：指進入旋風分離器的全部顆粒被分離下來的質量分率。離下來的質量分率。 0= （2-18）121CCC 分效率分效率 p

34、（又稱為粒級效率）（又稱為粒級效率） pi=（C1iC2i）/ C1i （2-19） C1i 進口氣體中第進口氣體中第i段粒度范圍內的濃度段粒度范圍內的濃度g/m3 C2i 出口氣體中第出口氣體中第i段粒度范圍內的濃度段粒度范圍內的濃度g/m3 不同的旋風分離器分效率是不一樣的。 pi 與 di 的對應關系稱為粒級效率曲線（實測獲得），以 dc 為清晰分割，見P158 為了方便，通常把粒級效率為50%的顆粒直徑稱為分割粒徑 d50 ，對于標準旋風分離器， d50估算式 d50= （2-20）)(27. 0siuD 一般來講，顆粒粒徑起越大，效率越高。一般來講，顆粒粒徑起越大，效率越高。 0=

35、xi平均粒為平均粒為 di 的質量分數的質量分數 3、壓強降、壓強降 p=(ui/2) (2-19) 一般在一般在5002000Pa， ui為為2025m/s以上是旋風分離器設計選型的三個主要計算參數以上是旋風分離器設計選型的三個主要計算參數旋液分離器旋液分離器 液固非均相體系分離液固非均相體系分離 nipiix12-4 過濾過濾 (filtration)一、過濾操作的基本概念一、過濾操作的基本概念 在化工生產中，廣泛地采用過濾操作來分離懸浮在化工生產中，廣泛地采用過濾操作來分離懸浮液以獲得澄清的液體或固體物料。液以獲得澄清的液體或固體物料。 利用一種具有許多毛細孔的間隔層（或稱多孔介利用一種

36、具有許多毛細孔的間隔層（或稱多孔介質），使非均相混合物達到分離的操作稱為過濾。質），使非均相混合物達到分離的操作稱為過濾。一般用在懸浮液的分離，主要討論液固體系。一般用在懸浮液的分離，主要討論液固體系。 在過濾操作中，通常稱原料懸浮液為濾漿，被截在過濾操作中，通常稱原料懸浮液為濾漿，被截留在過濾介質上的濾渣層稱為濾餅（濾渣），通留在過濾介質上的濾渣層稱為濾餅（濾渣），通過濾餅及過濾介質的澄清液稱為濾液。過濾餅及過濾介質的澄清液稱為濾液。 1、過濾操作過程、過濾操作過程 A、初始階段、初始階段 由于濾漿所含的固體顆粒往往不一樣，而一般由于濾漿所含的固體顆粒往往不一樣，而一般所用的過濾介質孔徑基本

37、是一致的，且比其中的所用的過濾介質孔徑基本是一致的，且比其中的一部分顆粒大，故在過濾開始時，過濾介質往往一部分顆粒大，故在過濾開始時，過濾介質往往不能完全阻止細小顆粒的通過，因此開始階段所不能完全阻止細小顆粒的通過，因此開始階段所得的濾液常常是渾濁的，循環使用。得的濾液常常是渾濁的，循環使用。 隨著過程的進行，細小的顆粒可能隨著過程的進行，細小的顆粒可能在孔道上及孔道中發生架橋現象，在孔道上及孔道中發生架橋現象，攔截后來的顆粒不能通過，同時濾攔截后來的顆粒不能通過，同時濾餅開始形成，由于濾餅中的孔道常餅開始形成，由于濾餅中的孔道常常比過濾介質小，更能攔截細小的常比過濾介質小，更能攔截細小的粒子

38、，所以過濾進行一段時間后可粒子，所以過濾進行一段時間后可得到澄清的溶液，這時過濾的阻力得到澄清的溶液，這時過濾的阻力主要來自過濾介質。主要來自過濾介質。濾液濾餅介質濾槳B、過濾階段 當過濾介質上形成了濾餅以后，真正是過濾的有效當過濾介質上形成了濾餅以后，真正是過濾的有效操作，這時濾餅逐漸加厚，過濾的主要阻力來自濾操作，這時濾餅逐漸加厚，過濾的主要阻力來自濾餅，過濾介質阻力可忽略不計。餅，過濾介質阻力可忽略不計。C、完成階段、完成階段 當過濾操作進行一定時間以后，由于濾餅的增厚，當過濾操作進行一定時間以后，由于濾餅的增厚，過濾速度大大降低，再繼續進行下去是不經濟的，過濾速度大大降低，再繼續進行下

39、去是不經濟的，這時要把濾餅移走，此時完成過濾。這時要把濾餅移走，此時完成過濾。D、洗滌、洗滌 有時考慮到濾餅中含有較多濾液，為了充分回收這有時考慮到濾餅中含有較多濾液，為了充分回收這部分濾液，或因濾餅是產物，不能允許濾液污染時，部分濾液，或因濾餅是產物，不能允許濾液污染時，都必須將這部分濾液分離出來，一般采用洗滌的方都必須將這部分濾液分離出來，一般采用洗滌的方法。先置換，后沖走，大致洗滌只需少量洗滌液，法。先置換，后沖走，大致洗滌只需少量洗滌液，而完全洗凈則需大量洗滌液。在洗滌時，要防止濾而完全洗凈則需大量洗滌液。在洗滌時，要防止濾餅開裂而發生溝流現象，使洗滌效果下降。餅開裂而發生溝流現象，使

