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
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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
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5
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6
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——球形 圆盘形
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（二）沉降槽（增稠器） 1. 悬浮液的沉聚过程
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2. 沉降槽（增稠器）
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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
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离心力：FC
m
u2 r
6
d
3 p
p
u2 r
径向向外
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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
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（一）两种过滤方式 1. 滤饼过滤
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2. 深层过滤
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（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
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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
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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
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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。
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☆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。
沉降与过滤
第三章沉降与过滤本章重点：重力沉降及恒压过滤第一节概述3-1非均相物系的分离混合物：均相混合物(物系)：物系内部各处物料性质均匀，无相界面。
例：混合气体、溶液。
非均相混合物(物系)：物系内部有隔开的相界面存在，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。
许多化工生产过程中，要求分离非均相物系。
含尘和含雾的气体，属于气态非均相物系。
悬浮液、乳浊液及泡沫液等属于液态非均相物系。
非均相物系◆分散相(分散物质)：处于分散状态的物质。
气体中尘粒、悬浮液中的颗粒、乳浊液中的液滴。
◆连续相(分散介质)：包围着分散相，处于连续状态的物质。
含尘气体中的气体、悬浮液中的液体。
均相混合物：吸收、蒸馏。
非均相混合物：分散相、连续相物理性质不同(ρ不同)→机械方法：沉降、过滤。
非均相物系分离的目的：（1）回收分散物质（2）净制分散介质本章将简要地介绍重力沉降、离心沉降及过滤等分离法的操作原理及设备。
第二节重力沉降沉降(settling)：在某种力(重力、离心力)作用下，利用连续相与分散相的密度差异，使之发生相对运动而分离的操作。
重力沉降：由地球引力(重力)作用而发生的沉降过程。
3-2颗粒与流体相对运动时所受的阻力球形颗粒的自由沉降自由沉降：单个颗粒在流体中沉降，或者颗粒群在流体中充分地分散颗粒之间互不接触互不碰撞的条件下的沉降。
将表面光滑、刚性的球形颗粒置于静止的流体中。
颗粒：ρP 、d P 、m 流体：ρ、μ、ρP ＞ρ颗粒与流体的的相对运动速度(相对于流体的降落速度)：u颗粒在流体中作重力沉降或离心沉降时，要受到流体的阻力作用,通常称为曳力（drag force ）或阻力。
F d分析颗粒受力情况：ζ：阻力系数，无量纲，实验测定。
ζ：量纲分析因次分析：ζ=f(Re)， 对于球形颗粒实验结果：10-4＜Re ≤2 层流区 ζ=24/ Re →斯托克斯区2＜Re ≤500 过渡区→艾伦区 500＜Re ≤2×105 湍流区 ζ=0.44 →牛顿区浮 图3－1 颗粒受力图dtdu ma u d g d g d F F mg F P P P P d==⋅⋅⋅-⋅⋅-⋅⋅=--=∑24161612233ρπζρπρπ浮μρ⋅⋅=u d P Re Re10=ζ3-3 沉降速度一、沉降速度(u t )的计算∑F 右边前两项与u 无关，mg 、F 浮→const ，第三项随u 增大而增大，F d ∝ u 2/2。
