化工原理 第三章 沉降與過(guò)濾課件

1、第三章 沉降與過(guò)濾第一節(jié) 概述均相物系(honogeneous system): 均相混合物。物系內(nèi)部各處均勻且無(wú)相界面。如溶液和混合氣體都是均相物系。自然界的混合物分為兩大類：非均相物系(non-honogeneous system): 非均相混合物。物系內(nèi)部有隔開(kāi)不同相的界面存在，且界面兩側(cè)的物料性質(zhì)有顯著差異。如：懸浮液、乳濁液、泡沫液屬于液態(tài)非均相物系，含塵氣體、含霧氣體屬于氣態(tài)非均相物系。2022/10/111分散相： 分散物質(zhì)。在非均相物系中，處于分散狀態(tài)的物質(zhì)。連續(xù)相： 分散介質(zhì)。包圍著分散物質(zhì)而處于連續(xù)狀態(tài)的流體。非均相物系由分散相和連續(xù)相組成2022/10/112非均相物系分

2、離：沉降（重力沉降、離心沉降）過(guò)濾分離的目的：回收分散物質(zhì);2. 凈化分散介質(zhì)。 通常先造成一個(gè)兩相物系，再用機(jī)械分離的方法分離，如蒸餾，萃取等。均相物系的分離：2022/10/113 沉降：沉降力場(chǎng)：重力、離心力。 在某種力場(chǎng)的作用下，利用分散物質(zhì)與分散介質(zhì)的密度差異，使之發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而分離的單元操作。 沉降操作分類：重力沉降、離心沉降。2022/10/114圖 流體繞過(guò)顆粒的流動(dòng)uFdFd與顆粒運(yùn)動(dòng)的方向相反 當(dāng)流體相對(duì)于靜止的固體顆粒流動(dòng)時(shí)，或者固體顆粒在靜止流體中移動(dòng)時(shí)，由于流體的粘性，兩者之間會(huì)產(chǎn)生作用力，這種作用力通常稱為曳力（drag force)或阻力。只要顆粒與流體之間有相對(duì)

3、運(yùn)動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生阻力。對(duì)于一定的顆粒和流體，只要相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度相同，流體對(duì)顆粒的阻力就一樣。顆粒相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)2022/10/115球形顆粒的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系2022/10/117 層流區(qū)（斯托克斯Stokes區(qū)，10-4Re2） 注意：其中斯托克斯區(qū)的計(jì)算式是準(zhǔn)確的，其它兩個(gè)區(qū)域的計(jì)算式是近似的。過(guò)渡區(qū)（艾侖Allen區(qū)，2Re500）湍流區(qū)（牛頓Newton區(qū)，500Re2*105）圖中曲線大致可分為三個(gè)區(qū)域，各區(qū)域的曲線可分別用不同的計(jì)算式表示為：2022/10/118u重力 Fg阻力 Fd浮力 Fb2022/10/1110重力沉降速度:也稱為終端速度，顆粒受力平衡時(shí)， 勻速階段顆粒

4、相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度。 隨著顆粒向下沉降，u逐漸增大， 逐漸減少。 當(dāng)u增到一定數(shù)值ut時(shí)， =0。顆粒開(kāi)始作勻速沉降運(yùn)動(dòng)。顆粒的沉降過(guò)程分為兩個(gè)階段：加速階段；勻速階段。2022/10/1111 將不同流動(dòng)區(qū)域的阻力系數(shù)分別代入上式，得球形顆粒在各區(qū)相應(yīng)的沉降速度分別為： 層流區(qū)（Re2）過(guò)渡區(qū)（2Re500）湍流區(qū)（500Re2*105）ut與dp有關(guān)。dp愈大，ut則愈大。層流區(qū)與過(guò)渡區(qū)中，ut還與流體粘度有關(guān)。液體粘度約為氣體粘度的50倍，故顆粒在液體中的沉降速度比在氣體中的小很多。2022/10/1112例：計(jì)算直徑為98m，密度為3000kg/m3的固體顆粒分別在20的水中的自由沉

5、降速度。計(jì)算Re，核算流型：假設(shè)正確，計(jì)算有效。解：在20的水中： 20水的密度為998.2kg/m3，粘度為1.00510-3 Pas先設(shè)為層流區(qū)。 2022/10/1114（三）影響沉降速度的其它因素1.干擾沉降2. 顆粒形狀越小，阻力越大，Re相同時(shí)沉降速度越小。3. 壁效應(yīng) 使沉降速度下降。2022/10/11154) 顆粒形狀在實(shí)際沉降中：非球形顆粒的形狀可用球形度s 來(lái)描述。s 球形度；S 顆粒的表面積，m2；Sp 與顆粒體積相等的圓球的表面積，m2。 不同球形度下阻力系數(shù)與Re的關(guān)系見(jiàn)課本圖示，Re中的dp用當(dāng)量直徑de代替。球形度s越小，阻力系數(shù) 越大，但在層流區(qū)不明顯。ut非

