第3章化工原理中的沉降與過濾

1、第三章第三章 沉降與過濾沉降與過濾第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述一、非均相物系的分離一、非均相物系的分離 混合物混合物均勻混合物（均相物系）均勻混合物（均相物系） 例：水例：水與乙醇與乙醇 不均勻混合物（非均相物系）不均勻混合物（非均相物系） 例：氣溶膠，例：氣溶膠，懸浮液，乳濁液其中，固體顆粒稱為分散相，懸浮液，乳濁液其中，固體顆粒稱為分散相，氣、液相稱為連續(xù)相或分散介質(zhì)。氣、液相稱為連續(xù)相或分散介質(zhì)。 分離方法：分離方法： 均相物系均相物系蒸餾、吸收、萃取、結(jié)晶等蒸餾、吸收、萃取、結(jié)晶等 非均相物系非均相物系沉降、過濾、膜分離等沉降、過濾、膜分離等二、學(xué)習(xí)內(nèi)容二、學(xué)習(xí)內(nèi)容 沉降沉降重力沉降、離心

2、沉降重力沉降、離心沉降 過濾過濾壓力過濾壓力過濾三、學(xué)習(xí)目的三、學(xué)習(xí)目的 掌握幾種操作的原理及應(yīng)用計(jì)算掌握幾種操作的原理及應(yīng)用計(jì)算 了解理論的建立過程及幾種典型設(shè)備了解理論的建立過程及幾種典型設(shè)備自來水廠水的凈化分三步，第一步是絮凝過程，也可以叫反應(yīng)過程。在流動(dòng)中使水中的雜質(zhì)顆粒絮凝長大；第二步是沉降。沉降池是使大顆粒得以除去。第三步是砂濾。砂濾池，進(jìn)一步用900mm厚砂層，將小顆粒雜質(zhì)濾去。 自來水廠的主要流程自來水廠的主要流程第二節(jié)第二節(jié) 沉沉 降降一、重力沉降一、重力沉降1、球形顆粒在流體中的自由沉降、球形顆粒在流體中的自由沉降 自由沉降：當(dāng)顆粒在流體中只受重力和浮力，不受自由沉降：當(dāng)顆

3、粒在流體中只受重力和浮力，不受其它因素影響而發(fā)生沉降時(shí)，稱為自由沉降。其它因素影響而發(fā)生沉降時(shí)，稱為自由沉降。 顆粒受力：重力、浮力和阻力。顆粒受力：重力、浮力和阻力。 設(shè)顆粒從靜止開始運(yùn)動(dòng)，沉降時(shí)，阻力方向與運(yùn)動(dòng)設(shè)顆粒從靜止開始運(yùn)動(dòng)，沉降時(shí)，阻力方向與運(yùn)動(dòng)方向相反方向相反顆粒在運(yùn)動(dòng)過程中，顆粒在運(yùn)動(dòng)過程中，為定值，為定值，勻速沉降階段，合力為；加速階段，初始階段，沉降速度個(gè)階段：可以把沉降過程分為三變化隨）不變，只有（ddddbFuuuaFuFuuFFG00000為定值，為定值，勻速沉降階段，合力為；加速階段，初始階段，沉降速度個(gè)階段：可以把沉降過程分為三變化隨）不變，只有（ddddbFuu

4、uaFuFuuFFG00000AuFgdFgdmgGdPbPP266233阻力：浮力：重力：沉降速度流體的密度顆粒的直徑、密度、向上阻力向上浮力向下重力udAdFFGPPPdb242、沉降速度計(jì)算、沉降速度計(jì)算(1)層流區(qū)，斯托克層流區(qū)，斯托克 斯定律斯定律1Re10418)(20gduPP500Re1756 . 04 . 06 . 10514. 0PPPdgdu5105 . 1Re500gduPP)(74.10(2)過渡區(qū)，阿侖定律過渡區(qū)，阿侖定律（3）湍流區(qū)，牛頓定律湍流區(qū)，牛頓定律計(jì)算時(shí)，采用試差法：計(jì)算時(shí)，采用試差法：步驟：假設(shè)流型步驟：假設(shè)流型采用對應(yīng)公式計(jì)算采用對應(yīng)公式計(jì)算校核校核

5、 及流型及流型0ReudPRe3、重力沉降的具體應(yīng)用，降塵室、重力沉降的具體應(yīng)用，降塵室分離條件：從入口到出口的停留時(shí)間大于等于沉降時(shí)間分離條件：從入口到出口的停留時(shí)間大于等于沉降時(shí)間uL停留時(shí)間0uH沉降時(shí)間0uHuL即應(yīng)用計(jì)算：應(yīng)用計(jì)算：（1）顆粒粒徑一定時(shí)，求最大處理量）顆粒粒徑一定時(shí)，求最大處理量多層隔板面積有關(guān)，與高度無關(guān)結(jié)論：氣體處理量與底最大氣體流量分離極限條件：00max00uWLWHHLuuAqHLuuuHuLV（2）處理量一定時(shí)，求最小分離粒徑（臨界粒徑）處理量一定時(shí)，求最小分離粒徑（臨界粒徑）gWLqdgdLWqLHuuuHuLPVPcPPVc1818200對應(yīng)臨界粒徑得

