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1、第三章第三章 沉降与过滤沉降与过滤化工原理(王志魁版） 沉降过程3.1 概述概述非均相混合物分离的目的非均相混合物分离的目的1 收集分散物质收集分散物质2 净化分散介质净化分散介质3劳动保护与环境卫生劳动保护与环境卫生3.1 概述概述颗粒与流体相对运动时所受的阻力颗粒与流体相对运动时所受的阻力 当流体密度为当流体密度为，黏度为，黏度为，颗粒直径为，颗粒直径为dp，颗粒在运动方向上，颗粒在运动方向上的投影面积为的投影面积为A，颗粒与流体的相对运动速度为，颗粒与流体的相对运动速度为u时，颗粒所受时，颗粒所受的阻力为：的阻力为：流体相对与颗粒运动时的流体相对与颗粒运动时的Re：1)当当 10-4 R
2、e 2时，层流时，层流2)当当 2 Re 500时，过渡区时，过渡区3)当当500 Re2x105时，湍流区时，湍流区3.2 重力沉降重力沉降一 沉降速度沉降速度1.球形颗粒的自由沉降球形颗粒的自由沉降根据牛顿第二定律：根据牛顿第二定律：1)当当 10-4 Re 2时，层流时，层流2)当当 2 Re 500时，过渡区时，过渡区3)当当103 Ret 2x105时，湍流区时，湍流区3.影响沉降速度的因素影响沉降速度的因素q自由沉降自由沉降q干扰沉降干扰沉降1)流体的黏度流体的黏度 当颗粒向下沉降时，流体被置换而向上运动，阻滞了靠当颗粒向下沉降时，流体被置换而向上运动，阻滞了靠 得很近的其它颗粒的
3、沉降得很近的其它颗粒的沉降3)器壁效应器壁效应4)颗粒形状的影响颗粒形状的影响2)颗粒的体积分数：当颗粒浓度很高时，沉降速度比自由颗粒的体积分数：当颗粒浓度很高时，沉降速度比自由 沉降速度减少沉降速度减少颗粒实质上是在密度和粘度都比清液为大的悬浮液内沉降颗粒实质上是在密度和粘度都比清液为大的悬浮液内沉降球形颗粒比同体积非球形颗粒的沉降快球形颗粒比同体积非球形颗粒的沉降快非球形颗粒的形状非球形颗粒的形状s及投影面积及投影面积A都影响沉降速度都影响沉降速度d（d 0.5m）4.沉降速度的计算沉降速度的计算假设流型假设流型utRe判断判断是是否否ut1)试差法试差法二 重力沉降设备重力沉降设备1.沉
4、降室沉降室长度长度L，m高度高度H，m宽度宽度W，m若沉降室设置若沉降室设置n层水平隔板，则多层沉降室的生产能力为：层水平隔板，则多层沉降室的生产能力为：o气体流速为层流气体流速为层流oUt为最小颗粒的沉降流速为最小颗粒的沉降流速 而这能而这能100%除去的最小除去的最小 颗粒称为颗粒称为临界粒径临界粒径dpc2.沉降槽沉降槽1.间歇的间歇的2.连续的连续的o为了增大沉降速度，通常采用的措施：为了增大沉降速度，通常采用的措施：在悬浮液中加入少量电解质，使细粒发生在悬浮液中加入少量电解质，使细粒发生“凝聚凝聚”或或“絮凝絮凝”加热悬浮液，降低其粘度加热悬浮液，降低其粘度o沉聚过程为干扰沉降沉聚过
5、程为干扰沉降大大颗粒相对于小颗粒进行沉降颗粒相对于小颗粒进行沉降液体被沉降颗粒置换而上升的速度不可忽略液体被沉降颗粒置换而上升的速度不可忽略悬浮液中小颗粒有被沉降较快的颗粒向下拖曳的趋势，使小悬浮液中小颗粒有被沉降较快的颗粒向下拖曳的趋势，使小 颗粒的沉降被加速颗粒的沉降被加速第三节第三节 离心沉降离心沉降一 惯性离心力作用下的沉降速度惯性离心力作用下的沉降速度uTR做圆周运动时，向心加速度：做圆周运动时，向心加速度：uTruur离心力：离心力：当流体带着颗粒旋转时：当流体带着颗粒旋转时：离心力：离心力：浮力：浮力：阻力：阻力：达平衡时：达平衡时：离心沉降速度：离心沉降速度：第三节第三节 离心
