化工原理第三章

1、2021-6-27 第三章第三章 沉降与过滤沉降与过滤 第一节第一节 重力沉降重力沉降 第二节第二节 离心沉降离心沉降 第三节第三节 过过 滤滤 2021-6-27 混合物混合物 均相混合物均相混合物 非均相混合物非均相混合物 物系内部各处物料性质均匀而且不物系内部各处物料性质均匀而且不 存在相界面的混合物。存在相界面的混合物。 例如：互溶溶液及混合气体例如：互溶溶液及混合气体 物系内部有隔开两相的界面存在且物系内部有隔开两相的界面存在且 界面两侧的物料性质截然不同的混界面两侧的物料性质截然不同的混 合物。合物。 例如例如 固固体颗粒和气体构成的含尘气体体颗粒和气体构成的含尘气体 固体颗粒和固

2、体颗粒和液体构成的悬浮液液体构成的悬浮液 不不互溶液体构成的乳浊液互溶液体构成的乳浊液 液体液体颗粒和气体构成的含雾气体颗粒和气体构成的含雾气体 2021-6-27 非均相物系非均相物系 分散相分散相 分散物质分散物质 处于分散状态的物质处于分散状态的物质 如：分散于流体中的固体颗粒、如：分散于流体中的固体颗粒、 液滴或气泡液滴或气泡 连续相连续相 分散相介质分散相介质 包围着分散相物质且处于连续包围着分散相物质且处于连续 状态的流体状态的流体 如：如：气态非均相物系中的气体气态非均相物系中的气体 液态非均相物系中的连续液体液态非均相物系中的连续液体 分离分离 机械机械 分离分离 沉降沉降 过

3、滤过滤 不同的物理性质不同的物理性质 连续相与分散相连续相与分散相 发生相对运动的方式发生相对运动的方式 分散相和连续相分散相和连续相 2021-6-27 一、重力沉降速度一、重力沉降速度 1 1、球形颗粒的自由沉降、球形颗粒的自由沉降 2 2、阻力系数、阻力系数 3 3、影响沉降速度的因素、影响沉降速度的因素 4 4、沉降速度的计算、沉降速度的计算 二、重力沉降设备二、重力沉降设备 1 1、降尘室、降尘室 2 2、分级器、分级器 3、沉降槽（增稠器）沉降槽（增稠器） 三、降尘室三、降尘室 1 1、降尘室的生产能力、降尘室的生产能力 2 2、降尘室的计算、降尘室的计算 第一节第一节 重力沉降重

4、力沉降 2021-6-27 一、重力沉降速度一、重力沉降速度 沉降沉降 在某种在某种力场力场中利用分散相和连续相之间的中利用分散相和连续相之间的密度差异密度差异，使，使 之发生相对运动而实现分离的操作过程。之发生相对运动而实现分离的操作过程。 作用力作用力 重力重力 惯性离心力惯性离心力 重力重力 沉降沉降 离心沉降离心沉降 1、球形颗粒的自由沉降球形颗粒的自由沉降 设颗粒的密度为设颗粒的密度为s，直径为直径为d，流体的密度为流体的密度为， 2021-6-27 重力重力 gdF sg 3 6 浮力浮力 gdF b 3 6 而阻力随着颗粒与流体间的相对运动速度而变，可仿而阻力随着颗粒与流体间的相

5、对运动速度而变，可仿 照流体流动阻力的计算式写为照流体流动阻力的计算式写为 ： 2 2 u AFd 2 4 dA 对球形颗粒 24 2 2 u dFd maFFF dbg 2021-6-27 ad u dgdgd ss 3 2 233 62466 (a) 颗粒开始沉降的瞬间，速度颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力因此阻力Fd=0，amax 颗粒开始沉降后，颗粒开始沉降后，u Fd ；u ut 时，时，a=0 。 等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度ut 称为沉降速度。称为沉降速度。 当当a=0时，时，u=ut，代入（代入（a）式式 0 2466 2 233

6、 t s u dgdgd 3 )(4 s t dg u 沉降速度表达式沉降速度表达式 2021-6-27 2、阻力系数、阻力系数 通过因次分析法得知，通过因次分析法得知，值是颗粒与流体相对运动时的值是颗粒与流体相对运动时的 雷诺数雷诺数Ret的函数。的函数。 对于球形颗粒的曲线，按对于球形颗粒的曲线，按Ret值大致分为三个区：值大致分为三个区： a) 滞流区或托斯克斯滞流区或托斯克斯(stokes)定律区（定律区（10 4Ret2） t Re 24 18 2 s t d u 斯托克斯公式斯托克斯公式 2021-6-27 6 . 0 Re 5 .18 t 6 . 0 Re 269. 0 tgd

7、u s t 艾伦公式艾伦公式 c) 湍流区或牛顿定律区（湍流区或牛顿定律区（Newton）（）（500Ret 2105） 44. 0 gd u s t 74. 1牛顿公式牛顿公式 b) 过渡区或艾伦定律区（过渡区或艾伦定律区（Allen）（）（2Ret500） 2021-6-27 图图3-1 3-1 关系曲线关系曲线 Ret 2021-6-27 3、影响沉降速度的因素、影响沉降速度的因素 1）颗粒的体积浓度）颗粒的体积浓度 在前面介绍的各种沉降速度关系式中，当颗粒的体积浓在前面介绍的各种沉降速度关系式中，当颗粒的体积浓 度小于度小于0.2%时，理论计算值的偏差在时，理论计算值的偏差在1%以内，

