3过滤和沉降培训讲学

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1、 通过本章的学习，要重点掌握沉降和过滤这两种机械分离通过本章的学习，要重点掌握沉降和过滤这两种机械分离操作的原理、过程计算、典型设备的结构与特点，能够根据生操作的原理、过程计算、典型设备的结构与特点，能够根据生产工艺要求，合理选择设备类型和尺寸。产工艺要求，合理选择设备类型和尺寸。 第三章 机械分离1. 1.本章学习目的本章学习目的a . a . 沉降分离（包括重力沉降和离心沉降）的原理、过程计算、沉降分离（包括重力沉降和离心沉降）的原理、过程计算、旋风分离器的选型。旋风分离器的选型。2. 2.本章应掌握的内容本章应掌握的内容 b .b .过滤操作的原理、过滤基本方程式推导的思路，过滤操作的原

2、理、过滤基本方程式推导的思路，恒压过滤恒压过滤的的计算、过滤常数的测定。计算、过滤常数的测定。物系内各处组成均匀且不存在相界面：如溶液及混合气体。一混合物的分类概述:2非均相混合物（物系）1均相混合物（物系）采用传质分离方法。非均相物系中存在相界面，且界面两侧物料的性质不同。根据连续相状态的不同，非均相混合物又可分为两种类型：（1 1）气态非均相混合物气态非均相混合物：如含尘气体、含雾气体等；：如含尘气体、含雾气体等；（2）液态非均相混合物：如悬浮液、乳浊液、泡沫液等。工业上一般采用机械分离方法将两相进行分离，即造成分散相和连续相之间的相对运动。分散相（分散物质）连续相（分散介质）含尘气流尘粒

3、气体气固非均相悬浊液固体颗粒液体（水）液固非均相A固体+B固体A、B固固非均相乳化油水（当水/油量小）油液液非均相含油废水油（当油/水量小）水液液非均相硫酸雾硫酸液滴气体气液非均相几种非均相物系的分散相和连续相3.非均相物系中的连续相和分散相连续相（分散介质） ：包围分散相而处于连续状态的物质,主要是对液体和气体固体的非均相而言分散相（分散物质） ：处于分散状态的物质b.非均相物系中的连续相和分散相具有不同的物理性质,如(密度)注意:机械分离操作涉及到颗粒相对于流体以及流体相对于颗粒床层的流动，它们都遵循流体力学的基本规律。 1.机械分离在化工中的普遍性 气液、气固、液固、固固、液液(非均相物

4、系的分离)三.机械分离的作用和分离原理（总结）2.机械分离原理 固体流化、颗粒气力输送。非均相物系一般可用机械方法将它们分离.a. 必须使分散相和连续相之间发生相对运动。沉降：颗粒物质受重力、离心力或其他电、磁力而从分散介质中分离的过程称为沉降。重力沉降：分离颗粒较大的物质一. 重力沉降速度各颗粒沉降时互不干扰(自由沉降，反之为干扰沉降） 颗粒沉降的基本假定按实现沉降的操作力不同： 3-1-1 重力沉降（球形颗粒的自由沉降）3-1 沉降分子布朗热运动对沉降无影响容器壁效率忽略颗粒为球形离心沉降：分离颗粒较小的物质重力：合力:对于一定的流体和颗粒，重力和浮力是恒定的，而阻力却随颗粒的降落速度而变

5、。 颗粒沉降过程受力：阻力：浮力： 颗粒沉降过程速度变化：颗粒的自由沉降速度:即加速终了时颗粒相对于流体的速度，又称终端速度等速沉降:加速沉降:时间非常短，可以忽略。合外力为0。?:如何求解阻力系数对于一定的流体和颗粒，重力和浮力是恒定的，而阻力却随颗粒的降落速度而变。它们之间的关系通过实验测得：见下图二. 阻力系数：根据前述因次分析法可知:a.当0.0001Ret2105 时高度湍流区注意：高度湍流区在沉降中很少出现。1.公式中ut的相对性:静止、运动、相对运动（同方向、反方向）1.）既适用于的沉降操作，又适用于的浮升运动。2.）既适用于静止流体中颗粒的沉降，又适用于流体相对于颗粒的运动。3

6、.）既适用于颗粒与流体逆向运动的情况，又适用于颗粒与流体同向运动但具有不同速度的相对运动速度的计算。讨论：即适用多种情况下的颗粒和流体在重力方向的相对运动的计算。2.分析颗粒的自由沉降速度计算式可知:这是利用重力沉降分离非均相混合物的根本原因。 不同密度的颗粒，沉降速度不同不同粒径的颗粒，沉降速度也不同三. 沉降速度的计算：1 .给定介质中颗粒的沉降速度 ut的计算 (已知dp)a.试差法：先假设沉降属于某一流型（如层流）核对Re是否在原设的范围内是否ut有效按算出Re的另选流型，并改用相应公式计算ut ，直到按求得的ut 算出的Re与所选公式的Re值范围相符为止2. 给定介质中颗粒粒径 dp

