第三章 沉降与过滤

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
（三）滤饼的压缩性和助滤剂
不可压缩滤饼： 当滤饼两侧的压强差增大时，颗粒的形状和颗粒间的空隙 不会发生明显变化，单位厚度床层的流动阻力可视作恒定。 可压缩滤饼： 当滤饼两侧的压强差增大时，颗粒的形状和颗粒间的空 隙会有明显的改变，单位厚度饼层的流动阻力随压强差增 大而增大。 助滤剂： 为了降低可压缩滤饼的过滤阻力，可加入助滤剂以改 变滤饼的结构。
影响沉降速度的因素
干扰沉降
u 干扰 < u自由
与颗粒体积相等的球表 面积 πd e2 球形度 ϕ = = 非球形颗粒的表面积 A 颗粒形状
φ越小，阻力越大，Re相同时沉降速度越小。 壁效应 使沉降速度下降。
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3.2.2 降尘室
利用重力沉降分离含尘气体中的尘粒，分离50微米以 上的粗颗粒。典型的水平流动式降尘室。
第三章 沉降与过滤
3.1 概述 3.2 重力沉降 3.3 离心沉降 3.4 过滤
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3.1 概述
3.1.1 混合物的分类
均相混合物：物系内各处组成均匀且不存在相界面。如溶 液及混合气体属于此类。均相混合物组分的分离采用传质分 离方法（精馏、吸收、萃取）。 非均相混合物：物系中存在相界面，且界面两侧物料的性 质不同。非均相混合物由分散物质（分散相）和分散介质 （连续相）所组成。非均相混合物的分离采用机械分离方法 （过滤、沉降）。 ①气态非均相混合物，如含尘气体、含雾气体等； ②液态非均相混合物，如悬浮液、乳浊液等。
提高分离效率的途径：
缩小旋风分离器直径、增大进口气速、延长锥体部分 的高度等。
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旋风分离器组
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旋风分离器的类型
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旋风分离器的类型
选择旋风分离器的依据： 含尘气体的体积流量； 要求达到的分离效率； 允许的压力降。
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旋液分离器
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转鼓式离心机
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其它沉降式离心机
1. 管式离心机 2. 碟式离心机 3. 螺旋式离心机
Fd = ζA
因次分析法：
ρu
2
2
式中： Fd ——颗粒所受的总曳力，N； A——颗粒在流体流动方向上的最大投影面积，m2； ζ——曳力系数； ρ——流体的密度，kg/m3； u——流体与颗粒间的相对速度，m/s。
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d P ρu ζ = φ μ = φ(ReP )
9
流体对固体颗粒的绕流
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2
离心分离因数
重力沉降速度ut 离心沉降速度ur
d P 2(ρ P − ρ ) ⋅ Rω 2 ur = 18 µ
d P ( ρ P − ρ )g ut = 18µ
2
方向:
向下，大小不变
径向向外，随R变化
ur Rω 2 F离 = = Kc = ut g F重
离心分离因数KC——同一颗粒在同种介质中
2×105
24 ζ = Re P
ζ = 0.44
1 Fd = 0.44 AP ρ u 2 2
Fd = 3π µd P u
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3.2 重力沉降
3.2.1 静止流体中颗粒的自由沉降
Fd Fb dP
π 3 重力： Fg = d P ρP ⋅ g 6 π 浮力： Fb = d P 3 ρg 6
阻力：
1 Fd = ζ d P ρ u2 4 2
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3.2.2 降尘室
多层降尘室
qVs ≤ (n + 1) ⋅ A ⋅ ut
缺点： 清灰难； 隔板间距小， 颗粒易被扬起。
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可分离20 μm以上的微粒。
3.2.3 悬浮液的沉聚
悬浮液放在大型容器里，其中的固体颗粒在 重力下沉降，得到澄清液与稠浆的操作称为沉聚。 增稠器：分离较稠原液获得稠浆的设备； 澄清器：分离较稀原液获得澄清液的设备。
讨论： （ 1） b dpc D 旋风分离器越大，分离效果越不好 所以生产能力较大时，一般采用多个小旋风分 离器并联。 （ 2） ui dpc 分离效果好 流动阻力大
ui = 12 ~ 25m / s
（3）压降：
旋风分离器的压降大小是评价其性能好坏的重要指标。 进、排气与筒壁之间的摩擦损失； 进入时突然扩大的局部阻力； 旋转中动能损失
---旋风分离器
ur Rω 2 ui2 = = Kc = ut g gr
若 ui=20m/s，R=0.3m，则 Kc=136 即离心沉降速度为重力沉降速度的136倍。
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（2）临界颗粒直径
ui b
假设： • 切向速度ut=进口速度ui • 颗粒沉降的最大距离b • 层流 rm——平均旋转半径
沉降速度： ur =
A = W ⋅ L 为降尘室底面积
结论：降尘室的生产能力只与沉降面积WL及颗粒 沉降速度ut有关，而与高度H无关。