8、但当以内，但当颗粒颗粒 浓度较高浓度较高时，由于颗粒间相互作用明显，便时，由于颗粒间相互作用明显，便发生干扰沉降发生干扰沉降 ，自由沉降的公式不再适用。，自由沉降的公式不再适用。 2）器壁效应）器壁效应 当器壁尺寸远远大于颗粒尺寸时，（例如在当器壁尺寸远远大于颗粒尺寸时，（例如在100倍以上）倍以上） 容器效应可忽略，否则需加以考虑。容器效应可忽略，否则需加以考虑。 D d u u t t 1 . 21 2021-6-27 3）颗粒形状的影响）颗粒形状的影响 对于球形颗粒，对于球形颗粒，s=1，颗粒形状与球形的差异愈大，球形颗粒形状与球形的差异愈大，球形 度度s值愈低。值愈低。 对于非球形颗粒

9、，雷诺准数对于非球形颗粒，雷诺准数Ret中的直径要用当量直径中的直径要用当量直径de代代 替替 。 pe Vd 3 6 3 6 Pe Vd 颗粒的颗粒的球形度愈小球形度愈小，对应于同一，对应于同一Ret值的值的阻力系数阻力系数愈大愈大 但但s值对值对的影响在滞流区并不显著，随着的影响在滞流区并不显著，随着Ret的增大，这种的增大，这种 影响变大。影响变大。 A de 2 非非球球形形颗颗粒粒的的表表面面积积 面面积积与与颗颗粒粒体体积积相相等等的的球球表表 球球形形度度 2021-6-27 4 4、沉降速度的计算、沉降速度的计算 1）试差法）试差法 假设沉降属于层流区假设沉降属于层流区 方法：

10、方法： 18 2 s t d u ut du t Re Ret Ret1 ut为所求为所求 Ret1 艾伦公式艾伦公式 求求ut 判断判断 公式适公式适 用用为止为止 2) 摩擦数群法摩擦数群法 3 4 s t gd u由由 得得 2 3 4 t s u dg 2021-6-27 2 2 2 2 2 Re t t ud 2 3 2 3 4 Re gd s t 3 2 g dk s 令令 32 3 4 Rek t 因因是是Ret的已知函数，的已知函数，Ret2必然也是必然也是Ret的已知函数，的已知函数， Ret曲线便可转化成曲线便可转化成 Ret2Ret曲线。曲线。 a)已知已知d，计算，计算

11、ut。 先由已知数据先由已知数据算出算出Ret2的值的值，再再由由Ret2 Ret曲线 曲线查得查得 Ret值值，最后由最后由Ret反算反算ut 。 d u t t Re 2021-6-27 图图3-2 3-2 关系曲线关系曲线 2021-6-27 b) 已知已知ut ，计算，计算d。 计算在一定介质中计算在一定介质中具有某一沉降速度具有某一沉降速度ut的颗粒的直径的颗粒的直径， 令令与与Ret-1相乘，相乘， 221 3)(4Re tst ug Ret-1Ret关系绘成曲线关系绘成曲线 ，由由Ret-1值查得值查得Ret的值，的值， 再根据再根据沉降速度沉降速度ut值计算值计算d。 t t

12、u d Re 无因次数群无因次数群K也可以也可以判别流型判别流型 18 2 gd u s t 2 3 18 Re gd s t 18 3 K 2021-6-27 当当Ret=1时时K=2.62，此值即为此值即为斯托克斯区的上限斯托克斯区的上限 牛顿定律区的下限牛顿定律区的下限K值为值为69.1 例：例：试计算直径为试计算直径为95m，密度为密度为3000kg/m3的固体颗粒的固体颗粒 分别在分别在20的空气和水中的自由沉降速度。的空气和水中的自由沉降速度。 解：解：1）在）在20水中的沉降。水中的沉降。 用试差法计算用试差法计算 先假设颗粒在滞流区内沉降先假设颗粒在滞流区内沉降 ， 18 2

13、gd u s t 附录查得，附录查得，20时水的密度为时水的密度为998.2kg/m3,=1.00510-3Pa.s 2021-6-27 3 2 6 10005. 118 81. 92 .99830001095 t u sm/10797. 9 3 核算流型核算流型 t t du Re 3 36 10005. 1 2 .99810797. 91095 9244. 0 1 原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。 2） 20的空气中的沉降速度的空气中的沉降速度 用摩擦数群法计算用摩擦数群法计算 20空气：空气：=205 kg/m3，=8110-5 Pa.s 20

14、21-6-27 3 2 g dK s 3 2 5 6 1081. 1 81. 9205. 13000205. 1 1095 52. 4 2.61K69.1，沉降在过渡区。，沉降在过渡区。用艾伦公式计算沉降速度。用艾伦公式计算沉降速度。 4 . 1 6 . 0 4 . 1 4 . 0 4 . 1 1 4 . 1 6 . 1 4 . 1 1 154. 0 s t dg usm/619. 0 根据无因次数根据无因次数K值判别颗粒沉降的流型值判别颗粒沉降的流型 2021-6-27 二、重力沉降设备二、重力沉降设备 1 1、降尘室、降尘室 降尘室是依靠重力沉降从气流中分离出固体颗粒的设备降尘室是依靠重力

15、沉降从气流中分离出固体颗粒的设备 2021-6-27 2 2、分级器、分级器 利用重力沉降可将悬浮液中不同粒度的颗粒进行粗略的分利用重力沉降可将悬浮液中不同粒度的颗粒进行粗略的分 向上流过。沉降速度大于水在环隙处上升向上流过。沉降速度大于水在环隙处上升 流速的颗粒进入底流，而沉降速度小于该流速的颗粒进入底流，而沉降速度小于该 流速的颗粒则被溢流带出。流速的颗粒则被溢流带出。 例：例：本题附图所示为一双锥分本题附图所示为一双锥分 级器，利用它可将密度不同或尺寸级器，利用它可将密度不同或尺寸 不同的粒子混合物分开。混合粒子由不同的粒子混合物分开。混合粒子由 上部加入，水经可调锥与外壁的环形间隙上部

