化工原理沉降与过滤

1、化工原理沉降与过滤第一节 概述本章是利用流体力学原理，采用使分散相和连续相发生相对运动的方法，从而实现非均相混合物别离的单元操作。通过本章学习，重点掌握沉降和过滤两种机械别离操作的原理、过程计算、典型设备的构造与特性，能够根据生产工艺要求，合理选择设备类型和尺寸。一、非均相物系的别离二、颗粒与流体相对运动时所受的阻力一、非均相物系的别离一混合物的分类二非均相混合物别离方式三工业上别离非均相物质的目的一混合物的分类1、均相混合物均相物系 ：凡物系内部各处物料性质均匀，且不存在相界面者，称为均相混合物。如：溶液、混合气体等 。2、非均相混合物非均相物系： 凡物系内部有隔开两相的界面存在，且界面两侧

2、物料性质截然不同者，称为非均相混合物或非均相物系。其中包括： 分散相或分散物质非均相物系中，处于分散状态的物质，如悬浮液 中的固体颗粒、乳浊液中的液滴、泡沫液中的气泡； 连续相或分散介质包围着分散物质且处于连续状态的流体。根据连续相状态，非均相物质分为两类： 气态非均相物质：如含尘气体、含雾气体等。 液态非均相物质：如悬浮液、乳浊液等。二非均相混合物的别离方式根据两相运动方式不同，常用的两种机械别离方式有：1、沉降别离：沉降操作是指在外力场作用下，利用分散相和连续相之间的密度差异，使之发生相对运动而实现别离的操作过程。是颗粒相对于流体静止或运动运动的过程。实现沉降操作的作用力可以是重力，也可以

3、是惯性离心力，因此，有重力沉降与离心沉降之分。2、过滤：流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液别离的过程。实现过滤操作的外力可以是重力、压强差或惯性离心力，因此，过滤又可分为重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤。三工业上别离非均相物质的目的1、回收有价值的分散物质：2、净化分散介质以满足后继生产工 艺的要求：3、劳动保护和环境卫生：二、颗粒与流体相对运动时所受的阻力一曳力或阻力：二阻力计算式：三球形颗粒的 分区： 一曳力或阻力：当流体以一定速度绕过静止的固体颗粒流动时，由于流体的粘性，会对颗粒有作用力。反之，当固体颗粒在静止流体中移动时，流体同样会对颗粒有作用力。这两种情况的作用力性质一样，通

4、常称为曳力drag force或阻力。只要颗粒与流体之间有相对运动，就会有这种阻力产生。 二阻力计算式：三球形颗粒的 分区注意： 球形颗粒的这三个区不要与流体流动时流体的流动类型相混淆。第二节 重力沉降概念：利用分散介质和分散物质密度的差异，在重力 地球引力的作用下使之得到别离的过程。 原理：固体颗粒在做同一水平运动的同时做向下的沉降 运动，由于密度不同，沉降速度不同，密度大的 先沉降，密度小的后沉降，使之别离。 *本节从最简单的沉降过程刚性球形颗粒的自由沉降入手，讨论沉降速度的计算，分析影响沉降速度的因素，介绍沉降设备的设计或操作原那么。一、 沉降速度二、 降尘室三、 悬浮液的沉聚一、沉降速

5、度一球形颗料的自由沉降二沉降速度的计算 三影响沉降速度的其它因素一球形颗料的自由沉降1、自由沉降与干扰沉降：自由沉降单个颗粒在流体中沉降，或者颗粒群 在流体中分散得较好而颗粒之间互不 接触互不碰撞的条件下沉降。干扰沉降固体颗粒在沉降过程中，因颗粒之间 的相互影响，而使颗粒不能正常沉降。2、球形颗料的自由沉降将外表光滑的刚性球形颗粒置于静止的流体介质中，如果颗粒的密度p大于流体的密度，那么颗粒将在流体中降落。此时，颗粒受到重力Fg、浮力Fb及阻力Fd三个力的作用。对于一定的流体和颗粒，重力与浮力是恒定的，而阻力却随颗粒的降落速度而变。讨论：1、当颗粒开场沉降的瞬间，速度u为0，因此阻力Fd也为0

