第三章沉降与过滤

1、2021-10-241第三章第三章 沉降与过滤沉降与过滤非均相物系分离：非均相物系分离：沉降沉降（重力沉降、离心沉降）（重力沉降、离心沉降）过滤过滤分散物质（分散相）：处于分散状态的物质分散物质（分散相）：处于分散状态的物质分散介质（连续相）：处于连续状态的物质分散介质（连续相）：处于连续状态的物质分离的目的：分离的目的：1. 回收分散物质回收分散物质;2. 净化分散介质。净化分散介质。第一节第一节 概述概述2021-10-242p第二节第二节 重力沉降重力沉降一、一、重力沉降速度重力沉降速度（一）球形颗粒的自由沉降（一）球形颗粒的自由沉降重力重力Fg浮力浮力Fb阻力阻力Fd自由沉降自由沉降：

2、颗粒浓度低，分散好，沉降过程中颗粒浓度低，分散好，沉降过程中 互不碰撞、互不影响。互不碰撞、互不影响。,p颗粒下沉颗粒下沉2021-10-24336gppFmgdg 重重力力：gdFpb 36 浮力：浮力：242222uduAFppd 阻阻力力：ddumFFFdbg2332366426ppppppudgdgdda Ap:颗粒在运动方向上的投影面积颗粒在运动方向上的投影面积a =ddu2021-10-244重力沉降速度重力沉降速度: 颗粒受力平衡时，匀速阶段颗粒受力平衡时，匀速阶段(a=0)颗颗粒相对于流体的运动速度。粒相对于流体的运动速度。4()3pptdgu 2021-10-245（二）流体

3、中颗粒运动的阻力（二）流体中颗粒运动的阻力( (曳力曳力) )222242dppuuFAd 阻力系数阻力系数（曳力系数）（曳力系数）(Re)f Reptdu 、 流体特性流体特性dp、ut颗粒特性颗粒特性2021-10-246球形球形 圆盘形圆盘形2021-10-247（1）层流区）层流区 104 Re 2 Stokes 区区 24Re （2）过渡区）过渡区 2 Re 500 Allen 区区 10Re （3）湍流区）湍流区 500 Re 2 105 Newton区区0.44 （球形）（球形）2021-10-248（三）（三） 沉降速度的计算沉降速度的计算P93层流区：层流区：2()18ppt

4、dgu Stokes(斯托克斯斯托克斯)式式过渡区：过渡区：1/3224()255ptpgud 湍流区：湍流区：3.03()pptdgu 2021-10-249沉降速度的计算沉降速度的计算：试差计算法试差计算法 假设沉降处于某一区域假设沉降处于某一区域( (层流区、过层流区、过渡区、湍流区）；渡区、湍流区）； 套用相应公式，计算套用相应公式，计算ut； 计算计算Re，校验区域；，校验区域； 若符合，则正确，否则重新假设区域。若符合，则正确，否则重新假设区域。2021-10-2410（四）影响沉降速度的其它因素（四）影响沉降速度的其它因素P941.干扰沉降：当非均相物系中的颗粒较多，颗粒之干扰沉

5、降：当非均相物系中的颗粒较多，颗粒之间距离较近时，颗粒沉降会受到其它颗粒的影响，间距离较近时，颗粒沉降会受到其它颗粒的影响，称为干扰沉降。称为干扰沉降。自由干扰uu2. 颗粒形状颗粒形状Ade2 非非球球形形颗颗粒粒的的表表面面积积面面积积与与颗颗粒粒体体积积相相等等的的球球表表球球形形度度 越小，阻力越大，越小，阻力越大，Re相同时沉降速度越小。相同时沉降速度越小。3. 壁效应壁效应 靠近器壁位置的沉降速度比自由沉降速度下降。靠近器壁位置的沉降速度比自由沉降速度下降。2021-10-2411二、二、 重力沉降设备重力沉降设备（一）降尘室（一）降尘室2021-10-24121. 沉降分离条件沉