16、加入，水经可调锥与外壁的环形间隙 离，或将两种不同密度的颗粒进行分类，这样的过程统称离，或将两种不同密度的颗粒进行分类，这样的过程统称 为分级，实现分级操作的设备称为分级器。为分级，实现分级操作的设备称为分级器。 2021-6-27 利用此双锥分级器对方铅矿与石英两种粒子混合物分离。已利用此双锥分级器对方铅矿与石英两种粒子混合物分离。已 知：知： 粒子形状粒子形状 正方体正方体 粒子尺寸粒子尺寸 棱长为棱长为0.080.7mm 方铅矿密度方铅矿密度 s1=7500kg/m3 石英密度石英密度 s2=2650kg/m3 20水的密度和粘度水的密度和粘度 =998.2kg/m3 =1.00510-

17、3 Pas 假定粒子在上升水流中作自由沉降，试求：假定粒子在上升水流中作自由沉降，试求：1）欲得纯方铅矿）欲得纯方铅矿 粒，水的上升流速至少应取多少粒，水的上升流速至少应取多少m/s？2）所得纯方铅矿粒的所得纯方铅矿粒的 尺寸范围。尺寸范围。 2021-6-27 解：解：1)水的上升流速水的上升流速 为了得到纯方铅矿粒，应使全部石英粒子被溢流带出，为了得到纯方铅矿粒，应使全部石英粒子被溢流带出， 应按应按最大石英粒子的自由沉降速度决定水的上升流速最大石英粒子的自由沉降速度决定水的上升流速。 对于正方体颗粒，先算出其当量直径和球形度。对于正方体颗粒，先算出其当量直径和球形度。 设设l代表棱长，代

18、表棱长，Vp代表一个颗粒的体积。代表一个颗粒的体积。 3 6 pe Vd 3 3 6 l m 43 3 10685. 8)107 . 0( 6 p s S S 2 2 6l de 806. 0 )107 . 0(6 10685. 8 23 4 2021-6-27 用摩擦数群法求最大石英粒子的沉降速度用摩擦数群法求最大石英粒子的沉降速度 2 2 2 2 3 )(4 Re gd se t 14000 )10005. 1 ( 3 81. 92 .998)2 .9982650()10685. 8(4 23 34 s=0.806，查图查图3-2的，的，Ret=60，则：则： e t t d u Re 4

19、 3 10685. 82 .998 10005. 160 sm/0696. 0 2021-6-27 2）纯方铅矿的尺寸范围）纯方铅矿的尺寸范围 所得到的纯方铅矿粒所得到的纯方铅矿粒尺寸最小的沉降速度应等于尺寸最小的沉降速度应等于0.0696m/s 用摩擦数群法计算该粒子的当量直径。用摩擦数群法计算该粒子的当量直径。 32 11 3 )(4 Re t s t u g 2544. 0 )0696. 0(2 .9983 81. 9)2 .9987500(10005. 14 32 3 s=0.806，查图查图3-2的，的，Ret=22，则：则： 2021-6-27 t t e u d Re 0696.

20、 02 .998 10005. 122 3 m 4 10182.3 与此当量直径相对应的正方体的棱长为：与此当量直径相对应的正方体的棱长为： 3 6 e d l 3 4 6 10182. 3 m 4 10565. 2 所得方铅矿的棱长范围为所得方铅矿的棱长范围为0.25650.7mm。 2021-6-27 a) 悬浮液的沉聚过程悬浮液的沉聚过程 3. 沉降槽（增稠器）沉降槽（增稠器） 2021-6-27 b) 沉降槽沉降槽 2021-6-27 三、降尘室三、降尘室 1、降尘室的生产能力、降尘室的生产能力 降尘室的生产能力是指降尘室的生产能力是指降尘室所处理的含尘气体的体积流降尘室所处理的含尘气

21、体的体积流 量，量，用用qV表示，表示，m3/s。 降尘室内的降尘室内的颗粒颗粒运动运动 以速度以速度u 随气体流动随气体流动 以速度以速度ut 作沉降运动作沉降运动 W 2021-6-27 颗粒在降尘室的停留时间颗粒在降尘室的停留时间 uL 颗粒沉降到室底所需的时间颗粒沉降到室底所需的时间 tt uH t 为了满足除尘要求为了满足除尘要求 t u H u L 降尘室使颗粒沉降的条件降尘室使颗粒沉降的条件 WH q u V V V q LWH WH q L tV u H q LWH tV WLuq 降尘室的生产能力降尘室的生产能力 降尘室的生产能力只与降尘室的降尘室的生产能力只与降尘室的沉降面

22、积沉降面积WL和颗粒的沉降和颗粒的沉降 速度速度ut有关有关，而，而与降尘室的高度无关与降尘室的高度无关。 2021-6-27 2、降尘室的计算、降尘室的计算 降尘室的计算降尘室的计算 设计型设计型 操作型操作型 已知气体处理量和除尘要求，已知气体处理量和除尘要求，求求 降尘室的大小降尘室的大小 用已知尺寸的降尘室处理一定量用已知尺寸的降尘室处理一定量 含尘气体时，计算含尘气体时，计算可以完全除掉可以完全除掉 的最小颗粒的尺寸的最小颗粒的尺寸，或者计算要，或者计算要 求求完全除去直径完全除去直径dp的尘粒时所能处的尘粒时所能处 理的气体流量。理的气体流量。 2021-6-27 例：例：拟采用降

23、尘室除去常压炉气中的球形尘粒。降尘室的拟采用降尘室除去常压炉气中的球形尘粒。降尘室的 宽和长分别为宽和长分别为2m和和6m,气体处理量为气体处理量为1标标m3/s，炉气温度为炉气温度为 427，相应的密度，相应的密度=0.5kg/m3，粘度粘度=3.410-5Pa.s，固体固体 密度密度S=400kg/m3操作条件下，规定气体速度不大于操作条件下，规定气体速度不大于0.5m/s， 试求：试求： 1降尘室的总高度降尘室的总高度H，m； 2理论上能完全分离下来的最小颗粒尺寸；理论上能完全分离下来的最小颗粒尺寸； 3. 欲使粒径为欲使粒径为10m的颗粒完全分离下来，需在降降尘的颗粒完全分离下来，需在

