化工原理 第三章 过滤
化工原理第三章过滤
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其当量直径为de 通道截面积
de 4 浸润周边
de 4通 浸道 润截 周 面 通 通 边积 道 道长 长 通 度 度 4通 道道 内体 表
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以１m3床层为例： 通道的体积即空隙体积ε； 忽略床层中因颗粒相互接触而彼此覆盖的 表面积则： 通道内表面积＝颗粒体积×颗粒比表面积 ＝（滤饼体积－空隙体积）×颗粒比表面积 ＝(1-ε) a
通常进行回流操作。
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常用过滤介质类型
织物介质：天然纤维织物，合成纤维织 物，玻璃丝、金属、丝织物 堆积介质：细砂、木炭、石棉、硅藻土 等 多孔固体介质：多孔陶瓷、多孔塑料、 金属烧结板等
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３．滤饼（Cake）
由被截留的固体颗粒垒积而成的颗粒床层。 不可压缩滤饼：
构成滤饼的颗粒不易变形，滤饼空隙 不因操作压差增大而改变。 可压缩滤饼：
过滤速率u的定义单位时间单位过滤面积所得的滤液量4请说出下式中每一个符号的物理含义baseequationv滤液体积m形成与过滤介质阻力相等的滤饼层所得的滤液量虚拟量m此方程表示某一瞬时的过滤速率与物系性质操作压差及该时刻以前的累计滤液量之间的关系同时也表明了过滤介质阻力率u---单位时间、单位过滤面积所
得的滤液量 u dVdq
式中
q
V A
Ad d 为通过单位过滤面积的滤
液总量，m3/m2
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二、过滤设备（Filter）
１．板框式压滤机（Plate Frame Filter） 结构：由板（洗涤板、非洗涤板）和
滤框构成，如图。 主要参数：过滤面积，板框尺寸、数
化工原理第三章过滤-最新版本
➢应用：适于处理生产能力大而悬浮液中颗粒小而且含量少（颗 粒的体积百分数<0.1%) ，滤饼不为产品的场合,如水处理和酒的 过滤。
(二）过滤介质
过滤介质的作用(滤饼过滤)：促使滤饼的形成，并支承滤饼。 过滤介质应具有如下性质： （1）多孔性，液体流过的阻力小； （2）孔道大小适当，能发生架桥现象； （3）有足够的机械强度,使用寿命长； （4）耐腐蚀性和耐热性 （5）价格便宜
工业常用的过滤介质主要有
a) 织物介质：又称滤布，包括有棉、毛、丝等天然纤维，玻璃丝 和各种合成纤维制成的织物，以及金属丝织成的网能截留的粒径 的范围较宽，从几十μm到1μm。 优点：织物介质薄，阻力小，清洗与更新方便，价格比较便宜， 是工业上应用最广泛的过滤介质。 b)多孔固体介质：如素烧陶瓷，烧结金属．塑料细粉粘成的多孔 塑料，棉花饼等。这类介质较厚，孔道细，阻力大，能截留1～ 3μm的颗粒。 c) 堆积介质：由各种固体颗粒（砂、木炭、石棉粉等）或非编织 的纤维（玻璃棉等）堆积而成，层较厚。 d) 多孔膜：由高分子材料制成，膜很薄（几十μm到200μm）， 孔很小，可以分离小到0.05μm的颗粒,应用多孔膜的过滤有超滤 和微滤。
阻力与压强降成正比，因此可认为上式表达了过滤操作中 滤液流速与阻力的关系。
编辑版pppt
22
在与过滤介质相垂直的方向上，床层空隙中的滤液流速u1 与按整个床层截面积计算的滤液平均流速u之间的关系为：
u
u1
u1
de2 (pc )
L
de (1 )a
u 1 K
3 a2(1)2
(pc)
L
上式中的比例常数K′与滤饼的空隙率、颗粒形状、排列及
第四节 过 滤
在某些场合，过滤是沉降的后继操作。 过滤目的：从悬浮液中分离出固体颗粒。
化工原理课件第三节过滤
•设备革新
增大过滤面积
弹性压榨隔膜
第二章
29
第二章
30
dV A2p
dt rv(V Ve)
V
(VVe)dV
