化工原理-第三章-沉降与过滤.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,分散相,：分散物质。在非均相物系中，处于分散状态的物质。,连续相,：分散介质。包围着分散物质而处于连续状态的流体。,非均相物系由分散相和连续相组成,2025/11/24 周一,1,非均相物系分离：,沉降,（重力沉降、离心沉降）,过滤,分离的目的：,回收分散物质,;,2.,净化分散介质。,通常先造成一个两相物系，再用机械分离的方法分离，如蒸馏，萃取等。,均相物系的分离：,2025/11/24 周一,2,沉降,：,沉降力场,：重力、离心力。,在某种力场的作用下，利用分散物质与分散介质的密度差异，使之发生相对运动而分离的单元操作。,沉降操作分类,：重力沉降、离心沉降。,2025/11/24 周一,3,球形颗粒的,阻力,系数,与,雷诺数,的关系,2025/11/24 周一,6,层流区（斯托克斯,Stokes,区，10,-4,Re,2）,注意：其中,斯托克斯区的计算式是准确的,，,其它两个区域的计算式是近似的,。,过渡区（艾仑,Allen,区，,2,Re,500）,湍流区（牛顿,Newton,区，,500,Re,2*10,5,）,图中曲线大致可分为三个区域，各区域的曲线可分别用不同的计算式表示为：,2025/11/24 周一,7,第二节 重力沉降,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。,颗粒下沉,u,重力,F,g,阻力,F,d,浮力,F,b,2025/11/24 周一,8,u,重力,F,g,阻力,F,d,浮力,F,b,2025/11/24 周一,9,重力沉降速度,:,也称为终端速度，颗粒受力平衡时，,匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度。,随着颗粒向下沉降，,u,逐渐增大，,逐渐减少。,当,u,增到一定数值,u,t,时，,=0。,颗粒开始作匀速沉降运动。,颗粒的沉降过程分为两个阶段：,加速阶段；,匀速阶段。,2025/11/24 周一,10,将不同流动区域的阻力系数分别代入上式，得,球形颗粒在,各区相应的沉降速度分别为：,层流区（,Re,2）,过渡区（,2,Re,500）,湍流区（500,Re,2*10,5,）,u,t,与,d,p,有关。,d,p,愈大，,u,t,则愈大。,层流区与过渡区中，,u,t,还与流体粘度有关。,液体粘度约为气体粘度的50倍，故颗粒在液体中的沉降速度比在气体中的小很多。,2025/11/24 周一,11,（二）沉降速度的计算,假设流体流动类型；,计算沉降速度；,计算,Re,，,验证与假设是否相符；,如果不相符，则转。如果相符，,OK!,求沉降速度通常采用,试差法,。,2025/11/24 周一,12,例：,计算直径为9,8,m,，,密度为3000,kg/m,3,的固体颗粒分别在20的水中的自由沉降速度。,计算,Re,，,核算流型：,假设正确，计算有效。,解：在20的水中：20水的密度为998.2,kg/m,3,，,粘度为1.00510,-3,Pa,s,先设为层流区。,2025/11/24 周一,13,（三）影响沉降速度的其它因素,1.,干扰沉降,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。,2025/11/24 周一,14,1)颗粒直径,d,p,应用：,啤酒生产，采用絮状酵母，,d,p,u,t,，,使啤酒易于分离和澄清。,均质乳化，,d,p,u,t,，,使饮料不易分层。,加絮凝剂，如水中加明矾。,2)连续相的粘度,：,应用：,加酶：清饮料中添加果胶酶，使,u,t,，,易于分离。,增稠：浓饮料中添加增稠剂，使,u,t,，,不易分层。,加热：,3)两相密度差(,p,-,)：,影响沉降速度的因素总结,(以层流区为例),2025/11/24 周一,15,4),颗粒形状,在实际沉降中：,非球形颗粒的形状可用球形度,s,来描述。,s,球形度；,S,颗粒的表面积，,m,2,；,S,p,与颗粒体积相等的圆球的表面积，,m,2,。,不同球形度下阻力系数与,Re,的关系见课本图示，,Re,中的,d,p,用当量直径,d,e,代替。,球形度,s,越小，阻力系数,越大，但在层流区不明显。,u,t,非球,u,t,球。