第四章沉降与过滤

1、settling and filtration第一节第一节 重力沉降重力沉降第二节第二节 过过 滤滤第三节第三节 离心分离离心分离4-1 4-1 颗粒在流体中的运动颗粒在流体中的运动4.1a 4.1a 颗粒与流体相对运动时所受的力颗粒与流体相对运动时所受的力4.1b 4.1b 沉降速度沉降速度4-2 4-2 悬浮液的重力沉降悬浮液的重力沉降4.2a 4.2a 间歇式沉降器间歇式沉降器4.2b 4.2b 半连续式沉降器半连续式沉降器4.2c 4.2c 连续式沉降器连续式沉降器4-3 4-3 气溶胶的重力沉降气溶胶的重力沉降4.3a 4.3a 立式沉降室立式沉降室4.3b 4.3b 卧式沉降室卧式

2、沉降室 由地球引力作用而产生的分散质颗粒沉降过程，由地球引力作用而产生的分散质颗粒沉降过程，称为重力沉降（称为重力沉降（gravity settling）4-1 4-1 颗粒在流体中的运动颗粒在流体中的运动4.1a4.1a 颗粒与流体相对运动时所受的力颗粒与流体相对运动时所受的力流体绕过球形体的运动流体绕过球形体的运动理想流体绕流理想流体绕流实际流体绕流实际流体绕流实际流体有实际流体有黏度黏度,对颗粒会产生对颗粒会产生曳力曳力（drag force）层流时层流时曳力曳力(n)3dufd242422u)du(dfd令令durep称称修正雷诺数修正雷诺数24da 为球形颗粒为球形颗粒投影面积投影面

3、积，m2pre24称为称为阻力因数阻力因数22uafd非层流时，非层流时，rep 关系可实验求得关系可实验求得（1）层流区层流区 （stockes区）区） （rep1）pre24（2）过渡区）过渡区 （allen区）区） （1 rep500）0.618.5pre （3）湍流区）湍流区（500 rep1.5105），）， newton区区0.44rep4.1b4.1b 沉降速度沉降速度1.1.球形颗粒的自由沉降球形颗粒的自由沉降（ free settling） 颗粒受向下重力颗粒受向下重力fg，向上浮力，向上浮力fb,向上阻力向上阻力fd三三 力平衡：力平衡：fgfbfddbgfff246622

4、330pudgdgd208161u)gd(p)gd(up340这是球形颗粒自由沉降速度的这是球形颗粒自由沉降速度的一般公式一般公式(1) 层流区的层流区的stokes定律：定律：208161u)gd(ppre24durep0)g(dup1820(2) 过渡区的过渡区的allen定律：定律：750.60.41.600.154d)g(dup(3)湍流区的湍流区的newton 定律：定律：)gd(up1.740 2.2.沉降速度的求算沉降速度的求算u0 rep u0 (1)(1) 试差法试差法先假定先假定u01 rep u02(2)(2) 复验法复验法先假定流型区域先假定流型区域 u0再代入再代入r

5、ep式求式求rep复验复验(3)(3) 直接法直接法312)g(dkpk 2.62 43.6层流区层流区 过渡区过渡区 湍流区湍流区?4-2 4-2 悬浮液的重力沉降悬浮液的重力沉降4.2a4.2a 间歇式沉降器间歇式沉降器沉降器的生产沉降器的生产 能力能力qv0000tahtvqv000tuh )s(m 13 00auqv4.2b4.2b 半连续式沉降器半连续式沉降器1 1临界流速临界流速fd=ff 对应的对应的ul即为即为临界流速临界流速ucspc)g(dud322624)gd(uspc34应使应使 ul uc2.2.沉降器尺寸沉降器尺寸00uhull00hluul3.3.生产能力生产能力

6、lvubhq0vq000hlubhblu000au4.2c4.2c 连续式沉降器连续式沉降器u1分离条件为：分离条件为：10uu 设：设：qm料液中固料液中固 体的质量流量体的质量流量, kgs/sc0料液中清液含量料液中清液含量, kgl/kgscr增浓液的清液含量增浓液的清液含量, kgl/kgs（1）清液流量）清液流量/s)(m30)c(cqqrmv（2） 清液向上流速清液向上流速(m/s)0001a)c(cqaqurmv（3） 沉降面积沉降面积a0由连续沉降条件：由连续沉降条件：01uu 000ua)c(cqrm)(m2000u)c(cqarm（4）生产能力）生产能力/s)(m3000

