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1
第三章 机械分离返回北京化工大学化工原理电子课件
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
gd s 36
离心力
r
udad t
srs
2
33
66
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3
(2) 浮力重力场
gd 36
离心力场
r
ud t23
6
(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，形成边界层返回北京化工大学化工原理电子课件
4
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5
wdA?
wdAsin?
pdA
pdAcos?
表皮阻力
AAA
dAgzdAgzpdAp c o sc o sc o s
浮力形体阻力
A W dA s in
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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，
2u?
42
22
0 du
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 × 加速度返回北京化工大学化工原理电子课件
7
重、浮一定,u?，阻力?,加速度?
加速度 =0时,u=u0—— 沉降速度
gd s 36?gd 36 042
22
0?du
3
4
0
gdu s
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8
（ 2） 离心沉降速度返回北京化工大学化工原理电子课件
9
r
ud
u tsr
3
4 2?
— 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，
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（ 3） 公式成立假定条件 — 其它因素对 u0的影响
① 颗粒为球形 ；
② 颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰
③ 容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略
④ 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?
)(R e 0f
0
0Re
du?
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11
阻力系数 ~Re0关系图返回北京化工大学化工原理电子课件
12
① 层流区 (Stokes区 )
3.0Re 0?
0Re
24
18
2
0
gdu s
— 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返回北京化工大学化工原理电子课件
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② 过渡区 (Allen区 )
5 0 0Re2 0
6.0
0Re
5.18
6.00
0
Re
269.0
s
gd
u
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?形体阻力增大返回北京化工大学化工原理电子课件
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③ 湍流区 (牛顿区 )
形体阻力占主导地位，表皮阻力可以忽略
2 0 0 0 0 0Re5 0 0 0
阻力?u2 阻力系数与 Re0无关
44.0
s
gd
u 74.10
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④ Re0>2?105
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
50 10)10~3(Re
近似取?=0.1
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（ 5） 沉降公式使用方法
① 事前能够确认流动区域，直接用对应公式
② 流动区域不能确定，采用试差法假定流动处于层流区,
Stokes?u0?Re0? (？ <2),yes?结束
no?换用相应区域公式? u0?Re0? 判断，修正
③ 通过实验整理数据得到 (Re0<2?105 )
Ar
Ar
6.018
Re 0
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Ar— 阿基米德数
2
3
gdAr s
用法,?Ar?Re0?u0
④ 离心力场中的 u0，将 g替换为 ar
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18
二 重力沉降分离设备
1,降尘室返回北京化工大学化工原理电子课件
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（ 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 <气体停留时间?分离说明 ① d?，容易除去
② 气量 V?,容易除去
（ 2） 能 (100%)被除去的最小颗粒直径
100%去除 —— 室顶到室底返回北京化工大学化工原理电子课件
20
所需沉降时间 =H/u0
在室内停留时间 =L/u
分离满足的条件,
u
L
u
H?
0
分离所需最 胝 沉降速度
0
0 A
V
LB
H B u
L
Huu s
最低沉降速度 ~能被分离的最小颗径
0
2
m i n
0 18 A
Vgdu ss
0m i n
18
A
V
g
d s
s
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21
说明
① dmin~颗粒、气体性质，气体处理量，底面积
② 考虑 是 dmin,一般认为处在层流区
（ 3） 最大处理量
00 uAV s?
说明
① Vmax~某一粒径能 100%被去除
② Vmax~ (100%去除 的 ) d,A0,与 H无关返回北京化工大学化工原理电子课件
22
（ 4） 补充说明
① 气体均布重要性 —— 入口锥形
② 横截面大 —— 操作气速低?不被卷起底面积大 —— 分离效率高返回北京化工大学化工原理电子课件
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例题 1 采用降尘室回收常压炉气中所含球形固体颗粒。降尘室底面积为 10㎡,高 1.6m。操作条件下气体密度为 0.5kg/m3，粘度为 2?10-5Pa?s，
颗粒密度为 3000 kg/m3。气体体积流量为 5m3/s。
试求：
（ 1） 可完全回收的最小颗粒直径；
（ 2） 如将降尘室改为多层以完全回收 20?的颗粒，求多层降尘室的层数及板间距。
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24
三 离心沉降设备重力沉降的不足与离心沉降的优势设备体积小而分离效率高
1,旋风分离器
（ 1） 构造与工作原理圆筒、圆锥、矩形切线入口气流获得旋转 向下?锥口 向上,气芯
顶部中央排气口返回北京化工大学化工原理电子课件
25
颗粒?器壁?滑落各部分尺寸 —— 按比例 (见教材 )
（ 2） 分离性能估计
能被分离出的最小颗粒直径 —— 临界直径 dc
假定 Ut保持不变,?ui 穿越最大气层厚 =B
相对运动为层流
Stokes公式可用 将 g换为
mi ru /2
rm-平均旋转半径
m
is
r r
udu
18
22
颗粒沉降速度返回北京化工大学化工原理电子课件
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假设 (2)?沉降时间
22
18
is
m
r ud
Br
u
B
气芯前圈数 =N 运行距离 Nr
m?2?
