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1、第三章沉降与过滤第一节概述一 非均相物系的分离 非均相物系 多相体系 分散相 分散物质 非均相物系中处于分散状态的物质 连续相 分散介质 非均相物系中处于连续状态的物质 非均相物系分离的目的 1 回收分散物质 2 净化分散介质 主要分离方法 1 沉降 利用分散物质受重力 离心力或惯性力作用 2 过滤 利用分散介质能通过过滤介质而分散物质不能通过 二 颗粒与流体相对运动时所受的阻力颗粒与流体有相对运动 流体会对颗粒产生作用力 只要相对运动速度相同 流体对颗粒的阻力就一样 阻力系数 无因次 流体密度 A dP2 4 颗粒在运动方向上的投影 u 相对运动速度 dP 颗粒直径 流体粘度 3 1 3 2
2、 阻力系数 Re0关系图 层流区 Stokes区 过渡区 Allen区 湍流区 Newton区 10 4 Re 2 2 Re 500 500 Re 2 105 3 3 3 4 3 5 第二节重力沉降 g作用下的沉降 一 沉降速度 一 球形颗粒的自由沉降 单个颗粒的沉降或沉降时颗粒之间不接触不碰撞 1 颗粒沉降运动中的受力分析 对dP P的球形颗粒 1 场力 2 浮力 3 阻力 3 6 3 7 3 8 颗粒为球形 颗粒沉降时彼此相距较远 互不干扰 容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略 颗粒直径不能小到受流体分子运动的影响 公式成立假定条件 2 颗粒重力沉降运动的基本方程式 3 9 3 10 3 颗粒沉
3、降速度 匀速沉降速度ut du d 0 3 11 3 14 3 13 3 12 层流区 Stokes区 过渡区 Allen区 湍流区 Newton区 二 沉降速度的计算 事前能够确认流动区域 直接用对应公式 流动区域不能确定 采用试差法 假定流动处于层流区 Stokes u0 Re0 2 yes 结束no 换用相应区域公式 u0 Re0 判断 修正 通过实验整理数据得到 Re 2 105 Ar 阿基米德数 用法 Ar Re u 三 影响沉降速度的其他因素 1 颗粒形状等效球径 当量球径 测定沉降速度 计算出相应的球直径 2 壁效应靠壁沉降速度小于自由沉降速度 3 干扰沉降受其他颗粒的影响 干扰
4、沉降速度小于自由沉降速度 二 降尘室 1 工作原理 气体入室 减速 颗粒的沉降运动 随气体运动 沉降运动时间 气体停留时间 分离 d 容易除去 50 气量V 容易除去 利用重力沉降分离气体中尘粒的设备 水平流动沉降室 2 能 100 被除去的最小颗粒直径dPC 100 去除 室顶到室底 所需沉降时间 H ut 若颗粒水平分速度与气体流速相同 则在室内停留时间 L u 分离满足的条件 H ut L u 分离所需最胝沉降速度 3 16 3 15 能被100 分离的最小颗径称为临界粒径 dpc临界颗粒的沉降速度utc 3 17 最低沉降速度 能被分离的最小颗径 层流区 Stokes 过渡区 Alle
5、n 湍流区 Newton 3 18 dpc utc与沉降室的底面积WL成反比 与沉降室的高度H无关 说明 dPc 颗粒 气体性质 气体处理量 底面积 考虑是dPc 一般认为处在层流区 3 最大处理量 说明 qV max 100 去除的 d A0 与H无关 qV max 某一粒径能100 被去除 4 补充说明 气体均布重要性 入口锥形 横截面大 操作气速低 不被卷起底面积大 分离效率高 qVs LWutc qVs固定时 高度H降低一倍 utc不变 则颗粒的沉降时间缩短一半 而气体流速u增加一倍 加隔板 横截面积不变 颗粒的水平流速不变 停留时间不变 L u 常数 因此原要求的H utc也不变 每
