机械分离与固体流态化《化工原理》课件要点
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【管理资料】机械分离与固体流态化化工原理课件要点汇编
9
标准筛 筛分
三、筛分
筛网用金属丝 制成，孔类似 正方形。
泰勒（Tyler）标准筛------其 筛孔大小以每英寸长度筛网
上的孔数表示，称为“目”。 例如100目的筛即指每英寸 筛网上有100个筛孔。 目数越大，筛孔越小。
将几个筛子按筛孔从大到小的次序从上到 下叠置起来，最底下置一无孔的盘-----底 盘。样品加于顶端的筛上，摇动或振动一定 的时间。通过筛孔的物料称为筛过物，未能 通过的称为筛留物。筛留物的直径等于相邻 两号筛孔宽度的算术平均值，将筛留物取出 称重，可得样品质量分率分布曲线。
频率分布曲线
8
二、颗粒群的特性
平均直径
长度平均直径
d L m n 1 d 1 n 1 n 2 d n 2 2 n n 3 3 d 3 n k n k d k i k 1n id i
k
n i
i 1
表面积平均直径----每个颗粒平均表面积等于全部颗粒的表面积之
和除以颗粒的总数
k
k
dAm nidi2
4
❖ 非均相物系的分离方法
1、气-固体系
旋风分离器 ：含尘气体从入口导入除尘器的外壳和排气 管之间，形成旋转向下的外旋气流。悬浮于外旋流的粉 尘在离心力的作用下移向器壁，并随外旋流旋转到除尘 器底部，由排尘孔排出。净化后的气体形成上升的内旋 流并经过排气管排出。
应用范围及特点 旋风除尘器适用于净化大于5～10微米 的非粘性、非纤维的干燥粉尘。它是一种结构简单、操 作方便、耐高温、设备费用和阻力较低（80～160毫米水 柱）的装置。 旋风除尘器广泛应用于空气净化、烟道除 尘、细小颗粒回收等领域。 例如，火力发电厂的锅炉烟 道上就装有这种装置，它有效的降低了排出的烟尘，否 则，早晨起来时，电厂附近的马路上会铺满一层烟灰。
过程工程原理第三章：机械分离与固体流态化.
滤浆
滤饼 过滤介质 滤液
预涂
混入待滤的滤浆中一起过滤。
浙江大学《化工原理》电子教案/第三章
滤饼过滤
9/75
二、过滤基本方程
------滤液量V～过滤时间 的关系
L
滤饼过滤过程中，滤饼越来越厚
非恒定
~ dV 过滤速率 d
滤液量越来越大； A 过滤速率（速度）越来越小。 u ~ V （滤液量） m3/s
△p △p1 △p2 u 14/75
浙江大学《化工原理》电子教案/第三章
4
浙江大学《化工原理》电子教案/目录
第三章 机械分离与固体流态化
均相物系 ------将在甲II、甲III中介绍 分离 ------筛分、沉降、过滤 非均相物系
悬浮液-----固-液混合物 乳浊液-----液-液混合物 含尘气体----气-固混合物 含雾气体----气-液混合物
5/75
浙江大学《化工原理》电子教案/第三章
流体的流动空间等于 床层中颗粒之间的全 部空隙体积。
------滤液量V～过滤时间 的关系
p1
le
u1
u
de
u
实际情况：流体流动路径很复杂， 阻力损失无法计算 属层流 可视为并联管路
2 p1 l u l e u12 wf d 2 de 2 64 d e u1 Re1 Re1
L u de
流体在固定床内流动的简化模型
le u
假定：
(1)细管长度le与床层高度L成正比 (2)细管的内表面积等于全部颗粒的表面积，
l e CL
滤饼体积
流体的流动空间等于床层中颗粒之间的全部空隙体积。
de
4 流通截面积
润湿周边
滤饼 过滤介质 滤液
预涂
混入待滤的滤浆中一起过滤。
浙江大学《化工原理》电子教案/第三章
滤饼过滤
9/75
二、过滤基本方程
------滤液量V～过滤时间 的关系
L
滤饼过滤过程中，滤饼越来越厚
非恒定
~ dV 过滤速率 d
滤液量越来越大； A 过滤速率（速度）越来越小。 u ~ V （滤液量） m3/s
△p △p1 △p2 u 14/75
浙江大学《化工原理》电子教案/第三章
4
浙江大学《化工原理》电子教案/目录
第三章 机械分离与固体流态化
均相物系 ------将在甲II、甲III中介绍 分离 ------筛分、沉降、过滤 非均相物系
悬浮液-----固-液混合物 乳浊液-----液-液混合物 含尘气体----气-固混合物 含雾气体----气-液混合物
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浙江大学《化工原理》电子教案/第三章
流体的流动空间等于 床层中颗粒之间的全 部空隙体积。
------滤液量V～过滤时间 的关系
p1
le
u1
u
de
u
实际情况：流体流动路径很复杂， 阻力损失无法计算 属层流 可视为并联管路
2 p1 l u l e u12 wf d 2 de 2 64 d e u1 Re1 Re1
L u de
流体在固定床内流动的简化模型
