1、1第三章第三章 沉降与过滤沉降与过滤2第一节第一节 概述概述3分散物质分散物质（分散相）：处于分散状态的物质（分散相）：处于分散状态的物质分散介质分散介质（连续相）：处于连续状态的物质（连续相）：处于连续状态的物质自然界混合物：黄沙空气，烟，雾，洪水自然界混合物：黄沙空气，烟，雾，洪水一、一、非均相物系的分离非均相物系的分离4 分离的目的分离的目的1.回收分散物质回收分散物质(母液中的固体成品或半成品母液中的固体成品或半成品)2.净化分散介质净化分散介质(净制原料气或原料液、分离废气和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废液中所含的有害物质等)5 非均相物系分离的理论基础非均
2、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要实现分离，必须使分散相和连续相之间发生发生相对运动相对运动。因此，非均相物系的分离操作遵。因此，非均相物系的分离操作遵循循流体力学的基本规律流体力学的基本规律。流体与固体颗粒之间有流体与固体颗粒之间有相对运动时，将发生相对运动时，将发生动量传递动量传递。6 非均相物系的分离原理非均相物系的分离原理根据两相物理性质根据两相物理性质(如密度等如密度等)的不同而进行的分离。的不同而进行的分离。因此常采用因此常采用机械方法机械方法进行分离。进行分离。7 按两相运动方式的不同，机械分离大致分为按两相运动方式的不同，机械分离大致分为沉降沉降（重力
3、沉降，离心沉降）和重力沉降，离心沉降）和过滤过滤两种操作。两种操作。例：例：非均相物系的分离方法非均相物系的分离方法8 液态均相混合物的分离液态均相混合物的分离蒸馏蒸馏气态均气态均相相混合物的分离混合物的分离吸收吸收均相物系的分离均相物系的分离9二、二、颗粒与流体相对运动时所受的阻力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，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两者之间会产生作用力，这种作用力通常称为曳曳力力（drag force)或阻力。
4、或阻力。曳力曳力妨碍流体的流动，或固体颗粒的相对运动。妨碍流体的流动，或固体颗粒的相对运动。10图图 流体绕过颗粒的流动流体绕过颗粒的流动uFdFd与颗粒运动的方向相反与颗粒运动的方向相反只要颗粒与流体之间有相只要颗粒与流体之间有相对运动，就会产生阻力。对运动，就会产生阻力。对于一定的颗粒和流体，对于一定的颗粒和流体，只要相对运动速度相同，只要相对运动速度相同，流体对颗粒的阻力就一样流体对颗粒的阻力就一样。爬流爬流(Creeping flow)(Creeping flow)：来流速度很小，流动很缓慢，来流速度很小，流动很缓慢，颗粒迎流面与背流面的流线颗粒迎流面与背流面的流线对称。对称。11流体
5、中颗粒运动的阻力流体中颗粒运动的阻力(曳力曳力)222242dppuuFAd 阻力系数阻力系数（曳力系数）（曳力系数）(Re)f Reptdu 、流体特性流体特性dp、ut颗粒特性颗粒特性12（1）层流区）层流区 104 Re 2 Stokes 区区 24Re （2）过渡区）过渡区 2 Re 500 Allen 区区 10Re （3）湍流区）湍流区 500 Re 2 105 Newton区区0.44 （球形）（球形）（准确）（准确）（近似）（近似）（近似）（近似）13tRe/245.0Re/10t44.014球形度球形度 sPSSS s 球形度球形度S 颗粒的表面积，颗粒的表面积，m2Sp 与
