第三章 过滤与沉降
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 。
第3章 沉降与过滤-化工原理讲解
dr d p2 ( p ) r 2 d p2 ( p ) ui2
d
18
18 r
分离变量，积分求得沉降时间；
60
沉降时间 ≤ 颗粒旋转n圈（平均半径rm)的停留时间：
d pc 3
b n( p )ui
ui ——进口气流的流速，m/s
b——入口宽度，m n ——气流旋转的圈数, 计算时通常取n=5。
20 2 9.81 0.3
136
48
二、 离心沉降速度
切向速度 u
合
径向速度 ur 合成u合
dr
ur d
49
离心力：FC
m
u2 r
6
d p3 p
u2 r
径向向外
浮力：
Fb
6
d p3
u2 r
指向中心
阻力：
Fd
A ur2
2
4
d
2 p
ur2
2
指向中心
受力平衡时，径向速度ur为该点的离心沉降速度。
61
d pc 3
b n( p )ui
33
沉降室设计
一定粒径的颗粒，沉降室的生产能力只与与底面积
WL和 utc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3m/s。
34
净化气体
含尘气体 粉尘 隔板
多层隔板降尘室示意图
若加入n个隔板，则： qV (n 1)WLut
4
d p2
u2
2
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ζ与Ret（颗粒与流体相对运动时的雷诺准 数）的关系：
层流区（斯托克斯定律区）10-4＜Ret＜2，
ζ=24/Ret
（2）
过渡区（艾仑定律区） 2＜Ret＜103，
ζ=10/Ret0.5
（3）
湍流区（牛顿定律区）103＜Ret＜2×105，
ζ=0.44
（4）
将（2）、（3）、（4）分别代入（1）式， 可得各区域的沉降速度公式：
气体通过降尘室的时间为：
t1=L/ug 颗粒完全沉降所需要的最长时间为：
t2=H/ut
式中 H——降尘室高度，m； L——降尘室长度，m； ug——气流在降尘室内的流速，m/s。
若要求降尘室出口气流中无尘粒，必须 有t1≥t2,即有
L/ug≥H/ut 或H≤L· ut/ug
对于一定粒径和密度的悬浮微粒，重力沉 降速度ut一定，若要提高降尘室的除尘效率， 应尽量降低尘粒的沉降距离H，因此一般降尘 室内均匀设置多层水平隔板，以提高除尘效 率。
随之增大，直到速度增加到一定值ut后，重 力、浮力、阻力三者达到平衡，颗粒以ut作 匀速沉降运动。
对于微小颗粒，沉降的加速阶段时间很短， 可以忽略不计，因此整个沉降过程可视为恒 速过程。沉降速度ut为：
ut
4dg(s ) 3
（1）
式中ut——沉降速度，m/s； ζ——沉降阻力因素，量纲一；
d为球形颗粒的直径，ρs和ρ分别为颗粒密 度和流体密度。
2、非球形颗粒的自由沉降速度
相同密度的颗粒，球形或近球形颗粒的沉 降速度大于同体积非球形颗粒的沉降速度。 颗粒的球形度Ф：
Ф=SP/S
式中Ф——颗粒的球形度，或称形状因素， 量纲一，Ф≤1；
S——任意几何形状颗粒的表面积，m2； SP——与该颗粒体积相等的球体的表面积， m2。 由上式可知，Фs值越小，颗粒形状与球形 的差异越大。
利用其分散相和连续相的密度、粒径等物 理性质的差异，可采用机械方法将它们分离。 其分离的目的有：
1、回收有用物质
收集粉碎机、干燥器、蒸发设备等设备出 口气流中的药粉或药液雾滴。
2、去除杂质和静化空气
除去药液中无用的混悬颗粒以便得到澄清 的药液；将结晶产品与母液分开；除去空气 中的尘粒以便得到洁净空气。
第四章 过滤与沉降
一、混合物的分类
1、均相混合物（均相物系）
