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1、第三章 沉降与过滤 叶园园、刘丽园、孙海玲、 刘月、张雪,基本要求,重点：过滤和沉降的基本理论、基本方程难点：过滤基本方程的应用、过滤设备,一、非均相物系的分离非均相物系： 气态非均相物系 液态非均相物系,分散物质或分散相分散介质或连续相,非均相物系分离的目的回收分散物质净制分散介质劳动保护和环境卫生,概 述,非均相物系的分离的分类,1、沉降法使气体或液体中的固体颗粒受重力、 离心力或惯性力作用而沉降的方法 ; 2、过滤法 利用气体或液体能通过过滤介质而固体颗粒不能穿过过滤介质的性质进行分离的方法。,自由沉降是指在沉降过程中，任一颗粒的沉降不因其他颗粒的存在而受到干扰。即流体中颗粒的浓度很低，
2、颗粒之间距离足够大，并且容器壁面的影响可以忽略。单个颗粒在大空间中的沉降或气态非均相物系中颗粒的沉降以及颗粒浓度很低的液态非均相物系中颗粒的沉降都可视为自由沉降。,自由沉降,沉降操作是靠重力的作用，利用分离物质与分散介质的密度差异，使之发生相对运动而分离的过程，在重力的作用下，发生的沉降过程称为重力沉降。,重力沉降,(2) 浮力,重力场,离心力场,(3)阻力,颗粒与流体的相对运动,表皮阻力与形体阻力,微元面所受力在垂直于流动方向上的分量沿颗粒表面的积分,绕流，形成边界层,(1) 重力,重力,离心力,2沉降速度与阻力系数,（1）重力沉降速度u0,重力-浮力-阻力=颗粒质量加速度,重、浮一定，u，
3、阻力 ，加速度,加速度=0时，u=u0沉降速度,（2）离心沉降速度,颗粒实际运动速度在径向上的分量,方向：由圆心指向外；,轨迹：逐渐扩大的螺旋线，,颗粒在旋转流体中的运动,（3）公式成立假定条件,其它因素对u0的影响,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,（4）阻力系数,因次分析,阻力系数Re0关系图,层流区(Stokes区),Stokes公式,可以从理论上推导出,可以近似用到Re0=2,表皮阻力占主导地位,不发生边界层分离,过渡区(Allen区),开始发生边界层分离,颗粒后部形成旋涡尾流,尾流区压强低形体阻力增
4、大,湍流区(牛顿区),形体阻力占主导地位，表皮阻力可以忽略,阻力u2,阻力系数与Re0无关,阻力系数骤然下降,层流边界层湍流边界层,分离点后移，尾流区收缩，形体阻力突然下降,近似取=0.1, Re02105,（5）沉降公式使用方法,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，Stokesu0 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(Re02105 ),重力沉降分离设备,1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dc的颗粒=1,如颗粒入器时均布，,与器壁距
5、离B的所有颗粒所占分率,ddc的,入器时如其BB，也可以被(100%)分离,由前式，能被(100%)分离颗粒的dB1/2,入器时距离B的，直径为d的都能被(100%)分离,所占分率为,总效率O：,被分离出来的颗粒点全部颗粒的质量分数,O与i,压降,能量损失,进气管、排气管、器壁、各各局部，气旋,常表示为,阻力系数实测,经验,过 滤,一 过滤基本原理,1 过滤,固液混合，外力驱动，多孔介质，颗粒截留，液体通过,说明：,名词：过滤介质；滤浆；滤渣(饼)；滤液,过程推动力：重力；压力(差)；离心力,滤饼过滤与深层过滤,操作目的：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,要求流动阻力小，