有效停留时间
i
m
u
Nr?2?
某一粒径能 (100%)被分离出的条件其穿越 B所需时间 〈 停留时间
i
m
is
m
r u
Nr
ud
Br
u
B?
218
22
c
si
d
Nu
Bd
9
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27
一般取 Ｎ ＝ ５
dc～ 气体性能、结构、处理量假定勉强，粗略估计
分离效率粒级效率?,混合物经旋风分离器后某一 (范围的 )粒径被分离出来的质量分数
d>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
BB /'
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28
d<dc的 入器时如其 B’<B,也可以被 (100%)分离由前式，能被 (100%)分离颗粒的 d?B1/2
B
B
d
d
c
'?
—— 入器时距离 <B‘的，直径为 d的都能被 (100%)分离所占分率为 BB /'
2)/( cdd
总效率?O,被分离出来的颗粒点全部颗粒的质量分数返回北京化工大学化工原理电子课件
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O与?i
iiO a
压降能量损失 —— 进气管、排气管、器壁、各各局部，气旋常表示为
2
2
iup
阻力系数实测 经验
2
1
16
D
AB
（ 3） 选型与计算返回北京化工大学化工原理电子课件
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,液体通过过滤介质滤 饼滤 浆滤 液返回北京化工大学化工原理电子课件
31
说明,
名词,过滤介质 ； 滤浆 ； 滤渣 (饼 )； 滤液
过程推动力,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，通过滤液返回北京化工大学化工原理电子课件
32
— 要求流动阻力小,机械强度高
① 织物介质 — 滤布 (织物、网 ),5-65?m,工业应用广泛
② 堆积介质 — 固体颗粒或纤维等堆积,— 深层过滤
③ 多孔固体介质,具有微细孔道的固体,1-3?m
④ 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,使滤饼疏松而坚硬返回北京化工大学化工原理电子课件
33
二 过滤设备
1,板框过滤机
（ 1） 结构与工作原理返回北京化工大学化工原理电子课件
34
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35
1-非洗涤板 ； 2-框 ； 3-洗涤板 ； 四角均开孔组装,1-2-3-2-1-2-3-2-1-2-3-2-1
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 )
过滤返回北京化工大学化工原理电子课件
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
① 间歇操作 —— 过滤、洗涤、卸渣、整理、装合
② 主要优缺点返回北京化工大学化工原理电子课件
37
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38
2,叶滤机
3,转筒过滤机
（ 1） 结构与工作原理返回北京化工大学化工原理电子课件
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
① 当浸入滤浆中时，对应滤布 — 对应管 — 转动盘孔 — 凹槽 2 — 滤液真空管 — 滤液通道 — 过滤返回北京化工大学化工原理电子课件
40
② 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
③ 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
④ 遇到刮刀 — 卸渣
⑤ 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,
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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
① 细管内表面 =床层颗粒的全部表面
② 细管的总体积 =床层空隙体积基本参数
① 空隙率?,床层的空隙体积 /床层的总体积
② 比表面积 S0,颗粒表面积 /颗粒体积
③ 孔道 (细管 )平均长度 l,?床层厚度,即 l=K0L
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42
③ 孔道 (细管 )当量直径 de：
颗粒体积比表面积空隙率床层体积颗粒表面积空隙体积润湿周边长流通截面积
444
l
ld
e
1
4
1
4
0S空隙率床层体积比表面积空隙率床层体积
④ 滤液流速 u1:
床层截面积床层空隙率滤液体积流量面积床层截面中空隙部分的滤液体积流量
1u
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43
2,过滤速度及其表达
(1)定义滤饼截面积滤液体积流量
Ad
dVu
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
u
dA
dVu
1
(2)过程推动力 —— 滤浆侧和滤液侧的压差
21 ppp
滤饼压降 介质压降返回北京化工大学化工原理电子课件
44
(3)?p1的表达 —— Hagen-Poiseuille 方程
l
pdu e
32
1
2
1
(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
LK
pduu
Ad
V e
0
1
2
1 32?