在物系内部各处物料性质均匀一致而不存 在相界面，均相物系中各物质以分子或离子 状态分散，如溶液及混合气。
2、非均相混合物（非均相物系）
在物系内部有隔开两相的界面存在，且相 界面两侧物料是截然不同的，分为气态非均 相混合物和液态非均相混合物，前者如含尘 气体，后者如悬浮液、乳浊液。
2、沉降槽 沉降槽是利用重力沉降使混悬液中固相与液 相分离，得到澄清液与稠厚沉渣的设备，又叫 澄清器或者增浓器。 间歇式沉降槽在中药前处理水提醇沉工艺中 较常用，是底部稍呈锥形并有出渣口的大直径 贮液罐。药液装入罐内静置足够时间后，用泵 或虹吸管将上部清液抽出，由底口放出沉渣。 重力沉降速度的强化：增大沉降槽的横截面 积，以保证液体颗粒有足够时间沉降；在不影 响产品质量的前提下，可加入适宜的絮凝剂促 使细微粒子絮凝，以提高沉降速度。
3、环境保护和安全生产
捕集生产废气中的粉尘以达到排放标准； 去除容易构成危险隐患的漂浮粉尘保证安全 生产。
对于液态均相物系，也可以利用物系中各 物质分子粒径的不同，可以使用超滤技术使 其得到提纯或分离等。
第一节 重力沉降
在某种力场中由于非均相物系中分散相和 连续相之间存在密度差异，在力的作用下使 之发生相对运动而实现分离的操作过程。视 作用力的不同分为重力沉降和离心沉降两种 方式。
一、重力沉降速度
依靠重力作用而发生的沉降过程。如中药 浸提液的静置澄清工艺。
1、球形颗粒的自由沉降 颗粒在静止流体中沉降时，不受其他颗粒 的干扰和器壁的影响，称为自由沉降。沉降 过程中受到三个力的作用：重力Fg，方向垂 直向下；浮力Fb，方向向上；阻力Fd，方向 向上。
颗粒开始沉降后，随着速度的增加，阻力
托克斯定律，将ζ=24/Ret代入（8）式有：
第二节 离心沉降
离心沉降是依靠惯性离心力的作用而实现 的沉降过程。离心沉降比重力沉降的速度快、 分离效果好，尤其当粒子较小或两相密度差 较小时可采用离心沉降。
一、离心沉降速度
在惯性离心力场中，颗粒受到惯性离心力、 向心力和阻力的作用，当三力达到平衡时， 可求出离心沉降速度ur为：
ur
4d (s )guT2 3 R
层流区 10-4＜Ret＜2，
ut
d2(s )g 18
过渡区 2＜Ret＜103，
（5）
ut d 3
4g2(s )2 225
（6）
湍流区 103＜Ret＜2×105，
ut 1.74
d(s )g
（7）
（5）、（6）、(7)式分别称为斯托克斯公 式、艾仑公式及牛顿公式。
由以上三个公式可以看出，ut与d、(ρs-ρ) 呈正相关。
非均相混合物包含两个部分： （1）分散相（分散物质）——非均相物 系中处于分散状态的物质，如混悬液中的固 体颗粒、乳浊液中的微滴、泡沫液中的气泡、 含尘气体中的粉粒等；
（2）连续相（分散介质）——包围着分 散物质而处于连续状态的流体，如混悬液中 的液体、含尘气体中的气体。
二、非均相混合物的分离目的
计算雷诺数查取ζ值时，雷诺数Ret中直径
d应以非球形颗粒的体积当量直径de来代替， 即
de3ຫໍສະໝຸດ 6VP式中VP为任意形状的沉降颗粒的体积；de为 体积当量直径。
二、重力沉降设备
1、降尘室
利用重力沉降作用从含尘气体中分离悬浮 尘粒的设备。
含尘气体以一定流速进入降尘室后，因流 道截面积扩大而速度减慢，气流中的悬浮尘 粒因自身重力而产生垂直向下的分速度，只 要颗粒能够在气体通过降尘室的时间内降至 室底，便可实现分离。
（8）
将（8）式与（1）式比较可以看出，颗粒
的离心沉降速度与重力沉降速度具有相似的
关系式，只是将重力加速度g换成了离心加
速度
uT2 R
(uT表示离心机转鼓的切向速度)，但
两者有着本质区别：
重力沉降速度ut为恒定值，而离心沉降速 度ur随颗粒在离心力场中距轴心的距离R而变 化。
在离心沉降速度所对应Ret位于层流区 （10-4＜Ret＜1）时，阻力因素ζ仍然符合斯