24、降降尘 室内设置几层水平隔板？室内设置几层水平隔板？ 2021-6-27 解：解：1）降尘室的总高度）降尘室的总高度H sm t qq VSV /564. 2 273 427273 1 273 273 3 0 Wu q H SV 5 . 02 564. 2 m564. 2 2）理论上能完全出去的最小颗粒尺寸）理论上能完全出去的最小颗粒尺寸 WL q u sV t sm/214. 0 62 564. 2 用试差法由用试差法由ut求求dmin。 假设沉降在斯托克斯区假设沉降在斯托克斯区 2021-6-27 g u d s t 18 min 807. 95 . 0400 214. 0104 . 31

25、8 5 m 5 1078. 5 核算沉降流型核算沉降流型 1182. 0 1014. 3 5 . 0214. 01078. 5 Re 5 5 t t du 原假设正确原假设正确 3、水平隔板层数、水平隔板层数 再再由生产能力和底面积由生产能力和底面积求得多层降尘室的求得多层降尘室的水平隔板层数水平隔板层数。 粒径为粒径为10m的颗粒的沉降必在滞流区，的颗粒的沉降必在滞流区， 由规定需要完全除去的由规定需要完全除去的最小粒径最小粒径求沉降速度求沉降速度， 2021-6-27 sm gd u s t /1041. 6 104 . 318 807. 95 . 0400101 18 3 6 2 52

26、1 t WLu q n Vs 1 104 . 662 564. 2 3 3 .32 取取33层层 板间距为板间距为 1 n H h m0754. 0 133 564. 2 2021-6-27 一、离心沉降速度一、离心沉降速度 二、旋风分离器操作原理二、旋风分离器操作原理 三、旋风分离器的性能三、旋风分离器的性能 四、旋风分离器的选型四、旋风分离器的选型 第二节第二节 离心沉降离心沉降 2021-6-27 离心沉降：离心沉降： 依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程 适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物

27、系。 惯性离心力场与重力场的区别惯性离心力场与重力场的区别 重力场重力场 离心力场离心力场 力场强度力场强度重力加速度重力加速度gut2/R 方向方向指向地心指向地心 沿旋转半径从中心指向外周沿旋转半径从中心指向外周 Fg=mg R u mF t C 2 作用力作用力 2021-6-27 一、离心沉降速度一、离心沉降速度 1、离心沉降速度、离心沉降速度ur 惯性离心力惯性离心力= r udt s 23 6 向心力向心力= r ud t 23 6 阻力阻力= 24 22 r ud 三力达到平衡，则：三力达到平衡，则： r udt s 23 6 r udt 23 6 0 24 22 rud 合合

28、2021-6-27 平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度ur便是此位置便是此位置 上的上的离心沉降速度离心沉降速度。 r ud u ts r 3 4 2 2、离心沉降速度与重力沉降速度的比较、离心沉降速度与重力沉降速度的比较 表达式表达式：重力沉降速度公式中的：重力沉降速度公式中的重力加速度改为离心加速度重力加速度改为离心加速度 数值：数值：重力沉降速度基本上为重力沉降速度基本上为定值定值 离心沉降速度为离心沉降速度为绝对速度在径向上的分量，绝对速度在径向上的分量，随颗粒在随颗粒在 离心力场中的离心力场中的位置而变位置而变。 2021-6-27 阻力系数

29、阻力系数 ：层流时：层流时 e R 24 r ud u ts r 2 2 18 同一颗粒在同一种介质中的离心沉降速度与重力沉降速同一颗粒在同一种介质中的离心沉降速度与重力沉降速 度的比值为度的比值为 ： c T t r K gr u u u 2 比值比值Kc就是粒子所在位置上的惯性离心力场强度与重力就是粒子所在位置上的惯性离心力场强度与重力 场强度之比称为场强度之比称为离心分离因数离心分离因数。 例如；当旋转半径例如；当旋转半径r=0.4m，切向速度切向速度ur=20m/s时，求分时，求分 离因数。离因数。 102 2 gr u K T c 2021-6-27 二、旋风分离器的操作原理二、旋风

30、分离器的操作原理 2021-6-27 2021-6-27 三、旋风分离器的性能三、旋风分离器的性能 旋风分离器性能的主要操作参数为旋风分离器性能的主要操作参数为气体处理量，气体处理量， 分离效率和气体通过旋风分离器的压强降。分离效率和气体通过旋风分离器的压强降。 1、气体处理量、气体处理量 旋风分离器的处理量由入口的气速决定，入口气体流旋风分离器的处理量由入口的气速决定，入口气体流 量是旋风分离器最主要的操作参数量是旋风分离器最主要的操作参数。一般入口气速一般入口气速ui 在在1525m/s。 旋风分离器的处理量旋风分离器的处理量 hbuq i V 2021-6-27 2、临界粒径、临界粒径

31、判断旋风分离器判断旋风分离器分离效率高低的重要依据是临界粒径。分离效率高低的重要依据是临界粒径。 临界粒径临界粒径 ： 理论上在旋风分离器中能完全分离下来的最小理论上在旋风分离器中能完全分离下来的最小 颗粒直径。颗粒直径。 1） 临界粒径的计算式临界粒径的计算式 a) 进入旋风分离器的气流严格按照螺旋形路线作等速运进入旋风分离器的气流严格按照螺旋形路线作等速运 动，且切线速度恒定，等于进口气速动，且切线速度恒定，等于进口气速ut=ui； b) 颗粒沉降过程中所穿过的气流厚度为进气口宽度颗粒沉降过程中所穿过的气流厚度为进气口宽度b。 r ud u Ts r 22 18 表示表示 c) 颗粒在滞流

