化工原理 第三章

3沉降(chénjiàng)与过滤ChongqingTechnologyandBusinessUniversity精品资料概述颗粒的沉降(chénjiàng)运动沉降(chénjiàng)分离设备过滤原理及设备讲解(jiǎngjiě)内容本章将考察流固两相物系中固体颗粒与流体间的相对运动。精品资料第一节概述(ɡàishù)一、混合物的分类(fēnlèi)均相混合物：二、分离非均相混合物的目的

回收有价值的分散物质净化分散介质环境保护和安全生产非均相混合物：物系内部各处物料性质均匀，且不存在相界面内部有隔开两相的界面存在，且界面两侧物料性质截然不同气态非均相物系：含尘气体，含雾气体液态非均相物系：悬浮液分散物质（分散相）+分散介质（连续相）精品资料三、分离(fēnlí)方法机械分离法，使流-固物系发生(fāshēng)相对运动实现分离。过滤：沉降分离：重力沉降，离心沉降涉及流固物系发生相对运动的化工过程：某些物理、化学过程：固体干燥催化反应固体流态化研究内容：流-固物系发生相对运动的规律精品资料相对运动(xiānɡduìyùndònɡ)的特殊性相对运动(xiānɡduìyùndònɡ)包括：颗粒静止，流体绕流流体静止，颗粒沉降两相都运动，但保持一定的相对速度就流体对颗粒的作用力面言，只要相对速度相同，三者无本质区别。假设颗粒静止，流体绕流比较名称感兴趣区别颗粒对流体的作用力阻力阻力损失（外部问题）作用力的效果流体对颗粒的作用力曳力阻力大小（内部问题）作用力的本身精品资料四、颗粒与流体相对运动(xiānɡduìyùndònɡ)时所受的阻力A、两种曳力（阻力(zǔlì)）表面曳力和形体曳力B、曳力与曳力系数研究表明：曳力系数精品资料实验(shíyàn)测定：Rep＜2Stokes区

2≤Rep＜500Allen区

500≤Rep＜2×105

Newton区

对于(duìyú)球形颗粒说明边界层开始脱体，形体曳力增大注意精品资料第二节重力(zhònglì)沉降一、静止流体中颗粒的自由(zìyóu)沉降重力场中分析：静止流体中，颗粒在重力(或离心力)作用下将沿重力方向(或离心力方向)作沉降运动。设颗粒的初速度为零，起初颗粒只受重力和浮力的作用。如果颗粒的密度大于流体的密度，作用于颗粒上的外力之和不等于零，颗粒将产生加速度。但是，一旦颗粒开始运动，颗粒即受到流体施予的曳力。精品资料A、受力分析(fēnxī)重力(zhònglì)：浮力：曳力：精品资料B、重力(zhònglì)沉降的几个阶段沉降的加速(jiāsù)阶段：设初始速度为0，根据牛顿第二定律：沉降的等速阶段即：精品资料精品资料C、颗粒的沉降(chénjiàng)运动沉降的两个(liǎnɡɡè)阶段：加速阶段、等速阶段（1）流体静止：小颗粒加速阶段可以忽略，近似认为始终以速度沉降（2）流体水平运动：颗粒以与流体相同的速度水平运动，又以速度沉降（3）流体以一定的速度向上运动颗粒绝对速度精品资料D、沉降速度的计算(jìsuàn)与应用计算(jìsuàn)方程组非线性，须试差求解方法：①②无因次判据：K精品资料影响的因素与应用气体先冷后除尘，还是(háishi)相反？液体先冷后除尘，还是(háishi)相反？问题(wèntí)精品资料E、其它因素(yīnsù)对沉降速度的影响干扰沉降：相邻颗粒的运动改变了原来单个颗粒周围的流场，颗粒沉降(chénjiàng)相互干扰壁效应：壁面，底面处曳力↓颗粒形状：精品资料例5-1颗粒大小测定(cèdìng)已测得密度为ρp=1630kg/m3的塑料珠在20℃的CCl4液体中的沉降速度为1.70×10-3m/s，20℃时CCl4的密度ρ=1590kg/m3，粘度μ=1.03×10-3Pa/s，求此塑料珠的直径精品资料例5-2落球粘度计使用光滑小球在粘性液体中的自由沉降可以(kěyǐ)测定液体的粘度。现有密度为8010kg/m3、直径为0.16mm的钢球置于密度为980kg/m3的某液体中，盛放液体的玻璃管内径为20mm。测得小球的沉降速度为1.70mm/s，试验温度为20℃，试计算此时液体的粘度。测量是在距液面高度1/3的中段内进行的，从而免除小球初期的加速及管底对沉降的影响。当颗粒直径dp与容器直径D之比dp/D<0.1、雷诺数在斯托克斯定律(dìnglǜ)区时，器壁对沉降速度的影响可用下式修正精品资料精品资料二、沉降分离(fēnlí)设备基础：颗粒在外力的作用下产生沉降，且以两相为前提，按作用于颗粒的外力分：重力沉降设备、离心沉降设备A、降尘(jiàngchén)室1、结构特点精品资料降尘室的特点：1:容积一般较大；2:气速低；3:气流进出口采用流线型设计；4:通常可捕获(bǔhuò)>50μm颗粒。精品资料颗粒(kēlì)在降尘室的运动.swf精品资料在流体水平方向上颗粒的速度与流体速度相同，故颗粒在室内的停留时间也与流体质点相同。

