化工原理——沉降与过滤

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τt =
h L 3.78 = = = 1.89s u tc u 2
假设直径 60μm 的尘粒的沉降属滞流区（验算略） ，则沉降速度为：
u tc = (60 × 10 −6 ) 2 × 9.81 × 4500 18 × 2 × 10 −5 = 0.44m / s
h = τ t utc = 1.89 × 0.44 = 0.832m
验算颗粒雷诺数： Re =
d p ut ρ
μ
1 × 10 −4 × 1.02 × 4500 = = 230 ，所得结果与假设相符。 −5 2 × 10
25000 6.8 = 6.8m 2 ，取宽度 b 为 1.8m，则长 L 为 = 3.78m 3600 ×1.02 1.8 Vs 25000 取气体在降尘室中的流速为 2m/s，则降尘室高 H = = = 1.93m bu 3600 ×1.8 × 2
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ut的计算方法： 试差法（先假设颗粒的沉降类型，计算ut值，然后将 ut代入颗粒雷诺数验算是否与假设相符）
例 用试差法求直径为 40μm 的球形颗粒在 30℃大气中的自由沉降速。 已知固体颗粒密度为 2600kg/m3，大气压强为 0.1MPa。 解：设沉降属于层流，应用斯托克斯公式计算。30℃，0.1MPa 下空气的密 度ρ＝1.165kg/m3，空气的粘度μ＝1.86×10-5·Pa·s，则：
即入口端高度为 0.832m 以下的 60μm 的尘粒均能除去。 若假定颗粒在入口处是均匀分布的，则 h 与降尘室高度 H 之比约等于被分离下来的百分率 （除尘效率） 。因此直径为 60μm 的颗粒被除去的百分率约为：
h 0.832 = × 100% = 43.1% H 1.93 n (3) 要求 60μm 的尘粒完全被除掉时的最少层数 n。 =
或 n=
总的沉降面积 。60μm 尘粒完全被除掉需要的总沉降面积为： 一层的沉降面积
bL =
H 1.93 = = 2.32 层， 取为 3 层, h 0.832
Vs 25000 = = 15.78m 2 u tc 3600 × 0.44 15.78 层，取为 3 层。 单层的沉降面积由(1)问可知为 6.8m2，故 n= = 2.32 6.8
降尘室的工作能力： （单位时间降尘室能处理的混合物的量）
V 由 u = s bH
代入
L H ≥ u u tc
得
Vs ≤ b L u tc
降尘室的工作能力与其高度无关，只与降尘室的底面积 （bL）有关，所以降尘室宜设计成扁平状。但气态非均 相物系在降尘室中的流动以层流为好，且降尘室的高度 也不宜太低。 经验参考值：多数颗粒的分离可取u<3m/s，较易扬起 的尘粒则取u<1m/s。因降尘室体积庞大，分离效率 低，一般常用来进行预除尘，分离气态非均相物系中粒 径大于75μm的固体颗粒。
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τt =
H u tc
L τ = u
颗粒能被分离出的条件是： τ≥τt
L H ≥ u u tc
显然，若处于入口端顶部的颗粒能够除掉，则处 于其它位置的直径为dpc的颗粒都能被除掉，因此上式 是气体中直径为dpc的颗粒完全被分离下来的条件。计 算中dpc和utc应取需要分离下来的最小颗粒的值。
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沉降槽 1、结构特点及操作原理： 结构：以间歇式为例，如图。 特点：利用颗粒的自然沉降性实现的分离，但由于分离效 果差，一般得到含固体颗粒50％的增稠液，所以也叫增稠 器。
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h0
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2、生产能力：一般以澄清液溢出量（清夜流量)表示 为了提高沉降槽的生产能力，可以采用向槽内添加絮凝 剂的方法。常用的絮凝剂： •无机絮凝剂：石灰、硫酸、明矾、硫酸亚铁、苛性钠、 盐酸和氯化锌等； •天然高分子絮凝剂：有淀粉和含淀粉的蛋白质物质，如 马铃薯、玉米粉、红薯粉及动物胶等； •合成高分子絮凝剂：有离子和非离子型高分子聚合物， 如聚ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ烯酰胺、羰基纤维素和聚乙烯基乙醇等。
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例 采用降尘室除去矿石焙烧炉出口的炉气中含有的粉尘。在操作条件 下炉气流量为 25000m3/h，密度为 0.6kg/m3，粘度为 2×10-5Pa·s，其中氧化铁 粉尘的密度为 4500kg/m3，要求全部除掉直径大于 100μm 的粉尘，试计算： (1) 所需降尘室的尺寸； (2) 炉气中直径为 60μm 的尘粒能否除掉，并估算能被除去的百分率； (3) 用上述计算确定的降尘室，要求将炉气中直径 60μm 的尘粒完全除掉， 降尘室最少应隔成几层？
降尘室底面积 L ⋅ b =
(2) 直径 60μm 的尘粒的除尘效果： 按前述简化的降尘室模型在入口端处于顶部及其附近的直径 60μm 的尘粒，因其沉降 速度小于粒径 100μm 尘粒的，在出口前不能沉至室底而被气流带出，故不能除掉。但在入 口端处于较低位置的直径 60μm 的尘粒是可以在出口前沉至室底的。假设在入口端处于距 室底为 h 高度的尘粒正好在气体流到出口时能沉到室底，则尘粒的沉降时间恰好等于尘粒 在降尘室的停留时间
