机械分离与固体流态化习题解答

后卸渣、清理、重装等共需40min，球每台压滤机的生产能力，以
平均每小时可得到的滤饼体积计。
• 3-7
• 在实验室内用一片过滤面积为0.05 m2滤液在
36KPa（绝）下进行吸滤。在300s内共吸出
400cm3滤液，再过600s，又吸出400cm3滤液，求 （1）减压过滤下的过滤常数K和qe ；（2）估算
洗涤时间
例题 在实验装置中过滤钛白的水悬浮液，过滤压力为0.3MPa，求
得过滤常数为：K=5×10-5m2/s,qe=0.01m3/m2。又测出滤饼体积与滤
液体积之比c=0.08m3/m3先要用工业型板框压滤机过滤同样的料液， 过滤压力、所用的滤布亦与实验时相同。滤框长与宽均为810mm， 厚度为45mm，共有26个框，过滤面积为33m2，框内总容量为 0.760mm。 试计算：（1）过滤进行到框内全部充满滤饼所需的过滤时间（2） 过滤后用总滤液体积的1/10清水进行洗涤，求洗涤时间（3）洗涤
净化气体
含尘气体 粉尘
隔板
多层隔板降尘室示意图
当降尘室用水平隔板分为N层，则每层高度为H/N。水平速 度u不变。此时： 尘粒沉降高度为原来的1/N倍； 降尘室生产能力为原来的N倍 utc降为原来的1/N倍 (utc= Vs / bl) ； 临界粒径为原来的 1/ N 倍； 一般可分离20μm以上的颗粒。多层隔板降尘室排灰不方便。
•
（3）颗粒与气流的相对运动为层流，
由假设（1）、（3）可推出气流中颗粒的离心沉降速度：
Ρ比Ρs小很多故略去，用 进口速度代替切线速度
由假设（2）可得到颗粒到达器壁所需沉降时间：
令气体进入排气管以前在器内旋转的圈数为N，则运行的 距离为2πrmN,故停留时间：
若某种尺寸的颗粒所需的沉降时间恰好等于停留时间，则该颗粒就 是理论上能被完全分离下来的最小颗粒。即临界粒径
下过滤，某种悬浮液。4h后得滤液80m3，过滤介质
阻力忽略不计。求
（1）当其它情况不变，过滤面积加倍，可得滤液多少？ （2）当其它情况不变，操作时间缩短为2h，可得滤 液多少？ （3）若过滤4h后，再用5m3性质与滤液相近的水洗涤 滤饼，问需多少洗涤时间？
第四节 固体流态化
• 流态化是一种使固体颗粒层通过与流体接触而具有类似于流体某
四、离心沉降设备
旋风分离器是常用的气固系离
心分离设备。标准型旋风分离 器的结构如左图： • 工作原理：含尘气体自进风口 切向引入，在分离器内受器壁
约束做由上向下，再由下向上
的螺旋运动，然后从中心管引
出。在上、下螺旋运动过程中， 尘粒与气体发生相对运动被甩 向器壁后顺壁石掉落至灰斗，
这样尘粒得以与气体分离。
上，摇动或振动一定的时间。颗粒就按粒径从大到小分别
被截留在不同的筛盘上。若得知一种颗粒能通过某一号筛
而截留于相邻的另一号孔眼较小的筛上，则这一颗粒的直
径便可视为等于此两号筛孔宽度的算术平均值。将截留在
每个筛面上的颗粒取出称重，即可算出每一号筛上所截留
的样品质量分率。
第二节、沉降分离
一、重力沉降原理
些表观特性的过程
• 一． 固体流态化的基本概念
• 如果流体自下而上地流过颗粒层，则根据流速的不同，会出现三 种不同的情况。
u 离心力F离 d p s T 6 R 2 uT 3 浮力F浮 d p 6 R
3

