复旦大学 化工原理 第三章 沉降与过滤

1、 第三章第三章 沉降与过滤沉降与过滤 第一节第一节 概述概述 在化工生产过程中，会涉及到许多气在化工生产过程中，会涉及到许多气液、气液、气固、液固、液液、液、液液固体系。这种在流体中存在相界面的系统称为非均相物系。固体系。这种在流体中存在相界面的系统称为非均相物系。 非均相物系中处于分散状态的物质称为分散物质或分散相。非均相物系中处于分散状态的物质称为分散物质或分散相。 非均相物系中处于连续状态的物质称为分散介质或连续相。非均相物系中处于连续状态的物质称为分散介质或连续相。一一. .非均相物系的分离非均相物系的分离 将非均相物系中的分散物质从分散介质中分离出来的操作为将非均相物系中的分散物质从

2、分散介质中分离出来的操作为非均相物系的分离。非均相物系的分离。 工程上常用的方法是：沉降分离与过滤。工程上常用的方法是：沉降分离与过滤。 沉降分离是利用气体或液体中固体颗粒受重力、离心力或沉降分离是利用气体或液体中固体颗粒受重力、离心力或惯性力作用，而实现沉降的一种分离方法。惯性力作用，而实现沉降的一种分离方法。 过滤是利用气体或液体能通过过滤介质，固体颗粒被过滤过滤是利用气体或液体能通过过滤介质，固体颗粒被过滤介质所截流而实现两相分离的一种单元操作。介质所截流而实现两相分离的一种单元操作。二二. . 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 在非均相物系中，颗粒与流体存在

3、相对运动时；颗粒所受在非均相物系中，颗粒与流体存在相对运动时；颗粒所受到的流动阻力往往不可忽略。到的流动阻力往往不可忽略。 若颗粒与流体的相对运动速度为若颗粒与流体的相对运动速度为 u u ，则颗粒所受的阻力，则颗粒所受的阻力F Fd d为为: :式中：式中：r r流体的密度，流体的密度，kg / m3 ; A颗粒在流动方向上的投颗粒在流动方向上的投 影面积，影面积， m2 ； z z阻力系数阻力系数 （或称曳力系数（或称曳力系数 ）。）。其中其中 z z 是颗粒雷诺数是颗粒雷诺数 Red 的函数。的函数。 颗粒雷诺数颗粒雷诺数 Red 定义为：定义为： 式中：式中：d dp p颗粒的直径；颗

4、粒的直径；r r、m m分别为流体的密度和粘度。分别为流体的密度和粘度。则颗粒雷诺数则颗粒雷诺数 ReRed d 与阻力系数与阻力系数 z z 的关系为：的关系为： 10-4 ReRed d 2 2 z z = 24 / ReRed d 层流区（斯托克斯区）层流区（斯托克斯区） 2 Re2 Red d 500 500 z z = 10 / 过渡区过渡区 （阿仑区（阿仑区 ） 500 Re Red d 2 2 210105 5 z z = 0.1 完全湍流区完全湍流区 第二节第二节 重力沉降重力沉降 由地球引力作用而发生的颗粒沉降过程，称为重力沉降。由地球引力作用而发生的颗粒沉降过程，称为重力沉

5、降。一一. . 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 单个颗粒在流体中沉降，或则颗粒群在流体中分散得很好单个颗粒在流体中沉降，或则颗粒群在流体中分散得很好而处于互不接触、互不碰撞的条件下沉降，称为自由沉降。而处于互不接触、互不碰撞的条件下沉降，称为自由沉降。 当颗粒在流体中沉降处于匀速时，颗粒相对于流体的运动当颗粒在流体中沉降处于匀速时，颗粒相对于流体的运动速度速度 u ut t 称为沉降速度。称为沉降速度。 根据颗粒在流体中沉降的受力情况，可推导出颗粒在流体根据颗粒在流体中沉降的受力情况，可推导出颗粒在流体中自由沉降的速度计算式：中自由沉降的速度计算式：2. 2. 沉

6、降速度的计算沉降速度的计算 假定颗粒在某一区沉降，将该沉降区的阻力系数假定颗粒在某一区沉降，将该沉降区的阻力系数 z z 代入沉代入沉降速度计算式，计算出沉降速度降速度计算式，计算出沉降速度 ut 。例如：假定颗粒在层流区沉降，则例如：假定颗粒在层流区沉降，则 z z = 24 / Red 代入计算式得代入计算式得 沉降速度沉降速度 ut 为：为：同样可得过渡区的沉降速度：同样可得过渡区的沉降速度： 但计算出沉降速度后，必须回代计算颗粒雷诺数，以检验但计算出沉降速度后，必须回代计算颗粒雷诺数，以检验假设是否正确。若假设有错，则必须重新计算假设是否正确。若假设有错，则必须重新计算 u ut t