7、ua)c(cqqrmv4-3 4-3 气溶胶的重力沉降气溶胶的重力沉降4.3a4.3a 立式沉降室立式沉降室u1 u0)(udqaquvv140201圆筒部分直径：圆筒部分直径：01.134uquqdv0v圆筒部分高度：圆筒部分高度：h1=(1.02.0)d4.3b4.3b 卧式沉降室卧式沉降室必要条件：必要条件：0ttl00uhull0bhquvlblquv0临界粒径临界粒径 dc ：恰能：恰能100沉降分离的颗粒粒径沉降分离的颗粒粒径blquvc0)g(dupcc1820b bl lq q) )g g( (1 18 8d dv vp pc cl lh hu uu u0 0l l0 0降尘室

8、用水平隔板分为降尘室用水平隔板分为n层，层， dc 降至原降至原n1/1/ 例例（习题（习题4，p.147）o/w混合物，滴径混合物，滴径0.05mm,油水油水质量比质量比1：4。温度。温度38，料液流量，料液流量2t/h,油的相对密度油的相对密度为为0.9，求沉降槽的沉降面积。（符，求沉降槽的沉降面积。（符stokes定律）定律）解解dp = 510-5m查查38水：水：w = 0.69110-3pasw = 993 kg/m3则油滴则油滴 o = 10000.9 = 900kg/m3/sm104.48993360010000.8234vq= -1.9610-4 m/s (上浮上浮)4410

9、1.96104.480v0uqa2.29 m2 gdup1820325100.691189.81993900105 使含固体颗粒的非均匀混合物通过多孔性介质使含固体颗粒的非均匀混合物通过多孔性介质分离出固体颗粒的单元操作，称为过滤（分离出固体颗粒的单元操作，称为过滤（filtration）4-4 4-4 过滤的基本概念过滤的基本概念4-54-5 过滤的基本理论过滤的基本理论4.5a 4.5a 过滤基本方程过滤基本方程4.5b 4.5b 恒压过滤和恒速过滤恒压过滤和恒速过滤4-6 4-6 过滤设备过滤设备4.6a 4.6a 板框压滤机板框压滤机4.6b 4.6b 转鼓真空过滤机转鼓真空过滤机4.

10、6c 4.6c 袋滤器袋滤器4-4 4-4 过滤的基本概念过滤的基本概念1.1.过滤操作概念过滤操作概念过滤介质过滤介质（filtration medium）滤浆滤浆 (slurry)滤饼滤饼（filter cake）滤液滤液（filtrate）2.2.两种过滤方式两种过滤方式(1) 深床过滤深床过滤 （deep bed filtration）(2) 滤饼过滤滤饼过滤 （cake filtration）开始有架桥现象开始有架桥现象3.3.过滤的推动力和阻力过滤的推动力和阻力过滤推动力是上下游的压力差过滤推动力是上下游的压力差p过滤按其推动力的来源分四类：过滤按其推动力的来源分四类：（1）重力过

11、滤）重力过滤 一般一般 p50kpa（2）加压过滤）加压过滤 p可达可达 500kpa（3）真空过滤）真空过滤 一般一般 p85kpa（4）离心过滤）离心过滤 p可可103104倍倍4.4.过滤的程序过滤的程序（1）过滤阶段）过滤阶段（2）滤饼洗涤）滤饼洗涤（3）滤饼脱湿）滤饼脱湿（4）滤饼卸除）滤饼卸除5.5.过滤介质过滤介质基本要求：基本要求：（1）多孔性结构）多孔性结构（2）足够的机械强度）足够的机械强度（3）适当的表面特性）适当的表面特性工业上常用过滤介质工业上常用过滤介质分类分类（1）织物介质）织物介质（2） 粒状介质粒状介质（3） 多孔固体介质多孔固体介质6.6.助滤剂助滤剂（fi

