第三章 沉降与过滤
化学工程基础 第三章 沉降与过滤 课件

乳浊液:一种液体很细的分散于另一种(或数种)与之互不
溶的液体中所形成的乳状液。(油水混合物,油漆)
泡沫液:泡沫(CO2)灭火器。 其中:流体为连续相; 固体颗粒为分散相,或分散物质。
小知识
■沙尘暴:由于强风将地面大量尘沙吹起,使空气相当 混浊,水平能见度小于1.0km。 ■浮尘:尘土、细沙均匀地浮游在空中,使水平能见度 小于10.0km。浮尘多为远处尘沙经上层气流传播而来, 或为沙尘暴、扬沙出现后尚未下沉的细粒浮游空中而成。 ■霾:大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中,使水 平能见度小于10.0Km的空气普遍混浊现象。霾使远处光 亮物体微带黄、红色,使黑暗物体微带蓝色。
则 utc降为原来的1/N
?
dpc降为原来的(1/N)0.5
这样更小的尘粒也能分离。
清洁气流
1 含尘气流
2
3.2 重力沉降
例3-2 现有一高1.5m、宽2m、长4m的重力降尘室,用以处理空气 中的粉尘。粉尘密度为1800kg/m3,操作条件下的空气密度为 0.75kg/m3,粘度为2.5×10-5Pas,流量为10m3/s.
3.2.3 悬浮液的沉聚 (1) 增稠器 沉聚:悬浮液在任何设备中静置,其固体颗粒都会产 生重力沉降,将澄清液与稠浆分离,这种操作即为沉 聚。
澄清:从浓度较低的悬浮液通过沉聚得到澄清液的操 作。
增稠:从浓度较高的悬浮液中通过沉聚得到稠浆称为 增稠。
澄清器和增稠器:用以澄清和增稠的设备。
3.2 重力沉降
3.1 概述
(2)曳力系数 颗粒所受阻力Fd与其动能成正比,用下式表示:
u 2 Fd A 2
A---颗粒在运动方向的投影面积
ζ---曳力系数,无量纲
化工原理第三章沉降与过滤PPT

利用真空泵降低过滤介质两侧 的压力差进行过滤,适用于易 产生泡沫或悬浮液中含有大量
气体的场合。
过滤设备与操作
板框压滤机
由滤板和滤框组成,适 用于各种颗粒分离,但
操作较繁琐。
转筒真空过滤机
叶滤机
袋式过滤器
结构简单,操作方便, 但只适用于颗粒较大的
分离。
适用于精细颗粒的分离, 但设备成本较高。
过滤原理
利用颗粒大小、形状、密度等物 理性质的差异,使不同颗粒在过 滤介质两侧形成不同的速度或动 量,从而实现分离。
过滤操作的分类
恒压过滤
在恒定压力下进行过滤,适用 于颗粒粒度较小、悬浮液粘度
较大的情况。
变压过滤
在改变压力下进行过滤,适用 于颗粒粒度较大、悬浮液粘度 较小的情况。
热过滤
在加热条件下进行过滤,适用 于悬浮液中含有热敏性物质的 情况。
设备
沉降槽、沉降池、离心机等。
操作
将悬浮液引入沉降设备中,在重力作用下使固体颗粒下沉,上清液从上部排出, 底部沉积的固体经过排出装置排出。操作过程中需控制适当的温度、流量和停留 时间等参数,以保证分离效果。
02
过滤
过滤的定义与原理
过滤定义
通过多孔介质使固体颗粒截留, 从而使液体与固体分离的操作。
实验步骤 1. 准备实验装置,包括过滤器、压力计、流量计等。
2. 将过滤介质放入过滤器中。
过滤实验操作
3. 将待测流体引入过滤器,并施加一定的压力。 5. 收集过滤后的流体样本,测量其中颗粒的浓度。
4. 记录不同时刻的流量和压差数据。
注意事项:确保过滤器密封性好,避免流体泄漏;保持 恒定的流体流量和压力,以获得准确的实验数据。
化工原理 第三章2

3/20
§1 概 述
当流体的密度为 ,粘度为 ,颗粒直径为dp,
在运动方向上颗粒的投影面积为A,相对速度为u ,
曳力 Fd
则颗粒所受的曳力为:
Fd
A
u 2
2
式中为无因次阻力系数, f Re f d pu
相对速度 u
的计算
层流区104 Re 2 : 24 Re
过渡区2 Re 500: 10 Re
