【2019年整理】第三章沉降与过滤
四第三章沉降和过滤
（浮向力心力：）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。
ur
4d p ( p ) ut2 3 r
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（二）离心分离因数
重力沉降速度ut
层流
ut
dp2(p 18
3.03d p ( p )g
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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。
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10
（四）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
球形度
与颗粒体积相等的球表面积 非球形颗粒的表面积
流动阻力大
ui 12 ~ 25m / s
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3. 气体通过旋风分离器的压力降
由于:
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
造成气体压力降：
p ui2
2
一般 p= 0.3~2 kPa
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(二) 旋液分离器
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Δpc
Ad
32
d2
VC A
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令 r 32 ——滤饼的比阻
d2
过滤速度
2019年化工原理答案 第三章 沉降与过滤.doc
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 .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= 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
Re 0
du0
阻力系数~Re0关系图
①层流区(Stokes区) 不发生边界层分离
24 Re 0
Re 0 0.3
表皮阻力占主导地位
d s g u0 18
2
—Stokes公式 —可以从理论上推导出 —可以近似用到Re0=2
②过渡区(Allen区) 开始发生边界层分离
自由沉降
自由沉降是指在沉降过程中，任一颗粒的沉降不因其他颗 粒的存在而受到干扰。即流体中颗粒的浓度很低，颗粒之 间距离足够大，并且容器壁面的影响可以忽略。单个颗粒 在大空间中的沉降或气态非均相物系中颗粒的沉降以及颗 粒浓度很低的液态非均相物系中颗粒的沉降都可视为自由 沉降。
(1) 重力
重力
d 3 s g 离心力 6
w rc (V终了 Ve ) 2(V终了 Ve ) dV w V w / 2 A p A2 K d W
②板框压滤机的洗涤速度和洗涤时间——横穿洗涤
Lw 2L
AW A / 2
Aw p ( A / 2) p 1 dV d W rc w (V终了 Ve ) rc(V终了 Ve ) 4 2(V终了 Ve )
A—滤饼层总截面积；—过滤时间；V—滤液体积
说明
u1与u的关系
dV u u1 Ad
(2)过程推动力 ——滤浆侧和滤液侧的压差
p p1 p2
滤饼压降 介质压降
说明 l(L)，如p不变，则u —瞬时速度 恒压降速，恒速升压 (3) p1的表达——Hagen-Poiseuille 方程
②当位于水喷头下，对应滤饼、滤布—对应管—转动盘 孔—凹槽1 —洗水真空管 —洗水通道—洗涤 ③吹气管—凹槽3—转动盘孔— 对应管—滤布—滤饼 —压 缩空气通道—吹松 ④ 遇到刮刀 —卸渣 ⑤两凹槽之间的空白处：没有通道 ——停工—两区不 致串通
