化工原理 第三章 沉降與過(guò)濾

第三章沉降與過(guò)濾第一節(jié)概述均相物系(honogeneoussystem):

均相混合物。物系內(nèi)部各處均勻且無(wú)相界面。如溶液和混合氣體都是均相物系。自然界的混合物分為兩大類：非均相物系(non-honogeneoussystem):

非均相混合物。物系內(nèi)部有隔開不同相的界面存在，且界面兩側(cè)的物料性質(zhì)有顯著差異。如：懸浮液、乳濁液、泡沫液屬于液態(tài)非均相物系，含塵氣體、含霧氣體屬于氣態(tài)非均相物系。2023/10/81分散相：分散物質(zhì)。在非均相物系中，處于分散狀態(tài)的物質(zhì)。連續(xù)相：分散介質(zhì)。包圍著分散物質(zhì)而處于連續(xù)狀態(tài)的流體。非均相物系由分散相和連續(xù)相組成2023/10/82非均相物系分離：沉降（重力沉降、離心沉降）過(guò)濾分離的目的：回收分散物質(zhì);2.凈化分散介質(zhì)。通常先造成一個(gè)兩相物系，再用機(jī)械分離的方法分離，如蒸餾，萃取等。均相物系的分離：2023/10/83

沉降：沉降力場(chǎng)：重力、離心力。

在某種力場(chǎng)的作用下，利用分散物質(zhì)與分散介質(zhì)的密度差異，使之發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而分離的單元操作。

沉降操作分類：重力沉降、離心沉降。2023/10/84圖流體繞過(guò)顆粒的流動(dòng)uFdFd與顆粒運(yùn)動(dòng)的方向相反當(dāng)流體相對(duì)于靜止的固體顆粒流動(dòng)時(shí)，或者固體顆粒在靜止流體中移動(dòng)時(shí)，由于流體的粘性，兩者之間會(huì)產(chǎn)生作用力，這種作用力通常稱為曳力（dragforce)或阻力。只要顆粒與流體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生阻力。對(duì)于一定的顆粒和流體，只要相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度相同，流體對(duì)顆粒的阻力就一樣。顆粒相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)2023/10/85

ρ——流體密度；μ——流體粘度；

dp——顆粒的當(dāng)量直徑；

A——顆粒在運(yùn)動(dòng)方向上的投影面積；

u——顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。

——阻力系數(shù)，是雷諾數(shù)Re的函數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定。顆粒所受的阻力Fd可用下式計(jì)算2023/10/86球形顆粒的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系2023/10/87

層流區(qū)（斯托克斯Stokes區(qū)，10-4<Re<2）注意：其中斯托克斯區(qū)的計(jì)算式是準(zhǔn)確的，其它兩個(gè)區(qū)域的計(jì)算式是近似的。過(guò)渡區(qū)（艾侖Allen區(qū)，2<Re<500）湍流區(qū)（牛頓Newton區(qū)，500<Re<2*105）圖中曲線大致可分為三個(gè)區(qū)域，各區(qū)域的曲線可分別用不同的計(jì)算式表示為：2023/10/88第二節(jié)重力沉降一、重力沉降速度（一）球形顆粒的自由沉降自由沉降：顆粒濃度低，分散好，沉降過(guò)程中互不碰撞、互不影響。顆粒下沉u重力Fg阻力Fd浮力Fb2023/10/89u重力Fg阻力Fd浮力Fb2023/10/810重力沉降速度:也稱為終端速度，顆粒受力平衡時(shí)，勻速階段顆粒相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度。隨著顆粒向下沉降，u逐漸增大，

逐漸減少。當(dāng)u增到一定數(shù)值ut時(shí)，=0。顆粒開始作勻速沉降運(yùn)動(dòng)。顆粒的沉降過(guò)程分為兩個(gè)階段：加速階段；勻速階段。2023/10/811將不同流動(dòng)區(qū)域的阻力系數(shù)分別代入上式，得球形顆粒在各區(qū)相應(yīng)的沉降速度分別為：

層流區(qū)（Re<2）過(guò)渡區(qū)（2<Re<500）湍流區(qū)（500<Re<2*105）ut與dp有關(guān)。dp愈大，ut則愈大。層流區(qū)與過(guò)渡區(qū)中，ut還與流體粘度有關(guān)。液體粘度約為氣體粘度的50倍，故顆粒在液體中的沉降速度比在氣體中的小很多。2023/10/812（二）沉降速度的計(jì)算假設(shè)流體流動(dòng)類型；計(jì)算沉降速度；計(jì)算Re，驗(yàn)證與假設(shè)是否相符；如果不相符，則轉(zhuǎn)①。如果相符，OK!求沉降速度通常采用試差法。2023/10/813例：計(jì)算直徑為98

m，密度為3000kg/m3的固體顆粒分別在20℃的水中的自由沉降速度。計(jì)算Re，核算流型：假設(shè)正確，計(jì)算有效。解：在20℃的水中：20℃水的密度為998.2kg/m3，粘度為1.005×10-3Pa

s先設(shè)為層流區(qū)。

2023/10/814（三）影響沉降速度的其它因素1.干擾沉降2.