le u
假定：
(1)细管长度le与床层高度L成正比 (2)细管的内表面积等于全部颗粒的表面积，
l e CL
滤饼体积
流体的流动空间等于床层中颗粒之间的全部空隙体积。
de
4 流通截面积
润湿周边
热力学第二章机械分离和固体流态化
称为沉聚区（D）。
A
B
C
D
a
b
AA C DD
cd
• 随着沉降过程的进行，B、C逐渐缩小并消失，C区 刚刚消失这一时刻称为“临界沉降点”(critical sedimentation point)，此时清液区与沉聚区有一清
（2-12）
H
Hb
b
L VS
LHb VS
Hb
按降尘分离的必要条件： θ≥θt L/u ≥H/ ut
LHb H
VS
ut
Vs≤ut L b
(2-13)
• 由上式可知，当体系一定，气体的处理量一定时。 要求把一定直径的颗粒完全沉降的条件只取决于降 尘室的底面积（Lb），与其高度无关，这是降尘室 的一个重要特征。因此，降尘室一般上设计为扁型 的。（多层，如P145）
• 降尘室的工艺计算可分为两类，一类是设计型， 已知气体处理量和除尘要求（dm）计算降尘室 大小（H、 b）。一类是操作型，已知降尘室 的尺寸，求处理气量及除尘效果。其计算原理 是一样的。
• 计算例子见P146，例3-2，（操作型）（自学）
3、 沉降槽(subsider)
• 对于液固非均相体系的分离，可使用沉降槽，沉降 槽一般只能用于分离颗粒不很细的稀悬浮液，得到 清液，及含50%左右的固体颗粒的增稠液，工业上 把沉降槽称为增稠器(thickener)，应用很广，如烧 碱生产中食盐水沉清等。
考虑是流体或是颗粒静止不动。
• 一般的颗粒都可以看作是球形的，下面就以光滑 球形颗粒在静止流体中沉降为例来讨论沉降过程。
• 把球形颗粒放入静止的流体中，
Fb
颗粒就会受到重力与流体浮力的
作用，如果颗粒与流体的密度不
同，则颗粒受到的重力与浮力就
A
B
C
D
a
b
AA C DD
cd
• 随着沉降过程的进行，B、C逐渐缩小并消失，C区 刚刚消失这一时刻称为“临界沉降点”(critical sedimentation point)，此时清液区与沉聚区有一清
（2-12）
H
Hb
b
L VS
LHb VS
Hb
按降尘分离的必要条件： θ≥θt L/u ≥H/ ut
LHb H
VS
ut
Vs≤ut L b
(2-13)
• 由上式可知，当体系一定，气体的处理量一定时。 要求把一定直径的颗粒完全沉降的条件只取决于降 尘室的底面积（Lb），与其高度无关，这是降尘室 的一个重要特征。因此，降尘室一般上设计为扁型 的。（多层，如P145）
• 降尘室的工艺计算可分为两类，一类是设计型， 已知气体处理量和除尘要求（dm）计算降尘室 大小（H、 b）。一类是操作型，已知降尘室 的尺寸，求处理气量及除尘效果。其计算原理 是一样的。
• 计算例子见P146，例3-2，（操作型）（自学）
3、 沉降槽(subsider)
• 对于液固非均相体系的分离，可使用沉降槽，沉降 槽一般只能用于分离颗粒不很细的稀悬浮液，得到 清液，及含50%左右的固体颗粒的增稠液，工业上 把沉降槽称为增稠器(thickener)，应用很广，如烧 碱生产中食盐水沉清等。
考虑是流体或是颗粒静止不动。
• 一般的颗粒都可以看作是球形的，下面就以光滑 球形颗粒在静止流体中沉降为例来讨论沉降过程。
• 把球形颗粒放入静止的流体中，
Fb
颗粒就会受到重力与流体浮力的
作用，如果颗粒与流体的密度不
同，则颗粒受到的重力与浮力就
南京理工化工原理课件3 --机械分离和固体流态化
1．间歇过滤机的生产能力
操作周期为 T=θ +θ
θ
W+θ D
θ ——一个操作循环内的过滤时间，s；
W——一个操作循环内的洗涤时间，s；
θ D——一个操作循环辅助操作所需时间，s。
则生产能力
3600V 3600V Q T W D
V——一个操作循环内所获得的滤液体积，m3
二、连续过滤机的生产能力
阻力：
6
1 2 Fd Ap u 2
根据牛顿第二运动定律：
Fg Fb Fd ma
u 2 3 d s g d g d d s a 6 6 4 2 6
3 3 2
加速阶段：开始沉降瞬间，u=0，因而Fd=0，加速度a等 速阶段：u=ut时,阻力、浮力与重力三者的代数和为零， 加速度a=0。 ut——“沉降速度”，又叫“终端速度”。由于工业上沉 降操作所处理的颗粒往往甚小，阻力随速度增长甚快， 可在短时间内就达到等速运动，所以加速阶段常常可以 忽略不计。
对于不可压缩滤饼
dq p uR 常数 d r q qe
p ruR 2 ruR qe
压强差随过滤时间成直线增高。
3．先恒速后恒压 恒压阶段 ：
dV KA2 d 2 V Ve
KA2 d V Ve dV 2
令VR、θ R分别代表升压阶段终了瞬间的滤液体积 及过滤时间，则上式的积分形式为
dV Ad p V Ve r A