6、，故加速度a具最大值。2、颗粒开场沉降后，阻力随u的增加而加大，直至u到达某一数值ut后，重力Fg、浮力Fb及阻力Fd到达平衡，即合力为0，质量m不可能为0，故只有加速度a为0，此时，颗粒开场做匀速沉降运动。3、由以上分析可见，静止流体中颗粒的沉降过程可分为两个阶段：起初为加速阶段，而后为匀速阶段。讨论：4、由于小颗粒具有相当大的比外表积，使得颗粒与流体间的接触外表很大，故阻力Fd在很短时间内便与颗粒所受的净重力FgFb接近平衡。因而，经历加速度的时间很短，在整个沉降过程中往往可以忽略。5、等速阶段时颗粒相对于流体的运动速度ut称为“沉降速度。由于这个阶段是加速度终了时颗粒相对于流体的速度，又

7、叫“终端速度。当a0时，uut，那么等速阶段ut计算式可推导为 由此三式可知，ut与dp、p及有关。dp及p愈大，ut那么就愈大。层流区与过渡区中，ut还与流体粘度有关。液体粘度约为气体粘度的50倍，故颗粒在液体中的沉降速度比在气体中的小很多。二沉降速度的计算试差法：可先假设沉降属于某区，那么用计算式求出ut。然后用所求出的ut 计算Re值，再检验Re值是否属于某区。如果计算的Re值不在所假设的流型区域，那么应另选用其它区域的计算式求ut 。直到所求ut计算的Re值符合于所用计算式的流型范围为止。 例31：三影响沉降速度的其它因素1 颗粒形状：测定非球形粒的沉降速度，用沉降速度公式计算出粒径。

8、这样求出来的非球形颗粒的直径，称为当量球径diameter of equivalent sphere。即用球形颗粒直径来表示沉降速度与其一样的非球形颗粒的直径。这种处理方法对于沉降过程的设计就足够了。2壁效应 ：当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，其沉降速度较自由沉降速度小，这种影响称为壁效应wall effect。 3干扰沉降 ：当非均相物系中的颗粒较多，颗粒之间相互距离较近时，颗粒沉降会受到其它颗粒的影响，这种沉降称为干扰沉降hindered settling。干扰沉降速度比自由沉降的小。二、降尘室：通常可别离粒径为50m以上的粗颗粒，作为预除尘用 借重力沉降从气流中别离出尘粒的

9、设备称为降尘室。最常见的水平流动型降尘室如上图所示，颗粒在降尘室内的运动如以下图所示。1、停留时间与沉降时间 假设颗粒运动的水平分速度与气体的流速u一样，颗粒的沉降速度为ut，那么颗粒在降尘室中的 停留时间L/u 沉降时间H/ut那么颗粒别离出来的条件是L/uH/ut 2、临界粒径dpc： 假设在各种不同粒径的尘粒中，有一种粒径的尘粒能满足L/uH/ut的条件，此粒径称为重力降尘室能100除去的最小粒径，或称为临界粒径dpc 。 那么某些粒径的尘粒，其沉降速度ut大于或等于qVs/WL，那么能全局部离出来。故与临界粒径dpc相对应的临界沉降速度为utcqVs/WL 。 注：a、由上式可知，当u

10、tc与dpc一定时，qVs与底面积WL成正比，而与高度H无关。b、当qVs一定时，dpc及utc与降尘室的底面积WL成反比，而与高度H无关。3、降尘室的形状：由以上分析可知，降尘室的生产能力与其高度H无关，宜做成扁平形。假设qVs不变，使H缩小1/2，那么u变为原来的两倍 qVsAuHWu。由式 L/uH/ut可知颗粒的停留时间与沉降时间都为原来的1/2。因此，从式 utcqVs/WL与式 可知，utc不变，dpc也不变。应注意的是气速u不能太大，以免干扰颗粒沉降，或把沉下来的尘粒重新卷起。一般u不超过3m/s。 多层隔板降尘室 降尘室用水平隔板分为N层，每层高度为H/N 。但气体流动的截面积

