化工原理 沉降与过滤

*本节从最简单的沉降过程－刚性球形颗粒的自由沉降入手，
讨论沉降速度的计算，分析影响沉降速度的因素，介绍沉 降设备的设计或操作原则。 一、 沉降速度★ 二、 降尘室 三、 悬浮液的沉聚
一、沉降速度
（一）球形颗料的自由沉降 （二）沉降速度的计算 （三）影响沉降速度的其它因素
（一）球形颗料的自由沉降
（三）压力损失
气体通过旋风分离器的压力损失，可用进 口气体动压的某一倍数表示为

式中的阻力系数用下式计算
ui
2
2
30bh D 2 d LH
四、旋液分离器
旋液分离器是利用离 心力的作用，使悬浮 液中固体颗粒增稠或 使粒径不同及密度不 同的颗粒进行分级。 与旋风分离器相似， 只是液体与颗粒的密 度差较小，为提高分 离的离心力和停留时 间，因此器身做的较 细长。
分散相或分散物质→非均相物系中，处于分散状态的物质，如悬浮液
中的固体颗粒、乳浊液中的液滴、泡沫液中的气泡；


连续相或分散介质→包围着分散物质且处于连续状态的流体。 根据连续相状态，非均相物质分为两类： 气态非均相物质：如含尘气体、含雾气体等。 液态非均相物质：如悬浮液、乳浊液等。
（二）非均相混合物的分离方式
一、非均相物系的分离
（一）混合物的分类★ （二）非均相混合物分离方式★ （三）工业上分离非均相物质的目的
（一）混合物的分类



