第三章++沉降与过滤
化工原理 第三章教材
(1) 该降尘室的含尘气体处理能力，m3/s；
(2) 若在该降尘室中均匀设置 9 块水平隔板，则含尘气 体的处理能力为多少 m3/s？
B、增稠器----分离悬浮液（连续生产过程）
① 干扰沉降：相邻颗粒的运动改变了原来单个颗粒周 围的流场，颗粒沉降相互干扰
② 壁效应：壁面，底面处曳力 ↓ ③ 颗粒形状：
例 5-1 颗粒大小测定 已测得密度为 ρp = 1630kg/m3 的塑料珠在 20℃ 的 CCl4 液体中的 沉降速度为 1.70×10-3m/s，20℃时CCl4 的密度ρ=1590kg/m3，粘度 μ=1.03×10-3Pa/s，求此塑料珠的直径
A、受力分析
重力：Fg
mg
6
d
3 p
p
g
浮力：
Fb
m
p
g
6
d
3 p
g
曳力： Fd
Ap
1 u2
2
B、重力沉降的几个阶段
1. 沉降的加速阶段：
设初始速度为0，根据牛顿第二定律：
Fg
Fb
Fd
m du
d
0
du
(p
)g
3
u2
d
p
4d p p
2. 沉降的等速阶段
u Fd
, du
d
某一时刻，du d
悬浮液在任何设备内静置，均会发生沉降过程，其中固体颗粒在 重力作用下沉降与液体分离
➢ 工作原理： ➢ 沉降的两个阶段： 上部----自由沉降 下部----干扰沉降
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。
(完整版)化工原理第三章沉降与过滤课后习题及答案(1)
第三章 沉降与过滤沉 降【3-1】 密度为1030kg/m 3、直径为的球形颗粒在150℃的热空气中降落，400m μ求其沉降速度。
解 150℃时，空气密度，黏度./30835kg m ρ=.524110Pa s μ-=⨯⋅颗粒密度，直径/31030p kg m ρ=4410p d m -=⨯假设为过渡区，沉降速度为()(.)()./..1122223345449811030410179225225241100835p t p g u d m s ρρμρ--⎡⎤-⎡⎤⨯==⨯⨯=⎢⎥⎢⨯⨯⨯⎢⎥⎣⎦⎣⎦验算 .Re ..454101790．835=24824110p t d u ρμ--⨯⨯⨯==⨯为过渡区【3-2】密度为2500kg/m 3的玻璃球在20℃的水中和空气中以相同的速度沉降。
试求在这两种介质中沉降的颗粒直径的比值，假设沉降处于斯托克斯定律区。
解 在斯托克斯区，沉降速度计算式为()/218t p p u d g ρρμ=-由此式得（下标w 表示水，a 表示空气）()()2218= p w pw p a pat w ad d u g ρρρρμμ--=pw pad d =查得20℃时水与空气的密度及黏度分别为./,.339982 100410w w kg m Pa sρμ-==⨯⋅./,.35120518110a a kg m Pa sρμ-==⨯⋅已知玻璃球的密度为，代入上式得/32500p kg m ρ=.961pw pad d ==【3-3】降尘室的长度为10m ，宽为5m ，其中用隔板分为20层，间距为100mm ，气体中悬浮的最小颗粒直径为，气体密度为，黏度为10m μ./311kg m ，颗粒密度为4000kg/m 3。
试求：(1)最小颗粒的沉降速度；(2)若需要.621810Pa s -⨯⋅最小颗粒沉降，气体的最大流速不能超过多少m/s? (3)此降尘室每小时能处理多少m 3的气体？解 已知,/./.6336101040001121810pc p d m kg m kg m Pa sρρμ--=⨯===⨯⋅,,(1) 沉降速度计算 假设为层流区().()(.)./.26269811010400011001181821810pc p t gd u m sρρμ---⨯⨯-===⨯⨯验算 为层流..Re .66101000111000505221810pc t d u ρμ--⨯⨯⨯===<⨯，(2) 气体的最大流速。
化工原理第三章 沉降
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。
化工原理第三章沉降和过滤课后习题和答案解析
第三章 沉降与过滤沉 降【3-1】 密度为1030kg/m 3、直径为400m μ的球形颗粒在150℃的热空气中降落，求其沉降速度。