,对于细微颗粒(,d,0.5,m)，,应考虑分子热运动的影响，不能用沉降公式计算,u,t,；,沉降公式可用于沉降和上浮等情况。,注意：,2025/11/24 周一,16,6)干扰沉降,（,hindered settling,）,：,当非均相物系中的颗粒较多，颗粒之间相互距离较近时，颗粒沉降会受到其它颗粒的影响，这种沉降称为干扰沉降。干扰沉降速度比自由沉降的小。,5)壁效应,(,wall effect),：,当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，其沉降速度较自由沉降速度小，这种影响称为壁效应。,2025/11/24 周一,17,二、降尘室,降尘室,：利用重力降分离含尘气体中尘粒的设备。,是一种最原始的分离方法。一般作为预分离之用，分离粒径较大的尘粒。,降尘室的示意图,2025/11/24 周一,18,沉降分离条件,假设颗粒运动的水平分速度与气体的流速,u,相同；,停留时间,L/u,沉降时间,t,H,/,u,t,颗粒分离出来的条件是,L/,uH/u,t,L,H,W,净化气体,含尘气体,u,u,t,2025/11/24 周一,19,即：满足,L/uH/u,t,条件的粒径,当含尘气体的体积流量为,q,Vs,时，,u=q,V,s,/HW,故与临界粒径,d,pc,相对应的临界沉降速度为,u,tc,=q,Vs,/,WL,u,t,q,Vs,/LW,则有,或,q,Vs,WLu,t,临界沉降速度,u,tc,是流量和面积的函数,。,临界粒径,d,pc,（critical particle diameter）,：,能100除去的最小粒径。,2025/11/24 周一,20,当尘粒的沉降速度小，处于斯托克斯区时，临界粒径为,一定粒径的颗粒，沉降室的生产能力只与与底面积,WL,和,u,tc,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3,m/s,。,由此可知：,2025/11/24 周一,21,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：,多层隔板降尘室示意图,含尘气体,粉尘,隔板,净化气体,尘粒沉降高度为原来的,1/,N,倍；,u,tc,降为原来的,1/,N,倍(,u,tc,=,q,Vs,/,bl,),；,临界粒径为原来的 倍()；,一般可分离20,m,以上的颗粒。多层隔板降尘室排灰不方便。,2025/11/24 周一,22,（二）沉降槽（增稠器）,1.,悬浮液的沉聚过程,2025/11/24 周一,23,2.,沉降槽（增稠器）,2025/11/24 周一,24,第三节 离心沉降,一、离心沉降速度,（一）沉降过程,切向速度,u,径向速度,u,r,合成,u,合,合,2025/11/24 周一,25,颗粒在离心力场中沉降时，在径向沉降方向上受力分析。,若这三个力达到平衡，则有,颗粒与流体在径向上的相对速度,u,r,惯性离心力,F,c,阻力,F,d,向心力（浮力）,F,b,颗粒在离心力场中的受力分析,2025/11/24 周一,26,注：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。,离心沉降速度：颗粒在,径向,上,相对于流体,的速度，就是这个位置上的离心沉降速度,。,在离心沉降分离中，当颗粒所受的流体阻力处于斯托克斯区，,离心沉降速度为,:,重力沉降速度为,:,2025/11/24 周一,27,层流区（斯托克斯,Stokes,区，10,-4,Re,2）,过渡区（艾仑,Allen,区，,2,Re,500）,湍流区（牛顿,Newton,区，,500,Re,5,m，d,pc50,=12,m。,主要技术参数,2025/11/24 周一,37,例：,温度为20，压力为0.101,Mpa，,流量为2.5,m,3,/s,的含尘空气，用标准旋风分离器除尘。粉尘密度为2500,kg/m,3,，,试计算临界粒径。并计算压损。,解：20，0.101,Mpa,时空气的：,=1.21,kg/m,3,，,=1.8110,-5,Pa,s,1、确定进口气速：,u,i,=20m/s(15-20m/s),2、计算,D,和,b：,流量,q,V,=Au,i,=Bhu,B=D/5,h=3D/5,2.5=(D/5)(3D/5)20,D=1.041m,取,D=1100 mm,旋风分离器的选用,2025/11/24 周一,38,此时,3、求,d,pc,2025/11/24 周一,39,4、求,p,2025/11/24 周一,40,由于分离器各部分的尺寸都是,D,的倍数，所以只要进口气速,u,i,相同，不管多大的旋风分离器，其压力损失都相同。