演示文稿化工原理沉降与过滤

演示文稿化工原理沉降与过滤当前第1页\共有75页\编于星期二\10点化工原理沉降与过滤当前第2页\共有75页\编于星期二\10点分散相：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当前第3页\共有75页\编于星期二\10点非均相物系分离：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：当前第4页\共有75页\编于星期二\10点

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。当前第5页\共有75页\编于星期二\10点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（dragforce)或阻力。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。颗粒相对于流体的运动当前第6页\共有75页\编于星期二\10点

ρ——流体密度；μ——流体粘度；

dp——颗粒的当量直径；

A——颗粒在运动方向上的投影面积；

u——颗粒与流体相对运动速度。

——阻力系数，是雷诺数Re的函数，由实验确定。颗粒所受的阻力Fd可用下式计算当前第7页\共有75页\编于星期二\10点球形颗粒的阻力系数与雷诺数的关系当前第8页\共有75页\编于星期二\10点

层流区（斯托克斯Stokes区，10-4<Re<2）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，2<Re<500）湍流区（牛顿Newton区，500<Re<2*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：当前第9页\共有75页\编于星期二\10点第二节重力沉降一、重力沉降速度（一）球形颗粒的自由沉降自由沉降：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u重力Fg阻力Fd浮力Fb当前第10页\共有75页\编于星期二\10点u重力Fg阻力Fd浮力Fb当前第11页\共有75页\编于星期二\10点重力沉降速度: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。当前第12页\共有75页\编于星期二\10点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（Re<2）过渡区（2<Re<500）湍流区（500<Re<2*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。当前第13页\共有75页\编于星期二\10点（二）沉降速度的计算假设流体流动类型；计算沉降速度；计算Re，验证与假设是否相符；如果不相符，则转①。如果相符，OK!求沉降速度通常采用试差法。当前第14页\共有75页\编于星期二\10点例：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1.005×10-3Pas先设为层流区。

当前第15页\共有75页\编于星期二\10点（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。当前第16页\共有75页\编于星期二\10点1)颗粒直径dp应用：啤酒生产，采用絮状酵母，dp↑→ut↑↑，使啤酒易于分离和澄清。均质乳化，dp↓→ut↓↓，使饮料不易分层。加絮凝剂，如水中加明矾。2)连续相的粘度：应用：加酶：清饮料中添加果胶酶，使

↓→ut↑，易于分离。增稠：浓饮料中添加增稠剂，使

↑→ut↓，不易分层。加热：3)两相密度差(

p-)：影响沉降速度的因素总结(以层流区为例)

当前第17页\共有75页\编于星期二\10点4)

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非球<ut球。对于细微颗粒(d<0.5m)，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：当前第18页\共有75页\编于星期二\10点6)干扰沉降（hinderedsettling）：

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

(walleffect)：

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。当前第19页\共有75页\编于星期二\10点二、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，分离粒径较大的尘粒。降尘室的示意图当前第20页\共有75页\编于星期二\10点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t＝H/ut颗粒分离出来的条件是L/u≥H/utLHW净化气体含尘气体uut当前第21页\共有75页\编于星期二\10点即：满足L/u＝H/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/

WLut≥qVs/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（criticalparticlediameter）：能100％除去的最小粒径。当前第22页\共有75页\编于星期二\10点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：当前第23页\共有75页\编于星期二\10点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：多层隔板降尘室示意图含尘气体粉尘隔板净化气体尘粒沉降高度为原来的1/N倍；utc降为原来的1/N倍(utc=qVs/bl)；临界粒径为原来的倍()；一般可分离20μm以上的颗粒。多层隔板降尘室排灰不方便。当前第24页\共有75页\编于星期二\10点（二）沉降槽（增稠器）1.

悬浮液的沉聚过程当前第25页\共有75页\编于星期二\10点2.