可压缩滤饼的情况比较复杂，它的比阻是两侧压强 差的函数。考虑到滤饼的压缩性，通常可借用下面的 经验公式来粗略估算压强差增大时比阻的变化
r=r'（Δ p）s
操作周期为 T=θ +θ
θ
W+θ D
θ ——一个操作循环内的过滤时间，s；
W——一个操作循环内的洗涤时间，s；
θ D——一个操作循环辅助操作所需时间，s。
则生产能力
3600V 3600V Q T W D
V——一个操作循环内所获得的滤液体积，m3
二、连续过滤机的生产能力
阻力：
6
1 2 Fd Ap u 2
根据牛顿第二运动定律：
Fg Fb Fd ma
u 2 3 d s g d g d d s a 6 6 4 2 6
3 3 2
加速阶段：开始沉降瞬间，u=0，因而Fd=0，加速度a等 速阶段：u=ut时,阻力、浮力与重力三者的代数和为零， 加速度a=0。 ut——“沉降速度”，又叫“终端速度”。由于工业上沉 降操作所处理的颗粒往往甚小，阻力随速度增长甚快， 可在短时间内就达到等速运动，所以加速阶段常常可以 忽略不计。
对于不可压缩滤饼
dq p uR 常数 d r q qe
p ruR 2 ruR qe
压强差随过滤时间成直线增高。
3．先恒速后恒压 恒压阶段 ：
dV KA2 d 2 V Ve
KA2 d V Ve dV 2
令VR、θ R分别代表升压阶段终了瞬间的滤液体积 及过滤时间，则上式的积分形式为
dV Ad p V Ve r A
可压缩滤饼的情况比较复杂，它的比阻是两侧压强 差的函数。考虑到滤饼的压缩性，通常可借用下面的 经验公式来粗略估算压强差增大时比阻的变化
r=r'（Δ p）s
化工原理第三章非均相物系的分离和固体流态化
第二十一页，编辑于星期六：十八点 十分。
沉降分离－离心沉降
层流：
ur
4d s ut2
3 r
24 Rer
ur
d2
s
18
u2 t r
ut
d
2
s
18
g
ur ut
ut2 gr
Kc
离心分离因数
① 旋风或旋液分离器： Kc 5。~2500
② 比如，旋转半径为0.4 m、切向速度为20 m/s，
1. 非均相物系 ① 非均相物系
混合物
均相混合物
（均相物系）
溶液与混合气体
非均相混合物 （非均相物系）
分散物质 固体颗粒、液滴或气泡 （分散相）
分散介质 气态非均相物系（含尘气体） （连续相） 液态非均相物系（悬浮液）
第二页，编辑于星期六：十八点 十分。
概念－非均相物系
② 非均相物系的分离方法
机械分离
ur
d 2 sui2 18rm
t
B ur
18rm B d 2 sui2
Ne 2 rm
ui
9B dc Nesui
临界粒径
D dc ， Ne 0.5 ~ 3 标准旋风分离器，Ne 5
第二十四页，编辑于星期六：十八点 十分。
沉降分离－旋风分离器
② 分离效率
粒级效率曲线
0
C1 C2 C1
0
ur
4d s ut2
3 r
离心沉降速度
第二十页，编辑于星期六：十八点 十分。
沉降分离－离心沉降
ur
4d s ut2
3 r
ut
4d s g
3
① 形式上相似。 ② 离心沉降速度是颗粒运动的径向速度，方向 为沿半径向外。 ③ 离心沉降速度不是恒定值，随颗粒位置而变；
化工原理(第四版)谭天恩 第三章 机械分离与固体流态化
13/69
《化工原理》电子教案/第三章
二、沉降设备
气 固 体 系---用于除去>75m以上颗粒 降 尘 室 重 力 沉 降 设 备 液 固 体 系 沉 降 槽
液固体系 旋液分离器
离 心 沉 降 设 备 旋风分离器 气固体系 ---用于除去>5～10m 颗粒
4d s g u0 3
如图3-2中的实线所示。
Re0=du0/ 1或2
24 层流区 Re0
u0
d 2 s g 18
----斯托克斯定律
作业：
10/69
《化工原理》电子教案/第三章
1、自由沉降
离心沉降速度 离心加速度ar=2r=ut2/r不是常量 颗粒受力：
加料 清液溢流 清液
耙 稠浆
除尘原理：与降尘室相同
连续式沉降槽
19/69
《化工原理》电子教案/第三章
增稠器（沉降槽） 特点：
属于干扰沉降 愈往下沉降速度愈慢-----愈往下颗粒浓度愈高，其表观粘 度愈大，对沉降的干扰、阻力便愈大； 沉降很快的大颗粒又会把沉降慢的小颗粒向下拉，结果小颗 粒被加速而大颗粒则变慢。 有时颗粒又会相互聚结成棉絮状整团往下沉，这称为絮凝现 象，使沉降加快。
9 B dc Nu i s
含尘 气体 A
B
净化气体
N值与进口气速有关，对常用形式的旋风分离器，风速 1225 ms-1范围内，一般可取N =34.5，风速愈大，N也 愈大。 思考：从上式可见，气体 ，入口B ，气旋圈数N ，进口气速ui ，临界粒径越小，why？
D
结论：旋风分离器越细、越长，dc越小
这种过程中的沉降速度难以进行理论计算，通常要由实验决 定。
《化工原理》电子教案/第三章
二、沉降设备
