化工原理 第三章 沉降与过滤

(2）多层降尘室 降尘室内设置 n 层水平隔板
qV (n 1)WLut
降尘室结构简单，流动阻力小，分离效率低，
适用与分离粒度大于50m的颗粒。
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3. 临界颗粒直径 临界颗粒直径dpC——降尘室理论上能100%除去的
最小颗粒直径。
层流 ut
d 2 ( p )g pc 18
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将ζ、Ret计算式代入沉降速度基本方程式中，得各
区域内沉降速度公式： 层流区： u t
d p ( p )g
2
18
2
——Stokes(斯托克斯)式
2
过渡区：
4g ( p ) ut 255

1/ 3
dp
湍流区： ut
4.板框过滤机的工作原理及计算。
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第一节
概述
非均相物系分离： 沉降（重力沉降、离心沉降） 过滤
分散物质（分散相）：处于分散状态的物质
分散介质（连续相）：处于连续状态的物质
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本章考察流固两相物系中固体颗粒与流体之间的相对运动 流体相对颗粒的流动
流体绕过颗粒的流动
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含尘气体 ut
u
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
L 停留时间： u H 沉降时间： t ut
分离条件：
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。
2
18
r
向下，大小不变
径向向外，随r变化
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同一颗粒在同种介质中的离心沉降速度与重力沉降 速度之比为：
2 u r uT Kc u t gR
Kc：离心分离因素
Kc值一般在102～105之间，其大小反映了离心沉 降设备的效能为重力沉降设备的倍数，是离心分 离设备性能的一项重要指标。
W
t
L 或 u ut H
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即
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L H u ut
2. 生产能力 qV——降尘室所处理含尘气体的体积流量
qV qV WHu u WH
qV LWut
结论：降尘室的生产能力只与沉降面积WL及颗粒 沉降速度ut有关，而与高度H无关。
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二、 离心沉降设备 （一）旋风分离器 1. 结构与工作原理
KC为5~2500，可分离 气体中5~75m的颗粒。
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2 旋风分离器的操作原理 构造：进气管、上筒体、下锥体和中央升 气管等
操作原理：含尘气体由进气管进入旋风 分离器后，沿圆筒的切线方向，自上而下 作圆周运动。 颗粒在随气流旋转过程中，受到的离心 力大，故逐渐向筒壁运动，到达筒壁后沿 壁面落下，自锥体排出进入灰斗。 净化后的气流在中心轴附近范围内由下 而上做旋转运动，最后经顶部排气管排出。 通常，将下行的螺旋形气流称为外旋流， 上行的螺旋形气流称为内旋流。内、外旋 流的旋转方向相同。

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沉降分离
沉降操作：在某种力场中利用连续相和分散相之 间的密度差异，使之发生相对运动，从而实现分 离的操作过程。 根据外力场的不同，沉降分为重力沉降和离心沉 降。 根据沉降过程的影响，分为：自由沉降（发生在 稀疏颗粒的流体中）和干扰沉降（多发生在液态 非均相物系中）。 衡量沉降进行的快慢程度通常用沉降速度来表示。
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例3-2（P 96 ）
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第三节

离心沉降
离心沉降：依靠惯性离心力的作用而进行的沉降过程称为。 对于两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系，用重 力沉降很难进行分离甚至完全不能分离时，改用离心沉降 则可大大提高沉降速度，且可缩小设备尺寸。 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。

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4.旋风分离器的结构型式与选用
改进措施： （1）采用细而长的器身 （2）减小涡流的影响：对切向进口方式进行 改进 改进下灰口，防止将已沉集下来的粉尘重 新扬起。
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3.3.5 旋液分离器
但进口阻力增加，同时湍流状况增大，易带起灰
尘，所以一般不采用此法。
一般情况：Ne=0.5~3.0； 标准型：Ne=5.0
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〖总结〗 影响旋风分离器性能的因素中，物系条件及操作 条件是主要的。 颗粒密度大、粒径大、进口气速高及粉尘浓度高， 均有利于分离。 但气速过高，易使湍流加剧，不利于分离，且增 加压强降，故进口气速在10～25m/s范围内为宜。 粒径大，对器壁的磨损较严重，使旋风分离器的 使用寿命减少，故分离粒径在5～200μm为宜。
qV H ut u L WL
d pc
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18 ut ( p )g
qV 18 ( p ) g WL
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〖说明〗 沉降速度ut应按需要分离下来的最小颗粒计算； 气流速度u不应太高，以免干扰颗粒的沉降或把 已经沉降下来的颗粒重新卷起。为此，应保证 气体流动的雷诺准数处于滞流范围之内； 降尘室结构简单，流动阻力小，但体积庞大， 分离效率低，通常仅适用于分离直径大于50μm 的颗粒，用于过程的预除尘。 多层降尘室虽能分离细小的颗粒，并节省地面， 但出灰麻烦。
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沉降速度： ur
d p 2 ( p ) ui2 18 rm
18brm b 2 沉降时间： r 2 ur d p ( p )ui
2 rm n n——旋转圈数 停留时间： ui
沉降分离条件：
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r
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b d 临界颗粒直径： pc 3 nui ( p )
颗粒在流体中的流动
流体通过颗粒床层的流动
过滤
重力沉降
离心沉降
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机械分离
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非均相物系分离的目的
1回收有用物质 如从气流干燥器排出尾气中回收带出的固体颗 粒作为产品，或者从某些排泥中回收带走的液 体等。 2净化物料 如除去浑液中的固相杂质而使其成为清液，或 者使压缩后气体中的油滴分离而净化气体等 3环境保护的需要 象烟道气的排放、废液的排放都要求其含固量 达到一定标准，以防止对大气、河海等环境污 染。

