復旦大學 化工原理 第三章 沉降與過濾

第三章沉降與過濾第一節(jié)概述在化工生產(chǎn)過程中，會涉及到許多氣—液、氣—固、液—液、液—固體系。這種在流體中存在相界面的系統(tǒng)稱為非均相物系。非均相物系中處于分散狀態(tài)的物質(zhì)稱為分散物質(zhì)或分散相。非均相物系中處于連續(xù)狀態(tài)的物質(zhì)稱為分散介質(zhì)或連續(xù)相。一.非均相物系的分離將非均相物系中的分散物質(zhì)從分散介質(zhì)中分離出來的操作為非均相物系的分離。工程上常用的方法是：沉降分離與過濾。沉降分離是利用氣體或液體中固體顆粒受重力、離心力或慣性力作用，而實現(xiàn)沉降的一種分離方法。過濾是利用氣體或液體能通過過濾介質(zhì)，固體顆粒被過濾介質(zhì)所截流而實現(xiàn)兩相分離的一種單元操作。二.顆粒與流體相對運動時所受的阻力在非均相物系中，顆粒與流體存在相對運動時；顆粒所受到的流動阻力往往不可忽略。若顆粒與流體的相對運動速度為u，則顆粒所受的阻力Fd為:式中：r—流體的密度，kg/m3;A—顆粒在流動方向上的投影面積，m2；z—阻力系數(shù)（或稱曳力系數(shù)）。其中z是顆粒雷諾數(shù)Red的函數(shù)。

顆粒雷諾數(shù)Red定義為：式中：dp—顆粒的直徑；r、m—分別為流體的密度和粘度。則顆粒雷諾數(shù)Red與阻力系數(shù)z的關(guān)系為：10-4

<

Red<2z=24/Red層流區(qū)（斯托克斯區(qū)）2<Red<500z=10/過渡區(qū)（阿侖區(qū)）500<Red<2×105

z=0.44湍流區(qū)（牛頓區(qū)）

Red>2×105

z=0.1完全湍流區(qū)