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3.2.2 降尘室
L H ≥ u ut
临界粒径：该式取等号时对应的能被除去的最小颗粒直径。 Stocks 区：
ut =
gd 2 pc (ρ P − ρ ) 18 µ
H ⋅u = L
通常压降用入口气体动能的倍数来表示：
∆p = ζ
ρui2
2
其中阻力系数要依据不同的设备用实验测定。对给定 的旋风分离器型式，其值为常数。例如，CLG型的阻力
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系数值为5.0~5.5。
影响旋风分离器性能的因素 :
影响旋风分离器性能的因素较多，其中最重要的是物 系性质及操作条件。一般说来，颗粒密度大、粒径大、 进口气速度高及粉尘浓度高等情况均有利于分离。
滤 浆 滤 饼 过滤介质
推动力：压力差、 离心力、重力 阻 力：滤饼、 过滤介质阻力
滤 液
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（一）两种过滤方式 滤饼过滤
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深层过滤
（二）过滤介质
对过滤介质的性能要求：过滤介质起着支撑滤饼的作 用，对其基本要求是具有足够的机械强度和尽可能小的流 动阻力，同时，还应具有相应的耐腐蚀性和耐热性。
d p 2 ( ρ p − ρ ) ui2 18 µ rm
18 µ brm b = = 沉降时间： θ r 2 2 ur d p ( ρ p − ρ )ui
2π rm n 停留时间： θ = ui
沉降分离条件：
n—旋转圈数
θr ≤ θ
临界颗粒直径：
µb d pc = 3 π nui ( ρ p − ρ )
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3.2.3 悬浮液的沉聚
23
3.2.3 悬浮液的沉聚
沉降槽（增稠器）
连续式增稠器
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3.2.3 悬浮液的沉聚
分级器
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例3-1：质量流量为1.1kg/s、温度为20℃的常压 含尘空气在进入反应器之前必须除尘并预热至 400℃，所含尘粒密度为1800/m3 。现有一台总面 积为 130m2 的多层降尘器，试求在下列两种情况 下此降尘器可全部除去的最小颗粒直径： （ 1） （ 2） 先除尘后预热； 先预热后除尘。
2 2 1 / 3
Allen区
dp
Newton区
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ut = 3.03 g ( ρ p − ρ )d p / ρ
3.2.1 静止流体中颗粒的自由沉降
沉降速度的计算 试差法
• • • • 假设沉降处于某一区域； 计算ut； 计算Rep，校验区域； 若符合，则正确，否则重新假设区域。
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3.2.1 静止流体中颗粒的自由沉降
曳力系数
Allen区
Newton区
Stokes区
2
500
10
流体对固体颗粒的绕流
d P ρu 曳力系数 ζ = φ = φ ( ReP ) µ 球形颗粒在不同的雷诺数范围内计算公式如下：
ReP Stokes区 2 Allen区
ζ =
10 Re P
0.5
500 Newton区
W
α
u
dA
τ ∫ τW sin αdA
A
sinα dA -- 表面曳力：由于
流体和颗粒表面的摩擦所导致的 曳力，主要由颗粒表面积的大小 决定。
总曳力Fd ：
7
∫ p cos α dA + ∫ τ
A A
W
Sinα ⋅ dA
流体对固体颗粒的绕流
曳力
光滑球体：Fd = f (d P , u, ρ , µ )
ut
W
沉降分离的条件：停留时间τr ≥ 沉降时间τt
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3.2.2 降尘室
H 颗粒沉降到器底所需时间：τ t = ut
ut
气体的停留时间： 满足沉降条件：
W
L τr = u
τr ≥τt
L H 即： ≥ u ut
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3.2.2 降尘室
降尘室的处理能力：
qVs qVs = WHu u = WH
qVs ≤ ut A
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3.3 离心沉降
ur
ui
R
2 u 3 i = ρ F d C P P 离心力： 6 R
π
FD F
a
FC
2 u 浮力（向心力）： Fa = d P 3 ρ i 6 R 1 π 阻力： FD = ζ d P 2 ρ ⋅ ur 2 4 2
π
∴ FC − Fa − FD = ma
受力平衡时，径向速度ur为该点的离心沉降速度。
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气力输送可以从不同角度加以分类：
（1）按气流压力分类
吸引式稀相输送
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压送式稀相输送
（2）按气流中固气比（混合比）分类
稀相输送
密相输送
脉冲式密相输送装置
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3.4 过滤
3.4.1 悬浮液的过滤
过滤是在重力、压力差或惯性离心力作用下，使悬浮 液中的液体通过多孔介质的孔道，而固体颗粒被截留在介 质上，从而实现固、液分离的操作。