浙江大学本科生课程化工原理
净化气体 D
尘粒 16/20
§2 沉 降
❖ 临界粒径:
含尘
能够从分离器内100%分离出来的最小
气体
颗粒的直径,用dc表示。其满足:
A
停留时间 = 沉降时间 r
几点假设:
a.假设气体速度恒定,且等于进口气速ui; b.假设颗粒沉降过程中所穿过的气流的最大 厚度等于进气口宽度B;
注意:降尘室内气体流速不应过高,以免将已沉降下来的颗粒重新扬起。根 据经验,多数灰尘的分离,可取 u<3m/s,较易扬起灰尘的,L可取 u<1.5m/s。
u
B
气体
ut
H
多层降尘室
颗粒在降尘室中的运动
浙江大学本科生课程化工原理
13/20
降尘室
§2 沉 降
结构简单, 但设备庞大、效率低, 只适用于分离粗颗粒------直径 75m 以上的颗粒, 或作为预分离设备。
第三章 沉降与过滤
§2 沉 降 一、自由沉降 二、影响沉降的因素 三、沉降设备
浙江大学本科生课程化工原理
1/20
§1 概 述
§1 概 述 一、非均相物系的分离
1.非均相的含义 指体系包含互不相溶的两相或多相,通常可分为:
沉降与过滤

特点:固体颗粒呈饼层状沉 特点 积于过滤介质的上游一侧, 形成滤饼层 。 适用:处理颗粒含量较高的悬 适用 浮液,是化工生产中的主要过 滤方式。
滤饼过滤中 流体→滤饼层(固定床)+过滤介质 过滤后期,滤饼为主要的“过滤介质”。
(2) 过滤介质 要求:具有多孔性,足够的机械强度。 要求 ① ② ③ 织物介质:棉、麻、丝、毛、合成纤维、金属网等 织物介质 多孔性介质:由陶瓷、塑料、金属等粉末烧结成型而制 多孔性介质 堆积介质:砂、木炭、石棉粉等堆积成较厚的床层,用 堆积介质
qv = ut A(n + 1)
④临界粒径
H L ≤ ut u
Hu HBu qv = = ut ≥ L LB A
qv ut = A
假定层流区
ut =
gd min ( ρ p − ρ ) 18µ
qv = A
d min =
18µ qv g (ρ p − ρ ) A
计算后要检验 Re p =
d min uρ
2
1/ 3
③ 湍流区
牛 (Newton)公 : t = 顿 式 u
3.03dp (ρp − ρ)g
ρ
1.重力沉降速度公式的使用 重力沉降速度公式的使用 ①事前能够确认流动区域,直接用对应公式 ②流动区域不能确定,采用试差法
假定流动处于层流区, Stokes→ut →Rep → (?<2),yes→结束 no →换用相应区域公式→ ut →Rep → 判断,修正
3.4.1悬浮液过滤 悬浮液过滤
(1) 工业过滤方式:深层过滤、滤饼过滤 工业过滤方式:深层过滤、
悬浮液
悬浮液 滤饼
过滤介质
过滤介质 清液
滤液
深层过滤
第三章沉降与过滤

&第三章沉降与过滤第一节沉降教学目标:了解颗粒和颗粒群的特性及有关参数的计算方法。
理解重力沉降和离心沉降的意义,掌握颗粒在层流和团粒状态下自由沉降速度的计算公式。
掌握重力沉降设备的结构和工作原理。
掌握碟片式离心机、高速管式离心机、旋风分离器、旋液分离器等离心分设被的结构、工作原理及使用方法。
教学重点:碟片式离心机、高速管式离心机、旋风分离器等离心分设被的结构、工作原理及使用方法。
教学难点:自由沉降速度的计算公式的应用。
教学内容:一、颗粒的基本性质非均相体系的不连续相常常是固体颗粒。
由于不同的条件和过程将形成不同性质的固体颗粒,且组成颗粒的成分不同则其理化性质也不同,所以在分离操作过程中就要采用不同的工艺,因而有必要认识颗粒的性质。
1.颗粒的特性按照颗粒的机械性质可分为刚性颗粒和非刚性颗粒。
如泥砂石子、无机物颗粒属于刚性颗粒。
刚性颗粒变形系数很小,而细胞则是非刚性颗粒,其形状容易随外部空间条件的改变而改变。
常将含有大量细胞的液体归属于非牛顿型流体。
因这两类物质力学性质不同,所以在生产实际中应采用不同的分离方法。