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
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。
第三章 沉降与过滤
分散相的密度差异，使之发生相对运动而分离的操作。
一、 沉降速度
1、自由沉降 单个颗粒在流体中沉降，或者颗粒群在流体中充分分 散，颗粒之间互不接触、互不碰撞的条件下的沉降。
2、沉降速度推导
将表面光滑、刚性的球形颗粒置于静止的流体中 ，进行受 力分析 F g：重力 F b：浮力 F d：阻力
du d d P 2 u 2
1 2 q qe q K K
作τ/q ~ q 图， τ/q 与q之间具有线性关系，斜率为 1/K，截距为2q e/K
四、过滤设备
板框压滤机（间歇操作）、转筒真空过滤机（连 续操作）、离心过滤机
1、板框压滤机
1）结构：
滤板和滤框交替排列组装
非洗涤板：一钮板
洗涤板 ：三钮板
框：二钮板
组装顺序：1—2—3—2—1—2—3
过滤阻力
r v(V Ve ) Rc Rm A
过滤推动力
p pc pm
过滤速度方程
dV p Ad r v(V Ve ) / A
过滤速率方程
dV Ap d r v(V Ve ) / A
三、恒压过滤
1、滤液体积与过滤时间的关系 积分得：
A2 p (V Ve )dV 0 d rv
N
转筒旋转一周获得的滤液量为：Q/N 单位面积的滤液量为：
Q q AN
代入过滤速率方程：
Q Q ) K( ) 2qe ( AN N AN
2
解方程可得：
2 Q AN ( qe
K qe ) N
忽略过滤介质阻力
Q A KN
3、离心过滤机
4、影响沉降因素
第三章沉降与过滤
2、旋风分离器的性能
➢ 临界粒径dpc 临界粒径随分离器直径增大而增大
➢ 分离效率 反映旋风分离器的除尘能力，有总效率和粒级效率之分。
➢ 压降△p 压降也是衡量旋风分离器性能的重要指标。压降与进口气 速有关，气速低则分离效率不高，过高则压降大、能耗高， 且涡流加剧对分离不利。
➢旋液分离器 旋液分离器是分离悬浮液的离心沉降设备，其构
内的留停时间。
分离乳浊液的操作原理 转鼓由转轴带动旋转。乳浊液由底部进入，在转鼓内从下向上流动过程
中，由于两种液体的密度不同而分成内、外两液层。外层为重液层，内层 为轻液层。到达顶部后，轻液与重液分别从各自的溢流口排出。
➢分离悬浮液的操作原理
流量Vs为悬浮液从底部进入，悬浮液是由密度为ρ的与密度为ρp的少 量颗粒形成的。假设转鼓内的液体以转鼓的旋转角速度ω随着转鼓旋转。 液体由下向上流动过程中，颗粒由液面r1处沉降到转鼓内表面r2处。凡沉 降所需时间小于式等于在转鼓内停留时间的颗粒，均能沉降除去。
造及工作原理与旋风分离器类似。与后者不同的是直径小 而圆锥部分长，这样的构造既可以增大离心力，又可以延 长停留时间。
➢沉降式离心机 ➢（一）管式离心机 ➢（二）碟式离心机 ➢（三）螺旋式离心机
管式离心机的结构
➢ 转鼓的三部分组成：顶盖、带 空心轴的底盖和管状转筒。
➢ 离心机的转鼓由顶盖、带空心 轴的底盖和管状转筒组成。机 壳2内装有管状转鼓4，转鼓悬 挂于离心机上端的挠性驱动轴7 上，下部由底盖形成中空轴并 置于机壳底部的导向轴衬内。
2、工作原理：
滞流流动的气态非均相物系沿水平运动，固体颗粒则 作平抛运动，即水平方向随气体一起运动，竖直方向则作 沉降运动。
➢ 如果颗粒在降尘室的停留时间（水平运动的时间τ）大于
第三章 沉降与过滤
3、过滤速率方程
三、恒压过滤
过滤——恒压过滤，压力为定值，速率减慢 恒速过滤，速率恒定，增大压力 1、恒压过滤速率方程
P为常数，对于一定的滤 浆，、r、为定值 2P 设K r dV K A2 d 2 V Ve
重力：Fg m g 浮力：Fb
6
d P g
3 P
重力Fg向下 浮力Fb向上 阻力Fd向上 d P、 P — —颗粒的直径、密度
6
3 dP g
阻力：Fd
u 2
2
A
— —流体的密度 2 A d P u 沉降速度 4
颗粒在运动过程中，