32、情况下做自由沉降，径向速度可用颗粒在滞流情况下做自由沉降，径向速度可用 2021-6-27 S，故故可略去，而旋转半径可略去，而旋转半径r可取平均值可取平均值rm，并用进并用进 口速度口速度ui代替代替ut。 气流中颗粒的离心沉降速度为：气流中颗粒的离心沉降速度为： m is r r ud u 18 2 2 颗粒到达器壁所需要的时间：颗粒到达器壁所需要的时间： 2 2 18 is m r t ud br u b 停留时间为：停留时间为： i m u nr 2 对某尺寸的颗粒所需的沉降时间对某尺寸的颗粒所需的沉降时间t恰好等于停留时间恰好等于停留时间 ，该颗粒就是理论上能被完全分离下来的最小颗粒

33、，用该颗粒就是理论上能被完全分离下来的最小颗粒，用dc 表示这种颗粒的直径，即表示这种颗粒的直径，即临界粒径临界粒径 。 2021-6-27 i m isc m u nr ud br 218 22 is c un b d 9 临界粒径的表达式临界粒径的表达式 2）临界粒径的影响因素）临界粒径的影响因素 a) 由由 is c un b d 9 ，知，知 bdc 即即临界粒径随分离器尺寸的增大而增大。临界粒径随分离器尺寸的增大而增大。 分离效率随分离器尺寸的增大而减小。分离效率随分离器尺寸的增大而减小。 b)入口气速入口气速ui愈大，愈大，dc愈小，愈小，效率愈高效率愈高。 2021-6-27 3

34、、分离效率、分离效率 分离效率分离效率 总效率总效率o 进入旋风分离器的全部粉尘中被分进入旋风分离器的全部粉尘中被分 离下来的粉尘的质量分率离下来的粉尘的质量分率 %100 1 21 0 C CC 粒级效率粒级效率pi 进入旋风分离器的粒径为进入旋风分离器的粒径为di的颗的颗 粒被分离下来的质量分率粒被分离下来的质量分率 %100 1 21 i ii pi C CC 2021-6-27 通过实测旋风分离器进、出气流中所含尘粒的浓度通过实测旋风分离器进、出气流中所含尘粒的浓度 有时也把旋风分离器的粒级效率标绘成有时也把旋风分离器的粒级效率标绘成d/d50的函数曲的函数曲 同一型式且尺寸比例相同的

35、旋风分离器同一型式且尺寸比例相同的旋风分离器 曲线相同，因此此曲线估算旋风分离器的效率较为方便。曲线相同，因此此曲线估算旋风分离器的效率较为方便。 线，线，d50为粒级效率为为粒级效率为50%的颗粒直径，称为的颗粒直径，称为分割粒径分割粒径。 pi-d/d50 及粒度分布，可得粒级效率及粒度分布，可得粒级效率pi与颗粒直径与颗粒直径di的对应关系的对应关系 曲线，该曲线称为曲线，该曲线称为粒级效率曲线粒级效率曲线。 2021-6-27 4、压强降、压强降 气体通过旋风分离器时，由于进气管、排气管及主体气体通过旋风分离器时，由于进气管、排气管及主体 器壁所引起的摩擦阻力，气体流动时的局部阻力以及

36、气体器壁所引起的摩擦阻力，气体流动时的局部阻力以及气体 旋转所产生的动能损失造成了气体的压强降，旋转所产生的动能损失造成了气体的压强降， 2 2 ic u p 对型式不同或尺寸比例不同的设阻力系数对型式不同或尺寸比例不同的设阻力系数c的值也不同，的值也不同， 要通过实验测定，对于要通过实验测定，对于标准旋风分离器标准旋风分离器c=8.0。 旋风分离器的压降一般在旋风分离器的压降一般在3002000Pa内。内。 2021-6-27 四、旋风分离器的选型四、旋风分离器的选型 旋风分离器的形式多种多样，主要是在对标准型式旋风分离器的形式多种多样，主要是在对标准型式 的旋风分离器的改进设计出来的。的旋

37、风分离器的改进设计出来的。 进气口进气口 ： 为了保证高速气流进入旋风分离起时形成较为了保证高速气流进入旋风分离起时形成较 规律设计分离器的结构，一般规律设计分离器的结构，一般细长的旋风分离器效率高，细长的旋风分离器效率高， 规则的旋转流，减少局部涡流与死角，设计了规则的旋转流，减少局部涡流与死角，设计了倾斜螺旋进倾斜螺旋进 口，螺壳形进口、轴向进口口，螺壳形进口、轴向进口等。等。 主体结构与各部分尺寸比例的优化主体结构与各部分尺寸比例的优化：根据流场与颗粒流动：根据流场与颗粒流动 但超过一定限度，分离效率提高不明显，而压降却增加。但超过一定限度，分离效率提高不明显，而压降却增加。 改进下灰口

38、改进下灰口 ：防止已分离下来的粉尘重新扬起防止已分离下来的粉尘重新扬起 。 目前，我国已定型了旋风分离器，制定了标准流型系列，目前，我国已定型了旋风分离器，制定了标准流型系列， 如如CLT,CLT/A,CLP/A,CLP/B等。等。 2021-6-27 一、过滤操作的基本概念一、过滤操作的基本概念 二、过滤基本方程式二、过滤基本方程式 三、恒压过滤三、恒压过滤 四、过滤常数的测定四、过滤常数的测定 五、过滤设备五、过滤设备 六、滤饼的洗涤六、滤饼的洗涤 七、过滤机的生产能力七、过滤机的生产能力 第三节第三节 过过 滤滤 2021-6-27 一、过滤操作的基本概念一、过滤操作的基本概念 1 1、