在垂直(chuízhí)方向上，颗粒在重力作用下以沉降速度ut向下运动。气流速度(sùdù)和颗粒速度(sùdù)的关系Ut：可根据不同的情况，用公式求解。精品资料2.过程数学(shùxué)描述任一流体(liútǐ)质点（颗粒）的停留时间（水平）：位于降尘室最高点的颗粒降至室底所需时间(沉降时间，垂直方向)为：精品资料除尘(chúchén)条件：即：临界(línjiè)条件：处理能力：为满足除尘要求，气流的停留时间τr至少必须与颗粒的沉降时间τt相等，此式表明对一定物系，降尘室的处理能力只取决于降尘室的底面积，而与高度无关。精品资料①什么是“能100%除下的最小颗粒？”及②降尘室有隔板与无隔板时的之比有：无：讨论(tǎolùn)降尘室应设计成扁平形状，或在室内设置(shèzhì)多层水平隔板。是否是越多层越好？精品资料③能降下60%的颗粒粒径温度(wēndù)对降尘室生产能力的影响精品资料3、过程(guòchéng)计算小颗粒(kēlì)：7个变量，自由度为5设计型：操作型：精品资料例5-3降尘室空气处理能力的计算现有一底面积为2m2的降尘室，用以处理20℃的常压含尘空气。尘粒密度为1800kg/m3。现需将直径(zhíjìng)为25μm以上的颗粒全部除去，试求：(1)该降尘室的含尘气体处理能力，m3/s；(2)若在该降尘室中均匀设置9块水平隔板，则含尘气体的处理能力为多少m3/s？精品资料精品资料精品资料B、增稠器----分离悬浮液（连续生产(shēngchǎn)过程）悬浮液在任何设备内静置，均会发生沉降(chénjiàng)过程，其中固体颗粒在重力作用下沉降(chénjiàng)与液体分离精品资料工作(gōngzuò)原理：沉降的两个(liǎnɡɡè)阶段：上部----自由沉降下部----干扰沉降双重功能：得到澄清液体，产率取决于D器增稠悬浮液，必须有足够的停留时间絮凝剂精品资料问题(wèntí)：为什么要进行离心沉降？答：第三节离心(líxīn)沉降离心分离因数是表示离心力大小的指标一、离心分离因数精品资料二、离心(líxīn)沉降速度离心(líxīn)沉降速度：离心沉降速度的计算公式只将重力沉降速度g计算公式中的加速度改为离心加速度沉降方向不是向下，而是沿半径向外重力沉降速度不变，离心沉降速度随着颗粒在半径方向上的位置不同而变化小颗粒沉降时一般处于斯托克斯区，故精品资料旋流器：旋风(xuànfēng)和旋液分离器旋液分离器：用于液-固体系旋风(xuànfēng)分离器：用于气-固体系三、旋风(xuànfēng)分离器用途：适用于含颗粒浓度为0.01～500g/m3、粒度不小于5um的气体净化与颗粒回收操作，尤其是各种气-固流态化装置的尾气处理。旋风分离器

