第3章-沉降与过滤-化工原理讲解课件

第三章沉降与过滤1第三章沉降与过滤1第一节概述2第一节概述2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自然界混合物：黄沙空气，烟，雾，洪水一、非均相物系的分离3分散物质（分散相）：处于分散状态的物质一、非均相物系的分离3分离的目的1.回收分散物质(母液中的固体成品或半成品)2.净化分散介质(净制原料气或原料液、分离废气和废液中所含的有害物质等)4分离的目的4

非均相物系分离的理论基础要实现分离，必须使分散相和连续相之间发生相对运动。因此，非均相物系的分离操作遵循流体力学的基本规律。流体与固体颗粒之间有相对运动时，将发生动量传递。5非均相物系分离的理论基础5非均相物系的分离原理根据两相物理性质(如密度等)的不同而进行的分离。因此常采用机械方法进行分离。6非均相物系的分离原理6按两相运动方式的不同，机械分离大致分为沉降（重力沉降，离心沉降）和过滤两种操作。例：非均相物系的分离方法7按两相运动方式的不同，机械分离大致分为沉降（重力

液态均相混合物的分离—蒸馏气态均相混合物的分离—吸收均相物系的分离8液态均相混合物的分离—蒸馏均相物系的分离8二、颗粒与流体相对运动时所受的阻力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（dragforce)或阻力。曳力妨碍流体的流动，或固体颗粒的相对运动。9二、颗粒与流体相对运动时所受的阻力当流体相对于图流体绕过颗粒的流动uFdFd与颗粒运动的方向相反只要颗粒与流体之间有相对运动，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。爬流(Creepingflow)：来流速度很小，流动很缓慢，颗粒迎流面与背流面的流线对称。10图流体绕过颗粒的流动uFdFd与颗粒运动的方向相反爬流(流体中颗粒运动的阻力(曳力)——阻力系数（曳力系数）、——流体特性dp、ut——颗粒特性11流体中颗粒运动的阻力(曳力)——阻力系数（曳力系数）、（1）层流区10－4<

Re<2Stokes区

（2）过渡区2<Re<500Allen区

（3）湍流区500<Re<2105Newton区（球形）（准确）（近似）（近似）12（1）层流区10－4<Re<2Stoke1313球形度ss——球形度S——颗粒的表面积，m2Sp——与颗粒体积相等的圆球的表面积，m214球形度ss——球形度14第二节重力沉降15第二节重力沉降15p一、重力沉降速度（一）球形颗粒的自由沉降重力Fg浮力Fb阻力Fd自由沉降：颗粒浓度低，分散好，沉降过程中互不碰撞、互不影响。颗粒下沉16p一、重力沉降速度（一）球形颗粒的自由沉降重力Fg浮力F1717重力沉降速度（终端速度）颗粒受力平衡时，匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度。18重力沉降速度（终端速度）18（二）沉降速度的计算层流区（Re<2)（Stokes定律区）过渡区(2<Re<500)（Allen区）湍流区(500<Re<2×105)（Nuwton区）19（二）沉降速度的计算层流区（Re<2)过渡区(2<Re试差计算法：假设沉降处于某一区域；计算ut；计算Re，校验区域；若符合，则正确，否则重新假设区域。20试差计算法：20例3－1一直径为1.00mm、密度为2500kg/m3的玻璃球在20℃的水中沉降，试求其沉降速度。解：由于颗粒直径较大，先假设流型层于过渡区，21例3－1解：21校核流型Re=dPutρ/μ=10-3×0.157×103/10-3=157属于过渡区，与假设相符。22校核流型22

解：在20℃水中的沉降。用试差法计算先假设颗粒在滞流区内沉降，

附录查得，20℃时水的密度为998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s例：试计算直径为95μm，密度为3000kg/m3的固体颗粒在20℃的水中的自由沉降速度。23附录查得，20℃时水的密度为998.2kg/m3,μ=1核算流型

原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。24核算流型原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。24（三）影响沉降速度的其它因素1.干扰沉降（颗粒之间）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25（三）影响沉降速度的其它因素1.干扰沉降（颗粒之间）2.二、重力沉降设备（一）降尘室利用重力沉降从气流中分离出尘粒的设备。预分离，分离粒径较大的尘粒。含尘气体净化气体26二、重力沉降设备（一）降尘室利用重力沉降从气流中分离出尘粒2727假设：颗粒运动的水平分速度与气体的流速u

相同；垂直分速度=重力沉降速度ut

uut28假设：uut281.沉降分离条件停留时间：沉降时间：分离条件：Wq即或入口速度不能大于某值291.沉降分离条件停留时间：沉降时间：分离条件：Wq即2.生产能力qVs——降尘室所处理含尘气体的体积流量结论：降尘室的生产能力只与沉降面积WL及颗粒沉降速度ut有关，而与高度H无关。302.生产能力结论：降尘室的生产能力只与沉降面积WL及颗粒33.