40、洗滌效果下降。 E、吹干 在洗滌完畢后還要進行去濕，一般以壓縮空氣通在洗滌完畢后還要進行去濕，一般以壓縮空氣通過濾餅，使濾餅中殘留的濾液或洗滌液盡可能排過濾餅，使濾餅中殘留的濾液或洗滌液盡可能排除。除。 F、卸料、卸料 歸納起來，過濾操作包括過濾、洗滌、去濕、卸歸納起來，過濾操作包括過濾、洗滌、去濕、卸料料4個階段，對于所有過濾設備，就必須要求能很個階段，對于所有過濾設備，就必須要求能很好的實現這四個階段的不同操作，在過濾操作中，好的實現這四個階段的不同操作，在過濾操作中，過濾是主要的階段，我們主要討論這一階段的有過濾是主要的階段，我們主要討論這一階段的有關問題。關問題。 2、過濾操作的分類、

41、過濾操作的分類 在工業生產中，過濾的分離對象各種各樣，分離在工業生產中，過濾的分離對象各種各樣，分離的要求也各不相同。這里簡單介紹過濾的分類的要求也各不相同。這里簡單介紹過濾的分類 A、按機理表面過濾，對顆粒攔截較多在介質表面表面過濾，對顆粒攔截較多在介質表面深層過濾，顆粒沉積在孔道中深層過濾，顆粒沉積在孔道中B、按介質與濾餅的變化、按介質與濾餅的變化 澄清過濾澄清過濾 濾餅過濾濾餅過濾 限制濾餅增長過濾限制濾餅增長過濾 按過濾推動力按過濾推動力重力過濾重力過濾壓差過濾壓差過濾離心過濾離心過濾 C、3、過濾介質、過濾介質 過濾介質對過濾操作是至關重要的，工業上對過過濾介質對過濾操作是至關重要的

42、，工業上對過濾介質的基本要求，具有多孔性、阻力小、能耐濾介質的基本要求，具有多孔性、阻力小、能耐腐蝕、耐熱、并具有一定的機械強度。腐蝕、耐熱、并具有一定的機械強度。 常用的有下列幾類：常用的有下列幾類：A、濾布、濾布 棉、毛、麻、多種合成纖維、金屬網等，棉、毛、麻、多種合成纖維、金屬網等，應用最廣泛，阻力小、清洗易。應用最廣泛，阻力小、清洗易。B、多孔固體介質、陶管等、多孔固體介質、陶管等 孔道細、阻力大。孔道細、阻力大。C、顆粒介質、顆粒介質 砂、木炭等。砂、木炭等。D、多孔膜、多孔膜 高分子材料，最新、最有發展的一類，高分子材料，最新、最有發展的一類，超濾、微濾。超濾、微濾。 4、過濾設備

43、、過濾設備化工廠常用的過濾機有如下幾種：化工廠常用的過濾機有如下幾種： A、 板框過濾機板框過濾機 由板、框、壓緊，漿料輸送設備組成由板、框、壓緊，漿料輸送設備組成 分洗滌型及非洗滌型、明流、暗流、間歇操作、分洗滌型及非洗滌型、明流、暗流、間歇操作、材料可是金屬及非金屬。材料可是金屬及非金屬。 B、離心過濾機、離心過濾機 由轉鼓、外殼、電機組成，應用廣泛。由轉鼓、外殼、電機組成，應用廣泛。 連續、間歇、自動卸料連續、間歇、自動卸料 C、 轉筒真空過濾機轉筒真空過濾機 金屬轉筒，真空系統組成，金屬轉筒，真空系統組成， 連續，大型連續，大型二、過濾基本方程二、過濾基本方程 1、過濾過程的主要操作參

44、數、過濾過程的主要操作參數A、處理量：單位時間處理的懸浮液或得濾液量、處理量：單位時間處理的懸浮液或得濾液量 V m3/sB、過程推動力：以壓差表示，、過程推動力：以壓差表示，PC、過濾面積：、過濾面積：A 表示過濾機大小的參數表示過濾機大小的參數D、過濾速度：、過濾速度：u單位時間通過單位面積的濾液量。單位時間通過單位面積的濾液量。 m/s。 實際是濾液通過濾面的表觀流速實際是濾液通過濾面的表觀流速 u=dV/(Adt) (2-21) 過濾速率過濾速率: u單位時間通過的濾液量單位時間通過的濾液量2、濾液通過濾餅層的流動、濾液通過濾餅層的流動 濾液通過濾餅層的流動是十分復雜的，但通過對過程濾

