第三章沉降与过滤

2023/2/11第三章沉降与过滤非均相物系分离：沉降（重力沉降、离心沉降）过滤第一节概述均相物系：在连续相和分散相之间没有相界面。分离较难，如水-乙醇。2023/2/122023/2/132023/2/14一、非均相物系的分离含尘或含雾的气体属于气态非均相物质。悬浮液、乳浊液及泡沫液属于液态非均相物质。悬浮液-----固-液混合物乳浊液-----液-液混合物含尘气体----气-固混合物含雾气体----气-液混合物2023/2/15分离的目的：回收分散物质;2.净化分散介质。3.劳动保护和环境卫生要求。2023/2/162023/2/17分离方法有沉降法与过滤法。沉降分离法：气体或液体中的固体颗粒受重力、离心力或惯性力作用而沉降。过滤分离法：利用气体或液体能通过过滤介质而固体颗粒不能穿过过滤介质的性质进行分离，如袋滤法，此外，对于含尘气体，还有液体洗涤除尘法和电除尘法。液体洗涤除尘法是使含气体与水或其他液体接触，洗去固体颗粒的方法。电除尘法是使含尘气体中的颗粒在高压电场内受电场力的作用而沉降分享的方法。这两种方法及过滤法均可用于分离1μm以下的颗粒的气体。缺点：液体除尘法产生大量污水。电除尘法设备费和操作费高。2023/2/18二、颗粒与流体相对运动时所受的阻力两种阻力：流体绕过固体颗粒流动时对颗粒的反作用力，固体颗粒在静止流体中移动时，液体对颗粒有作用力。2023/2/192023/2/110p第二节重力沉降一、重力沉降速度（一）球形颗粒的自由沉降重力Fg浮力Fb阻力Fd自由沉降：颗粒浓度低，分散好，沉降过程中互不碰撞、互不影响。颗粒下沉2023/2/1112023/2/1122023/2/113重力沉降速度:颗粒受力平衡时，匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度。前提，加速阶段忽略不计。2023/2/114（二）流体中颗粒运动的阻力(曳力)——阻力系数（曳力系数）、——流体特性dp、ut——颗粒特性2023/2/1152023/2/1162023/2/117（1）层流区10－4<

Re<2Stokes区

（2）过渡区2<Re<500Allen区

（3）湍流区500<Re<2105Newton区（球形）2023/2/118（三）沉降速度的计算层流区：——Stokes(斯托克斯)式过渡区：湍流区：2023/2/119试差计算法：假设沉降处于某一区域；计算ut；计算Re，校验区域；若符合，则正确，否则重新假设区域。例3-12023/2/120（四）影响沉降速度的其它因素1.干扰沉降2.颗粒形状越小，阻力越大，Re相同时沉降速度越小。3.壁效应使沉降速度下降。2023/2/121二、重力沉降设备（一）降尘室2023/2/1221.沉降分离条件停留时间：沉降时间：分离条件：W2023/2/1232.生产能力qV——降尘室所处理含尘气体的体积流量结论：降尘室的生产能力只与沉降面积WL及颗粒沉降速度ut有关，而与高度H无关。代入前式2023/2/124多层降尘室：若n个隔板，则缺点：清灰难；隔板间距小，颗粒易被扬起。2023/2/1253.临界颗粒直径临界颗粒直径dpC——降尘室理论上能100%除去的最小颗粒直径。层流2023/2/1264.降尘室的形状降尘室宜做成扁平状有利于降尘。5.降尘室的计算主要分为以下3类。计算WL计算气体处理量qVs计算临界粒径dpc例3-22023/2/1272023/2/128注意!!

降尘室内气体流速不应过高，以免将已沉降下来的颗粒重新扬起。根据经验，多数灰尘的分离，可取u<3m/s，较易扬起灰尘的，可取u<1.5m/s。2023/2/1292023/2/130（二）沉降槽（增稠器）1.悬浮液的沉聚过程2023/2/1312.沉降槽（增稠器）用于分离出液-固混合物与降尘室一样，沉降槽的生产能力是由截面积来保证的，与其高度无关。故沉降槽多为扁平状。2023/2/132特点：属于干扰沉降愈往下沉降速度愈慢-----愈往下颗粒浓度愈高，其表观粘度愈大，对沉降的干扰、阻力便愈大；沉降很快的大颗粒又会把沉降慢的小颗粒向下拉，结果小颗粒被加速而大颗粒则变慢。有时颗粒又会相互聚结成棉絮状整团往下沉，这称为絮凝现象，使沉降加快。这种过程中的沉降速度难以进行理论计算，通常要由实验决定。因固-液密度相差不是很悬殊，故较难分离，因此，连续沉降槽的直径可以大到100m以上，高度却都在几米以内。2023/2/133第三节离心沉降一、离心沉降速度（一）沉降过程切向速度u径向速度ur合成u合

合设为球形颗粒。2023/2/134离心力：径向向外浮力：（向心力）指向中心阻力：指向中心受力平衡时，径向速度ur为该点的离心沉降速度。或2023/2/135重力沉降速度ut离心沉降速度ur方向向下，大小不变径向向外，随r变化层流（二）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力与重力之比。说明:评价离心分离设备的重要指标

KC越大，分离效能越高。离心沉降速度ur：随颗粒旋转半径r变化。二、离心沉降设备工业上应用的两种型式：旋流器和离心沉降机。旋流器：设备静止，流体旋转运动；离心沉降机：设备本身和液体一起旋转。2023/2/137（一）旋风分离器1.结构与工作原理