6、颗粒体积相等的圆球的表面积，与颗粒体积相等的圆球的表面积，m215第二节第二节 重力沉降重力沉降16p一、一、重力沉降速度重力沉降速度（一）球形颗粒的自由沉降（一）球形颗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：颗粒浓度低，分散好，沉降过程中颗粒浓度低，分散好，沉降过程中 互不碰撞、互不影响。互不碰撞、互不影响。,p颗粒下沉颗粒下沉1736gppFmgdg 重重力力：gdFpb 36 浮力：浮力：242222uduAFppd 阻力：阻力：18maFFFdbgmaudgdpsp246223tuua,0当34pptgdu重力沉降速度重力沉降速度（终端速度）（终端速度）颗粒受
7、力平衡时，匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度。颗粒受力平衡时，匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度。19182gduppt（二）（二）沉降速度的计算沉降速度的计算层流区（层流区（Re 2)（Stokes定律区）定律区）过渡区过渡区(2Re500)（Allen区）区）湍流区湍流区(500 Re 20 m 5200 m 0.5 m达达90%灰尘灰尘含尘气体含尘气体净化气体净化气体灰尘灰尘灰尘灰尘重力沉降室重力沉降室旋风分离器旋风分离器袋滤器袋滤器离心风机离心风机54旋风分离器：旋风分离器：是利用离心力作用净制气体的设备。是利用离心力作用净制气体的设备。其结构简单，制造方便其结构简单，制造方便分离效率高分
8、离效率高可用于高温含尘气体的分离可用于高温含尘气体的分离特点：特点：三、旋风分离器三、旋风分离器555657uib含尘气体切线进入；含尘气体切线进入；沿内壁作旋转流动：颗粒的离心力较大，被沿内壁作旋转流动：颗粒的离心力较大，被甩向外层，气流在内层。气固得以分离；甩向外层，气流在内层。气固得以分离；在圆锥部分，气流与颗粒作在圆锥部分，气流与颗粒作下降螺旋运动下降螺旋运动；在圆锥的底部附近，气流转为在圆锥的底部附近，气流转为上升旋转运动上升旋转运动，最后由上部出口管排出；最后由上部出口管排出；颗粒沿内壁落入灰斗。颗粒沿内壁落入灰斗。构造与工作原理构造与工作原理构造：外圆筒、内圆筒、锥形筒5859旋
9、风分离器的尺寸旋风分离器的尺寸DbDhDHDLDd2153221，LHSbDdhui60临界粒径：能够临界粒径：能够100除去的最小粒径。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；分离变量，积分求得沉降时间；临界粒径临界粒径rudrdddripppp222218)(18)(61ui 进口气流的流速，进口气流的流速，m/sb入口宽度，入口宽度，mn 气流旋转的圈数气流旋转的圈数,计算时通常取计算时通常取n=5。ippcunbd)(3沉降时间沉降时间 颗粒旋转颗粒旋转n圈（平均半径圈（平均半径rm)的停留时间：的停留
10、时间：62讨论：讨论：（1）b dpc D 旋风分离器越大，分离效果越不好旋风分离器越大，分离效果越不好所以生产能力较大时，一般采用多个小旋风分所以生产能力较大时，一般采用多个小旋风分离器并联。离器并联。（2）ui dc 分离效果好分离效果好流动阻力大流动阻力大smui/2512 ippcunbd)(36322iup 进、排气与筒壁之间的摩擦损失；进、排气与筒壁之间的摩擦损失；突然扩大突然扩大(缩小）的局部阻力；缩小）的局部阻力；旋转中动能损失旋转中动能损失造成气体压力降：造成气体压力降：由于由于:HLdDbh230压力损失压力损失64圆筒直径一般为圆筒直径一般为200800mm，系列尺寸，系