39、过滤的概念、过滤的概念 利用能让液体通过而截留固体颗粒的多孔介质（过利用能让液体通过而截留固体颗粒的多孔介质（过 滤介质），使悬浮液中固液得到分离的单元操作。滤介质），使悬浮液中固液得到分离的单元操作。 过滤操作中所处理的悬浮液过滤操作中所处理的悬浮液 滤浆滤浆 通过多孔介质的液体通过多孔介质的液体 滤液滤液 被截留住的固体物质被截留住的固体物质 滤渣（滤饼）滤渣（滤饼） 实现过滤操作的外力有重力、压力、实现过滤操作的外力有重力、压力、 离心力，化工中应用最多的是离心力，化工中应用最多的是压力过滤压力过滤。 过滤过滤 2021-6-27 2 2、过滤方式、过滤方式 过滤过滤 深层过滤深层过滤

40、滤饼过滤滤饼过滤 固体颗粒的沉积发生在较固体颗粒的沉积发生在较 厚的粒状过滤厚的粒状过滤介质床层内介质床层内 部部。适用于悬浮液中颗粒。适用于悬浮液中颗粒 甚小且含量甚微。甚小且含量甚微。 固体颗粒成饼层状沉积固体颗粒成饼层状沉积 于于过滤介质表面过滤介质表面，形成滤，形成滤 饼饼。适用于处理固相含量适用于处理固相含量 稍高的悬浮液。稍高的悬浮液。 膜过滤膜过滤 2021-6-27 3 3、过滤介质、过滤介质 过滤介质是滤饼的支承物过滤介质是滤饼的支承物，应具有下列条件：，应具有下列条件： a) 多孔性多孔性，孔道适当的小，对流体的阻力小，又能截住要，孔道适当的小，对流体的阻力小，又能截住要

41、分离的颗粒。分离的颗粒。 b) 物理化学性质稳定，物理化学性质稳定，耐热，耐化学腐蚀。耐热，耐化学腐蚀。 c)足够的机械强度足够的机械强度，使用寿命长，使用寿命长 d) 价格便宜价格便宜 工业常用的过滤介质主要有工业常用的过滤介质主要有 a) 织物介质：织物介质：又称又称滤布滤布，包括有棉、毛、丝等天然纤维，包括有棉、毛、丝等天然纤维， 玻璃丝和各种合成纤维制成的织物，以及金属丝织成的网玻璃丝和各种合成纤维制成的织物，以及金属丝织成的网 能截留的粒径的范围较宽，从能截留的粒径的范围较宽，从几十几十m 到到 1m。 2021-6-27 优点：优点：织物介质薄，阻力小，清洗与更新方便，价格比较便织

42、物介质薄，阻力小，清洗与更新方便，价格比较便 宜，是工业上应用最广泛的过滤介质。宜，是工业上应用最广泛的过滤介质。 b)多孔固体介质多孔固体介质：如素烧陶瓷，烧结金属塑料细粉粘成的：如素烧陶瓷，烧结金属塑料细粉粘成的 多孔塑料，棉花饼等多孔塑料，棉花饼等 这类介质较厚，孔道细，阻力大，这类介质较厚，孔道细，阻力大，能截留能截留13m的颗粒的颗粒。 c) 堆积介质：堆积介质：由各种固体颗粒（砂、木炭、石棉粉等）或非由各种固体颗粒（砂、木炭、石棉粉等）或非 编织的纤维（玻璃棉等）堆积而成，层较厚。编织的纤维（玻璃棉等）堆积而成，层较厚。 d) 多孔膜多孔膜：由高分子材料制成，膜很薄（几十：由高分子

43、材料制成，膜很薄（几十m到到200m ），），孔很小，可以分离小到孔很小，可以分离小到0.05m的颗粒的颗粒,应用多孔膜的过应用多孔膜的过 滤有超滤和微滤。滤有超滤和微滤。 2021-6-27 4 4、助滤剂、助滤剂 滤饼滤饼 不可压缩滤饼不可压缩滤饼: 颗粒有一定的刚性，所形成的滤饼并 颗粒有一定的刚性，所形成的滤饼并 不因所受的压力差而变形不因所受的压力差而变形 可压缩滤饼可压缩滤饼: 颗粒比较软，所形成的滤饼在压差的作颗粒比较软，所形成的滤饼在压差的作 用下变形，使滤饼中的流动通道变小，用下变形，使滤饼中的流动通道变小， 阻力增大。阻力增大。 加入助滤剂可减少可压缩滤饼的流动阻力加入助滤

44、剂可减少可压缩滤饼的流动阻力 加入方法加入方法 预涂预涂 将助滤剂混在滤浆中一起过滤将助滤剂混在滤浆中一起过滤 用助滤剂配成悬浮液，在正式过滤前用它进用助滤剂配成悬浮液，在正式过滤前用它进 行过滤，在过滤介质上形成一层由助滤剂组行过滤，在过滤介质上形成一层由助滤剂组 成的滤饼。成的滤饼。 2021-6-27 二、过滤基本方程式二、过滤基本方程式 1、滤液通过饼层的流动、滤液通过饼层的流动 简化模型是将床层中不规则的通道假设成长度为简化模型是将床层中不规则的通道假设成长度为 L， 当量直径为当量直径为 de 的一组平行细管，并且规定：的一组平行细管，并且规定： c) 颗粒床层的当量直径颗粒床层的

45、当量直径可写为：可写为： a = 颗粒表面积颗粒表面积 / 颗粒体积颗粒体积 b) 颗粒比表面积：颗粒比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积，用单位体积颗粒所具有的表面积，用a表示。表示。 a) 空隙率空隙率:单位体积床层中的空隙体积，用单位体积床层中的空隙体积，用表示。表示。 =空隙体积空隙体积 / 床层体积床层体积 m3/m3 （1）细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积；）细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积； （2）细管的内表面积等于颗粒床层的全部表面积。）细管的内表面积等于颗粒床层的全部表面积。 2021-6-27 de流通截面积流通截面积流道长度流道长度润湿周边长度润湿周边长度