（Fg Fb）不变，只有 Fd 随u变化 可以把沉降过程分为三 个阶段：
（2）处理量一定时，求最小分离粒径（临界粒径）
qV L H Hu 由 ，得utc u ut L W L 沉降处于层流区时， utc 对应临界粒径 d pc
2 P g dP 1 8
1 8qV p gWL
0 【例】 有一玉米淀粉水悬浮液，温度 20 C ，淀粉颗粒平
6 1 u 2 . 66 10 m s 计算结果表明，与假设相符，故算长5m，用于矿石焙烧炉的炉气除尘。矿尘的密度为 4500kg· m-3，其形状近于圆球。操作条件下气体流量为 25000m3/h ，气体密度 为 0.6kgkg/m3 、粘度为3×10 -5 Pa· s。试求理论上能完全除去的最小矿粒直径。
L
H 沉降时间为： t ut
2、分离过程
H
W
L
u
分离条件： 颗粒从入口到出口的停留时间大于或等于沉降时间
第三章沉降与过滤
增大，但增大ω更有效。从
转筒机械强度考虑，r 不宜 过大。
角速度ω
同一颗粒所受离心力与重力之比称为离心 分离因数：
因为离心力比重力大得多，所以离心分离用于颗 粒更小的非均相物系的分离。
二. 离心沉降速度
如果ρ p＞ρ ，则颗粒沿径向沉降，
受力分析
ζ——阻力系数
• 与重力沉降不同：
①将重力加速度变为离心 加速度；
第三章、沉降与过滤
本章学习的目的
第一节、概述 第二节、重力沉降 第三节、离心沉降 第四节、过滤 总结
过滤实验
本章学习目的
通过本章学习能够利用流体力学原 理实现非均相物系分离（包括沉降分离 和过滤分离），掌握过程的基本原理、 过程和设备的计算及分离设备的选型。
第一节、概述
三、增稠器
悬浮液在任何设备内都可构成重力沉降。
大量悬浮液的分离通常采用连续式沉降器或称增稠 器。增稠器通常是一个带锥形底的圆池，悬浮液从增稠
器中心距液面下0.3-1.0m处连续加入，在整个增稠器的
横截面上散开，液体向上流
动，清液由四周溢出。固体
颗粒沉降至底部，器底设有 缓慢旋转的齿耙，将沉渣慢 慢移至中心，用泥浆泵从底 部出口管连续排出。
在化工生产中经常涉及到由固体颗粒和流体
组成的两相流动物系。 非均相物系的分离依据：分散物质与分散介质 之间物性的差异，如密度，颗粒粒径等。 分离方法——机械法，使分散质与分散介质之
间发生相对运动实现分离。 沉降 过滤
非均相物系分离的主要目的： ① 收集分散物质 ； ② 净化分散介质 ； ③ 环境保护与安全生产。 总之，非均相物系的分离在工业生产中具
★评价旋风分离器的主要指标： 分离效率和气体经过分离器的压力损失。
第三章沉降与过滤
重力沉降
离心沉降 重力过滤 加压过滤
真空过滤 离心过滤
利用力场 利用过滤介质
液体洗涤除尘：利用液体洗去固体颗粒，产生大量污水。 电除尘：利用电场力分离气体中的颗粒，成本高（设备费 和操作费高）
颗粒与流体相对运动时所受的阻力
流体由于具有粘性，流经颗粒时，颗粒会对流 体产生阻力；反之，颗粒在流体中运动时，流 体也会对颗粒产生阻力。
一种物质中所组成的物系。 分散相（分散物质）：处于分散状态的物质。 连续相（分散介质）：处于连续状态的物质。
非均相物系
非均相物系
悬浮液， 固液 乳浊液， 液液 泡沫液， 气液 含尘气体，固气 含雾气体，液气
非均相物系分离的目的
回收分散物质 净制分散介质 环境保护
非均相物系的分离方法
沉降： 过滤：
则颗粒所受离心力： Fc mr2
设圆筒转速为N，r/min，
则 2N ，弧度/秒
60
uT
ur
r
dp, p,m
,
所以
mrN 2 Fc 100
离心分离因数：
Kc
Fc Fg
mr 2
mg
rN2
900
离心沉降速度
设某个球形颗粒在流体中自由离心沉降，则
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
第一节 概述
主要概念
非均相物系
重点内容
非均相物系的分离方法 颗粒与流体相对运动时所受的阻力
非均相物系的分离
均相物系：内部无相界面的分散物系。 非均相物系：内部有相界面的分散物系。 分散物系：由一种或几种物质的微粒分散在另