6、层高度降为H N 颗粒沉降高度降为1 N 临界颗粒的沉降速度为原来的1 N 层流时 临界颗粒的粒径降为原来的 即 降尘室计算 已知qVs 已知 已知 例1 重力沉降室H 2m W 2 5m L 5m 用来分离空气中密度为2000kg m3的粉尘 若空气的密度为0 779kg m3 粘度为2 53 10 5Pas 流量为12500m3 h 求粉尘的临界直径 若加隔板将沉降室分成九层 则临界直径又为多少 解 设沉降属层流区 加隔板 校验 若临界颗粒不变 流量为 三 悬浮液的沉聚沉聚 大型容器里的悬浮液中的固体颗粒在重力下沉降得到澄清液与稠浆的操作 该容器若处理低浓度颗粒的悬浮液而得澄清液者称澄清器
7、 若处理高浓度悬浮液而得稠浆者则称增稠器 一 增稠器 转速很低 溢流 增稠压缩区 底流 d 10 100m0 3 1 0m深 二 絮凝剂溶胶 含有颗粒直径小于1 m的液体分散体系 多相体系 分散介质为液体 絮凝剂 能促进溶胶中颗粒絮凝 合并或聚集成较大颗粒 的物质明矾 三氧化铝 绿矾 硫酸亚铁 三氯化铁 高分子絮凝剂 无机絮凝剂用量 40 200mg kg 作业 125页 3 2 3 4题 谢谢 第三节离心沉降依靠离心力的作用 使流体中的颗粒产生沉降运动 实际上 就是加大 g 加快沉降过程 一 离心分离因素 离心力 N 转速 3 19 3 18 离心分离因素Kc 同一颗粒受的离心力与重力之比
8、表示离心力的大小 二 离心沉降速度 3 20 颗粒在径向沉降方向上的受力分析 1 场力 离心力 2 浮力 向中心 3 阻力 向中心 平衡时 与3 11式相似 由取代了g 离心沉降速度随颗粒在半径方向上的位置不同而变化 用于小颗粒 所受阻力处于Stokes区 3 21 dr d 随r的增大而增大 三 旋风分离器 用于气固 气液分离 圆筒 圆锥 矩形切线入口 颗粒 器壁 滑落 各部分尺寸 按比例 见教材107页图3 9 一 构造与原理 二 临界粒径 能被分离出的最小颗粒直径 临界直径dc 假定 Ut保持不变 ui 穿越最大气层厚 b 碰壁失去能量沿壁而下 相对运动为层流 Stokes公式可用 将g
9、换为 rm 平均旋转半径 颗粒沉降速度 由假设 2 沉降时间 其穿越b所需时间 停留时间 某一粒径能 100 被分离出的条件 3 25 一般取n dc 气体性能 结构 处理量 b小 dpc也小 假定勉强 粗略估计 三 压力损失 3 26 3 27 由若干个小型分离器并列来代替一个大的分离器 提高分离效率 压力损失一般为1 2kPa 能分离粒径为5 200 m 所以除尘系统一般工艺为重力降尘室 旋风分离器 袋滤器 p f u 进口气速相同 压力损失相同 以及b小dpc也小可知 四 旋液分离器 分离悬浮液 同旋风分离器 只是尺寸小 Dc 75 300mmU液 5 15m s p 50 200kPa
10、dP 10 40 m 五 沉降式离心机 D 75 150mm 长度150mm 转速15000r min Kc 13000 105 处理量 0 2 2m3 h 一 管式离心机 二 碟式离心机 三 螺旋式离心机 KC 700 直径200 800mm30 150片间隙0 15 1 3mm 处理乳浊液叶片上开有小孔 处理悬浮液无孔或有喷嘴排渣口 直径300 1300mm用于悬浮液KC 600 作业 P125 3 5题谢谢 第四节过滤过滤 将含有固体颗粒的非均相物系通过多孔性材料分离出固体颗粒的操作 固液混合 外力驱动 多孔介质 颗粒截留 液体通过 名词 过滤介质 滤浆 滤渣 饼 滤液 过程推动力 重力
11、 压力 差 离心力 操作目的 获得固体或清净的液体 洗涤 回收滤饼中残存的滤液或除去其杂质 一 悬浮液的过滤 一 两种过滤方式 1 深层过滤 特点 颗粒小 小于过滤介质的孔道直径 而少 0 1 过滤介质为较厚的粒状床层 孔道细长弯曲 不形成滤饼 颗粒靠静电或分子间力附着在孔道壁上 2 滤饼过滤 大颗粒被截留在过滤介质表面并沉积形成滤饼层 而成为有效的过滤介质 小颗粒进入过滤介质孔道并附着 产生 架桥现象 二 过滤介质 支撑滤饼或截留颗粒 通过滤液 要求流动阻力小 机械强度高 织物介质 滤布 织物 网 5 65 m 工业应用广泛 多孔膜 有机膜 无机膜 1 m以下 堆积介质 固体颗粒或纤维等堆积
