1、1/70 非均相物系非均相物系均相物系均相物系分离 悬浮液-固-液混合物乳浊液-液-液混合物含尘气体-气-固混合物 含雾气体-气-液混合物-筛分、沉降、过滤-吸收、精馏、萃取第三章第三章 沉降与过滤沉降与过滤第一节第一节 概述概述2022-12-162非均相物系分离：非均相物系分离：沉降沉降（重力沉降、离心沉降重力沉降、离心沉降）过滤过滤分散分散物质物质（分散相分散相）：处于分散状态的物质）：处于分散状态的物质分散分散介质介质（连续相连续相）：处于连续状态的物质）：处于连续状态的物质分离的目的：分离的目的：1.回收分散物质回收分散物质;2.净化分散介质。净化分散介质。2022-12-163p第
2、二节第二节 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2022-12-164（二）流体中颗粒运动的阻力（二）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2022-12-1652022-12-16636gppFmgdg 重重力力：gdFpb 3
3、6 浮力：浮力：242222uduAFppd 阻力：阻力：2022-12-167 大颗粒，加速时间长，走过距离长大颗粒，加速时间长，走过距离长,几乎一直在加速。几乎一直在加速。小颗粒，加速时间短，走过距离短小颗粒，加速时间短，走过距离短,加速段可忽略。加速段可忽略。2022-12-168重力沉降速度重力沉降速度:颗粒受力平衡时，匀速阶段颗粒相对颗粒受力平衡时，匀速阶段颗粒相对 于流体的运动速度。于流体的运动速度。4()3pptdgu 2022-12-169（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 （
4、3）湍流区）湍流区 500 Re 2 105 Newton区区0.44 （球形）（球形）2022-12-1610（三）（三）沉降速度的计算沉降速度的计算层流区：层流区：2()18pptdgu Stokes(斯托克斯斯托克斯)式式过渡区：过渡区：1/3224()255ptpgud 湍流区：湍流区：3.03()pptdgu 2022-12-1611试差计算法：试差计算法：假设沉降处于某一区域；假设沉降处于某一区域；计算计算ut；计算计算Re，校验区域；，校验区域；若符合，则正确，否则重新假设区域。若符合，则正确，否则重新假设区域。2022-12-1612（四）影响沉降速度的其它因素（四）影响沉降速
5、度的其它因素1.干扰沉降干扰沉降自由干扰uu2.颗粒形状颗粒形状Ade2 非球形颗粒的表面积非球形颗粒的表面积面积面积与颗粒体积相等的球表与颗粒体积相等的球表球形度球形度 越小，阻力越大，越小，阻力越大，Re相同时沉降速度越小。相同时沉降速度越小。3.壁效应壁效应 使沉降速度下降。使沉降速度下降。例例1 现有一密度为现有一密度为2500kg/m3,直径为直径为0.5mm的尼的尼龙珠放在密度为龙珠放在密度为800kg/m3的某液体中自由沉降的某液体中自由沉降,测得测得ut=7.510-3m/s,试求此液体的黏度。试求此液体的黏度。解：设解：设Re2,则则验验原设成立原设成立 tppugd18)(
6、2 tpudRe 2097.0108.30800105.7105334 324105.71881.9)8002500()105(sPa109.303 2022-12-1615二、二、重力沉降设备重力沉降设备（一）降尘室（一）降尘室2022-12-16161.沉降分离条件沉降分离条件停留时间：停留时间：uL 沉降时间：沉降时间：ttHu 分离条件：分离条件：t ttLHLuuuuH即即或或W2022-12-16172.生产能力产能力qV降尘室所处理含尘气体的体积流量降尘室所处理含尘气体的体积流量VVqqWHuuWHVtqLWu结论结论：降尘室的生产能力只与沉降面积降尘室的生产能力只与沉降面积WL
7、及颗粒及颗粒 沉降速度沉降速度ut有关，而与高度有关，而与高度H无关。无关。2022-12-1618多层降尘室：多层降尘室：(1)VtqnWLu若若n个隔板，则个隔板，则缺点：缺点：清灰难；清灰难；隔板间距小，隔板间距小，颗粒易被扬起。颗粒易被扬起。2022-12-16193.临界颗粒直径临界颗粒直径临界颗粒直径临界颗粒直径dpC降尘室降尘室理论上理论上能能100%除去的除去的 最小颗粒直径。最小颗粒直径。2()18pcptdgu 1818()()Vpctppqdugg WLVtqHuuLWL层流层流例例2 用降尘室除去含尘气体中的球形尘粒，尘粒用降尘室除去含尘气体中的球形尘粒，尘粒密度密度p
8、=4000kg/m3，降尘室长，降尘室长3m,宽宽2m,高高1m。含尘气体含尘气体=210-5Pas,密度密度=1.2kg/m3，流量，流量为为3000m3/h。试求：可被试求：可被100%除下的最小粒径；除下的最小粒径；可被可被50%除下的粒径。除下的粒径。解：解：设设Re2,则则验验 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 ppttdduu 5.0minppdd m2.25707.07.35 2