11、HW不变，水平速度u qVsHWu不变。假设要求L/uH/ut，那么utc降为原来的1/N倍。那么临界粒径dpc降为原来的 倍，使更小的尘粒也能别离。一般可别离20m以上的颗粒。但多层隔板降尘室排灰不方便。 4、降尘室的计算：可分为以下3类：1qVs 、物性数据、 p 及dpc ，计算底面积WL。2底面积WL、物性数据及dpc ，计算qVs 。3底面积WL、物性数据及qVs ，计算dpc 。 三、悬浮液的沉聚了解一增稠器二絮凝剂一增稠器沉聚sedimentation：悬浮液放在大型容器里，其中的固体颗粒在重力下沉降，得到澄清液与稠浆的操作。澄清器clarifier ：当原液中固体颗粒的浓度较低

12、，而为了得到澄清液时的操作，常称为澄清。所用设备称为澄清器。增稠器thickener从较稠的原液中尽可能把液体别离出来而得到稠浆的设备。 连续式增稠器 絮凝剂溶胶：液体中所含固体颗粒径大小会有差异，含有颗粒直径较大的液体，一般称为悬浮液；含有颗粒直径小于1m的液体，一般称为溶胶。絮凝剂：凡能促进溶胶中微粒絮凝的物质，称为絮凝剂coagulant。常用的电解质，除了明矾还有三氧化铝、绿矾硫酸亚铁、三氯化铁等。一般用量为40200ppm质量。近来，已研究出某些高分子絮凝剂。 第三节 离心沉降离心沉降：在离心场中，颗粒与流体做相对运动，依靠惯性离心力的作用，使颗粒得到别离的操作。重力加速度是常数，而

13、离心加速度是变数，所以离心沉降能获得更高的沉降速度和更大的生产能力。 一、 离心别离因数二、 离心沉降速度三、 旋风别离器别离气固非均相物系四、 旋液别离器别离液固悬浮物系五、 沉降式离心机别离液固悬浮物系自学一、离心别离因数同一颗粒在同一介质中，所在位置上的离心力场强度与重力场强度的比值，称为离心别离因数，是离心别离设备的指标。二、离心沉降速度颗粒在离心场中， 径向速度每一点 切向速度真正产生沉降作用的是径向。下面我们主要分析径向受力：离心沉降与重力沉降的比较 1计算式形式相似；只是离心沉降速度ur 计算公式中将重力沉降速度计算公式中的加速度g改为离心加速度r2； 2 ur不是颗粒运动的绝对

14、速度，而是绝对速度在径向上的分力，且离心沉降方向不是向下而是向外； 3在一定的条件下，重力沉降速度是一定的，而离心力随旋转半径而变，离心沉降速度ur也随颗粒的位置而变。 三、旋风别离器旋风别离器是利用离心力作用净制气体的设备 。一构造与操作二临界粒径 三压力损失一构造与操作气体沿切向进入，做双层旋转：由上而下外旋留，由下而上内旋流。在旋转中，颗粒得到的离心力大于气体，先碰到器壁，由于碰撞和摩擦的作用，丧失动能，落入灰斗。二临界粒径临界粒径：是理论上在旋风别离器中能被完全别离下来的最小颗粒直径，是判断别离效率上下的重要指标。计算临界粒径的关系式，可在如下简化条件下推导出来：1、进入旋风别离器的气

15、流严格按螺旋形线路做等速运动，其切向速度等于进口气速ui。2、颗粒向器壁沉降时，必须穿过厚度等于整个进气宽度b的气流层，方能到达壁面而被别离；3、颗粒在层流情况下作自由沉降，旋转半径取平均值rm 。 三压力损失气体通过旋风别离器的压力损失，可用进口气体动压的某一倍数表示为式中的阻力系数用下式计算四、旋液别离器旋液别离器是利用离心力的作用，使悬浮液中固体颗粒增稠或使粒径不同及密度不同的颗粒进展分级。 与旋风别离器相似，只是液体与颗粒的密度差较小，为提高别离的离心力和停留时间，因此器身做的较细长。第四节 过滤过滤：是使含固体颗粒的非均相物系通过布、网等多孔性材料，别离出固体颗粒的操作。是别离悬浮液