顆粒形狀越小，阻力越大，Re相同時(shí)沉降速度越小。3.

壁效應(yīng)使沉降速度下降。2023/10/8151)顆粒直徑dp應(yīng)用：啤酒生產(chǎn)，采用絮狀酵母，dp↑→ut↑↑，使啤酒易于分離和澄清。均質(zhì)乳化，dp↓→ut↓↓，使飲料不易分層。加絮凝劑，如水中加明礬。2)連續(xù)相的粘度

：應(yīng)用：加酶：清飲料中添加果膠酶，使

↓→ut↑，易于分離。增稠：濃飲料中添加增稠劑，使

↑→ut↓，不易分層。加熱：3)兩相密度差(

p-

)：影響沉降速度的因素總結(jié)(以層流區(qū)為例)

2023/10/8164)

顆粒形狀在實(shí)際沉降中：非球形顆粒的形狀可用球形度

s

來(lái)描述。

s——球形度；S——顆粒的表面積，m2；Sp——與顆粒體積相等的圓球的表面積，m2。

不同球形度下阻力系數(shù)與Re的關(guān)系見(jiàn)課本圖示，Re中的dp用當(dāng)量直徑de代替。球形度

s越小，阻力系數(shù)

越大，但在層流區(qū)不明顯。ut非球<ut球。對(duì)于細(xì)微顆粒(d<0.5

m)，應(yīng)考慮分子熱運(yùn)動(dòng)的影響，不能用沉降公式計(jì)算ut；沉降公式可用于沉降和上浮等情況。注意：2023/10/8176)干擾沉降（hinderedsettling）：

當(dāng)非均相物系中的顆粒較多，顆粒之間相互距離較近時(shí)，顆粒沉降會(huì)受到其它顆粒的影響，這種沉降稱為干擾沉降。干擾沉降速度比自由沉降的小。5)壁效應(yīng)

(walleffect)：

當(dāng)顆粒在靠近器壁的位置沉降時(shí)，由于器壁的影響，其沉降速度較自由沉降速度小，這種影響稱為壁效應(yīng)。2023/10/818二、降塵室

降塵室：利用重力降分離含塵氣體中塵粒的設(shè)備。是一種最原始的分離方法。一般作為預(yù)分離之用，分離粒徑較大的塵粒。降塵室的示意圖2023/10/819沉降分離條件假設(shè)顆粒運(yùn)動(dòng)的水平分速度與氣體的流速u相同；停留時(shí)間

＝L/u沉降時(shí)間

t＝H/ut顆粒分離出來(lái)的條件是L/u≥H/utLHW凈化氣體含塵氣體uut2023/10/820即：滿足L/u＝H/ut

條件的粒徑當(dāng)含塵氣體的體積流量為qVs時(shí)，

u=qVs/HW故與臨界粒徑dpc相對(duì)應(yīng)的臨界沉降速度為utc=qVs/

WLut≥qVs/LW則有或qVs≤

WLut

臨界沉降速度utc是流量和面積的函數(shù)。臨界粒徑dpc（criticalparticlediameter）：能100％除去的最小粒徑。2023/10/821當(dāng)塵粒的沉降速度小，處于斯托克斯區(qū)時(shí)，臨界粒徑為一定粒徑的顆粒，沉降室的生產(chǎn)能力只與與底面積WL和utc有關(guān)，而與H無(wú)關(guān)。故沉降室應(yīng)做成扁平形，或在室內(nèi)均勻設(shè)置多層隔板。氣速u不能太大，以免干擾顆粒沉降，或把沉下來(lái)的塵粒重新卷起。一般u不超過(guò)3m/s。由此可知：2023/10/822當(dāng)降塵室用水平隔板分為N層，則每層高度為H/N。水平速度u不變。此時(shí)：多層隔板降塵室示意圖含塵氣體粉塵隔板凈化氣體塵粒沉降高度為原來(lái)的1/N倍；utc降為原來(lái)的1/N倍(utc=qVs/

bl)；臨界粒徑為原來(lái)的倍()；一般可分離20μm以上的顆粒。多層隔板降塵室排灰不方便。2023/10/823（二）沉降槽（增稠器）1.