气 固 体 系---用于除去>75m以上颗粒 降 尘 室 重 力 沉 降 设 备 液 固 体 系 沉 降 槽
液固体系 旋液分离器
离 心 沉 降 设 备 旋风分离器 气固体系 ---用于除去>5～10m 颗粒
4d s g u0 3
如图3-2中的实线所示。
Re0=du0/ 1或2
24 层流区 Re0
u0
d 2 s g 18
----斯托克斯定律
作业：
10/69
《化工原理》电子教案/第三章
1、自由沉降
离心沉降速度 离心加速度ar=2r=ut2/r不是常量 颗粒受力：
加料 清液溢流 清液
耙 稠浆
除尘原理：与降尘室相同
连续式沉降槽
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《化工原理》电子教案/第三章
增稠器（沉降槽） 特点：
属于干扰沉降 愈往下沉降速度愈慢-----愈往下颗粒浓度愈高，其表观粘 度愈大，对沉降的干扰、阻力便愈大； 沉降很快的大颗粒又会把沉降慢的小颗粒向下拉，结果小颗 粒被加速而大颗粒则变慢。 有时颗粒又会相互聚结成棉絮状整团往下沉，这称为絮凝现 象，使沉降加快。
9 B dc Nu i s
含尘 气体 A
B
净化气体
N值与进口气速有关，对常用形式的旋风分离器，风速 1225 ms-1范围内，一般可取N =34.5，风速愈大，N也 愈大。 思考：从上式可见，气体 ，入口B ，气旋圈数N ，进口气速ui ，临界粒径越小，why？
D
结论：旋风分离器越细、越长，dc越小
这种过程中的沉降速度难以进行理论计算，通常要由实验决 定。
化工原理第三章机械分离与固体流态化.ppt
固体颗粒被过滤介质截留后，逐渐累积成饼 （称 2．过滤推动力
在过滤过程中，滤液通过过滤介质和 滤饼层流动时需克服流动阻力，因此， 过滤过程必须施加外力。外力可以是重 力、压力差，也可以是离心力，其中以 压力差和离心力为推动力的过滤过程在 工业生产中应用较为广泛。
3.1.2 过滤基本方程
令颗粒比表面积a=颗粒表面积/颗粒体积，则：
de4 a 1
将上述几式式代入式3-1，整理得：
dV 3
p1
Ad 2Ca212 L
（3－2）
r2C2a 12 3
r称为滤饼的比阻，与滤饼的结构有关。r r0ps
可压缩滤饼的s大约为0.20.8。不可压缩滤饼s=0。于是
式3-2可写成：
若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为：
V2 KA2
q2 K
3.1.2 过滤基本方程
• 2．恒速过滤
若过滤时保持过滤速度不变，则过滤过程为恒速过滤。
对恒速过滤，有 dV V 常数
Ad A
代入式3-5中得：
V2
VVe
K 2
A2
或
q2
qqe
K
2
若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为：
V 2 K A2
第三章 机械分离与固体流态化
• 3.1 过 滤 • 3.2 沉 降 • 3.3 固体流态化
3.1 过 滤
• 3.1.1 概述 • 3.1.2 过滤基本方程 • 3.1.3 过滤常数的测定 • 3.1.4 滤饼洗涤 • 3.1.5 过滤设备及过滤计算
3.1.1 概 述
• 滤饼过滤其基本原理是在外力（重力、压力、离心 力）作用下，使悬浮液中的液体通过多孔性介质，而 固体颗粒被截留，从而使液、固两相得以分离，如图 3-1所示。
在过滤过程中，滤液通过过滤介质和 滤饼层流动时需克服流动阻力，因此， 过滤过程必须施加外力。外力可以是重 力、压力差，也可以是离心力，其中以 压力差和离心力为推动力的过滤过程在 工业生产中应用较为广泛。
3.1.2 过滤基本方程
令颗粒比表面积a=颗粒表面积/颗粒体积，则：
de4 a 1
将上述几式式代入式3-1，整理得：
dV 3
p1
Ad 2Ca212 L
（3－2）
r2C2a 12 3
r称为滤饼的比阻，与滤饼的结构有关。r r0ps
可压缩滤饼的s大约为0.20.8。不可压缩滤饼s=0。于是
式3-2可写成：
若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为：
V2 KA2
q2 K
3.1.2 过滤基本方程
• 2．恒速过滤
若过滤时保持过滤速度不变，则过滤过程为恒速过滤。
对恒速过滤，有 dV V 常数
Ad A
代入式3-5中得：
V2
VVe
K 2
A2
或
q2
qqe
K
2
若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为：
V 2 K A2
第三章 机械分离与固体流态化
• 3.1 过 滤 • 3.2 沉 降 • 3.3 固体流态化
3.1 过 滤
• 3.1.1 概述 • 3.1.2 过滤基本方程 • 3.1.3 过滤常数的测定 • 3.1.4 滤饼洗涤 • 3.1.5 过滤设备及过滤计算
3.1.1 概 述
