第三章 沉降與過濾

1、1/70 非均相物系非均相物系均相物系均相物系分離 懸浮液-固-液混合物乳濁液-液-液混合物含塵氣體-氣-固混合物 含霧氣體-氣-液混合物-篩分、沉降、過濾-吸收、精餾、萃取第三章第三章 沉降與過濾沉降與過濾第一節(jié)第一節(jié) 概述概述2021-7-162非均相物系分離：非均相物系分離：沉降沉降（重力沉降、離心沉降重力沉降、離心沉降）過濾過濾分散分散物質物質（分散相分散相）：處于分散狀態(tài)的物質）：處于分散狀態(tài)的物質分散分散介質介質（連續(xù)相連續(xù)相）：處于連續(xù)狀態(tài)的物質）：處于連續(xù)狀態(tài)的物質分離的目的：分離的目的：1. 回收分散物質回收分散物質;2. 凈化分散介質。凈化分散介質。2021-7-163p第

2、二節(jié)第二節(jié) 重力沉降重力沉降一、一、重力沉降速度重力沉降速度（一）球形顆粒的自由沉降（一）球形顆粒的自由沉降重力重力Fg浮力浮力Fb阻力阻力Fd自由沉降自由沉降：顆粒濃度低，分散好，沉降過程中顆粒濃度低，分散好，沉降過程中 互不碰撞、互不影響?；ゲ慌鲎病⒒ゲ挥绊?。,p 顆粒下沉顆粒下沉2021-7-164（二）流體中顆粒運動的阻力（二）流體中顆粒運動的阻力( (曳力曳力) )222242dppuuFAd 阻力系數阻力系數（曳力系數）（曳力系數）(Re)f Reptdu 、 流體特性流體特性dp、ut顆粒特性顆粒特性2021-7-1652021-7-16636gppFmgdg 重重力力：gdFp

3、b 36 浮浮力力：242222uduAFppd 阻阻力力：2021-7-167 大顆粒，加速時間長，走過距離長大顆粒，加速時間長，走過距離長, 幾乎一直在加速。幾乎一直在加速。 小顆粒，加速時間短，走過距離短小顆粒，加速時間短，走過距離短, 加速段可忽略。加速段可忽略。2021-7-168重力沉降速度重力沉降速度: 顆粒受力平衡時，勻速階段顆粒相對顆粒受力平衡時，勻速階段顆粒相對 于流體的運動速度。于流體的運動速度。4()3pptdgu 2021-7-169（1）層流區(qū)）層流區(qū) 104 Re 2 Stokes 區(qū)區(qū) 24Re （2）過渡區(qū)）過渡區(qū) 2 Re 500 Allen 區(qū)區(qū) 10Re

4、 （3）湍流區(qū)）湍流區(qū) 500 Re 2 105 Newton區(qū)區(qū)0.44 （球形）（球形）2021-7-1610（三）（三） 沉降速度的計算沉降速度的計算層流區(qū)：層流區(qū)：2()18pptdgu Stokes(斯托克斯斯托克斯)式式過渡區(qū)：過渡區(qū)：1/3224()255ptpgud 湍流區(qū)：湍流區(qū)：3.03()pptdgu 2021-7-1611試差計算法：試差計算法：假設沉降處于某一區(qū)域；假設沉降處于某一區(qū)域；計算計算ut；計算計算Re，校驗區(qū)域；，校驗區(qū)域；若符合，則正確，否則重新假設區(qū)域。若符合，則正確，否則重新假設區(qū)域。2021-7-1612（四）影響沉降速度的其它因素（四）影響沉降速

5、度的其它因素1.干擾沉降干擾沉降自由干擾uu2. 顆粒形狀顆粒形狀Ade2 非非球球形形顆顆粒粒的的表表面面積積面面積積與與顆顆粒粒體體積積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相同時沉降速度越小。相同時沉降速度越小。3. 壁效應壁效應 使沉降速度下降。使沉降速度下降。例例1 現有一密度為現有一密度為2500kg/m3, 直徑為直徑為0.5mm的尼的尼龍珠放在密度為龍珠放在密度為800kg/m3的某液體中自由沉降的某液體中自由沉降,測得測得ut=7.510-3m/s, 試求此液體的黏度。試求此液體的黏度。解：設解：設Re2, 則則驗驗原設成立原設成立 tppug

