5沉降与过滤
污水处理中的沉降与过滤
针对不同污水来源和特点，开 展实际应用案例的研究，验证 沉降和过滤技术的可行性和有 效性。
加强与其他学科领域的交叉研 究，如物理学、化学、生物学 等，以拓展沉降和过滤技术的 应用范围和领域。
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部，从而实现水质的净化。
沉降和过滤的效果受到多种因素的影响，如颗粒物的粒径、密度、形状 以及滤料的孔隙率、粒径、材质等。为了提高沉降和过滤效果，需要选 择合适的工艺参数和技术手段。
对未来研究的建议
进一步研究不同类型颗粒物和 滤料的性质对沉降和过滤效果 的影响，为实际应用提供更加
科学的依据。
探讨新型的沉降和过滤技术， 以提高污水处理效率和水质净
02
沉降原理
自然沉降
自然沉降是利用污水中的颗粒物在静 置状态下受到重力作用自然下沉的原 理。
自然沉降的缺点是处理效率较低，需 要较大的沉淀池面积和较长的沉淀时 间。
自然沉降的优点是简单易行，无需额 外能耗，适用于处理低浓度、颗粒物 较大的污水。
强制沉降
强制沉降是通过向污水中加入絮 凝剂，使颗粒物凝聚成较大絮体 ，再利用沉淀池或沉淀桶进行分
智能化控制
利用物联网、大数据和人工智能等 技术，实现沉降与过滤过程的智能 化控制，提高处理效率和稳定性。
处理效率与成本的关系
优化工艺流程
01
通过改进工艺流程和操作参数，降低能耗和物耗，提高处理效
率，同时降低处理成本。
资源回收利用
02
将处理过程中产生的副产物进行回收利用，如污泥中的有机物
和金属元素，降低处理成本并实现资源化利用。
污水处理中的沉降与过滤
汇报人：可编辑 2024-01-04
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。
沉降与过滤复习题答案
沉降与过滤复习题答案1. 沉降的基本原理是什么？沉降的基本原理是利用重力作用使悬浮在液体中的固体颗粒沉降到容器底部的过程。
当液体流动速度降低或停止时，颗粒因重力作用而逐渐沉降。
2. 影响沉降速度的因素有哪些？影响沉降速度的因素包括颗粒的大小、形状和密度，液体的粘度和密度，以及颗粒与液体之间的摩擦阻力。
3. 过滤操作中，过滤介质的作用是什么？过滤介质的作用是阻止固体颗粒通过，同时允许液体顺利流过。
过滤介质的选择取决于颗粒的大小和形状，以及过滤的精度要求。
4. 什么是真空过滤？真空过滤是一种利用真空泵产生的负压来加速过滤过程的方法。
在真空过滤中，过滤介质的一侧被抽成负压，从而加快液体通过过滤介质的速度，提高过滤效率。
5. 沉降与过滤在工业生产中有哪些应用？沉降与过滤在工业生产中的应用非常广泛，包括水处理、化工产品的分离、食品加工、制药工业中的原料提取和纯化等。
这些过程通常需要去除悬浮固体或实现固体与液体的分离。
6. 沉降池的设计需要考虑哪些因素？沉降池的设计需要考虑的因素包括池的尺寸、形状、进出水方式、颗粒沉降的时间和速度，以及池内水流的分布和流动特性。
7. 过滤操作中，如何提高过滤效率？提高过滤效率的方法包括增加过滤介质的面积、使用多孔性更好的过滤介质、优化过滤介质的结构以减少过滤阻力、以及采用适当的过滤辅助设备如真空泵或压力泵。
8. 沉降与过滤过程中，如何减少颗粒的再悬浮？减少颗粒再悬浮的方法包括控制水流速度以避免扰动沉降的颗粒、使用适当的搅拌或混合设备以防止颗粒沉积、以及在过滤操作中保持过滤介质的清洁和完整性。
9. 沉降与过滤操作中，如何控制操作条件以优化分离效果？优化分离效果的操作条件包括调整pH值以改变颗粒的表面电荷、控制温度以影响液体的粘度和颗粒的沉降速度、以及选择合适的沉降或过滤设备和操作参数。
10. 沉降与过滤在环境保护中的应用有哪些？沉降与过滤在环境保护中的应用包括废水处理、空气净化、土壤修复等。
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。
沉降与过滤
概述
(本章:本质上讲:属于流体流动过程,从方法或手段上讲:属于非均相分离过 程,下册讲的蒸馏、吸收、萃取等单元操作都是均相分离过程)。 1、相：体系中具有相同组成，相同物理性质和相同化学性质的均匀物质。 相与相之间有明确的界面。
