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进行分离
2、。,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(Creepin
3、g 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，沉降过程中互不碰撞、互不影响。,
4、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 Re 2105) （Nuwton区）,20,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。,21,例31 一直径为1.00mm、密度为2500kg/m3的玻璃球在20的水中沉降，试求其沉降速度。,解：由于颗粒直径较大，先假设流型层于过渡区，,22,校核流型 Re=dPut/=10-30.157103/1
5、0-3=157 属于过渡区，与假设相符。,23,解：在20水中的沉降。 用试差法计算 先假设颗粒在滞流区内沉降 ，,附录查得，20时水的密度为998.2kg/m3,=1.00510-3Pa.s,例：试计算直径为95m，密度为3000kg/m3的固体颗粒在20的水中的自由沉降速度。,24,核算流型,原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。,25,（三）影响沉降速度的其它因素,1.干扰沉降 （颗粒之间）,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,26,二、 重力沉降设备,（一）降尘室,利用重力沉降从气流中分离出尘粒的设备。 预分离，分离粒径较大的尘粒。,含
6、尘气体,净化气体,27,28,假设： 颗粒运动的水平分速度与气体的流速 u 相同； 垂直分速度 =重力沉降速度ut,29,1. 沉降分离条件,停留时间：,沉降时间：,分离条件：,即 或 入口速度不能大于某值,30,2. 生产能力 qVs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。,31,3. 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。,32,含尘气体qVs在除尘室中的流速为,沉降速度应满足的条件：,33,能100%除去的最小粒径临界粒径 utc为临界（粒径）颗粒的沉降速度,s,34,一定粒径的颗粒
7、，沉降室的生产能力只与与底面积WL和 utc有关，而与H 无关。 故沉降室应做成扁平形，或在室内均匀设置多层隔板。 气速u不能太大，以免干扰颗粒沉降，或把沉下来的尘粒重新卷起。一般u不超过3m/s。,沉降室设计,35,若加入n个隔板，则：,生产能力n倍提高！,36,当降尘室用水平隔板分为N层，则每层高度为H/N。水平速度u不变。此时：,尘粒沉降高度为原来的 1/N 倍； utc降为原来的 1/N 倍； 临界粒径为原来的 倍；一般可分离20mm 以上的颗粒（通常为50mm）。,s,37,),),处理量qVS，粉尘的排放标准dpc，面积,沉降室的设计计算类型,1),38,例3-2：用高2m、宽2.
8、5m、长5m的重力降尘室分离空气中的粉尘。在操作条件下空气的密度为0.799kg/m3，粘度为2.5310-5Pas，流量为1.25104 m3/h。粉尘的密度为2000 kg/m3。试求粉尘的临界直径。,解 ：与临界直径对应的临界沉降速度为,39,假设流型属于层流区，粉尘的临界直径为,验算流型,故属于层流区，与假设相符。,40,沉聚：悬浮液放在大型容器里，其中的固体颗粒在重力下沉降，得到澄清液与稠浆的操作。,澄清：当原液中固体颗粒的浓度较低，而为了得到澄清液时的操作，所用设备称为澄清器。,增稠器：从较稠的原液中尽可能把液体分离出来而得到稠浆的设备。,三、悬浮液的沉聚,41,1. 悬浮液的沉聚
9、过程,42,2. 沉降槽（增稠器）,要点： 直径较大 高度较低,43,溶胶：含有颗粒大小会直径小于1m的液体。,为了促进细小颗粒絮凝成较大颗粒以增大沉降速度，可往溶胶中加入少量电解质。,絮凝剂：凡能促进溶胶中微粒絮凝的物质。,常用絮凝剂:明矾、三氧化铝、绿矾（硫酸亚铁）、三氯化铁等。一般用量为40200ppm（质量）。,絮凝剂,44,45,第三节 离心沉降,46,离心沉降：依靠惯性离心力的作用从而实现 沉降的过程。离心沉降效率较重力沉降效率高。,47,一、 离心分离因数,48,增大Kc值的途径： 增大r ，强度要求 增大,离心分离因素：离心力与重力比,49,切向速度 u 径向速度 ur,二、
10、离心沉降速度,50,受力平衡时，径向速度ur为该点的离心沉降速度。,51,（1）方向不同； （2）在一定的条件下，重力沉降速度是一定的，而离心沉降速度随着颗粒在半径方向上的位置不同而变化。,对照,52,重力沉降,离心沉降,离心沉降设计对象为小颗粒，流体阻力处于层流区,53,含尘气体的分离系统,20 m 5200 m 0.5 m达90%,灰尘,含尘气体,净化气体,灰尘,灰尘,重力沉降室,旋风分离器,袋滤器,离心风机,54,旋风分离器： 是利用离心力作用净制气体的设备。,其结构简单，制造方便 分离效率高 可用于高温含尘气体的分离,特点：,三、旋风分离器,55,56,57,含尘气体切线进入； 沿内壁
