第3章化工原理中的沉降与过滤
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化工原理课件3-沉降与过滤
阻力系数~Re0关系图
第三章 沉降与过滤
黄石职院化工原理电子课件
２
沉降速度的计算
已知球形颗粒直径，要计算沉降速度时，由于ut为待求量， 所以Re值是未知量。需要用试差法进行计算ut 。 例如，当颗粒直径较小时，
假设沉降属于层流区 斯托克斯式 u Re 属于层流区 结束计算
第三章 沉降与过滤
黄石职院化工原理电子课件 颗粒所受的阻力：
Fd A
阻力系数
u 2
2 (Re,s )
对球形颗粒（s=1）的曲线，可按Re分为三个区，
各区的曲线可用相应的经验关联式表达： 24／Re 层流区或Stokes定律区（10-4<Re<2）
10／Re0.5
故属于过渡区，与假设相符。
第三章 沉降与过滤
黄石职院化工原理电子课件
三
悬浮液的沉聚
沉聚 — 得到澄清液和稠浆 澄清 — 得到澄清液 增稠 — 得到稠浆
１．增稠器
原理：原液经中心处的进料管送至液面下0.3~1.0m处，固体 颗粒在上部自由沉降区边沉降边向圆周方向扩散， 液体向上流动。在这个区域中，当液体的流速小于 颗粒的沉降速度时，就能得到澄清液。 溢流---澄清液经槽的周边溢流出去, 底流---增稠压缩区下的槽底中心处排除的稠浆。
第三章 沉降与过滤
黄石职院化工原理电子课件
例3-2 用高2m 、宽2.5m、长5m的重力降尘室分离空气中的粉尘。 在操作条件下空气的密度为0.779kg/m3，黏度为2.53×10-5Pa.s， 流量为5.0×104m3/h。粉尘的密度为2000 kg/m3。试求粉尘的临 界粒径。 解：已知空气流量qvs，密度ρ，黏度μ，粉尘的密度ρp， 降尘室的宽度W，长度L, 可知：
化工原理第三章沉降与过滤PPT
真空过滤
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。
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 沉降
ut
2 d p ( p ) g
1.86 10 Pa s
5
18
(40 106 )2 9.81 ( 2600 1.165) 18 1.86 10 5
0.12m s
校核：
Re dut 0.3 2
(正确)
6.非球形颗粒的沉降速度
同样条件下 因此
1 3
1 则：Re k 18
令
Rep 1
则
k 2.62
层流区：
k 2.6 2 采用斯托克斯公式
过渡区：
湍流区：
2.62 k 60.1
60.1 k 2364
采用阿伦公式
采用牛顿公式
试差法： 假设 流型 选择 公式
验算
计算
ut
计算
Re t
例：求直径40μm球形颗粒在30℃大气中的自由沉降 速度。已知ρ颗粒为2600kg/m3,大气压为0.1MPa。 解： 查30℃、0.1MPa空气： 1.165kg m3 设为层流，则：
ζ是流体相对于颗粒运动时的雷诺数的函数，
(Re) (d pu / )
层流区 过渡区 湍流区
10 4 Re 2
24 Re
2 Re 500
500 Re 2 10
5
10 0.5 Re 0.44
第二节 重力沉降
目的：流体与固体颗粒分离
上部易形成涡流 ——倾斜式、 旁路 尘粒易带走 ——扩散式
螺旋面进口：结构复杂，设计制造不方便。
蜗壳形进口：结构简单，减小阻力。
轴向进口：常用于多管式旋风分离器。
常用型式
标准型、CLT/A型、CLP型、扩散式等。
2 d p ( p ) g
1.86 10 Pa s
5
18
(40 106 )2 9.81 ( 2600 1.165) 18 1.86 10 5
0.12m s
校核：
Re dut 0.3 2
(正确)
6.非球形颗粒的沉降速度
同样条件下 因此
1 3
1 则：Re k 18
令
Rep 1
则
k 2.62
层流区：
k 2.6 2 采用斯托克斯公式
过渡区：
湍流区：
2.62 k 60.1
60.1 k 2364
采用阿伦公式
采用牛顿公式
试差法： 假设 流型 选择 公式
验算