临界颗粒直径临界颗粒直径dpC——降尘室理论上能100%除去的最小颗粒直径。313.临界颗粒直径临界颗粒直径dpC——降尘室理论上能100含尘气体qVs在除尘室中的流速为沉降速度应满足的条件：32含尘气体qVs在除尘室中的流速为沉降速度应满足的条件：32——能100%除去的最小粒径—临界粒径——utc为临界（粒径）颗粒的沉降速度s33——能100%除去的最小粒径—临界粒径s33一定粒径的颗粒，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。沉降室设计34一定粒径的颗粒，沉降室的生产能力只与与底面积WL和utc有多层隔板降尘室示意图含尘气体粉尘隔板净化气体若加入n个隔板，则：

生产能力—n倍提高！35多层隔板降尘室示意图含尘气体粉尘隔板净化气体若加入n个隔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；utc降为原来的1/N

倍；临界粒径为原来的倍；一般可分离20mm以上的颗粒（通常为50mm）。s36当降尘室用水平隔板分为N层，则每层高度为H/N。水平２)３)处理量qVS，粉尘的排放标准dpc，面积ＷＬ沉降室的设计计算类型1)37２)３)处理量qVS，粉尘的排放标准dpc，面积ＷＬ沉例3-2：用高2m、宽2.5m、长5m的重力降尘室分离空气中的粉尘。在操作条件下空气的密度为0.799kg/m3，粘度为2.53×10-5Pa·s，流量为1.25×104m3/h。粉尘的密度为2000kg/m3。试求粉尘的临界直径。解：与临界直径对应的临界沉降速度为38例3-2：用高2m、宽2.5m、长5m的重力降尘室分离空气中假设流型属于层流区，粉尘的临界直径为验算流型故属于层流区，与假设相符。

39假设流型属于层流区，粉尘的临界直径为验算流型故属于层流区，与沉聚：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：当原液中固体颗粒的浓度较低，而为了得到澄清液时的操作，所用设备称为澄清器。增稠器：从较稠的原液中尽可能把液体分离出来而得到稠浆的设备。三、悬浮液的沉聚40沉聚：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1.悬浮液的沉聚过程411.悬浮液的沉聚过程412.沉降槽（增稠器）要点：直径较大高度较低422.沉降槽（增稠器）要点：42溶胶：含有颗粒大小会直径小于1μm的液体。为了促进细小颗粒絮凝成较大颗粒以增大沉降速度，可往溶胶中加入少量电解质。絮凝剂：凡能促进溶胶中微粒絮凝的物质。常用絮凝剂:明矾、三氧化铝、绿矾（硫酸亚铁）、三氯化铁等。一般用量为40—200ppm（质量）。絮凝剂43溶胶：含有颗粒大小会直径小于1μm的液体。为了促进细小4444第三节离心沉降45第三节离心沉降45离心沉降：依靠惯性离心力的作用从而实现沉降的过程。离心沉降效率较重力沉降效率高。46离心沉降：依靠惯性离心力的作用从而实现46

一、离心分离因数47一、离心分离因数47增大Kc值的途径：增大r，强度要求增大离心分离因素：离心力与重力比48增大Kc值的途径：离心分离因素：离心力与重力比48切向速度u径向速度ur合成u合

合二、离心沉降速度49切向速度u合成u合合二、离心沉降速度49离心力：径向向外

浮力：指向中心阻力：指向中心受力平衡时，径向速度ur为该点的离心沉降速度。50离心力：径向向外浮力：指向中心阻力：指向中心受力（1）方向不同；（2）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。对照51（1）方向不同；对照51重力沉降离心沉降离心沉降设计对象为小颗粒，流体阻力处于层流区52重力沉降离心沉降离心沉降设计对象为小颗粒，流体阻力处于层流区

含尘气体的分离系统>20m5—200m0.5m达90%灰尘含尘气体净化气体灰尘灰尘重力沉降室旋风分离器袋滤器离心风机53含尘气体的分离系统>20m旋风分离器：是利用离心力作用净制气体的设备。

其结构简单，制造方便分离效率高可用于高温含尘气体的分离特点：三、旋风分离器54旋风分离器：其结构简单，制造方便特点：三、旋风分离器5455555656uib含尘气体切线进入；沿内壁作旋转流动：颗粒的离心力较大，被甩向外层，气流在内层。气固得以分离；在圆锥部分，气流与颗粒作下降螺旋运动；在圆锥的底部附近，气流转为上升旋转运动，最后由上部出口管排出；颗粒沿内壁落入灰斗。构造与工作原理构造：外圆筒、内圆筒、锥形筒57uib含尘气体切线进入；构造与工作原理构造：外圆筒、内圆筒、5858旋风分离器的尺寸LHSbDdhui59旋风分离器的尺寸LHSbDdhui59临界粒径：能够100％除去的最小粒径。根据旋风分离器的尺寸，以及离心沉降速度式分离变量，积分求得沉降时间；