• 滤饼过滤其基本原理是在外力（重力、压力、离心 力）作用下，使悬浮液中的液体通过多孔性介质，而 固体颗粒被截留，从而使液、固两相得以分离，如图 3-1所示。
化工原理机械分离PPT课件
化 学 工 程 系
Ret＜2时（Stokes区)
24 Ret
ut
gd
2
s
18
2≤ Ret ＜ 500时（Allen 区)
18.5 0.6 Ret
500 ≤ Ret 时(Newton区)
0.44
化 学 工 程 系
3. 沉降速度的计算
试差法
假设沉降属于斯托克斯区 选用斯托克斯公式计算ut 检验Ret范围：10-4＜Ret＜2 是 否 重新 假设
pc
pc
2
3
2
51 a Lu
3
化 学 工 程 系
（2）过滤基本方程
过滤速度与过滤速率
A pc dV 2 2 d 5a 1 L
3
pc dV u 2 2 Ad 5a 1 L
（2）分离效率 粒的质
化 学 工 程 系
——旋风分离器所收集的该颗 量分数。
C1 C2 0 C1
总效 率
粒级效率
p,i
C1,i C2,i C1,i
化 学 工 程 系
粒级效率曲线
化 学 工 程 系
d 标准旋风分离器的 p d50
化 学 工 程 系
（3）压降
p
1. 概述 （1）概念和术语
过滤
滤浆 滤饼 过滤介质
滤液
化 学 工 程 系
（2）过滤方式
深层过滤
滤饼过滤
化 学 工 程 系
（3）过滤介质和滤饼
过滤介质
可压缩滤饼
滤饼
机械分离与固体流态化
工业用过滤介质主要有：
滤饼 过滤介质
滤液
织物介质，如棉、麻、丝、毛、 合成纤维、金属丝
滤饼过滤操作示意图
等编织成的滤布；
多孔性固体介质，如素瓷板或
管、烧结金属等。
浙江大学本科生课程 化工原理
第三章 机械分离与固体流态化
4/36
一、概述
滤饼的压缩性和助滤剂：
空隙结构易变形的滤饼为可压缩滤饼
滤浆
助滤剂：
第三章 机械分离与固体流态化
2p 1 s K
r0 c
2Ca 2 1 2
r
3
u 表观速度
13/36
2、恒压过滤
特点： K 为常数
u
dV
Ad
过滤推动力
过滤阻力
KA
2V Ve
积分得： 或者
V 2 2VVe KA2
q 2 2qqe K
2p 1 s K
r0 c
若过滤介质阻力可忽略不计，则
V 2 KA2
是不可压缩的粉状或纤维状固体，
如硅藻土、纤维粉末、活性炭、 石棉。
滤饼 过滤介质
滤液
使用时，可预涂，也可以混入待 滤的滤浆中一起过滤。
滤饼过滤操作示意图
浙江大学本科生课程 化工原理
第三章 机械分离与固体流态化
5/36
二、过滤基本方程
过滤过程流动的特点： •流体在固定床中同一截面上的流速分布很不均匀 •产生压降的主要原因：
3.1 滤饼过滤 一、概述 二、过滤基本方程 三、过滤常数的测定 四、滤饼洗涤 五、过滤设备及过滤计算
浙江大学本科生课程 化工原理
第三章 机械分离与固体流态化
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第三章 机械分离与固体流态化
分离
滤饼 过滤介质
滤液
织物介质，如棉、麻、丝、毛、 合成纤维、金属丝
滤饼过滤操作示意图
等编织成的滤布；
多孔性固体介质，如素瓷板或
管、烧结金属等。
浙江大学本科生课程 化工原理
第三章 机械分离与固体流态化
4/36
一、概述
滤饼的压缩性和助滤剂：
空隙结构易变形的滤饼为可压缩滤饼
滤浆
助滤剂：
第三章 机械分离与固体流态化
2p 1 s K
r0 c
2Ca 2 1 2
r
3
u 表观速度
13/36
2、恒压过滤
特点： K 为常数
u
dV
Ad
过滤推动力
过滤阻力
KA
2V Ve
积分得： 或者
V 2 2VVe KA2
q 2 2qqe K
2p 1 s K
r0 c
若过滤介质阻力可忽略不计，则
V 2 KA2
是不可压缩的粉状或纤维状固体，
如硅藻土、纤维粉末、活性炭、 石棉。
滤饼 过滤介质
滤液
使用时，可预涂，也可以混入待 滤的滤浆中一起过滤。
滤饼过滤操作示意图
浙江大学本科生课程 化工原理
第三章 机械分离与固体流态化
5/36
二、过滤基本方程
过滤过程流动的特点： •流体在固定床中同一截面上的流速分布很不均匀 •产生压降的主要原因：
3.1 滤饼过滤 一、概述 二、过滤基本方程 三、过滤常数的测定 四、滤饼洗涤 五、过滤设备及过滤计算
浙江大学本科生课程 化工原理
第三章 机械分离与固体流态化
1/36
第三章 机械分离与固体流态化
分离
第三章 机械分离及固体流态化
（2）摩擦数群法---- ζ Ret2—Ret ，ζ Ret-1—Ret 4d(ρs -ρ) g 3ρ ut2
ζ=
（3）用K值判别流型
将沉降速度公式带入雷诺数的定义式，再经过换算，可以 得到Ret与K的关系式，将Ret的上、下限数值带入，可求得
K值。
K=2.62，是层流区的上限； K=69.1，是湍流区的下限。 这样，计算已知直径的球形颗粒的沉降速度时，可根据K 值选用相应的公式计算ut，从而避免采用试差法。