11、列尺寸进口速度一般为进口速度一般为1520m/s压力损失约为压力损失约为12kPa分离的颗粒直径约为分离的颗粒直径约为5 m主要技术参数主要技术参数65旋风分离器的选用旋风分离器的选用例例3-3：温度为温度为20，压力为，压力为0.101MPa，流量为，流量为2.5m3/s的的含空气，用标准旋风分离器除尘。粉尘密度为含空气，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，最大允许压力损失为2.0kPa,试求：试求：（1）分离器尺寸；）分离器尺寸；（2）临界粒径。）临界粒径。66解：解：阻力系数的计算（仅与其型号有关）阻力系数的计算（仅与其型号有关）DbDhDHDLDd2
12、153221，设：3.825535303022DDDDDDHLdDbh67,.612.04.2/5.2/20)21.13.8/(20002/22232mDDbhusmqsmpuupiVii解得，DbDhDHDLDd2153221，（1）68（2）mmuNBdippc5.6105.6202500514.3204.01081.13)(36520，0.101MPa时空气的物性：时空气的物性：=1.21kg/m3,=1.8110-5Pa s，69四、旋液分离器四、旋液分离器 溢流溢流 悬浮液悬浮液 底流底流2218)(rduppr沉降速度较低沉降速度较低701.管式离心机管式离心机内径内径75-150
13、mmN=15000 r/minKc104105五、沉降式离心机五、沉降式离心机悬浮液悬浮液 清液清液重液重液712.碟式离心机碟式离心机 悬浮液悬浮液清液清液重液重液723.螺旋式离心机螺旋式离心机悬浮液悬浮液清液清液重液重液转动转鼓转动转鼓螺旋输送器螺旋输送器73第四节第四节 过过 滤滤74一、悬浮液的过滤一、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。留在介质上，从而实现固液分离的单元操作。75过滤介质过滤介质:多
14、孔性材料多孔性材料滤浆（料浆）滤浆（料浆）:所处理的悬浮液所处理的悬浮液滤液滤液:通过多孔通道的液体通过多孔通道的液体滤饼或滤渣滤饼或滤渣:被截留的固体物质被截留的固体物质76推动力推动力：压力差，离心力，重力：压力差，离心力，重力阻阻 力力：滤饼、过滤介质阻力：滤饼、过滤介质阻力过滤介质过滤介质滤滤 饼饼滤滤 浆浆滤滤 液液77（一）两种过滤方式（一）两种过滤方式1.滤饼过滤滤饼过滤“架桥现象架桥现象”必要！必要！饼层过滤适于处理固体含量较高的悬浮液饼层过滤适于处理固体含量较高的悬浮液78 过滤过程：过滤过程：刚开始：有细小颗粒通过孔道，滤液刚开始：有细小颗粒通过孔道，滤液混浊混浊。开始后：
15、迅速发生开始后：迅速发生“架桥现象架桥现象”，颗粒被拦截，颗粒被拦截，滤液滤液澄清澄清。所以，在滤饼过滤时真正所以，在滤饼过滤时真正起过滤作用的是滤饼起过滤作用的是滤饼本本身，而非过滤介质。身，而非过滤介质。792.2.深层过滤深层过滤（澄清过滤、深床过滤）（澄清过滤、深床过滤）适于处理颗粒很小、含量很小（适于处理颗粒很小、含量很小（0.1%1）kg湿渣湿渣/kg干渣干渣88（2）干渣质量与滤液体积之比）干渣质量与滤液体积之比 w=kg干渣干渣/m3滤液滤液X（质量比（质量比1）kg湿渣湿渣/kg干渣干渣（密度）（密度）kg滤液滤液/m3滤液滤液已知已知(1)/XwCX （相当于滤液中固体的密
16、度）（相当于滤液中固体的密度）89滤液干渣滤液滤液滤液干渣）（滤液干渣滤液悬浮液悬浮液固体）（悬浮液滤液得滤液的质量，），单位质量悬浮液可（悬浮液湿渣悬浮液固体干渣湿渣3311/1mkgmkgkgkgCXXwkgkgkgkgkgkgCXXkgkgCXkgkgkgkgkgkgCX90cwCv wC（3）湿渣质量与滤液体积之比）湿渣质量与滤液体积之比（4）湿渣体积与滤液体积之比）湿渣体积与滤液体积之比=kg湿渣湿渣/m3滤液滤液=m3湿渣湿渣/m3滤液滤液滤液湿渣干渣湿渣滤液干渣33mkgkgkgmkgwC滤液湿渣湿渣湿渣滤液湿渣3333mmkgmmkgwCc91例题例题3-43-4已知已知1kg
