化工原理 第三章 沉降与过滤课件

1、第三章 沉降与过滤第一节 概述均相物系(honogeneous system): 均相混合物。物系内部各处均匀且无相界面。如溶液和混合气体都是均相物系。自然界的混合物分为两大类：非均相物系(non-honogeneous system): 非均相混合物。物系内部有隔开不同相的界面存在，且界面两侧的物料性质有显著差异。如：悬浮液、乳浊液、泡沫液属于液态非均相物系，含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。2022/10/111分散相： 分散物质。在非均相物系中，处于分散状态的物质。连续相： 分散介质。包围着分散物质而处于连续状态的流体。非均相物系由分散相和连续相组成2022/10/112非均相物系分

2、离：沉降（重力沉降、离心沉降）过滤分离的目的：回收分散物质;2. 净化分散介质。 通常先造成一个两相物系，再用机械分离的方法分离，如蒸馏，萃取等。均相物系的分离：2022/10/113 沉降：沉降力场：重力、离心力。 在某种力场的作用下，利用分散物质与分散介质的密度差异，使之发生相对运动而分离的单元操作。 沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。2022/10/114图 流体绕过颗粒的流动uFdFd与颗粒运动的方向相反 当流体相对于静止的固体颗粒流动时，或者固体颗粒在静止流体中移动时，由于流体的粘性，两者之间会产生作用力，这种作用力通常称为曳力（drag force)或阻力。只要颗粒与流体之间有相对

3、运动，就会产生阻力。对于一定的颗粒和流体，只要相对运动速度相同，流体对颗粒的阻力就一样。颗粒相对于流体的运动2022/10/115球形颗粒的阻力系数与雷诺数的关系2022/10/117 层流区（斯托克斯Stokes区，10-4Re2） 注意：其中斯托克斯区的计算式是准确的，其它两个区域的计算式是近似的。过渡区（艾仑Allen区，2Re500）湍流区（牛顿Newton区，500Re2*105）图中曲线大致可分为三个区域，各区域的曲线可分别用不同的计算式表示为：2022/10/118u重力 Fg阻力 Fd浮力 Fb2022/10/1110重力沉降速度:也称为终端速度，颗粒受力平衡时， 匀速阶段颗粒

4、相对于流体的运动速度。 随着颗粒向下沉降，u逐渐增大， 逐渐减少。 当u增到一定数值ut时， =0。颗粒开始作匀速沉降运动。颗粒的沉降过程分为两个阶段：加速阶段；匀速阶段。2022/10/1111 将不同流动区域的阻力系数分别代入上式，得球形颗粒在各区相应的沉降速度分别为： 层流区（Re2）过渡区（2Re500）湍流区（500Re2*105）ut与dp有关。dp愈大，ut则愈大。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。2022/10/1112例：计算直径为98m，密度为3000kg/m3的固体颗粒分别在20的水中的自由沉

5、降速度。计算Re，核算流型：假设正确，计算有效。解：在20的水中： 20水的密度为998.2kg/m3，粘度为1.00510-3 Pas先设为层流区。 2022/10/1114（三）影响沉降速度的其它因素1.干扰沉降2. 颗粒形状越小，阻力越大，Re相同时沉降速度越小。3. 壁效应 使沉降速度下降。2022/10/11154) 颗粒形状在实际沉降中：非球形颗粒的形状可用球形度s 来描述。s 球形度；S 颗粒的表面积，m2；Sp 与颗粒体积相等的圆球的表面积，m2。 不同球形度下阻力系数与Re的关系见课本图示，Re中的dp用当量直径de代替。球形度s越小，阻力系数 越大，但在层流区不明显。ut非

6、球ut球 。对于细微颗粒(d0.5m)，应考虑分子热运动的影响，不能用沉降公式计算ut；沉降公式可用于沉降和上浮等情况。注意：2022/10/11176)干扰沉降（hindered settling）： 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。干扰沉降速度比自由沉降的小。5) 壁效应 (wall effect) ： 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。2022/10/1118二、降尘室 降尘室：利用重力降分离含尘气体中尘粒的设备。是一种最原始的分离方法。一般作为预分离之用，分

7、离粒径较大的尘粒。降尘室的示意图2022/10/1119沉降分离条件假设颗粒运动的水平分速度与气体的流速 u 相同；停留时间L/u沉降时间tH/ ut颗粒分离出来的条件是 L/uH/utLHW净化气体含尘气体uut2022/10/1120 即：满足L / uH/ut 条件的粒径当含尘气体的体积流量为qVs时， u= qVs / HW故与临界粒径dpc相对应的临界沉降速度为utc=qVs / WLutqVs / LW则有或qVs WLut 临界沉降速度utc是流量和面积的函数。临界粒径dpc（critical particle diameter）：能100除去的最小粒径。2022/10/1121