6、d18)(2 tpudRe 2097. 0108 .30800105 . 7105334 324105 . 71881. 9)8002500()105( sPa109 .303 2021-7-1615二、二、 重力沉降設備重力沉降設備（一）降塵室（一）降塵室2021-7-16161. 沉降分離條件沉降分離條件停留時間：停留時間：uL 沉降時間：沉降時間：ttHu 分離條件：分離條件：t ttLHLuuuuH即即或或W2021-7-16172. 生產能力產能力qV降塵室所處理含塵氣體的體積流量降塵室所處理含塵氣體的體積流量VVqqWHuuWHVtqLWu 結論結論：降塵室的生產能力只與沉降面積降

7、塵室的生產能力只與沉降面積WL及顆粒及顆粒 沉降速度沉降速度ut有關，而與高度有關，而與高度H無關。無關。2021-7-1618多層降塵室：多層降塵室：(1)VtqnWLu 若若n個隔板，則個隔板，則缺點：缺點： 清灰難；清灰難； 隔板間距小，隔板間距小，顆粒易被揚起。顆粒易被揚起。2021-7-16193. 臨界顆粒直徑臨界顆粒直徑臨界顆粒直徑臨界顆粒直徑dpC降塵室降塵室理論上理論上能能100%除去的除去的 最小顆粒直徑。最小顆粒直徑。2()18pcptdgu 1818()()Vpctppqdugg WLVtqHuuLWL 層流層流例例2 用降塵室除去含塵氣體中的球形塵粒，塵粒用降塵室除去

8、含塵氣體中的球形塵粒，塵粒密度密度p=4000kg/m3，降塵室長，降塵室長3m,寬寬2m,高高1m。含塵氣體含塵氣體=210-5Pas, 密度密度=1.2kg/m3，流量，流量為為3000m3/h。試求：可被試求：可被100%除下的最小粒徑；除下的最小粒徑； 可被可被50%除下的粒徑。除下的粒徑。解：解：設設Re2,則則驗驗 m/s139. 0233600/3000 AquVtgudptp)(18 81. 9)2 . 14000(139. 0102185 mm 7 .351057. 35 tpud Re561022 . 1139. 0107 .35 23 . 0 5 . 02minmin p

9、pttdduu 5 . 0minppdd m2 .25707. 07 .35 2021-7-1622 第三節(jié)第三節(jié) 離心沉降離心沉降一、離心沉降速度一、離心沉降速度（一）沉降過程（一）沉降過程切向速度切向速度 ut徑向速度徑向速度 ur合成合成u合合 合合t2021-7-1623離心力：離心力：2236CppuuFmdrr 徑向向外徑向向外 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 受力平衡時，受力平衡時，徑向速度徑向速度ur為該點的為該點的離心沉降速度離心沉降速度。24()3pptrduur ttt202

10、1-7-1624重力沉降速度重力沉降速度ut離心沉降速度離心沉降速度ur方向方向 向下，大小不變向下，大小不變 徑向向外，隨徑向向外，隨r變化變化 層流層流2()18pptdgu 22()18pprduur （二）離心分離因數（二）離心分離因數2crCtgFuuKugrF離心分離因數離心分離因數KC同一顆粒在同種介質中所受離心同一顆粒在同種介質中所受離心力與重力之比。力與重力之比。2021-7-1625二、二、 離心沉降設備離心沉降設備（一）旋風分離器（一）旋風分離器1. 結構與工作原理結構與工作原理 KC為為52500，可分離，可分離氣體中氣體中575 m的顆粒。的顆粒。2021-7-162