旋风分离器.swf精品资料严格地说，旋风分离器内气流的运动情况相当复杂。由于细粉的凝聚与分散，器壁对细粉的反弹作用(zuòyòng)以及粒子间的摩擦作用(zuòyòng)等原因，分离机理很复杂，理论上的研究从未停止过。含尘气体以较高的线速度切向进入器内，在外筒与排气管之间形成旋转向下的外螺旋(luóxuán)流场，到达锥底后以相同的旋向折转向上形成内螺旋(luóxuán)流场直至达到上部排气管流出。颗粒在内、外旋转流场中均会受离心力作用向器壁方向抛出，在重力作用下沿壁面下落到排灰口被排出。旋风分离器结构和工作原理：精品资料构造(gòuzào)圆筒部分：矩形(jǔxíng)进口管、圆形排气管、圆筒锥形部分：集尘室----灰斗工作原理含固体颗粒的气体由矩形进品管切向进入器内，以造成气体与颗粒的圆周运动，颗粒被离心力抛至器壁并汇集于锥形底部的集斗中，被净化后的气体从中央排气管排出。精品资料旋风(xuànfēng)分离器旋风(xuànfēng)分离器的离心分离因数约为5～2500，一般可分离气体中5～75μm直径的粒子。旋风分离器性能的评价指标分离效率气体经过旋风分离器的压降(1)在分离器内气流形成两个主旋涡(2)外旋涡造成的离心力将颗粒抛向器壁精品资料精品资料（1）临界(línjiè)粒径颗粒向器壁沉降时，必须穿过厚度等于整个进气口宽度(kuāndù)B的气体层，方能达到气壁面被分离。颗粒在stocks区，作自由沉降，其径向沉降速度可用stocks公式计算临界粒径的简化条件：进入旋风分离器的气流严格按螺旋形路线作等速运动，其切向速度等于进口气速