临界粒径60临界粒径：能够100％除去的最小粒径。临界粒径60ui——进口气流的流速，m/sb——入口宽度，mn——气流旋转的圈数,计算时通常取n=5。沉降时间≤颗粒旋转n圈（平均半径rm)的停留时间：61ui——进口气流的流速，m/s沉降时间≤颗粒旋转n圈（讨论：（1）bdpc

D旋风分离器越大，分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离器并联。（2）uidc分离效果好流动阻力大62讨论：（1）bdpcD旋风进、排气与筒壁之间的摩擦损失；突然扩大(缩小）的局部阻力；旋转中动能损失造成气体压力降：由于:压力损失63进、排气与筒壁之间的摩擦损失；造成气体压力降：由于:压力圆筒直径一般为200～800mm，系列尺寸进口速度一般为15～20m/s压力损失约为1～2kPa分离的颗粒直径约为>5m主要技术参数64圆筒直径一般为200～800mm，系列尺寸主要技术参数64旋风分离器的选用例3-3：温度为20℃，压力为0.101MPa，流量为2.5m3/s的含空气，用标准旋风分离器除尘。粉尘密度为2500kg/m3，最大允许压力损失为2.0kPa,试求：（1）分离器尺寸；（2）临界粒径。65旋风分离器的选用例3-3：65解：阻力系数的计算（仅与其型号有关）66解：66（1）67（1）67（2）20℃，0.101MPa时空气的物性：=1.21kg/m3,m=1.81×10-5Pas，68（2）20℃，0.101MPa时空气的物性：68四、旋液分离器↑溢流←悬浮液↓底流沉降速度较低69四、旋液分离器↑溢流←悬浮液↓底流沉降速度较低69管式离心机内径75-150mmN=15000r/minKc≈104—105五、沉降式离心机悬浮液→清液←重液←70管式离心机五、沉降式离心机悬浮液→清液←重液←702.碟式离心机↓悬浮液→清液→重液712.碟式离心机↓悬浮液→清液→重液713.螺旋式离心机悬浮液清液重液转动转鼓螺旋输送器723.螺旋式离心机悬浮液清液重液转动转鼓螺旋输送器72第四节

过滤73第四节

过滤73一、悬浮液的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。74一、悬浮液的过滤以某种多孔物质为介质，在外力过滤介质:多孔性材料滤浆（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:被截留的固体物质75过滤介质:多孔性材料75推动力：压力差，离心力，重力阻力：滤饼、过滤介质阻力过滤介质滤饼滤浆滤液76推动力：压力差，离心力，重力过滤介质滤饼滤浆滤液76（一）两种过滤方式1.滤饼过滤“架桥现象”必要！饼层过滤适于处理固体含量较高的悬浮液77（一）两种过滤方式“架桥现象”必要！饼层过滤适于处理固体含量

过滤过程：刚开始：有细小颗粒通过孔道，滤液混浊。开始后：迅速发生“架桥现象”，颗粒被拦截，滤液澄清。所以，在滤饼过滤时真正起过滤作用的是滤饼本身，而非过滤介质。78过滤过程：刚开始：有细小颗粒通过孔道，滤液混浊2.深层过滤（澄清过滤、深床过滤）适于处理颗粒很小、含量很小（<0.1%）的悬浮液例如：自来水的净化，污水处理792.深层过滤（澄清过滤、深床过滤）适于处理颗粒很小、含量很特点（不同于滤饼过滤）特点：颗粒沉积于过滤介质内部(没有形成滤饼）过滤介质：堆积较厚的粒状床层。过滤原理：颗粒通过细长而弯曲的孔道时，靠静电和分子的作用力附着在介质孔道上。80特点（不同于滤饼过滤）特点：颗粒沉积于过滤介（二）过滤介质类别：织物介质(又称滤布)：棉、毛、麻、金属丝等织物多孔性介质：由陶瓷、塑料、金属烧结成型之多孔性介质堆积介质：由各种固体颗粒（细砂、硅藻土等）堆积而成，（多用于深床过滤）多孔膜：高聚物膜、无机膜81（二）过滤介质类别：81过滤介质应具有的性质：（1）多孔性，液体流过的阻力小；（2）有足够的强度；（3）耐腐蚀性和耐热性；（4）孔道大小适当，能发生架桥现象。82过滤介质应具有的性质：（1）多孔性，液体流过的阻力小；82（三、）助滤剂为了使过滤顺利进行，可以将质地坚硬而能形成疏松滤饼的另一种固体颗粒混入悬浮液或预涂于过滤介质上，以形成疏松饼层，使得滤液畅流（减小阻力）。83（三、）助滤剂83助滤剂的基本要求：1、能形成多孔饼层的刚性颗粒，使滤饼有良好的渗透性及较低的流体阻力。2、具有化学稳定性。3、在操作压强范围内具有不可压缩性。84助滤剂的基本要求：1、能形成多孔饼层的刚性颗粒，使滤饼有良好常用的助滤剂：硅藻土—由硅藻土经煅烧、粉碎、筛分而得到粒度均匀的颗粒。主要成分为含SiO2的硅酸盐。珍珠岩—由珍珠岩粉经煅烧迅速膨胀后、粉碎、筛分而得到粒度均匀的颗粒。主要成分为含70%SiO2的硅酸铝。石棉—天然的纤维状的硅酸盐类矿物质85常用的助滤剂：85（四）滤饼的可压缩性与助滤剂不可压缩滤饼：空隙率不随压力变化可压缩滤饼：空隙率随压力增加而减小—加助滤剂86（四）滤饼的可压缩性与助滤剂不可压缩滤饼：空隙率不随压力变化（五）过滤过程物料衡算（1）湿滤渣密度C（质量比>1）——kg湿渣/kg干渣87（五）过滤过程物料衡算（1）湿滤渣密度C（质量比>1）——k（2）干渣质量与滤液体积之比w=kg干渣/m3滤液X（质量比<1）——kg固体（干渣）/kg悬浮液C（质量比>1）——kg湿渣/kg干渣r（密度）——kg滤液/m3滤液已知（相当于滤液中固体的密度）88（2）干渣质量与滤液体积之比w=kg干渣/m3滤液8989（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湿渣/m3滤液90（3）湿渣质量与滤液体积之比（4）湿渣体积与滤液体积之比=例题3-4已知1kg悬浮液中含0.04kg的固体颗粒(X=0.04)ρc=1400kg/m3，ρp=2600kg/m3，ρ=1000kg/m3（1）湿滤渣与其中所含干渣的质量比C（2）干渣质量与滤液体积的比值w(3)湿滤渣体积与滤液体积的比值v91例题3-49192929393过滤速率:(m3/s)单位时间内获得的滤液体积:

过滤速度:(m3/m2s，orm/s)单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积二、过滤速率基本方程式（一）过滤速率94过滤速率:(m3/s)二、滤浆滤饼过滤介质滤液过滤操作示意图(滤饼过滤)p1p2ΔpΔpmΔpc

L95滤浆滤饼过滤介质滤液过滤操作示意图p1

dpd

对于颗粒层中不规则的通道，可以简化成由一组当量直径为d的毛细孔道，而毛细孔道的当量直径可由床层的空隙率和颗粒的比表面积来计算。滤液通过饼层的流动毛细孔道尺寸？→当量直径化96dpd对于颗粒层中不规则的通道，可以简化滤液的流动，设为层流，参照哈根方程：则：滤液在毛细孔道内（当量直径d)的流速：97滤液的流动，设为层流，参照哈根方程：97孔道长度孔道中流速u与过滤速度的关系过滤速度：（滤饼层）98孔道长度孔道中流速u与过滤速度的关系过滤速度：98过滤速度任一瞬间的过滤速度与滤饼两侧的压力差成正比，与当时的滤饼厚度，粘度，滤饼的比阻成反比。

99过滤速度任一瞬间的过滤速度与滤饼两侧的压力单位过滤面积上滤饼为1m3（Vc/A=1）时的阻力反映了颗粒特性对滤液流动的影响滤饼的比阻（1/m2)—反映滤饼的特性:100单位过滤面积上滤饼为1m3（Vc/A=1）时的阻力滤饼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Rm——获得当量滤液量Ve时所形成滤饼层的阻力Ve——为当量滤液量（二）过滤基本方程101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pp1p2滤液102pp1p2滤液102过滤速率：——过滤基本方程则K——过滤常数m2/s103过滤速率：——过滤基本方程则K——过滤常数103瞬时过滤速率：与面积、压力差（推动力）成正比，与粘度、比阻、滤饼厚度（含过滤介质）成反比。提高过滤速率的途径？过滤的种类:恒速、恒压104瞬时过滤速率：104105105恒压过滤:在恒压条件下操作特点：推动力Δp恒定滤饼不断变厚(阻力增加),过滤速率逐渐变小三、恒压过滤106恒压过滤:在恒压条件下操作特点：三、恒压过滤106K为常数恒压过滤方程式（一）滤液体积与过滤时间的关系107K为常数恒压过滤方程式（一）滤液体积与过滤时间的关系107qo1q1A108qo1q1A108(二)过滤常数的测定q/q/q～q为直线关系，其斜率为，截距为109(二)过滤常数的测定q/q/q～q为直线关系，10滤饼比阻的计算：110滤饼比阻的计算：110例3-5含有CaCO3质量分数为13.9%的水悬浮液，用板框过滤机在20℃下进行过滤适用。过滤面积为0.1m2。实验数据列于附表中，试求过滤常数K与qe例3-5附表压差/Pa滤液量V/dm3过滤时间（τ/s）3.43×1042.921467.8088810.3×1042.45509.8660111例3-5含有CaCO3质量分数为13.9%的水悬浮液用实验值（V和）分别计算出对每一个压力，将两点联立方程组（或求斜率，截距），即可求得过滤常数K与qe。结果发现：随着压力（推动力）的增大，