计算
ut
计算
Re t
例：求直径40μm球形颗粒在30℃大气中的自由沉降 速度。已知ρ颗粒为2600kg/m3,大气压为0.1MPa。 解： 查30℃、0.1MPa空气： 1.165kg m3 设为层流，则：
ζ是流体相对于颗粒运动时的雷诺数的函数，
(Re) (d pu / )
层流区 过渡区 湍流区
10 4 Re 2
24 Re
2 Re 500
500 Re 2 10
5
10 0.5 Re 0.44
第二节 重力沉降
目的：流体与固体颗粒分离
上部易形成涡流 ——倾斜式、 旁路 尘粒易带走 ——扩散式
螺旋面进口：结构复杂，设计制造不方便。
蜗壳形进口：结构简单，减小阻力。
轴向进口：常用于多管式旋风分离器。
常用型式
标准型、CLT/A型、CLP型、扩散式等。
新编第三章 沉降与过滤-精选文档PPT课件
2020/11/19
14
多层降尘室：
2020/11/19
若n个隔板，则
qV(n1)W Lut
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
d2pc(p)g 18
ut
Hu qV L WL
dpc
18 (p)gut
ur
d
p2(p ) 18
u2 r
方向 向下，大小不变 径向向外，随r变化
ur ut
u2
gr
Fc Fg
KC
离心分离因数KC——同一颗粒在同种介质中所受离心 力与重力之比。
2020/11/19
21
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。
18 qV (p)gW L
2020/11/19
16
（二）沉降槽（增稠器） 1. 悬浮液的沉聚过程
2020/11/19
17
2. 沉降槽（增稠器）
2020/11/19
18
第三节 离心沉降
一、离心沉降速度 （一）沉降过程
合
切向速度 u 径向速度 ur 合成u合
2020/11/19
19
离心力：FC
u2 m
2020/11/19
5
2020/11/19
6
2020/11/19
——球形 圆盘形
7
（1）层流区 10－4< Re < 2 Stokes 区
24 Re
（2）过渡区 2< Re < 500
化工原理(第四版)第三章 沉降与过滤
ut
4d p ( p )g 3
2020/9/15
4
（二）流体中颗粒运动的阻力(曳力)
Fd
Ap
u2
2
4
d p2
u2
2
——阻力系数（曳力系数）
f (Re)
Re d p ut
、——流体特性
dp、ut——颗粒特性
2020/9/15
5
2020/9/15
6
2020/9/15
——球形 圆盘形
2020/9/15
16
（二）沉降槽（增稠器） 1. 悬浮液的沉聚过程
2020/9/15
17
2. 沉降槽（增稠器）
2020/9/15
18
第三节 离心沉降
一、离心沉降速度 （一）沉降过程
合
切向速度 u 径向速度 ur 合成u合
2020/9/15
19
离心力：FC
m
u2 r
6
d
3 p
p
u2 r
径向向外
2020/9/15
28
第四节 过 滤
一、悬浮液的过滤
滤浆 滤饼 过滤介质
滤液
推动力：压力差，离心力，重力 阻 力：滤饼、过滤介质阻力
2020/9/15
29
（一）两种过滤方式 1. 滤饼过滤
2020/9/15
30
2. 深层过滤
2020/9/15
31
（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
t
H ut
W
分离条件： t
即
LH
u ut
或
L u H ut
化工原理中的沉降与过滤
化工原理中的沉降与过滤引言在化工工艺中，沉降和过滤是常用的固液分离方法。
沉降是指根据固液颗粒的重力作用，通过静置使固体颗粒沉降到底部，而将悬浮液体分离出来。
过滤则是通过利用滤介质的孔隙或表面，将悬浮液体中的固体颗粒留下，而使液体通过，从而达到分离固液的目的。
本文将从理论和实际应用两个方面，对化工原理中的沉降与过滤进行介绍。
沉降原理沉降是基于固体颗粒的重力作用，通过静置使固体颗粒沉降到底部，从而实现固液分离的过程。