下来的最小颗粒的直径计算。
2．沉降槽
沉降槽是利用重力沉降来提高悬浮液浓度并同时得到澄清 液体的设备。所以，沉降槽又称为增浓器和澄清器。
颗粒被分离下来的条件：
φS――颗粒的球形度或形状系数； S――与该颗粒体积相等地球体的表面积，m2； SP――颗粒的表面积，m2。
由于同体积不同形状的颗粒中，球形颗粒的表面积最小， 因此对非球形颗粒，总有φS﹤1，颗粒的形状越接近球形， φS越接近1；对球形颗粒，φS＝1。
2．颗粒的当量直径
经常将非球形颗粒以某种“当量”的球形颗粒来代替，以 使非球形颗粒的某种特性与球形颗粒等效，这一球粒的直 径为当量直径。当量直径表示非球形颗粒的大小。 1. 等体积当量直径 颗粒的等体积当量直径为 与该颗粒体积相等的直径，即de = 36Vp/π 2. 等比表面积当量直径 即与非球形颗粒比表 Vp=π de 3/6
Sp= πde 2
a=S/V=6/de
面积相等的直径，即da=6/a
二、颗粒群的特性
工业中遇到的颗粒群可分为两类：
1.
若颗粒群是由大小不同的粒子组成的集合体，称为非均
一性粒子或多分散性粒子；
2.
而将具有同一粒径的颗粒群称为单一性或单分散性粒子
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第三章 机械分离与固体流态化
第一节 筛分
一、颗粒的特性 二、颗粒群的特性 三、筛分
第二节 沉降分离
一、沉降原理 二、沉降设备
1
第三章 机械分离与固体流态化
第三节 过滤
一、概述 二、过滤基本方程 三、过滤常数的测定 四、滤饼洗涤 五、过滤设备及过滤计算 习题课
2
第三章 机械分离与固体流态化
第四节 离心分离 第五节 固体流态化
7
第一节
一、颗粒的特性
球形颗粒 大小（粒径） 直径dp
形状
球形度 1
筛分
----分离固体颗粒群
非球形颗粒
当量直径，如体积当量直径 deV
与颗粒体积相等的球 表的 面积
颗粒的表面积
表面积
a
球＝
A V
6 dp
a＝ 6 d eV
8
第一节 筛分
二、颗粒群的特性
粒度分布
-----频率分布曲线（见下图）。
离心 Fc力 mra
浮F b 力 m ar s
曳
力 FD
ur2
2
A
类似重力沉降速度推导，得：
ur
4ds ar
3
A
r1 O
r2
r
B ur
C
u
ut
对照重力场 u0
4ds g
3
颗粒在旋转流场中的运动
14
1、自由沉降
Rer=dur/ 1或2
层流区 24
Re r
u r d 2 1 s 8 a r d 2 s 1 8 2 r d 2 1 s r 8 u t2
颗粒在流体中沉降时受力
12
1、自由沉降
d 63s1sgd 422 u0 20
u0
4ds g
3
Re0=du0/ 1或2
层流区 24
Re 0
u0
d2s g
18
----斯托克斯定律
13
1、自由沉降
离心沉降2/r不是常量
❖ 沉降过程没有匀速段，但在小颗粒 沉降时，加速度很小，可近似作为匀速 沉降处理
气液系统（如气体中的液滴，含雾气体）； 液液系统（如乳浊液中的微滴）。
4
非均相物系分离的依据是连续相与分散相具有 不同的物理性质（如密度），故可用机械方法进行 分离。利用密度差进行分离时，必须使分散相与连 续相产生相对运动，因此，分离非均相物系的单元 操作遵循流体力学的基本规律，按两相运动方式的 不同分为筛分、沉降和离心分离和过滤。 非均相物系的分离主要用于： 1、回收有用物质，如颗粒状催化剂的回收； 2、净化气体，如除尘、废液、废气中有害物质的清 除等。
一、什么是流态化 二、流化床的两种形态 三、流化床的主要特性
小结
3
概述： 均相物系：指物系内部各处均匀且无相界面，包括 溶液、气体混合物等。 非均相物系：指物系内部有隔不同相的界面且界面 两侧的物料性质有差异。 包括： 气固系统（如空气中的尘埃等含尘气体）； 液固系统（如液体中的固体颗粒，悬浮液）；
频率分布曲线
9
二、颗粒群的特性
平均直径
长度平均直径
d L m n 1 d 1 n 1 n 2 d n 2 2 n n 3 3 d 3 n k n k d k i k 1n id i
k
n i
i 1
表面积平均直径----每个颗粒平均表面积等于全部颗粒的表面积之
和除以颗粒的总数
k
k
dAm nidi2
5
❖ 非均相物系的分离方法
1、气-固体系
旋风分离器 ：含尘气体从入口导入除尘器的外壳和排气 管之间，形成旋转向下的外旋气流。悬浮于外旋流的粉 尘在离心力的作用下移向器壁，并随外旋流旋转到除尘 器底部，由排尘孔排出。净化后的气体形成上升的内旋 流并经过排气管排出。
应用范围及特点 旋风除尘器适用于净化大于5～10微米 的非粘性、非纤维的干燥粉尘。它是一种结构简单、操 作方便、耐高温、设备费用和阻力较低（80～160毫米水 柱）的装置。 旋风除尘器广泛应用于空气净化、烟道除 尘、细小颗粒回收等领域。 例如，火力发电厂的锅炉烟 道上就装有这种装置，它有效的降低了排出的烟尘，否 则，早晨起来时，电厂附近的马路上会铺满一层烟灰。