3.性能指标精品资料由以上(yǐshàng)假设：沉降(chénjiàng)时间：停留时间：除尘条件：精品资料讨论精品资料(2)旋风(xuànfēng)分离器的分离效率分离效率的表示(biǎoshì)方法粒径dpi的颗粒粒级效率：总效率是指被除下的颗粒占气体进口总的颗粒的质量分率，即总效率η0粒级效率ηi精品资料不同(bùtónɡ)粒径dpi的粒级与分离效率的关系精品资料总效率(xiàolǜ)与粒级效率(xiàolǜ)的关系为通常将经过旋风(xuànfēng)分离器后能被除下50%的颗粒直径称为分割直径dpc，某些高效旋风(xuànfēng)分离器的分割直径可小至3～10μm。精品资料阻力系数(xìshù)主要由旋风分离器的结构决定。同一结构型式、不论其尺寸大小，阻力系数(xìshù)接近定值。常用型号的旋风分离器值在5.0～8.0之间；入口气速，分离效率，但阻力，不经济。压降一般控制在0.5~2kPa左右(入口气速15～25m/s)，采取缩小直径、多台并联的方式满足分离效率与大气量的要求。(3)旋风(xuànfēng)分离器的压降精品资料4.旋风(xuànfēng)分离器的分类旋风分离器分类繁多，分类方法也各有不同。按结构形式可分为：长锥体、圆筒体、扩散式以及旁通式。我国已定型了多种旋风分离器，制定了标准系列，常用的有CLT、CLT/A、CLP/A、CLP/B以及CLK型等。对各种型号的旋风分离器一般以圆筒直径D来表示其各部分(bùfen)的比例尺寸，详细尺寸及性能指标可查阅有关资料手册。精品资料PV型粗旋风(xuànfēng)分离器PV型外置旋风(xuànfēng)分离器PV型一、二级旋风分离器PV型单级旋风分离器精品资料提高(tígāo)分离效率的措施缩小旋风分离器的直径采用较大的进口气速延长锥体部分的高度(gāodù)并联操作减少粉粒重新卷起------扩散式旋风分离器选用原则按气体处理量选用旋风分离器的尺寸系列选用与设计5.小结精品资料旋液分离器请同学(tóngxué)们自学精品资料五、沉降(chénjiàng)离心机适用于各种悬浮液或乳浊液、尤其是粒度细小、密度差不大的体系的分离(fēnlí)。离心分离(fēnlí)因素达50,000以上的超高速离心机甚至可以使不同分子量的蛋白质分子在具有密度梯度的溶液中分级。工业上常见的沉降离心机根据其结构形式可分为三大类，在此仅作一扼要介绍。精品资料A、管式离心机特点是转鼓(管)直径小、长度大、转速高、分离效率很高，可以处理颗粒粒径为0.01mm的悬浮液和难分离的乳浊液。可连续操作，悬浮液或乳浊液由转鼓下端加入(jiārù)，被转鼓内的纵向肋板带动迅速达到与转鼓同角速度旋转。在离心力作用下，颗粒或重液层甩向鼓壁由重液出口引出，轻液则从转鼓中心部位溢出。离心分离因数可达65,000，工业上可用于油水分离，实验室中可用于分离微生物和蛋白质。管式离心机示意图精品资料B、碟式离心机(薄层分离沉降离心机)转鼓内装有一叠随转鼓旋转的倒锥形碟片，碟片间隙为0.5～1.5mm，分离因素可达3000~10000。悬浮液由中心管引入转鼓，分配在碟片之间形成薄层流动。在离心力作用下，颗粒沉降到碟片内侧表面并向外滑动。清液则沿碟片外侧表面向内流动。碟片扩展了沉降面，缩短了沉降距离，故具有较大的生产能力(shēnɡchǎnnénɡlì)和较高的分离效率。适于处理粒径0.1～100mm、固含量小于25%的悬浮液。喷嘴排渣碟式离心机精品资料卧式螺旋卸料离心机示意图1－螺旋送料器；2－机壳；3－转鼓；4－行星差速器