2
u
阻力 Fd
浮力 Fb
离心力 Fc
阻力F阻

4
dp
2
ur 2
2
若这三个力达到平衡，则有
2 2
颗粒在离心力场中的受力分析
2
3 uT 3 uT 2 ur d p s d p s d p 0 6 R 6 R 4 2
含尘气体进入降尘室后，因流道截面积扩大而速度减慢，只要 颗粒能够在气体通过的时间内降至室底，便可从气流中分离出来。
沉降运动时间< 气体停留时间→分离
• 颗粒在降尘室停留的时间时间为： 位于降尘室最高点的颗粒沉降至室底需要的时间为：
分离满足的条件：
分离所需最低沉降速度： 降沉室的生产能力与其高度无关。 能被分离的最小颗径： （若斯托克斯定律适用）
一、过滤方式
深层过滤
过滤
滤饼过滤
二、过滤设备
• • • • • （1）压滤机 （2）叶滤机 （3）转筒真空过滤机 板框过滤机 （1）结构与工作原理
• • • • • • • •
1-非洗涤板； 2-滤框； 3-洗涤板； 四角均开孔 滤布—框的两侧 组装: 1-2-3-2-1-2-3-2-1-2-3-2-1 过滤 滤浆由总管入框 框内形成滤饼 滤液穿过滤 饼和滤布 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) • 洗涤
4.恒压过滤方程
积分式 或者 若过滤介质阻力可忽略不计，则上式可简化 为：
3．过滤常数的实验测定
恒压过滤方程同除以Kq
试验中记录下不同过滤时间θ内的单位面积滤液量q,将 θ/q对 q作图，可得一直线，直线斜率=1/K，截距=2qe/K 或 对过滤方程进行微分 微分用增量代替 连续测定θ，q，算出一系列Δθ及对应Δq，将Δθ/Δq对q作图，得 一直线，直线斜率=2/K，截距=2qe/K。
第三章 机械分离与固体流态化
李富霞
一、概述
• 混合物分为两大类：
均相物系：溶液和混合气体
下册介绍：气体吸收、液体蒸馏、液液萃 取、固体干燥、结晶、吸附、膜分离
悬浮液、乳浊液、 泡沫液 非均相物系： 含尘气体、含雾气 体 机械方法：沉降、过滤
一、单颗粒的几何特性参数
颗粒最基本的特性：大小（粒径）、形状、表面积
解得
• 二、分离效率 （1）粒级效率 指某一粒径的颗粒被分离的质量分数
（2）总分离效率 指单位时间内被除去的固体颗粒质量占进入分离 器的全部颗粒质量的分率。 （3）压降
第三节 过滤
以某种多孔物质为介质，在外力的作用下，使悬浮液中的液体通
过介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离 的单元操作。
• 2.基本参数
• ① 空隙率ε：床层的空隙体积/床层的总体积 • ② 比表面积a：颗粒表面积/颗粒体积 • ③ 孔道(细管)当量直径de。
④ 滤液流速u1:
过滤速度是指单位时间内通过单位过滤面积的滤液 体积
3.过滤速度
u—瞬时过滤速度，m/s V—滤液体积，m3 A—过滤面积，m2 q—单位过滤面积所得的滤液量，m3/m2，q=V/A θ—过滤时间，s
（1）自由沉降
重力:
Hale Waihona Puke 浮力:阻力:式中 ζ ----阻力系数,无因次； A ----颗粒在垂直于其运动方向 的平面上的投影面积，其值为A= ,m2； u0----颗粒相对于流体的降落速度， m/s。
根据牛顿第二定律有：
代入公式得：
m-----颗粒的质量 ，kg； a------加速度，m/s2 θ------时间 ，s。 沉降刚开始时速度为零，因此阻力也为零，故加速度a有 最大值，颗粒加速下降。沉降过程中阻力随速度增加而增大 直至速度达到某一数值后，三力平衡，即合力为零。此时， 加速度为零，颗粒开始做匀速运动。可见，以上过程可分为
横穿洗涤：
洗涤液由总管入板
滤布 滤框 滤饼 滤布 非洗涤板
排出洗涤面=(1/2)过滤面积
置换洗涤：
洗涤液行程与滤液相同。洗涤面=过滤面 间歇操作——装合、过滤、洗涤、卸渣、整理
三、过滤的基本理论
• 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 细管内表面之和=滤饼内颗粒的全部表面 • ② 细管的全部流动空间=滤饼内的全部空隙体积
1. 球形颗粒
体积v=(π/6)dp3 表面积 s=πdp2 2. 非球形颗粒 （1）常用的参量： ①等体积当量直径de,v：与非球形颗粒体积相等的球的直径。 m3 m2
比表面积为a=s/v=6/dp
1/m
dp 球形颗粒的直径，m
de,v=(6v/π)1/3
v为非球形颗粒的体积。
S
②球形度ψ ：与非球形颗粒体积相等的球的表面积与该颗粒表面积之比。 ψ=πd2e,v/s 为非球形颗粒的表面积。 （2）非球形颗粒的体积、表面积、比表面积 体积v=(π/6) d3e,v m3 表面积s=πd2e,v/ψ m2 比表面积a=s/v=6/ψde,v 1/m
例 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： 可完全回收的最小颗粒直径；
三、离心沉降原理
离心沉降:依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程
试差法
对于小颗粒，假设Re0﹤2，用stokes公式求u0 → 校验Re0 不符合，重新假设。 (2)干扰沉降 自由沉降条件：颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰；容 器壁对颗粒沉降的阻滞作用可以忽略。 干扰沉降：颗粒间距离很小，即使没有相互接触，一个颗 粒沉降时也会受到其他颗粒的影响 方法：干扰沉降速度可用自由沉降速度的计算方法计算， 只是要根据颗粒的浓度对所用的流体的密度及黏度进行 校正。
两阶段，先加速后匀速。
沉降速度的计算
• 等速段中颗粒相对于流体的运动速度u0 • 沉降速度的关系式：
使用上式计算沉降速度要先知道阻力系数ζ
因次分析→
①层流区(Stokes区)
斯托克 斯定律
②过渡区(Al len区)
艾伦 公式
③湍流区(牛顿区) 500<Re0<200000
牛顿 公式
④Re0>2×105 ζ急剧下降。 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 ζ=0.1