三章沉降与过滤课件教程文件

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1、第三章 沉降与过滤,概述：混合物分类,非均相物系分类法一般用机械分离法，使分散相与连续相发生相对运动，从而分离。,重力沉降及离心沉降可用于分离气态及液态非均相； 过滤多用于液态非均相，包括加压，减压，常压及离心过滤。 分离目的：回收有价值的物质，净化空气，保护环境，中药制药 应用过滤非常多。,颗粒与流体相对运动时所受的阻力,当流体以一定速度绕过静止的固体颗粒流动时，由于流体的黏性，会对颗粒有作用力。反之，当固体颗粒在静止的流体中移动时，流体同样会对颗粒有作用力。这两种作用力性质相同，统称为阻力。只要颗粒与流体之间有相对运动，就会产生阻力。不同的相对运动，相对运动速度相同，流体对颗粒的阻力相同。

2、 流体密度：，黏度：m,颗粒直径dp,，颗粒在运动方向上的投影面积：A，颗粒与流体相对速度u,z是量纲为一的量，是流体相对于颗粒运动时的雷诺数的函数 不同流体流动类型z值与Re之间的计算式表示为：,公式推导：球形颗粒直径d，密度S，连续相密度，阻力系数，沉降速度ut,说明：适用于光滑的球形颗粒的自由沉降，称为自由沉降速度公式。 所计算速度为匀速速度（a=0） 为阻力沉降系数,2、 阻力沉降系数计算 对于球形颗粒，将不同Re范围的阻力系数计算式代入上式得：,层流区,斯托克斯公式,过渡区,阿伦公式,湍流区,牛顿沉降公式,斯托克斯公式适用条件,特例：当s时，,（滞流层）,牛顿沉降公式中 适用于大颗粒

3、沉降Re500 球形：=0.44 圆柱形：=1.0 圆盘形：=1.2,3、Ut计算方法,因计算ut需知Re，而,，则计算方法,（1）试差法： 假设某一流型，用相应公式计算ut 再计算Re，检验Re是否属于该流型范围，不符，再设流型再计 算直到合适。,3、非球形颗粒的自由沉降 d用当量直径de代替，用不同球形度下s代替,s：代表球形度，也叫形状系数，表征颗粒形状与球形颗粒的差异度。,SP真实颗粒表面积 S与SP真实颗粒体积相等的球型颗粒表面积 de：代表当量直径，即与真实颗粒SP体积相等的圆球直径，即,VP：任意形状的颗粒体积， 不同s下的Re，曲线不同。,4、影响沉降速度的其它因素,以上的沉降

4、过程为在重力作用下球形颗粒的自由沉降： 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。 在实际情况中还需考虑以下因素的影响： （1）、颗粒形状 颗粒形状偏离球形越大，其阻力系数就越大。 （2）、壁效应 当颗粒靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，沉降速度比自由沉降速度小，这种影响称为壁效应。 （3）干扰沉降 当非均相物系中颗粒较多，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速度小。,二、 降尘室,重力沉降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

5、粒。本节介绍典型的水平流动型降尘室。（书图3-3）颗粒能够沉降到集尘斗中有什么条件呢？ 颗粒在降尘室中的沉降时间小于停留时间时，颗粒在流体离开降尘室前即可沉降到降尘室的底部。 即：停留时间沉降时间,t与设备尺寸及处理量有关，与颗粒性质无关；,注意：当某直径的颗粒满足t0时，它能够被完全（100%）地分离；当某直径的颗粒满足t0时，它不是不能被分离，仍然可以被分离，只不过是不能被完全分离。 讨论： （1）降尘室的生产能力：,停留时间最短为t=0 =H/u0，即最大生产能力为qV=BLu0 ；故生产能力与降尘室的底面积BL有关而与降尘室的高度无关，因此，降尘室多制成扁平型或多层。,（2）降尘室生产

6、能力与设备高度无关，那么降尘室的高度是否越小越好呢？,H时，根据,若u不变，则L，生产能力qv=BLu0；为保证生产能力不变，必须B；降尘室变得短而宽，气体进入降尘室还未稳定就离开降尘室了，气体在降尘室内的分布不均匀造成分离能力下降；所以在降尘室的前后均有渐缩和渐扩装置； 若L不变，u，生产能力不变；若流速太大，则沉降后的颗粒被重新扬起，分离效率，故应保证气体流动维持层流状态，一般u 10m（75m效果较好）。,（4）t0在设计中是确定降尘室主要结构尺寸的依据，在操作中是确定所能完全分离最小颗粒直径的判据。当斯托克斯定律适用时，颗粒在降尘室中作自由沉降，处理量为qv时能分离出的颗粒的最小直径d