第二節(jié)重力沉降由地球引力作用而發(fā)生的顆粒沉降過程，稱為重力沉降。一.沉降速度1.球形顆粒的自由沉降單個顆粒在流體中沉降，或則顆粒群在流體中分散得很好而處于互不接觸、互不碰撞的條件下沉降，稱為自由沉降。當顆粒在流體中沉降處于勻速時，顆粒相對于流體的運動速度ut稱為沉降速度。根據(jù)顆粒在流體中沉降的受力情況，可推導出顆粒在流體中自由沉降的速度計算式：2.沉降速度的計算假定顆粒在某一區(qū)沉降，將該沉降區(qū)的阻力系數(shù)z代入沉降速度計算式，計算出沉降速度ut。例如：假定顆粒在層流區(qū)沉降，則z=24/Red代入計算式得沉降速度ut為：同樣可得過渡區(qū)的沉降速度：但計算出沉降速度后，必須回代計算顆粒雷諾數(shù)，以檢驗假設(shè)是否正確。若假設(shè)有錯，則必須重新計算ut。a.顆粒形狀顆粒的形狀偏離球形愈大，其阻力系數(shù)就愈大。工程上一般采用當量球徑來計算顆粒的沉降速度。b.壁效應(yīng)當顆粒在靠近器壁的位置沉降時，由于器壁的影響，顆粒的沉降速度較自由沉降速度要小。c.干擾沉降當非均相物系中的顆粒較多，顆粒之間相互距離較近時，顆粒的沉降會受到其他顆粒的影響，使得實際的沉降速度比自由沉降速度小。3.影響沉降速度的其他因素二.顆粒沉降的應(yīng)用1.除塵在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會碰到含塵的氣體需要凈化，而最古老的方法就是采用降塵室來去除含塵氣體中的固體顆粒。若進入降塵室的含塵氣體中，顆粒直徑大于dPc的顆粒能被100%的去除，則dPc稱為臨界顆粒直徑；該直徑的顆粒所對應(yīng)的沉降速度，稱為臨界沉降速度utc。如果一個降塵室的降塵面積為A，需要將粒徑大于dPc的顆粒完全去除，則該降塵室的處理量為：qV=Autc。例：用降塵室來凈化溫度為200C，流量為2500m3/h的常壓空氣。已知：空氣中所含塵粒的密度為1800Kg/m3；要求凈化后的空氣中不含直徑大于10mm的塵粒。試求所需的降塵面積A。若降塵室的底面寬2m，長5m;問室內(nèi)需要設(shè)多少塊隔板。2.流化3.氣力輸送4.粘度測定例：現(xiàn)有密度為8010Kg/m3，直徑為0.16mm的鋼球置于密度為980Kg/m3的某液體中。盛放液體的玻璃管內(nèi)徑為20mm；測得小球的沉降速度為1.70mm/s；試驗溫度為200C；試計算此時液體的粘度。器壁對沉降速度的影響可用下式進行修正。實際的沉降速度5.不同粒度顆粒的粗分6.增稠器第三節(jié)離心沉降依靠離心力的作用，使流體中的顆粒產(chǎn)生沉降運動，稱為離心沉降。一.離心分離因數(shù)同一顆粒所受的離心力與重力之比，稱為離心分離因數(shù)。KC=rw2/g二.離心沉降速度在沉降分離中，一般只有當顆粒很小，重力沉降速度較小時，才會考慮使用離心沉降。因此，離心沉降通常處于層流區(qū)。根據(jù)顆粒的受力情況，可推導出離心沉降速度：三.離心分離設(shè)備1.旋風分離器離心分離因數(shù)：5—2500可分離氣體中5—75mm直徑的顆粒。2.轉(zhuǎn)鼓式離心機轉(zhuǎn)鼓式離心機的轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速約為1000—4500轉(zhuǎn)/分；離心分離因數(shù)約為600。間歇操作的轉(zhuǎn)鼓式離心機一般為立式，沉渣用人工卸除；連續(xù)操作的轉(zhuǎn)鼓式離心機常為臥式，設(shè)有專門的卸渣裝置。a.立式轉(zhuǎn)鼓離心機b.臥式轉(zhuǎn)鼓離心機3.碟式離心機碟式離心機的轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速約為4700—8500轉(zhuǎn)/分；離心分離因數(shù)可達4000—10000。用于乳濁液分離目的的碟式離心機，碟片中心開有小孔，料液通過小孔分配到各碟片通道之間。用于懸浮液澄清目的的碟式離心機，碟片中心沒有小孔。第四節(jié)過濾過濾是使含固體顆粒的非均相物系通過布、網(wǎng)等多孔性材料，分離出固體顆粒的操作。通常所說的“過濾”系指懸浮液的過濾。一.懸浮液的過濾過濾介質(zhì)過濾用的多孔性材料；濾餅留在過濾介質(zhì)上的固體顆粒；

濾液通過濾餅和過濾介質(zhì)的清液。過濾方式

a.深層過濾；b.濾餅過濾2.過濾介質(zhì)a.織物介質(zhì)；b.堆積的粒狀介質(zhì)；c.多孔性介質(zhì)。3.助濾劑當懸浮液中的固體顆粒很小時，在過濾操作時這些顆粒會堵塞過濾介質(zhì)的孔隙，使過濾操作的阻力變大。為防止出現(xiàn)這種情況，在實際的操作過程中往往會采用助濾劑。二.過濾速率基本方程式單位時間內(nèi)濾過的濾液體積，稱為過濾速率，m3/S；單位過濾面積的過濾速率，稱為過濾速度，m/S；設(shè)：過濾面積為A，過濾時間為dt，濾液體積為dV；則過濾速率為dV/dt；過濾速度為dV/(Adt)。根據(jù)泊謖葉方程，可推導出過濾的速率方程：式中：dV/dt—瞬時的過濾速率，m3/S;

DP—濾液通過濾餅層及過濾介質(zhì)的總壓力降，Pa；V—生成厚度為L的濾餅所獲得的濾液體積，m3；Ve—過濾介質(zhì)的當量濾液體積，m3；r—濾餅的比阻，1/m2；

m—濾液的粘度，Pa.S；

u—單位體積濾液對應(yīng)的濾餅體積，m3濾餅/m3濾液；A—過濾面積，m2。三.恒壓過濾當恒壓過濾時，DP、r、u、m及Ve均為常數(shù)，有：積分得：令：K=2DP/rmu,q=V/A,qe=Ve/A則：q2+2qqe=Kt

式中：K、qe為過濾常數(shù)，與懸浮液的性質(zhì)、溫度、操作