6、由沉降除塵室動(dòng)畫 煙道除塵動(dòng)畫 湍球塔除塵動(dòng)畫 【例 3-1】 有一玉米淀粉水懸浮液，溫度C200，淀粉顆粒平均直徑為m15，淀粉顆粒吸水后的密度為3mkg1020，試求顆粒的沉降速度。 解：先假定沉降在層流區(qū)進(jìn)行，故 18)(20gduPP 已知：36mkg1020,m1015m15Ppd 查出C200的水的sPa10005. 1,mkg2 .99833代入上式得： 163260sm1066. 2807. 910005. 118)2 .9981020()1015(u 檢驗(yàn) Re 值：11096. 310005. 12 .9981066. 21015Re53660udP 計(jì)算結(jié)果表明， 與假設(shè)

7、相符， 故算得的160sm1066. 2u 正確。 【例例3-2】 某除塵室高某除塵室高2m2m、寬、寬2m2m、長、長5m5m，用于礦石焙燒爐用于礦石焙燒爐的爐氣除塵。礦塵的密度為的爐氣除塵。礦塵的密度為4500kg4500kgm-3，其，其形狀形狀近于圓球。近于圓球。操 作 條 件 下 氣 體 流 量 為操 作 條 件 下 氣 體 流 量 為 ， 氣 體 密 度， 氣 體 密 度為為 、粘度為、粘度為3 310 -5-5 P Pa as s。試求理論上能完。試求理論上能完全除去的最小礦粒直徑。全除去的最小礦粒直徑。解：由公式可知，降塵室能完全除去的最小顆粒的沉解：由公式可知，降塵室能完全除

8、去的最小顆粒的沉降速度為：降速度為： 10sm694. 0523600/25000LWquvc假定在層流區(qū)，得：假定在層流區(qū)，得： 25000m3。h-1 128. 11036 . 0694. 01021. 9Re55ocPcud證明不在層流區(qū)。再假定在過渡區(qū)，得：證明不在層流區(qū)。再假定在過渡區(qū)，得： mdPc51027. 8校驗(yàn)校驗(yàn)Re=1.14Re=1.141 1，假設(shè)成立假設(shè)成立m1021. 981. 94500694. 01031855Pcd18)(20gduPPc廣州水廠全貌 圖中蘭色粗管是來自珠江的原料水，條形池子是絮凝池，左側(cè)池是沉降池。 這是沉降池。圖為絮凝之后的水，是從沉降池

9、底部流入，到池子上部水已很清了。 水廠沉降池 二、離心沉降二、離心沉降1、離心沉降原理及離心分離因數(shù)、離心沉降原理及離心分離因數(shù)慣性慣性依靠慣性離心力的作用而實(shí)現(xiàn)的沉降過程叫作離心沉降。依靠慣性離心力的作用而實(shí)現(xiàn)的沉降過程叫作離心沉降。 如果顆粒呈球狀，其密度為如果顆粒呈球狀，其密度為p p 、直徑為、直徑為 ，流體的，流體的密度為密度為 ，顆粒與中心軸的距離為，顆粒與中心軸的距離為R R，切向速度為，切向速度為 ，則顆粒在徑向上受到的三個(gè)作用力分別為：則顆粒在徑向上受到的三個(gè)作用力分別為：RudrPP236RudrP2362422tPud慣性離心力慣性離心力向心力向心力阻力阻力徑向離心速度t

10、u 若此三力能夠達(dá)于平衡，平衡時(shí)顆粒在徑向上相對若此三力能夠達(dá)于平衡，平衡時(shí)顆粒在徑向上相對于流體的速度便是它在此位置上的離心沉降速度，于流體的速度便是它在此位置上的離心沉降速度，解得離心沉降速度為：解得離心沉降速度為： 在離心沉降時(shí)，如果顆粒與流體的相對運(yùn)動(dòng)在離心沉降時(shí)，如果顆粒與流體的相對運(yùn)動(dòng)屬于層流，阻力系數(shù)也符合斯托克斯定律：屬于層流，阻力系數(shù)也符合斯托克斯定律：RudurPt23)(4RudurPPt2218)(離心分離因數(shù)：離心分離因數(shù)：3 3、離心沉降的應(yīng)用、離心沉降的應(yīng)用旋風(fēng)分離器旋風(fēng)分離器重力加速度離心加速度重力離心力CK旋風(fēng)分離器動(dòng)畫 文丘里除塵器動(dòng)畫 靜電除塵器動(dòng)畫 例例