2、均相：凡物系内部各处物理料质均匀而不存在相界面者，称为均相混 合物或均相物系。溶液及混合气都是均相混合物。
Vs LW
与临界粒径dpc相对应的临界沉降速度
utc
Vs LW
（又称表面负荷qo）
当尘粒沉降速度处于层流区时，d pc
18 Vs ( p )g LW
表明：1、大于dpc的尘粒能100%除去； 2．降尘室的处理能力只取决于降尘室 的底面积，与高度H无关。
重力沉降
悬浮液的沉聚过程 ：
悬浮液的沉聚过程；属重力沉降，在沉降槽中进行。固体颗粒在液体中的沉降过程， 大多属于干扰沉降。比固体颗粒在气体中自由沉降阻力大。随着沉聚过程的进行， Ａ，Ｄ两区逐渐扩大，Ｂ区这时逐渐缩小至消失。在沉降开始后的一段时间内，Ａ， Ｂ两区之间的界面以等速向下移动，直至Ｂ区消失时与Ｃ区的上界面重合为止。此 阶段中ＡＢ界面向下移动的速度即为该浓度悬浮液中颗粒的表观沉降速度。表观沉 降速度不同于颗粒的沉降速度，因为它是颗粒相对于器壁的速度，而不是颗粒相对 于流体的速度。
湍流区：Re=500--2105，
≌0.44
──Newton区
球形颗粒的自由沉降 ：
重力沉降
自由沉降──对于单一颗粒在流体中的沉降或者颗粒群充分地 分散、颗粒间互不影响，不致引起相互碰撞的沉降过程。
1．加速阶段——
沉降开始时，颗粒初速度为零，
颗粒受重力和浮力的作用，合力不为零，
产生加速度。
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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（三） 气体净化
? 1. 机械除尘 ? (1) 重力除尘——重力降尘室 （几十个μm）
(2) 离心除尘（几个μm）
(3) 过滤除尘
2. 洗涤除尘
29
洁净空气净化流程
PM2.5 ：指环境 空气中动力学当 量直径小于等于 ? 初效过滤器：粗(大)孔无纺布、金属丝网，21.50μμmm的以颗上粒颗物粒。 ? 中效过滤器：中、细孔无纺布、金属丝网， 1~10μm颗粒 ? 亚高效过滤器：玻璃纤维滤纸， 1~5μm颗粒，10万级洁净度 ? 高效过滤器：超细玻璃纤维滤纸， 0.3~1μm颗粒，10万级以上
t
18 ?
11
离心沉降分离临界 粒径：
R/u r ≤ n·2πR/u
旋 液 分 离 器
13
三 过滤
? 基本概念： 以多孔物质为介质，在 外力的作用下， 使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒 被截留在介质上，从而实现固液分离的单元操作
?过滤介质 : 过滤采用的多孔物质 ?滤浆: 所处理的悬浮液 ?滤液: 通过多孔通道的液体 ?滤饼或滤渣 : 被截留的固体物质 ?助滤剂：减小过滤阻力、提高滤饼的刚性和孔
t
18 ?
过渡区（1<Re<103） （艾伦区）
5
ut
?
0 . 154
?d ? ?
?( 1.6
p
p
? ? 0.6
??
0 .4
)
g
? ? ?
7
ζ=0.44 湍流区（103<Re<105） （牛顿区）
u ? 3g(? p? ? )dp
t
?
计算方法——试差法 步骤：假设流型→采用对应公式计算→校核 Re及流型
? 2. 超滤
– 孔径0.02~0.03μm ，用于溶剂小分子与分子量在500以上的溶质 大分子的分离，例如液体制剂的净化
? 3. 纳滤
– 孔径一般为1~2nm ，截留有机物，透过小分子、无机离子
? 4. 反渗透
– 在压力作用下，特定分子或离子选择性透过半透膜，孔 100nm 以 下
? 5. 电渗析
隙率的惰性材料。硅藻土、珍珠岩粉
14
过滤方式
? 过滤的操作基本方式 – 滤饼过滤 – 深层过滤
15
过滤的推动力、阻力和程序
? 推动力：
– （1）重力过滤 利用滤浆本身的液柱高度 – （2）加压过滤 在滤浆表面加压 – （3）真空过滤 在过滤介质下方抽真空 – （4）离心过滤 利用惯性离心力，数千上万倍
（? p为颗粒密度）
当：F g - F b - F d =0时：
阻力 Fd
ut ?