懸浮液的沉聚過(guò)程2023/10/8242.

沉降槽（增稠器）2023/10/825第三節(jié)離心沉降一、離心沉降速度（一）沉降過(guò)程切向速度u徑向速度ur合成u合

合2023/10/826顆粒在離心力場(chǎng)中沉降時(shí)，在徑向沉降方向上受力分析。若這三個(gè)力達(dá)到平衡，則有顆粒與流體在徑向上的相對(duì)速度ur慣性離心力Fc阻力Fd向心力（浮力）Fb顆粒在離心力場(chǎng)中的受力分析2023/10/827注：在一定的條件下，重力沉降速度是一定的，而離心沉降速度隨著顆粒在半徑方向上的位置不同而變化。離心沉降速度：顆粒在徑向上相對(duì)于流體的速度，就是這個(gè)位置上的離心沉降速度。在離心沉降分離中，當(dāng)顆粒所受的流體阻力處于斯托克斯區(qū)，離心沉降速度為:重力沉降速度為:2023/10/828層流區(qū)（斯托克斯Stokes區(qū)，10-4<Re<2）過(guò)渡區(qū)（艾侖Allen區(qū)，2<Re<500）湍流區(qū)（牛頓Newton區(qū)，500<Re<2*105）2023/10/829重力沉降速度ut離心沉降速度ur方向向下，大小不變徑向向外，隨r變化層流（二）離心分離因數(shù)離心分離因數(shù)（separationfactor）Kc：離心力與重力比。

Kc=Rω2/g2023/10/830二、離心沉降設(shè)備（一）旋風(fēng)分離器1.結(jié)構(gòu)與工作原理

KC為5~2500，可分離氣體中5~75m的顆粒。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便；分離效率高；可用于高溫含塵氣體的分離；結(jié)構(gòu)：外圓筒；內(nèi)圓筒；錐形筒。2023/10/831含塵氣體從圓筒上部長(zhǎng)方形切線進(jìn)口進(jìn)入。入口氣速約為15～20m/s。含塵氣體沿圓筒內(nèi)壁作旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。顆粒的離心力較大，被甩向外層，氣流在內(nèi)層。氣固得以分離。在圓錐部分，旋轉(zhuǎn)半徑縮小而切向速度增大，氣流與顆粒作下螺旋運(yùn)動(dòng)。在圓錐的底部附近，氣流轉(zhuǎn)為上升旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，最后由上部出口管排出；固相沿內(nèi)壁落入灰斗。外圓筒內(nèi)圓筒錐形筒切向入口關(guān)風(fēng)器(防止空氣進(jìn)入)含塵氣體固相凈化氣體外螺旋內(nèi)螺旋工作過(guò)程2023/10/832標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器的尺寸H1H2SBDD1hui2023/10/8332.臨界顆粒直徑uib假設(shè)：切向速度ut=進(jìn)口速度ui

顆粒沉降的最大距離b

層流rm——平均旋轉(zhuǎn)半徑能夠100％除去的最小粒徑。2023/10/834n——旋轉(zhuǎn)圈數(shù)沉降時(shí)間：停留時(shí)間：沉降分離條件：沉降速度：2023/10/835臨界顆粒直徑：討論：（1）bdpc

D旋風(fēng)分離器越大，分離效果越不好所以生產(chǎn)能力較大時(shí)，一般采用多個(gè)小旋風(fēng)分離器并聯(lián)。（2）uidc分離效果好流動(dòng)阻力大2023/10/8363.氣體通過(guò)旋風(fēng)分離器的壓力降一般

p=0.3~2kPa進(jìn)、排氣與筒壁之間的摩擦損失；進(jìn)入時(shí)突然擴(kuò)大的局部阻力；旋轉(zhuǎn)中動(dòng)能損失造成氣體壓力降：由于:2023/10/837圓筒直徑一般為200～800mm，有系列尺寸。進(jìn)口速度一般為15～20m/s。壓力損失約為1～2kPa。分離的顆粒直徑約為>5

m，dpc50=1~2

m。主要技術(shù)參數(shù)2023/10/838例：溫度為20℃，壓力為0.101Mpa，流量為2.5m3/s的含塵空氣，用標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器除塵。粉塵密度為2500kg/m3，試計(jì)算臨界粒徑。并計(jì)算壓損。解：20℃，0.101Mpa時(shí)空氣的：