8、当尘粒的沉降速度小，处于斯托克斯区时，临界粒径为一定粒径的颗粒，沉降室的生产能力只与与底面积WL和 utc有关，而与H无关。故沉降室应做成扁平形，或在室内均匀设置多层隔板。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。由此可知：2022/10/1122（二）沉降槽（增稠器）1. 悬浮液的沉聚过程2022/10/11242. 沉降槽（增稠器）2022/10/1125颗粒在离心力场中沉降时，在径向沉降方向上受力分析。若这三个力达到平衡，则有颗粒与流体在径向上的相对速度ur惯性离心力 Fc阻力 Fd向心力（浮力） Fb颗粒在离心力场中的受力分析2022/10/11

9、27 注：在一定的条件下，重力沉降速度是一定的，而离心沉降速度随着颗粒在半径方向上的位置不同而变化。离心沉降速度：颗粒在径向上相对于流体的速度，就是这个位置上的离心沉降速度。 在离心沉降分离中，当颗粒所受的流体阻力处于斯托克斯区，离心沉降速度为:重力沉降速度为:2022/10/1128层流区（斯托克斯Stokes区，10-4Re2）过渡区（艾仑Allen区，2Re500）湍流区（牛顿Newton区，500Re5 m，dpc50=12 m 。主要技术参数2022/10/1138例：温度为20，压力为0.101Mpa，流量为2.5m3/s的含尘空气，用标准旋风分离器除尘。粉尘密度为2500kg/m

10、3，试计算临界粒径。并计算压损。解： 20，0.101Mpa时空气的： =1.21kg/m3，=1.8110-5Pas1、确定进口气速：ui=20m/s (15-20m/s)2、计算D和b：流量 qV=Aui=Bhu B=D/5,h=3D/5 2.5=(D/5)(3D/5)20 D=1.041m 取 D=1100 mm旋风分离器的选用2022/10/1139此时3、 求dpc2022/10/11404、求p2022/10/1141由于分离器各部分的尺寸都是D的倍数，所以只要进口气速ui相同，不管多大的旋风分离器，其压力损失都相同。压力损失相同时，小型分离器的B=D/5值较小，则小型分离器的临界

11、粒径较小。旋风分离器的使用2022/10/1142双联四联 用若干个小旋风分离器并来代替一个大旋风分离器，可以提高分离效率。2022/10/1143(二) 旋液分离器 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行分级。 结构和工作原理：与旋风分离器相似。2022/10/1144悬浮液从圆筒上部的切向进口进入器内，旋转向下流动。工作过程：液流中的颗粒受离心力作用，沉降到器壁，并随液流下降到锥形底的出口，成为较稠的悬浮液而排出，称为底流。澄清的液体或含有较小较轻颗粒的液体，则形成向上的内旋流，经上部中心管从顶部溢流管排出，称为溢流。2022/10/1145 液体的粘度约

12、为气体的50倍，液体的(p-)比气体的小，悬浮液的进口速度也比含尘气体的小，所以同样大小和密度的颗粒，沉降速度远小于含尘气体在旋风分离器中的沉降速度。 要达到同样的临界粒径要求，则旋液分离器的直径要比旋风分离器小很多。 特点旋液分离器的圆筒直径一般为75300mm。悬浮液进口速度一般为515m/s。压力损失约为50200kPa。分离的颗粒直径约为1040m。主要技术参数2022/10/1146(三) 沉降式离心机管式离心机碟式离心机螺旋式离心机 沉降式离心机是利用离心沉降的原理分离悬浮液或乳浊液的机械。2022/10/1147特点：离心分离因数可达13000，也有高达105的超速离心机。转鼓内

13、装有三个纵向平板，以使料液迅速达到与转鼓相同的角速度。适用于于分离乳浊液及含细颗粒的稀悬浮液。1 管式离心机（tubular-bowl centrifuge）2022/10/1148分离乳浊液的管式离心机操作原理 转鼓由转轴带动旋转。乳浊液由底部进入，在转鼓内从下向上流动过程中，由于两种液体的密度不同而分成内、外两液层。外层为重液层，内层为轻液层。到达顶部后，轻液与重液分别从各自的溢流口排出。分离悬浮液的管式离心机操作原理 流量Vs为悬浮液从底部进入，悬浮液是由密度为的与密度为p的少量颗粒形成的。假设转鼓内的液体以转鼓的旋转角速度随着转鼓旋转。液体由下向上流动过程中，颗粒由液面r1处沉降到转鼓