6、降分离条件停留时间：停留时间：uL 沉降时间：沉降时间：ttHu 分离条件：分离条件：t ttLHLuuuuH即即或或W2021-10-24132. 生产能力产能力qV降尘室所处理含尘气体的体积流量降尘室所处理含尘气体的体积流量VVqqWHuuWHVtqLWu 结论结论：降尘室的生产能力只与沉降面积降尘室的生产能力只与沉降面积WL及颗粒及颗粒 沉降速度沉降速度ut有关，而与高度有关，而与高度H无关无关。2021-10-2414多层降尘室：多层降尘室：(1)VtqnWLu 若若n个隔板，则个隔板，则缺点：缺点： 清灰难；清灰难； 隔板间距小，隔板间距小，颗粒易被扬起。颗粒易被扬起。2021-10

7、-24153. 临界颗粒直径临界颗粒直径临界颗粒直径临界颗粒直径dpC降尘室降尘室理论上理论上能能100%除去的除去的 最小颗粒直径。最小颗粒直径。2()18pcptdgu 1818()()Vpctppqdugg WL VtqHuuLWL层流层流2021-10-2416（二）沉降槽（增稠器）（二）沉降槽（增稠器）1. 悬浮液的沉聚过程悬浮液的沉聚过程2021-10-24172. 沉降槽（增稠器沉降槽（增稠器P97）2021-10-2418 第三节第三节 离心沉降离心沉降一、离心沉降速度一、离心沉降速度（一）沉降过程（一）沉降过程切向速度切向速度 u径向速度径向速度 ur合成合成u合合 合合20

8、21-10-2419离心力：离心力：2236CppuuFmdrr 径向向外径向向外 浮力：浮力：（向心力）（向心力）236bpuFdr 指向中心指向中心阻力：阻力：242222rprduduAF 指向中心指向中心 受力平衡时，受力平衡时，径向速度径向速度ur为该点的为该点的离心沉降速度离心沉降速度。2021-10-2420重力沉降速度重力沉降速度ut离心沉降速度离心沉降速度ur方向方向 向下，大小不变向下，大小不变 径向向外，随径向向外，随r变化变化 层流层流2()18pptdgu 22()18pprduur （二）离心分离因数（二）离心分离因数2crCtgFuuKugrF离心分离因数离心分离

9、因数KC同一颗粒在同种介质中所受离心同一颗粒在同种介质中所受离心力与重力力与重力( (离心沉降速度与重力沉降速度）离心沉降速度与重力沉降速度）之比。之比。2021-10-2421二、二、 离心沉降设备离心沉降设备（一）旋风分离器（一）旋风分离器1. 结构与工作原理结构与工作原理P99 KC为为52500，可分离，可分离气体中气体中575 m的颗粒。的颗粒。2021-10-24222. 临界颗粒直径临界颗粒直径uib假设：假设： 切向速度切向速度ut=进口速度进口速度ui 颗粒沉降的最大距离颗粒沉降的最大距离b 层流层流rm平均旋转半径平均旋转半径2021-10-2423n旋转圈数旋转圈数沉降时

10、间：沉降时间：2218()mrrppibrbudu 停留时间：停留时间：2mir nu 沉降分离条件：沉降分离条件： r沉降速度：沉降速度：22()18ppirmduur (P100)2021-10-2424临界颗粒直径：临界颗粒直径：3()pcipbdnu 讨论：讨论：（1）b dpc D 旋风分离器越大，沉降时间越长旋风分离器越大，沉降时间越长,分分离效果越不好离效果越不好所以生产能力较大时，一般采用多个小旋风分所以生产能力较大时，一般采用多个小旋风分离器并联。离器并联。（2）ui dc 分离效果好分离效果好流动阻力大流动阻力大smui/2512 2021-10-24253. 气体通过旋风

11、分离器的压力降气体通过旋风分离器的压力降22iup 一般一般 p= 12 kPa 进、排气与筒壁之间的摩擦损失；进、排气与筒壁之间的摩擦损失； 进入时突然扩大的局部阻力；进入时突然扩大的局部阻力； 旋转中动能损失旋转中动能损失造成气体压力降：造成气体压力降：由于由于:2021-10-2426( (二二) ) 旋液分离器旋液分离器2021-10-2427( (三三) ) 沉降式离心机沉降式离心机管式离心机管式离心机碟式离心机碟式离心机螺旋式离心机螺旋式离心机2021-10-2428第四节第四节 过过 滤滤一、悬浮液的过滤一、悬浮液的过滤推动力：压力差，离心力，重力推动力：压力差，离心力，重力阻阻

