第三章_沉降与过滤

流体输送机械
37
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。
流体输送机械
11
ut的计算方法： 试差法（先假设颗粒的沉降类型，计算ut值，然后 将ut代入颗粒雷诺数验算是否与假设相符）
40μ 30℃大气中的自由沉降速。 例 3.1 用试差法求直径为 40μm 的球形颗粒在 30℃大气中的自由沉降速。 3 已知固体颗粒密度为 2600kg/m ，大气压强为 0.1MPa。 设沉降属于层流，应用斯托克斯公式计算。30℃ 解：设沉降属于层流，应用斯托克斯公式计算。30℃，0.1MPa 下空气的密 3 空气的粘度μ 1.86× -5 度ρ＝1.165kg/m ，空气的粘度μ＝1.86×10 ·Pa·s，则：
一般在层流区沉降
2 p
ur =
d (ρ p − ρ ) 18 µ
ω 2r
ut =
2 d p (ρ p − ρ )g
18 µ
离心沉降层流区沉降速度
流体输送机械
重力沉降层流区沉降速度
28
二、典型设备： 主要是旋风分离器和旋液分离器。 旋风分离器 1、结构特点及操作原理
进气口、主体、排气管、排灰口； 气体在旋风分离器中的轨迹（内外 旋流）； 旋风分离器中气体的压力分布： 器壁附近压力最大，仅稍低于进口 处的压力；往中心压力逐渐降低，在 轴心附近成为负压。
4g (ρp − ρ) ut = 225µρ
2
2 1/ 3
dp
ut =
(ρ 3.03g
p
− ρ)dp
ρ
流体输送机械
9
层流区沉降速度计算式
ut = d (ρ p − ρ ) g
2 p
18µ
？
流体输送机械
10
沉降速度与颗粒和流体的密度差成正比关系，与颗粒直径成 平方关系。 不同密度的颗粒，沉降速度不同 不同粒径的颗粒，沉降速度也不同。 －这是利用重力沉降分离非均相混合物的基本原理。
流体输送机械
15
W
L
τt =
H
H ut
L τ = u
ut
u
颗粒能被分离出的条件是： τ≥τt
L H ≥ u ut
显然，若处于入口端顶部的直径为dp颗粒能够除 掉，则处于其它位置的直径为dp的颗粒都能被除掉， 因此上式是气体中直径为dp的颗粒完全被分离下来的 条件。计算中dp和ut应按照需分离的最小颗粒的值进 行计算。
流体输送机械
29
流体输送机械
30
流体输送机械
31
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。
流体输送机械
24
第三节
离心沉降
自由沉降受重力的影响无法满足要求，而改变沉降速度的 唯一因素只能通过改变力的大小来实现，即将重力用离心力 来代替。
重力场 力场强度 方向 作用力 重力加速度g 指向地心 Fg=mg
流体输送机械
离心力场 ut2/R 沿旋转半径从中心指向外周
25
• 离心分离因数：离心力与重力之比。
流体输送机械
3
分类：固体非均相、气体非均相和液体非均相混合物 概念：分散相和连续相 非均相混合物分离目的：回收分散相或净化连续相 非均相混合物分离方法：主要的物理分离方法是沉降与过 滤；对于含尘气体还有液体洗涤除尘法和电除尘法等。
流体输送机械
4
颗粒的特性
球形颗粒 体积 表面积 比表面积 非球形颗粒 体积当量直径de de=
流体输送机械
W
L
16
H
ut
u
已知气体的体积流量为qvs,，求临界粒径dpc
L H ≥ u ut
q vs u = HW
ut
q vs ≥ WL
2 d p (ρ p − ρ )g
临界速度
ut =
d pc =
18 µ
临界粒径
18 µ q vs × ( ρ p − ρ ) g WL
流体输送机械
W
L
17
H
ut
3
V= π/6 d3 S=πd2 S/V=6/d
6V P
π
表面积当量直径des des =
SP
π
流体输送机械
5
第一节 重力沉降
一、沉降速度
F
颗粒受力分析：以球形颗粒为研究对象
d
重力： F g =
1 πd 6
3 p
ρ
p
g
F
b
流体对颗粒的浮力：F 流体对颗粒的阻力： F
b
1 = πd 6
= ξ A
P
3 p
u
降尘室工作能力：（单位时间降尘室能处理的混合物的量）
Vs 由 u = WH
L H 代入 u ≥ u t
得
Vs ≤ W L u t
降尘室的工作能力与其高度无关，只与降尘室的底 面积（WL）有关.