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 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
化工原理第三章沉降与过滤资料
球形度
与颗粒体积相等的球表面积 非球形颗粒的表面积
d
2 e
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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二、 重力沉降设备 （一）降尘室
操作原理：含尘气体进入降尘室后，因流动截面积的
扩大而使颗粒与气体间产生相对运动，颗粒向室底作
沉降运动。只要在气流通过降尘室的时间内颗粒能够
降至室底，尘粒便可从气流中分离出来。
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含尘气体
u ut
净化气体 尘粒
既可用于分离气固非均相物系，也可用于分离液固 非均相物系；既可用于将混合物系中的颗粒与流体 分开，也可用来使不同大小或密度不同的颗粒分开。
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1. 沉降分离条件
停留时间： L
u
沉降时间：
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第二节 重力沉降 1.沉降速度
1）球形颗粒的自由沉降
Fg＝
6
d
3s
Fb＝
6
d
3
Fd＝
4
d
2
u
2
2
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8
Fg Fb Fd ma
6
d 3 s
g
4
d
2
u 2
2
ma
颗粒的沉降过程分为两个阶段： 加速阶段：当颗粒开始沉降的瞬间 u=0, Fd=0, a=amax u↑，Fd↑，a↓
❖ 离心沉降原理：利用沉降设备使流体和颗粒一起作旋转运 动，在离心力的作用下，由于颗粒密度大于流体密度，将 使颗粒沿径向与流体产生相对运动，从而实现分离。在高 速旋转的过程中，颗粒受到的离心力比重力大得多，且可 根据需要进行调整，因而其分离效果好于重力沉降。
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
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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
化工原理教案――第三章 沉降与过虑
第三章 颗粒流体力学基础与机械分离教学内容（8学时）：1. 流体与单个固体颗粒的相对运动、沉降速度，2. 重力沉降、离心沉降原理与设备，3. 过滤、过滤速率及其在恒压条件下的应用 基本要求：1. 理解：流体与单个固体颗粒的相对运动，2. 掌握：重力沉降室的沉降条件及生产能力；旋风除尘器分离能力的估算，3. 理解：过滤基本原理，过滤速率、过滤推动力的意义，掌握：恒压过滤的计算，了解过滤设备3-1 概述化工生产中，需要将混合物分离的情况很多。
如：原料的分离与纯化；产品的分离与纯化；生产中的废气、废液等在排放前都应将其中所含有的有害物质尽量除去。
大致来说，混合物可分为两大类：混合气体溶液如且不存在相界面的物系物系内部各处物性均匀均相物系),(:,:NaOH连续物质所组成的物系有相界面的分散物质和如具有不同物理性质非均相物系)(:ρ均相为互溶物系。
非均相为不互溶物系。
其中，非均相混合物包括⎩⎨⎧液态非均相气态非均相 由⎩⎨⎧悬浮、乳浊、泡沫液等连续物质含雾气体如含尘气体分散物质:,:非均相物系分离法一般用机械分离法，使分散相与连续相发生相对运动，从而分离。
均相物系分离法将在传热和传质有关章节中讲。
⎪⎩⎪⎨⎧流体相对于颗粒的运动过滤离心沉降过程颗粒相对于流体的运动重力沉降机械分离方法::惯性离心力还包括重力以压力差为主过滤作用力速度快还有重力以惯性离心力为主离心沉降作用力速度慢以重力为主重力沉降作用力,,:,,:,:重力沉降及离心沉降可用于分离气态及液态非均相；过滤多用于液态非均相，包括加压，减压，常压及离心过滤。
3-2 筛分1、固体颗粒的大小颗粒最基本的特性是其形状和大小(粒度)，形状均匀的为球形。
颗粒的大小可按其直径的大小来表示，粗的可用mm表示，细的可用标准筛的筛孔号数来表示，再细的则以μm来度量。
测量颗粒大小的最简易的方法是用筛。
标准筛为包括一系列具有不同大小孔眼的筛，若一种颗粒能通过某一号筛而截留于相邻的另一号孔眼较小的筛上，则此颗粒的直径一般认为等于此两号筛孔的宽度的平均值。
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：
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食品工程原理第三章非均相物系分离第一节:概述第二节:重力沉降第三节:离心沉降第四节:过滤重点过滤和沉降的基本理论及方程难点过滤基本方程的应用、过滤设备的操作原理第一节概述一、自然界中混合物的分类二、非均相物系分离的目的三、非均相物系分离的原则四、非均相物系分离的理论基础五、物系分离的方法混合物均相混合物非均相混合物物系内部各处物料性质均匀而且不存在相界面的混合物。