A2pt
dt
0
rv 0
恒压过滤方程
V2 2VeV2A2pt
rv
令 K 2p
rv
K——过滤常数，m2/s
V22VeV K2A t
第二章
13
二、恒压过滤方程
V22VeV K2A t
令 q=V/A qe=Ve/A
压滤是利用压缩空气
或液体输送设备在输
送料液时产生的压力 为推动力完成过滤。
第二章
18
板框压滤机
间歇操作 压滤设备
由机头（固定头）、滤框、滤板、头板、尾板、压紧装置等组成。
第二章
19
板框压滤机
框、板形状 ：
材料：金属（铸铁、碳钢、不锈钢、铝）、塑料、木材等。 过滤面积：框——长×宽×2 板——两面
qe——过滤常数，m3/m2
q2 2qeqKt
——均为恒压过滤方程 * 当滤饼阻力远远大于过滤介质阻力时：
V2 KA2t & q2 Kt
第二章
14
三、过滤常数K、qe测定
恒压条件下，测得t1、t2时间获得的滤液体积V1、V2 ：
V12 2VeV1 KA2t1
V22 2VeV2 KA2t2
每旋转一周的生产能力为 Q=60nV
优缺点：
适于处理量大而又容易过滤的料浆，对不易过滤的细、粘料浆可采 用助滤剂的方法也很方便（刮刀稍微离开转鼓表面一定距离）。附 属设备较多，投资费用高；滤饼含液量较高（约30％）；料浆温度 不能过高。
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。
化工原理课件3 过滤
流动阻力可用哈根—泊谡叶方程表示： 32l u p1 2 de 式中 l'—— 滤饼孔道的平均长度，m； u'——为滤饼孔道中滤液的流速， m/s； de —— 为孔道的当量直径，m。
de 4 流通截面积 流 通 截 面 积 l 滤 饼 层 体 积 4 4 4 润湿周边 润 湿 周 边 l 滤 饼 层 体 积 a B 1 S 0
K称为过滤常数，m2/s，与滤液性质、悬浮液浓度、温 度、过滤压力、压缩性指数等因素有关；对一定的悬浮液 在恒压条件下过滤，压力差、滤液粘度、悬浮液浓度、滤 饼比阻、压缩性指数等为常数，即为常数，那么过滤基本 方程为：
dV KA 2 u d 2V Ve
3.1.3 过滤基本理论
dV KA 2 u d 2V Ve
1 s
K p 若比阻r与参数c没有变化则 p K
1 s
u 体积流量 体积流量 滤饼层截面积 u u 流 通 截 面 积 流 通 截 面 积 滤 饼 层 截 面 积 A0
l K0 L
3.1.3 过滤基本理论
将以上关系代入哈根—泊谡叶方程：
2 32K 0 Lu 1 S 0 2 K 0 Lu 1 2 S 0 p1 4 3 p1 3 u 2 2 K 0 1 2 S 0 L 2
压力
（1） （3） （4） （5） 速率 （2）
在工业应用实际中采用哪种操作方式？恒压？恒速？ 先恒速后恒压？先恒压后恒速？
3.1.3 过滤基本理论
dV A p 1 s u Ad r0 c V Ve
令 k
1 r0 c
(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。
化工原理第三章第三节讲稿PPT课件
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优点：织物介质薄，阻力小，清洗与更新方便，价格比较便宜，是工业上应用 最广泛的过滤介质。 b)多孔固体介质：如素烧陶瓷，烧结金属．塑料细粉粘成的多孔塑料，棉花饼 等 这类介质较厚，孔道细，阻力大，能截留1～3μm的颗粒。 c) 堆积介质：由各种固体颗粒（砂、木炭、石棉粉等）或非编织的纤维（玻璃 棉等）堆积而成，层较厚。 d) 多孔膜：由高分子材料制成，膜很薄（几十μm到200μm），孔很小，可以 分离小到0.05μm的颗粒,应用多孔膜的过滤有超滤和微滤。
2、过滤方式
过滤
深层过滤
固体颗粒的沉积发生在较厚的粒状过滤介质床层内部， 悬浮液中的颗粒直径小于床层直径，当颗粒随流体在床层 的曲折孔边穿过时，便粘附在过滤介质上。
适用于悬浮液中颗粒甚小且含量甚微（固相体积分 率在0.1%以下）的场合