6、沉降离心沉降离心沉降与重力沉降的区别离心沉降与重力沉降的区别n离心加速度离心加速度r2代替了代替了gnur的值随位置的值随位置r而变化而变化nur不是颗粒的真实速度，是其速度在径向上的分速度不是颗粒的真实速度，是其速度在径向上的分速度颗粒受重力否颗粒受重力否离心分离因数离心分离因数：同一颗粒在同种介质中的离心力与重力：同一颗粒在同种介质中的离心力与重力的比值的比值Kc二二 旋风分离器的操作原理旋风分离器的操作原理旋风分离器的结构旋风分离器的结构气芯气芯上旋气流上旋气流负压负压外旋气流外旋气流对于对于5m以下的颗粒以下的颗粒湿法捕集湿法捕集滤袋器滤袋器三旋风分离器的性能三旋风分离器的性能1.临界
7、粒径临界粒径2.分离效率分离效率3.气体经旋风分离器的压强降气体经旋风分离器的压强降1.临界粒径临界粒径假设：假设：1)进入旋风分离器的的气流严格按螺旋形线路做等速运进入旋风分离器的的气流严格按螺旋形线路做等速运动，其切向速度等于进口气速动，其切向速度等于进口气速ui2)颗粒向器壁沉降时，必须穿过厚度等于整个进气宽度颗粒向器壁沉降时，必须穿过厚度等于整个进气宽度b的气流层的气流层3)颗粒在层流情况下作自由沉降颗粒在层流情况下作自由沉降三旋风分离器的性能三旋风分离器的性能r可取平均值可取平均值rm气流中颗粒离心沉降速度为：气流中颗粒离心沉降速度为：颗粒到达器壁所需的沉降时间：颗粒到达器壁所需的沉
8、降时间：令气流的有效旋转圈数为令气流的有效旋转圈数为n在器内运行的距离为在器内运行的距离为2 rmn气流停留时间为：气流停留时间为：若理论上能完全被分离下最小的颗粒所需的沉降时间为若理论上能完全被分离下最小的颗粒所需的沉降时间为t临界粒临界粒径径三旋风分离器的性能三旋风分离器的性能2.分离效率分离效率n总效率总效率on粒级效率粒级效率pxi：粒径在第：粒径在第i段内的颗粒占全部颗粒的质量分率段内的颗粒占全部颗粒的质量分率3.压强降压强降三旋风分离器的性能三旋风分离器的性能4.影响旋风分离器性能的因素影响旋风分离器性能的因素1)颗粒密度、大小、进口气速高及粉尘浓度高有利于分离颗粒密度、大小、进口
9、气速高及粉尘浓度高有利于分离2)旋风分离器的结构旋风分离器的结构o采用细而长的器身采用细而长的器身o减少涡流影响减少涡流影响o内旋流的影响内旋流的影响o排气管和灰斗尺寸是否合理排气管和灰斗尺寸是否合理第四节第四节第四节第四节 过滤过滤过滤过滤3-4-1 3-4-1 过滤操作的基本概念过滤操作的基本概念化工原理(王志魁版） 沉降过程过滤的动力过滤的动力n重力重力n压强差压强差n离心力离心力一 过滤方式过滤方式1.饼层过滤饼层过滤2. 深层过滤深层过滤二 过滤介质过滤介质1.特点特点1)多孔性多孔性2)承受一定的压力承受一定的压力3)耐腐蚀性、耐热性耐腐蚀性、耐热性2.分类分类1)织物介质织物介质
10、2)堆积介质堆积介质3)多孔固体介质多孔固体介质三滤饼的压缩性和助滤剂滤饼的压缩性和助滤剂1.不可压缩滤饼不可压缩滤饼2.可压缩滤饼可压缩滤饼3.助滤剂：硅藻土，珍珠岩，石棉，炭粉、纸浆粉等助滤剂：硅藻土，珍珠岩，石棉，炭粉、纸浆粉等4.助滤剂的添加方式助滤剂的添加方式四、悬浮液量、固体量、滤液量及滤渣量之间的关四、悬浮液量、固体量、滤液量及滤渣量之间的关系系悬浮液悬浮液滤液，滤液，V湿滤渣，湿滤渣，湿滤渣，湿滤渣， Vc Vc，C液体液体干渣，干渣， P（1）湿滤渣的湿滤渣的湿滤渣的湿滤渣的 C计算计算令令C为湿滤渣与其中所含干渣的质量比为湿滤渣与其中所含干渣的质量比 干渣与滤液的质量比干渣
11、与滤液的质量比干渣与滤液的体积的比值，即单位体积滤液所对应的干渣与滤液的体积的比值，即单位体积滤液所对应的干渣质量干渣质量（3）湿滤渣质量与滤液体积的比值为）湿滤渣质量与滤液体积的比值为C ， kg湿渣湿渣/m3滤液滤液（4）湿滤渣体积与滤液体积的比值）湿滤渣体积与滤液体积的比值 ：单位体积滤液所含湿滤渣的体积：单位体积滤液所含湿滤渣的体积（2）干渣质量与滤液体积的比值干渣质量与滤液体积的比值设悬浮液中固体颗粒的质量分数为设悬浮液中固体颗粒的质量分数为X，kg固体固体/kg悬浮掖悬浮掖CX为单位质量悬浮液所获得的湿滤渣的质量，为单位质量悬浮液所获得的湿滤渣的质量，kg湿渣湿渣/kg悬浮液悬浮液