6、球ut球 。對(duì)于細(xì)微顆粒(d0.5m)，應(yīng)考慮分子熱運(yùn)動(dòng)的影響，不能用沉降公式計(jì)算ut；沉降公式可用于沉降和上浮等情況。注意：2022/10/11176)干擾沉降（hindered settling）： 當(dāng)非均相物系中的顆粒較多，顆粒之間相互距離較近時(shí)，顆粒沉降會(huì)受到其它顆粒的影響，這種沉降稱為干擾沉降。干擾沉降速度比自由沉降的小。5) 壁效應(yīng) (wall effect) ： 當(dāng)顆粒在靠近器壁的位置沉降時(shí)，由于器壁的影響，其沉降速度較自由沉降速度小，這種影響稱為壁效應(yīng)。2022/10/1118二、降塵室 降塵室：利用重力降分離含塵氣體中塵粒的設(shè)備。是一種最原始的分離方法。一般作為預(yù)分離之用，分

7、離粒徑較大的塵粒。降塵室的示意圖2022/10/1119沉降分離條件假設(shè)顆粒運(yùn)動(dòng)的水平分速度與氣體的流速 u 相同；停留時(shí)間L/u沉降時(shí)間tH/ ut顆粒分離出來(lái)的條件是 L/uH/utLHW凈化氣體含塵氣體uut2022/10/1120 即：滿足L / uH/ut 條件的粒徑當(dāng)含塵氣體的體積流量為qVs時(shí)， u= qVs / HW故與臨界粒徑dpc相對(duì)應(yīng)的臨界沉降速度為utc=qVs / WLutqVs / LW則有或qVs WLut 臨界沉降速度utc是流量和面積的函數(shù)。臨界粒徑dpc（critical particle diameter）：能100除去的最小粒徑。2022/10/1121

8、當(dāng)塵粒的沉降速度小，處于斯托克斯區(qū)時(shí)，臨界粒徑為一定粒徑的顆粒，沉降室的生產(chǎn)能力只與與底面積WL和 utc有關(guān)，而與H無(wú)關(guān)。故沉降室應(yīng)做成扁平形，或在室內(nèi)均勻設(shè)置多層隔板。氣速u不能太大，以免干擾顆粒沉降，或把沉下來(lái)的塵粒重新卷起。一般u不超過(guò)3m/s。由此可知：2022/10/1122（二）沉降槽（增稠器）1. 懸浮液的沉聚過(guò)程2022/10/11242. 沉降槽（增稠器）2022/10/1125顆粒在離心力場(chǎng)中沉降時(shí)，在徑向沉降方向上受力分析。若這三個(gè)力達(dá)到平衡，則有顆粒與流體在徑向上的相對(duì)速度ur慣性離心力 Fc阻力 Fd向心力（浮力） Fb顆粒在離心力場(chǎng)中的受力分析2022/10/11

9、27 注：在一定的條件下，重力沉降速度是一定的，而離心沉降速度隨著顆粒在半徑方向上的位置不同而變化。離心沉降速度：顆粒在徑向上相對(duì)于流體的速度，就是這個(gè)位置上的離心沉降速度。 在離心沉降分離中，當(dāng)顆粒所受的流體阻力處于斯托克斯區(qū)，離心沉降速度為:重力沉降速度為:2022/10/1128層流區(qū)（斯托克斯Stokes區(qū)，10-4Re2）過(guò)渡區(qū)（艾侖Allen區(qū)，2Re500）湍流區(qū)（牛頓Newton區(qū)，500Re5 m，dpc50=12 m 。主要技術(shù)參數(shù)2022/10/1138例：溫度為20，壓力為0.101Mpa，流量為2.5m3/s的含塵空氣，用標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器除塵。粉塵密度為2500kg/m

10、3，試計(jì)算臨界粒徑。并計(jì)算壓損。解： 20，0.101Mpa時(shí)空氣的： =1.21kg/m3，=1.8110-5Pas1、確定進(jìn)口氣速：ui=20m/s (15-20m/s)2、計(jì)算D和b：流量 qV=Aui=Bhu B=D/5,h=3D/5 2.5=(D/5)(3D/5)20 D=1.041m 取 D=1100 mm旋風(fēng)分離器的選用2022/10/1139此時(shí)3、 求dpc2022/10/11404、求p2022/10/1141由于分離器各部分的尺寸都是D的倍數(shù)，所以只要進(jìn)口氣速ui相同，不管多大的旋風(fēng)分離器，其壓力損失都相同。壓力損失相同時(shí)，小型分離器的B=D/5值較小，則小型分離器的臨界