7、。a.a.颗粒形状颗粒形状 颗粒的形状偏离球形愈大，其阻力系数就愈大。工程上一颗粒的形状偏离球形愈大，其阻力系数就愈大。工程上一般采用当量球径来计算颗粒的沉降速度。般采用当量球径来计算颗粒的沉降速度。b.b.壁效应壁效应 当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，颗粒当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，颗粒的沉降速度较自由沉降速度要小。的沉降速度较自由沉降速度要小。c.c.干扰沉降干扰沉降 当非均相物系中的颗粒较多，颗粒之间相互距离较近时，当非均相物系中的颗粒较多，颗粒之间相互距离较近时，颗粒的沉降会受到其他颗粒的影响，使得实际的沉降速度比自颗粒的沉降会受到其他颗粒的影响，使得实

8、际的沉降速度比自由沉降速度小。由沉降速度小。3. 3. 影响沉降速度的其他因素影响沉降速度的其他因素二二. . 颗粒沉降的应用颗粒沉降的应用1.1.除尘除尘 在工业生产中经常会碰到含尘的气体需要净化，而最古老在工业生产中经常会碰到含尘的气体需要净化，而最古老的方法就是采用降尘室来去除含尘气体中的固体颗粒。的方法就是采用降尘室来去除含尘气体中的固体颗粒。 若进入降尘室的含尘气体中，颗粒直径大于若进入降尘室的含尘气体中，颗粒直径大于 d dPcPc 的颗粒能的颗粒能被被100% 100% 的去除，则的去除，则 d dPcPc 称为临界颗粒直径；该直径的颗粒所称为临界颗粒直径；该直径的颗粒所对应的沉

9、降速度，称为临界沉降速度对应的沉降速度，称为临界沉降速度 u utctc 。 如果一个降尘室的降尘面积为如果一个降尘室的降尘面积为 A A ，需要将粒径大于，需要将粒径大于 d dPc Pc 的的颗粒完全去除，则该降尘室的处理量为：颗粒完全去除，则该降尘室的处理量为： q qV V = A u = A utctc 。例：例： 用降尘室来净化温度为用降尘室来净化温度为 20200 0C C ，流量为，流量为 2500 m2500 m3 3 / h / h 的常的常压空气。压空气。 已知：已知： 空气中所含尘粒的密度为空气中所含尘粒的密度为 1800 Kg / m1800 Kg / m3 3 ；要

10、求净化后的空气中不含直径大于要求净化后的空气中不含直径大于 1010 m mm 的尘粒。试求所需的的尘粒。试求所需的降尘面积降尘面积 A 。若降尘室的底面宽。若降尘室的底面宽 2 m ，长，长 5 m ; 问室内需要设问室内需要设多少块隔板。多少块隔板。2.2.流化流化3.3.气力输送气力输送4.4.粘度测定粘度测定例：例： 现有密度为现有密度为 8010 Kg / m8010 Kg / m3 3 ，直径为直径为 0.16 mm 0.16 mm 的钢球置于密度为的钢球置于密度为 980 Kg / m980 Kg / m3 3 的某液体中。的某液体中。 盛放液体盛放液体的玻璃管内径为的玻璃管内径

11、为 20 mm 20 mm ；测得小球的；测得小球的沉降速度为沉降速度为 1.70 mm / s 1.70 mm / s ；试验温度；试验温度为为 20200 0C C ；试计算此时液体的粘度。；试计算此时液体的粘度。 器壁对沉降速度的影响可用下式进器壁对沉降速度的影响可用下式进行修正。行修正。 实际的沉降速度实际的沉降速度5.5.不同粒度颗粒的粗分不同粒度颗粒的粗分6.6.增稠器增稠器 第三节第三节 离心沉降离心沉降 依靠离心力的作用，使流体中的颗粒产生沉降运动，称为依靠离心力的作用，使流体中的颗粒产生沉降运动，称为离心沉降。离心沉降。一一. . 离心分离因数离心分离因数 同一颗粒所受的离心

12、力与重力之比，称为离心分离因数。同一颗粒所受的离心力与重力之比，称为离心分离因数。 K KC C = r = r w w2 / g 二二. . 离心沉降速度离心沉降速度 在沉降分离中，一般只有当颗粒很小，重力沉降速度较小在沉降分离中，一般只有当颗粒很小，重力沉降速度较小时，才会考虑使用离心沉降。因此，离心沉降通常处于层流区。时，才会考虑使用离心沉降。因此，离心沉降通常处于层流区。根据颗粒的受力情况，可推导出离心沉降速度：根据颗粒的受力情况，可推导出离心沉降速度：三三. . 离心分离设备离心分离设备1. 1. 旋风分离器旋风分离器离心分离因数：离心分离因数： 5 2500 5 2500 可分离气