7、的计算(已知ut）a.试差法：先假设沉降属于某一流型（如层流）核对Re是否在原设的范围内是否dp有效按算出Re的另选流型，并改用相应公式计算dp ，直到按求得的dp算出的Re与所选公式的Re值范围相符为止四. 影响ut的因素1.颗粒形状的影响球形度S和当量直径de确定其特性壁面曳力物理学角度表现为固固运动摩擦，属弱电作用力当容器尺寸远远大于颗粒尺寸时（例如100倍以上），器壁效应可以忽略 2.器壁效应：3.干扰沉降干扰沉降或受阻沉降：如果分散相的体积分率较高，颗粒间有明显的相互作用，容器壁面对颗粒沉降的影响不可忽略。液态非均相物系中，当分散相浓度较高时，往往发生干扰沉降 结构简单、效率低、设备

8、庞大。根据非均相混合物的种类不同，主要有降尘室和沉降槽。一.降尘室重力降尘室 3.1.2典型重力沉降设备及设计计算特点：初级除尘或预分离。d75 m（也有d 40 m ）的场所。适用场所：1. 降尘室的设计计算uW则表明，该颗粒能在降尘室中除去。则表明，该颗粒刚好能完全除去。则表明，该颗粒不能除去。A故：a)对于一定体积（容积）的平流式沉降室，其沉降能力 与沉降面积成正比，而与沉降室深度无关（浅池原理）。a.分离条件：即：又：1沉降时间气流平均停留时间2 b.结论：uWAb)颗粒沉降速度越大（即粒径越粗或密度越大），则相同的沉降室生产能力 越大。若降尘室内设置多层水平隔板，则多层降尘室的生产能

9、力变为工业中气流水平速度u一般取0.5 1.5或0.5 3.0m/s范围。视颗粒 而定。颗粒粒度及密度越大相应的水平流速越大。c. 结论的应用：根据结论，发展了多层平行隔板式与斜板式沉降室。（3-40a）注意：沉降速度ut应根据需完全分离的最小颗粒尺寸计算。 2.临界粒径沉降速度应满足的条件临界粒径颗粒的沉降速度： 如颗粒的沉降速度处于层流区：能100%除去最小粒径3-2离心沉降分离离心沉降：惯性离心力作用下实现的沉降过程离心沉降：气固非均相物质液固悬浮物系旋风分离器旋液分离器或离心机概述：适用场合：两相密度差较小，颗粒较细的非均相物系，在离心力场中可得到较好的分离。一.离心与重力沉降的比较

10、分离因数Kco惯性离心力： 离心力场中颗粒的受力平衡分析：惯性离心力：颗粒受流体浮力：沉降阻力：二. 离心沉降速度o在等速沉降过程：平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度ur便是它在此位置上的离心沉降速度。过滤章节内容离心分离设备： 气体离心设备 :旋风分离器 液体离心设备离心沉降：旋液分离器离心过滤:三. 离心分离设备： 压力分布：从筒壁往中心逐渐降压到达气芯处可降至负压。故易在灰口产生漏风，使效率下降，必须采取密封。1.旋风分离器结构与操作：气体进口速度1025 m/s 或 1520 m/s，最小分离粒径约5m。标准型旋风分离器：结构比例见图特 点：流动阻力大（40-80mmH2O ） 、

11、易磨损、效率7090%。2.旋风分离器性能估算则：a. 气流入口速度u入基本上等于气流的切线速度uT且不变。c. 气流与颗粒之间的相对运动为层流。（径向运动）b. 气流中颗粒所穿过气体厚度等于进气口宽度b。假设：评价的主要指标从气流中分离颗粒的效果气体经过旋风分离器的压力降临界粒径分离效率分离条件：沉降时间1停留时间2临界分离粒径dpc -能100%除去的最小颗粒粒径在标准旋风器中 N = 5，一般 N = 3 8rm 气流平均旋转半径N 气流在筒中旋转圈数停留时间：其中：3.压降损失（阻力）;小好，一般在5002000Pa左右第三节 过 滤沉降时间长、脱除分离不彻底、固体物含水率高、设备庞大

