化工原理 第三章 沉降与过滤
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
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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
第3章 沉降与过滤-化工原理
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
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 。
化工原理答案 第三章 沉降与过滤
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 mρ=，黏度.524110Pa sμ-=⨯⋅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.R e ..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=pw p wp a pat wad d u gρρρρμμ--=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,/./.6336101040001121810p c p d m k g m k g m P a sρρμ--=⨯===⨯⋅,, (1) 沉降速度计算 假设为层流区().()(.)./.26269811010400011001181821810p c p t gd u m sρρμ---⨯⨯-===⨯⨯验算..R e.66101000111000505221810pc t d u ρμ--⨯⨯⨯===<⨯． 为层流(2) 气体的最大流速m ax u 。
化工原理第三章沉降与过滤
−5
洗涤速率为最终过滤速率的1/4。洗涤水量为： 。洗涤水量为： 洗涤速率为最终过滤速率的
VW = 0.1V = 0.95
洗涤时间
θW
4VW 4 * 0.95 = = = 1392 s −3 (dV / dθ )终了 2.73 ×10
过滤 操作周期为： 操作周期为：
T = θ + θ W + θ D = 1814 . 5 + 40 * 60 + 1392 = 5606 . 5 s
沉降
沉降
过滤
滤 浆 滤 饼 过滤介质
滤 液
过滤
过滤
过滤
V+Ve V+Ve V V
Ve
0
θe
θ θ+θe
θ θ+θe
过滤
的水悬浮液， 例题 在试验装置中过滤钛白 TiO 的水悬浮液，过滤压力为 2 3kgf/cm 2（表压），求得过滤常数如下： = 5 × 10 −5 m 2 /s 表压），求得过滤常数如下： ），求得过滤常数如下 K
q e = 0.01m 3 /m 2
又测出滤渣体积与滤液体积之比 v = 0.08m 3 /m 3 。现 要用工业压滤机过滤同样的料液， 要用工业压滤机过滤同样的料液，过滤压力及所用滤布亦与 实验时相同。压滤机型号为BMY33/810-45。机械工业部标 实验时相同。压滤机型号为 。 规定： 代表板框式 代表板框式， 代表明流 代表明流， 代表采用液 准TH39-62规定：B代表板框式，M代表明流，Y代表采用液 规定 压压紧装置。这一型号设备滤框空处长与宽均为810mm， 压压紧装置。这一型号设备滤框空处长与宽均为 ， 厚度为45mm，共有 个框，过滤面积为 ㎡，框内总容量 个框， 厚度为 ，共有26个框 过滤面积为33㎡ 为0.760m3。 。
[高中教育]第3章沉降与过滤ppt
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15.11.2020
16
3.3重力沉降
沉降 在某种力场中利用分散相和连续相之间的密度差异 ，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。
重力 作用力
重力 沉降
(分离较大的颗粒）
惯性离心力
离心沉降
3.3.1重力沉降
(分离尺寸小的颗粒）
3.3.1.1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。
的表面积最小，因此对非球形颗粒，总有S 1 ，颗粒的形 状越接近球形， S 越接近1，对于球形颗粒 S 1。
②颗粒的当量直径
颗粒的当量直径表示非球形颗粒的大小，通常有两种表示
方法： a)等体积当量直径
de
3
6
VP
V P－颗粒体积m3
15.11.2020
7
b)等比表面积当量直径
即与非球形颗粒比表面积相等的球形颗粒的直径为该颗粒的
连续相与分散相 分离
不同的物理性质
机械 分离
分散相和连续相 发生相对运动的方式
15.11.2020
沉降 过滤
3
3.1.2非均相物系分离的目的
（1）收集分散物质