13、体中可分离气体中 5 75 5 75 m mm 直径的颗粒。直径的颗粒。2. 2. 转鼓式离心机转鼓式离心机 转鼓式离心机的转鼓转速约为转鼓式离心机的转鼓转速约为 1000 4500 1000 4500 转转 / / 分分 ；离心分离因数约为离心分离因数约为 600 600 。 间歇操作的转鼓式离心机一般为立式，沉渣用人工卸除；间歇操作的转鼓式离心机一般为立式，沉渣用人工卸除； 连续操作的转鼓式离心机常为卧式，设有专门的卸渣装置。连续操作的转鼓式离心机常为卧式，设有专门的卸渣装置。a. a. 立式转鼓离心机立式转鼓离心机b. b. 卧式转鼓离心机卧式转鼓离心机3. 3. 碟式离心机碟式离心机

14、碟式离心机的转鼓转速约为碟式离心机的转鼓转速约为 4700 8500 4700 8500 转转 / / 分分 ；离心分离因数可达离心分离因数可达 4000 10000 4000 10000 。 用于乳浊液分离目的的碟式离心机，碟片中心开有小孔，用于乳浊液分离目的的碟式离心机，碟片中心开有小孔，料液通过小孔分配到各碟片通道之间。料液通过小孔分配到各碟片通道之间。 用于悬浮液澄清目的的碟式离心机，碟片中心没有小孔。用于悬浮液澄清目的的碟式离心机，碟片中心没有小孔。 第四节第四节 过滤过滤 过滤是使含固体颗粒的非均相物系通过布、网等多孔性材过滤是使含固体颗粒的非均相物系通过布、网等多孔性材料，分离出

15、固体颗粒的操作。通常所说的料，分离出固体颗粒的操作。通常所说的“过滤过滤”系指悬浮液系指悬浮液的过滤。的过滤。一一. . 悬浮液的过滤悬浮液的过滤过滤介质过滤介质 过滤用的多孔性材料；过滤用的多孔性材料； 滤饼滤饼 留在过滤介质上的固体颗粒；留在过滤介质上的固体颗粒； 滤液滤液 通过滤饼和过滤介质的清液。通过滤饼和过滤介质的清液。过滤方式过滤方式 a. a. 深层过滤深层过滤 ； b. b. 滤饼过滤滤饼过滤2. 2. 过滤介质过滤介质 a. a. 织物介质织物介质 ； b. b. 堆积的粒状介质堆积的粒状介质 ； c. c. 多孔性介质多孔性介质 。3. 3. 助滤剂助滤剂 当悬浮液中的固体

16、颗粒很小时，在过滤操作时这些颗粒会当悬浮液中的固体颗粒很小时，在过滤操作时这些颗粒会堵塞过滤介质的孔隙，使过滤操作的阻力变大。为防止出现这堵塞过滤介质的孔隙，使过滤操作的阻力变大。为防止出现这种情况，在实际的操作过程中往往会采用助滤剂。种情况，在实际的操作过程中往往会采用助滤剂。二二. . 过滤速率基本方程式过滤速率基本方程式 单位时间内滤过的滤液体积，称为过滤速率单位时间内滤过的滤液体积，称为过滤速率 ， m m3 3 / S / S ； 单位过滤面积的过滤速率，称为过滤速度单位过滤面积的过滤速率，称为过滤速度 ， m / S m / S ；设：过滤面积为设：过滤面积为 A A ，过滤时间为

17、，过滤时间为 d dt t ， 滤液体积为滤液体积为 dV ；则；则 过滤速率为过滤速率为 dV / ddV / dt t ； 过滤速度为过滤速度为 dV/( A dt t ) 。根据泊谡叶方程，可推导出过滤的速率方程：根据泊谡叶方程，可推导出过滤的速率方程：式中：式中：dV/ddV/dt t 瞬时的过滤速率瞬时的过滤速率 ， m3 / S ; D DP 滤液通过滤饼层及过滤介质的总压力降滤液通过滤饼层及过滤介质的总压力降 ， Pa ； V 生成厚度为生成厚度为 L 的滤饼所获得的滤液体积，的滤饼所获得的滤液体积， m3 ； Ve 过滤介质的当量滤液体积过滤介质的当量滤液体积 ， m 3 ；

18、r 滤饼的比阻滤饼的比阻 ， 1 / m2 ； m m 滤液的粘度滤液的粘度 ， Pa.S ； u u 单位体积滤液对应的滤饼体积，单位体积滤液对应的滤饼体积， m3滤饼滤饼 / m3滤液滤液 ； A A 过滤面积过滤面积 ， m m2 2 。三三. . 恒压过滤恒压过滤 当恒压过滤时，当恒压过滤时，D DP 、r 、u u 、m m 及及 Ve 均为常数，有：均为常数，有：积分得：积分得：令：令： K = 2K = 2D DP / r m um u , q = V / A , qe = Ve / A 则：则： q2 + 2 q qe = K t t 式中：式中： K K 、q qe e 为过滤常数，与悬浮液的性质、温度、操作为过滤常数，与悬浮液的性质、温度、操作 压力等