第三章沉降与过滤

1、Heterogeneous Flow and Separation2022-6-101概述重力沉降离心沉降过滤2022-6-102自然界的混合物分为两大类：homogeneous system(均相物系)1.non-homogeneous system(非均相物系)均相混合物。物系内部各处均匀且无相界面。如：溶液和混合气体都是均相物系。非均相混合物。物系内部有隔开不同相的界面存在，且界面两侧的物料性质有显著差异。如：悬浮液、乳浊液、泡沫液属于液态非均相物系，含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。分散物质（分散相）：处于分散状态的物质分散介质（连续相）：处于连续状态的物质2022-6-106回收

2、分散物质；净化分散介质；劳动保护和环境卫生。2022-6-107 根据两相物理性质(如密度等)的不同而进行的分离。2022-6-108要实现分离，必须使分散相和连续相之间发生相对运动。因此，非均相物系的分离操作遵循流体力学的基本规律。2022-6-109沉降（重力沉降、离心沉降）过滤2022-6-1010重力沉降速度降尘室悬浮液的沉聚2022-6-10112022-6-1012p一、一、重力沉降速度重力沉降速度（一）球形颗粒的自由沉降（一）球形颗粒的自由沉降(free settling)重力重力Fg浮力浮力Fb阻力阻力Fd自由沉降自由沉降：颗粒浓度低，分散好，沉降过程中颗粒浓度低，分散好，沉降

3、过程中 互不碰撞、互不影响。互不碰撞、互不影响。,p 颗粒下沉颗粒下沉2022-6-101336gppFmgdg 重重力力：gdFpb 36 浮浮力力：242222uduAFppd 阻阻力力：maFFFdbg 2332366426ppppppudgdgdda 2022-6-1014重力沉降速度重力沉降速度: 颗粒受力平衡时，匀速阶段颗粒相对颗粒受力平衡时，匀速阶段颗粒相对 于流体的运动速度。于流体的运动速度。4()3pptdgu 2022-6-1015（二）流体中颗粒运动的阻力（二）流体中颗粒运动的阻力( (曳力曳力) )222242dppuuFAd 阻力系数阻力系数（曳力系数）（曳力系数）(

4、Re)f Reptdu 、 流体特性流体特性dp、ut颗粒特性颗粒特性2022-6-10162022-6-1017球形球形 圆盘形圆盘形2022-6-1018（1）层流区）层流区 104 Re 2 Stokes 区区 24Re （2）过渡区）过渡区 2 Re 500 Allen 区区 10Re （3）湍流区）湍流区 500 Re 2 105 Newton区区0.44 （球形）（球形）2022-6-1019（三）（三） 沉降速度的计算沉降速度的计算层流区：层流区：2()18pptdgu Stokes(斯托克斯斯托克斯)式式过渡区：过渡区：1/3224()255ptpgud 湍流区：湍流区：3.0

5、3()pptdgu 2022-6-1020试差计算法：试差计算法： 假设沉降处于某一区域；假设沉降处于某一区域； 计算计算ut； 计算计算Re，校验区域；，校验区域； 若符合，则正确，否则重新假设区域。若符合，则正确，否则重新假设区域。2022-6-1021（四）影响沉降速度的其它因素（四）影响沉降速度的其它因素1.干扰沉降干扰沉降自由干扰uu2. 颗粒形状颗粒形状Ade2 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 越小，阻力越大，越小，阻力越大，Re相同时沉降速度越小。相同时沉降速度越小。3. 壁效应壁效应 使沉降速度下降。使沉降速度下

6、降。2022-6-1022二、二、 重力沉降设备重力沉降设备（一）降尘室（一）降尘室(Settling chamber)2022-6-10231. 沉降分离条件沉降分离条件停留时间：停留时间：uL 沉降时间：沉降时间：ttHu 分离条件：分离条件：t ttLHLuuuuH即即或或W2022-6-10242. 生产能力产能力qV降尘室所处理含尘气体的体积流量降尘室所处理含尘气体的体积流量VVqqWHuuWHVtqLWu 结论结论：降尘室的生产能力只与沉降面积降尘室的生产能力只与沉降面积WL及颗粒及颗粒 沉降速度沉降速度ut有关，而与高度有关，而与高度H无关。无关。2022-6-1025多层降尘室