12、 力：滤饼、过滤介质阻力力：滤饼、过滤介质阻力过滤介质过滤介质滤 饼滤 饼滤 浆滤 浆滤 液滤 液2021-10-2429（一）两种过滤方式（一）两种过滤方式1. 滤饼过滤滤饼过滤2021-10-24302. 深层过滤深层过滤2021-10-2431（二）过滤介质（二）过滤介质类别：类别： 织物介质织物介质 多孔性固体介质多孔性固体介质 堆积介质堆积介质 多孔膜：多孔膜：高聚物膜、无机膜高聚物膜、无机膜2021-10-2432（三）滤饼的可压缩性与助滤剂（三）滤饼的可压缩性与助滤剂不可压缩滤饼：空隙不随压力变化不可压缩滤饼：空隙不随压力变化 可压缩滤饼：空隙随压力增加而减小可压缩滤饼：空隙随压

13、力增加而减小 （四）过滤过程物料衡算（四）过滤过程物料衡算加助滤剂加助滤剂（1）湿滤渣密度）湿滤渣密度11CpCC Ckg湿渣湿渣/kg干渣干渣滤液密度干滤渣密度分别为湿滤渣密度、pc2021-10-2433（2）干渣质量与）干渣质量与滤液体积滤液体积之比之比(单位体积滤液对应的干单位体积滤液对应的干渣质量渣质量)(1)/XwCX cwCv Xkg固体固体/kg悬浮液悬浮液kg干渣干渣/m3滤液滤液（3）湿渣质量与滤液体积之比）湿渣质量与滤液体积之比（4）湿渣体积与滤液体积之比）湿渣体积与滤液体积之比wCkg湿渣湿渣/m3滤液滤液(相当于在上式两边同乘以相当于在上式两边同乘以C,CX为单位质量

14、悬浮液所含湿渣的质量为单位质量悬浮液所含湿渣的质量)m3滤饼滤饼/m3滤液滤液(悬浮液中固体颗粒的质量分数悬浮液中固体颗粒的质量分数)2021-10-2434为了降低可压缩滤饼的过滤阻力为了降低可压缩滤饼的过滤阻力,可加入助滤剂改善滤饼结可加入助滤剂改善滤饼结构，助滤剂是某种质地坚硬而能形成疏松饼层的固体颗粒或构，助滤剂是某种质地坚硬而能形成疏松饼层的固体颗粒或纤维状物质，将其混入悬浮液或预涂于过滤介质上，改善滤纤维状物质，将其混入悬浮液或预涂于过滤介质上，改善滤饼的性能，使滤液畅流。饼的性能，使滤液畅流。对助滤剂的基本要求：对助滤剂的基本要求：1.能形成多孔饼层的刚性颗粒，以保证滤饼较高的空

15、隙率，能形成多孔饼层的刚性颗粒，以保证滤饼较高的空隙率，使滤饼有较好的渗透性和较低的流动阻力；使滤饼有较好的渗透性和较低的流动阻力；2.化学稳定性好，不与悬浮液发生反应，不溶于液相中；化学稳定性好，不与悬浮液发生反应，不溶于液相中；一般只在以获得清净滤液为目的时才使用助滤剂，常有的有一般只在以获得清净滤液为目的时才使用助滤剂，常有的有粒状（硅藻土、珍珠岩粉、碳粉或石棉粉）和纤维状（纤维粒状（硅藻土、珍珠岩粉、碳粉或石棉粉）和纤维状（纤维素和石棉）两大类。素和石棉）两大类。助滤剂：2021-10-2435二、过滤速率基本方程式二、过滤速率基本方程式P106（一）过滤速率（一）过滤速率过滤速率：过