沉降速度取决于固体颗粒与液体的密度差和粒径大小。
根据Stokes定律，沉降速度与颗粒直径的平方成正比，与液体的粘度成反比。
沉降速度可由下式计算：v = (2/9) * (ρp - ρl) * g * (d^2) / μ其中，v为沉降速度，ρp为颗粒的密度，ρl为液体的密度，g为重力加速度，d为颗粒的直径，μ为液体的动力粘度。
过滤原理过滤是通过滤介质的孔隙或表面，将悬浮液体中的固体颗粒留下，而使液体通过，从而实现固液分离的过程。
滤介质常用的有滤纸、滤筒、滤板等，其孔隙大小决定了能够透过的颗粒大小。
根据Darcy定律，过滤速度与滤介质的孔隙直径的平方成正比，与液体的粘度成反比。
过滤速度可由下式计算：Q = (π/4) * (d^2) * (ΔP/μ) * A其中，Q为过滤速度，d为滤介质的孔隙直径，ΔP为过滤压差，μ为液体的动力粘度，A为过滤面积。
实际应用沉降的应用沉降在化工过程中被广泛应用，常见的应用场景包括：1.污水处理：污水中悬浮的固体颗粒通过沉降实现固液分离，从而达到净化水质的目的。
2.矿石提取：矿石中的有用矿物颗粒通过沉降分离出来，然后进行后续的加工和提取。
3.食品加工：在食品饮料生产中，一些颗粒物质需要通过沉降分离，以获得纯净的液体产品。
4.生物工程：在细胞培养和发酵工艺中，需要将细胞或发酵产物与培养基进行分离。
沉降是一种常用的分离方法。
5.药物制剂：在药物合成和制剂工艺中，沉降用于分离和提取所需的纯净物质。
第3章 沉降与过滤-化工原理
（Nuwton区）
ut
d
2 p
p 18
g
ut
4g
p
225
2
1/ 3
dp
ut
3.03gd p p
19
试差计算法：
• 假设沉降处于某一区域； • 计算ut； • 计算Re，校验区域； • 若符合，则正确，否则重新假设区域。
20
例3－1 一直径为1.00mm、密度为2500kg/m3的玻璃球在 20℃的水中沉降，试求其沉降速度。
54
55
56
构造与工作原理
构造：外圆筒、内圆筒、锥形筒
b ui
➢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
甩向外层，气流在内层。气固得以分离；
➢在圆锥部分，气流与颗粒作下降螺旋运动； ➢在圆锥的底部附近，气流转为上升旋转运动，
最后由上部出口管排出；
➢颗粒沿内壁落入灰斗。
57
58
998.2
0.9244＜1
原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。
24
（三）影响沉降速度的其它因素 1.干扰沉降 （颗粒之间）
u干扰 u自由
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
25
二、 重力沉降设备
（一）降尘室
利用重力沉降从气流中分离出尘粒的设备。 预分离，分离粒径较大的尘粒。
（准确） Allen 区
10
Re
（近似）
（3）湍流区 500< Re < 2105 Newton区
0.44 （球形）（近似）
12
24 / Re t
10
/
Re
ut
d
2 p
p 18
g
ut
4g
p
225
2
1/ 3
dp
ut
3.03gd p p
19
试差计算法：
• 假设沉降处于某一区域； • 计算ut； • 计算Re，校验区域； • 若符合，则正确，否则重新假设区域。
20
例3－1 一直径为1.00mm、密度为2500kg/m3的玻璃球在 20℃的水中沉降，试求其沉降速度。
54
55
56
构造与工作原理
构造：外圆筒、内圆筒、锥形筒
b ui
➢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
甩向外层，气流在内层。气固得以分离；
➢在圆锥部分，气流与颗粒作下降螺旋运动； ➢在圆锥的底部附近，气流转为上升旋转运动，
最后由上部出口管排出；
➢颗粒沿内壁落入灰斗。
57
58
998.2
0.9244＜1
原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。
24
（三）影响沉降速度的其它因素 1.干扰沉降 （颗粒之间）