11、粒徑較小。旋風(fēng)分離器的使用2022/10/1142雙聯(lián)四聯(lián) 用若干個(gè)小旋風(fēng)分離器并來(lái)代替一個(gè)大旋風(fēng)分離器，可以提高分離效率。2022/10/1143(二) 旋液分離器 利用離心力的作用，使懸浮液中固體顆粒增稠或使粒徑不同及密度不同的顆粒進(jìn)行分級(jí)。 結(jié)構(gòu)和工作原理：與旋風(fēng)分離器相似。2022/10/1144懸浮液從圓筒上部的切向進(jìn)口進(jìn)入器內(nèi)，旋轉(zhuǎn)向下流動(dòng)。工作過(guò)程：液流中的顆粒受離心力作用，沉降到器壁，并隨液流下降到錐形底的出口，成為較稠的懸浮液而排出，稱為底流。澄清的液體或含有較小較輕顆粒的液體，則形成向上的內(nèi)旋流，經(jīng)上部中心管從頂部溢流管排出，稱為溢流。2022/10/1145 液體的粘度約

12、為氣體的50倍，液體的(p-)比氣體的小，懸浮液的進(jìn)口速度也比含塵氣體的小，所以同樣大小和密度的顆粒，沉降速度遠(yuǎn)小于含塵氣體在旋風(fēng)分離器中的沉降速度。 要達(dá)到同樣的臨界粒徑要求，則旋液分離器的直徑要比旋風(fēng)分離器小很多。 特點(diǎn)旋液分離器的圓筒直徑一般為75300mm。懸浮液進(jìn)口速度一般為515m/s。壓力損失約為50200kPa。分離的顆粒直徑約為1040m。主要技術(shù)參數(shù)2022/10/1146(三) 沉降式離心機(jī)管式離心機(jī)碟式離心機(jī)螺旋式離心機(jī) 沉降式離心機(jī)是利用離心沉降的原理分離懸浮液或乳濁液的機(jī)械。2022/10/1147特點(diǎn)：離心分離因數(shù)可達(dá)13000，也有高達(dá)105的超速離心機(jī)。轉(zhuǎn)鼓內(nèi)

13、裝有三個(gè)縱向平板，以使料液迅速達(dá)到與轉(zhuǎn)鼓相同的角速度。適用于于分離乳濁液及含細(xì)顆粒的稀懸浮液。1 管式離心機(jī)（tubular-bowl centrifuge）2022/10/1148分離乳濁液的管式離心機(jī)操作原理 轉(zhuǎn)鼓由轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。乳濁液由底部進(jìn)入，在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)從下向上流動(dòng)過(guò)程中，由于兩種液體的密度不同而分成內(nèi)、外兩液層。外層為重液層，內(nèi)層為輕液層。到達(dá)頂部后，輕液與重液分別從各自的溢流口排出。分離懸浮液的管式離心機(jī)操作原理 流量Vs為懸浮液從底部進(jìn)入，懸浮液是由密度為的與密度為p的少量顆粒形成的。假設(shè)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的液體以轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)角速度隨著轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)。液體由下向上流動(dòng)過(guò)程中，顆粒由液面r1處沉降到轉(zhuǎn)鼓

14、內(nèi)表面r2處。凡沉降所需時(shí)間小于式等于在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)停留時(shí)間的顆粒，均能沉降除去。2022/10/1149 分離乳濁液的碟式離心機(jī)：碟片上開(kāi)有小孔。乳濁液通過(guò)小孔流到碟片的間隙。在離心力作用下，重液沿著每個(gè)碟片的斜面沉降，并向轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁移動(dòng)，由重液出口連續(xù)排出。而輕液沿著每個(gè)碟片的斜面向上移動(dòng)，匯集后由輕液出口排出。 主要分離乳濁液中輕、重兩液相，例如油類脫水、牛乳脫脂等；也可以澄清含少量細(xì)小顆粒固體的懸浮液。 澄清懸浮液用的碟式離心沉降機(jī)：碟片上不開(kāi)孔。只有一個(gè)清液排出口。沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的沉渣，間歇排出。只適用于固體顆粒含量很少的懸浮液。當(dāng)固體顆粒含量較多時(shí)，可采用具有噴嘴排渣的碟式離心沉降機(jī)，例