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。
化工原理 第三章 沉降与过滤
二.过滤基本方程
1. 定义 （1）空隙率：单位体积床层中的空隙体积，，m3/m3。 （2）比表面：单位体积颗粒所具有的表面积，a，m2/m3。 2. 孔道当量直径
(1)
3. 过滤速度： 由 所以
（2）
得
u1 u /
（3）
过滤介质层相垂直的方向上床层空隙中的滤液流速u1 按整个床层截面积计算的滤液平均流速u
1．降尘室的总高度H，m；
2．理论上能完全分离下来的最小颗粒尺寸；
解：1）降尘室的总高度H
273 t 273 427 VS V0 1 2.564m3 / s 273 273
VS 2.564 H bu 2 0.5
2.564m
2）理论上能完全出去的最小颗粒尺寸
Vs 2.564 ut 0.214m / s bl 2 6
将（1）、（3）代入（2）并写成等式
pc 1 3 u ' 2 ( ) 2 K a (1 ) L
层流流动，K’值可取为5。
Pc u 2 ( ) 2 5a (1 ) L
3
——过滤速度表达式
4. 过滤速率（体积流量）：单位时间内获得的滤液体积
显然
所以
5. 滤饼的阻力 令 — 滤饼的比阻
t
Vs blu t
——降尘室的生产能力
第三章 沉降和过滤
原假设成立。
第三节 离心沉降
依靠离心力的作用，使流体中的颗粒产 生沉降运动，称为离心沉降。 3.3.1 离心分离因数 离心力Fc=mrω2。方向：沿旋转半径向 外作用于颗粒。 为了增大离心力，可以增大r，也可以 增大ω。但提高ω比增加r更有效。 由于： 2 N / 60 Fc mrN 2 /100 同一颗粒所受的离心力和重力之比为：
[例3-1]现有一密度为2500kg/m3, 直径为0.5mm的尼龙 珠放在密度为800kg/m3的某液体中自由沉降,测得 ut=7.5×10-3m/s, 试求此液体的粘度。 解：设沉降处于层流区, 则：
d
p 2
p
Hale Waihona Puke g18ut(5 104 ) 2 (2500 800) 9.81 30.9 10 3 Pa s 18 7.5 103
4d p p 2 可得离心沉降速度： dr r d 3
6 6 4 2
dr 2 ( ) d 2
离心沉降速度与重力沉降速度有相似的关系式，只是重 16 力加速度换为离心加速度而已。
3.3.3 旋风分离器 1.构造与工作原理： 圆筒、圆锥、矩形切线入口 气体获得旋转 向下 锥口 向上 顶部中央排气口 颗粒 器壁 滑落 各部分尺寸－－按比例（见教材p107） 2. 分离性能估计 1)能被分离出的最小颗粒直径
1. 工作原理： 如图所示，气体入室后，因流通截面扩大而速度减慢。气 流中的尘粒一方面随气流沿水平方向运动，其速度与气流 速度相同；另一方面在重力作用下以沉降速度垂直向下运 动。只要气体室内所经历时间大于尘粒从室顶沉降到室底 10 所用时间，尘粒便可分离出来。
2. 能被除去的最小颗粒直径 某一粒径的粒子能100%被除去的条件是其从室顶沉降到 室底所需要时间小于气流在室内的停留时间：
第三章沉降与过滤
6
d3g
而阻力随着颗粒与流体间的相对运动速
度而变，可仿照流体流动阻力的计算式
写为 ：
Fd
A u2
2
对球形A颗 粒 d2
4
Fd
d2
4
u2
2
FgFbFd ma
6d3pg 6d3g 4d22 u2 6d3p a (a)
颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力Fd=0，
a→max
颗粒开始沉降后，u ↑ →Fd ↑；u →ut 时，a=0 。 当a=0时，u=ut，代入（a）式
假定过渡区
是否符合假设
确定ut 校核流型Re
是，采纳 结果
不是，重 新假设， 进行计算
例1 颗粒大小的测定，已测得密度ρp=1630kg/m3塑料 珠在20℃的CCl4液体中的沉降速度为1.70×10-3m/s， 20℃的CCl4液体密度ρ=1590kg/m3，粘度μ=1.03 ×103Pa·s，求此塑料珠的直径。
2、壁效应：容器的壁和底面都可以增加颗粒沉降时的曳
力，使实际颗粒的沉降速度变小。