6、机械强度高,织物介质 滤布(织物、网)，5-65m，工业应用广泛,堆积介质固体颗粒或纤维等堆积，深层过滤,多孔固体介质：具有微细孔道的固体，1-3m,多孔膜：有机膜、无机膜。1 m以下,3滤饼的可压缩性和助滤剂,滤饼受压，流动阻力,助滤剂加入，使滤饼疏松而坚硬,2. 过滤介质,支撑滤饼或截留颗粒，通过滤液,二 过滤设备,1板框过滤机,横穿洗涤：,洗涤液由总管入板,滤布,滤饼,滤布,非洗涤板,排出,洗涤面=(1/2)过滤面积,洗涤液行程与滤液相同。洗涤面=过滤面,置换洗涤：,滤浆由总管入框,框内形成滤饼,滤液穿过饼和布,经每板上旋塞排出(明流),从板流出的滤液汇集于某总管排出(暗流),过滤,2转
7、筒过滤机,（1）结构与工作原理,水平转筒分为若干段，滤布蒙于侧壁,段管分配头转动盘(多孔)分配头固定盘,(凹槽2、凹槽1、凹槽3) 三个通道的入口,滤液真空管,洗水真空管,吹气管,工作过程跟综一段, 当浸入滤浆中时，对应滤布对应管转动盘孔凹槽2 滤液真空管 滤液通道过滤,当位于水喷头下，对应滤饼、滤布对应管转动盘孔凹槽1 洗水真空管 洗水通道洗涤,吹气管凹槽3转动盘孔 对应管滤布滤饼 压缩空气通道吹松, 遇到刮刀 卸渣,两凹槽之间的空白处：没有通道 停工两区不致串通,三 过滤基本理论,1. 颗粒床层的物理模型与基本参数,颗粒床层一组平行细管流体通道,细管内表面=床层颗粒的全部表面,细管的总体积
8、=床层空隙体积,基本参数,空隙率：床层的空隙体积/床层的总体积,比表面积S0：颗粒表面积/颗粒体积,孔道(细管)平均长度l：床层厚度，即l=K0L,孔道(细管)当量直径de：,滤液流速u1:,2. 过滤速度及其表达,(1)定义,A滤饼层总截面积；过滤时间；V滤液体积,说明,u1与u的关系,(2)过程推动力,滤浆侧和滤液侧的压差,滤饼压降,介质压降,(3) p1的表达Hagen-Poiseuille 方程,(4)滤饼层的阻力,l(L)，如p不变，则u 瞬时速度,恒压降速，恒速升压,说明,其中,滤饼的比阻,u=滤饼层推动力/滤饼层阻力。滤饼阻力滤饼层的性质及L；滤液的。,说明,(5)过滤介质的阻力
9、,近似：阻力厚度为Le的一层滤饼,(6)总推动力与总阻力,3 (恒压)过滤方程式,积分形式1,c、r、与时间无关,Ve、A、p常数,过滤常数（m2/s）,四 过滤计算,1间歇过滤机的计算,（1）操作周期与生产能力,操作周期总时间,总时间,过滤时间,洗涤时间,卸渣、清理、装合,设计和操作计算要基于C,生产能力：一个操作周期中，单位时间内得到的滤液或滤饼体积,已知K，qe，由过滤方程，FVF Q,（2）洗涤速率和洗涤时间,一般认为：洗涤液量滤液量，即,假定：洗涤液粘度与滤液相同；洗涤压力与过滤时相同,洗涤速率：单位时间内通过滤饼层的洗涤液体积,叶滤机的洗涤速率和洗涤时间置换洗涤,洗涤速率恒定滤饼厚
10、度不变,板框压滤机的洗涤速度和洗涤时间横穿洗涤,洗涤时间,（3）最佳操作周期,在一个操作周期中,R一般固定,F，V ，但上升幅度，Q可能,F ，V ，且下降幅度 ，Q可能,存在一个最优的过滤时间，使Q最大,可以证明： F + W= R，则Q可达最大,2连续过滤机的计算,(1)操作周期与过滤时间,间歇过滤机：部分时间，全部面积过滤,连续过滤机：部分面积，全部时间过滤,转筒过滤机，每秒n周,，则C=1/n,每圈用时,转筒表面浸入分数：,一个周期中全部面积经历过滤时间,部分面积，全部时间全部面积，部分时间,C,A,（2）生产能力,当滤布阻力可以忽略,QA，n,说明,，过滤面积 ，其它面积，操作不便,n ， F ，L ，难以卸渣，功率消耗,离心分离简介,旋风(液)分离器,利用混合物中不同成分所受离心力Fr不同,Fr源自物料以切线方向进入设备,离心机,Fr源自设备本身旋转,高速旋转的转鼓,转鼓直径、转速，则Fr ，分离效果,离心机的分离因数KC,其产生的离心加速度与重力加速度之比,常速（ KC 3000）高速（ 3000KC 500000 ）,（1）过滤式离心机,（2）沉降式离心机,（3）分离式离心机,谢谢欣赏！,