u干扰 u自由
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
25
二、 重力沉降设备
（一）降尘室
利用重力沉降从气流中分离出尘粒的设备。 预分离，分离粒径较大的尘粒。
（准确） Allen 区
10
Re
（近似）
（3）湍流区 500< Re < 2105 Newton区
0.44 （球形）（近似）
12
24 / Re t
10
/
Re
03沉降与过滤
滤浆通路
过滤板
滤浆
框
滤液、洗液 三钮 洗水通路 滤浆通路
洗涤板
滤液
40
第3节 过滤 二、过滤设备
排列方式 1
2
3
2
1
2
3
2
滤液排出方式
液 明流 : 用滤板底部侧管均排滤 管一起排出 暗流 : 各板流出滤液汇集于总
洗涤：横穿洗涤法 1 AW A 2 ( L Le ) W 2( L Le )E
自由沉降速度
1 3 1 3 1 2 ut2 d s g d g d 2 6 6 4
ut
4 gd ( s ) m / s 3 自由沉降速度公式
7
《化工原理》课件——第3章 沉降与过滤
第1节 重力沉降 一、重力沉降速度 （二）阻力系数
间歇过滤机的Q ：
V V 3 , m s Q W D T
T W D
操作 过滤 洗涤 辅助 周期 时间 时间 时间
38
《化工原理》课件——第3章 沉降与过滤
第3节 过滤 二、过滤设备 （一）板框压滤机
39
板 框 结 构
洗水通路 一钮
滤浆通路 二钮
洗水通路
概述
1.混合物的分类 均相混合物 混合物
溶液：精馏、萃取
非均相 混合物
混合气体：吸收、吸附 含雾气体 气态非均相 含尘气体
悬浮液 液态非均相 乳浊液 气泡液
3
《化工原理》课件——第3章 沉降与过滤
概述
分散相(分散物质) 连续相(分散介质) 2.非均相物系的分离依据： 分散相运动 沉降 连续相静止 按运动方式 的不同 分散相静止 过滤 连续相运动
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假定在层流区，得：
d Pc
18 3105 0.694＝9.21105 m 4500 9.81
u0c
dP2(P 18
)g
Re
d Pc
uoc
9.21
105 0.694 3 105
0.6
＝1.28
1
证明不在层流区。再假定在过渡区，得：
校验Re=1.14＞1，假设成立
dPc 8.27 105 m
第二节 沉 降
一、重力沉降 1、球形颗粒在流体中的自由沉降
自由沉降：当颗粒在流体中只受重力和浮力，不受 其它因素影响而发生沉降时，称为自由沉降。 颗粒受力：重力、浮力和阻力。 设颗粒从静止开始运动，沉降时，阻力方向与运动 方向相反
颗粒在运动过程中，
（G Fb）不变，只有Fd随u变化 可以把沉降过程分为三个阶段： 初始阶段，沉降速度u 0，Fd 0 加速阶段，u ；Fd 匀速沉降阶段，合力为0，a 0，u为定值，u u0，Fd为定值 Fb Fd
分离条件：从入口到出口的停留时间大于等于沉降时间
停留时间 L u
即L H u u0
沉降时间 H u0
应用计算：
（1）颗粒粒径一定时，求最大处理量
分离极限条件：L H u Lu0
u u0
H
最大气体流量qV max
uA
Lu 0 H
H
W
L W
u0
结论：气体处理量与底面积有关，与高度无关 — —多层隔板
密度为 ρ ，颗粒与中心轴的距离为R，切向速度为 ur ，
则颗粒在径向上受到的三个作用力分别为：
惯性离心力＝
6
dP3
P
ur 2 R
向心力＝
6
dP3
ur 2 R
阻力＝
4
dP2
ut 2
2
ut 径向离心速度
若此三力能够达于平衡，平衡时颗粒在径向上相对 于流体的速度便是它在此位置上的离心沉降速度， 解得离心沉降速度为：
操 作 条 件 下 气 体 流 量 为 25000m3。h-1 ， 气 体 密 度 为 0.6kg·m3 、粘度为3×10 -5 Pa·s。试求理论上能完 全除去的最小矿粒直径。
解：由公式可知，降尘室能完全除去的最小颗粒的沉 降速度为：
u0c
qv W L
25000 / 3600 25