例如：互溶溶液及混合气体物系内部有隔开两相的界面存在且界面两侧的物料性质截然不同的混合物。
固体颗粒和气体构成的含尘气体固体颗粒和液体构成的悬浮液不互溶液体构成的乳浊液液体颗粒和气体构成的含雾气体非均相混合物一、自然界中混合物的分类一、自然界中混合物的分类非均相物系分散物质处于分散状态的物质如：分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡分散相介质包围着分散相物质且处于连续状态的流体如：气态非均相物系中的气体液态非均相物系中的连续液体分散相连续相二、非均相物系分离的目的二、非均相物系分离的目的回收分散物质味精的精制，乳清蛋白的分离净制分散介质空气的净化，含固体颗粒净化，啤酒的净化等 劳动保护与环境卫生离心分离粉尘三、非均相物系分离的原则三、非均相物系分离的原则根据两相物理性质(如密度等)的不同进行分离四、非均相物系分离的理论基础四、非均相物系分离的理论基础分散相和连续相间发生相对运动而实现分离非均相物系的分离操作遵循流体力学的基本规律五、物系分离的方法五、物系分离的方法分离机械分离沉降过滤不同的物理性质连续相与分散相发生相对运动的方式分散相和连续相通常先将其变成一个两相物系，再用机械方法分离，如蒸馏，萃取等非均相物系的分离方法均相物系的分离第二节重力沉降一、颗粒运动时的阻力二、沉降速度三、降尘室沉降：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。
作用力重力惯性离心力重力沉降离心沉降一、颗粒运动时的阻力一、颗粒运动时的阻力流体绕过颗粒的流动uF dz F d 与颗粒的运动方向相反z 颗粒与流体间有相对运动z 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相等流体相对于静止的固体颗粒流动时，或固体颗粒在静止流体中移动时，由于流体的黏性，两者间会产生作用力，这种作用力常称为曳力(drag force)或阻力ρ：流体密度；μ：流体粘度；d p ：颗粒的当量直径；A ：颗粒在运动方向上的投影面积；u ：颗粒与流体相对运动速度；ζ：阻力系数，是Re 的函数，由实验确定22uAFdρζ=)()(μρφφζu d R p e ==颗粒所受的阻力F d 可用下式计算图中曲线大致可分为三个区域，各区域的计算式分别为tRe /24=ζRe10=ξ44.0=ζ 层流区(斯托克斯Stokes 区，10-4<Re<2)斯托克斯区的是准确计算式，另两个区是近似计算式过渡区(艾仑Allen 区，2<Re<500)湍流区(牛顿Newton 区，500<Re<2×105)1. 球形颗粒的自由沉降自由沉降(free settling)：单个颗粒在流体中沉降，或者颗粒群在流体中分散得较好而颗粒之间互不接触、互不碰撞条件下的沉降二、沉降速度二、沉降速度τd dumF F F d b g =−−243)(u d g d du pp p p ρζρρρρτ−−=根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式u重力F g阻力F d 浮力F b2422u d F p d ρπζ=g d F p p g ρπ36=gd F p b ρπ36=ρp 为颗粒密度¾随着颗粒向下沉降，u 逐渐增大，du/d τ逐渐减少ζρρρ3)(4−=p p t gd u 上式表明颗粒的沉降过程包括¾加速阶段沉降速度(terminal velocity)或终端速度：匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度当du/d τ=0时令u= u t ，可得沉降速度计算式¾当u 增到一定数值u t 时du/d τ=0，颗粒作匀速沉降运动¾匀速阶段对于球形颗粒，将不同流动区域的阻力系数分别代入上式，得球形颗粒在各区相应的沉降速度层流区(Re<2)μρρ18)(2−=p pgdt u pp t dg u 3122225)(4⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡−=μρρρρρρpp d g t u )(3−=湍流区(500<Re<105)过渡区(2<Re<500)¾u t 与d p 有关，d p 愈大，u t 愈大¾层流区和过渡区中，u t 还与μ有关¾液体μ约为气体的50倍，故颗粒在液体中的沉降速度比在气体中的小很多2. 沉降速度的求法¾假设流体流动类型¾计算沉降速度¾计算Re ，验证与假设是否相符¾如不相符，重新假设；如相符，结果有效通常采用试差法假设沉降属于层流区()μρρ182−=p p t gd u u t μρdu t =Re Re tRe ＜1t u t 为所求Re ＞1艾伦公式t 求u t 判断……适合为止计算直径为95μm ，密度为3000kg/m 3的固体颗粒在20℃水中的自由沉降速度s m u g d t p p /10797.9310005.11881.9)2.9983000()1098(18)(362−×××−××−×===−−μρρ计算Re ，核算流型19244.0Re 33610005.12.99810797.91095<===−−−×××××μρu d p 假设正确，计算有效解：对20℃的水，ρ=998.2kg/m 3，μ=1.005×10-3 Pa ⋅s 假设为层流区3. 