1、均相混合物（均相物系 ）： 凡物系内部各处物料性质均匀，且不存在相界面者，称为均 相混合物。如：溶液、混合气体等 。 2、非均相混合物（非均相物系）： 凡物系内部有隔开两相的界面存在，且界面两侧物料性质截 然不同者，称为非均相混合物或非均相物系。其中包括：
第三章
第一节 第二节 第三节 第四节
沉降与过滤
概述 重力沉降 离心沉降 过滤
第一节 概述
本章是利用流体力学原理，采用使分散相和连 续相发生相对运动的方法，从而实现非均相混 合物分离的单元操作。 通过本章学习，重点掌握沉降和过滤两种机械 分离操作的原理、过程计算、典型设备的结构 与特性，能够根据生产工艺要求，合理选择设 备类型和尺寸。 一、非均相物系的分离 二、颗粒与流体相对运动时所受的阻力
例3－1：
（三）影响沉降速度的其它因素
• 1． 颗粒形状：
• 测定非球形粒的沉降速度，用沉降速度公式计算出粒径。这样求 出来的非球形颗粒的直径，称为当量球径（diameter of equivalent sphere）。即用球形颗粒直径来表示沉降速度与其 相同的非球形颗粒的直径。这种处理方法对于沉降过程的设计就 足够了。
一、离心分离因数★
• 同一颗粒在同一介质中，所在位置上的离心力场强 度与重力场强度的比值，称为离心分离因数，是离 心分离设备的指标。
二、离心沉降速度
• 颗粒在离心场中， 径向速度 每一点 切向速度
• 真正产生沉降作用的是径向。 • 下面我们主要分析径向受力：
离心沉降与重力沉降的比较
（1）计算式形式相似；只是离心沉降速度ur 计算公式中将重力沉降速度计算公式中的加速 度g改为离心加速度rω2； （2） ur不是颗粒运动的绝对速度，而是绝对 速度在径向上的分力，且离心沉降方向不是向 下而是向外； （3）在一定的条件下，重力沉降速度是一定的， 而离心力随旋转半径而变，离心沉降速度ur也 随颗粒的位置而变。
＝Au＝H↓Wu↑）。由式（ L/u≥H/ut）可知颗粒的 停留时间与沉降时间都为原来的1/2。因此，从式 （ utc＝qVs/WL）与式（ utc不变，dpc也不变。 ）可知，
应注意的是气速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。
降尘室用水平隔板分为N层， 每层高度为H/N 。但气体流 动的截面积（HW）不变，水 平速度u （qVs＝HWu）不变。
讨论：
4、由于小颗粒具有相当大的比表面积，使得颗粒与流体间 的接触表面很大，故阻力Fd在很短时间内便与颗粒所受的净 重力（Fg－Fb）接近平衡。因而，经历加速度的时间很短， 在整个沉降过程中往往可以忽略。 5、等速阶段时颗粒相对于流体的运动速度ut称为“沉降速 度”。由于这个阶段是加速度终了时颗粒相对于流体的速度， 又叫“终端速度”。当a＝0时，u＝ut，则等速阶段ut计算式 可推导为
（二）阻力计算式：
（三）球形颗粒的
分区
注意： 球形颗粒的 这三个区不 要与流体流 动时流体的 流动类型相 混淆。
第二节 重力沉降
概念：利用分散介质和分散物质密度的差异，在重力
（地球引力）的作用下使之得到分离的过程。 ★ 原理：固体颗粒在做同一水平运动的同时做向下的沉降 运动，由于密度不同，沉降速度不同，密度大的 先沉降，密度小的后沉降，使之分离。
二、降尘室：通常可分离粒径为50μm以上的
粗颗粒，作为预除尘用
借重力沉降从 气流中分离出 尘粒的设备称 为降尘室。最 常见的水平流 动型降尘室如 上图所示，颗 粒在降尘室内 的运动如下图 所示。
1、停留时间与沉降时间
假设颗粒运动的水平分速度与气体的流速u相同，颗 粒的沉降速度为ut，则颗粒在降尘室中的 停留时间＝L/u 沉降时间＝H/ut 则颗粒分离出来的条件是L/u≥H/ut
由此三式可知，ut与dp、ρp及ρ有关。dp及ρp愈大，ut则 就愈大。层流区与过渡区中，ut还与流体粘度μ有关。液 体粘度约为气体粘度的50倍，故颗粒在液体中的沉降速度 比在气体中的小很多。
（二）沉降速度的计算
试差法：
可先假设沉降属于某区，则用计算式求出 ut。然后用所求出的ut 计算Re值，再检 验Re值是否属于某区。如果计算的Re值不 在所假设的流型区域，则应另选用其它区 域的计算式求ut 。直到所求ut计算的Re 值符合于所用计算式的流型范围为止。
Fb及阻力Fd三个力的作用。对
于一定的流体和颗粒，重力与 浮力是恒定的，而阻力却随颗
粒的降落速度而变。
讨论：
1、当颗粒开始沉降的瞬间，速度u为0，因此阻力Fd也 为0，故加速度a具最大值。 2、颗粒开始沉降后，阻力随u的增加而加大，直至u达 到某一数值ut后，重力Fg、浮力Fb及阻力Fd达到平衡， 即合力为0，质量m不可能为0，故只有加速度a为0，此 时，颗粒开始做匀速沉降运动。 3、由以上分析可见，静止流体中颗粒的沉降过程可分 为两个阶段：起初为加速阶段，而后为匀速阶段。
（二）临界粒径
临界粒径：是理论上在旋风分离器中能被完全分 离下来的最小颗粒直径，是判断分离效率高低的 重要指标。
计算临界粒径的关系式，可在如下简化条件下推导出来：
1、进入旋风分离器的气流严格按螺旋形线路做等 速运动，其切向速度等于进口气速ui。 2、颗粒向器壁沉降时，必须穿过厚度等于整个进 气宽度b的气流层，方能达到壁面而被分离； 3、颗粒在层流情况下作自由沉降，旋转半径取平 均值rm 。
连续式增稠器
絮凝剂
溶胶：液体中所含固体颗粒径大小会有差别，含
有颗粒直径较大的液体，一般称为悬浮液；含有 颗粒直径小于1μ m的液体，一般称为溶胶。
絮凝剂：凡能促进溶胶中微粒絮凝的物质，称为
絮凝剂（coagulant）。常用的电解质，除了明 矾还有三氧化铝、绿矾（硫酸亚铁）、三氯化铁 等。一般用量为40～200ppm（质量）。近来， 已研究出某些高分子絮凝剂。
三、旋风分离器
旋风分离器是利用离心力作用净制气体的 设备 。
（一）构造与操作 （二）临界粒径 （三）压力损失
（一）构造与操作
气体沿切向进入，做双层旋转：由上而下－外旋留， 由下而上－内旋流。在旋转中，颗粒得到的离心力大 于气体，先碰到器壁，由于碰撞和摩擦的作用，丧失 动能，落入灰斗。
若要求L/u＝H/ut，则utc降 为原来的1/N倍。则临界粒 径dpc降为原来的 倍， 使更小的尘粒也能分离。 1
N
多层隔板降尘室
一般可分离20μm以上的颗 粒。但多层隔板降尘室排灰 不方便。
4、降尘室的计算：
可分为以下3类： （1）已知qVs 、物性数据（ρ、μ、 ρp ）及dpc ，计算底面积WL。 （2）已知底面积WL、物性数据及dpc ， 计算qVs 。 （3）已知底面积WL、物性数据及qVs ， 计算dpc 。
三、悬浮液的沉聚（了解）
（一）增稠器 （二）絮凝剂
（一）增稠器
• 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。 • 澄清器（clarifier） ：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，常 称为澄清。所用设备称为澄清器。 • 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。