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滤饼过滤
固体颗粒成饼层状沉积于过滤介质表面，形成滤饼 适用于处理固相含量稍高（固相体积分率在1%以上）
定义
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
过滤速率
单位时间通过单位过滤面积 的滤液体积
过滤速度
单位时间获得的滤液体积称为 过滤速率
表达式
dV
d
3 5a2 (1 )2
( APc )
L
u
dV
Ad
3 5a2 (1 )2
( Pc )
L
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3、滤饼的阻力
令 r 5a 2 (1 )2 3
dV Pc
Ad rL
令 R rL dV Pc
将助滤剂混在滤浆中一起过滤
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二、过滤基本方程式
1、滤液通过饼层的流动
化工原理 第三章 过滤
1、恒压过滤方程式
dV
A 2 p
据
d rv(V Ve )
条件：恒压 Δ p=const 设备一定 A=const
过滤介质一定 Ve=const 悬浮液一定 r、μ 、v =const
令
K 2p
rv
——过滤常数
则
dV
KA2
d 2(V Ve )
2(V Ve )dV KA2 d
2019/8/3
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5、助滤剂 （1）滤饼的种类
不可压缩滤饼：颗粒有一定的刚性，所形成的滤饼并
滤饼
不因所受的压力差而变形 ；
可压缩滤饼：颗粒比较软，所形成的滤饼在压差的作
用下变形，使滤饼中的流动通道变小，
阻力增大。
助滤剂一般用于可压缩滤饼。
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（2）助滤剂的作用 对于可压缩滤饼，过滤阻力在过滤压力提高时明显增大，
几点说明：
①其中多孔介质称为过滤介质；所处理的悬浮液称为滤浆； 滤浆中被过滤介质截留的固体颗粒称为称为滤饼或滤渣；通 过过滤介质后的液体称为滤液；
②驱使液体通过过滤介质的推动力可以有重力、压力（或压 差）和离心力，工业过程中经常采用的是压力；
③过滤操作的目的可能是为了获得清净的液体产品，也可能 是为了得到固体产品；
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V+V V e
V+V e
V
B
V e0
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0' e
e
e
恒压过滤的滤液体积与过滤时间关系曲线.swf
（5）由比阻r的定义可以看出，其值与滤饼的空隙率ε 及比
例系数有关。如果滤饼不可压缩，则这两个量便与压力无关
化工原理习题第三章 过滤 习题3
三非均相物系分离沉降速度计算3.1 计算直径为1mm的雨滴在20℃空气中的自由沉降速度。
应用Stokes方程计算液体粘度3.2 将直径为6mm的钢球放入某液体中，下降距离位200mm时，所经历时间为7.32秒，此液体密度为1300[Kg/m3],钢球密度为7900[Kg/m3]，求此液体粘度为多少厘泊？降沉室的计算,设计型3.3 欲用降尘室净化温度为20℃、流量为2500(m3/h)的常压空气,空气中所含灰尘的密度为1800(kg/m3),要求净化的空气不含有直径大于10μm的尘粒,试求所需沉降面积为多大?若降尘室的底面宽2m,长5m,室内需要设多少块隔板?3.4用一多层降沉室除去炉中的矿尘。
矿尘最小粒径为8μm,密度为4000[kg/m3 ]。
降尘室内长4.1m,宽1.8m,高4.2m。
气体温度为427℃,粘度为3.4×10 -5 [N·S/ m2 ],密度为0.5[kg/m3 ],若每小时的炉气量为2160标准m3 ,试确定降尘室内隔板的间距及层数? (沉降处于斯托克斯定律区)3.5 用一截面为矩形的沟槽从炼油厂的废水中分离其中油滴，拟回收直径为2mm以上的油滴，槽宽为4.5m，深度为0.8m；在出口端除油后的水可不断从下部排出，而汇聚成层的油则从顶部移出。