壁效应
3、颗粒形状：用当量球径表示非球形颗粒的直径。
4、液滴或气泡的变形：当分散相颗粒是液滴或气泡时，它 与刚性的固体颗粒运动有所不同，液滴或气泡在曳力作用 下会产生变形，使得曳力增大；与此同时，液滴或气泡的 流体内部产生循环运动，降低了相界面上的相对速度，使 曳力减小。
假设有流量为V(m3/s)的含尘气体进入降尘室(降尘室 的横截面积为HW，高度为H)，气流在整个流动截面上 均匀分布，在流体流动方向上颗粒的速度与流体速度相 同，故颗粒在室内停留的时间也与流体相同。则流体从 进入至离开降尘室的时间间隔即停留时间为L/u
位于降尘室最高点的颗粒降至室底的沉降时间为H/ut
第三章 沉降与过滤
横穿洗涤： 洗涤液由总管入板 滤布 滤饼 滤布 非洗涤板
排出
洗涤面=(1/2)过滤面积
置换洗涤：
洗涤液行程与滤液相同。洗涤面=过滤面 说明 ①间歇操作——过滤、洗涤、卸渣、整理、装合 ②主要优缺点
XAZ /2000-UB系列
Rc r V / A
Байду номын сангаас
Rm r Ve / A
P Pc Pm R Rc Rm
，对应克服介质阻力的压力为P m
dV p 将上式代入，可得 Ad r V Ve） A （ / dV Ap 过滤速率方程 d r V Ve） A （ /
嵌入式滤布的滤板
XASL /630-UB系列
XAZ /800-UB系
XKZ系列全自动快开式压滤机
DY-Q 带式压榨过滤机
2、叶滤机
NYB系列高效板式密闭过滤机
MYB型全自动板式密闭过滤机
WYB系列卧式叶片过滤机 SYB系列水平叶片过滤机
3、转筒过滤机 结构与工作原理
水平转筒分为若干段，滤布蒙于侧壁 段—管—分配头转动盘(多孔)——分配头固定盘 (凹槽2、凹槽1、凹槽3) —三个通道的入口 滤液真空管 洗水真空管 吹气管
第三章 沉降与过滤
第一节 概述
一、非均相物系的分离 气态：含烟尘和含雾的气体 液态：悬浮液、乳浊液及泡沫液 分散相和连续相 二、非均相物系分离的目的
回收分散物质
净制分散介质
劳动保护和环境卫生
过滤法
常用的方法 沉降法
液体洗涤除尘法
电除尘法 三、颗粒与流体相对运动时所受的阻力 流体与固体颗粒之间有相对
2
化工原理 第三章 沉降与过滤资料
即：满足L / u＝H/ut 条件的粒径
当含尘气体的体积流量为qVs时， 则有
u= qVs / HW
ut≥qVs / LW 或 utc=qVs / WL
qVs≤ WLut
故与临界粒径dpc相对应的临界沉降速度为
临界沉降速度utc是流量和面积的函数。
2019/3/28 21
当尘粒的沉降速度小，处于斯托克斯区时，临界粒径为
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
出； 固相沿内壁落入灰斗。 2019/3/28
关风器
(防止空气进入)
32
固相
ui
h
S
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面 表 积 d e2 球形度 非球形颗粒的表面积 A
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。
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离心沉降速度为:
ur
ut
4d P ( P ) R 2 3
4d p ( p ) g 3
28
重力沉降速度为:
2019/3/28
层流区（斯托克斯Stokes区，10-4<Re<2）
ut
R 2 d 2 ( s ) 18
过渡区（艾仑Allen区，2<Re<500）
第三章-沉降与过滤
2.压力滤池
压力滤池
3.转筒真空过滤机
转筒真空过滤机装置示意图
转筒及分配头的结构
4.微滤机
微滤机总图
5.袋式除尘器 ⑴袋式除尘器的结构型式 ①滤袋形状 ：
圆袋 扁袋 ②气流进入方向：
内滤式 外滤式 ③进气方式：
下进气 上进气 ④清灰方式
机械振动清灰 逆气流清灰 吹灰圈清灰 脉冲清灰
典型清灰机理示意图
⑵竖流式沉淀池