7、min为：,qv一定,dmin、u0与降尘室的底面积A0成反比，与H无关，当dmin、u0一定， qv与A0成正比。 降尘室的形状：扁平状 多层隔板降尘室：图3-5，水平隔板分为N层，层高：H/N 气体流动截面积未变，水平流速不变，颗粒停留时间不变。 颗粒沉降高度：原来的1/N，u0为原来的1/N ，dmin为原来的,优点：能分离更小的颗粒（20m）缺点：降尘排灰不方便,降尘室的计算： A、已知qv,物性数据:、s及dmin,计算降尘室的底面积A0 B、已知A0、物性数据： 、s及dmin,计算qv B、已知A0、物性数据： 、s及qv,计算dmin,例题：用高2m、宽2.5m、长5m的重力降

8、尘室分离空气中的粉尘。在操作条件下空气的密度为0.779kg/m3，黏度为2.5310-5Pas，流量为1.2510-4m3/h。粉尘的密度为2000kg/m3。试求完全能分离的粉尘的最小直径。,解：已知qv= 1.2510-4m3/h,=0.779kg/m3, =2.5310-5Pas, s= 2000kg/m3,A0= 2.5m 5m,三、沉降设备 工业液体沉降目的为浓缩及澄清两类 浓缩：目的是增稠：所用设备为增稠器（要颗粒） 澄清：目的是除去悬浮物：所用设备为澄清器（要连续相）,连续式增稠器结构： 槽为圆筒形，底圆稚形，中心有一进料筒， 进料筒插入悬浮区，上清液从槽上部溢出，底部由耙耙向

9、稚形底部，由排泥口排出，耙运动缓慢，可连续加料，连续排泥及溢流。 多层沉降槽结构：分几层，为几个单层沉降槽叠放，设计复杂，要求高，占地面积小，节约空间，节约材料，操作控制复杂。 沉降过程可分为四个区： 清液区 均一浓度区 不均匀浓度区（浓度与颗粒不均匀区） 粗料固体区（压缩区） 沉降终了时只剩下清液区及粗料固体区。,第二节 离心沉降,离心沉降是靠惯性离心力作用而实现的沉降过程。 特点：沉降速度快，分离效果好 主要设备： 分离气固非均相混合物设备：旋风分离器 分离液固非均相混合物设备：旋液分离器，沉降离心机,一、离心力作用下的沉降速度,当一个球形颗粒绕中心轴作圆周运动时，就产生惯性离心力。 如图

10、：球体直径为d，切向运动速度为ut，球体距中心o点的距离为r，球形颗粒s，流体。,则颗粒在图示位置受三个力作用,达平衡时，颗粒在径向上相对于流体的运动速度就是离心沉降速度ur 惯性离心力向心力=阻力,当作用力等于阻力时，代入整理可得离心沉降速度ur,离心沉降速度在径向上颗粒相对于流体的运动速度。,上式中：ut及r均为变量，则ur也为变量ur，ut方向均在变化，颗粒运动轨迹为u方向，绝对速度方向。,对层流：,代入则,适于小颗粒球形,与重力沉降,比较,则,Kc叫离心分离因数，表明同一颗粒在同一介质中离心场强度与重力场强度之比，无因次，是离心分离设备的重要性能参数。,在离心沉降时，重力沉降同时存在，

11、但urut。则忽略重力沉降。 比较ur，ut： ur是颗粒绝对运动速度在径向上的分量，方向沿径向向外，随r方向及大小而变化，不是恒值。 ut：恒值，方向向下 示例：一个颗粒作离心沉降，切向速度为20m/s，旋转半径r=0.04m，计算其离心分离因数Kc。 解：,影响ur因素,注意：离心沉降与重力沉降的类比。比较ur，ut： ur是颗粒绝对运动速度在径向上的分量，方向沿径向向外，随r方向及大小而变化，不是恒值。由于颗粒和流体同时做圆周运动，颗粒的实际运动轨迹是一个半径逐渐扩大的螺旋线。离心沉降速度并不是颗粒的实际运动速度，只是其在径向上的分量。 ut：恒值，方向向下,二、 旋风分离器,结构：上部