11、作旋转流动：颗粒的离心力较大，被甩向外层，气流在内层。气固得以分离； 在圆锥部分，气流与颗粒作下降螺旋运动； 在圆锥的底部附近，气流转为上升旋转运动，最后由上部出口管排出； 颗粒沿内壁落入灰斗。,构造与工作原理,构造：外圆筒、内圆筒、锥形筒,58,59,旋风分离器的尺寸,L,H,S,h,60,临界粒径：能够100除去的最小粒径。 根据旋风分离器的尺寸，以及离心沉降速度式分离变量，积分求得沉降时间；,临界粒径,61,ui 进口气流的流速，m/s b入口宽度，m n 气流旋转的圈数, 计算时通常取n=5。,沉降时间 颗粒旋转n圈（平均半径rm)的停留时间：,62,讨论：,所以生产能力较大时，一般采
12、用多个小旋风分离器并联。,63,进、排气与筒壁之间的摩擦损失；突然扩大(缩小）的局部阻力；旋转中动能损失,造成气体压力降：,由于:,压力损失,64,圆筒直径一般为200800mm，系列尺寸 进口速度一般为1520m/s 压力损失约为12kPa 分离的颗粒直径约为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
13、.101MPa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）
14、: 所处理的悬浮液 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（0.1%）的悬浮液,例如：自来水的净化，污水处理,80,特点（不同于滤饼过滤）,
15、特点：颗粒沉积于过滤介质内部(没有形成滤饼） 过滤介质：堆积较厚的粒状床层。 过滤原理：颗粒通过细长而弯曲的孔道时，靠静电和分子的作用力附着在介质孔道上。,81,（二）过滤介质,类别： 织物介质(又称滤布)：棉、毛、麻、金属丝等织物 多孔性介质：由陶瓷、塑料、金属烧结成型之多孔性介质 堆积介质：由各种固体颗粒（细砂、硅藻土等）堆积而成， （多用于深床过滤） 多孔膜：高聚物膜、无机膜,82,过滤介质应具有的性质：,（1）多孔性，液体流过的阻力小； （2）有足够的强度； （3）耐腐蚀性和耐热性； （4）孔道大小适当，能发生架桥现象。,83,（三、）助滤剂为了使过滤顺利进行，可以将质地坚硬而能形成疏
16、松滤饼的另一种固体颗粒混入悬浮液或预涂于过滤介质上，以形成疏松饼层，使得滤液畅流（减小阻力）。,84,助滤剂的基本要求：,1、能形成多孔饼层的刚性颗粒，使滤饼有良好的渗透性及较低的流体阻力。2、具有化学稳定性。3、在操作压强范围内具有不可压缩性。,85,常用的助滤剂：硅藻土由硅藻土经煅烧、粉碎、筛分而得到粒度均匀的颗粒。主要成分为含SiO2的硅酸盐。 珍珠岩由珍珠岩粉经煅烧迅速膨胀后、粉碎、筛分而得到粒度均匀的颗粒。主要成分为含70%SiO2的硅酸铝。 石棉天然的纤维状的硅酸盐类矿物质,86,（四）滤饼的可压缩性与助滤剂,不可压缩滤饼：空隙率不随压力变化可压缩滤饼：空隙率随压力增加而减小 加助
17、滤剂,87,（五）过滤过程物料衡算,（1）湿滤渣密度,C（质量比1）kg湿渣 / kg干渣,88,（2）干渣质量与滤液体积之比 w,= kg干渣/m3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
18、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/m2s，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
19、,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）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、
20、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,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 8881
21、0.3104 2.45 509.8 660,112,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=0.1381kg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
22、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 r3.43104 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,118,119,（一）、板框压滤机,120,121,122,123,124,安装：,过 滤 板,过 滤 框,洗 涤 板,过 滤 框,过 滤 板,过 滤 框,盲 板,操作过程：装合、过滤、洗涤、卸饼、清洗。,125,（二）、转筒真空过滤机（连续）,126,127,（三） 离心过滤机,1.悬筐式离心机 2.往复活塞推渣离心机 3.离心力自动卸渣离心机,128,