解 150℃时，空气密度./30835kg m ρ=，黏度.524110Pa s μ-=⨯⋅颗粒密度/31030p kg m ρ=，直径4410p d m -=⨯ 假设为过渡区，沉降速度为()(.)()./..1122223345449811030410179225225241100835p t p g u d m s ρρμρ--⎡⎤-⎡⎤⨯==⨯⨯=⎢⎥⎢⎥⨯⨯⨯⎢⎥⎣⎦⎣⎦验算 .Re ..454101790．835=24824110p t d u ρμ--⨯⨯⨯==⨯ 为过渡区【3-2】密度为2500kg/m 3的玻璃球在20℃的水中和空气中以相同的速度沉降。
试求在这两种介质中沉降的颗粒直径的比值，假设沉降处于斯托克斯定律区。
解 在斯托克斯区，沉降速度计算式为()/218t p p u d g ρρμ=- 由此式得（下标w 表示水，a 表示空气）()()2218= p w pw p a pat w ad d u g ρρρρμμ--=pw pad d =查得20℃时水与空气的密度及黏度分别为./,.339982 100410w w kg m Pa s ρμ-==⨯⋅ ./,.35120518110a a kg m Pa s ρμ-==⨯⋅已知玻璃球的密度为/32500p kg m ρ=，代入上式得.961pw pad d ==【3-3】降尘室的长度为10m ，宽为5m ，其中用隔板分为20层，间距为100mm ，气体中悬浮的最小颗粒直径为10m μ，气体密度为./311kg m ，黏度为.621810Pa s -⨯⋅，颗粒密度为4000kg/m 3。
试求：(1)最小颗粒的沉降速度；(2)若需要最小颗粒沉降，气体的最大流速不能超过多少m/s? (3)此降尘室每小时能处理多少m 3的气体？解 已知,/./.6336101040001121810pc p d m kg m kg m Pa s ρρμ--=⨯===⨯⋅,, (1) 沉降速度计算 假设为层流区().()(.)./.26269811010400011001181821810pc p t gd u m s ρρμ---⨯⨯-===⨯⨯验算..Re .66101000111000505221810pc t d u ρμ--⨯⨯⨯===<⨯． 为层流(2) 气体的最大流速max u 。
第三章 沉降与过滤习题及答案讲课讲稿
第三章沉降与过滤习题及答案第三章沉降与过滤习题及答案一、选择题1、一密度为7800 kg/m3的小钢球在相对密度为1.2的某液体中的自由沉降速度为在20℃水中沉降速度的1/4000，则此溶液的粘度为（设沉降区为层流）。
DA.4000 mPa·s；B.40 mPa·s；C.33.82 Pa·s；D.3382 mPa·s3、降尘室的生产能力取决于。
BA．沉降面积和降尘室高度；B．沉降面积和能100%除去的最小颗粒的沉降速度；C．降尘室长度和能100%除去的最小颗粒的沉降速度；D．降尘室的宽度和高度。
4、降尘室的特点是。
DA．结构简单，流体阻力小，分离效率高，但体积庞大；B．结构简单，分离效率高，但流体阻力大，体积庞大；C．结构简单，分离效率高，体积小，但流体阻力大；D．结构简单，流体阻力小，但体积庞大，分离效率低5、在降尘室中，尘粒的沉降速度与下列因素无关。
CA．颗粒的几何尺寸 B．颗粒与流体的密度C．流体的水平流速； D．颗粒的形状6、在讨论旋风分离器分离性能时，临界粒径这一术语是指。
CA.旋风分离器效率最高时的旋风分离器的直径;B.旋风分离器允许的最小直径;C.旋风分离器能够全部分离出来的最小颗粒的直径;D.能保持滞流流型时的最大颗粒直径7、旋风分离器的总的分离效率是指。
DA.颗粒群中具有平均直径的粒子的分离效率;B.颗粒群中最小粒子的分离效率;C.不同粒级(直径范围)粒子分离效率之和;D.全部颗粒中被分离下来的部分所占的质量分率8、对标准旋风分离器系列，下述说法哪一个是正确的。
CA．尺寸大，则处理量大，但压降也大； B．尺寸大，则分离效率高，且压降小；C．尺寸小，则处理量小，分离效率高； D．尺寸小，则分离效率差，且压降大。
9、恒压过滤时，如滤饼不可压缩，介质阻力可忽略，当操作压差增加1倍，则过滤速率为原来的。
BA. 1倍；B. 2倍；C.倍；D.1/2倍10、助滤剂应具有以下性质。
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。
化工原理第三章沉降与过滤课后习题包括答案.doc
第三章沉降与过滤沉 降【 3-1 】 密度为 1030kg/m 3、直径为 400 m 的球形颗粒在 150℃的热空气中降落，求其沉降速度。
解 150℃时，空气密度0.835kg / m 3 ，黏度 2.41 10 5 Pa s颗粒密度p 1030kg / m3，直径 d p 4 10 4 m假设为过渡区，沉降速度为4 g 2 ( p)214 9 81 2 103013234u td p( . ) ( ) 4 101.79 m / s225225 2.41 10 50.835d p u t44101 79 0．835验算Re=.24 82 41 105..为过渡区3【 3-2 】密度为 2500kg/m 的玻璃球在 20℃的水中和空气中以相同的速度沉降。