12、 深层过滤 多孔固体介质 具有微细孔道的固体 1 3 m 选择 悬浮液液体性质 固体颗粒含量与粒度 操作压力及温度 过滤介质的机械强度与价格 等 三 助滤剂 滤饼受压 空隙率 流动阻力 助滤剂 加入 使滤饼疏松而坚硬 1 硅藻土 2 珍珠岩 3 石棉 4 炭粉 纸浆粉使用方法 1 助滤剂单独配成悬浮液 预过滤 在过滤介质表面形成助滤剂层 2 以 0 5 的比例加入滤浆 一起过滤 用于非回收滤渣的情况 四 固体量 滤液量与滤渣量的关系 3 28 C kg 湿滤渣 含1kg固体 干渣 M湿滤渣 所含M干渣C 1 kg 湿滤渣所含滤液 含1kg固体 干渣 c 湿滤渣密度 P 干滤渣密度 液体密度 1
13、 由滤饼的 湿渣体积 干渣体积 液体体积 kg干渣 得湿渣密度 悬浮液 滤液 密度 体积V 湿滤渣 密度 C 液体干渣 密度 P kg kg m 3 3 湿滤渣质量与滤液体积的比值为 C kg 干渣 m3 滤液 kg 湿渣 kg 干渣 kg湿滤渣 m3滤液 4 单位体积滤液所含湿滤渣的体积 3 30 kg湿滤渣 m3滤液 kg湿滤渣 m3湿滤渣 m3湿滤渣 m3滤液 二 过滤速率基本方程式过滤速率 单位时间内滤过的滤液体积 dV d m3 s过滤速度 单位面积的过滤速率 dV Ad m s u 过滤推动力 过滤阻力 Rc RmRc 滤饼阻力Rm 过滤介质阻力一定时 随阻力增大 过滤速度下降 要
14、保持过滤速度 要增大 所以 u 过滤推动力 过滤阻力 3 33 Rc 以层流流动来描述滤液通过滤饼的流动 u 滤液在滤饼层毛细孔道内的流速 dV d u dV Ad d 毛细孔道的平均直径 对一定的滤饼层为定值l 毛细孔道的平均长度 滤饼厚度L L VC A l VC A 通过滤饼推动力 pc 滤饼阻力 Rc r VC A r 滤饼的比阻滤饼体积VC vV RC r vV A 过滤介质阻力看作滤液量Ve时所形成的滤饼层阻力 Rm r vVe A 干饼体积 VC VV滤液体积 所以 或 p pc pm 过滤推动力r 32 d2 单位过滤面积上的滤饼为1m3时的阻力 称为滤饼的比阻 1 m2 3
15、38 3 37 要提高dV d 提高 p 或提高温度以降低 或选用阻力低的过滤介质 V 的显函数关系式 由式 3 38 在不同条件下积分而得 因过滤机多在恒压下操作 恒压过滤 三 恒压过滤 一 滤液体积与过滤时间的关系恒压过滤时 V 的关系曲线可以实测得到 r 与时间无关 Ve A p常数 令 3 39 3 40 3 41 令 q V A qe Ve A K qe称为过滤常数 由实验测得 对应于过滤介质的虚拟滤液体积 二 过滤常数的测定恒压过滤方程式线形化 方程两边同除以Kq 3 42 直线斜率 1 K q q作图 对应q算出一系列 q 连续测定 q 截距 2qe K 例3 7 就3 5题计算过滤面积 P118 120 四 过滤设备 一 板框压滤机 1 结构与工作原理 1 非洗涤板 2 框 3 洗涤板 四角均开孔 组装 1 2 3 2 1 2 3 2 1 2 3 2 1 滤布 框的两侧 横穿洗涤 置换洗涤 洗涤液行程与滤液相同 洗涤面 过滤面 说明 间歇操作 过滤 洗涤 卸渣 整理 装合 二 转筒真空过滤机 1 结构与工作原理 2 生产能力 单位时间获得的滤液量Q N 转速 1 s 浸液率 若不计过滤介质阻力 有 3 48 3 49 3 43 三 离心过滤机 1 悬框式离心机 2 往复活塞推渣离心机 3 离心力自动卸料离心机 锥篮离心机 作业 125页 3 6 3 7题 谢谢