12、lter aidfilter aid）为为滤速而预覆于滤布上或混入滤浆中的物质滤速而预覆于滤布上或混入滤浆中的物质如硅藻土、珍珠岩粉、炭粉等如硅藻土、珍珠岩粉、炭粉等4-5 4-5 过滤的基本理论过滤的基本理论4.5a4.5a 过滤基本方程过滤基本方程过滤阻力过滤推动力过滤速率1. 1. 过滤速度与滤饼阻力过滤速度与滤饼阻力poiseuille方程方程(m/s)3221lpduc过滤速度：过滤速度：lpdktavc32dd21令：令：3221dkr1则有：则有：lrptavcdd 2.2.过滤速度与介质阻力过滤速度与介质阻力设：设：le过滤介质的当量厚度过滤介质的当量厚度emlrptavdd3

13、.3.过滤基本方程过滤基本方程)l(lrpptavemcdd令：令：mcppp)l(lrptavedd为了减少变量，寻找为了减少变量，寻找vl关系关系xvla写成等式：写成等式： l=kxv/a)/avx(vrkptave dd设：设： x获得单位体积滤液所形成干滤饼的质量获得单位体积滤液所形成干滤饼的质量令：令：r = kr,则可得则可得过滤基本方程：过滤基本方程：式中：式中：ve过滤介质的过滤介质的当量滤液体积当量滤液体积 r滤饼滤饼比阻比阻,m/kg若滤饼是可压缩的，若滤饼是可压缩的，sp)(rr1s滤饼的滤饼的压缩性指数压缩性指数s：01) )v vr rx x( (v vp pa a

14、t tv ve ed dd d2 2本本 次次 习习 题题p.147148234.5b4.5b 恒压过滤和恒速过滤恒压过滤和恒速过滤以过滤表压力以过滤表压力 p 代替压力差代替压力差p代入代入sprr1) )v vx x( (v vr rp pa ad dt td dv ve es s1 11 12 2令：令：xrk11esvvpkatv12dd) )v vr rx(vx(vp pa at tv ve e2 2d dd d1 1恒压过滤恒压过滤vtsetpkav)v(v0012ddtpkavvvse12222忽略过滤介质阻力，忽略过滤介质阻力，ve= 02. 2. 恒速过滤恒速过滤esvvpk

15、atv12tpkavvvse122忽略过滤介质阻力，忽略过滤介质阻力，ve= 0esvvpkatv12ddtpkavs122tpkavs1222 例例（习题（习题8,p.148）p = 100kpa下果汁过滤，下果汁过滤，s = 0.6第第1h得得v = 2500l。若第。若第1h得得v = 3500l，p = ?（忽略（忽略介质阻力）介质阻力）解解tpkavs1222(1) t = 1h, v1 = 2.5m3, p1 = 105pa, s = 0.6代入式代入式(1)： 1102ka2.50.61522得得 2ka2 = 0.0625 tpkavs1222220.420.612220.06

16、25123.5ppka p2 = 5.38105 pa(538kpa)4-6 4-6 过滤设备过滤设备4.6a4.6a 板框压滤机板框压滤机（plate-and -frame filter press）1.1.构造与工作原理构造与工作原理属间歇式加压过滤设备属间歇式加压过滤设备由许多交替排列的滤板和滤框组成由许多交替排列的滤板和滤框组成2滤框滤框3滤板滤板7滤布滤布8滤浆入口滤浆入口9滤液出口滤液出口滤板滤板分两种分两种过滤板过滤板：与洗液通道不通：与洗液通道不通洗涤板洗涤板：与洗液通道相通：与洗液通道相通过滤时过滤时二者作用相同二者作用相同洗涤时洗涤时二者作用不同：洗液由二者作用不同：洗液由

17、洗涤板洗涤板入入 由由过滤板过滤板出出横向横向 滤液滤液通过通过半半厚度滤饼和厚度滤饼和1层滤布层滤布洗液洗液通过通过全全厚度滤饼和厚度滤饼和2层滤布层滤布2.2.计算计算（1）过滤面积）过滤面积 aa=2lbz （m2）z滤框数滤框数（2）滤框内容积）滤框内容积 vz)(m3zlbvz（3）过滤时间）过滤时间恒压过滤恒压过滤按按tpkavvvse12222恒速过滤恒速过滤按按tpkavvvse122（4）洗涤时间）洗涤时间wsewvpkavvt12244.6b4.6b 转鼓真空过滤机转鼓真空过滤机 1. 1.构造与工作原理构造与工作原理是工业上应用较广的是工业上应用较广的连续连续操作过滤机操