如果按颗粒形状划分,则可分为球形颗粒和非球形颗粒。
球形颗粒的体积为334136V r d ππ== (3——1)其表面积为 224S r d ππ== (3——2)颗粒的表面积与其体积之比叫比表面积,用符号0S 表示,单位23m /m 。
其计算式为:06S S V d ==将非球形颗粒直径折算成球形颗粒的直径,这个直径叫当量直径e d 。
在进行有关计算时,将e d 代入相应的球形颗粒计算公式中即可。
根据折算方法不同,当量直径的具体数值也不同。
常见当量直径有:体积当量直径d e d e =3P6πV (3——3)表面积当量直径d es d es =πPS (3——4)球形度(形状系数)φs =PS S (3——5) 2.颗粒群的特性 由大小不同的颗粒组成的集合称为颗粒群。
在非均相体系中颗粒群包含了一系列直径和质量都不相同的颗粒,呈现出一个连续系列的分布,可以用标准筛进行筛分得到不同等级的颗粒。
第三章沉降与过滤(化工原理王志魁版)

互不碰撞、互不影响。
浮力Fb
阻力Fd
p , 颗粒下沉
p
2020/8/3
重力Fg
2
重力:Fg
mg
6
d p3pg
浮 力 :Fb
6
d p3 g
阻力:Fd
Ap
u2
2
4
d p2
u2
2
Fg Fb Fd ma
6
dp3pg
6
d
3 p
g
4
d p2
u2
2
6
d
3 p
pa
2020/8/3
3
重力沉降速度: 颗粒受力平衡时,匀速阶段颗粒相对 于流体的运动速度。
缺点: 清灰难; 隔板间距小,
颗粒易被扬起。
15
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。
层流
ut
d
2 pc
(
p
18
)g
ut
H L
u
qV WL
d pc
18 ( p )g ut
18 qV ( p )g WL
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16
(二)沉降槽(增稠器) 1. 悬浮液的沉聚过程
b ui
rm——平均旋转半径
2020/8/3
23
沉降速度:
ur
dp2(p 18
)
ui2 rm
沉降时间:r
b ur
18brm d p2 ( p )ui2
停留时间: 2 rm n n——旋转圈数
ui
沉降分离条件: r
2020/8/3
24
b 临界颗粒直径:d pc 3 nui ( p )
第三章 沉降与过滤

分散相的密度差异,使之发生相对运动而分离的操作。
一、 沉降速度
1、自由沉降 单个颗粒在流体中沉降,或者颗粒群在流体中充分分 散,颗粒之间互不接触、互不碰撞的条件下的沉降。
2、沉降速度推导
将表面光滑、刚性的球形颗粒置于静止的流体中 ,进行受 力分析 F g:重力 F b:浮力 F d:阻力
du d d P 2 u 2
1 2 q qe q K K
作τ/q ~ q 图, τ/q 与q之间具有线性关系,斜率为 1/K,截距为2q e/K
四、过滤设备
板框压滤机(间歇操作)、转筒真空过滤机(连 续操作)、离心过滤机
1、板框压滤机
1)结构:
滤板和滤框交替排列组装
非洗涤板:一钮板
洗涤板 :三钮板
框:二钮板
组装顺序:1—2—3—2—1—2—3
过滤阻力
r v(V Ve ) Rc Rm A
过滤推动力
p pc pm
过滤速度方程
dV p Ad r v(V Ve ) / A
过滤速率方程
dV Ap d r v(V Ve ) / A
三、恒压过滤
1、滤液体积与过滤时间的关系 积分得:
A2 p (V Ve )dV 0 d rv
N
转筒旋转一周获得的滤液量为:Q/N 单位面积的滤液量为:
Q q AN
代入过滤速率方程:
Q Q ) K( ) 2qe ( AN N AN
2
解方程可得:
2 Q AN ( qe