17、1kg悬浮液中含悬浮液中含0.04kg0.04kg的固体颗粒的固体颗粒(X=0.04)c c=1400 kg/m=1400 kg/m3 3 ，p p=2600kg/m=2600kg/m3 3，=1000kg/m=1000kg/m3 3（1 1）湿滤渣与其中所含干渣的质量比）湿滤渣与其中所含干渣的质量比C C（2 2）干渣质量与滤液体积的比值）干渣质量与滤液体积的比值w w(3)(3)湿滤渣体积与滤液体积的比值湿滤渣体积与滤液体积的比值v v92滤液湿渣滤液干渣干渣湿渣、333/0673.0/8.43/)1(/15.211mmwCmkgCXXwkgkgCCCcpcpc9394过滤速率过滤速率:(
18、m3/s)单位时间内获得的滤液体积单位时间内获得的滤液体积:过滤速度过滤速度:(m3/m2s，or m/s)单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积AddVddV二、过滤速率基本方程式二、过滤速率基本方程式（一）过滤速率（一）过滤速率95滤浆滤浆滤饼滤饼过滤介质过滤介质滤液滤液过滤操作示意图过滤操作示意图(滤饼过滤滤饼过滤)p1p2 ppm pc L21ppppmc压力差过滤推动力过滤阻力过滤推动力过滤速度？过滤阻力96 dpd 对于颗粒层中不规则的通道，可以简化成由一组当量直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径为d d的的毛细孔道毛细孔道，而
19、，而毛细孔道毛细孔道的当量直径可由床层的空隙率的当量直径可由床层的空隙率和颗粒的比表面积来计算。和颗粒的比表面积来计算。滤液通过饼层的流动滤液通过饼层的流动毛细孔道尺寸？毛细孔道尺寸？当量直径化当量直径化97232dlupc滤液的流动，设为层流，参照哈根方程：滤液的流动，设为层流，参照哈根方程：则：滤液在毛细孔道内（当量直径则：滤液在毛细孔道内（当量直径d)的流速：的流速：2/32dlpuc98孔道长度孔道长度AVlc 孔道中流速孔道中流速u与过滤速度的关系与过滤速度的关系 AddVu 232cCpdVAdVdA 过滤速度：过滤速度：（滤饼层）（滤饼层）2/32dlpuc99232dr令：过滤
20、速度过滤速度232cCpdVAdVdA AVrpAddVcc 任一瞬间的任一瞬间的过滤速度过滤速度与滤饼两侧的与滤饼两侧的压力差压力差成正比，成正比，与当时的与当时的滤饼厚度滤饼厚度，粘度粘度，滤饼的，滤饼的比阻比阻成反比。成反比。100232dr滤饼的比阻：l 单位过滤面积上滤饼为单位过滤面积上滤饼为1m3（Vc/A=1）时的）时的阻力阻力l 反映了反映了颗粒特性颗粒特性对滤液流动的影响对滤液流动的影响滤饼的比阻（滤饼的比阻（1/m2)反映滤饼的特性反映滤饼的特性:101滤饼阻力滤饼阻力CcVVRrr vAA过滤介质阻力过滤介质阻力emVRr vA v获得单位体积滤液所形成滤饼的体积，获得单
21、位体积滤液所形成滤饼的体积，m3滤饼滤饼/m3滤液滤液Rm获得当量滤液量获得当量滤液量Ve时所形成滤饼层的阻力时所形成滤饼层的阻力Ve为当量滤液量为当量滤液量（二）过滤基本方程（二）过滤基本方程102 p p1 p2滤液滤液AVVvrRRemc）（过滤阻力AVVvrpRRppAddVemc/21）（1032()edVpAdr v VV 过滤速率：过滤速率：过滤基本方程过滤基本方程 2pKrv 令令22()edVKAdVV 则则K过滤常数过滤常数 m2/s104瞬时过滤速率瞬时过滤速率：与面积、压力差（推动力）成正比，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。与