4 gd p ( ? p ? ? )
3??
u
浮力 Fb
重力 Fg
4
沉降阻力系数 ξ
ξ
5
沉降速度计算
ζ=24/ Re 层流区（10-4< Re≤1） （斯托克斯区）
Re=(ρd put)/μ
u ? gd p 2 ( ? p ? ? )
三个力达到平衡时：
?
6
d p2r?
2(? p
?
?)??
?dp2
4
? ? ur 2
2
?
0
10
离心沉降速度
平衡时，颗粒在径向上相对于流体的离心沉降速度为： u r---离心沉降速度 u T---气体在分离器中流速
当颗粒所受的流体阻力处于斯托克斯区，离心沉降速度为:
ζ=24/ Re
u ? gd p 2 ( ? p ? ? )
注：q=V/A ，qe=Ve/A
20
21
22
四 膜分离（膜过滤）
? （一）膜分离原理与膜组件
– 膜是介于两相流动相之间的一种凝固态物质 – 膜具有多孔结构，尺寸 nm ~ μm
外壳
中空纤维束
超滤液出口
料液入口
浓缩液出口
中空纤维超滤膜组件
（二）膜分离分类
? 1. 微滤
– 孔径0.6~0.8μm，用于从液相或者气相中截留微粒、细菌、及其 它污染物，例如液体制剂的除菌
A ? ?过滤面积
t ? ? 过滤时间
dV m3 / s dt dV m / s Adt
2、滤液通过滤饼层的流动
（过滤过程分析）
P1
1
1
滤液在管内层流，则在 1-1，2-2截面
之间存在阻力→存在压力降ΔP
2 P2
2
17
? P ? P1 ? P2 ? ?由两部分组成
滤饼层：? PC 介质层：? Pm
第五章 沉降与过滤
目的：非均相混合物的分离（提纯、回收） 非均相混合物 (物系)：物系内部有相界面存在， 而在相界面两侧的物料性质截然不同的物系。 例：含尘气体、悬浮液、乳浊液、泡沫液
2
主要内容
? 一 重力沉降 ? 二 离心沉降 ? 三 过滤 ? 四 膜过滤 ? 五 气体净化
一 重力沉降
ห้องสมุดไป่ตู้
运动的颗粒受力：重力、浮力和阻力
? 过滤阻力：介质阻力， 滤饼阻力
? 过滤程序
– （1）过滤阶段 恒速过滤和恒压过滤 – （2）滤饼洗涤 – （3）滤饼挤压或干燥 – （4）滤饼卸除 回收滤饼
16
过滤基本理论
1、过滤速率与过滤速度
过滤速率：单位时间内过滤面积 A上获得的滤液体积 过滤速度：单位时间单位过滤面积上获得滤液体积
V ? ? 滤液体积；
? ? P ? ? PC ? ? Pm
18
过滤基本方程
ν——每获得1m3滤液所形成的滤饼体积； m3
r ‘——单位压强差下滤饼的比阻， 1/m 2
s ——滤饼的压缩性指数，无因次 一般情况下， s=0~1。对于不可压缩滤 饼，s=0
19
恒压过滤速率方程
? 恒压过滤常数K:
? V 2 +2Ve V = KA 2t ? q 2 +2qq e =Kt
6
重力沉降分离
重力沉降分离临界粒径计算方法： h/u t ≤ l/u
7
重力沉降槽（增浓器和澄清器）
9
二 离心沉降
颗粒在离心力场中径向沉降方向上受力分析：
离心力
Fc
?
?
6
d p3?
p R?
2
浮力
Fb
?
?
6
d p3?R?
2
阻力
Fd
?
?
?d
2 p
??ur2
4
2
u 阻力 Fd
离心力 Fc
浮力 Fb
颗粒在离心力场中的受力分析