油的密度为870[Kg/m3]，水温为20℃，每分钟处理废水为26m3,求所需槽的长度。
降沉室计算,操作型3.6 降沉室高2m、宽2m、长5m，用于矿石焙烧炉的降尘。
操作条件下气体的流量为25000[m3/h]；密度为0.6[kg/m3],粘度为0.03cP,固体尘粒的密度为4500[kg/m3 ]，求此降沉室能除去最小颗粒直径?并估计矿尘中直径为50μｍ的颗粒能被除去的百分率？3.7 气流中悬浮某种球形微粒，其中最小微粒为10μm,沉降处于斯托克斯区。
今用一多层隔板降尘室分离此气体悬浮物,已知降尘室长10m,宽5m,共21层,每层高100mm。
化工原理第三章过滤3-2
导致滤饼两侧的压强差增大。滤饼的压缩性对压强差有较大影响。
加入助滤剂
改变滤饼的结构
增加刚性
助滤剂的加入，可以增大滤饼的空隙率，对于所处理的悬浮液 颗粒比较细小而且粘度很大时，效果尤为明显。
使用方法：
①混入悬浮液：助滤剂混入待滤的悬浮液一起过滤。
②预涂：预先制备只含助滤剂颗粒的悬浮液并先行过。
适用场合：以获得清洁滤液为目的才使用，当滤饼是产品时不能 使用助滤剂。
C 1 C 1
C
P
Ρp:固体的密度 Ρc:湿滤渣的密度 Ρ:液体的密度
kg干渣/ kg悬浮液
X—单位质量悬浮液中所含干滤渣质量。
ω—得到1m3滤液所形成的干滤渣质量。 取1kg悬浮液为基准：
kg(干渣)/m3(滤液)
X 1 CX /
湿滤渣质量与滤液体积的比值ωC ωC——kg湿渣/m3滤液
过滤基本方程
过滤速度: 单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积，
m3/m2s。
过滤速率: 单位时间内获得的滤液体积，m3/s。
任一瞬间的过滤速度为：
pc dV 3 u 2 ( ) 2 Adt 5a (1 ) L
Apc dV 3 2 ( ) 2 dt 5a (1 ) L
（三）助滤剂
随着过滤的进行，滤饼的厚度增大，滤液的流动阻力亦逐渐增大， 滤饼分为可压缩滤饼和不可压缩滤饼。 不可压缩滤饼：某些悬浮液中的颗粒所形成的滤饼具有一定的刚 性，滤饼的空隙结构不会因为操作压差的增大而变形。 可压缩滤饼：滤饼因为操作压差的增大而发生不同程度的变形， 滤饼中的流动通道缩小，流动阻力增加。 克服滤饼压缩性的手段：
管道截面积 d e 4 水力半径 4 润湿周边长
化工原理第3章课后习题参考答案
第三章非均相物系的分离和固体流态化3. 在底面积为40m²的除尘室内回收气体中的球形固体颗粒。
气体的处理量为3600m³/h，固体的密度ρs=3600kg/m³，操作条件下气体的密度ρ=1.06kg/m³，粘度为3.4×10-5Pa•s。
试求理论上完全除去的最小颗粒直径。
解：理论上完全除去的最小颗粒直径与沉降速度有关。
需根据沉降速度求。
1）沉降速度可根据生产能力计算ut = Vs/A= (3600/3600)/40 = 0.025m/s （注意单位换算）2）根据沉降速度计算理论上完全除去的最小颗粒直径。
沉降速度的计算公式与沉降雷诺数有关。
（参考教材P148）。
假设气体流处在滞流区则可以按ut = d2（ρs- ρ）g/18μ进行计算∴dmin2 = 18μ/（ρs- ρ）g ·ut可以得到dmin= 0.175×10-4 m=17.53）核算Ret = dminutρ/μ< 1 ，符合假设的滞流区∴能完全除去的颗粒的最小直径d = 0.175×10-4 m = 17.5 μm5. 含尘气体中尘粒的密度为2300kg/m³，气体流量为1000m³/h，粘度为3.6×10-5Pa•s密度为0.674kg/m³，采用如图3-8所示的标准型旋风分离器进行除尘。
若分离器圆筒直径为0.4m，试估算其临界直径，分割粒径及压强降。