11、3-33-3：速溶咖啡粉（比重：速溶咖啡粉（比重1.051.05）的直徑為）的直徑為60m60m，被被250250熱空氣帶入旋風(fēng)分離器中，進(jìn)入時(shí)切線速熱空氣帶入旋風(fēng)分離器中，進(jìn)入時(shí)切線速度為度為20m/s20m/s，在器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)半徑為在器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)半徑為0.5m0.5m。求其徑向求其徑向沉降速度。同樣大小的顆粒在同溫度的靜止空氣中沉降速度。同樣大小的顆粒在同溫度的靜止空氣中沉降時(shí)，其沉降速度應(yīng)為多少？（設(shè)沉降處于層流沉降時(shí)，其沉降速度應(yīng)為多少？（設(shè)沉降處于層流區(qū)）區(qū)）spamKgt4 .27,/674. 02503查得：由空氣溫度smrudadurPPPP/11.65 .020104 .2718

12、674.010501060181826262220解：離心沉降時(shí)smgduPP/075. 0104 .271881. 9674. 0105010601862620重力沉降時(shí)第三節(jié)第三節(jié) 過過 濾濾一、過濾基本概念一、過濾基本概念懸浮液（濾漿）懸浮液（濾漿） 多孔介質(zhì)多孔介質(zhì)濾液（液體）濾液（液體）濾渣（濾餅）濾渣（濾餅）工業(yè)常用過濾方法：深層過濾、濾餅過濾工業(yè)常用過濾方法：深層過濾、濾餅過濾濾餅過濾過濾介質(zhì)過濾介質(zhì)深層過濾深層過濾濾液濾液二、過濾基本理論二、過濾基本理論1、過濾速率與過濾速度、過濾速率與過濾速度濾液體積；V過濾速率：單位時(shí)間內(nèi)過濾面積過濾速率：單位時(shí)間內(nèi)過濾面積A上獲得的濾上獲

13、得的濾液體積液體積smAdtdVsmdtV/d3過濾速度：單位時(shí)間單位過濾面積上獲得過濾速度：單位時(shí)間單位過濾面積上獲得濾液體積濾液體積過濾面積A過濾時(shí)間t2、濾液通過濾餅層的流動(dòng)、濾液通過濾餅層的流動(dòng)（過濾過程分析）（過濾過程分析）1P2P1122濾液在管內(nèi)層流，則在濾液在管內(nèi)層流，則在1-1，2-2截面截面之間存在阻力之間存在阻力存在壓力降存在壓力降P由兩部分組成21PPPmCPP介質(zhì)層：濾餅層：mCPPPsPamLLmddLPdLPdlPdumC濾液的黏度，平均長度，濾餅層與介質(zhì)層的孔道，平均直徑，濾餅層與介質(zhì)層的孔道，式：根據(jù)層流的速度分布公21212221212323232AdtdV

14、AVVrxPPArxVPLPduVVLArxVPurAxVrdLdxAxVLLemCememeeeC1/32)/(/32/2121111積，則過濾介質(zhì)的當(dāng)量濾液體，令其所得濾液體積為的濾餅層所產(chǎn)生的阻力厚度，可設(shè)其阻力為相當(dāng)于同樣，對于介質(zhì)層來說比例系數(shù)設(shè)為一常數(shù)，對于特定的濾餅，其形成的濾餅質(zhì)量，獲得單位體積濾液時(shí)所濾餅厚度其中，3、過濾速率方程、過濾速率方程eVVrxPAdtdV2三、恒壓過濾三、恒壓過濾過濾過濾恒壓過濾，壓力為定值，速率減慢；恒速恒壓過濾，壓力為定值，速率減慢；恒速 過濾，速率恒定，增大壓力過濾，速率恒定，增大壓力 1、恒壓過濾速率方程、恒壓過濾速率方程dtVVAKdVV

15、VAKdtdVrxPKxrPee22222設(shè)為定值、漿，為常數(shù)，對于一定的濾tAKVVVe2222或tKAVVVe222過濾常數(shù)，令KKtqqqqAVqAVeee222、過濾常數(shù)的測定、過濾常數(shù)的測定線性相關(guān)與qqtqKqKqtKtqqqee2122tAKVVVe2222tKAVVVe222過濾常數(shù)，令KKtqqqqAVqAVeee22線性相關(guān)與qqtqKqKqtKtqqqee2122min85.204010996. 410/10996. 405. 0101108007. 0101002225222251433KAVtsmrxPK解：（解：（1 1）求過濾時(shí)間。過濾介質(zhì)阻力可以忽略）求過濾時(shí)間。過濾介質(zhì)阻力可以忽略不計(jì)，濾渣為不可壓縮的恒壓過濾方程為：不計(jì)，濾渣為不可壓縮的恒壓過濾方程為：V V2 2+2VV+2VVe e=KA=KA2 2t t介質(zhì)阻力忽略，即介質(zhì)阻力忽略，即Ve0 V=KA2tp=100103kpa A=40m2 V=10m3x=0.05kg/mx=0.05kg/m3 3 3030水水=0.8007=0.800710-3Pasr=1r=11014m/Kg（2）求過濾時(shí)間延長一倍時(shí)，增加的濾液量。 stt2502608