其中
2200
3
12
1
SKr
—— 滤饼的比阻
阻力推动力
Lr
p
LSK
p
1
22
00
1
3
12
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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
eLr?
(6)总推动力与总阻力
ee RR
p
rLrL
p
r L e
p
rL
p
Ad
dV
21
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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=AL/V
Ar c VrLR / Ar c VrLR eee /
Ve— 与 Le对应的滤液体积。不存在，虚拟量，
~滤饼的性质形式 1
eVVrc
pA
d
dV
2
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47
W=c’V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
仿照滤饼面积滤饼体积rrLR 可得
AVcrAWrrR /''/'' 滤饼面积滤饼质量
AVcrAWrR eee /''/'
形式 2
eVVcr
pA
d
dV
''
2
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48
'' crrc?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
0
2
)()( drcpAVVdVVe
e
VV
V ee
22 2 KAVVV e
''
22
cr
p
rc
pK
—— 过滤常数（ m
2/s）
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49
另一 写法?Kqqq
e 22
其中 AVq /? AVq
ee /?
说明
① 过滤方程式 —— V~?的关系,抛物线
② 关于过滤常数 K和 qe—— 滤饼 的 (不 )可压缩性,
pqKrKp e ~,,~ 0
③ K,qe~p的关系平均 r(r’)~p,sprr
0? sprr 0''?
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50
其中 r0(r’0)为常数 ; 不可压缩,s=0
0
1
0
1
''
22
rc
p
cr
pK ss
常数 esesee cqprAcVprrLR 00
se pq
4,过滤常数的实验测定原理一返回北京化工大学化工原理电子课件
51
对过滤方程进行微分
Kddqqq e2
微分用增量代替
K
qq
Kq
e22
连续测定?,q 算出一系列及对应? 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
K
qq
Kq
e21
测量变量相同返回北京化工大学化工原理电子课件
52
/q ~ q作图,直线斜率 =1/K,截距 =2qe/K
讨论
① 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
② 测出 c或 c’,一定 p测出 K?r； 多次?一组 （ r,p）
sprr 0? 双对数坐标,直线斜率 =s,截距 =r0
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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
RWFC
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返回北京化工大学化工原理电子课件
54
RWF
F
C
F VVQ
RWF
F
C
F cVcVQ
'
已知 K,qe，由过滤方程,?F?VF?Q
（ 2） 洗涤速率和洗涤时间一般认为,洗涤液量?滤液量，即
FW JVV?
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返回北京化工大学化工原理电子课件
55
① 叶滤机的洗涤速率和洗涤时间 —— 置换洗涤
)(2)(
22
eeW VV
KA
VVrc
pA
d
dV
d
dV
终了终了终了
洗涤速率恒定?滤饼厚度不变
KA
VV
pA
VVrc
d
dVV eew
W
ww 22
)(2)(
/
终了终了?
② 板框压滤机的洗涤速度和洗涤时间 —— 横穿洗涤
LL w 2? 2/AAW?
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56
)(24
1
)(
)2/(
)(
222
eeew
w
W VV
KA
VVrc
pA
VVrc
pA
d
dV
终了终了终了
洗涤时间
KA
VV
d
dVV e
W
ww 2
)(8/
终了
（ 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?
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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,则?C=1/n — 每圈用时转筒表面浸入分数,360/浸入角度
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58
一个周期中 全部面积 经历过滤时间
nCF /
部分面积，全部时间 —?全部面积，部分时间
AC CF
A
（ 2） 生产能力
nq AqAQ ch 3 6 0 0/3 6 0 0
nKKqqq Fe /22
ee qKnqq
2
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59
eeh VKA
n
VnnqAQ 223 6 0 03 6 0 0?
当滤布阻力可以忽略
0?eV
nKAQ h?3600?
Q~A,?,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?
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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=5?10-5m2/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。
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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
2222 42 m r nnmrmrmaF rr
转鼓直径、转速?，则 Fr?，分离效果?