C、螺旋卸料沉降离心机有卧式和立式两种。连续操作，悬浮液经加料管由螺旋内筒进料孔进入，随同转鼓高速旋转，固体沉降到鼓壁，由与转鼓有一定转速差的螺旋向小端输送并排出，清液则由转鼓大端溢流而出。分离(fēnlí)因素可达6000。可处理粒度2mm~5mm，固含量小于10%~50%，固液密度差大于0.05g/cm3的悬浮液。精品资料第二节固体(gùtǐ)流态化技术假设(jiǎshè)床层是由均匀颗粒组成的流体自下而上地流过颗粒层则根据流速的不同，会出现三种不同的情况固定床阶段流化床阶段颗粒输送阶段将大量固体颗粒悬浮于流支的流体中，并在流体作用下使颗粒作翻滚运动，类似于液体的沸腾，称为固体流态化。精品资料A、流态化现象(xiànxiàng)固定床阶段(jiēduàn)颗粒固定不动，颗粒层为固定床，床层高度为L0流化床阶段颗粒悬浮，流化床当，但有一明显的上界面颗粒输送阶段流化床的操作范围即空塔速度的上下限，精品资料B、两种不同流化(liúhuà)形式散式流化(liúhuà)聚式流化特点：固体颗粒均匀地分散在流化介质中流速增大时，床层膨胀，无汽泡产生，上界面清晰特点：床层内分为两相，界面不稳定乳化相：空隙小而固体浓度大的气固均匀混合构成的连续相气泡相：夹带有少量固体颗粒而以气泡形式通过床层的不连续相精品资料C、流化床的主要(zhǔyào)特性液体(yètǐ)样特性固体的混合固体的上升运动，伴随等量的固体作下降运动宏观上的均匀混合固体颗粒的强烈混合，是流化床的主要优点精品资料气流(qìliú)的不均匀分布和气-固的不均匀接触——流化床的严重(yánzhòng)缺点(1)腾涌或节涌(2)沟流流化床的不正常现象精品资料恒定(héngdìng)的压降A——空床截面积，m2；m——床层颗粒(kēlì)的总质量，kg；ρp、ρ——分别为颗粒(kēlì)与流体的密度，kg/m3。流化床的压降等于单位截面床内固体的表观重量(即重量－浮力)AB为固定床阶段，ΔP基本不变－－重要优点CD段向下倾斜，表观流速接近于某些颗粒的沉降速度（式5-37）精品资料第四节过滤一、悬浮液的过滤(guòlǜ)推动力：压力差，离心力，重力阻力：滤饼(lǜbǐnɡ)、过滤介质阻力精品资料A、过滤(guòlǜ)的两种方式（1）饼层过滤(guòlǜ)（滤饼过滤(guòlǜ)）（2）深层过滤（深床过滤）滤饼才是真正的过滤介质精品资料B、过滤(guòlǜ)介质（1）织物(zhīwù)介质：纤维（棉、毛、丝、麻等）、玻璃丝、金属丝等织成的滤布滤网（2）堆积的粒状介质：细纱、木炭、石棉、硅藻土等的颗粒状物质堆积而成。（3）多孔性固体介质：陶瓷，塑料及金属粉末烧成的多孔性板状或管状介质。选择：考虑滤液性质、颗粒含量及粒径范围，操作温度与压力、介质械强度与价格C、滤饼的压缩性与助滤剂（1）压缩性：不可压缩性滤饼：刚性可压缩性滤饼：（2）助滤剂：不可压缩的粉状或纤维状固体常见：硅藻土、活性炭、石棉等精品资料D、过滤(guòlǜ)过程中的物料衡算精品资料（2）干渣质量(zhìliàng)与滤液体积之比X——kg固体(gùtǐ)/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滤液精品资料二、过滤速率(sùlǜ)基本方程式A、过滤过程(guòchéng)的特点过滤速率----单位时间、单位过滤面积所得的滤液量（2）过滤速度慢---爬流，可用哈根－泊谡叶方程表征（1）非定态过程①滤饼厚度不断增加②在一定的精品资料B、过滤(guòlǜ)过程的简化（1）床层由许多互相平行(píngxíng)的细小孔道组成，孔道长度与床层高度成正比；（2）孔道内表面积之和等于全部颗粒的表面积；孔道全部流动空间等于床层空隙的容积。精品资料可见流体通过固定床的压降等同于流体通过一组当量(dāngliàng)直径为de、长度为l的细管的压降哈根－泊谡叶方程(fāngchéng)比例常数K‘与床层的空隙率、粒子形状、排列及粒度范围等因素有关。此处，K’=5∴每获得1m3滤液所形成的滤饼体积为υm3，则已知式中各项：求得u精品资料C、过滤速率(sùlǜ)基本方程式优点：同欧姆定律，串联时，过滤推动力与过滤阻力(zǔlì)均具有加和性精品资料影响阻力(zǔlì)的因素ppcpm滤液精品资料关于(guānyú)过滤常数K：精品资料三、恒压过滤(guòlǜ)两种典型过滤方式(fāngshì)：恒压