16、滤速率：3/dVmsd 过滤速度：过滤速度：/dVmsAd 设为设为层流流动层流流动223232d ppull dA:过滤面积过滤面积d:滤饼层中毛细孔道平均直径滤饼层中毛细孔道平均直径2021-10-2436孔道长度孔道长度AVlc滤液在滤饼层毛细孔道中流速与过滤速度的关系滤液在滤饼层毛细孔道中流速与过滤速度的关系 AddVu 232cCpdVAdVdA 过滤速度过滤速度(l:滤饼层中毛细孔道的平均长度滤饼层中毛细孔道的平均长度,Vc:滤饼体积滤饼体积,：比例系数：比例系数)Pc：滤饼层两侧的压力降：滤饼层两侧的压力降2021-10-2437令令232dr CdVpVAdrA 滤饼的比阻：单

17、位厚度滤饼的阻力，滤饼的比阻：单位厚度滤饼的阻力，在数值上等于粘度为在数值上等于粘度为1mPa的滤液以的滤液以1m/s的流速通过厚为的流速通过厚为1m的滤饼层时产生的压的滤饼层时产生的压力降。力降。过滤速度过滤速度滤饼阻力滤饼阻力CcVVRrr vAA过滤介质阻力过滤介质阻力emVRr vA v-获得单位体积滤液所形成滤饼的体积，获得单位体积滤液所形成滤饼的体积， m3滤饼滤饼/m3滤液；滤液；Ve-过滤介质的当量滤液体积，过滤介质的当量滤液体积， -为形成与过滤介质阻力相等的为形成与过滤介质阻力相等的滤渣层所得到的滤液量，称作过滤介质的当量滤液体积，滤渣层所得到的滤液量，称作过滤介质的当量滤

18、液体积，m3。 VC:滤饼体积滤饼体积V:滤液体积滤液体积Vc=vVv：单位体积滤液对应：单位体积滤液对应的滤饼体积的滤饼体积2021-10-2438（二）过滤基本方程（二）过滤基本方程滤饼层：滤饼层：1pdVAdR 过滤介质层：过滤介质层：2epdVAdR 12()/()eeeppdVppAAdRRr v VVAr v VV p p1 p2滤液滤液2021-10-24392()edVpAdr v VV 过滤速率过滤速率过滤基本方程过滤基本方程 2pKrv 令令22()edVKAdVV 则则2021-10-2440三、恒压过滤三、恒压过滤恒压过滤，恒压过滤，K为常数为常数22()edVKAdV

19、V 200()2VeKVV dVA d 222eVVVKA 恒压过滤方程式恒压过滤方程式（一）滤液体积与过滤时间的关系（一）滤液体积与过滤时间的关系2021-10-244123/,mmAVqAVqee 令令22eqqqK Vo 1V1Aq：单位过滤面积获得的滤液体积：单位过滤面积获得的滤液体积2021-10-2442(二二) 过滤常数的测定过滤常数的测定22eqqqK 12eqqqKK q/qeqK2K1斜率 /qq 为直线关系，为直线关系， 其斜率为其斜率为 ，截距为，截距为eqK2K1(两边同除以两边同除以Kq)2021-10-2443实验时，将不同过滤时间实验时，将不同过滤时间所获得的单

20、位过滤面积滤液体所获得的单位过滤面积滤液体积积q的数据，并将数据的数据，并将数据/q（纵坐标）与（纵坐标）与q（横坐标）标绘（横坐标）标绘于图中，连成一条直线，由直线的于图中，连成一条直线，由直线的斜率和截距得到过滤斜率和截距得到过滤常数常数K和和qe。注：因注：因K值与悬浮液的性质、温度、压力差有关，因此值与悬浮液的性质、温度、压力差有关，因此只有在工作生产条件与实验条件完全相同时才可直接使只有在工作生产条件与实验条件完全相同时才可直接使用实验测定的过滤常数用实验测定的过滤常数K和和qe2021-10-2444【例例3-1】 一台板框压滤机的过滤面积为一台板框压滤机的过滤面积为0.2m2，在