解：P158图3-7可知，对标准旋风分离器有：Ne = 5 ，ξ= 8.0 B = D/4 ，h = D/2(1) 临界直径根据dc = [9μB/(πNeρsui )]1/2 计算颗粒的临界直径其中：μ=3.6×10-5Pa•s；B = D/4=0.1m；Ne = 5；ρs=2300kg/m³；将以上各参数代入，可得dc = *9μB/(πNeρsui )+1/2 = *9×3.6×10×0.25×0.4/(3.14×5×2300×13.89)+1/2= 8.04×10-6 m = 8.04 μm（2）分割粒径根据d50 = 0.27[μD/ut（ρs- ρ）]1/2 计算颗粒的分割粒径∴d50 = 0.27[3.6×10-5×0.4/(13.889×2300)]1/2= 0.00573×10-3m = 5.73μm（3）压强降根据△P = ξ·ρui2/2 计算压强降∴△P = 8.0×0.674×13.8892/2 = 520 Pa7、实验室用一片过滤面积为0.1m2的滤叶对某种颗粒在水中的悬浮液进行实验，滤叶内部真空读为500mmHg，过滤5min的滤液1L，又过滤5min的滤液0.6L，若再过滤5min得滤液多少？已知：恒压过滤，△P =500mmHg ，A=0.1m，θ1=5min时，V1=1L；θ2=5min+5min=10min 时，V2=1L+0.6L=1.6L求：△θ3=5min时，△V3=？解：分析：此题关键是要得到虚拟滤液体积，这就需要充分利用已知条件，列方程求解思路：V2 + 2VVe= KA2θ（式中V和θ是累计滤液体积和累计过滤时间），要求△V3，需求θ3=15min时的累计滤液体积V3=？则需先求Ve和K。
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
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---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）
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 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 。
(化工原理)第三节 过滤
3-3-1 过滤操作的基本概念-1
过滤是以某种多孔物质作为介质来处理 悬浮液的操作。在外力的作用下,悬浮 液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒 被截留下来,从而实现固、液分离.
过滤操作的基本概念-2
一、过滤方式
饼层过滤 深床过滤
"架桥现象"
过滤操作的基本概念-3
二、过滤介质
则在任一瞬间的滤饼厚度L与当时已经 获得滤液体积V之间的关系应为：
LA =υV
υ——滤饼体积与相应的滤液体积之比,无因次, 或m3/m3
过滤基本方程式
如体生积成以V厚e表度示为,L则e的：滤饼所应获得的滤液
式拟中滤V液e—体—积过,m滤3。介质的当量滤液体积,或称虚
在一定的操作条件下,以一定介质过滤 一在定不的同悬的浮过液滤时操作, V中e为,V定e值值不,但同同。一介质
(L+L）w=2(L+Le)E
滤饼的洗涤-6
将以上关系代人过滤基本方程式,可得
板框压滤机上的洗涤速率约为过滤终了 时滤液流率的四分之一。
滤饼的洗涤-7
当洗水粘度、洗水表压与滤液粘度、过 滤压强差有明显差异时,所需的洗涤时 间可按下式进行校正,即：
式中 θW’ ——校正后的洗涤时间,s θW——未经校正的洗涤时间,s μW——洗水粘度,N•s/m2 Δp——过滤终了时刻的推动力,N/m2 ΔpW——洗涤推动力,N/m2
积分并将式3-43代入,得：
(V2-VR2)+2Ve(V -VR)=KA2(θ-θR)
恒压阶段的过滤方程,式中(V -VR)、 (获θ得-θ的R滤) 液分体别积代及表所转经入历恒的压过操滤作时后间所。
例9
例9
3-3-5 过滤常数的测定
化工原理第三章沉降与过滤
解决方案：优化过滤工艺，如增加过滤层数、调整过滤压力等
问题：过滤效果不佳，杂质残留 解决方案：优化过滤工艺，如增加过滤层数、调整过滤压力等