22、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？提高过滤速率的途径？过滤的种类过滤的种类:恒速、恒压恒速、恒压22()edVKAdVV vrpK2105106恒压过滤恒压过滤:在恒压条件下操作在恒压条件下操作特点：特点：推动力推动力pp 恒定恒定滤饼不断变厚滤饼不断变厚(阻力增加阻力增加),),过滤速率逐渐变小过滤速率逐渐变小三、恒压过滤三、恒压过滤107K为常数为常数22()edVKAdVV 200()2VeKVV dVA d 恒压过滤方程式恒压过滤方程式（一）滤液体积与过滤时间的关系（一）滤液体积与过滤时间的关系)/,22smvrpK（222KAVVVe10823/,mmAV
23、qAVqee 令令22eqqqK qo 1q1A109(二二)过滤常数的测定过滤常数的测定q/qeqK2K1斜率/qq 为直线关系，为直线关系，其斜率为其斜率为 ，截距为，截距为eqK2K1eeqKqKqKqqq2122qq110滤饼比阻的计算：滤饼比阻的计算：vKprvrpK22？232dr111例例 3-5 含有含有CaCO3 质量分数为质量分数为13.9%的水悬浮液，的水悬浮液，用板框过滤机在用板框过滤机在20下进行过滤适用。过滤面积为下进行过滤适用。过滤面积为0.1m2。实验数据列于附表中，试求过滤常数。实验数据列于附表中，试求过滤常数 K 与与qe例例 3-5 附表附表压差压差/Pa
24、 滤液量滤液量 V/dm3 过滤时间（过滤时间（/s）3.43104 2.92 146 7.80 88810.3104 2.45 50 9.8 660112eqKqKq21qq），（qq用实验值（用实验值（V和和 ）分别计算出）分别计算出对每一个压力，将两点对每一个压力，将两点联立方程组（或求斜率，截距），即可求得过联立方程组（或求斜率，截距），即可求得过滤常数滤常数K 与与qe。结果发现：随着压力（推动力）的增大，结果发现：随着压力（推动力）的增大，K 与与qe也会增大也会增大），（qq113例题例题3-6 求求3-5中滤饼的比阻力中滤饼的比阻力vKprvrpK22cwC/)1(CXXw11
25、CCpcv单位滤液体积所得湿渣体积单位滤液体积所得湿渣体积质量分数为质量分数为13.9%的悬浮液的悬浮液:X=0.1381kg湿渣含水湿渣含水0.37kg (p1):C1=1/(1-0.37)=1.59kg湿渣湿渣/kg干渣干渣w单位滤液体积所得单位滤液体积所得干渣质量干渣质量114Kqqqe 22393.06155.0mV湿渣体积例题例题3-7,同同3-5，已知压力降，时间已知压力降，时间3小时得到滤液量小时得到滤液量6m3求：过滤面积和湿渣体积？求：过滤面积和湿渣体积？解：解：q中包含有面积因素，所以求出中包含有面积因素，所以求出q即可求出过滤面积即可求出过滤面积解方程，解方程，q=0.4
26、08 m3/m2,A=V/q=6/0.408=14.7m2115结果结果 p 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 116117四、四、过滤设备过滤设备操作方式操作方式板框压滤机板框压滤机转筒真空过滤机转筒真空过滤机离心过滤机离心过滤机间歇过滤机间歇过滤机连续过滤机连续过滤机压强差压强差118119（一）、板框压滤机（一）、板框压滤机120121122123124安装：安装：过过滤滤板板过过滤滤框框洗洗涤涤板板过过滤滤框框过过滤滤板板过过滤滤框框盲盲板板操作过程：操作过程：装合、过滤、洗涤、卸饼、清洗。装合、过滤、洗涤、卸饼、清洗。125（二）、转筒真空过滤机（连续）（二）、转筒真空过滤机（连续）126127（三）（三）离心过滤机离心过滤机1.悬筐式离心机悬筐式离心机2.往复活塞推渣离心机往复活塞推渣离心机3.离心力自动卸渣离心机离心力自动卸渣离心机128