45、液通過濾餅層的流動是十分復雜的，但通過對過程的分析，我們可以把流動過程進行一些簡化的分析，我們可以把流動過程進行一些簡化 。 把流體在濾餅層中的流通通道看作是一組長度為把流體在濾餅層中的流通通道看作是一組長度為L的的平行管。經過簡化以后，就可與普通管中流體流動的平行管。經過簡化以后，就可與普通管中流體流動的情況相仿，我們知道，計算直管的阻力必須知道情況相仿，我們知道，計算直管的阻力必須知道d、L，那么對于濾餅層這些參數如何定義？那么對于濾餅層這些參數如何定義？ 濾餅層中細管的直徑可以濾餅層中細管的直徑可以由床層的空隙率由床層的空隙率(voidage)和顆粒的比表面積來計算：和顆粒的比表面積來計

46、算：空隙率（空隙率（ ）= m3/m3 單位體積顆粒的表面積單位體積顆粒的表面積 稱為比表面積稱為比表面積aL床層體積空隙體積V a= m2/m3 床層當量直徑床層當量直徑de de=4 m 進行一個變換：進行一個變換： de de 取取1 m2 ，厚度為，厚度為1 m 的濾餅考慮，床層體積為的濾餅考慮，床層體積為1m3假設空隙率為流動全部空間假設空隙率為流動全部空間 顆粒體積顆粒表面積潤濕周邊長管道截面積流通長度潤濕邊長流通長度流道截面積流道表面積流道容積流道容積流道容積=1=m3 流道表面積流道表面積=顆粒體積顆粒體積 顆粒比表面顆粒比表面 =1（1）a （ m2） de（1）a a 一般

47、流體在濾餅層中作層流一般流體在濾餅層中作層流 對直管對直管 P=32Lu/d2 u= d2P/32L b 同理，在濾餅層中流速為同理，在濾餅層中流速為u1 u1de2Pc/L cu1與整個床層截面積計算與整個床層截面積計算的濾液平均流速的濾液平均流速u的關系為的關系為:u1 u1=u/ d 綜合（綜合（a）、（）、（b）、（）、（c）、（）、（d）得）得: u= K為一個與空隙系、粒子形狀、排列、粘度為一個與空隙系、粒子形狀、排列、粘度 有關的有關的常數，對顆粒床滯流時，常數，對顆粒床滯流時，K=5 u= u-單位時間，單位過濾面積獲得的濾液體積，單位時間，單位過濾面積獲得的濾液體積， 稱為過

48、濾速度稱為過濾速度LpaKc223)1 (1Lpac223)1(52、過濾速率 單位時間獲得的濾液體積稱為過濾速率過濾速率 m3/s 3、濾餅阻力 令 r= 則LpaAddVuc223)1 (5LpAaddVc.223)1 (5322)1(5aRPrLpAddVCc濾餅阻力 R=rL r：稱為濾餅比阻濾餅比阻，反映顆粒形狀，尺寸及床層空隙率對濾液流動的影響 。 ，a， 床層致密，阻滯作用愈大。 4、介質阻力 對于濾液穿過過濾介質也會有阻力， 同樣，涉及到流液在小孔中的流動 。 串聯LmmmRpAddV)()(mmmcRRpRRppAddV如把濾布也看作一定厚度的濾餅。Rm= r Le 則有：

49、P代表過濾所需的壓差，也稱為過濾壓強差。過濾一般一側為表氣壓強、實際上也稱為過濾的表壓。5、過濾的基本方程、過濾的基本方程 在過濾過程中，濾餅的厚度是隨時間發生變化的。設每獲得1m3 濾液所形成的濾餅體積為 m3，則對任一瞬間的濾餅厚度 L 與濾液的關系為： LA= V（濾液）（濾液） （濾餅體積） )()(eeLLrprLrLpAddVVL 則有L= V /A , 同樣Le=Ve /A 在一定的操作條件下，以一定的介質濾，Ve為定值，Ve隨過濾介質變化而變化。 對不可壓縮的濾餅， 對于一般情況，濾餅或多或少是可壓縮的，對r 要進行校正。 AVVrpAddVe)()(2eVVrvPAddVr=

50、r(P)s s 壓縮系數01 （s=0不可壓縮） 典型物料壓縮系數見P166 表 對一般情況，考慮壓縮性 上式過濾的基本方程，過濾方程表示過濾過程中任一瞬間的過濾速率與各有關影響因素間的關系。適用于所有過濾過程。對于具體的過濾過程，進行求解。過濾過程有兩種操作方式： 恒壓過濾，恒壓過濾， 恒速過濾恒速過濾 。三、恒壓過濾三、恒壓過濾)(1eSVVvrPAddV 若過濾時在恒壓差的條件下進行稱為恒壓過濾。 這種方式是工業上最常采用的操作方式。 對于一定的懸浮液，體系、r、可視為常數令 k=1/r k 表征過濾的特征參數 邊界條件： 0e V : 0Ve e +e Ve V+Ve e V e 為虛擬的過濾時間及體積dPkAdVVVVVPkAddVseeS1212)( 令K=2kP1-s 積分整理得 Ve2= KA2 (2-26)V2+2VeV=KA2 (2-27)(V+ Ve) 2+2VeV=KA2(+e) (2-28) 上面三式為恒壓過濾方程，如以單位過濾面積獲得的濾液體積表示eeSeedVePkAVVdVV0012)()()(eedVeVVPkAVVdVVeSee)()()