解决方案：定期维护设备，更换易损件，提高设备可靠性
问题：设备故障率高，维护成本高 解决方案：定期维护设备，更换易损件，提高设备可靠性
生物化工：利用生物技术，开发新型化工产品
纳米化工：纳米材料，提高产品性能和应用范围
环保化工：环保型化工产品，减少环境污染
汇报人：
感谢您的观看
离心过滤机：过滤速度快，过滤效果好，但设备复杂，成本高
袋式过滤机：结构简单，操作方便，过滤面积大，过滤效率高，但过滤精度低
陶瓷过滤机：过滤精度高，耐腐蚀，但设备复杂，成本高
膜过滤机：过滤精度高，过滤效果好，但设备复杂，成本高
04
沉降与过滤的比较
操作原理的比较
沉降：利用重力作用使悬浮颗粒下沉，达到分离目的
离心沉降应用：污水处理、食品加工、制药等领域
沉降原理：利用颗粒间的重力差进行分离工艺流程： a. 进料：将待分离的混合物送入沉降器 b. 沉降：颗粒在重力作用下沉降，液体上升 c. 澄清：液体澄清后从顶部流出 d. 排渣：沉降后的颗粒从底部排出沉降器类型： a. 重力沉降器：利用重力进行沉降 b. 离心沉降器：利用离心力进行沉降沉降效果影响因素： a. 颗粒大小：颗粒越大，沉降速度越快 b. 液体密度：液体密度越大，沉降速度越快 c. 颗粒形状：颗粒形状影响沉降速度 d. 液体黏度：液体黏度影响沉降速度沉降应用： a. 污水处理：去除悬浮物和颗粒物 b. 化工生产：分离固体和液体 c. 食品加工：分离固体和液体 d. 环境监测：监测颗粒物浓度
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（3）常用的助滤剂——坚硬且形状不规则的小固体颗粒 ①硅藻土；
②珍珠岩；
③石棉；
④炭粉、纸浆粉等。
（4）助滤剂的加入方法
预涂 用助滤剂配成悬浮液，在正式过滤前用它进
加入方法
行过滤，在过滤介质上形成一层由助滤剂组 成的滤饼。
将助滤剂混在滤浆中一起过滤。
2020/3/30
6、悬浮液量、固体量、滤液量及滤渣量之间的关系
2020/3/30
2、过滤的概念
过滤——在外力作用下，使悬浮液中的液体通过多孔介质的 孔道，而悬浮液中的固体颗粒被截留在介质上，从而实现固 、液分离的单元操作。
几点说明：
①其中多孔介质称为过滤介质；所处理的悬浮液称为滤浆； 滤浆中被过滤介质截留的固体颗粒称为称为滤饼或滤渣；通 过过滤介质后的液体称为滤液；
（1）织物介质：又称滤布，包括有棉、毛、丝等天然纤维 ，玻璃丝和各种合成纤维制成的织物，以及金属丝织成的网
能截留的粒径的范围较宽，从几十μm到1μm。
2020/3/30
优点：织物介质薄，阻力小，清洗与更新方便，价格比较便 宜，是工业上应用最广泛的过滤介质。 （2）多孔固体介质：如素烧陶瓷，烧结金属．塑料细粉粘成 的多孔塑料，棉花饼等。
工业过程中一般为滤饼过滤。
滤饼过滤.swf
滤饼过滤2.swf
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架 桥 现 象
架桥现象.swf
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4、过滤介质——滤饼的支承物
过滤介质应具有下列条件： （1） 多孔性，孔道适当的小，对流体的阻力小，又能截住 要分离的颗粒； （2） 物理化学性质稳定，耐热，耐化学腐蚀； （3）足够的机械强度，使用寿命长； （4）价格便宜。 工业常用的过滤介质主要有：
过滤压力越大，这种情况会越严重。另外，悬浮液中所含的 颗粒都很细，刚开始过滤时这些细粒进入介质的孔道中会将 孔道堵死，即使未严重到这种程度，这些很细颗粒所形成的 滤饼对液体的透过性也很差，即阻力大，使过滤困难。
为解决上述两个问题，工业过滤时常采用助滤剂。 加入助滤剂后，可以改变滤饼的结构，增加滤饼的刚性， 使形成的滤饼不仅结构疏松，而且几乎是不可压缩的滤饼。
加压过滤； 减压过滤； 常压过滤； 离心过滤。
2020/3/30
（3）按截留颗粒的方式 ①深层过滤
适合对象——固体颗粒粒径较小、含量极少（固相体积分率