2、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。 实现过滤操作的外力可以是重力、压强差或惯性离心力， 因此，过滤又可分为重力过滤、加压过滤、真空过滤和 离心过滤。
（三）工业上分离非均相物质的目的
1、回收有价值的分散物质： 2、净化分散介质以满足后继生产工 艺的要求： 3、劳动保护和环境卫生：
2、临界粒径dpc：
若在各种不同粒径的尘粒中，有一种粒径的 尘粒能满足L/u＝H/ut的条件，此粒径称为 重力降尘室能100％除去的最小粒径，或称 为临界粒径dpc 。
则某些粒径的尘粒，其沉降速度ut大于或等 于qVs/WL，则能全部分离出来。故与临界粒径 dpc相对应的临界沉降速度为utc＝qVs/WL 。
注： a、由上式可知，当utc与dpc一定时，qVs与底 面积WL成正比，而与高度H无关。 b、当qVs一定时，dpc及utc与降尘室的底面积 WL成反比，而与高度H无关。
3、降尘室的形状：
由以上分析可知，降尘室的生产能力与其高度H无关， 宜做成扁平形。
若qVs不变，使H缩小1/2，则u变为原来的两倍（ qVs

根据两相运动方式不同，常用的两种机械分离方式有：


1、沉降分离：
沉降操作是指在外力场作用下，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。是颗粒相对于流体（静止或运动）运动的过程。实 现沉降操作的作用力可以是重力，也可以是惯性离心力， 因此，有重力沉降与离心沉降之分。
第三节 离心沉降
离心沉降：在离心场中，颗粒与流体做相对运 动，依靠惯性离心力的作用，使颗粒得到分离 的操作。 重力加速度是常数，而离心加速度是变数，所 以离心沉降能获得更高的沉降速度和更大的生 产能力。
一、 二、 三、 四、 五、 离心分离因数★ 离心沉降速度★ 旋风分离器（分离气固非均相物系） 旋液分离器（分离液固悬浮物系） 沉降式离心机（分离液固悬浮物系）（自学）
• 2．壁效应 ：
• 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（wall effect）。
• 3．干扰沉降 ：
• 当非均相物系中的颗粒较多，颗粒之间相互距离较近时，颗粒沉 降会受到其它颗粒的影响，这种沉降称为干扰沉降（hindered settling）。干扰沉降速度比自由沉降的小。
二、颗粒与流体相对运动时所受的阻力 （一）曳力或阻力： （二）阻力计算式： （三）球形颗粒的 分区： ★
（一）曳力或阻力：
• 当流体以一定速度绕过静止的固体颗粒流动时， 由于流体的粘性，会对颗粒有作用力。反之，当 固体颗粒在静止流体中移动时，流体同样会对颗 粒有作用力。这两种情况的作用力性质相同，通 常称为曳力（drag force）或阻力。只要颗粒与 流体之间有相对运动，就会有这种阻力产生。
1、自由沉降与干扰沉降： 自由沉降→单个颗粒在流体中沉降，或者颗粒群
在流体中分散得较好而颗粒之间互不 接触互不碰撞的条件下沉降。
干扰沉降→固体颗粒在沉降过Fra Baidu bibliotek中，因颗粒之间
的相互影响，而使颗粒不能正常沉降。
2、球形颗料的自由沉降
将表面光滑的刚性球形颗粒置
于静止的流体介质中，如果颗 粒的密度ρp大于流体的密度 ρ，则颗粒将在流体中降落。 此时，颗粒受到重力Fg、浮力