解 在斯托克斯区，沉降速度计算式为u td 2ppg / 18由此式得（下标w 表示水， a 表示空气）18pw d pw2( pa )d pa2 u t =gwad pw ( d pa(pa )wpw)a查得 20℃时水与空气的密度及黏度分别为w998 2 3w 1 . 004 10 3 . kg / m , Pa s 1 205 3a1 81 10 5 Pa sa . kg / m , .已知玻璃球的密度为p2500 kg / m 3 ，代入上式得dpw( 2500 1 205 ) 1 . 004 10.d pa( 2500998 2 1 . 81 10. )359.61【 3-3 】降尘室的长度为10m ，宽为 5m ，其中用隔板分为 20 层，间距为 100mm ，气体中悬浮的最小颗粒直径为10 m ，气体密度为1.1kg / m 3 ，黏度为 21.8 10 6 Pa s ，颗粒密度为4000kg/m 3。
试求： (1) 最小颗粒的沉降速度；(2) 若需要最小颗粒沉降，气体的最大流速不能超过多少m/s (3) 此降尘室每小时能处理多少m 3 的气体解 已知 d pc10 10 6 m, p4000kg / m 3 ,1.1kg / m 3 ,21.8 10 6 Pa s(1) 沉降速度计算假设为层流区gd pc 2 (p) 9 . 81 ( 10 10 6 2 ( 4000 1 1u t)6 . ) 0.01m / s1818 21.8 10d pc u t10 10 6 0 01 1 1000505． 2 验算 Re21 8 10 6 为层流.(2) 气体的最大流速 umax 。
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1/ 3
0.157m
/
s
Re
d put
0.001 0.1571000 103
157
流型属于过渡流，与假设相符。
16
影响沉降速度的因素
1.颗粒形状 对非球形颗粒(球形度<1)，因阻力系数 增大，其沉降得慢一些。
2.壁效应 当容器直径较小时，便发生受阻沉降。
3.干扰沉降 浓度较高时，便发生干扰沉降。
—— 离心沉降速度
在层流区（10-4<Re<2），
所以
ur
d
2 p
( p
)
r 2
18
24
Re
而 所以
ut
d
2 p
(
p
)g
18
ur ut
r 2
g
Kc
—— 离心分离因数
30
旋风分离器
结构，P107图3-8 原理：颗粒离心沉降到内
壁后，靠重力沿内壁落入 灰斗。 临界粒径：能完全分离的 最小粒径。
降速度为原来的1/N，临界粒径为原来的1/ N
20
例3－2
用高2m、宽2.5m、长5m的重力降尘器分离空 气中的粉尘。在操作条件下空气的密度为 0.779kg/m3，黏度为2.53×10-5Pas，流量为 1.25×104m3/h。粉尘的密度为2000kg/m3。试 求粉尘的临界粒径。
21
解：临界粒径的粉尘在降尘室的 停留时间与沉降时间相等
32
所以沉降时间为
t
b
ur
18rmb
d
2 p
(
p
)ui2
又停留时间为
当 t
2 rmn
ui
时，得
18 rmb 2 rmn
d
2 pc
(
p
)ui2
ui
所以
d pc
9b n( p )ui
—— 临界粒径(3-25)
对标准旋风分离器，n=5。
33
压力降 仿阻力系数法
hf
u2 2
对水平局部阻力
hf
p
所以
p ui2
2
式中 30bh D
d2 LH
(3-26)
对标准旋风分离器，一般 p=1000~2000Pa
34
旋液分离器（自学） 沉降式离心机（自学）
35
第四节 过滤
主要概念
深层过滤、滤饼过滤、过滤介质
a
获得单位质量干渣所需湿渣质量。 则 C 1 C 1
c p
设单位质量悬浮液中所含固体的质量为X， kg/kg， 则单位质量悬浮液可得湿滤渣质量为CX，
43
则单位质量悬浮液可得滤液质量为1-CX，
则单位质量滤液体积为
1 CX
，
所以单位体积滤液相对应的固体质量w为
w X V
17
降尘室
结构（见P102，图3－3）
原理
如图，颗粒水平分速度与气体平均的流速u
相等，则
L W
停留时间为：
L u
沉降时间为：
t
H ut
u
H
ut
当 (停留时间） （t 沉降时间） 时，
颗粒才能在降尘室中分离出来。
18
W
而
qv s uHW
，u
qv s HW
H