K qe ) N
忽略过滤介质阻力
Q A KN
3、离心过滤机
4、影响沉降因素
化工原理第三章---过滤

2、过滤基本方程的推导 简化模型:假定: (1)流体的流动空间等于床层中颗粒之间的全部空隙体积。 (2)细管的内表面积等于全部颗粒的表面积。
u 空床速度(表观速度)
p1
L
u le
de
真 实 速 度
u1
流体在固定床内流动的简化模型
讨论: 设滤饼的体积为Vc,颗粒的比表面积为a
① u1与u的关系
滤饼层的空隙体积
说明:随着过滤过程的进行,滤饼逐渐加厚,过滤阻力不断 增加,可以想见,如果过滤压力不变,即恒压过滤时,过滤 速度将逐渐减小。因此上述定义为瞬时过滤速度。
(二)涉及的几个术语
1. 空隙率: 单位体积床层中的空隙体积,用ε表示。 ε=空隙体积 / 床层体积 m3/m3
2. 颗粒比表面积:单位体积颗粒所具有的表面积,用a表示。 a=颗粒表面 / 颗粒体积
③多孔固体介质:具有很多微细孔道的固体材料,如多孔陶 瓷、多孔塑料、多孔金属制成的管或板,能拦截1-3m的微细 颗粒。
④多孔膜:用于膜过滤的的各种有机高分子膜和无机材料膜。 醋酸纤维素和芳香酰胺系两大类有机高分子膜。可用于截留 1m以下的微小颗粒。
4、滤饼的压缩性及助滤剂
1)滤饼的可压缩性
滤饼
对基本过滤方程积分,得
积分得: V22VV eK2 A
或
q22qq e K
若过滤介质阻力可忽略不计,则
V2 KA2
或
q2 K
恒压过滤 方程
△p
u 表观速度
K ——过滤常数 由物料特性及过滤压强差所决定 ,m2/s
复 习:
1. 过滤的定义及相关术语(滤浆;滤液;滤饼;过滤介质)
2. 过滤基本方式(滤饼过滤;深层过滤;膜过滤)
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2013-9-25
12
干扰沉降
2013-9-25
13
2.2 降尘室
2013-9-25
14
1. 沉降分离条件
L 停留时间: u H 沉降时间: t ut
分离条件: t
W
即
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L H u ut
L 或 u ut H
15
2. 生产能力 qV——降尘室所处理含尘气体的体积流量
——滤饼的比阻
dV Ad Δp VC r A
过滤速度
滤饼阻力 过滤介质阻力
VC V Rc r r v A A Ve Rm r v A
v——获得单位体积滤液所形成滤饼的体积, m3滤饼/m3滤液;
2013-9-25 32
(二)过滤基本方程
滤饼层:
Δp1 dV Ad R
过滤速率: 设为层流流动
d 2 Δp Δp u 2 32 l 32 l d
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孔道长度
l
Vc
A
孔道中流速与过滤速度的关系
dV u Ad
过滤速度
Δpc dV Ad 32 VC 2 d A
31
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令
r
32 d2
p1 p2
p
Δp2 dV 过滤介质层: Ad R e
滤液
Δp1 Δp2 dV Δp ΔpA Ad R Re r v (V Ve ) / A r v (V Ve )
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33
过滤速率
dV ΔpA d r v (V Ve )
ut
4d p ( p ) g 3
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10
(二) 沉降速度的计算 层流区: ut
思考:颗粒与流体性质对沉 降速度的影响?