7、：多层降尘室：(1)VtqnWLu 若若n个隔板，则个隔板，则缺点：缺点： 清灰难；清灰难； 隔板间距小，隔板间距小，颗粒易被扬起。颗粒易被扬起。2022-6-10263. 临界颗粒直径临界颗粒直径临界颗粒直径临界颗粒直径dpC降尘室降尘室理论上理论上能能100%除去的除去的 最小颗粒直径。最小颗粒直径。2()18pcptdgu 1818()()Vpctppqdugg WLVtqHuuLWL 层流层流2022-6-1027（二）沉降槽（增稠器）（二）沉降槽（增稠器）1. 悬浮液的沉聚过程悬浮液的沉聚过程2022-6-10282. 沉降槽（增稠器）沉降槽（增稠器）2022-6-10292022-

8、6-1030一、离心沉降速度一、离心沉降速度（一）沉降过程（一）沉降过程切向速度切向速度 u径向速度径向速度 ur合成合成u合合 合合2022-6-1031离心力：离心力：2236CppuuFmdrr 径向向外径向向外 浮力：浮力：（向心力）（向心力）236bpuFdr 指向中心指向中心阻力：阻力：242222rprduduAF 指向中心指向中心 受力平衡时，受力平衡时，径向速度径向速度ur为该点的为该点的离心沉降速度离心沉降速度。24()3pptrduur 2022-6-1032重力沉降速度重力沉降速度ut离心沉降速度离心沉降速度ur方向方向 向下，大小不变向下，大小不变 径向向外，随径向向

9、外，随r变化变化 层流层流2()18pptdgu 22()18pprduur （二）离心分离因数（二）离心分离因数2crCtgFuuKugrF离心分离因数离心分离因数KC同一颗粒在同种介质中所受离心同一颗粒在同种介质中所受离心力与重力之比。力与重力之比。2022-6-1033二、二、 离心沉降设备离心沉降设备（一）旋风分离器（一）旋风分离器1. 结构与工作原理结构与工作原理 KC为为52500，可分离，可分离气体中气体中575 m的颗粒。的颗粒。2022-6-10342. 临界颗粒直径临界颗粒直径uib假设：假设： 切向速度切向速度ut=进口速度进口速度ui 颗粒沉降的最大距离颗粒沉降的最大距

10、离b 层流层流rm平均旋转半径平均旋转半径2022-6-1035n旋转圈数旋转圈数沉降时间：沉降时间：2218()mrrppibrbudu 停留时间：停留时间：2mir nu 沉降分离条件：沉降分离条件： r沉降速度：沉降速度：22()18ppirmduur 2022-6-1036临界颗粒直径：临界颗粒直径：3()pcipbdnu 讨论：讨论：（1）b dpc D 旋风分离器越大，分离效果越不好旋风分离器越大，分离效果越不好所以生产能力较大时，一般采用多个小旋风分所以生产能力较大时，一般采用多个小旋风分离器并联。离器并联。（2）ui dc 分离效果好分离效果好流动阻力大流动阻力大smui/25

11、12 2022-6-10373. 气体通过旋风分离器的压力降气体通过旋风分离器的压力降22iup 一般一般 p= 0.32 kPa 进、排气与筒壁之间的摩擦损失；进、排气与筒壁之间的摩擦损失； 进入时突然扩大的局部阻力；进入时突然扩大的局部阻力； 旋转中动能损失旋转中动能损失造成气体压力降：造成气体压力降：由于由于:2022-6-1038( (二二) ) 旋液分离器旋液分离器2022-6-1039( (三三) ) 沉降式离心机沉降式离心机 管式离心机管式离心机 碟式离心机碟式离心机 螺旋式离心机螺旋式离心机2022-6-10402022-6-1041一、悬浮液的过滤一、悬浮液的过滤推动力：压力

12、差，离心力，重力推动力：压力差，离心力，重力阻阻 力：滤饼、过滤介质阻力力：滤饼、过滤介质阻力过滤介质过滤介质滤 饼滤 饼滤 浆滤 浆滤 液滤 液2022-6-1042（一）两种过滤方式（一）两种过滤方式1. 滤饼过滤滤饼过滤2022-6-10432. 深层过滤深层过滤2022-6-1044（二）过滤介质（二）过滤介质类别：类别： 织物介质织物介质 多孔性固体介质多孔性固体介质 堆积介质堆积介质 多孔膜：多孔膜：高聚物膜、无机膜高聚物膜、无机膜2022-6-1045（三）滤饼的可压缩性与助滤剂（三）滤饼的可压缩性与助滤剂不可压缩滤饼：空隙不随压力变化不可压缩滤饼：空隙不随压力变化可压缩滤饼：空

