第3章-沉降与过滤-化工原理

1、1,第三章 沉降与过滤,2,第一节 概述,3,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 自然界混合物：黄沙空气，烟，雾，洪水,一、非均相物系的分离,4,分离的目的 1. 回收分散物质(母液中的固体成品或半成品) 2. 净化分散介质(净制原料气或原料液、分离废气和 废液中所含的有害物质等),5,非均相物系分离的理论基础 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。流体与固体颗粒之间有相对运动时，将发生动量传递。,6,非均相物系的分离原理 根据两相物理性质(如密度等)的不同而进行的分离。因此常采用机械方法

2、进行分离。,7,按两相运动方式的不同，机械分离大致分为沉降（ 重力沉降，离心沉降）和过滤两种操作。 例：,非均相物系的分离方法,8,液态均相混合物的分离蒸馏 气态均相混合物的分离吸收,均相物系的分离,9,二、 颗粒与流体相对运动时所受的阻力,当流体相对于静止的固体颗粒流动时，或者固体颗粒在静止流体中移动时，由于流体的粘性，两者之间会产生作用力，这种作用力通常称为曳力（drag force)或阻力。 曳力妨碍流体的流动，或固体颗粒的相对运动。,10,Fd与颗粒运动的方向相反 只要颗粒与流体之间有相对运动，就会产生阻力。 对于一定的颗粒和流体，只要相对运动速度相同，流体对颗粒的阻力就一样。,爬流(

3、Creeping flow)： 来流速度很小，流动很缓慢，颗粒迎流面与背流面的流线对称。,11,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,12,（1）层流区 104 Re 2 Stokes 区,（2）过渡区 2 Re 500 Allen 区,（3）湍流区 500 Re 2105 Newton区,（球形）,（准确）,（近似）,（近似）,13,14,球形度s,s 球形度 S 颗粒的表面积，m2 Sp 与颗粒体积相等的圆球的表面积，m2,15,第二节 重力沉降,16,一、重力沉降速度,（一）球形颗粒的自由沉降,自由沉降：颗粒浓度低，分散好，沉降过程中 互不碰

4、撞、互不影响。,颗粒下沉,17,18,重力沉降速度（终端速度） 颗粒受力平衡时，匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度。,19,（二） 沉降速度的计算,层流区（Re 2) （Stokes定律区）,过渡区 (2Re500) （Allen区）,湍流区 (500 5 m,主要技术参数,65,旋风分离器的选用,例3-3： 温度为20，压力为0.101MPa，流量为2.5m3/s的含空气，用标准旋风分离器除尘。粉尘密度为2500kg/m3，最大允许压力损失为2.0kPa, 试求： （1）分离器尺寸； （2）临界粒径。,66,解： 阻力系数的计算（仅与其型号有关）,67,（1）,68,（2）,20，0.101M

5、Pa时空气的物性： =1.21kg/m3, m =1.8110-5Pas，,69,四、旋液分离器, 溢流, 悬浮液, 底流,沉降速度较低,70,管式离心机 内径75-150mm N=15000 r/min Kc104105,五、沉降式离心机,悬浮液 ,清液,重液,71,2. 碟式离心机, 悬浮液,清液,重液,72,3. 螺旋式离心机,悬浮液,清液,重液,转动转鼓,螺旋输送器,73,第四节 过 滤,74,一、悬浮液的过滤,以某种多孔物质为介质，在外力的作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的单元操作。,75,过滤介质: 多孔性材料 滤浆（料浆）: 所处

6、理的悬浮液 滤液: 通过多孔通道的液体 滤饼或滤渣: 被截留的固体物质,76,推动力：压力差，离心力，重力 阻 力：滤饼、过滤介质阻力,过滤介质,滤 饼,滤 浆,滤 液,77,（一）两种过滤方式 1. 滤饼过滤,“架桥现象”必要！,饼层过滤适于处理固体含量较高的悬浮液,78,过滤过程：,刚开始：有细小颗粒通过孔道，滤液混浊。 开始后：迅速发生“架桥现象”，颗粒被拦截，滤液澄清。 所以，在滤饼过滤时真正起过滤作用的是滤饼本身，而非过滤介质。,79,2. 深层过滤（澄清过滤、深床过滤）,适于处理颗粒很小、含量很小（1）kg湿渣 / kg干渣,88,（2）干渣质量与滤液体积之比 w,= kg干渣/m