14、内表面r2处。凡沉降所需时间小于式等于在转鼓内停留时间的颗粒，均能沉降除去。2022/10/1149 分离乳浊液的碟式离心机：碟片上开有小孔。乳浊液通过小孔流到碟片的间隙。在离心力作用下，重液沿着每个碟片的斜面沉降，并向转鼓内壁移动，由重液出口连续排出。而轻液沿着每个碟片的斜面向上移动，汇集后由轻液出口排出。 主要分离乳浊液中轻、重两液相，例如油类脱水、牛乳脱脂等；也可以澄清含少量细小颗粒固体的悬浮液。 澄清悬浮液用的碟式离心沉降机：碟片上不开孔。只有一个清液排出口。沉积在转鼓内壁上的沉渣，间歇排出。只适用于固体颗粒含量很少的悬浮液。当固体颗粒含量较多时，可采用具有喷嘴排渣的碟式离心沉降机，例

15、如淀粉的分离。2 碟式离心机（disk-bowl centrifuge）2022/10/1150工作原理： 转鼓内有可旋转的螺旋输送器，其转数比转鼓的转数稍低。悬浮液通过螺旋输送器的空心轴进入机内中部。沉积在转鼓壁面渣，被螺旋输送器沿斜面向上推到排出口而排出。澄清液从转鼓另一端溢流出去。用途： 用于分离固体颗粒含量较多的悬浮液，其生产能力较大。也可以在高温、高压下操作，例如催化剂回收。3 螺旋式离心机（scroll-type centrifuge）2022/10/1151第四节 过 滤过滤介质: 过滤采用的多孔物质；滤浆或料浆: 所处理的悬浮液；滤液: 通过多孔通道的液体；滤饼或滤渣: 被截留

16、的固体物质。 在外力的作用下，以某种多孔物质为介质，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。过滤是沉降的后期操作，能耗较低，适合去除大量水分。2022/10/1152过滤操作示意图(滤饼过滤)滤浆(slurry)：原悬浮液。滤饼(filter cake)：截留的固体物质。过滤介质(filtering medium)：多孔物质。滤液(filterate)：通过多孔通道的液体。2022/10/1153一、悬浮液的过滤推动力：压力差，离心力，重力阻 力：滤饼、过滤介质阻力2022/10/1154（一）两种过滤方式1. 滤饼过滤2022/10/11552.

17、 深层过滤2022/10/1156（二）过滤介质类别： 织物介质 多孔性固体介质 堆积介质 多孔膜：高聚物膜、无机膜2022/10/1157（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 可压缩滤饼：空隙随压力增加而减小 （四）过滤过程物料衡算加助滤剂（1）湿滤渣密度Ckg湿渣/kg干渣2022/10/1158（2）干渣质量与滤液体积之比Xkg固体/kg悬浮液kg干渣/m3滤液（3）湿渣质量与滤液体积之比（4）湿渣体积与滤液体积之比kg湿渣/m3滤液m3滤饼/m3滤液2022/10/1159二、过滤速率基本方程式（一）过滤速率过滤速率：过滤速度：设为层流流动dd2022/10/1

18、160孔道长度孔道中流速与过滤速度的关系过滤速度dL2022/10/1161令滤饼的比阻单位厚度滤饼的阻力；在数值上等于粘度为1Pas的滤液以1m/s的平均流速通过厚度为1m 的滤饼层时所产生的压强降；比阻反映了颗粒特性(形状、尺寸及床层空隙率)对滤液流动的影响；床层空隙率愈小及颗粒比表面a愈大，则床层愈致密，对流体流动的阻滞作用也愈大。2022/10/1162过滤速度滤饼阻力过滤介质阻力 v获得单位体积滤液所形成滤饼的体积， m3滤饼/m3滤液；Ve过滤介质的当量滤液体积，或称虚拟滤液体积，m3。2022/10/1163（二）过滤基本方程pp1p2滤液2022/10/1164过滤速率过滤基本

19、方程则适用于不可压缩滤饼。2022/10/1165定义：过滤操作在恒定压强下进行时称为恒压过滤。滤饼不断变厚；阻力逐渐增加；推动力p 恒定；过滤速率逐渐变小。特点：三、恒压过滤2022/10/1166K为常数恒压过滤方程式（一）滤液体积与过滤时间的关系 恒压过滤方程式中的K 称为过滤常数，由物料特性及过滤压强差决定。 2022/10/1167Vo1V1A2022/10/1168(二) 过滤常数的测定q/q /qq 为直线关系， 其斜率为 ，截距为由斜率=1/K，求出K;由截距=2qe/K ，求出qe；2022/10/1169三、过滤设备及操作（一）板框过滤机2022/10/11702022/1