46、流道长度流道长度 de流道容积流道容积流道表面积流道表面积 取面积为取面积为1m2厚度为厚度为1m 的滤饼考虑：的滤饼考虑： 床层体积床层体积=11=1m3 流道容积流道容积=1=m3 颗粒表面积颗粒表面积 = 流道表面积流道表面积 = 颗粒体积颗粒比表面颗粒体积颗粒比表面 =（1）a m2 所以床层的当量直径为所以床层的当量直径为 ： )1 (a de (1) 2021-6-27 滤液通过饼床层的流速与压强降的关系为：滤液通过饼床层的流速与压强降的关系为： 2 1 L pd u ce （2） 在与过滤介质层相垂直的方向上床层空隙中的滤液流速在与过滤介质层相垂直的方向上床层空隙中的滤液流速u1

47、 / 1 uu （3） 将（将（1）、（）、（3）代入（）代入（2）并写成等式）并写成等式 )( )1 ( 1 22 3 L p aK u c 与按整个床层截面积计算的滤液平均流速与按整个床层截面积计算的滤液平均流速u之间的关系为之间的关系为 ： 滤液通过饼层的流动常属于滞流流型滤液通过饼层的流动常属于滞流流型 ， l pd u 32 2 2021-6-27 比例常数比例常数K与滤饼的空隙率、粒子形状、排列及粒度范围与滤饼的空隙率、粒子形状、排列及粒度范围 等因素有关。对于颗粒床层的滞流流动，等因素有关。对于颗粒床层的滞流流动，K值可取为值可取为5。 )( )1 (5 22 3 L p a u

48、 c 过滤速度表达式过滤速度表达式 2、过滤速率、过滤速率 过滤速度过滤速度过滤速率过滤速率 单位时间通过单位过单位时间通过单位过 滤面积的滤液体积滤面积的滤液体积 单位时间获得的滤液体单位时间获得的滤液体 积称为过滤速率积称为过滤速率 定义定义 )( )1 (5 22 3 L pA ad dV c )( )1 (5 22 3 L p aAd dV c 表达式表达式 2021-6-27 3 3、滤饼的阻力、滤饼的阻力 令令 3 22 )1 (5 a r 滤饼的比阻滤饼的比阻，1/m2 rL p Ad dV c (4) 令令 rLR 滤饼阻力滤饼阻力 rL p Ad dV c （5） 速度推动力

49、速度推动力阻力阻力 2021-6-27 由由RrL可知，比阻可知，比阻r是单位厚度滤饼的阻力，是单位厚度滤饼的阻力， 数值上等于粘度为数值上等于粘度为1Pa.s的滤液以的滤液以1m/s的平均流速通过厚的平均流速通过厚 度为度为1m的滤饼层时，所产生的压强降的滤饼层时，所产生的压强降 。 反映了颗粒形状、尺寸及床层空隙率对滤液流动的影响反映了颗粒形状、尺寸及床层空隙率对滤液流动的影响 床层空隙率床层空隙率愈小及颗粒比表面积愈小及颗粒比表面积愈大，则床层愈致密愈大，则床层愈致密 ，对流体流动的阻滞作用也愈大。，对流体流动的阻滞作用也愈大。 4 4、过滤介质的阻力、过滤介质的阻力 过滤介质的阻力也与

50、其厚度及本身的致密程度有关，通过滤介质的阻力也与其厚度及本身的致密程度有关，通 常把过滤介质的阻力视为常数。常把过滤介质的阻力视为常数。 2021-6-27 滤液穿过过滤介质层的速度关系式滤液穿过过滤介质层的速度关系式 ： m m R p Ad dV 式中：式中：p=pC+pm，代表滤饼与滤布两侧的总压强降，称代表滤饼与滤布两侧的总压强降，称 为过滤为过滤压强差压强差。也称为过滤设备的。也称为过滤设备的表压强表压强 。 可用滤液通过串联的滤饼与滤布的可用滤液通过串联的滤饼与滤布的总压强降来表示过滤推总压强降来表示过滤推 动力，动力，用用两层的阻力之和来表示总阻力两层的阻力之和来表示总阻力。 )

51、()( mm mc RR p RR pp Ad dV (6) p p1 p2 滤液滤液 2021-6-27 设想以一层厚度为设想以一层厚度为Le的滤饼来代替滤布，的滤饼来代替滤布， me RrL 故（故（6）式可写为）式可写为 ）（7 )()( ee LLr p rLrL p Ad dV 式中：式中： Le过滤介质的当量滤饼厚度，或称为虚拟滤饼厚度，过滤介质的当量滤饼厚度，或称为虚拟滤饼厚度，m 在一定的操作条件下，以一定介质过滤一定悬浮液时，在一定的操作条件下，以一定介质过滤一定悬浮液时，Le 为定值，但同一介质在不同的过滤操作中，为定值，但同一介质在不同的过滤操作中，Le值不同。值不同。

52、2021-6-27 5 5、过滤基本方程式、过滤基本方程式 滤饼厚度滤饼厚度L与当时已经获得的滤液体积与当时已经获得的滤液体积V之间的关系为：之间的关系为： VLAAVL 滤饼体积与相应的滤液体积之比，无因次，滤饼体积与相应的滤液体积之比，无因次，m3/m3 。 同理同理 ： A vV L e e Ve过滤介质的当量滤液体积，或称虚拟滤液体积，过滤介质的当量滤液体积，或称虚拟滤液体积，m3 在一定的操作条件下，以一定介质过滤一定的悬浮液时，在一定的操作条件下，以一定介质过滤一定的悬浮液时， Ve为定值，但同一介质在不同的过滤操作中，为定值，但同一介质在不同的过滤操作中，Ve值不同。值不同。 2