K与qe也会增大112用实验值（V和）分别计算出112例题3-6求3-5中滤饼的比阻力v单位滤液体积所得湿渣体积质量分数为13.9%的悬浮液:X=0.1381kg湿渣含水0.37kg(p1):C1=1/(1-0.37)=1.59kg湿渣/kg干渣w单位滤液体积所得干渣质量113例题3-6求3-5中滤饼的比阻力v单位滤液体积所得湿渣体例题3-7,同3-5，已知压力降，时间3小时得到滤液量6m3求：过滤面积和湿渣体积？解：q中包含有面积因素，所以求出q即可求出过滤面积解方程，q=0.408m3/m2,

A=V/q=6/0.408=14.7m2114例题3-7,同3-5，解：q中包含有面积因素，所以求出q即可结果DpＫqevr3.43×1047.62×10-64.46×10-30.1715.26×1013

10.3×1041.57×10-53.74×10-30.1478.92×1013

115结果115116116四、过滤设备操作方式板框压滤机转筒真空过滤机离心过滤机间歇过滤机连续过滤机压强差117四、过滤设备操作方式板框压滤机间歇过滤机压强差117118118（一）、板框压滤机119（一）、板框压滤机119120120121121122122123123安装：过滤板过滤框洗涤板过滤框过滤板过滤框盲板操作过程：装合、过滤、洗涤、卸饼、清洗。124安装：过过洗过过过盲操作过程：124（二）、转筒真空过滤机（连续）125（二）、转筒真空过滤机（连续）125126126（三）离心过滤机1.悬筐式离心机2.往复活塞推渣离心机3.离心力自动卸渣离心机127（三）离心过滤机1.悬筐式离心机127128128第三章沉降与过滤129第三章沉降与过滤1第一节概述130第一节概述2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自然界混合物：黄沙空气，烟，雾，洪水一、非均相物系的分离131分散物质（分散相）：处于分散状态的物质一、非均相物系的分离3分离的目的1.回收分散物质(母液中的固体成品或半成品)2.净化分散介质(净制原料气或原料液、分离废气和废液中所含的有害物质等)132分离的目的4

非均相物系分离的理论基础要实现分离，必须使分散相和连续相之间发生相对运动。因此，非均相物系的分离操作遵循流体力学的基本规律。流体与固体颗粒之间有相对运动时，将发生动量传递。133非均相物系分离的理论基础5非均相物系的分离原理根据两相物理性质(如密度等)的不同而进行的分离。因此常采用机械方法进行分离。134非均相物系的分离原理6按两相运动方式的不同，机械分离大致分为沉降（重力沉降，离心沉降）和过滤两种操作。例：非均相物系的分离方法135按两相运动方式的不同，机械分离大致分为沉降（重力

液态均相混合物的分离—蒸馏气态均相混合物的分离—吸收均相物系的分离136液态均相混合物的分离—蒸馏均相物系的分离8二、颗粒与流体相对运动时所受的阻力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（dragforce)或阻力。曳力妨碍流体的流动，或固体颗粒的相对运动。137二、颗粒与流体相对运动时所受的阻力当流体相对于图流体绕过颗粒的流动uFdFd与颗粒运动的方向相反只要颗粒与流体之间有相对运动，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。爬流(Creepingflow)：来流速度很小，流动很缓慢，颗粒迎流面与背流面的流线对称。138图流体绕过颗粒的流动uFdFd与颗粒运动的方向相反爬流(流体中颗粒运动的阻力(曳力)——阻力系数（曳力系数）、——流体特性dp、ut——颗粒特性139流体中颗粒运动的阻力(曳力)——阻力系数（曳力系数）、（1）层流区10－4<

Re<2Stokes区

（2）过渡区2<Re<500Allen区

（3）湍流区500<Re<2105Newton区（球形）（准确）（近似）（近似）140（1）层流区10－4<Re<2Stoke14113球形度ss——球形度S——颗粒的表面积，m2Sp——与颗粒体积相等的圆球的表面积，m2142球形度ss——球形度14第二节重力沉降143第二节重力沉降15p一、重力沉降速度（一）球形颗粒的自由沉降重力Fg浮力Fb阻力Fd自由沉降：颗粒浓度低，分散好，沉降过程中互不碰撞、互不影响。颗粒下沉144p一、重力沉降速度（一）球形颗粒的自由沉降重力Fg浮力F14517重力沉降速度（终端速度）颗粒受力平衡时，匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度。146重力沉降速度（终端速度）18（二）沉降速度的计算层流区（Re<2)（Stokes定律区）过渡区(2<Re<500)（Allen区）湍流区(500<Re<2×105)（Nuwton区）147（二）沉降速度的计算层流区（Re<2)过渡区(2<Re试差计算法：假设沉降处于某一区域；计算ut；计算Re，校验区域；若符合，则正确，否则重新假设区域。148试差计算法：20例3－1一直径为1.00mm、密度为2500kg/m3的玻璃球在20℃的水中沉降，试求其沉降速度。解：由于颗粒直径较大，先假设流型层于过渡区，149例3－1解：21校核流型Re=dPutρ/μ=10-3×0.157×103/10-3=157属于过渡区，与假设相符。150校核流型22