流体输送机械
18
降尘室宜设计成扁平状。 气态非均相物系在降尘室中的流动以滞流为好，否则由于 湍流的脉动效果使得沉降在降尘室底面的细小颗粒又被气 流卷起，降低沉降分离的效率。因此降尘室的高度也不宜 太低。 经验参考值：多数颗粒的分离可取u<3m/s，较易扬起的尘 粒则取u<1m/s。因降尘室体积庞大，分离效率低，一般常 用来进行预除尘，分离气态非均相物系中粒径大于75μm 的固体颗粒。
流体输送机械
42
第四节 过滤
第四节 过滤
一、过滤操作的基本概念 过滤：利用能让液体通过而截留固体颗粒的多孔介质（过 滤介质），使悬浮液中固液得到分离的单元操作。 滤浆：过滤操作中所处理的悬浮液 滤浆：通过多孔介质的液体 滤渣（滤饼）：被截留住的固体物质 实现过滤操作的外力有重力、压力、离心力，化工中应用 最多的是压力过滤。
2 在稳定运动中，作用力与阻力达到平衡，颗粒与流体的相对运动速度 dr d s ( ρ s − ρ ) ur = = ⋅ r ⋅ω 2 达到恒定，则径向速度服从斯托克斯定律即：
dt
18µ
流体输送机械
27
一、离心沉降速度
ur =
4 d p (ρ p − ρ ) 2 ⋅ω r 3 ρξ
ξ
= 24 R
e
35
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。
流体输送机械
36
管式离心机的工作原理
待处理的物料以一定压力由进料管经底 部空心轴进入鼓底，靠圆形折转挡板1 分布于鼓四周。鼓内设有十字形挡板3， 液体在鼓内由挡板被加速到转鼓速度， 在离心力场作用下，乳浊液（或悬浮液） 沿轴向上流动的过程被分成轻液相和重 液相，通过上方溢环状流口排出。 转速：15000rpm， Kc＝50000左右 加长转鼓长度的目的:增加物料在转鼓 内的留停时间。
rω 2 rN 2 Kc = ≈ g 900 2πN 其中，ω = ，N：r/min 60
流体输送机械
26
与颗粒在重力场中相似，颗粒在离心力场中 也受到三个力的作用，即惯性离心力、向心 力和阻力。当三力平衡时，颗粒在径向上相 对于流体的速度即为颗粒在此位置上的离心 沉降速度ur
2 2 π 3 uT uT 离心力： F = m = d ρS 方向向外 R 6 R 2 π 3 uT 向心力： FC = d ρ 方向向内 6 R π 2 ρ u r2 阻力： Fd = ζ d 方向向内 4 2
校核流型
= 0.12m / s ρd put 40×10−6 ×0.12×1.165 10−4＜Ret = = = 0.3＜ 1 −5 µ 1.86×10
(40×10−6 )2 × 9.81× (2600−1.165 ) ut = 18×1.86×10−5
故初始假设正确， 0.12m/s。 故初始假设正确，沉降速度为 0.12m/s。
流体输送机械
19
流体输送机械
20
流体输送机械
21
沉降槽（悬浮液中固体颗粒的分离：澄清液与稠浆）
特点：利用颗粒的自然沉降性实现的分离，但由于分离效 果差，一般得到含固体颗粒50％的增稠液，所以也叫增稠器。 生产能力：一般以澄清液溢出量表示
流体输送机械
22
流体输送机械
23
为了提高沉降槽的生产能力，可以采用向槽内添加絮凝剂 的方法。常用的絮凝剂主要有： 无机絮凝剂：石灰、硫酸、明矾、硫酸亚铁、苛性钠、盐 酸和氯化锌等； 天然高分子絮凝剂：有淀粉和含淀粉的蛋白质物质，如马 铃薯、玉米粉、红薯粉及动物胶等； 合成高分子絮凝剂：有离子和非离子型高分子聚合物，如 聚丙烯酰胺、羰基纤维素和聚乙烯基乙醇等。
ρg
2
ρ u
2
d
F
g
流体输送机械
6
由动量定理：
du F = Fg − Fb − Fd = m dτ
d ρg − ξ
3 p
π
6
d ρpg −
3 p
π
6
π
4
d
2 p
ρu 2
du = d ρp 2 6 dτ
3 p
π