21、表压，在表压150kpa下下以恒压操作方式过滤某一悬浮液。以恒压操作方式过滤某一悬浮液。2小时后得滤液小时后得滤液40m3,已知滤已知滤渣不可压缩，过滤介质阻力忽略。求：渣不可压缩，过滤介质阻力忽略。求： 若其它情况不变，而若其它情况不变，而过滤面积加倍，可得滤液多少？过滤面积加倍，可得滤液多少？ 若表压加倍，若表压加倍，2小时后可得小时后可得滤液多少？滤液多少？ 若其它情况不变，将操作时间缩短为若其它情况不变，将操作时间缩短为1小时，所小时，所得滤液多少？得滤液多少？2021-10-2445分析分析 ：由于过滤介质阻力忽略，所以选用公式：由于过滤介质阻力忽略，所以选用公式 V2=KA2 1、

22、过滤面积加倍，则、过滤面积加倍，则3/ 280V V A AVVm2PKrL23( / )/256.6V VK KVVm2、表压加倍，则、表压加倍，则 3、过滤时间缩短为、过滤时间缩短为1小时，则小时，则2)(VV33 .285 .0mVV2021-10-2446【例例3-2】 在实验室用一片过滤面积为在实验室用一片过滤面积为0.1m2的滤叶对某种颗的滤叶对某种颗粒在水中悬浮液进行实验，过滤压强差为粒在水中悬浮液进行实验，过滤压强差为500mmHg,过滤过滤5分分钟得滤液钟得滤液1升，又过滤升，又过滤5分钟得滤液分钟得滤液0.6升，若再过滤升，若再过滤5分钟，分钟，可得滤液多少升？可得滤液多少

23、升？分析分析：已知两组滤液体积和时间，求另一组过滤时间下的体：已知两组滤液体积和时间，求另一组过滤时间下的体积，则选用公式：积，则选用公式： V2+2VVe=KA22021-10-24473 2323 232(10 )2 100.15 60(1.6 10 )2 1.6 100.110 60VeKVeK 471 041 0V eK24722104 100.1 15 60VVV 1810-4m3=1.8L 1.8-1-0.6=0.2L2021-10-2448三、三、过滤设备及操作过滤设备及操作（一）板框过滤机（一）板框过滤机2021-10-24492021-10-2450横穿洗涤法横穿洗涤法 卸渣

24、、清洗、组装卸渣、清洗、组装特点：特点：同部位、不同时间进行不同的操作。同部位、不同时间进行不同的操作。 过滤：过滤： 洗涤：洗涤：滤液排出：明流、暗流滤液排出：明流、暗流2021-10-2451（二）转筒真空过滤机（二）转筒真空过滤机1.结构与操作结构与操作过滤区：过滤区：14吹、卸滤渣区：吹、卸滤渣区： 1112吸干洗涤区：吸干洗涤区： 5105111410813212特点：特点：同时间、不同部位进行不同的操作。同时间、不同部位进行不同的操作。2021-10-2452设转筒的转速设转筒的转速为为N (1/s)操作周期：操作周期：360 转筒总表面积转筒总表面积转筒浸没面积转筒浸没面积 浸液

25、率：浸液率：（浸没分数）（浸没分数）N1N 有效过滤时间：有效过滤时间：FN 2. 生产能力生产能力2021-10-2453恒压过滤恒压过滤：2222eeeeVKAVVKAVVN 222eVVVKA 生产能力：生产能力：) ) 223(/ )eeVQNVNKAVVmsN 当过滤介质阻力忽略时当过滤介质阻力忽略时: 23(/ )QNKAA KNmsN 2021-10-2454（三）（三） 离心过滤机离心过滤机1.悬筐式离心机悬筐式离心机2.往复活塞推渣离心机往复活塞推渣离心机3.离心力自动卸渣离心机离心力自动卸渣离心机2021-10-24552021-10-24563-22021-10-2457

26、2021-10-24583-32021-10-24592021-10-24602021-10-24613-42021-10-24623-52021-10-24632021-10-24642021-10-24653-62021-10-24663-72021-10-24672021-10-24683-82021-10-24692021-10-24703-92021-10-24712021-10-24723-102021-10-24732021-10-24742021-10-2475某板框过滤机有某板框过滤机有5个滤框，框的尺寸为个滤框，框的尺寸为635 635 25mm。过滤操。过滤操作在作在20、恒定压差下进行，过滤常数、恒定压差下进行，过滤常数K=4.24 10-5m2