解：在20℃水中的沉降。用试差法计算先假设颗粒在滞流区内沉降，

附录查得，20℃时水的密度为998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s例：试计算直径为95μm，密度为3000kg/m3的固体颗粒在20℃的水中的自由沉降速度。151附录查得，20℃时水的密度为998.2kg/m3,μ=1核算流型

原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。152核算流型原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。24（三）影响沉降速度的其它因素1.干扰沉降（颗粒之间）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153（三）影响沉降速度的其它因素1.干扰沉降（颗粒之间）2.二、重力沉降设备（一）降尘室利用重力沉降从气流中分离出尘粒的设备。预分离，分离粒径较大的尘粒。含尘气体净化气体154二、重力沉降设备（一）降尘室利用重力沉降从气流中分离出尘粒15527假设：颗粒运动的水平分速度与气体的流速u

相同；垂直分速度=重力沉降速度ut

uut156假设：uut281.沉降分离条件停留时间：沉降时间：分离条件：Wq即或入口速度不能大于某值1571.沉降分离条件停留时间：沉降时间：分离条件：Wq即2.生产能力qVs——降尘室所处理含尘气体的体积流量结论：降尘室的生产能力只与沉降面积WL及颗粒沉降速度ut有关，而与高度H无关。1582.生产能力结论：降尘室的生产能力只与沉降面积WL及颗粒33.

临界颗粒直径临界颗粒直径dpC——降尘室理论上能100%除去的最小颗粒直径。1593.临界颗粒直径临界颗粒直径dpC——降尘室理论上能100含尘气体qVs在除尘室中的流速为沉降速度应满足的条件：160含尘气体qVs在除尘室中的流速为沉降速度应满足的条件：32——能100%除去的最小粒径—临界粒径——utc为临界（粒径）颗粒的沉降速度s161——能100%除去的最小粒径—临界粒径s33一定粒径的颗粒，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。沉降室设计162一定粒径的颗粒，沉降室的生产能力只与与底面积WL和utc有多层隔板降尘室示意图含尘气体粉尘隔板净化气体若加入n个隔板，则：

生产能力—n倍提高！163多层隔板降尘室示意图含尘气体粉尘隔板净化气体若加入n个隔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；utc降为原来的1/N

倍；临界粒径为原来的倍；一般可分离20mm以上的颗粒（通常为50mm）。s164当降尘室用水平隔板分为N层，则每层高度为H/N。水平２)３)处理量qVS，粉尘的排放标准dpc，面积ＷＬ沉降室的设计计算类型1)165２)３)处理量qVS，粉尘的排放标准dpc，面积ＷＬ沉例3-2：用高2m、宽2.5m、长5m的重力降尘室分离空气中的粉尘。在操作条件下空气的密度为0.799kg/m3，粘度为2.53×10-5Pa·s，流量为1.25×104m3/h。粉尘的密度为2000kg/m3。试求粉尘的临界直径。解：与临界直径对应的临界沉降速度为166例3-2：用高2m、宽2.5m、长5m的重力降尘室分离空气中假设流型属于层流区，粉尘的临界直径为验算流型故属于层流区，与假设相符。

167假设流型属于层流区，粉尘的临界直径为验算流型故属于层流区，与沉聚：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：当原液中固体颗粒的浓度较低，而为了得到澄清液时的操作，所用设备称为澄清器。增稠器：从较稠的原液中尽可能把液体分离出来而得到稠浆的设备。三、悬浮液的沉聚168沉聚：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1.悬浮液的沉聚过程1691.悬浮液的沉聚过程412.沉降槽（增稠器）要点：直径较大高度较低1702.沉降槽（增稠器）要点：42溶胶：含有颗粒大小会直径小于1μm的液体。为了促进细小颗粒絮凝成较大颗粒以增大沉降速度，可往溶胶中加入少量电解质。絮凝剂：凡能促进溶胶中微粒絮凝的物质。常用絮凝剂:明矾、三氧化铝、绿矾（硫酸亚铁）、三氯化铁等。一般用量为40—200ppm（质量）。絮凝剂171溶胶：含有颗粒大小会直径小于1μm的液体。为了促进细小17244第三节离心沉降173第三节离心沉降45离心沉降：依靠惯性离心力的作用从而实现沉降的过程。离心沉降效率较重力沉降效率高。174离心沉降：依靠惯性离心力的作用从而实现46

一、离心分离因数175一、离心分离因数47增大Kc值的途径：增大r，强度要求增大离心分离因素：离心力与重力比176增大Kc值的途径：离心分离因素：离心力与重力比48切向速度u径向速度ur合成u合