颗粒在流体内作重力沉降运动的过程将经历先加速后匀速 的运动过程，其最终的速度称重力沉降速度(ut )，且颗粒 的加速运动过程很短，一般情况下不予考虑。 当
du = 0 dτ
时，u＝ut，则： d 3 ρ p g − p
6
π
π
6
d 3 ρg − ξ p
π
4
2 dp
ρ u t2
2
=0
整理得
ut =
4 gd p ( ρ p − ρ ) 3 ρξ
流体输送机械
7
球形颗粒的阻力系数ξ是颗粒雷诺数的函数,需实验测定。
阻力系数ξ-Re关系曲线,分三个区： 层流区（斯托克斯区）：阻力主要为摩擦阻力。 过渡区（阿仑区）：此时阻力为摩擦阻力和形体 阻力之和。 湍流区（牛顿区）：此时阻力主要为形体阻力。
流体输送机械
32
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 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。
流体输送机械
33
流体输送机械
34
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
流体输送机械
ξ =
24 R e
10 ξ = Re
ξ = 0 . 44
流体输送机械
8
将用沉降速度ut表示的颗粒雷诺数Re代入层流 区沉降速度公式中：
24 R et = ξ = µ Re 2 d p (ρ p − ρ )g ut = 18 µ
d put ρ
ut =
4 gd p ( ρ p − ρ ) 3 ρξ
即层流区沉降速度计算式，也称斯托克斯（Stokes）公式。 另外，还有艾仑（Allen）公式和牛顿（Neton）公式分 别计算自由沉降过程中过渡区和湍流区的沉降速度。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
流体输送机械
38
流体输送机械
39
碟片式离心机的结构
密闭转鼓内设有数十个至上百个 锥角为60～120的锥形碟片 简单的碟式离心机没有自动排渣 装置 自动除渣碟式离心机在四壁上开 设若干喷嘴（或活门）
流体输送机械
40
流体输送机械
41
电力沉降 如果将作用在（带电）颗粒上的电场力代替离心力， 则颗粒的沉降就是电力沉降。 电力沉降的原理：含尘气体通过高压电场后产生的自发 性电离使颗粒带电，在电场力的作用下运动，到达收尘电 极后放电并吸附在收尘电极上，从而实现了气态非均相物 系的分离。 电除尘的基本过程： a、气体电离；b、颗粒荷电；c、荷电颗粒在电场中的 运动；d、颗粒放电
1
第三章 沉降与过滤
掌握重力沉降的基本原理、典型设备及应用； 了解并熟悉旋风分离器的工作原理及其性能参数； 重点了解过滤的基本操作过程、典型的设备，熟练 掌握恒压过滤的操作及计算； 了解混合气体的过滤方法及设备。
流体输送机械
2
第一节 概述
均相混合物与非均相混合物的概念 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 非均相混合物：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。例如：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
流体输送机械
12
二、典型重力沉降设备 根据非均相混合物的种类不同，主要有降尘室和沉降槽。 水平流动型降尘室 1、结构：
流体输送机械
13
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。
流体输送机械
14
如果颗粒在降尘室的停留时间（水平运动的时间τ）大于 颗粒从室顶到出口下侧边缘所在的水平面所需的时间τt， 即τ> τt，则颗粒必将留在降尘室，从而实现了物系的分离 （固体颗粒和气体的分离）。