LH u ut
(1)在悬浮液中加入助滤剂后一起过滤。 (2)先把助滤剂配成悬浮液并过滤，形成助滤剂层后，才
正式过滤。
3.要求
(1)刚性颗粒 (2)物理、化学性质稳定
41
悬浮液量、固体（干渣）量、滤液量与滤渣 （湿滤渣）量的关系
悬浮液
滤液，密度ρ，体积V
湿滤渣，密度ρc
液体，密度 ρ 干渣，密度ρp
42
令 C b ——湿滤渣与固体的质量比，即
如图，假设筒内液体与圆筒转速相同，
则颗粒所受离心力： Fc mr 2
设圆筒转速为N，r/min，
则 2N ，弧度/秒
60
uT
ur
r
dp,p,m
,
27
所以
Fc
mrN 2 100
离心分离因数：
Kc
Fc Fg
mr 2
mg
rN 2 900
28
离心沉降速度
设某个球形颗粒在流体中自由离心沉降，则
45
解：
由 C 1 C 1得 C 1 C 1
C p 1400 2600 1000
解得C 2.15kg湿滤渣/ kg干渣 干渣质量与滤液体积比
w X 0.041000 43.8kg干渣 / m3滤液
1 CX 1 2.15 0.04 湿滤渣体积与滤液体积比
L L LWH ， H
u q /WH q
u tc tc
所以utc
q LW
1.25104 / 3600 2.5 5
0.278m / s
设临界粒径的粉尘的沉降属于层流区
d pc
18 p
g ut
18 2.53105
2000 0.779 9.81
重点掌握
过滤速率基本方程式 恒压过滤方程式 过滤常数的测定
36
过滤的相关概念
过滤：使含固体颗粒的非均相物系通过布、 网等多孔性材料，分离出固体颗粒的操作。
滤浆（料浆）—— 悬浮液 滤饼（滤渣）—— 被截留的固体物质 过滤介质 —— 多孔物质 滤液（母液）—— 通过过滤介质的液体
ut
qvs WL
ut
d
2 p
(
p
)g
18
L u
ut
所以
d pc
18 qvs ( p )g WL
— 能完全分离的最小 粒径 — 临界粒径
19
降尘室的形状
当含尘气体的体积流量q不变时，降尘室的高度 H减为原来的1/2，则颗粒的沉降时间减半，在 降尘室的停留时间也减半。 当降尘室有多层（N层）隔板时，由于气体流 动的截面积不变，颗粒的水平流速不变，停留 时间不变，沉降时间H/ut不变，因而颗粒的沉
Fg
mg
6
d
3 p
p
g
Fb
6
d
3 p
g
Fd
A u 2
2
4
d
2 p
u
2
2
11
由牛顿第二定律 F ma ，得
6
d
3 p
(
p
)g
4
d
2 p
u 2
2
6
d
3 p
p
du
d
当 du 0 时，解得
d
ut
4d p ( p )g 3
X 1 CX
X
1 CX
44
例3－4
已知1kg悬浮液中含0.04kg固体颗粒，湿滤渣、 干渣及滤液的密度分别为ρc=1400kg/m3， ρp=2600kg/m3， ρ＝1000kg/m3。试求（1）湿 滤渣与其中所含干渣的质量比C；（2）干渣质 量与滤液体积的比值w；（3）湿滤渣体积与滤 液体积的比值V。
7
颗粒与流体相对运动时，颗粒所受的阻力Fd可 以这样计算：
Fd
A u 2
2
4
d
2 p
u
2
2
hf
p
F
A
u2 2
A——颗粒在运动方向上的投影面积，m2。
(Re) ( d pu )
——阻力系数。
8
24 ，层流区或Stokes定律区（10-4<Re<2） Re ξ 10，过渡流区或Allen定律区(2<Re<500) Re 0.44 ，湍流区或Newton定律(500<Re<2105)
23
24
絮凝剂：能促进微粒絮凝的物质。
常用的絮凝剂明矾[KAl(SO4)212H2O]、三氯 化铝、聚合氯化铝、绿矾(FeSO47H2O)、三 氯化铁、聚合硫酸铁等。
25
作业
P125 3-2、3－3
26
第三节 离心沉降
离心沉降：依靠离心力而使流体中的颗粒产 生沉降的运动。
离心分离因数
1.织物介质：由纤维、金属丝等编织而成的滤 布和滤网。 2.堆积粒状介质：由砂、木炭等堆积而成的床 层。 3.多孔介质：由多孔陶瓷、多孔金属和多孔塑 料制成的管和板。
40
助滤剂：某种质地坚硬、粒度均匀的颗粒，
如硅藻土、珍珠岩等。
1.作用：防止滤饼压缩及细小颗粒堵塞过滤介质 的孔隙。
2.使用方法：
wC 43.8 2.15 0.0673m3湿滤渣/ m3滤液
c
1400
46
过滤速率基本方程式
过滤速率基本方程式：描述滤液量随过 滤时间变化关系的方程式。
过滤速率，单位时间内获得的滤液体积
dV , m3 / s
d
过滤速度，单位过滤面积的过滤速率 u dV
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