沉降槽（增稠器）当前第26页\共有75页\编于星期二\10点第三节离心沉降一、离心沉降速度（一）沉降过程切向速度u径向速度ur合成u合

合当前第27页\共有75页\编于星期二\10点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当前第28页\共有75页\编于星期二\10点注：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:当前第29页\共有75页\编于星期二\10点层流区（斯托克斯Stokes区，10-4<Re<2）过渡区（艾仑Allen区，2<Re<500）湍流区（牛顿Newton区，500<Re<2*105）当前第30页\共有75页\编于星期二\10点重力沉降速度ut离心沉降速度ur方向向下，大小不变径向向外，随r变化层流（二）离心分离因数离心分离因数（separationfactor）Kc：离心力与重力比。

Kc=Rω2/g当前第31页\共有75页\编于星期二\10点二、离心沉降设备（一）旋风分离器1.结构与工作原理

KC为5~2500，可分离气体中5~75m的颗粒。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；结构：外圆筒；内圆筒；锥形筒。当前第32页\共有75页\编于星期二\10点含尘气体从圆筒上部长方形切线进口进入。入口气速约为15～20m/s。含尘气体沿圆筒内壁作旋转流动。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，旋转半径缩小而切向速度增大，气流与颗粒作下螺旋运动。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；固相沿内壁落入灰斗。外圆筒内圆筒锥形筒切向入口关风器(防止空气进入)含尘气体固相净化气体外螺旋内螺旋工作过程当前第33页\共有75页\编于星期二\10点标准旋风分离器的尺寸H1H2SBDD1hui当前第34页\共有75页\编于星期二\10点2.临界颗粒直径uib假设：切向速度ut=进口速度ui

颗粒沉降的最大距离b

层流rm——平均旋转半径能够100％除去的最小粒径。当前第35页\共有75页\编于星期二\10点n——旋转圈数沉降时间：停留时间：沉降分离条件：沉降速度：当前第36页\共有75页\编于星期二\10点临界颗粒直径：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当前第37页\共有75页\编于星期二\10点3.气体通过旋风分离器的压力降一般p=0.3~2kPa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；旋转中动能损失造成气体压力降：由于:当前第38页\共有75页\编于星期二\10点圆筒直径一般为200～800mm，有系列尺寸。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，dpc50=1~2m。主要技术参数当前第39页\共有75页\编于星期二\10点例：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/m3，试计算临界粒径。并计算压损。解：20℃，0.101Mpa时空气的：

=1.21kg/m3，=1.81×10-5Pas1、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)×20D=1.041m

取D=1100mm旋风分离器的选用当前第40页\共有75页\编于星期二\10点此时3、求dpc当前第41页\共有75页\编于星期二\10点4、求p当前第42页\共有75页\编于星期二\10点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粒径较小。旋风分离器的使用当前第43页\共有75页\编于星期二\10点双联四联

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。当前第44页\共有75页\编于星期二\10点(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。当前第45页\共有75页\编于星期二\10点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。当前第46页\共有75页\编于星期二\10点

液体的粘度约为气体的50倍，液体的(ρp-ρ)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75～300mm。悬浮液进口速度一般为5～15m/s。压力损失约为50～200kPa。分离的颗粒直径约为10～40m。主要技术参数当前第47页\共有75页\编于星期二\10点(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。当前第48页\共有75页\编于星期二\10点特点：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-bowlcentrifuge）当前第49页\共有75页\编于星期二\10点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ρ的与密度为ρp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ω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。当前第50页\共有75页\编于星期二\10点

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，例如淀粉的分离。2碟式离心机（disk-bowlcentrifuge）当前第51页\共有75页\编于星期二\10点工作原理：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-typecentrifuge）当前第52页\共有75页\编于星期二\10点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。当前第53页\共有75页\编于星期二\10点过滤操作示意图(滤饼过滤)滤浆(slurry)：原悬浮液。滤饼(filtercake)：截留的固体物质。过滤介质(filteringmedium)：多孔物质。滤液(filterate)：通过多孔通道的液体。当前第54页\共有75页\编于星期二\10点一、悬浮液的过滤推动力：压力差，离心力，重力阻力：滤饼、过滤介质阻力当前第55页\共有75页\编于星期二\10点（一）两种过滤方式1.滤饼过滤当前第56页\共有75页\编于星期二\10点2.

深层过滤当前第57页\共有75页\编于星期二\10点（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、无机膜当前第58页\共有75页\编于星期二\10点（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C——kg湿渣/kg干渣当前第59页\共有75页\编于星期二\10点（2）干渣质量与滤液体积之比X——kg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滤液当前第60页\共有75页\编于星期二\10点二、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dd当前第61页\共有75页\编于星期二\10点孔道长度孔道中流速与过滤速度的关系过滤速度dL当前第62页\共有75页\编于星期二\10点令——滤饼的比阻单位厚度滤饼的阻力；在数值上等于粘度为1Pa·s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ε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。当前第63