7、3滤液,X （质量比1）kg湿渣 / kg干渣 r（密度） kg滤液 / m3滤液,已知,（相当于滤液中固体的密度）,89,90,（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湿渣/m3滤液,91,例题3-4 已知1kg悬浮液中含0.04kg的固体颗粒(X=0.04) c=1400 kg/m3 ， p=2600kg/m3， =1000kg/m3 （1）湿滤渣与其中所含干渣的质量比C （2）干渣质量与滤液体积的比值w (3) 湿滤渣体积与滤液体积的比值v,92,93,94,过滤速率: (m3/s) 单位时间内获得的滤液体积: 过滤速度: (m3/m2

8、s，or m/s) 单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积,二、过滤速率基本方程式,（一）过滤速率,95,96,对于颗粒层中不规则的通道，可以简化成由一组当量直径为d的毛细孔道，而毛细孔道的当量直径可由床层的空隙率和颗粒的比表面积来计算。,滤液通过饼层的流动,毛细孔道尺寸？当量直径化,97,滤液的流动，设为层流，参照哈根方程： 则：滤液在毛细孔道内（当量直径d ) 的流速：,98,孔道长度,孔道中流速u与过滤速度的关系,过滤速度： （滤饼层）,99,过滤速度,任一瞬间的过滤速度与滤饼两侧的压力差成正比，与当时的滤饼厚度，粘度，滤饼的比阻成反比。,100,单位过滤面积上滤饼为1m3（Vc/A=1）

9、时的阻力 反映了颗粒特性对滤液流动的影响,滤饼的比阻（1/m2)反映滤饼的特性:,101,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 Rm获得当量滤液量Ve时所形成滤饼层的阻力 Ve为当量滤液量,（二）过滤基本方程,102,103,过滤速率：,过滤基本方程,则,K过滤常数 m2/s,104,瞬时过滤速率： 与面积、压力差（推动力）成正比， 与粘度、比阻、滤饼厚度（含过滤介质）成反比。 提高过滤速率的途径？ 过滤的种类: 恒速、恒压,105,106,恒压过滤: 在恒压条件下操作,特点： 推动力p 恒定 滤饼不断变厚(阻力增加),过滤速率逐渐变小,三、恒压过滤

10、,107,K为常数,恒压过滤方程式,（一）滤液体积与过滤时间的关系,108,109,(二) 过滤常数的测定, /qq 为直线关系， 其斜率为 ，截距为,110,滤饼比阻的计算：,111,例 3-5 含有CaCO3 质量分数为13.9 %的水悬浮液，用板框过滤机在20下进行过滤适用。过滤面积为0.1m2。实验数据列于附表中，试求过滤常数 K 与qe,例 3-5 附表 压差 / Pa 滤液量 V/dm3 过滤时间（/s） 3.43104 2.92 146 7.80 888 10.3104 2.45 50 9.8 660,112,用实验值（V和 ）分别计算出 对每一个压力，将两点 联立方程组（或求斜

11、率，截距），即可求得过滤常数K 与qe。 结果发现：随着压力（推动力）的增大， K 与qe也会增大,113,例题3-6 求3-5中滤饼的比阻力,v单位滤液体积所得湿渣体积,质量分数为13.9 %的悬浮液: X=0.138 1kg湿渣含水0.37kg (p1): C1=1/(1-0.37)=1.59kg湿渣/kg干渣,w单位滤液体积所得 干渣质量,114,例题3-7,同3-5， 已知压力降，时间3小时得到滤液量6m3 求：过滤面积和湿渣体积？,解：q中包含有面积因素，所以求出q即可求出过滤面积 解方程，q=0.408 m3/m2, A=V/q=6/0.408=14.7m2,115,结果 Dp qe v r 3.43104 7.6210-6 4.46 10-3 0.171 5.26 1013 10.3104 1.5710-5 3.7410-3 0.147 8.921013,116,117,四、 过滤设备,操作方式,板框压滤机 转筒真空过滤机 离心过滤机,间歇过滤机 连续过滤机,压强差