例如从气流干燥器或喷雾干燥器排出的气体中回收固体产品。
（2）净化分散介质
例如：生产硫酸，二氧化硫炉气含杂质，净化。
（3）环境保护
空气中的粉尘、废水、废气治理。
。 (VG/S)/V
一般，乱堆床层ε＝0.4～0.7；均匀球体：松排列ε＝ 0.4，紧密排列ε＝0.26。
（2）床层的自由截面积
床层截面上未被颗粒占据的流体可以自由通过的面积， 称为床层的自由截面积。
15.11.2020
10
☆床层的各向同性：小颗粒乱堆床层可以认为是各向同性的 。各向同性床层的重要特性之一是其自由截面积与床层截面 积之比在数值上与床层的空隙率相等。同床层空隙率一样， 由于壁面效应的影响，壁面附近的自由截面积大。
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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假设颗粒运动的水平分速度与气体的流速 u 相同； 停留时间＝L/u 沉降时间t＝H/ ut
2013-11-24
颗粒分离出来的条件是 L/u≥H/ut
20
临界粒径dpc（critical particle diameter）：能100％除去 的最小粒径。
即：满足L / u＝H/ut 条件的粒径
d pc q 18 Vs ( p ) g bl
2013-11-24
23
（二）沉降槽（增稠器） 1. 悬浮液的沉聚过程
2013-11-24
24
2. 沉降槽（增稠器）
2013-11-24
25
第三节
一、离心沉降速度
离心沉降
（一）沉降过程
合
切向速度 u 径向速度 ur
合成u合
2013-11-24
2) 连续相的粘度： 应用：
加酶：清饮料中添加果胶酶，使 ↓→ut↑，易于分离。 增稠：浓饮料中添加增稠剂，使 ↑→ut↓，不易分层。 加热：
3) 两相密度差( p-)： 2013-11-24
16
在实际沉降中： 4) 颗粒形状
非球形颗粒的形状可用球形度s 来描述。
s—— 球形度；
4R ( s ) 2 ut d 225
2 2 1 3
湍流区（牛顿Newton区，500<Re<2*105）
ut
2013-11-24
3R2 ( s ) d
29
（二）离心分离因数 重力沉降速度ut 层流 方向 离心沉降速度ur
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。
2013-11-24 15
影响沉降速度的因素总结(以层流区为例)
1) 颗粒直径dp 应用：
ut
gd 2 ( s ) 18
啤酒生产，采用絮状酵母，dp↑→ut↑↑，使啤酒易于分离和澄清。
均质乳化， dp↓→ut↓↓，使饮料不易分层。 加絮凝剂，如水中加明矾。
26
颗粒在离心力场中沉降时，在径向沉降方向上受力分析。
离心力Fc
浮力Fb
6
6
d P P R
3
3
2
颗粒与流体在径向上的相对速度ur
d P R 2
阻力 Fd
惯性离心力 Fc
阻力Fd
d P 2 u r 2
4 2
向心力（浮力） Fb
颗粒在离心力场中的受力分析 若这三个力达到平衡，则有
解：在20℃的水中： 20℃水的密度为998.2kg/m3，粘度为 1.005×10-3 Pas
先设为层流区。
ut
d 2 ( s ) g 18
( 98106 )( 3000998.2 )9.81 181.00510 3
9.797 10 m / s
3
计算Re，核算流型：
2013-11-24
6
d P R 2 ( p )
3
d 2 ur 2
4 2
0
27
离心沉降速度：颗粒在径向上相对于流体的速度，就是这个位
置上的离心沉降速度。
注：在一定的条件下，重力沉降速度是一定的，而离心
沉降速度随着颗粒在半径方向上的位置不同而变化。
在离心沉降分离中，当颗粒所受的流体阻力处于斯托克斯区，
沉降公式可用于沉降和上浮等情况。
2013-11-24 17
5) 壁效应 (wall effect) ：
当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，其沉
降速度较自由沉降速度小，这种影响称为壁效应。
6)干扰沉降（hindered settling）：
当非均相物系中的颗粒较多，颗粒之间相互距离较近时，
Fd
Fd与颗粒运动的方向相反 只要颗粒与流体之间有相 对运动，就会产生阻力。 对于一定的颗粒和流体， 只要相对运动速度相同，流 体对颗粒的阻力就一样。
u
图
2013-11-24
流体绕过颗粒的流动
5
颗粒所受的阻力Fd可用下式计算
Fd A
u 2
2
d p u
( Re ) (
内圆筒 外圆筒 净化气体
含尘气体从圆筒上部长方形切线 切向入口 进口进入。入口气速约为15～
含尘气体
内螺旋
外螺旋
锥形筒
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，旋转半径缩小而切
向速度增大，气流与颗粒作下螺旋