11、62. 臨界顆粒直徑臨界顆粒直徑uib假設：假設： 切向速度切向速度ut=進口速度進口速度ui 顆粒沉降的最大距離顆粒沉降的最大距離b 層流層流rm平均旋轉半徑平均旋轉半徑2021-7-1627n旋轉圈數旋轉圈數沉降時間：沉降時間：2218()mrrppibrbudu 停留時間：停留時間：2mir nu 沉降分離條件：沉降分離條件： r沉降速度：沉降速度：22()18ppirmduur 2021-7-1628臨界顆粒直徑：臨界顆粒直徑：3()pcipbdnu 討論：討論：（1）b dpc D 旋風分離器越大，分離效果越不好旋風分離器越大，分離效果越不好所以生產能力較大時，一般采用多個小旋風分所

12、以生產能力較大時，一般采用多個小旋風分離器并聯。離器并聯。（2）ui dc 分離效果好分離效果好流動阻力大流動阻力大smui/2512 2021-7-16293. 氣體通過旋風分離器的壓力降氣體通過旋風分離器的壓力降22iup 一般一般 p= 0.32 kPa 進、排氣與筒壁之間的摩擦損失；進、排氣與筒壁之間的摩擦損失； 進入時突然擴大的局部阻力；進入時突然擴大的局部阻力； 旋轉中動能損失旋轉中動能損失造成氣體壓力降：造成氣體壓力降：由于由于:30/70第四節(jié) 過濾 濾濾餅餅過過濾濾深深層層過過濾濾兩兩種種過過濾濾方方式式一、概述深層過濾 這種過濾是在過濾介質內部進行的，介質表面無濾餅形成。過

13、濾用的介質為粒狀床層或素燒（不上釉的）陶瓷筒或板。 此法適用于從液體中除去很小量的固體微粒，例如飲用水的凈化。31/70一、概述濾漿濾餅過濾介質濾液-推動力：重力、壓力、離心力 濾餅過濾濾餅過濾深層過濾深層過濾兩種過濾方式兩種過濾方式濾餅過濾32/70一、概述濾漿濾餅過濾介質濾液濾餅過濾工業(yè)用過濾介質主要有： 棉、麻、絲、毛、合成纖維、金屬絲等編織成的濾布。過濾介質：多孔性介質、耐腐蝕、耐熱并具有足夠的機械強度。33/70一、概述濾漿濾餅過濾介質濾液濾餅過濾濾餅的壓縮性： 空隙結構易變形的濾餅為可壓縮濾餅。 34/70一、概述濾漿濾餅過濾介質濾液濾餅過濾 使用時，可預涂，也可以混入待濾的濾漿中

14、一起過濾。 助濾劑能形成結構疏松、而且?guī)缀跏遣豢蓧嚎s的濾餅?？筛纳圃瓰V餅的可壓縮性和過于致密的缺點。 助濾劑：-是顆粒細小、粒度分布范圍較窄、堅硬而懸浮性好 的顆粒狀或纖維固體，如硅藻土、纖維粉末、活性 炭、石棉。2021-7-1635顆粒的特性顆粒的特性2021-7-16362021-7-163738/70二、過濾基本方程-濾液量V過濾時間的關系 L le u de u 流體在固定床內流動的簡化模型 (1)細管長度le與床層高度L成正比(2)細管的內表面積等于全部顆粒的表面積， 流體的流動空間等于床層中顆粒之間的全部空隙體積。1、過濾基本方程的推導簡化模型：假定：LKle0 潤濕周邊潤濕周邊

15、流通截面積流通截面積 4ed 1444aVaVB細細管管的的全全部部內內表表面面積積細細管管的的流流動動空空間間真實速度 u 1aaB濾餅體積濾餅體積濾餅的比表面積顆粒的比表面積aB為濾餅的比表面積(單位體積的濾餅層所具有的表面積)a為顆粒的比表面積孔隙率孔隙率39/70二、過濾基本方程-濾液量V過濾時間的關系221udlpweef L le u u de u 流體在固定床內流動的簡化模型 eR64 濾餅內，雷諾數很小，屬層流流動， ude eR2132eedlpu 1p -哈根-泊謖葉方程le、de表達式 uu AuuA 由質量守恒得：濾餅截面積A40/70二、過濾基本方程 LpaKu 12