,压力损失相同时，小型分离器的,B=D/5,值较小，则小型分离器的临界粒径较小。,旋风分离器的使用,2025/11/24 周一,41,双联,四联,用若干个小旋风分离器并来代替一个大旋风分离器，可以提高分离效率。,2025/11/24 周一,42,(,二,),旋液分离器,利用离心力的作用，使悬浮液中固体颗粒增稠或使粒径不同及密度不同的颗粒进行分级。,结构和工作原理：,与旋风分离器相似。,2025/11/24 周一,43,悬浮液从圆筒上部的切向进口进入器内，旋转向下流动。,工作过程：,液流中的颗粒受离心力作用，沉降到器壁，并随液流下降到锥形底的出口，成为较稠的悬浮液而排出，称为底流。,澄清的液体或含有较小较轻颗粒的液体，则形成向上的内旋流，经上部中心管从顶部溢流管排出，称为溢流。,2025/11/24 周一,44,液体的粘度约为气体的50倍，液体的(,p,-),比气体的小，悬浮液的进口速度也比含尘气体的小，所以同样大小和密度的颗粒，,沉降速度远小于含尘气体在旋风分离器中的沉降速度。,要达到同样的临界粒径要求，则旋液分离器的直径要比旋风分离器小很多。,特点,旋液分离器的圆筒直径一般为75300,mm。,悬浮液进口速度一般为515,m/s,。,压力损失约为50200,kPa,。,分离的颗粒直径约为1040,m,。,主要技术参数,2025/11/24 周一,45,(,三,),沉降式离心机,管式离心机,碟式离心机,螺旋式离心机,沉降式离心机是利用离心沉降的原理分离悬浮液或乳浊液的机械。,2025/11/24 周一,46,特点：,离心分离因数可达13000，也有高达10,5,的超速离心机。,转鼓内装有三个纵向平板，以使料液迅速达到与转鼓相同的角速度。,适用于于分离乳浊液及含细颗粒的稀悬浮液。,1 管式离心机（,tubular-bowl centrifuge）,2025/11/24 周一,47,分离乳浊液的管式离心机操作原理,转鼓由转轴带动旋转。乳浊液由底部进入，在转鼓内从下向上流动过程中，由于两种液体的密度不同而分成内、外两液层。外层为重液层，内层为轻液层。到达顶部后，轻液与重液分别从各自的溢流口排出。,分离悬浮液的管式离心机操作原理,流量,V,s,为悬浮液从底部进入，悬浮液是由密度为,的与密度为,p,的少量颗粒形成的。假设转鼓内的液体以转鼓的旋转角速度,随着转鼓旋转。液体由下向上流动过程中，颗粒由液面,r,1,处沉降到转鼓内表面,r,2,处。凡沉降所需时间小于式等于在转鼓内停留时间的颗粒，均能沉降除去。,2025/11/24 周一,48,分离乳浊液的碟式离心机,：碟片上开有小孔。乳浊液通过小孔流到碟片的间隙。在离心力作用下，重液沿着每个碟片的斜面沉降，并向转鼓内壁移动，由重液出口连续排出。而轻液沿着每个碟片的斜面向上移动，汇集后由轻液出口排出。,主要分离乳浊液中轻、重两液相，例如油类脱水、牛乳脱脂等；也可以澄清含少量细小颗粒固体的悬浮液。,澄清悬浮液用的碟式离心沉降机,：碟片上不开孔。只有一个清液排出口。沉积在转鼓内壁上的沉渣，间歇排出。只适用于固体颗粒含量很少的悬浮液。当固体颗粒含量较多时，可采用具有喷嘴排渣的碟式离心沉降机，例如淀粉的分离。,2 碟式离心机（,disk-bowl centrifuge）,2025/11/24 周一,49,工作原理：,转鼓内有可旋转的螺旋输送器，其转数比转鼓的转数稍低。悬浮液通过螺旋输送器的空心轴进入机内中部。沉积在转鼓壁面渣，被螺旋输送器沿斜面向上推到排出口而排出。澄清液从转鼓另一端溢流出去。,用途：,用于分离固体颗粒含量较多的悬浮液，其生产能力较大。也可以在高温、高压下操作，例如催化剂回收。,3 螺旋式离心机（,scroll-type centrifuge）,2025/11/24 周一,50,第四节 过 滤,过滤介质,:,过滤采用的多孔物质；,滤浆或料浆,:,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。