第三章_沉降与过滤
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➢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
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
Fd
重力：
Fg
1 6
d
3 p
p
g
Fb
流体对颗粒的浮力：Fb
1 6
d
3 p
g
流体对颗粒的阻力： Fd
AP
u 2
2
Fg
6
由动量定理：
F
Fg
Fb
Fd
m du
d
6
d
3 p
p
g
6
d
3 p
g
4
d
2 p
u 2
2
6
d
3 p
p
du
d
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。
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。
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
滤；对于含尘气体还有液体洗涤除尘法和电除尘法等。
4
➢ 颗粒的特性
➢ 球形颗粒
➢ 体积
V= π/6 d3
➢ 表面积
S=πd2
➢ 比表面积 S/V=6/d
➢ 非球形颗粒
➢ 体积当量直径de de=
3 6VP
➢ 表面积当量直径des des = S P
5
第一节 重力沉降
一、沉降速度
颗粒受力分析：以球形颗粒为研究对象
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 度ρ＝1.165kg/m3，空气的粘度μ＝1.86×10-5·Pa·s，则：
(40 106 )2 9.81 (2600 1.165)
ut
18 1.86 105
校核流型
0.12m/ s
10 4 ＜Ret
d put
40 106 0.12 1.165 1.86 105
➢ 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）。
L W
u
H
ut
15
t
H ut
L
u
颗粒能被分离出的条件是： τ≥τt
LH
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。
得 Vs WLu 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.
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。
阻力之和。 ➢ 湍流区（牛顿区）：此时阻力主要为形体阻力。
24
Re
10
Re
0.44
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：
Ret
d put
24
Re
ut
d
2 p
(
p
)g
18
ut
4gdp (p ) 3
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
L
16
W
ห้องสมุดไป่ตู้
u
H
ut
➢ 已知气体的体积流量为qvs,，求临界粒径dpc
LH
u
ut
u qvs HW
ut
qvs WL
临界速度
ut
d
2 p
(
p
)g
18
d pc
18 qvs ( p )g WL
临界粒径
L
17
W
u
H
ut
➢降尘室工作能力：（单位时间降尘室能处理的混合物的量）
由 u Vs WH
代入
LH u ut
19
20
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
22
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。
－这是利用重力沉降分离非均相混合物的基本原理。
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）
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。 已知固体颗粒密度为 2600kg/m3，大气压强为 0.1MPa。
当 du 时 0，u＝ut，则：
d
6
d
3 p
p
g
6
d
3 p
g
4
d
2 p
ut2
2
0
整理得
ut
4gdp (p ) 3
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
0.3＜1
故初始假设正确，沉降速度为 0.12m/s。
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：
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。
14
计算自由沉降过程中过渡区和湍流区的沉降速度。
ut
4
g
2(p 225
)2
1/ 3
dp
ut
3.03g p d p
9
层流区沉降速度计算式
ut
d
2 p
(
p
18
)g
？
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。
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➢ 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
Fd
重力：
Fg
1 6
d
3 p
p
g
Fb
流体对颗粒的浮力：Fb
1 6
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3 p
g
流体对颗粒的阻力： Fd
AP
u 2
2
Fg
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由动量定理：
F
Fg
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g
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2 p
u 2
2
6
d
3 p
p
du
d
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。
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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。
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
滤；对于含尘气体还有液体洗涤除尘法和电除尘法等。
4
➢ 颗粒的特性
➢ 球形颗粒
➢ 体积
V= π/6 d3
➢ 表面积
S=πd2
➢ 比表面积 S/V=6/d
➢ 非球形颗粒
➢ 体积当量直径de de=
3 6VP
➢ 表面积当量直径des des = S P
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第一节 重力沉降
一、沉降速度
颗粒受力分析：以球形颗粒为研究对象
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 度ρ＝1.165kg/m3，空气的粘度μ＝1.86×10-5·Pa·s，则：
(40 106 )2 9.81 (2600 1.165)
ut
18 1.86 105
校核流型
0.12m/ s
10 4 ＜Ret
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40 106 0.12 1.165 1.86 105
➢ 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）。
L W
u
H
ut
15
t
H ut
L
u
颗粒能被分离出的条件是： τ≥τt
LH
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。
得 Vs WLu 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.
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。
阻力之和。 ➢ 湍流区（牛顿区）：此时阻力主要为形体阻力。
24
Re
10
Re
0.44
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：
Ret
d put
24
Re
ut
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18
ut
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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
L
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W
ห้องสมุดไป่ตู้
u
H
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➢ 已知气体的体积流量为qvs,，求临界粒径dpc
LH
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ut
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ut
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临界速度
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p
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18
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18 qvs ( p )g WL
临界粒径
L
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W
u
H
ut
➢降尘室工作能力：（单位时间降尘室能处理的混合物的量）
由 u Vs WH
代入
LH u ut
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20
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
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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。
－这是利用重力沉降分离非均相混合物的基本原理。
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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）
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。 已知固体颗粒密度为 2600kg/m3，大气压强为 0.1MPa。
当 du 时 0，u＝ut，则：
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6
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3 p
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3 p
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4
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2 p
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2
0
整理得
ut
4gdp (p ) 3
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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
0.3＜1
故初始假设正确，沉降速度为 0.12m/s。
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：
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。
14
计算自由沉降过程中过渡区和湍流区的沉降速度。
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2(p 225
)2
1/ 3
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层流区沉降速度计算式
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p
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➢ 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。