18、作过滤机 整个操作周期分为整个操作周期分为6步，同时在转鼓步，同时在转鼓ivi的的不同区域进行。不同区域进行。ii 滤液吸干区滤液吸干区iii 洗涤区洗涤区iv 洗后吸干区洗后吸干区v 吹松卸料区吹松卸料区vi 滤布再生区滤布再生区i 过滤区过滤区分配头分配头i 过滤区过滤区ii 滤液吸干区滤液吸干区iii 洗涤区洗涤区iv 洗后吸干区洗后吸干区v 吹松卸料区吹松卸料区vi 滤布再生区滤布再生区优点优点：连续化、自动化生产，生产能力大连续化、自动化生产，生产能力大缺点缺点：过滤推动力较小，能耗较大过滤推动力较小，能耗较大2.2.计算计算（1）浸液率）浸液率2转鼓总表面积转鼓浸液面积旋转一周的有

19、效过滤时间：旋转一周的有效过滤时间：nt （2）生产能力）生产能力nvqvv旋转一周所得滤液旋转一周所得滤液 体积体积，m3n转鼓转速，转鼓转速，r /s 若过滤介质的阻力若过滤介质的阻力忽略不计，则忽略不计，则nkaqvtkatpkavs21222nkaktav/ /4.6c4.6c 袋滤器袋滤器用于用于气溶胶气溶胶的固的固-气分离气分离)(m2uqav滤布面积滤布面积 4-74-7 离心分离原理离心分离原理4.7a 4.7a 离心分离因数离心分离因数4.7b 4.7b 转鼓内液体的表面和压力转鼓内液体的表面和压力4.7c 4.7c 离心沉降速度离心沉降速度4.7d 4.7d 乳状液在离心力

20、场中的分离乳状液在离心力场中的分离4-8 4-8 过滤式离心机过滤式离心机4-9 4-9 沉降式离心机沉降式离心机4-10 4-10 分离式离心机分离式离心机4-11 4-11 旋风分离器旋风分离器4.11a 4.11a 构造及工作原理构造及工作原理4.11b 4.11b 旋风分离器的性能旋风分离器的性能4-74-7离心分离原理离心分离原理4.7a4.7a 离心分离因数离心分离因数离心力（离心力（centrifugal force）：）：(n)2mrfc重力重力 fg = mg (n)离心分离因数离心分离因数（separation factor）：）：grffkgcc2因因 = 2n则则 kc

21、 = 42rn2/gkc：衡量离心机分离能力的尺度衡量离心机分离能力的尺度4.7b4.7b 转鼓内液体的表面和压力转鼓内液体的表面和压力 1.1.液体表面液体表面b液面截线在点液面截线在点a处切线与水平线之间的夹角处切线与水平线之间的夹角由力平衡由力平衡0sinfcosfgc02mgsincosmrgrtg2grtgdrdh2分离变量积分分离变量积分0222hgrh很大，很大，h0-,即即902.2.液体的压力液体的压力距转轴距转轴r 处厚度为处厚度为dr 的薄液筒产生的离心力为的薄液筒产生的离心力为:2rdmdfcdrrhdm2drrhdfc222rhdrrhadfdpc2222rdr2 2

22、1222221p)r(rp12 2若压力以表压表示，若压力以表压表示，01p22221rp2 22121rrpprdrdp2 24.7c4.7c 离心沉降速度离心沉降速度离心力离心力fc , 浮力浮力fb,阻力阻力fd,三力达成三力达成“平衡平衡”：0866222323)dtdr(d1rdrdp p234ddr)d(trp离心沉降一般处于离心沉降一般处于stockes区区2218p pr)(ddtdr0ukdtdrc4.7d4.7d 乳状液在离心力场中的分离乳状液在离心力场中的分离设：设： 转鼓内轻液体积转鼓内轻液体积vl和重液体积和重液体积vh之比之比ri轻重液分层界面半径轻重液分层界面半径