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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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u2 3 u2 F dp p 离心力： C m r 6 r
u2 浮力： F d 3 p （向心力） b 6 r
阻力： Fd A
径向向外
指向中心

ur2
2
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2. 临界颗粒直径
ui
b
假设：
• 切向速度ut=进口速度ui
• 颗粒沉降的最大距离b
• 层流
rm——平均旋转半径
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假设：
（1）气流严格按螺旋形路线作等速运动，其切向 速度等于进口气速即uT=ui； （2）颗粒向器壁沉降时，必须穿过厚度等于进气 宽度B的气流层，方能达到器壁而被分离； （3）颗粒的流动类型为层流。
讨论： （1）b dpc D 旋风分离器越大，分离效果越不好 所以生产能力较大时，一般采用多个小旋风分 离器并联。
（2）ui
dc
分离效果好
流动阻力大
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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；
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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＝ d 3 s 6 Fb＝ d 3 6 u 2 Fd＝ d 2 4 2
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Fg Fb Fd ma

u 2 d 3 s g d 2 2 ma 6 4
旋转中动能损失 造成气体压力降：
p
一般 p= 0.3~2 kPa
u
2
2 i
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临界直径随分离器尺寸的增大而增大，所以， 分离效率随分离器尺寸的增大而减小。 当气体处理量很大时，常将若干个小的旋风分 离器并联使用，以维持较高的分离效率。
ui↑，dC↓，η↑说明提高进口气速可提高分离效率，


4
dp
2
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
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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 方向 离心沉降速度ur
ut
d p ( p )g
2
18
ur
d p ( p ) u2
用前式计算沉降速度时，需先确定阻力系数ζ值。 24
0.0 1 44 通过因次分析，ζ是颗粒形状、颗粒与流体相对运 Re tRe 动雷诺数Ret=dutρ/μ的函数，由实验测得的综合结 果在下图中示出。 对于球形颗粒的曲线，从图可看出，按Ret值大致 分为三个区，各区内曲线所对应的ζ可分别用相应 的数学关系式表示。

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↓ 等速阶段：u=ut时，Fd=Fg-Fb，a=0
4 gd s ut 3
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自由沉降速度
：颗粒与流体发生相对 运动时的阻力系数。
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3.湍流区(牛顿定律区) 500<Ret<2×105 1.滞流区(斯托克斯定律区) 10-4 2.过渡区(艾伦定律区) 2<Ret<500 <Ret<2 2 阻力系数ζ
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净化气体 含尘 气体 A
双螺旋旋风分离
1.外螺旋起主要除尘作
用，以离心力将颗粒抛 向器壁。
D
2.内螺旋具有较大旋转
角速度，可将细小颗粒 抛向器壁，同样是分离
的积极部分。
D大，粗短，处理能力大
D小，细长，分离效率高
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尘粒
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主要结构参数为筒体直径D，其它 尺寸以D为标准，如图示。 〖特点〗：结构简单，造价低廉， 无运动部件，操作范围广，可用多 种材料制造，是化工、轻工、冶金 等部门常用的分离和除尘设备。 〖说明〗旋风分离器一般用来除去 气流中粒径5μm以上的尘粒，对颗 粒含量高于200g/m3的气体，由于颗 粒的聚集作用，它甚至能除去3 μm 以下的颗粒。 对直径在200 μm以上的颗粒最好先 用重力沉降法除去，以减小对器壁 的磨损； 对于直径5μm以下的颗粒，除尘效 率很低，需采用袋滤器或湿法捕集。
第三章
沉降与过滤
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要求：
1.掌握重力沉降的原理及设备的工艺计算； 2.掌握离心沉降的原理及设备的性能； 3.理解过滤操作的基本原理、基本方程式； 4.掌握恒压过滤基本方程式及应用； 5.掌握过滤常数的测定； 6.掌握过滤设备的工作原理及计算。
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重点：
1.重力沉降及其设备 2.恒压过滤基本方程式及应用； 3.过滤常数的测定；
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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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（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
与 颗 粒 体 积 相 等 的 球 面 积 d e2 表 球形度 非球形颗粒的表面积 A