优点：排泥容易，不需要机械刮泥设备，便于管理。 缺点：是单池容量小，当水量较大时，池数过多。
⑶辐流式沉淀池
辐流式沉淀池一般采用机械排泥，适用范围广，既可做 为初次沉淀池，也可做二次沉淀池。
4.平流式沉砂池
第三节 离心沉降及设备
依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程称为离心沉降
。 一、离心沉降速度
机械分离的操作方式： ⑴沉降 在外力作用下使颗粒相对于流体（静止或运动 ） 运动而实现分离的过程。 ⑵过滤 流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离 的 过程。
二、机械分离方法在工业生产中的应用 气态非均相物系 --- 采用重力沉降、和离心沉降。 液态非均相物系 --- 可采用重力沉降、离心沉降、过滤 操作。 机械分离方法在工业生产中的应用： ⑴收集分散物质 ⑵净化分散介质 ⑶环境保护
混合物分类｛ 均相混合物 --- 物系内不存在相界面
非均相混合物 ---物系内部存在相界面
气态非均相物系
非均相物系类型｛
---
含尘、含雾气体等
液态非均相物系 --- 乳浊液、悬浮液、
泡沫液等
一、机械分离 原理：非均相物系中分散相和连续相具有不同的物理性 质，所以可以采用机械方法使相间相对运动实现分离。
多层降尘室： 隔板间距一般为40～100nm 降尘室内设置n层水平隔板，
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沉降
【3-1】 密度为1030kg/m 3、直径为400Mm 的球形颗粒在 150 C 的热空气中降落，求其
沉降速度。
解 150 C 时，空气密度
p=0.835kg/m 3,黏度 p =2.41x1萨Pa .s
颗粒密度 R =1030kg/m 3,直径 dp=4x10Wm 假设为过渡区，沉降速度为
验算
Re=d p U tP =4x1 敞.1 罕350=24 8.
」 2.41 10-
为过渡区
【3-2】密度为 2500kg/m 3的玻璃球在 20 C 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
2
U t =d p I p k )g/18」
由此式得（下标 w 表示水，a 表示空气）
r
r
2
2
18u t
I.
、
p -，w d
pw
(i p - ”a
)d pa
d pw _
(『p -」a )」w
焉一 ' E
p p
查得20 C 时水与空气的密度及黏度分别为
:a =1.205kg/m 3,七二1.81 10 点 Pa s
已知玻璃球的密度为 P p =2500kg/m 3,代入上式得
d pw _ （2500 -1.205） 1.004 10「 5 — 9.61
d pa 丫 （2500 —998.2）X1.81X10玉
【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
10Hm,气体密度为1.1kg/m 3，黏度为21.8心0径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
第三章 沉降与过滤
U t
」4g "_pn =| 225
PP
1
d
p
1
4 (9 81)2(1030)2 3
4
------- )—
4 10*=1.79m/s
225 2 41 10 - 0 835
-九）」a
、=998.2 kg /m 3,人 =1.004 10 应 Pa s
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 pc =10 x10"6 m, P p = 4000kg/ n 3, p= 1 1kg/ 忒 p= 21 >8 10 Pa s
炉气流量为
q v =U t WLN =0.701 2 4 25 =140m 3/s
本题也可以用教材式 (3-18)计算，式中的 WL 改为 WLN 。
【3-5】温度为200 C 、压力为101.33kPa 的含尘空气，用图 3-9 (a)所示的旋风分离器除 尘。