15、如淀粉的分離。2 碟式離心機(jī)（disk-bowl centrifuge）2022/10/1150工作原理： 轉(zhuǎn)鼓內(nèi)有可旋轉(zhuǎn)的螺旋輸送器，其轉(zhuǎn)數(shù)比轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)數(shù)稍低。懸浮液通過(guò)螺旋輸送器的空心軸進(jìn)入機(jī)內(nèi)中部。沉積在轉(zhuǎn)鼓壁面渣，被螺旋輸送器沿斜面向上推到排出口而排出。澄清液從轉(zhuǎn)鼓另一端溢流出去。用途： 用于分離固體顆粒含量較多的懸浮液，其生產(chǎn)能力較大。也可以在高溫、高壓下操作，例如催化劑回收。3 螺旋式離心機(jī)（scroll-type centrifuge）2022/10/1151第四節(jié) 過(guò) 濾過(guò)濾介質(zhì): 過(guò)濾采用的多孔物質(zhì)；濾漿或料漿: 所處理的懸浮液；濾液: 通過(guò)多孔通道的液體；濾餅或?yàn)V渣: 被截留

16、的固體物質(zhì)。 在外力的作用下，以某種多孔物質(zhì)為介質(zhì)，使懸浮液中的液體通過(guò)介質(zhì)的孔道，而固體顆粒被截留在介質(zhì)上，從而實(shí)現(xiàn)固液分離的單元操作。過(guò)濾是沉降的后期操作，能耗較低，適合去除大量水分。2022/10/1152過(guò)濾操作示意圖(濾餅過(guò)濾)濾漿(slurry)：原懸浮液。濾餅(filter cake)：截留的固體物質(zhì)。過(guò)濾介質(zhì)(filtering medium)：多孔物質(zhì)。濾液(filterate)：通過(guò)多孔通道的液體。2022/10/1153一、懸浮液的過(guò)濾推動(dòng)力：壓力差，離心力，重力阻 力：濾餅、過(guò)濾介質(zhì)阻力2022/10/1154（一）兩種過(guò)濾方式1. 濾餅過(guò)濾2022/10/11552.

17、 深層過(guò)濾2022/10/1156（二）過(guò)濾介質(zhì)類別： 織物介質(zhì) 多孔性固體介質(zhì) 堆積介質(zhì) 多孔膜：高聚物膜、無(wú)機(jī)膜2022/10/1157（三）濾餅的可壓縮性與助濾劑 不可壓縮濾餅：空隙不隨壓力變化 可壓縮濾餅：空隙隨壓力增加而減小 （四）過(guò)濾過(guò)程物料衡算加助濾劑（1）濕濾渣密度Ckg濕渣/kg干渣2022/10/1158（2）干渣質(zhì)量與濾液體積之比Xkg固體/kg懸浮液kg干渣/m3濾液（3）濕渣質(zhì)量與濾液體積之比（4）濕渣體積與濾液體積之比kg濕渣/m3濾液m3濾餅/m3濾液2022/10/1159二、過(guò)濾速率基本方程式（一）過(guò)濾速率過(guò)濾速率：過(guò)濾速度：設(shè)為層流流動(dòng)dd2022/10/1

18、160孔道長(zhǎng)度孔道中流速與過(guò)濾速度的關(guān)系過(guò)濾速度dL2022/10/1161令濾餅的比阻單位厚度濾餅的阻力；在數(shù)值上等于粘度為1Pas的濾液以1m/s的平均流速通過(guò)厚度為1m 的濾餅層時(shí)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)降；比阻反映了顆粒特性(形狀、尺寸及床層空隙率)對(duì)濾液流動(dòng)的影響；床層空隙率愈小及顆粒比表面a愈大，則床層愈致密，對(duì)流體流動(dòng)的阻滯作用也愈大。2022/10/1162過(guò)濾速度濾餅阻力過(guò)濾介質(zhì)阻力 v獲得單位體積濾液所形成濾餅的體積， m3濾餅/m3濾液；Ve過(guò)濾介質(zhì)的當(dāng)量濾液體積，或稱虛擬濾液體積，m3。2022/10/1163（二）過(guò)濾基本方程pp1p2濾液2022/10/1164過(guò)濾速率過(guò)濾基本

19、方程則適用于不可壓縮濾餅。2022/10/1165定義：過(guò)濾操作在恒定壓強(qiáng)下進(jìn)行時(shí)稱為恒壓過(guò)濾。濾餅不斷變厚；阻力逐漸增加；推動(dòng)力p 恒定；過(guò)濾速率逐漸變小。特點(diǎn)：三、恒壓過(guò)濾2022/10/1166K為常數(shù)恒壓過(guò)濾方程式（一）濾液體積與過(guò)濾時(shí)間的關(guān)系 恒壓過(guò)濾方程式中的K 稱為過(guò)濾常數(shù)，由物料特性及過(guò)濾壓強(qiáng)差決定。 2022/10/1167Vo1V1A2022/10/1168(二) 過(guò)濾常數(shù)的測(cè)定q/q /qq 為直線關(guān)系， 其斜率為 ，截距為由斜率=1/K，求出K;由截距=2qe/K ，求出qe；2022/10/1169三、過(guò)濾設(shè)備及操作（一）板框過(guò)濾機(jī)2022/10/11702022/1