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Leabharlann ut d p ( p )g
2
18
ur
d
p
2
( p ) u2 18 r
向下，大小不变
径向向外，随r变化
Fc ur u KC ut gr Fg
离心分离因数（separation factor）Kc：离心力与重力比。
2
Kc=Rω2/g
2013-11-24 30
第三章 沉降与过滤
第一节 概述
自然界的混合物分为两大类：
均相物系(honogeneous
system): 均相混合物。物系内
部各处均匀且无相界面。如溶液和混合气体都是均相物系。
非均相物系(non-honogeneous
system): 非均相混合物。
物系内部有隔开不同相的界面存在，且界面两侧的物料性质有 显著差异。如：悬浮液、乳浊液、泡沫液属于液态非均相物系， 含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。
颗粒沉降会受到其它颗粒的影响，这种沉降称为干扰沉降。干 扰沉降速度比自由沉降的小。
2013-11-24
18
二、降尘室
降尘室的示意图
降尘室：利用重力降分离含尘气体中尘粒的设备。是一种最原 始的分离方法。一般作为预分离之用，分离粒径较大的尘粒。
2013-11-24 19
沉降分离条件
L
含尘气体
ut
u
净化气体 W
Re
2013-11-24
d pu
95106 9.797103 998.2 1.005103
0.9244 2
14
假设正确，计算有效。
（三）影响沉降速度的其它因素 1.干扰沉降
u 干扰 u自由
2. 颗粒形状
与颗粒体积相等的球表 面积 d e2 球形度 非球形颗粒的表面积 A
出； 固相沿内壁落入灰斗。 2013-11-24
关风器
(防止空气进入)
二、 离心沉降设备 （一）旋风分离器 1. 结构与工作原理
其结构简单，制造方便；
分离效率高；
可用于高温含尘气体的分离；
KC为5~2500，可分离 气体中5~75m的颗粒。
2013-11-24
结构：
外圆筒； 内圆筒； 锥形筒。
31
工作过程
20m/s。 含尘气体沿圆筒内壁作旋转流动。
2013-11-24 3
2. 净化分散介质。
沉降： 在某种力场的作用下，利用分散物质与分散介质的 密度差异，使之发生相对运动而分离的单元操作。 沉降力场：重力、离心力。 沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。
2013-11-24
4
颗粒相对于流体的运动
当流体相对于静止的固体颗粒流动时，或者固体颗粒在静止 流体中移动时，由于流体的粘性，两者之间会产生作用力，这 种作用力通常称为曳力（drag force)或阻力。
度比在气体中的小很多。
2013-11-24 12
（二） 沉降速度的计算 求沉降速度通常采用试差法。
①假设流体流动类型；
②计算沉降速度； ③计算Re，验证与假设是否相符； ④如果不相符，则转①。如果相符，OK !
2013-11-24
13
例：计算直径为98m，密度为3000kg/m3的固体颗粒
分别在20℃的水中的自由沉降速度。
2013-11-24 1
非均相物系由分散相和连续相组成
分散相： 分散物质。在非均相物系中，处于分散 状态的物质。 连续相： 分散介质。包围着分散物质而处于连续 状态的流体。
2013-11-24
2
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; 均相物系的分离： 通常先造成一个两相物系，再用机械分离的方法 分离，如蒸馏，萃取等。
S —— 颗粒的表面积，m2； Sp—— 与颗粒体积相等的圆球的表面积，m2。
s
S Sp
不同球形度下阻力系数与Re的关系见课本图示，Re中的
dp用当量直径de代替。
注意：
球形度s越小，阻力系数 越大，但在层流区不明显。ut非球<ut球
。
对于细微颗粒(d<0.5m)，应考虑分子热运动的影响，不能用沉降公式 计算ut；
4
dp
2
u 2
2
重力 Fg
du Fg Fb Fd ma m d 2 3 3 2 u 3 dp pg dp g dp d p pa
6 6 4 2 6
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du 随着颗粒向下沉降，u逐渐增大， 逐渐减少。 d du 当u增到一定数值ut时， =0。颗粒开始作匀速沉降运动。 d 颗粒的沉降过程分为两个阶段：
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。
p , 颗粒下沉
阻力 Fd 浮力 Fb
u
重力 Fg
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重力：Fg mg
6
3
d p3 p g