影响沉降速度的因素(以层流区为例)μρρ18)(2−=p p gd t u 3.1 颗粒直径d p啤酒生产，采用絮状酵母，d p ↑→u t ↑↑，易于分离和澄清3.2 连续相的粘度μ加酶：清饮料中添加果胶酶，μ↓→u t ↑，易于分离3.3 两相密度差(ρ-ρ) 均质乳化，d p ↓→u t ↓↓，使饮料不易分层 加絮凝剂使溶液澄清，如水中加明矾增稠：浓饮料中添加增稠剂，μ↑→u t ↓，不易分层3.4 颗粒形状非球形颗粒的形状可用球形度φs 来描述p S S s =φφs ：球形度；S ：颗粒的表面积，m 2；S p ：与颗粒体积相等的圆球的表面积，m 2 φs 越小，ξ越大，但在层流区不明显，u t 非球<u t 球对d<0.5μm 的细微颗粒，应考虑分子热运动的影响，不能用沉降公式计算u t ；沉降公式可用于沉降和上浮等情况3.5 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3.6 干扰沉降(hindered settling)当非均相物系中的颗粒较多，颗粒间的相互距离较近时，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z 利用重力降分离含尘气体中尘粒的设备降尘室的示意图z 是一种最原始的分离方法，一般作为预分离，分离粒径较大的尘粒三、降尘室三、降尘室假设颗粒水平运动的分速度与气体的流速u 相同lHb 净化气体含尘气体u u t 1. 降尘室的计算停留时间θ＝L/u沉降时间θt ＝H/ u t颗粒分离出来的条件为L/u ≥H/ u2 临界粒径d pc (critical particle diameter)能100％除去的最小粒径，即满足L/u ＝H/u t 的粒径当含尘气体的体积流量为q vs 时，u= q vs / HW故与临界粒径d pc 相对应的临界沉降速度u t ≥q vs / WL 则有或q vs ≤WLu tu tc =q vs /WL即临界沉降速度u tc 是流量和面积的函数当尘粒的沉降速度小，处于斯托克斯区时WLq g d v p pc ⋅−=)(18ρρμz 对一定粒径的颗粒，沉降室的生产能力只与底面积WL 和u tc 有关，与H 无关z 沉降室应做成扁平形或在室内均匀设置多层隔板z 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 ≤3m/s降尘室用水平隔板分为N 层，每层高度为H/N ，水平速度u 不变多层隔板降尘室示意图含尘气体粉尘隔板净化气体¾尘粒沉降高度为原来的1/N 倍WLq g d v p pc ⋅−=)(18ρρμN /1¾u tc 降为原来的1/N 倍(u tc =q v /WL)¾临界粒径为原来的倍用高2m 、宽2.5m 、长5m 的重力降尘室分离空气中的粉尘。
操作条件下空气的密度为0.799kg/m 3，粘度为2.53×10-5Pa·s ，流量为5.0×104m 3/h 。
粉尘的密度为2000 kg/m 3。
试求粉尘的临界直径。
sm WL q u vs tc /11.155.23600/100.54=××==解：与临界直径对应的临界沉降速度假设流型属于过渡区，粉尘的临界直径mm g u g u dptc p tc pcμρμρρρμρ1581058.1)100.2()81.9(4779.01053.222511.14225)(4225431232531223122=×=⎥⎦⎤⎢⎣⎡××××=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡≈⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡−=−−4.51053.2779.011.11058.1Re 54=××××==−−μρtc pc u d 校核流型属于过渡区，与假设相符3 沉降室的设计计算μρρ18)(2−=p p gd t u q vs ≤WLu t ts v u q WL ≥tu H uL ≥uL u t H ≤z 计算u tz 确定底面积、W 和Lz 确定沉降距离H已知含尘气体的流量，粉尘的排放标准，气固两相的物理参数4. 悬浮液的沉聚4.1 增稠器z沉聚(sedimentation)：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z澄清：当原液中固体颗粒的浓度较低，而为了得到澄清液时的操作，所用设备称为澄清器(clarifier)z增稠器(thickener)：从较稠的原液中尽可能把液体分离出来而得到稠浆的设备4.2 絮凝剂z溶胶：含有直径小于1μm的颗粒的液体为促进细小颗粒絮凝成较大颗粒以增大沉降速度，可往溶胶中加入少量电解质z絮凝剂(coagulant)：能促进溶胶中微粒絮凝的物质常用絮凝剂明矾、三氧化铝、绿矾(硫酸亚铁)和三氯化铁等，一般用量为40～200×10-6(质量)第三节离心沉降(centrifugal settling)一、离心分离因素二、离心沉降速度三、旋风分离器四、旋液分离器五、沉降式离心机离心沉降(centrifugal settling)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(centrifugal settling)2)30/N (2πωmr mr F c ==离心分离因数：离心力与重力之比如果r 为颗粒到旋转轴中心的距离，K c 值可作为衡量离心机分离能力的尺度。