9、022-12-1622 第三节第三节 离心沉降离心沉降一、离心沉降速度一、离心沉降速度（一）沉降过程（一）沉降过程切向速度切向速度 ut径向速度径向速度 ur合成合成u合合 合合t2022-12-1623离心力：离心力：2236CppuuFmdrr 径向向外径向向外 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 受力平衡时，受力平衡时，径向速度径向速度ur为该点的为该点的离心沉降速度离心沉降速度。24()3pptrduur ttt2022-12-1624重力沉降速度重力沉降速度ut离心沉降速度离心沉降速度ur方
10、向方向 向下，大小不变向下，大小不变 径向向外，随径向向外，随r变化变化 层流层流2()18pptdgu 22()18pprduur （二）离心分离因数（二）离心分离因数2crCtgFuuKugrF离心分离因数离心分离因数KC同一颗粒在同种介质中所受离心同一颗粒在同种介质中所受离心力与重力之比。力与重力之比。2022-12-1625二、二、离心沉降设备离心沉降设备（一）旋风分离器（一）旋风分离器1.结构与工作原理结构与工作原理 KC为为52500，可分离，可分离气体中气体中575 m的颗粒。的颗粒。2022-12-16262.临界颗粒直径临界颗粒直径uib假设：假设：切向速度切向速度ut=进口
11、速度进口速度ui 颗粒沉降的最大距离颗粒沉降的最大距离b 层流层流rm平均旋转半径平均旋转半径2022-12-1627n旋转圈数旋转圈数沉降时间：沉降时间：2218()mrrppibrbudu 停留时间：停留时间：2mir nu 沉降分离条件：沉降分离条件：r沉降速度：沉降速度：22()18ppirmduur 2022-12-1628临界颗粒直径：临界颗粒直径：3()pcipbdnu 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
12、分离效果好分离效果好流动阻力大流动阻力大smui/2512 2022-12-16293.气体通过旋风分离器的压力降气体通过旋风分离器的压力降22iup 一般一般 p=0.32 kPa 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；进入时突然扩大的局部阻力；进入时突然扩大的局部阻力；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:30/70第四节 过滤 滤滤饼饼过过滤滤深深层层过过滤滤两两种种过过滤滤方方式式一、概述深层过滤 这种过滤是在过滤介质内部进行的，介质表面无滤饼形成。过滤用的介质为粒状床层或素烧（不上釉的）陶瓷筒或板。此法适用于从液体中除去很小量的固
13、体微粒，例如饮用水的净化。31/70一、概述滤浆滤饼过滤介质滤液-推动力：重力、压力、离心力 滤饼过滤滤饼过滤深层过滤深层过滤两种过滤方式两种过滤方式滤饼过滤32/70一、概述滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤工业用过滤介质主要有：棉、麻、丝、毛、合成纤维、金属丝等编织成的滤布。过滤介质：多孔性介质、耐腐蚀、耐热并具有足够的机械强度。33/70一、概述滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤滤饼的压缩性：空隙结构易变形的滤饼为可压缩滤饼。34/70一、概述滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤 使用时，可预涂，也可以混入待滤的滤浆中一起过滤。助滤剂能形成结构疏松、而且几乎是不可压缩的滤饼。可改善原滤饼的可压缩性和过于致密
14、的缺点。助滤剂：-是颗粒细小、粒度分布范围较窄、坚硬而悬浮性好 的颗粒状或纤维固体，如硅藻土、纤维粉末、活性 炭、石棉。2022-12-1635颗粒的特性颗粒的特性2022-12-16362022-12-163738/70二、过滤基本方程-滤液量V过滤时间的关系 L le u de u 流体在固定床内流动的简化模型(1)细管长度le与床层高度L成正比(2)细管的内表面积等于全部颗粒的表面积，流体的流动空间等于床层中颗粒之间的全部空隙体积。1、过滤基本方程的推导简化模型：假定：LKle0 润湿周边润湿周边流通截面积流通截面积 4ed 1444aVaVB细细管管的的全全部部内内表表面面积积细细管管