,在外力的作用下，以某种多孔物质为介质，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。过滤是沉降的后期操作，能耗较低，适合去除大量水分。,2025/11/24 周一,51,过滤操作示意图,(滤饼过滤),滤浆(,slurry)：,原悬浮液。,滤饼(,filter cake)：,截留的固体物质。,过滤介质(,filtering medium)：,多孔物质。,滤液(,filterate)：,通过多孔通道的液体。,2025/11/24 周一,52,一、悬浮液的过滤,推动力：压力差，离心力，重力,阻 力：滤饼、过滤介质阻力,2025/11/24 周一,53,（一）两种过滤方式,1.,滤饼过滤,2025/11/24 周一,54,2.,深层过滤,2025/11/24 周一,55,（二）过滤介质,类别：,织物介质,多孔性固体介质,堆积介质,多孔膜,：,高聚物膜、无机膜,2025/11/24 周一,56,（三）滤饼的可压缩性与助滤剂,不可压缩滤饼：空隙不随压力变化,可压缩滤饼：空隙随压力增加而减小,（四）过滤过程物料衡算,加助滤剂,（,1,）湿滤渣密度,Ckg,湿渣,/kg,干渣,2025/11/24 周一,57,（,2,）干渣质量与滤液体积之比,Xkg,固体,/kg,悬浮液,kg,干渣,/m,3,滤液,（,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,/m,3,滤液,m,3,滤饼,/m,3,滤液,2025/11/24 周一,58,二、过滤速率基本方程式,（一）过滤速率,过滤,速率,：,过滤,速度,：,设为,层流流动,d,d,2025/11/24 周一,59,孔道长度,孔道中流速与过滤速度的关系,过滤速度,d,L,2025/11/24 周一,60,令,滤饼的,比阻,单位厚度滤饼的阻力；,在数值上等于粘度为1,Pas,的滤液以1,m/s,的平均流速通过厚度为1,m,的滤饼层时所产生的压强降；,比阻反映了颗粒特性(形状、尺寸及床层空隙率)对滤液流动的影响；,床层空隙率,愈小及颗粒比表面,a,愈大，则床层愈致密，对流体流动的阻滞作用也愈大。,2025/11/24 周一,61,过滤速度,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，,m,3,滤饼,/m,3,滤液；,V,e,过滤介质的当量滤液体积，或称虚拟滤液体积，,m,3,。,2025/11/24 周一,62,（二）过滤基本方程,p,p,1,p,2,滤液,2025/11/24 周一,63,过滤速率,过滤基本方程,则,适用于,不可压缩滤饼,。,2025/11/24 周一,64,定义：过滤操作在恒定压强下进行时称为恒压过滤。,滤饼不断变厚；,阻力逐渐增加；,推动力,p,恒定；,过滤速率逐渐变小。,特点：,三、恒压过滤,2025/11/24 周一,65,K,为常数,恒压过滤方程式,（一）滤液体积与过滤时间的关系,恒压过滤方程式中的,K,称为,过滤常数,，由物料特性及过滤压强差决定。,2025/11/24 周一,66,V,o,1,V,1,A,2025/11/24 周一,67,(,二,),过滤常数的测定,q,/q,/q,q,为直线关系，,其斜率为,，,截距为,由,斜率=,1/K,，,求出,K,;,由截距=,2,q,e,/K,，,求出,q,e,；,2025/11/24 周一,68,三、,过滤设备及操作,（一）板框过滤机,2025/11/24 周一,69,2025/11/24 周一,70,横穿洗涤法,卸渣、清洗、组装,特点：,同部位、不同时间进行不同的操作。,过滤：,洗涤：,滤液排出：明流、暗流,2025/11/24 周一,71,（二）转筒真空过滤机,1.,结构与操作,过滤区：,1,4,吹、卸滤渣区：,11,12,吸干洗涤区：,5,10,5,1,11,4,10,8,1,3,2,12,特点：,同时间、不同部位进行不同的操作。,2025/11/24 周一,72,设转筒的转速,为,N(1/s),操作周期：,浸液率：,（浸没分数）,N,有效过滤时间：,2.,生产能力,2025/11/24 周一,73,恒压过滤,：,生产能力：,当过滤介质阻力忽略时,:,2025/11/24 周一,74,（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,2025/11/24 周一,75,