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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 <3000）
高速 （ 3000<KC <50000 ）
超速 （ KC>500000 ）
（ 1） 过滤式离心机
（ 2） 沉降式离心机
（ 3） 分离式离心机
1
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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
gd s 36
离心力
r
udad t
srs
2
33
66
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3
(2) 浮力重力场
gd 36
离心力场
r
ud t23
6
(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
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5
wdA?
wdAsin?
pdA
pdAcos?
表皮阻力
AAA
dAgzdAgzpdAp c o sc o sc o s
浮力形体阻力
A W dA s in
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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，
2u?
42
22
0 du
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 × 加速度返回北京化工大学化工原理电子课件
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重、浮一定,u?，阻力?,加速度?
加速度 =0时,u=u0—— 沉降速度
gd s 36?gd 36 042
22
0?du
3
4
0
gdu s
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（ 2） 离心沉降速度返回北京化工大学化工原理电子课件
9
r
ud
u tsr
3
4 2?
— 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，
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（ 3） 公式成立假定条件 — 其它因素对 u0的影响
① 颗粒为球形 ；
② 颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰
③ 容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略
④ 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?
)(R e 0f
0
0Re
du?
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① 层流区 (Stokes区 )
3.0Re 0?
0Re
24
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2
0
gdu s
— 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返回北京化工大学化工原理电子课件
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② 过渡区 (Allen区 )
5 0 0Re2 0
6.0
0Re
5.18
6.00
0
Re
269.0
s
gd
u
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?形体阻力增大返回北京化工大学化工原理电子课件
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③ 湍流区 (牛顿区 )
形体阻力占主导地位，表皮阻力可以忽略
2 0 0 0 0 0Re5 0 0 0
阻力?u2 阻力系数与 Re0无关
44.0
s
gd
u 74.10
返回北京化工大学化工原理电子课件
15
④ Re0>2?105
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
50 10)10~3(Re
近似取?=0.1
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16
（ 5） 沉降公式使用方法
① 事前能够确认流动区域，直接用对应公式
② 流动区域不能确定，采用试差法假定流动处于层流区,
Stokes?u0?Re0? (？ <2),yes?结束
no?换用相应区域公式? u0?Re0? 判断，修正
③ 通过实验整理数据得到 (Re0<2?105 )
Ar
Ar
6.018
Re 0
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17
Ar— 阿基米德数
2
3
gdAr s
用法,?Ar?Re0?u0
④ 离心力场中的 u0，将 g替换为 ar
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18
二 重力沉降分离设备
1,降尘室返回北京化工大学化工原理电子课件
19
（ 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 <气体停留时间?分离说明 ① d?，容易除去
② 气量 V?,容易除去
（ 2） 能 (100%)被除去的最小颗粒直径
100%去除 —— 室顶到室底返回北京化工大学化工原理电子课件
20
所需沉降时间 =H/u0
在室内停留时间 =L/u
分离满足的条件,
u
L
u
H?
0
分离所需最 胝 沉降速度
0
0 A
V
LB
H B u
L
Huu s
最低沉降速度 ~能被分离的最小颗径
0
2
m i n
0 18 A
Vgdu ss
0m i n
18
A
V
g
d s
s
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21
说明
① dmin~颗粒、气体性质，气体处理量，底面积
② 考虑 是 dmin,一般认为处在层流区
（ 3） 最大处理量
00 uAV s?
说明
① Vmax~某一粒径能 100%被去除
② Vmax~ (100%去除 的 ) d,A0,与 H无关返回北京化工大学化工原理电子课件
22
（ 4） 补充说明
① 气体均布重要性 —— 入口锥形
② 横截面大 —— 操作气速低?不被卷起底面积大 —— 分离效率高返回北京化工大学化工原理电子课件
23
例题 1 采用降尘室回收常压炉气中所含球形固体颗粒。降尘室底面积为 10㎡,高 1.6m。操作条件下气体密度为 0.5kg/m3，粘度为 2?10-5Pa?s，
颗粒密度为 3000 kg/m3。气体体积流量为 5m3/s。
试求：
（ 1） 可完全回收的最小颗粒直径；
（ 2） 如将降尘室改为多层以完全回收 20?的颗粒，求多层降尘室的层数及板间距。
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24
三 离心沉降设备重力沉降的不足与离心沉降的优势设备体积小而分离效率高
1,旋风分离器
（ 1） 构造与工作原理圆筒、圆锥、矩形切线入口气流获得旋转 向下?锥口 向上,气芯
顶部中央排气口返回北京化工大学化工原理电子课件
25
颗粒?器壁?滑落各部分尺寸 —— 按比例 (见教材 )
（ 2） 分离性能估计
能被分离出的最小颗粒直径 —— 临界直径 dc
假定 Ut保持不变,?ui 穿越最大气层厚 =B
相对运动为层流
Stokes公式可用 将 g换为
mi ru /2
rm-平均旋转半径
m
is
r r
udu
18
22
颗粒沉降速度返回北京化工大学化工原理电子课件
26
假设 (2)?沉降时间
22
18
is
m
r ud
Br
u
B
气芯前圈数 =N 运行距离 Nr
m?2?