尘粒
的密度为 2000kg/m 3。
若旋风分离器的直径为 0.65m ，进口气速为 21m/s ，试求：
(1)气体处理量(标准状态)为多少
m 3/s; (2)气体通过旋风分离器的压力
损失；(3)尘粒的临
(1)沉降速度计算
假设为层流区
U t
gd pc(；p —D 9.81 (10 10-)2(4000 _1.1) -- = --------- 6 =
0.01m / s
18」 18 21.8 10-
验算Re 胃
10 10- 0.01 1.1
=0.00505 ：：：2 为层流
(2)气体的最大流速
U max 。
沉降高度 H =0.1m ，降尘室长度 L=10m
(3)气体的最大处理量
U
max
10 0.1
U max 0.01
3
4
3
q VS =WHNUmax =5 0.1 20 1 =10m/s=3.6 10 m / h
VS
max
气体的处理量 q vs 也可以用教材式
(3-18)计算
2 dpc(Pp
—P)gWLN q vS
=
(10 10 -)2 4000 9.81 5 10 20
3
4 3
( )
10m 3/s=3.6 104m 3
/h
18 21.8 10-
【3-4】有一重力沉降室，长 4m ，宽2m,高2.5m ，内部用隔板分成 25层。
炉气进入
除尘室时的密度为
0.5kg/m 3，黏度为0.035mPa ‘s 。
炉气所含尘粒的密度为
4500kg/m 3。
现要
用此降尘室分离 100Mm 以上的颗粒，试求可处理的炉气流量。
解 已知炉气的密度
P=0.5kg/m 3,黏度 H=3.5x1萨Pa ，s
尘粒的密度 4500kg/m 3，临界尘粒直径 d” =100乂10应
m
假设为层流区，求得沉降速度为
gd pc (£ —8 _9.81-(100X10忑)2
乂(4500 —0.5) _0 701m/ 18」 一
18 3.5 10 至
一.
100 106 0701 0.5
=1 为层流区
U
t
验算 Re =冬牛
3.5X10 直
界直径。
解 已知X =0.025kg 固体/kg 悬浮液
C =2.5kg 湿渣/kg 干渣，滤液密度
P = 1120kg/m 3
1；1^=29妣干渣/ m*
《 = ~C _ =—:~2.5 =~7 = 1480kg / m 3 c 1 C -1 1 2.5 -1 g
~2900 1120
如2914，0.5湿渣/m 3滤液
解空气温度200 C,压力 101.33kPa ,
从空气物理性质表中查得 密度 p =0.746kg/m 3,黏度 ^=2.
105Pa ,s
(1)气体处理量 旋风分离器直径
D =0.65m , 进口气速 M =21m/s
200 C 、101.33kPa 的空气流量为
=D 3D 21 =2.52D 2 =2.52x(0.65 j =1.065 m 3/s
0/ 0C 、 101.33kPa =bhu =
5 5
时空气流量为
, 273 q v =1.065 ----------------
200 273
3
0615 m /s
(2)压力损失
阻力系数
_
30D 3D
D 30bh.D 5
5
—0.3 1
压力损失
-—d 2
j L +H — <D 2，―— y D 2
D
2
2
.-u 8.31 (0.746) (21)
.p = —- = -------------- ) ()=1370Pa =1.37 kPa
2
(3)尘粒的临界直径 d pc 。
已知尘粒密度
：.p =2000kg / m 3, b =— = ----- = 0.13m
p
5
5
d
pc =3
.
」b Q (2.6 10-) 0.13
6
=3
6.79 10 m =6.79」m
二川3
，二 5 2000 21
【3-6】悬浮液中固体颗粒浓度(质量分数)
1120kg/m 3,湿滤渣与其中固体的质量比为 湿滤渣体积 曰，单位为 m 3湿滤渣/m 3滤液。
0.025kg 固体/kg 悬浮液，滤液密度为
2.5kg 湿滤渣/kg 干渣，试求与 1m 3滤液相对应的 2900kg/m 3。
固体颗粒密度为。