53、021-6-27 （7）式就可以写成）式就可以写成 )( A VV rv p Ad dV e )( 2 e VVrv pA d dV 过滤速率的一般关系式过滤速率的一般关系式 可压缩滤饼的情况比较复杂，它的比阻是两侧压强差的函数，可压缩滤饼的情况比较复杂，它的比阻是两侧压强差的函数， s prr)( s滤饼的压缩性指数滤饼的压缩性指数，无因次。，无因次。s=01,对于不可压缩对于不可压缩 滤饼，滤饼，s=0。 2021-6-27 对于可压缩滤饼，过滤速率对于可压缩滤饼，过滤速率 )( 12 e s VVr pA d dV 过滤基本方程式过滤基本方程式 适用于可压缩滤饼及不可压缩滤饼。适用于可压

54、缩滤饼及不可压缩滤饼。 对于不可压缩滤饼，对于不可压缩滤饼，s=0。 2021-6-27 三、恒压过滤三、恒压过滤 恒压过滤：恒压过滤：在恒定压强差下进行的过滤操作。在恒定压强差下进行的过滤操作。 恒压过滤时，滤饼不断变厚致使阻力逐渐增加。但推动恒压过滤时，滤饼不断变厚致使阻力逐渐增加。但推动 力力P恒定，恒定，过滤速率逐渐变小过滤速率逐渐变小。 对于一定的悬浮液，对于一定的悬浮液，,r及及均可视为常数。均可视为常数。 r k 1 令令 k表征过滤物料特性的常数，（表征过滤物料特性的常数，（m4/N.s）。）。 )( 12 e s VVr pA d dV 则过滤速率则过滤速率变为：变为： e

55、s VV pkA d dV 12 2021-6-27 积分得积分得 ： dpkAVV s e 12 )( 假定获得体积为假定获得体积为Ve滤液所需的虚拟过滤时间为滤液所需的虚拟过滤时间为e,则积分的则积分的 边界条件边界条件为：为： 过滤时间过滤时间 滤液体积滤液体积 0 0 Ve + VeV+Ve )()()( 0 12 0 ee e s e V e dPkAVVdVV )()()( 12 e e e e e s VV V ee dpkAVVdVV e e e 2021-6-27 积分两式，并令积分两式，并令 K=2kp1-s 22 KAVe 22 2KAVVV e 两式相加，得：两式相加，

56、得： )()( 22 ee KAVV恒压过滤方程式恒压过滤方程式 表明：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恒压过滤时，滤液体积与过滤时间的关系为抛物线方程 当介质阻力可以忽略时，当介质阻力可以忽略时，Ve=0， =0，过滤方程式则变为过滤方程式则变为 22 KAV A V q A V q e e 及令令 e 2021-6-27 ee Kq 2 Kqqq e 2 2 ）（）（ ee Kqq 2 恒压过滤方程恒压过滤方程 K 过滤常数过滤常数 由物料特性及过滤压强差所决定由物料特性及过滤压强差所决定 ，m2/s 和和qe 介质常数介质常数 反映过滤介质阻力大小反映过滤介质阻力大

57、小 ，s及及m3/m2 当介质阻力可以忽略时，当介质阻力可以忽略时，Kq 2 e 2021-6-27 例：例：过滤一种固体颗体积分数为过滤一种固体颗体积分数为0.1的悬浮液的悬浮液,滤饼含水的体滤饼含水的体 积分数为积分数为0.5,颗粒不可压缩颗粒不可压缩,经实验测定滤饼比阻为经实验测定滤饼比阻为 1.31011m-2,水的粘度为水的粘度为1.010-3Pa.s。在压强差恒为在压强差恒为 9.8104Pa的条件下过滤的条件下过滤,假设滤布阻力可以忽略假设滤布阻力可以忽略,试求：试求： 1）每）每m2过滤面积上获得过滤面积上获得1.5m3滤液所需的过滤时间。滤液所需的过滤时间。 2）如将此过滤时

58、间延长一倍）如将此过滤时间延长一倍,可再得滤液多少？可再得滤液多少？ 解：解：1）过滤时间）过滤时间 33 /25. 0 5 . 0/1 . 011 5 . 0/1 . 01 mm 2021-6-27 sm r p K s /106 25. 0103 . 1100 . 1 1081. 922 23 113 4 0 1 滤布阻力可忽略滤布阻力可忽略 Kq 2 s K q 3 22 106 5 . 1 s375 2)求过滤时间加倍时的滤液量求过滤时间加倍时的滤液量 s75037522 / / Kq 33 12. 2750106m 5 . 112. 2qq 23 /62. 0mm 2021-6-27

59、 四、过滤常数的测定四、过滤常数的测定 1、恒压下、恒压下K、qe、e的测定的测定 由恒压过滤方程由恒压过滤方程 )()2 ee Kqq（ 微分微分 Kddqqq e )(2 e q K q Kq 22 对于一定恒压下过滤的悬浮液，测出延续的时间及滤液的对于一定恒压下过滤的悬浮液，测出延续的时间及滤液的 累计量累计量q（按单位面积计）的数据，然后算出一系列的按单位面积计）的数据，然后算出一系列的 与与 q的对应值的对应值 实验原理：实验原理： 2021-6-27 qqq 000 0 1 1 q 1 q 11 q 2 2 q 12 12 qq 1212 qq 然后在直角坐标纸上从然后在直角坐标纸

60、上从/q为纵坐标，以为纵坐标，以q为横坐标进行标为横坐标进行标 绘，可得到一斜率为绘，可得到一斜率为2/K，截距为截距为2qe/K的直线的直线。 ee Kq 2 求得求得 e 1 2021-6-27 q /q e q K 2 K 1 斜率 2021-6-27 2、压缩性指数、压缩性指数s的测定的测定 由由 s pkk 1 2 两端取对数，得两端取对数，得 )2lg()lg()1 (lgkpsk vr k 1 常数常数 lgk与与lg(p)的关系在对数坐标纸上标绘时应是直线的关系在对数坐标纸上标绘时应是直线,直线直线 的斜率为的斜率为1-s，截距为截距为lg(2k)。由此可得到滤饼的压缩性指数由