16、20312 Lrp 1 ddqAddVu 過濾阻力過濾阻力過濾推動力過濾推動力 eLrpLrpu 22 介質阻力）介質阻力）（濾餅阻力（濾餅阻力過濾總推動力過濾總推動力 eLLrpu p2 p1u-濾液量V過濾時間的關系 2322012 maKr比比阻阻，單單位位令令 思考：影響過濾阻力的因素有哪些？ 影響過濾速度的因素有哪些？41/70二、過濾基本方程-濾液量V過濾時間的關系 eVVcrpA AddV 設每獲得單位體積濾液時，被截留在過濾介質上的濾餅體積為c（m3濾餅/m3濾液），則 sprr 0令 AddV esVVcrAp 01AcVL AcVLee eLLrpu 濾餅濾液1c思考：濾餅

17、中全是固體物嗎？壓縮指數0s1（可壓縮濾餅）s=0（不可壓縮濾餅）42/70二、過濾基本方程 crpKs012 令令 eVVKAddV 22 eqqKddq 2 -過濾基本方程過濾常數，由實驗測定 pu思考：影響K的因素有哪些？ 影響Ve或qe的因素有哪些？-濾液量V過濾時間的關系43/70二、過濾基本方程-濾液量V過濾時間的關系 crpKs012 32212 Car影響K的因素：影響qe或Ve 的因素：濾餅性質（s、a）濾漿性質（c、）推動力（p）過濾介質的性質（孔的結構、r0、厚度） pu44/70二、過濾基本方程-濾液量V過濾時間的關系 222KAVVVe 2、恒壓過濾 crpKs012

18、 過過濾濾阻阻力力過過濾濾推推動動力力 AddVu eVVKA 2 pu 表觀速度特點： K為常數 積分得： 或 Kqqqe 22若過濾介質阻力可忽略不計，則 22KAV 或 Kq 2，過濾速度愈來愈小。恒壓過濾方程45/70三、過濾常數的測定eqKqKq21 1500 1000 q 500 0 0 0.025 0.05 0.075 q 斜率1/K截距2qe/KCpsK log)1(log crpKs012 恒壓時： Kqqqe 22logplogK作圖求出壓縮指數s /qq圖46/70五、過濾設備及過濾計算 以以壓壓力力差差為為推推動動力力：如如板板框框壓壓濾濾機機、葉葉濾濾機機、 回回轉轉

19、真真空空過過濾濾機機等等； 以以離離心心力力為為推推動動力力：如如各各種種離離心心機機。 過濾設備 （一）間歇式過濾機板框壓濾機1.結構：濾液料漿清洗水洗滌液開啟關閉閥門漿料清洗水2.過濾操作：（一）間歇式過濾機板框壓濾機3.洗滌操作：置換洗滌：（一）間歇式過濾機板框壓濾機當洗液粘度與濾液相同時，由過濾基本方程式可知：洗滌速率等于過濾終了速率置換洗滌易造成洗液走短路，洗滌效果不好，為了提高洗滌效果，可采用橫穿洗滌。洗滌液洗出液框 板 框 板洗滌板非洗滌板板非洗滌板洗滌液的行程（包括濾餅和濾布）約為過濾終了時濾液行程的2倍，而流通面積卻為其1/2，故洗滌速率約為過濾終了速率的1/4。洗滌液洗出液框 板 框 板洗滌板非洗滌板板非洗滌板（一）間歇式過濾機板框壓濾機橫穿洗滌2021-7-1651洗滌液洗出液框 板 框 板洗滌板非洗滌板板非洗滌板洗滌液洗出液框 板 框 板洗滌板非洗滌板板非洗滌板置換橫穿2021-7-1652（二）轉筒