0.694m s1
由空气温度t 250℃查得：
0.674Kg / m3 , 27.4pa s
解：离心沉降时u0
d
2 P
P
a
18
d
ut
4d (P ) ur 2
3
R
在离心沉降时，如果颗粒与流体的相对运动 属于层流，阻力系数也符合斯托克斯定律：
ut
dP2 (P ) ur2
18
R
离心分离因数：
离心力 离心加速度 KC 重力 重力加速度
3、离心沉降的应用——旋风分离器
旋风分离器动画
文丘里除尘器动画
静电除尘器动画
例3-3：速溶咖啡粉（比重1.05）的直径为60μm， 被250℃热空气带入旋风分离器中，进入时切线速 度为20m/s，在器内的旋转半径为0.5m。求其径向 沉降速度。同样大小的颗粒在同温度的静止空气中 沉降时，其沉降速度应为多少？（设沉降处于层流 区）
二、学习内容 沉降——重力沉降、离心沉降 过滤——压力过滤
三、学习目的 掌握几种操作的原理及应用计算 了解理论的建立过程及几种典型设备
自来水厂的主要流程
自来水厂水的净化分三步， 第一步是絮凝过程，也可以叫反应过程。在流动中使水中的杂质颗粒絮凝 长大； 第二步是沉降。沉降池是使大颗粒得以除去。 第三步是砂滤。砂滤池，进一步用900mm厚砂层，将小颗粒杂质滤去。
5
u0
0.514
d
1.6 P
d
0.4 P
P
0.6
g7
1 Re 500
（3）湍流区，牛顿定律
u0 1.74
dP (P )g
500 Re 1.5 105
计算时，采用试差法：
步骤：假设流型→采用对应公式计算→校核Re 及流型
Re d Pu0
3、重力沉降的具体应用，降尘室
（2）处理量一定时，求最小分离粒径（临界粒径）
由L H 得
u
u0
u0c
Hu L
qV W L
d
2 P
P
g
18
对应临界粒径d Pc
18qV
P gWL
沉降除尘室动画
烟道除尘动画
湍球塔除尘动画
【例 3-1】 有一玉米淀粉水悬浮液，温度 200 C ，淀粉颗粒 平均直径为15μm ，淀粉颗粒吸水后的密度为1020kg m 3 ，试求 颗粒的沉降速度。
第三章 沉降与过滤
第一节 概 述
一、非均相物系的分离 混合物——均匀混合物（均相物系） 例：水 与乙醇 不均匀混合物（非均相物系） 例：气溶胶， 悬浮液，乳浊液其中，固体颗粒称为分散相， 气、液相称为连续相或分散介质。 分离方法： 均相物系——蒸馏、吸收、萃取、结晶等 非均相物系——沉降、过滤、膜分离等
解：先假定沉降在层流区进行，故
u0
dP2 (P 18
)g
已知： d p 15μm 15106 m,
P 1020kg m3 查出 200C 的
水的 998.2kg m3 , 1.005103 Pa s 代入上式得：
u0
(15 106 )2 (1020 998.2) 9.807
mg
重力：G
mg
6
d
3 P
P
g
浮力：Fb
ห้องสมุดไป่ตู้
6
d
3 P
g
阻力：Fd
u 2
2
A
重力G向下浮力Fb向上 阻力Fd向上
dP、P — —颗粒的直径、密度 — —流体的密度
A
4
d
2 P
u
沉降速度
2、沉降速度计算 (1)层流区，斯托克
斯定律
u0
dP2 (P 18
)g
104 Re 1
(2)过渡区，阿仑定律
广州水厂全貌
图中兰色粗管是来自珠江的原料水，条形池子是絮凝池，左侧池是 沉降池。
水厂沉降池
这是沉降池。图为絮凝之后的水，是从沉降池底部流入，到池子 上部水已很清了。
二、离心沉降 1、离心沉降原理及离心分离因数惯性
依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程叫作离心沉降。
如果颗粒呈球状，其密度为ρp 、直径为 dp，流体的
18 1.005103
2.66 106 m s 1
检验
Re
值：
Re
dPu0
15106 2.66106 1.005103
998.2
3.96105
1
计算结果表明，与假设相符，故算得的 u0 2.66106ms1 正确。
【例3-2】 某除尘室高2m、宽2m、长5m，用于矿石焙烧炉 的炉气除尘。矿尘的密度为4500kg·m-3，其形状近于圆球。