10
标准筛 筛分
三、筛分
筛网用金属丝 制成，孔类似 正方形。
泰勒（Tyler）标准筛------其 筛孔大小以每英寸长度筛网
上的孔数表示，称为“目”。 例如100目的筛即指每英寸 筛网上有100个筛孔。 目数越大，筛孔越小。
将几个筛子按筛孔从大到小的次序从上到 下叠置起来，最底下置一无孔的盘-----底 盘。样品加于顶端的筛上，摇动或振动一定 的时间。通过筛孔的物料称为筛过物，未能 通过的称为筛留物。筛留物的直径等于相邻 两号筛孔宽度的算术平均值，将筛留物取出 称重，可得样品质量分率分布曲线。
ni
i1
i1
体积平均直径 ----每个颗粒平均体积等于全部颗粒的体积之
和除以颗粒的总数
dVm 3 1
k ai d3
i1 i
体积表面积平均直径----每个颗粒的平均比表面积等于全部颗粒的
比表面积平均值
k
比 表 面 积6＝ ddV2V3AAmm
nidi2
i1
k i1
ni
6
di3
dVm 1
k ai i1 di
6
2、固-固体系 如果是一个可溶而另一个难溶的话，可以加水溶解，然后 过滤，蒸发就可以 如果都可溶，看它们的溶解度随温度变 化大不大，如果是一个大一个不大的话，可以加水溶解然 后升温，再加固体直至饱和，再降温结晶。 3.液液分离 是两种互不相溶的（如氯仿和水溶液）用分液漏斗，静置 分层后分离即可。原理是两种溶液不相溶和密度不同会出 现分层现象。 4.液固分离，简单的用适当的滤器过滤，分别收集处理。 另外就是使用离心机，原理是分子或颗粒的重量不同。
KC
a c -----离心分离因数
g
数值约为几千～几万
A
r1 O
r2
r
B ur
C
u
ut
对照重力场
u0
d2s g
18
颗粒在旋转流场中的运动
15
2、实际沉降 ❖ 干扰沉降
由于干扰作用，实际沉降速度 小于自由沉降速度。
❖ 非球形颗粒的沉降 球形度越小，沉降速度越小； 颗粒的位向对沉降速度也有影响。
❖ 壁面效应 由于壁面效应，实际沉降速度小于自由沉降速度。
11
第二节 沉降分离
一、沉降原理
1、自由沉降 ---单个颗粒在无限流体 中的降落过程
加速段：极短，通常可以忽略
曳力FD
u02
2
d2
4
浮力Fb
mg
s
等速段：该段的颗粒运动速度称为 沉降速度，用u0表示。
重力沉降速度：以球形颗粒为例
合 外 F c F b 力 F D 0
mg1s2u02
d20
4
质m 量力或 gFm c ra
第一节 筛分
一、颗粒的特性 二、颗粒群的特性 三、筛分
第二节 沉降分离
一、沉降原理 二、沉降设备
1
第三章 机械分离与固体流态化
第三节 过滤
一、概述 二、过滤基本方程 三、过滤常数的测定 四、滤饼洗涤 五、过滤设备及过滤计算 习题课
2
第三章 机械分离与固体流态化
第四节 离心分离 第五节 固体流态化
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第一节
一、颗粒的特性
球形颗粒 大小（粒径） 直径dp
形状
球形度 1
筛分
----分离固体颗粒群
非球形颗粒
当量直径，如体积当量直径 deV
与颗粒体积相等的球 表的 面积
颗粒的表面积
表面积
a
球＝
A V
6 dp
a＝ 6 d eV
8
第一节 筛分
二、颗粒群的特性
粒度分布
-----频率分布曲线（见下图）。
离心 Fc力 mra
浮F b 力 m ar s
曳
力 FD
ur2
2
A
类似重力沉降速度推导，得：
ur
4ds ar
3
A
r1 O
r2
r
B ur
C
u
ut
对照重力场 u0
4ds g
3
颗粒在旋转流场中的运动
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1、自由沉降
Rer=dur/ 1或2
层流区 24
Re r
u r d 2 1 s 8 a r d 2 s 1 8 2 r d 2 1 s r 8 u t2
颗粒在流体中沉降时受力
12
1、自由沉降
d 63s1sgd 422 u0 20
u0
4ds g
3
Re0=du0/ 1或2
层流区 24
Re 0
u0
d2s g
18
----斯托克斯定律
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1、自由沉降
离心沉降2/r不是常量
❖ 沉降过程没有匀速段，但在小颗粒 沉降时，加速度很小，可近似作为匀速 沉降处理
气液系统（如气体中的液滴，含雾气体）； 液液系统（如乳浊液中的微滴）。
4