合二、离心沉降速度177切向速度u合成u合合二、离心沉降速度49离心力：径向向外

浮力：指向中心阻力：指向中心受力平衡时，径向速度ur为该点的离心沉降速度。178离心力：径向向外浮力：指向中心阻力：指向中心受力（1）方向不同；（2）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。对照179（1）方向不同；对照51重力沉降离心沉降离心沉降设计对象为小颗粒，流体阻力处于层流区180重力沉降离心沉降离心沉降设计对象为小颗粒，流体阻力处于层流区

含尘气体的分离系统>20m5—200m0.5m达90%灰尘含尘气体净化气体灰尘灰尘重力沉降室旋风分离器袋滤器离心风机181含尘气体的分离系统>20m旋风分离器：是利用离心力作用净制气体的设备。

其结构简单，制造方便分离效率高可用于高温含尘气体的分离特点：三、旋风分离器182旋风分离器：其结构简单，制造方便特点：三、旋风分离器541835518456uib含尘气体切线进入；沿内壁作旋转流动：颗粒的离心力较大，被甩向外层，气流在内层。气固得以分离；在圆锥部分，气流与颗粒作下降螺旋运动；在圆锥的底部附近，气流转为上升旋转运动，最后由上部出口管排出；颗粒沿内壁落入灰斗。构造与工作原理构造：外圆筒、内圆筒、锥形筒185uib含尘气体切线进入；构造与工作原理构造：外圆筒、内圆筒、18658旋风分离器的尺寸LHSbDdhui187旋风分离器的尺寸LHSbDdhui59临界粒径：能够100％除去的最小粒径。根据旋风分离器的尺寸，以及离心沉降速度式分离变量，积分求得沉降时间；

临界粒径188临界粒径：能够100％除去的最小粒径。临界粒径60ui——进口气流的流速，m/sb——入口宽度，mn——气流旋转的圈数,计算时通常取n=5。沉降时间≤颗粒旋转n圈（平均半径rm)的停留时间：189ui——进口气流的流速，m/s沉降时间≤颗粒旋转n圈（讨论：（1）bdpc

D旋风分离器越大，分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离器并联。（2）uidc分离效果好流动阻力大190讨论：（1）bdpcD旋风进、排气与筒壁之间的摩擦损失；突然扩大(缩小）的局部阻力；旋转中动能损失造成气体压力降：由于:压力损失191进、排气与筒壁之间的摩擦损失；造成气体压力降：由于:压力圆筒直径一般为200～800mm，系列尺寸进口速度一般为15～20m/s压力损失约为1～2kPa分离的颗粒直径约为>5m主要技术参数192圆筒直径一般为200～800mm，系列尺寸主要技术参数64旋风分离器的选用例3-3：温度为20℃，压力为0.101MPa，流量为2.5m3/s的含空气，用标准旋风分离器除尘。粉尘密度为2500kg/m3，最大允许压力损失为2.0kPa,试求：（1）分离器尺寸；（2）临界粒径。193旋风分离器的选用例3-3：65解：阻力系数的计算（仅与其型号有关）194解：66（1）195（1）67（2）20℃，0.101MPa时空气的物性：=1.21kg/m3,m=1.81×10-5Pas，196（2）20℃，0.101MPa时空气的物性：68四、旋液分离器↑溢流←悬浮液↓底流沉降速度较低197四、旋液分离器↑溢流←悬浮液↓底流沉降速度较低69管式离心机内径75-150mmN=15000r/minKc≈104—105五、沉降式离心机悬浮液→清液←重液←198管式离心机五、沉降式离心机悬浮液→清液←重液←702.碟式离心机↓悬浮液→清液→重液1992.碟式离心机↓悬浮液→清液→重液713.螺旋式离心机悬浮液清液重液转动转鼓螺旋输送器2003.螺旋式离心机悬浮液清液重液转动转鼓螺旋输送器72第四节

过滤201第四节

过滤73一、悬浮液的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。202一、悬浮液的过滤以某种多孔物质为介质，在外力过滤介质:多孔性材料滤浆（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:被截留的固体物质203过滤介质:多孔性材料75推动力：压力差，离心力，重力阻力：滤饼、过滤介质阻力过滤介质滤饼滤浆滤液204推动力：压力差，离心力，重力过滤介质滤饼滤浆滤液76（一）两种过滤方式1.滤饼过滤“架桥现象”必要！饼层过滤适于处理固体含量较高的悬浮液205（一）两种过滤方式“架桥现象”必要！饼层过滤适于处理固体含量