d p2 ( p ) g 18
2
——Stokes(斯托克斯)式
2
过渡区:
4g ( p ) ut 255
若颗粒与流体的相对运动处于层流区
d P P 2 ur r 18
2
离心分离因数
ur r Fc Kc ut g mg
2
体现了离心分离效果大小
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二、 离心沉降设备 (一)旋风分离器 1. 结构与工作原理
KC为5~2500,可分离 气体中5~75m的颗粒。
1/ 3
dp
湍流区: ut
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3.03d p ( p ) g
11
(三)影响沉降速度的其它因素 1.干扰沉降
u 干扰 u自由
Se d e2 球形度 A A
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。
f (Re)
Re
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d p ut
、——流体特性
dp、u——颗粒特性
4
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5
(1)层流区 10-4< Re < 2
Stokes 区
24 Re
(2)过渡区 2< Re < 500 Allen 区
10
Re
(3)湍流区 500< Re < 2105 Newton区
流动阻力大
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ui 12 ~ 25m / s
24
第四节
过
滤
滤 浆 滤 饼 过滤介质
4.1 悬浮液的过滤
滤 液
推动力:压力差,离心力,重力 阻
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力:滤饼、过滤介质阻力
25
(一)两种过滤方式 1. 滤饼过滤
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26
2. 深层过滤
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27
2013-9-25
21
2. 临界颗粒直径
ui
b
假设:
• 切向速度u=进口速度ui
• 颗粒沉降的最大距离b
• 层流
rm——平均旋转半径
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22
沉降速度: ur
d p 2 ( p ) ui2 18 rm
18 brm b 2 沉降时间: r 2 ur d p ( p )ui
(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
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(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 ——加助滤剂
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4.2 过滤速率基本方程式
(一)过滤速率
dV m3 / s d dV 过滤速度: m/s Ad
——恒压过滤方程式
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令
Ve V q , qe A A
m3 / m2
q 2qqe K
2
V
V1 A
过滤速度越来越小!
o
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1
36
(二) 过滤常数的测定
q 2qqe K
2
/q
斜率 1
K
1 2 q qe q K K
2 qe K
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
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3
1.2 流体中颗粒运动的阻力(曳力)
Fd Ap
u2
2
4
d p2
u2
2
球形颗粒
——阻力系数(曳力系数) 与流体与颗粒之间的相对运动状况有关
合
切向速度 u
径向速度 ur
u合
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18
颗粒在离心力场中的受力情况
离心力 浮力
mr 26来自d p p r3
2
6
d p r 2
3
阻力 力平衡时,沉降速度
4
dp
2
ur2
2
ur
4d P P 2 r 3
19
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离心沉降速度及分离因数
/q~q 为直线关系,
q
1 ,截距为 2 qe 其斜率为 K K
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三、过滤设备及操作
(一)板框过滤机
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38
2013-9-25
39
板框压滤机
洗 板 结构: 滤框、滤板 非 洗 板
非 洗 洗 板框板 悬 洗 浮 涤 液 入 口
洗 板
1060块不等, 过滤面积约为280m2 一个操作循环:
2
令
则
2Δp K rv
dV KA2 d 2(V Ve )
——过滤基本方程
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34
4.3 恒压过滤
(一)滤液体积与过滤时间的关系 K为常数
dV KA2 d 2(V Ve )
V
0
(V Ve )dV
2
0
K 2 A d 2
2
V 2VVe KA
2 rm n n——旋转圈数 停留时间: ui
沉降分离条件:
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r
23
d 临界颗粒直径: pc
讨论: (1)b
b 3 nui ( p )
dpc D 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离器并联。
(2)ui
dc
分离效果好
第三章 沉降与过滤
1、概述 2、重力沉降 3、离心沉降 4、过滤
2013-9-25
1
第一节
概述
1.1 非均相物系分离: 沉降(重力沉降、离心沉降) 过滤 分离的目的: 1. 回收分散物质; 2. 净化分散介质。
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2
均 相 物 系 非 均 相 物 系
分散相? 连续相(介质)?
qV WHu
qV LWut
L u ut H
结论:降尘室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。
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16
思考1: 为什么气体进入降尘室后,流通截面积 要扩大?
思考2: 为什么降尘室要做成扁平的?
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17
第三节
离心沉降
3.1 离心沉降过程
过滤、洗涤、卸渣、整理重装
横穿洗涤
滤液流出 洗涤液流出
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板框压滤机
40
0.44 (球形)
2013-9-25 6
S 球形度 φs Ap
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7
第二节
重力沉降
2.1 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。
浮力Fb 阻力Fd
p , 颗粒下沉
p
8
重力Fg
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重力:Fg mg
6
3
d p3 p g
浮力:Fb
6
d p g
u 2
2
阻力: d Ap F
4
dp
2
u 2
2
Fg Fb Fd ma
6
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dp pg