12、占地。 滤浆：需过滤的悬浮液滤渣（滤饼）：被截留的固体颗粒物滤液：过滤后清液3-3-1概述滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤原理：使悬浮液在外力（压力、重力、真空或离心力）作用下强制通过多孔（毛细孔）过滤介质（滤布、滤饼），从而将其中悬浮颗粒截留。发展： 离心沉降； 过滤：压滤、真空过滤、离心过滤。1.重力沉降的不足2. 过滤原理及方法：概念1.滤饼过滤（饼层或表床过滤）：滤饼在过滤介质表面形成，如压滤。处理较多悬浮物的液体。(固相体积分率 1%)工业方法2.深层过滤：滤饼在过滤介质内部形成,悬浮液中的固体颗粒沉积于过滤介质床层内部。当颗粒随流体在床层内的曲折孔道中流过时,在表面力和静电的作用下附着

13、在孔道壁上。 如自来水过滤（砂滤池），处理较清洁液体，从合成纤维丝液中除去极细固体物质等。（固相体积分率 0.1%）织物状介质滤布。如：棉、毛、麻、尼纶及其他纤维以及 由玻璃丝、金属丝等织成的网，在工业上应用最为广泛。3. 过滤介质a.过滤介质的要求： 性能稳定、耐热耐腐，机械强度高。b.常用过滤介质：粒状介质 砂、木炭、石棉、硅藻土 。多孔介质 陶瓷、塑料微孔板等具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶瓷、多孔塑料及多孔金属制成的管或板。 4.助滤剂对滤饼作支承作用,防止可压缩性滤饼堵塞毛细孔。使用方法：预涂法，同时过滤法。常用的助滤剂：硅藻土，珍珠岩粉，碳粉或石棉粉等注意：一般只有在以获得清净

14、滤液为目的时，才使用助滤剂。 多孔、阻力小、有良好的截留分离作用。5.悬浮液量，固体量，滤液量及滤渣量之间的关系C为湿滤渣与其中所含干渣的质量比，即Ckg湿滤渣与1kg干渣对应过滤速度：单位过滤面积的过滤速率 3-3-2. 过滤基本理论过滤的基本方程及操作计算一. 过滤基本方程式1. 过滤速度与过滤速率过滤速率：单位时间滤过的滤液（清液）体积。2. 液体通过滤渣层的流动 简化流动模型： 层流直管中流动阻力 泊稷叶Poiseulle公式I )滤渣层中存在曲折流动通道，流体在同一截面上的流速分布很不均匀。 滤渣层中流动特点：III)滤液通过饼层的流动为层流。II )通道很小、流速很低。（基本事实1

15、）（基本事实2）（基本假定）实际流动简化流动模型为便于用数学方法描述滤液的流动，常将复杂的实际流动过程加以简化则当量过滤速度 为：其中：滤饼阻力单位（1/m）, L为渣层厚度（m） r滤饼比阻（1/m2）,反应颗粒特性,其值随物料而不同Darcy公式,即过滤速度方程则：滤渣体积故：b. 同理：对于过滤介质其阻力可虚拟为一厚度为Le的滤饼所具有的阻力。式中：Ve 虚拟滤液体积，故又称当量滤液量。操作条件一定，过滤介质一定，悬浮液一定， Ve一定。同一介质在不同过滤操作， Ve不同 即有：3. 过滤基本方程式a. 设：单位体积滤液所具有的滤渣表观体积（m3渣/m3滤液）V 滤液体积（清液）即c.

16、过滤总推动力与总阻力：d. 过滤基本方程式：或：思考:影响过滤阻力的因素有哪些？ 影响过滤速度的因素有哪些？ 上式表示的是任一过滤瞬间的过滤速率与其它因素间的关系，是进行过滤计算和强化过滤操作的基本依据。对于一定悬浮液、r、 为定值，恒压过滤时, 于是k、K 均称过滤常数二过滤操作方式（一）恒压过滤令：P总 = 常数1.恒压过滤计算恒压过滤方程式K-物料特性及过滤压强差所决定的恒压过滤恒速过滤先恒速后恒压的复合操作方式 ：0 e （a）（b）其中：e：获得体积为Ve的滤液所需的虚拟过滤时间Ve：与过滤介质阻力相对应的虚拟滤液体积积分上式：将（a）式代入（b）得:（c） 恒压过滤方程式 V：0 V ：0 V：0 Ve表明恒压过滤时滤液体积与过滤时间的关系为抛物线方程 若令 q = V/A，即单位过滤面积所获得的滤液量：滤液通量恒压过滤方程式若忽略介质阻力过滤常数Kqee实验测定介质常数反映过滤介质阻力大小的常数sm3/m2由物料特性及过滤压强差所决定的常数 m2/s （d） 则： 恒压过滤时：三. 过滤常数 K、qe 、e的测定：注意:常见过滤设备间歇过滤机连续过滤机操作方式采用的压强差