非均相物系分离的依据是连续相与分散相具有 不同的物理性质（如密度），故可用机械方法进行 分离。利用密度差进行分离时，必须使分散相与连 续相产生相对运动，因此，分离非均相物系的单元 操作遵循流体力学的基本规律，按两相运动方式的 不同分为筛分、沉降和离心分离和过滤。 非均相物系的分离主要用于： 1、回收有用物质，如颗粒状催化剂的回收； 2、净化气体，如除尘、废液、废气中有害物质的清 除等。
一、什么是流态化 二、流化床的两种形态 三、流化床的主要特性
小结
3
概述： 均相物系：指物系内部各处均匀且无相界面，包括 溶液、气体混合物等。 非均相物系：指物系内部有隔不同相的界面且界面 两侧的物料性质有差异。 包括： 气固系统（如空气中的尘埃等含尘气体）； 液固系统（如液体中的固体颗粒，悬浮液）；
频率分布曲线
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二、颗粒群的特性
平均直径
长度平均直径
d L m n 1 d 1 n 1 n 2 d n 2 2 n n 3 3 d 3 n k n k d k i k 1n id i
k
n i
i 1
表面积平均直径----每个颗粒平均表面积等于全部颗粒的表面积之
和除以颗粒的总数
k
k
dAm nidi2
5
❖ 非均相物系的分离方法
1、气-固体系
旋风分离器 ：含尘气体从入口导入除尘器的外壳和排气 管之间，形成旋转向下的外旋气流。悬浮于外旋流的粉 尘在离心力的作用下移向器壁，并随外旋流旋转到除尘 器底部，由排尘孔排出。净化后的气体形成上升的内旋 流并经过排气管排出。
应用范围及特点 旋风除尘器适用于净化大于5～10微米 的非粘性、非纤维的干燥粉尘。它是一种结构简单、操 作方便、耐高温、设备费用和阻力较低（80～160毫米水 柱）的装置。 旋风除尘器广泛应用于空气净化、烟道除 尘、细小颗粒回收等领域。 例如，火力发电厂的锅炉烟 道上就装有这种装置，它有效的降低了排出的烟尘，否 则，早晨起来时，电厂附近的马路上会铺满一层烟灰。
10
标准筛 筛分
三、筛分
筛网用金属丝 制成，孔类似 正方形。
泰勒（Tyler）标准筛------其 筛孔大小以每英寸长度筛网
上的孔数表示，称为“目”。 例如100目的筛即指每英寸 筛网上有100个筛孔。 目数越大，筛孔越小。
将几个筛子按筛孔从大到小的次序从上到 下叠置起来，最底下置一无孔的盘-----底 盘。样品加于顶端的筛上，摇动或振动一定 的时间。通过筛孔的物料称为筛过物，未能 通过的称为筛留物。筛留物的直径等于相邻 两号筛孔宽度的算术平均值，将筛留物取出 称重，可得样品质量分率分布曲线。
ni
i1
i1
体积平均直径 ----每个颗粒平均体积等于全部颗粒的体积之
和除以颗粒的总数
dVm 3 1
k ai d3
i1 i
体积表面积平均直径----每个颗粒的平均比表面积等于全部颗粒的
比表面积平均值
k
比 表 面 积6＝ ddV2V3AAmm
nidi2
i1
k i1
ni
6
di3
dVm 1
k ai i1 di
6
2、固-固体系 如果是一个可溶而另一个难溶的话，可以加水溶解，然后 过滤，蒸发就可以 如果都可溶，看它们的溶解度随温度变 化大不大，如果是一个大一个不大的话，可以加水溶解然 后升温，再加固体直至饱和，再降温结晶。 3.液液分离 是两种互不相溶的（如氯仿和水溶液）用分液漏斗，静置 分层后分离即可。原理是两种溶液不相溶和密度不同会出 现分层现象。 4.液固分离，简单的用适当的滤器过滤，分别收集处理。 另外就是使用离心机，原理是分子或颗粒的重量不同。
KC
a c -----离心分离因数
g
数值约为几千～几万
A
r1 O
r2
r
B ur
C
u
ut
对照重力场
u0
d2s g
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颗粒在旋转流场中的运动
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2、实际沉降 ❖ 干扰沉降
由于干扰作用，实际沉降速度 小于自由沉降速度。
❖ 非球形颗粒的沉降 球形度越小，沉降速度越小； 颗粒的位向对沉降速度也有影响。
❖ 壁面效应 由于壁面效应，实际沉降速度小于自由沉降速度。
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第二节 沉降分离
一、沉降原理
1、自由沉降 ---单个颗粒在无限流体 中的降落过程
加速段：极短，通常可以忽略
曳力FD
u02
2
d2
4
浮力Fb
mg
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等速段：该段的颗粒运动速度称为 沉降速度，用u0表示。
重力沉降速度：以球形颗粒为例
合 外 F c F b 力 F D 0
mg1s2u02
d20
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质m 量力或 gFm c ra