=1.21kg/m3，

=1.81×10-5Pa

s1、確定進(jìn)口氣速：ui=20m/s(15-20m/s)2、計(jì)算D和b：流量qV=Aui=Bhu

B=D/5,h=3D/5

2.5=(D/5)×(3D/5)×20D=1.041m

取D=1100mm旋風(fēng)分離器的選用2023/10/839此時(shí)3、求dpc2023/10/8404、求

p2023/10/841由于分離器各部分的尺寸都是D的倍數(shù)，所以只要進(jìn)口氣速ui相同，不管多大的旋風(fēng)分離器，其壓力損失都相同。壓力損失相同時(shí)，小型分離器的B=D/5值較小，則小型分離器的臨界粒徑較小。旋風(fēng)分離器的使用2023/10/842雙聯(lián)四聯(lián)

用若干個(gè)小旋風(fēng)分離器并來(lái)代替一個(gè)大旋風(fēng)分離器，可以提高分離效率。2023/10/843(二)旋液分離器

利用離心力的作用，使懸浮液中固體顆粒增稠或使粒徑不同及密度不同的顆粒進(jìn)行分級(jí)。結(jié)構(gòu)和工作原理：與旋風(fēng)分離器相似。2023/10/844懸浮液從圓筒上部的切向進(jìn)口進(jìn)入器內(nèi)，旋轉(zhuǎn)向下流動(dòng)。工作過(guò)程：液流中的顆粒受離心力作用，沉降到器壁，并隨液流下降到錐形底的出口，成為較稠的懸浮液而排出，稱為底流。澄清的液體或含有較小較輕顆粒的液體，則形成向上的內(nèi)旋流，經(jīng)上部中心管從頂部溢流管排出，稱為溢流。2023/10/845

液體的粘度約為氣體的50倍，液體的(ρp-ρ)比氣體的小，懸浮液的進(jìn)口速度也比含塵氣體的小，所以同樣大小和密度的顆粒，沉降速度遠(yuǎn)小于含塵氣體在旋風(fēng)分離器中的沉降速度。要達(dá)到同樣的臨界粒徑要求，則旋液分離器的直徑要比旋風(fēng)分離器小很多。特點(diǎn)旋液分離器的圓筒直徑一般為75～300mm。懸浮液進(jìn)口速度一般為5～15m/s。壓力損失約為50～200kPa。分離的顆粒直徑約為10～40

m。主要技術(shù)參數(shù)2023/10/846(三)沉降式離心機(jī)管式離心機(jī)碟式離心機(jī)螺旋式離心機(jī)沉降式離心機(jī)是利用離心沉降的原理分離懸浮液或乳濁液的機(jī)械。2023/10/847特點(diǎn)：離心分離因數(shù)可達(dá)13000，也有高達(dá)105的超速離心機(jī)。轉(zhuǎn)鼓內(nèi)裝有三個(gè)縱向平板，以使料液迅速達(dá)到與轉(zhuǎn)鼓相同的角速度。適用于于分離乳濁液及含細(xì)顆粒的稀懸浮液。1管式離心機(jī)（tubular-bowlcentrifuge）2023/10/848分離乳濁液的管式離心機(jī)操作原理轉(zhuǎn)鼓由轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。乳濁液由底部進(jìn)入，在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)從下向上流動(dòng)過(guò)程中，由于兩種液體的密度不同而分成內(nèi)、外兩液層。外層為重液層，內(nèi)層為輕液層。到達(dá)頂部后，輕液與重液分別從各自的溢流口排出。分離懸浮液的管式離心機(jī)操作原理流量Vs為懸浮液從底部進(jìn)入，懸浮液是由密度為ρ的與密度為ρp的少量顆粒形成的。假設(shè)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的液體以轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)角速度ω隨著轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)。液體由下向上流動(dòng)過(guò)程中，顆粒由液面r1處沉降到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面r2處。凡沉降所需時(shí)間小于式等于在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)停留時(shí)間的顆粒，均能沉降除去。2023/10/849

分離乳濁液的碟式離心機(jī)：碟片上開有小孔。乳濁液通過(guò)小孔流到碟片的間隙。在離心力作用下，重液沿著每個(gè)碟片的斜面沉降，并向轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁移動(dòng)，由重液出口連續(xù)排出。而輕液沿著每個(gè)碟片的斜面向上移動(dòng)，匯集后由輕液出口排出。主要分離乳濁液中輕、重兩液相，例如油類脫水、牛乳脫脂等；也可以澄清含少量細(xì)小顆粒固體的懸浮液。澄清懸浮液用的碟式離心沉降機(jī)：碟片