12、圆柱形，下部圆锥形，进气 口、排气口、出尘口、灰斗组成。 工作流程： 含尘气体由进气口自切线方向进入，受器壁约束向下作螺旋形运动，叫外旋流，其上部为主要除尘区。 颗粒在惯性离心力作用下被甩向器壁汇聚于锥底。 净化后气体在中心轴附近由下而上作旋转运动，由顶部排出，叫内旋流，与外旋流方向相反。 惯性离心力强度在器壁处最大，中心轴最小。,（1）结构与工作原理,2、旋风分离器的性能： （1）临界直径：当沉降时间与停留时间相等时所能完全分离的颗粒直径为最小直径。,离心沉降时间为：,标准旋风分离器结构尺寸： 进气口长hD/2；宽BD/4； 圆柱筒直径为D；圆柱筒高L=D; 圆锥筒高H2D； 排沉口直径D/

13、2； 排气口直径D/2；排气口底部与进气口底部距离sD/8,式中：,物性参数 B旋风分离器进气口宽度（D/4） Ne气体在旋风分离器内外旋气流有效旋转圈数 ，标准旋风分离器为5。 umt平均切向速度，近似等于进口气速ui，一般1525m/s。,讨论： B，D，dc，效率；在生产能力相同条件下，有一台大旋风分离器和若干台小旋风分离器（进口气速一样），应采用哪种方案？ ui，dc，效率，但阻力；旋风分离器的进口气速应适当选择，不宜太高也不宜太低。 dc不仅与颗粒和气体的性质有关，而且与旋风分离器的结构和处理量有关。处理量越大、颗粒密度越大、进口越窄、长径比越大（N越大），则临界直径越小，分离性能越

14、好。,（2） 分离效率 粒级效率、总效率 含尘气体中所有颗粒经分离器后被分离出的质量百分数0 ，称为总效率 :,含尘气体中某一粒径的颗粒经分离器后被分离出的质量百分数pi ，称为粒级效率:,其中c为质量含量，g/m3；i表示直径为di的颗粒。,讨论： 若两台旋风分离器的总效率相同，他们的分离性能是否相同？含尘气体中颗粒的大小范围不同，临界直径不同，因此采用粒级效率才能更准确地评价分离器的效率。 d dc时，pi =100%， d dc的颗粒能否被分离？能,不能被完全分离即pi 100% 。, pi与0的关系,（3） 压力降（阻力损失） 通常压降用入口气体动压ui2/2的倍数来表示：,对标准型旋

15、风分离器,处理量越大、颗粒密度越大、进口越窄、长径比越大、减小排气管直径、缩小旋风分离器直径等等均能提高分离性能，但同时也增加的阻力损失，在旋风分离器的选型上应充分考虑阻力的影响。,三、 旋液分离器,旋液分离器的工作原理及计算与旋风分离器类似。与旋风分离器相比，旋液分离器的直径较小？较大？气固密度差大而液固密度差较小，为获得较高的离心力，旋液分离器的直径通常较小。,四、 沉降方法的选择,气体干法净制：利用微粒受重力、离心力或惯性力分离 气体湿法净制：与水或其他液体接触而吸附其中的固体颗粒 气体电净制：高压电场、气体分子电离、灰尘微粒带电沉降 在电极上 重力沉降（75m） 初步净化 惯性分离（

16、15m ） 折流挡板（通过撞击而分离） 离心沉降（110m ） 中等净化 袋式除尘器（1m） 布袋、玻璃纤维布作为过滤介质 电除尘,作业P125: 3-4, 3-5,第四节 过滤（Filteration）,3.1.1 概述 过滤是在外力作用下，利用过滤介质使悬浮液中的液体通过，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的一种单元操作。过滤介质具有多孔结构，可以截留固体物质，而让液体通过；我们把待过滤的悬浮液称为滤浆（Slurry），而过滤后分离出的固体称为滤渣或滤饼（Filter cake），通过过滤介质的液体称为滤液（Filtrate）。 （1）过滤介质（Filter medium）： 过滤介质应具有以下特性：多孔性，足够的机械强度，尽可能小的流动阻力，耐腐蚀性，耐热性，易于再生。 工业上常见的过滤介质：织物介质、堆积介质、多孔固体介质、多孔膜。,（2）过滤分类： 深层过滤（Deep bed filteration）粒状床层孔道为有效过滤介质（的过滤）。当悬浮液中所含颗粒