过滤过程：刚开始：有细小颗粒通过孔道，滤液混浊。开始后：迅速发生“架桥现象”，颗粒被拦截，滤液澄清。所以，在滤饼过滤时真正起过滤作用的是滤饼本身，而非过滤介质。206过滤过程：刚开始：有细小颗粒通过孔道，滤液混浊2.深层过滤（澄清过滤、深床过滤）适于处理颗粒很小、含量很小（<0.1%）的悬浮液例如：自来水的净化，污水处理2072.深层过滤（澄清过滤、深床过滤）适于处理颗粒很小、含量很特点（不同于滤饼过滤）特点：颗粒沉积于过滤介质内部(没有形成滤饼）过滤介质：堆积较厚的粒状床层。过滤原理：颗粒通过细长而弯曲的孔道时，靠静电和分子的作用力附着在介质孔道上。208特点（不同于滤饼过滤）特点：颗粒沉积于过滤介（二）过滤介质类别：织物介质(又称滤布)：棉、毛、麻、金属丝等织物多孔性介质：由陶瓷、塑料、金属烧结成型之多孔性介质堆积介质：由各种固体颗粒（细砂、硅藻土等）堆积而成，（多用于深床过滤）多孔膜：高聚物膜、无机膜209（二）过滤介质类别：81过滤介质应具有的性质：（1）多孔性，液体流过的阻力小；（2）有足够的强度；（3）耐腐蚀性和耐热性；（4）孔道大小适当，能发生架桥现象。210过滤介质应具有的性质：（1）多孔性，液体流过的阻力小；82（三、）助滤剂为了使过滤顺利进行，可以将质地坚硬而能形成疏松滤饼的另一种固体颗粒混入悬浮液或预涂于过滤介质上，以形成疏松饼层，使得滤液畅流（减小阻力）。211（三、）助滤剂83助滤剂的基本要求：1、能形成多孔饼层的刚性颗粒，使滤饼有良好的渗透性及较低的流体阻力。2、具有化学稳定性。3、在操作压强范围内具有不可压缩性。212助滤剂的基本要求：1、能形成多孔饼层的刚性颗粒，使滤饼有良好常用的助滤剂：硅藻土—由硅藻土经煅烧、粉碎、筛分而得到粒度均匀的颗粒。主要成分为含SiO2的硅酸盐。珍珠岩—由珍珠岩粉经煅烧迅速膨胀后、粉碎、筛分而得到粒度均匀的颗粒。主要成分为含70%SiO2的硅酸铝。石棉—天然的纤维状的硅酸盐类矿物质213常用的助滤剂：85（四）滤饼的可压缩性与助滤剂不可压缩滤饼：空隙率不随压力变化可压缩滤饼：空隙率随压力增加而减小—加助滤剂214（四）滤饼的可压缩性与助滤剂不可压缩滤饼：空隙率不随压力变化（五）过滤过程物料衡算（1）湿滤渣密度C（质量比>1）——kg湿渣/kg干渣215（五）过滤过程物料衡算（1）湿滤渣密度C（质量比>1）——k（2）干渣质量与滤液体积之比w=kg干渣/m3滤液X（质量比<1）——kg固体（干渣）/kg悬浮液C（质量比>1）——kg湿渣/kg干渣r（密度）——kg滤液/m3滤液已知（相当于滤液中固体的密度）216（2）干渣质量与滤液体积之比w=kg干渣/m3滤液21789（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湿渣/m3滤液218（3）湿渣质量与滤液体积之比（4）湿渣体积与滤液体积之比=例题3-4已知1kg悬浮液中含0.04kg的固体颗粒(X=0.04)ρc=1400kg/m3，ρp=2600kg/m3，ρ=1000kg/m3（1）湿滤渣与其中所含干渣的质量比C（2）干渣质量与滤液体积的比值w(3)湿滤渣体积与滤液体积的比值v219例题3-4912209222193过滤速率:(m3/s)单位时间内获得的滤液体积:

过滤速度:(m3/m2s，orm/s)单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积二、过滤速率基本方程式（一）过滤速率222过滤速率:(m3/s)二、滤浆滤饼过滤介质滤液过滤操作示意图(滤饼过滤)p1p2ΔpΔpmΔpc

L223滤浆滤饼过滤介质滤液过滤操作示意图p1

dpd

对于颗粒层中不规则的通道，可以简化成由一组当量直径为d的毛细孔道，而毛细孔道的当量直径可由床层的空隙率和颗粒的比表面积来计算。滤液通过饼层的流动毛细孔道尺寸？→当量直径化224dpd对于颗粒层中不规则的通道，可以简化滤液的流动，设为层流，参照哈根方程：则：滤液在毛细孔道内（当量直径d)的流速：225滤液的流动，设为层流，参照哈根方程：97孔道长度孔道中流速u与过滤速度的关系过滤速度：（滤饼层）226孔道长度孔道中流速u与过滤速度的关系过滤速度：98过滤速度任一瞬间的过滤速度与滤饼两侧的压力差成正比，与当时的滤饼厚度，粘度，滤饼的比阻成反比。

227过滤速度任一瞬间的过滤速度与滤饼两侧的压力单位过滤面积上滤饼为1m3（Vc/A=1）时的阻力反映了颗粒特性对滤液流动的影响滤饼的比阻（1/m2)—反映滤饼的特性:228单位过滤面积上滤饼为1m3（Vc/A=1）时