23、hvvl)r(r)r(ri1i2222212221irrr溢流堰半径溢流堰半径r3选取依据：选取依据：挡板上下转鼓壁上的离心压力平衡挡板上下转鼓壁上的离心压力平衡)r(r)r(r1ilih22232)r(rrr1ihi22l23)r(rh2322221)r(r)r(ri2h1il2222222121 例例（习题（习题11，p.148）奶油分离机的排出口半径为）奶油分离机的排出口半径为50mm和和 75mm,脱脂奶密度脱脂奶密度1030kg/m3,稀奶油密度稀奶油密度870kg/m3，求转鼓内分层界面的半径。求转鼓内分层界面的半径。解解：232212lrrrrihi23222rrrrhih1li

24、l21l232lrrrhihl21l23rrrhhi87010300.0508700.075103022= 0.150m)r(rrrihi3212l24-8 4-8 过滤式离心机过滤式离心机4.8a4.8a 间歇操作的过滤式离心机间歇操作的过滤式离心机1.1.三足式离心机三足式离心机优点优点结构简单结构简单操作平稳操作平稳适用范围广适用范围广缺点缺点人工卸料，劳人工卸料，劳 动强度大动强度大下部驱动下部驱动,维修维修 不便不便,易腐蚀易腐蚀 2. 2.上悬式离心机上悬式离心机 转鼓悬挂在竖直轴上转鼓悬挂在竖直轴上,上上置驱动置驱动,上加料上加料,下卸料下卸料优点优点工作稳定工作稳定卸渣容易卸渣

25、容易传动部分不易腐蚀传动部分不易腐蚀缺点缺点主轴长，轴承易磨损主轴长，轴承易磨损人工卸料，劳动强度大人工卸料，劳动强度大3.3.卧式刮刀卸料离心机卧式刮刀卸料离心机 自动自动周期性周期性进料、过滤、进料、过滤、洗渣、刮刀上升卸料、洗网洗渣、刮刀上升卸料、洗网等操作等操作优点优点生产能力大生产能力大分离洗涤效佳分离洗涤效佳自动化程度高自动化程度高缺点缺点震动较大震动较大颗粒易破碎颗粒易破碎4.8b4.8b 连续操作过滤式离心机连续操作过滤式离心机 活塞脉冲卸料离心机活塞脉冲卸料离心机 同时连续同时连续加料、分离、加料、分离、洗涤、甩干、卸渣等洗涤、甩干、卸渣等特点特点过滤强度大过滤强度大劳动生产

26、率高劳动生产率高颗粒破损率小颗粒破损率小4.8c4.8c 过滤式离心机过滤式离心机 的生产能力的生产能力/s)(m3tvqv4-9 4-9 沉降式离心机沉降式离心机4.9a4.9a 沉降式离心机类型沉降式离心机类型1.1.卧式刮刀卸料沉降离心机卧式刮刀卸料沉降离心机 2. 2. 螺旋卸料离心机螺旋卸料离心机转鼓壁无孔转鼓壁无孔,不需滤布不需滤布,离心沉降离心沉降4.9b4.9b 沉降式离心机的生产能力沉降式离心机的生产能力1.1.沉降时间沉降时间t02218) )p pr(ddtdr21022018rrptrdrddt12220ln(18rrdtp p) )2.2.生产能力生产能力qv液体在转

27、鼓内的停留时间液体在转鼓内的停留时间tvq)rl(rt2122颗粒的沉降分离条件：颗粒的沉降分离条件： t0 t1221222rrlnrr18dq2cv) )l l( (p p本本 次次 习习 题题p10 分离式离心机分离式离心机4.10a4.10a 管式离心机管式离心机222221rp要要n,必必r22222rnp 一般一般l/d = 48n = 15000 r/minkc = 800050000优点优点分离强度高分离强度高结构紧凑结构紧凑密封性好密封性好缺点缺点生产能力低生产能力低4.10b4.10b 碟式离心机碟式离心机构造及工作原理构造及工作原理转鼓内转鼓内,开孔中心套管上开孔中心套管上,装一束叠置的装一束叠置的倒锥形碟片倒锥形碟片(1) 分离操作分离操作蝶片蝶片有有孔孔(2) 澄清操作澄清操作蝶片蝶片无无孔孔属属离心分离离心分离属属离心沉降离心沉降4.10c4.10c 分离式离心机的生产能力分离式离心机的生产能力1.1.管式离心机管式离心机/sm300kfakuqcvu0重力沉降速度，重力沉降速度，gduc1820a沉降面积，沉降面积， a= 2r2lf(k0) 径比