13、隙随压力增加而减小可压缩滤饼：空隙随压力增加而减小加助滤剂加助滤剂 2022-6-1046（四）过滤过程物料衡算（四）过滤过程物料衡算（1）湿滤渣密度）湿滤渣密度11CpCC Ckg湿渣湿渣/kg干渣干渣(1)/XwCX cwCv wC2022-6-1047（2）干渣质量与滤液体积之比）干渣质量与滤液体积之比Xkg固体固体/kg悬浮液悬浮液kg干渣干渣/m3滤液滤液（3）湿渣质量与滤液体积之比）湿渣质量与滤液体积之比（4）湿渣体积与滤液体积之比）湿渣体积与滤液体积之比kg湿渣湿渣/m3滤液滤液m3滤饼滤饼/m3滤液滤液2022-6-1048二、过滤速率基本方程式二、过滤速率基本方程式（一）过滤

14、速率（一）过滤速率过滤速率：过滤速率：3/dVmsd 过滤速度：过滤速度：/dVmsAd 设为设为层流流动层流流动223232d ppull d2022-6-1049孔道长度孔道长度AVlc 孔道中流速与过滤速度的关系孔道中流速与过滤速度的关系 AddVu 232cCpdVAdVdA 过滤速度过滤速度2022-6-1050令令232dr CdVpVAdrA 滤饼的比阻滤饼的比阻过滤速度过滤速度滤饼阻力滤饼阻力CcVVRrr vAA过滤介质阻力过滤介质阻力emVRr vA v获得单位体积滤液所形成滤饼的体积，获得单位体积滤液所形成滤饼的体积， m3滤饼滤饼/m3滤液；滤液；2022-6-1051

15、（二）过滤基本方程（二）过滤基本方程滤饼层：滤饼层：1pdVAdR 过滤介质层：过滤介质层：2epdVAdR 12()/()eeeppdVppAAdRRr v VVAr v VV p p1 p2滤液滤液2022-6-10522()edVpAdr v VV 过滤速率过滤速率过滤基本方程过滤基本方程 2pKrv 令令22()edVKAdVV 则则2022-6-1053三、恒压过滤三、恒压过滤K为常数为常数22()edVKAdVV 200()2VeKVV dVA d 222eVVVKA 恒压过滤方程式恒压过滤方程式（一）滤液体积与过滤时间的关系（一）滤液体积与过滤时间的关系2022-6-105423

16、/,mmAVqAVqee 令令22eqqqK Vo 1V1A2022-6-1055(二二) 过滤常数的测定过滤常数的测定22eqqqK 12eqqqKK q/qeqK2K1斜率 /qq 为直线关系，为直线关系， 其斜率为其斜率为 ，截距为，截距为eqK2K12022-6-1056三、三、过滤设备及操作过滤设备及操作（一）板框过滤机（一）板框过滤机2022-6-10572022-6-1058横穿洗涤法横穿洗涤法 卸渣、清洗、组装卸渣、清洗、组装特点：特点：同部位、不同时间进行不同的操作。同部位、不同时间进行不同的操作。 过滤：过滤： 洗涤：洗涤：滤液排出：明流、暗流滤液排出：明流、暗流2022-6-1059（二）转筒真空过滤机（二）转筒真空过滤机1.结构与操作结构与操作过滤区：过滤区：14吹、卸滤渣区：吹、卸滤渣区： 1112吸干洗涤区：吸干洗涤区： 5105111410813212特点：特点：同时间、不同部位进行不同的操作。同时间、不同部位进行不同的操作。2022-6-1060（二）转筒真空过滤机（二）转筒真空过滤机1.结构与操作结构与操作过滤区：过滤区：14吹、卸滤渣区：吹、卸滤渣区： 1112吸干洗涤区：吸干洗涤区： 51051114108132122022-6-1061设转筒的转速设转筒的转速为为N (1/s)操作周期：操作周期：360 转筒总表面积转筒总表面积转筒浸没面积