在0.1%以下）的悬浮液。（如自来水厂的处理过程） 过滤原理——悬浮液中的颗粒尺寸比介质孔道的尺寸小得
多，颗粒容易进入介质孔道。但由于孔道弯曲细长，颗粒
②驱使液体通过过滤介质的推动力可以有重力、压力（或压 差）和离心力，工业过程中经常采用的是压力；
③过滤操作的目的可能是为了获得清净的液体产品，也可能 是为了得到固体产品；
④洗涤的作用：回收滤饼中残留的滤液或除去滤饼中的可溶 性盐。
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3、过滤的分类
（1）按粒子的尺度——过滤与超滤 过滤：宏观尺度，过滤悬浮液； 超滤：微观尺度，用超滤膜将大小不同的分子分开。 （2）按操作过程中的推动力
这类介质较厚，孔道细，阻力大，能截留1～3μm的颗粒。 （3）堆积介质：由各种固体颗粒（砂、木炭、石棉粉等）或 非编织的纤维（玻璃棉等）堆积而成，层较厚。 （ 4 ） 多 孔 膜 ： 由 高 分 子 材 料 制 成 ， 膜 很 薄 （ 几 十 μm 到 200μm），孔很小，可以分离小到0.05μm的颗粒,应用多孔 膜的过滤有超滤和微滤。
2020/3/30
2020/3/30
5、助滤剂 （1）滤饼的种类
不可压缩滤饼：颗粒有一定的刚性，所形成的滤饼并
滤饼
不因所受的压力差而变形 ；
可压缩滤饼：颗粒比较软，所形成的滤饼在压差的作
用下变形，使滤饼中的流动通道变小，
阻力增大。
助滤剂一般用于可压缩滤饼。
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（2）助滤剂的作用 对于可压缩滤饼，过滤阻力在过滤压力提高时明显增大，
＝ wC（湿滤渣体积m3
c
/ 滤液体积m3）
由过滤所得到的滤液体积量确定湿滤渣的体积。
2020/3/30
二、过滤基本方程式
1、过滤速率与过滤速度的定义
过滤速率——单位时间内所得到的滤液体积量，m3/s 。
质量
密度
固体
1
ρp
湿滤渣
C
ρc
湿滤渣含液量
C－1
ρ
C——湿滤渣与其中所含干渣的质量比。（kg湿渣/kg干渣）
2020/3/30
（1）湿滤渣密度ρc 的计算 由：湿滤渣体积＝干滤渣体积＋滤液体积
以1kg干渣为基准，故： C 1 C 1
c P
（2）干渣质量与滤液体积的比值w 设：X——悬浮液中固体颗粒的质量分数，kg固体/kg悬浮液。 以1kg悬浮液为基准，故：
w X
(1 CX ) /
由过滤所得到的滤液体积量确定干渣质量。
2020/3/30
（3）湿滤渣质量与滤液体积的比值（wC）
wC
kg干渣 滤液体积m3
kg湿滤渣＝ kg湿滤渣 kg干渣 滤液体积m3
由过滤所得到的滤液体积量确定湿滤渣质量。
（4）湿滤渣体积与滤液体积的比值（v）
v
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
kg湿滤渣 / 滤液体积m3 湿滤渣密度
第三章 沉降与过滤
第四节 过滤
一、过滤操作的基本概念 二、过滤基本方程式 三、恒压过滤 四、过滤常数的测定 五、过滤设备 六、滤饼的洗涤 七、过滤机的生产能力
2020/3/30
一、过滤的基本概念
1、什么是过滤
滤浆 滤饼 过滤介质
滤液
过滤操作示意图.swf
固液混合，外力驱动，多孔介质，颗粒截留，液体通过
随流体在曲折孔道中流过时，在表面力和静电力的作用下
附着在孔道壁上。 过滤特征——过滤时并不在介质上形成滤饼，固体颗粒
沉积于过滤介质的内部。
深层过滤.swf
深层过滤2.swf
2020/3/30
②滤饼过滤
适合对象——固体颗粒的尺寸大多都比介质的孔道大，固相 含量稍高（固相体积分率在1%以上）的悬浮液。 过滤原理——过滤时悬浮液置于过滤介质的一侧，在过滤 操作的开始阶段，会有部分小颗粒进入介质孔道内，并可 能穿过孔道而不被截留，使滤液仍然是混浊的。随着过程 的进行，发生“架桥现象”，颗粒在介质上逐步堆积，形 成了一个颗粒层，称为滤饼。 过滤特征——在滤饼形成之后，它便成为对其后的颗粒起 主要截留作用的介质。因此，不断增厚的滤饼才是真正有 效的过滤介质，穿过滤饼的液体则变为澄清的液体。