有效停留时间
i
m
u
Nr?2?
某一粒径能 (100%)被分离出的条件其穿越 B所需时间 〈 停留时间
i
m
is
m
r u
Nr
ud
Br
u
B?
218
22
c
si
d
Nu
Bd
9
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27
一般取 Ｎ ＝ ５
dc～ 气体性能、结构、处理量假定勉强，粗略估计
分离效率粒级效率?,混合物经旋风分离器后某一 (范围的 )粒径被分离出来的质量分数
d>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
BB /'
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28
d<dc的 入器时如其 B’<B,也可以被 (100%)分离由前式，能被 (100%)分离颗粒的 d?B1/2
B
B
d
d
c
'?
—— 入器时距离 <B‘的，直径为 d的都能被 (100%)分离所占分率为 BB /'
2)/( cdd
总效率?O,被分离出来的颗粒点全部颗粒的质量分数返回北京化工大学化工原理电子课件
29
O与?i
iiO a
压降能量损失 —— 进气管、排气管、器壁、各各局部，气旋常表示为
2
2
iup
阻力系数实测 经验
2
1
16
D
AB
（ 3） 选型与计算返回北京化工大学化工原理电子课件
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,液体通过过滤介质滤 饼滤 浆滤 液返回北京化工大学化工原理电子课件
31
说明,
名词,过滤介质 ； 滤浆 ； 滤渣 (饼 )； 滤液
过程推动力,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，通过滤液返回北京化工大学化工原理电子课件
32
— 要求流动阻力小,机械强度高
① 织物介质 — 滤布 (织物、网 ),5-65?m,工业应用广泛
② 堆积介质 — 固体颗粒或纤维等堆积,— 深层过滤
③ 多孔固体介质,具有微细孔道的固体,1-3?m
④ 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,使滤饼疏松而坚硬返回北京化工大学化工原理电子课件
33
二 过滤设备
1,板框过滤机
（ 1） 结构与工作原理返回北京化工大学化工原理电子课件
34
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35
1-非洗涤板 ； 2-框 ； 3-洗涤板 ； 四角均开孔组装,1-2-3-2-1-2-3-2-1-2-3-2-1
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 )
过滤返回北京化工大学化工原理电子课件
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
① 间歇操作 —— 过滤、洗涤、卸渣、整理、装合
② 主要优缺点返回北京化工大学化工原理电子课件
37
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38
2,叶滤机
3,转筒过滤机
（ 1） 结构与工作原理返回北京化工大学化工原理电子课件
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
① 当浸入滤浆中时，对应滤布 — 对应管 — 转动盘孔 — 凹槽 2 — 滤液真空管 — 滤液通道 — 过滤返回北京化工大学化工原理电子课件
40
② 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
③ 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
④ 遇到刮刀 — 卸渣
⑤ 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,
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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
① 细管内表面 =床层颗粒的全部表面
② 细管的总体积 =床层空隙体积基本参数
① 空隙率?,床层的空隙体积 /床层的总体积
② 比表面积 S0,颗粒表面积 /颗粒体积
③ 孔道 (细管 )平均长度 l,?床层厚度,即 l=K0L
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42
③ 孔道 (细管 )当量直径 de：
颗粒体积比表面积空隙率床层体积颗粒表面积空隙体积润湿周边长流通截面积
444
l
ld
e
1
4
1
4
0S空隙率床层体积比表面积空隙率床层体积
④ 滤液流速 u1:
床层截面积床层空隙率滤液体积流量面积床层截面中空隙部分的滤液体积流量
1u
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43
2,过滤速度及其表达
(1)定义滤饼截面积滤液体积流量
Ad
dVu
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
u
dA
dVu
1
(2)过程推动力 —— 滤浆侧和滤液侧的压差
21 ppp
滤饼压降 介质压降返回北京化工大学化工原理电子课件
44
(3)?p1的表达 —— Hagen-Poiseuille 方程
l
pdu e
32
1
2
1
(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
LK
pduu
Ad
V e
0
1
2
1 32?