12、1-CX：为单位质量悬浮液所获得的滤液的质量，：为单位质量悬浮液所获得的滤液的质量，kg滤液滤液/kg悬浮液悬浮液3-4-2 过滤基本方程式过滤基本方程式一 过滤通过过滤通过饼层饼层的流动的流动1 当量直径当量直径de3 流动类型：层流流动类型：层流过滤速度：过滤速度：令令u为滤液在整个床层截面积上的流速为滤液在整个床层截面积上的流速则则u=u1对于层流：对于层流：K=52 非稳态过程非稳态过程3-4-2 过滤基本方程式过滤基本方程式二 过滤速率与过滤速度过滤速率与过滤速度三 滤饼滤饼的阻力的阻力R：滤饼的阻力：滤饼的阻力1/mr：滤饼的比阻：滤饼的比阻1/m2过滤速率：过滤速率： 单位时间获
13、得的滤液体积，单位时间获得的滤液体积，单位时间获得的滤液体积，单位时间获得的滤液体积，mm3 3/s/s过滤速度：过滤速度：R=rL3-4-2 过滤基本方程式过滤基本方程式四 过滤介质过滤介质的阻力的阻力滤液穿过滤液穿过过滤介质过滤介质过滤介质过滤介质的速度为：的速度为：滤液穿滤液穿过过过过滤饼与过滤介质滤饼与过滤介质滤饼与过滤介质滤饼与过滤介质的速度：的速度：压强降为压强降为Pm+ Pc= P阻力：阻力： Rm+ R设用一层厚度为设用一层厚度为Le的滤饼代替过滤介质，其比阻也为的滤饼代替过滤介质，其比阻也为r则则Rm=rLe3-4-2 过滤基本方程式过滤基本方程式五 过滤基本方程式过滤基本方
14、程式 令令 为为滤饼体积滤饼体积与相应的与相应的滤液体积滤液体积之比之比同样生成厚度为同样生成厚度为Le的滤饼所应获得的滤液体积为的滤饼所应获得的滤液体积为VeVe为过滤介质的当量体积（或虚拟滤液体积）为过滤介质的当量体积（或虚拟滤液体积）过滤基过滤基本方程本方程3-4-2 过滤基本方程式过滤基本方程式对可压缩滤饼对可压缩滤饼其中其中r ：单位压强差下滤饼的比阻，：单位压强差下滤饼的比阻，1/m2 p：过滤压强差，：过滤压强差，Pas：滤饼的压缩性指数，：滤饼的压缩性指数，s=01，不可压缩滤饼，不可压缩滤饼s=0过滤基过滤基本方程本方程3-4-3 3-4-3 恒压过滤恒压过滤k：表征过滤物料
15、特性的常数表征过滤物料特性的常数对一定的悬浮液，对一定的悬浮液，、r 、为常数为常数3-4-3 3-4-3 恒压过滤恒压过滤当过滤介质阻力可忽略时，当过滤介质阻力可忽略时，e=0、Ve=0（2）-（1）得：恒压过滤方程式恒压过滤方程式当过滤介质阻力可忽略时，当过滤介质阻力可忽略时，qe=0， e=03-4-5 过滤常数的测定过滤常数的测定过滤常数：过滤常数：K、qe、 e3-4-5 过滤常数的测定过滤常数的测定一 恒压下恒压下K、qe、e的测定的测定恒压过滤方程：恒压过滤方程：方法方法1：1-q12-q2K、qee方法方法2：3-4-5 过滤常数的测定过滤常数的测定二 压缩指数压缩指数s的测定
16、、物料特性常数的测定、物料特性常数k的测定的测定3-4-6 过滤设备过滤设备按操作方式按操作方式n间歇间歇n连续连续按压强差按压强差n压滤压滤n吸滤吸滤n离心过滤离心过滤常用设备常用设备n板框过滤机板框过滤机n叶滤机叶滤机n转筒真空过滤机转筒真空过滤机3-4-8 过滤机的生产能力过滤机的生产能力二 连续过滤机的生产能力连续过滤机的生产能力 浸没度浸没度 ：转筒表面浸入滤浆中的分数：转筒表面浸入滤浆中的分数设转筒转速为设转筒转速为N，r/s，单位时间获得的总滤液量为，单位时间获得的总滤液量为Q，m3/s任一小块过滤面积所经历的过滤时间为：任一小块过滤面积所经历的过滤时间为：旋转一周获得的滤液量为：旋转一周获得的滤液量为：若忽略过滤介质阻力：若忽略过滤介质阻力：