16、最常用最有效的单元操作之一。其突出优点是使悬浮液别离更迅速更彻底与沉降比，耗能较低与枯燥、蒸发比。 一、 悬浮液的过滤二、 过滤速率根本方程式三、 恒压过滤四、 过滤设备一、悬浮液的过滤悬浮液通常又称为滤浆或料浆。过滤用的多孔性材料，称为过滤介质。留在过滤介质上的固体颗粒，称为滤饼或滤渣。通过滤饼和过滤介质的清液，称为滤液。一两种过滤方式二过滤介质三助滤剂四悬浮液量、固体量、滤液量与滤渣量之间的关系 一两种过滤方式以阻力来源区分1深层过滤澄清过滤 ： 悬浮液中的颗粒尺寸比过滤介质孔道直径小，当颗粒随液体进入床层内细长而弯曲的孔道时，靠静电及分子力的作用而附在孔道壁上，以介质阻力为主。它适用于含

17、颗粒很小，而且含量很少液体中颗粒的体积1的悬浮液。 架桥现象架桥现象：这时真正发挥截留颗粒作用的是滤 饼层而不是过滤介质。 滤饼过滤中，当颗粒尺寸比过滤介质的孔径大时，会形成滤饼。不过，当有的颗粒尺寸比过滤介质孔径小时，过滤开场会有局部颗粒进入过滤介质孔道里，迅速发生“架桥现象，但也会有少量颗粒穿过过滤介质而与滤液一起流走。随着滤渣的逐渐堆积，过滤介质上面会形成滤饼层。 二过滤介质过滤介质的作用，是使液体通过而使固体颗粒截留住。它应具有足够的机械强度和尽可能小的流动阻力，还应具有相应的耐腐蚀性和耐热性。工业上常用的过滤介质有： 1 织物介质 2 堆积的粒状介质 3多孔性介质 三助滤剂降低可压缩

18、滤饼的流动阻力，提高过滤速率当悬浮液中的颗粒很细时，过滤时很容易堵死过滤介质的孔隙，或所形成的滤饼在过滤的压力差作用下，孔隙很小，阻力很大，使过滤困难。为了防止这种现象发现，可使用助滤剂 。常用的助滤剂有：1硅藻土； 2珍珠岩； 3石棉； 4炭粉、纸浆粉等。 使用方法： 1把助滤剂单独配成悬浮液；2在悬浮液中加助滤剂。 四悬浮液量、固体量、滤液量与滤渣量之间的关系 *再做一下P125第36题 *P114例题 二、过滤速率根本方程式过滤速率根本方程式是描述滤液量随过滤时间的变化关系的，它可用来计算为获得一定量的滤液或滤饼所需要的过滤时间。 1、过滤速度与过滤速率： 2、滤液通过滤饼层流动的特点3

19、、过滤速率根本方程式的推导4、提高过滤速率的方式1、过滤速率与过滤速度： 设过滤面积为A，过滤时间为d，滤液体积为dV。1过滤速率：单位时间获得的滤液体积，单位为m3/s，表达式为dV/d。2过滤速度：单位过滤面积上的过滤速率，单位为m/s，表达式为dV/Ad。 *过滤根本方程式主要研究dV/d与哪些因素有关，即V的关系。2、滤液通过滤饼层流动的特点1滤液通道细小曲折，形成不规那么的网状构造；2随着过滤进展，滤饼厚度不断增加，流动阻力逐渐加大，因而过滤属于非定态操作；如果想保持一定的过滤速率，可以随着过滤操作的进展逐渐增大压力差，来抑制逐渐增加的过滤阻力。3细小而密集的颗粒层提供了很大的液固接触面积，假设滤液的流动大都在层流区。3、过滤速率根本方程式的推导详细过程见教材，自学该式称为过滤速率根本方程，它表示过滤操作中某一瞬时的过滤速率与物系性质()，压力差(P)，该时间以前的滤液量(V)及过滤介质的当量滤液量(Ve)之间的关系。假设用此式来求过滤时间与