其中
2200
3
12
1
SKr
—— 滤饼的比阻
阻力推动力
Lr
p
LSK
p
1
22
00
1
3
12
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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
eLr?
(6)总推动力与总阻力
ee RR
p
rLrL
p
r L e
p
rL
p
Ad
dV
21
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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=AL/V
Ar c VrLR / Ar c VrLR eee /
Ve— 与 Le对应的滤液体积。不存在，虚拟量，
~滤饼的性质形式 1
eVVrc
pA
d
dV
2
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47
W=c’V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
仿照滤饼面积滤饼体积rrLR 可得
AVcrAWrrR /''/'' 滤饼面积滤饼质量
AVcrAWrR eee /''/'
形式 2
eVVcr
pA
d
dV
''
2
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48
'' crrc?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
0
2
)()( drcpAVVdVVe
e
VV
V ee
22 2 KAVVV e
''
22
cr
p
rc
pK
—— 过滤常数（ m
2/s）
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49
另一 写法?Kqqq
e 22
其中 AVq /? AVq
ee /?
说明
① 过滤方程式 —— V~?的关系,抛物线
② 关于过滤常数 K和 qe—— 滤饼 的 (不 )可压缩性,
pqKrKp e ~,,~ 0
③ K,qe~p的关系平均 r(r’)~p,sprr
0? sprr 0''?
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50
其中 r0(r’0)为常数 ; 不可压缩,s=0
0
1
0
1
''
22
rc
p
cr
pK ss
常数 esesee cqprAcVprrLR 00
se pq
4,过滤常数的实验测定原理一返回北京化工大学化工原理电子课件
51
对过滤方程进行微分
Kddqqq e2
微分用增量代替
K
Kq
e22
连续测定?,q 算出一系列及对应? 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
K
Kq
e21
测量变量相同返回北京化工大学化工原理电子课件
52
/q ~ q作图,直线斜率 =1/K,截距 =2qe/K
讨论
① 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
② 测出 c或 c’,一定 p测出 K?r； 多次?一组 （ r,p）
sprr 0? 双对数坐标,直线斜率 =s,截距 =r0
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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
RWFC
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返回北京化工大学化工原理电子课件
54
RWF
F
C
F VVQ
RWF
F
C
F cVcVQ
'
已知 K,qe，由过滤方程,?F?VF?Q
（ 2） 洗涤速率和洗涤时间一般认为,洗涤液量?滤液量，即
FW JVV?
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返回北京化工大学化工原理电子课件
55
① 叶滤机的洗涤速率和洗涤时间 —— 置换洗涤
)(2)(
22
eeW VV
KA
VVrc
pA
d
dV
d
dV
终了终了终了
洗涤速率恒定?滤饼厚度不变
KA
VV
pA
VVrc
d
dVV eew
W
ww 22
)(2)(
/
终了终了?
② 板框压滤机的洗涤速度和洗涤时间 —— 横穿洗涤
LL w 2? 2/AAW?
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56
)(24
1
)(
)2/(
)(
222
eeew
w
W VV
KA
VVrc
pA
VVrc
pA
d
dV
终了终了终了
洗涤时间
KA
VV
d
dVV e
W
ww 2
)(8/
终了
（ 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?
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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,则?C=1/n — 每圈用时转筒表面浸入分数,360/浸入角度
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58
一个周期中 全部面积 经历过滤时间
nCF /
部分面积，全部时间 —?全部面积，部分时间
AC CF
A
（ 2） 生产能力
nq AqAQ ch 3 6 0 0/3 6 0 0
nKKqqq Fe /22
ee qKnqq
2
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59
eeh VKA
n
VnnqAQ 223 6 0 03 6 0 0?
当滤布阻力可以忽略
0?eV
nKAQ h?3600?
Q~A,?,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?
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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=5?10-5m2/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。
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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
2222 42 m r nnmrmrmaF rr
转鼓直径、转速?，则 Fr?，分离效果?
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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 <3000）
高速 （ 3000<KC <50000 ）
超速 （ KC>500000 ）
（ 1） 过滤式离心机
（ 2） 沉降式离心机
（ 3） 分离式离心机