KC为5~2500，可分离气体中5~75m的颗粒。上部为圆筒形，下部为圆锥形。2023/2/138含尘气体以切线方向进入，速度为12～25ms-1，按螺旋形路线向器底旋转，接近底部后转而向上，成为气芯，然后从顶部的中央排气管排出。气流中所夹带的尘粒在随气流旋转的过程中逐渐趋向器壁，碰到器壁后落下，自锥形底落入灰斗（未绘出）。原理：2023/2/1392.临界颗粒直径uib假设：切向速度ut=进口速度ui

颗粒沉降的最大距离b

层流rm——平均旋转半径2023/2/140n——旋转圈数沉降时间：停留时间：沉降分离条件：沉降速度：2023/2/141临界颗粒直径：讨论：（1）b

dpc

D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离器并联。（2）ui

dc

分离效果好流动阻力大结论：旋风分离器越细、越长，dpc越小。2023/2/1423.气体通过旋风分离器的压力降一般p=0.3~2kPa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；旋转中动能损失造成气体压力降：由于:2023/2/143例3-3③常见旋风分离器的形式

1）进口方式

切向进口：切向进口方式结构简单，较常用。旋风分离器切向进口B螺旋面进口：结构复杂，设计制造不方便。蜗壳形进口：结构简单，减小阻力。轴向进口：常用于多管式旋风分离器。2023/2/146(二)旋液分离器特点：与旋风分离器相比，直径小、锥形部分长。旋液分离器

●分离液-固非均相混合物；●结构与工作原理与旋风分离器类似；●特点：形状细长、直径小、圆锥部分长；

●优点：结构简单，没有运动部件，体积小、处理量大；

●缺点：产生较大阻力；造成设备严重磨损。2023/2/148(三)沉降式离心机管式离心机碟式离心机螺旋式离心机2023/2/149第四节过滤一、悬浮液的过滤推动力：压力差，离心力，重力阻力：滤饼、过滤介质阻力过滤目的：从悬浮液中分离出固体颗粒。过滤原理：在外力的作用下，悬浮液中的液体通过多孔介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固、液分离。过滤术语：

滤浆：过滤操作所处理的悬浮液

过滤介质：所用的多孔物质（过滤介质是织物时，称为滤布)；

滤液：通过介质孔道的液体；

滤饼（滤渣）：被截留的物质2023/2/151（一）两种过滤方式1.滤饼过滤2023/2/1522.深层过滤特点：固体颗粒的沉积发生在较厚的粒状过滤介质内部，过滤介质表面上无颗粒层形成。特点：固体颗粒呈饼层状沉积于过滤介质的上游一侧，形成滤饼层。适用：处理颗粒含量较高的悬浮液，是化工生产中的主要过滤方式。适用：悬浮液中颗粒尺寸甚小而且含量甚微的场合。悬浮液过滤介质滤液深层过滤清液过滤介质悬浮液滤饼滤饼过滤2023/2/154（二）过滤介质要求：具有多孔性，足够的机械强度。①丝织物品：棉、麻、合纤、金属网(滤布、滤纸)；②多孔性固体介质：多孔塑料；③堆积介质：砂、木炭、石棉粉等。2023/2/155（三）滤饼的可压缩性与助滤剂不可压缩滤饼：空隙不随压力变化可压缩滤饼：空隙随压力增加而减小——加助滤剂助滤剂目的：减小过滤阻力；使用方法：预涂法、预混法。

要求：助滤剂应能较好地悬浮于料液中，颗粒大小合适，助滤剂中还不应含有可溶于滤液的物质。注意：当滤饼是产品时不能使用助滤剂。（四）过滤过程物料衡算（1）湿滤渣密度C——kg湿渣/kg干渣C为湿滤渣与其中所含干渣的质量比。2023/2/157（2）干渣质量与滤液体积之比X——kg固体/kg悬浮液kg干渣/m3滤液（3）湿渣质量与滤液体积之比（4）湿渣体积与滤液体积之比——kg湿渣/m3滤液m3滤饼/m3滤液2023/2/158二、过滤速率基本方程式（一）过滤速率过滤速率：过滤速度：设为层流流动2023/2/159滤饼孔道长度滤饼孔道中流速与过滤速度的关系过滤速度Vc为滤饼体积2023/2/160令——滤饼的比阻过滤速度滤饼阻力过滤介质阻力

v——获得单位体积滤液所形成滤饼的体积，

m3滤饼/m3滤液；2023/2/161（二）过滤基本方程滤饼层：过滤介质层：pp1p2滤液2023/2/162过滤速率——过滤基本方程则2023/2/163三、恒压过滤K为常数——恒压过滤方程式（一）滤液体积与过滤时间的关系2023/2/164Vo1V1Aq为单位过滤面积获得的滤液体积，qe为过滤常数，为单位过滤面积获得的虚拟滤液体积。2023/2/165(二)过滤常数的测定q/q/q～q为直线关系，其斜率为，截距为例3-5，3-6，3-72023/2/166三、过滤设备及操作（一）板框过滤机2023/2/1672023/2/168——横穿洗涤法卸渣、清洗、组装特点：同部位、不同时间进行不同的操作。过滤：洗涤：滤液排出：明流、暗流2023/2/1