15、的的流流动动空空间间真实速度 u 1aaB滤饼体积滤饼体积滤饼的比表面积颗粒的比表面积aB为滤饼的比表面积(单位体积的滤饼层所具有的表面积)a为颗粒的比表面积孔隙率孔隙率39/70二、过滤基本方程-滤液量V过滤时间的关系221udlpweef L le u u de u 流体在固定床内流动的简化模型 eR64 滤饼内，雷诺数很小，属层流流动，ude eR2132eedlpu 1p-哈根-泊谡叶方程le、de表达式 uu AuuA 由质量守恒得：滤饼截面积A40/70二、过滤基本方程 LpaKu 1220312 Lrp 1 ddqAddVu 过滤阻力过滤阻力过滤推动力过滤推动力 eLrpLrpu
16、 22 介质阻力）介质阻力）（滤饼阻力（滤饼阻力过滤总推动力过滤总推动力 eLLrpu p2 p1u-滤液量V过滤时间的关系 2322012 maKr比比阻阻，单单位位令令 思考：影响过滤阻力的因素有哪些？影响过滤速度的因素有哪些？41/70二、过滤基本方程-滤液量V过滤时间的关系 eVVcrpA AddV 设每获得单位体积滤液时，被截留在过滤介质上的滤饼体积为c（m3滤饼/m3滤液），则 sprr 0令 AddV esVVcrAp 01AcVL AcVLee eLLrpu 滤饼滤液1c思考：滤饼中全是固体物吗？压缩指数0s1（可压缩滤饼）s=0（不可压缩滤饼）42/70二、过滤基本方程 cr
17、pKs012 令令 eVVKAddV 22 eqqKddq 2-过滤基本方程过滤常数，由实验测定 pu思考：影响K的因素有哪些？影响Ve或qe的因素有哪些？-滤液量V过滤时间的关系43/70二、过滤基本方程-滤液量V过滤时间的关系 crpKs012 32212 Car影响K的因素：影响qe或Ve 的因素：滤饼性质（s、a）滤浆性质（c、）推动力（p）过滤介质的性质（孔的结构、r0、厚度）pu44/70二、过滤基本方程-滤液量V过滤时间的关系 222KAVVVe 2、恒压过滤 crpKs012 过过滤滤阻阻力力过过滤滤推推动动力力 AddVu eVVKA 2 pu 表观速度特点：K为常数 积分得
18、：或 Kqqqe 22若过滤介质阻力可忽略不计，则 22KAV 或 Kq 2，过滤速度愈来愈小。恒压过滤方程45/70三、过滤常数的测定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 恒压时：Kqqqe 22logplogK作图求出压缩指数s/qq图46/70五、过滤设备及过滤计算 以压力差为推动力：如以压力差为推动力：如板框压滤机、板框压滤机、叶滤机、叶滤机、回转真空过滤机等；回转真空过滤机等；以离心力为推动力：如各种离心机。以离心力为推动力：如各种离心机。过滤设备（一）
19、间歇式过滤机板框压滤机1.结构：滤液料浆清洗水洗涤液开启关闭阀门浆料清洗水2.过滤操作：（一）间歇式过滤机板框压滤机3.洗涤操作：置换洗涤：（一）间歇式过滤机板框压滤机当洗液粘度与滤液相同时，由过滤基本方程式可知：洗涤速率等于过滤终了速率置换洗涤易造成洗液走短路，洗涤效果不好，为了提高洗涤效果，可采用横穿洗涤。洗涤液洗出液框 板 框 板洗涤板非洗涤板板非洗涤板洗涤液的行程（包括滤饼和滤布）约为过滤终了时滤液行程的2倍，而流通面积却为其1/2，故洗涤速率约为过滤终了速率的1/4。洗涤液洗出液框 板 框 板洗涤板非洗涤板板非洗涤板（一）间歇式过滤机板框压滤机横穿洗涤2022-12-1651洗涤液洗
20、出液框 板 框 板洗涤板非洗涤板板非洗涤板洗涤液洗出液框 板 框 板洗涤板非洗涤板板非洗涤板置换横穿2022-12-1652（二）转筒真空过滤机（二）转筒真空过滤机1.结构与操作结构与操作特点：特点：同时间、不同部位进行不同的操作。同时间、不同部位进行不同的操作。2022-12-1653设转筒的转速设转筒的转速为为N(1/s)操作周期：操作周期：360 转筒总表面积转筒总表面积转筒浸没面积转筒浸没面积 浸液率：浸液率：（浸没分数）（浸没分数）N1N 有效过滤时间：有效过滤时间：FN 2.生产能力生产能力2022-12-1654恒压过滤恒压过滤：2222eeeeVKAVVKAVVN 222eVV
21、VKA 生产能力：生产能力：)223(/)eeVQNVNKAVVmsN 当过滤介质阻力忽略时当过滤介质阻力忽略时:23(/)QNKAA KNmsN 55/70小结沉降 设备：降尘室结构 1820gdus 0uHuL沉降时间沉降时间停留时间停留时间 底底AuVs0 公式：（Re2）降尘室：能100%去除的最小颗粒满足 气体处理能力与底面积呈正比，与高度无关。重要概念：自由沉降、沉降速度、影响沉降速度的因素斯托克斯公式56/70小结1、重要概念：滤浆滤饼过滤介质滤液生产能力过滤：57/70小结2、公式：过过滤滤阻阻力力过过滤滤推推动动力力 AddVuLrp eVVKA 2spK 1 222KAVVVe Kqqqe 22与滤饼性质有关（比阻r0、比表面积a、空隙率、压缩指数s）与滤浆的性质（浓度、密度、粘度）有关。与推动力有关r与滤饼的结构、性质（比表面积a、空隙率）有关Ve与过滤介质的性质有关恒压过滤方程