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滤饼 是由被截留下来的颗粒垒积而成的固定床层，随着过滤操 作的进行，滤饼的厚度与流动阻力都逐渐增加。
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助滤剂 作用：悬浮液中颗粒过细小将会使通道堵塞，或颗粒受压后变 形较大，滤饼的孔隙率大为减小，造成过滤困难，加助滤剂可 增加过滤速率。 助滤剂：是一种坚硬而形状不规则的小颗粒，能形成结构疏松 而且几乎是不可压缩的滤饼。 常用助滤剂：硅藻土、珍珠岩、炭粉、石棉粉等。 助滤剂的加法： ①直接以一定比例加到滤浆中一起过滤，若 过滤的目的是回收固体物此法便不适用；②将助滤剂预先涂在 滤布上，然后再进行过滤。此法称为预涂。
解：(1) 计算降尘室的尺寸： 根据分离要求，utc 按全部除掉颗粒中的最小粒径（100μm）的颗粒计算。 假设颗粒沉降在滞流区：
u tc =
2 d p (ρ p − ρ )g
18μ
(1 × 10 −4 ) 2 × 4500 × 9.81 = = 1.23m / s 18 × 2 × 10 −5
验算颗粒雷诺数： Re = 符。
2 d p (ρ p − ρ )g
ut =
18 μ
即层流区沉降速度计算式，也称斯托克斯 （Stokes）公式，用于计算颗粒在流体中作自由沉降运 动的层流沉降速度计算式。 另外，还有艾仑（Allen）公式和牛顿（Neton） 公式分别计算自由沉降过程中过渡区和湍流区的沉降速 度。
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比较分析颗粒的自由沉降速度计算式可 知，沉降速度与颗粒和流体的密度差成比例关 系，与颗粒的直径成平方关系。 不同密度的颗粒，沉降速度不同；不同粒 径的颗粒，沉降速度也不同。 这是利用重力沉降分离非均相混合物的根 本原因。
器壁附近压力最大，仅稍低于进口处的压力；往中心压力逐渐降 低，在轴心附近成为负压。
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2、旋风分离器的类型 旋风分离器的分离效果，与含尘系统的物理性质、含 尘浓度、粒度分布以及操作条件有关，也与本身的结构尺 寸密切相关。 各类型旋风分离器的结构尺寸及性能参数可查阅有关 手册。 我国对常见定型旋风分离器已制定标准系列，如CLT、 CLT/A、CLP等。符号C表示除尘器，L表示离心式，T为 倾斜顶切线进口，P为蜗壳式进口，A，B为产品类别，根 据使用场合不同，分为X型（吸出式）和Y型（压入式）， 并有左旋（N）、右旋（S）、单筒及多筒之分。例如 CLT/A－2×2.0表示双筒，直径为200mm。
d p ut ρ
μ
1 × 10 −4 × 1.23 × 4500 = = 277 ，所得结果与假设不 −5 2 × 10
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因此可假设该沉降在过渡区，则：
0.78(1 × 10 −4 )1.143 × (4500) 0.714 utc = = 1.02m / s 0.286 −5 0.428 (0.6) × (2 × 10 )
6
π
π
6
d 3 ρg − ξ p
π
4
2 dp
ρ u t2
2
=0
整理得
ut =
4 gd p ( ρ p − ρ ) 3 ρξ
4
⎛ d puρ ⎜ 球形颗粒的阻力系数ξ是颗粒雷诺数 R e ⎜ = μ ⎝
⎞ ⎟ 的函 ⎟ ⎠
数，教材P89页的ξ与Re的关系曲线是由球形颗粒做实验得出 的。 曲线分三个区：
第三章 非均相物系分离
掌握重力沉降的基本原理、典型设备及 应用；
了解过滤的基本操作过程、典型的设 备，熟练掌握恒压过滤的操作及计算；
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非均相混合物的概念：相界面、混合物
分类：固体非均相、气体非均相和液体非均相混合物 基本概念：分散相和连续相 目的：获得产品，回收再利用，环保的需求等 方法：主要的物理分离方法是沉降与过滤
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2、工作原理：
层流流动的气态非均相物系沿水平运动，固体颗粒则 作平抛运动，即水平方向随气体一起运动，竖直方向则作 沉降运动，如果颗粒在降尘室的停留时间（水平运动的时 间τ）大于颗粒从室顶到出口下侧边缘所在的水平面所需 的时间τt，即τ> τt，则颗粒必将留在降尘室，从而实 现了物系的分离（固体颗粒和气体的分离）。
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3.2 离心沉降
自由沉降受重力的影响无法满足要求，而改变沉降速 度的唯一因素只能通过改变力的大小来实现，即将重力用 离心力来代替。
一般在Stokes区沉降
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一、离心沉降速度
ur =
2 4 d p ( ρ p − ρ ) uT ⋅ 3 ρξ r
ut =
4 gd p ( ρ p − ρ ) 3 ρξ
3 p
π
6
d ρpg −
3 p
π
6
d ρg − ξ
π
4
d
2 p
ρu 2
du = d ρp 2 6 dτ
3 p