第三章 沉降与过滤

1第三章沉降与过滤本本章章学学习习目目的的通通过过本本章章的的学学习习，，要要重重点点掌掌握握沉沉降降和和过过滤滤这这两两种种机机械械分分离离操操作作的的原原理理、、过过程程计计算算、、典典型型设设备备的的结结构构与与特特性性，，能能够够根根据据生生产产工工艺艺要要求求，，合合理理选选择择设设备备类类型型和和尺尺寸寸。。本本章章应应掌掌握握的的内内容容aa沉沉降降分分离离（（包包括括重重力力沉沉降降和和离离心心沉沉降降））的的原原理理、、过过程程计计算算、、旋旋风风分分离离器器的的选选型型。。bb过过滤滤操操作作的的原原理理、、过过滤滤基基本本方方程程式式推推导导的的思思路路，，恒恒压压过过滤滤的的计计算算、、过过滤滤常常数数的的测测定定。。3.1概述混合物：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。3.2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。3.2.1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、dP、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)：u2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（dragforce）或阻力。Fd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3.2.2沉降速度(1)沉降速度(ut)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，Fd∝u2/2。u=0，a=amax；随着颗粒向下沉降，u↑，Fd↑，a↓。当u增加到一定数值ut时，du/dr=0。于是颗粒开始作匀速沉降运动。可见，颗粒的沉降过程分为两个阶段，起初为加速阶段，而后为匀速阶段。对于小颗粒，在匀速阶段中，颗粒相对于流体的运动速度，称为沉降速度或终端速度ui----加速阶段忽略不计。-------a=0，匀速运动→utut：沉降速度(终端速度)当F=0时：ζ代入：层流区（10-4＜Re≤2）ut=gdP2(ρP-ρ)/18μ过渡区（1＜Re≤500）湍流区（500＜Re≤105）已知球形颗粒直径，要计算沉降速度时，由于ut为待求量，所以Re值是未知量。这就需要用试差法进行计算。例如，当颗粒直径较小时，可先假设沉降属于层流区，则用斯托克斯式求出ui。然后用所求出的ui计算Re值，检验Re值是否小于1。如果mgF浮Fd图3－1颗粒受力图dtdumaudgdgdFFmgFPPPPd24161612233浮udPReRe103)(4gduPPtPPtdgu3/122254/)(03.3PPtdgu3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ui。符合于所用计算式的流型范围为止。[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。解由于颗粒直径较大，先假设流型层于过渡区，校核流型，Re=dPutρ/μ=10-3×0.157×103/10-3=157故属于过渡区，与假设相符。当已知沉降速度，求颗粒直径时，也需要试差计(2)影响沉降速度的其它因素颗粒形状：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。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。壁面效应：当颗粒靠近器壁沉降时，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。(容器很大，100倍以上可忽略)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。干扰沉降速度比自由沉降小。(颗粒浓度＜0.2%,可近似为自由沉降)3.2.3降尘室(重力沉降设备)利用重力沉降从含尘气体中分离出尘粒的设备。预分离器，粒径大于50μm。重力沉降分离器，依流体流动方式可分为水平流动型与上升流动型。本节介绍最典型的水平流动型降尘室的操作原理。降尘室的示意图，如图3－2所示。含尘气体进入降尘室后，因流道截面积扩大而流速u降低。只要气体从降尘室进smdguPPt/157.01010102251000250081.94225433/133223/12LWHuut图3－2降尘室图3－3降尘室的计算4口流到出口所需要的停留时间等于或大于尘粒从降尘室的项部沉降到底部所需的沉降时间，则尘粒就可以分离出来。降尘室：长→L，宽→W，高→H，Vs：生产能力，单位时间处理的含尘气体量。m3/s图3－3降尘室所示，假设颗粒运动的水平分速度与气体的流速相同，则颗粒在降尘室中的水平流速：u=Vs/WH停留时间：θ＝L/u沉降时间：θt＝H/ut颗粒分离条件：θ≥θt→L/u≥H/ut→→Vs≤WLut临界粒径：若在各种不同粒径的尘粒中，刚好满足θ=θt的条件，此粒径称为降尘室能100％除去的最小粒径，或称为临界粒径dpcVs≤WLut→Vs∝WL（沉降面积）及ut，而与H无关。当降尘室用水平隔板分为N层，则每层高度为H/N。Vs∝不变，u不变，θ＝L/u不变而θt‘＝h/ut=H/Nut=1/Nθt沉降时间↓，可沉降出更细的颗粒。θ≥1/Nθt→时，Vs≤NWLut→求临界粒径(dPC)：假设沉降处于斯托克斯区(Re≤2)时，θ=θt验证Re≤2例3-2用高2m、宽2.5m、长5m的重力降尘室分离空气中的粉尘。在操作条件下空气的密度为0.779kg/m3，黏度为2.53×10-5Pa.s，流量为5.0×104m3/h。粉尘的密度为2000kg/m3。试求粉尘的粒径粒径。解假设沉降处于过渡区：tsuHWHVL)(1隔板数多层：扁平：水平面积很大，nnNHPCPCdNd1'WLNVgduSPPCt182NWLVgdSpPC118smWLVuStc/11.155.23600/100.545故属于过渡区，与假设相符。例3－2用总高4m、宽1.7m、长4.55m的重力降尘室分离空气中的粉尘。中间等高安排39块隔板，每小时通过降尘室的含尘气体为2000m3，在气体的密度为1.6kg/m3(均标况)，气体温度为400℃，此时粘度为3×10-5Pa·s，粉尘的密度为3700kg/m3。试求①此降尘室能分离的最小尘粒的直径②除去6μm颗粒的百分率。已知：H，w，n，V0，ρO，t,μ，ρP求：dpc解：①∴假设成立，dPC=8.11μm。②d=6μm由上可知沉降属于层流区tSPDtSNWLuVgdumKgTTsmV18/649.04002732736.1/369.13600/273400273200023003假设沉降处于层流区：mmNWLVgdSpPC11.81011.8407.155.481.9649.03700369.1103181186521075.7103649.01022.41011.8Re/1042.418Re453632tPDtdusmgdu：验证4.51053.2779.110.11058.1Re1581058.1100.281.94779.01053.222511.1422542253443/123253/1223/122tcpcptcptcpcudmmgugud校核流型：6停留时间：θ=L/u=4.55×1.7×4/1.369=22.60s3.3离心沉降离心沉降：依靠离心力的作用而实现的沉降过程。图3－4所示的以一定角速度旋转的圆筒，筒内装有密度为ρ、粘度为μ的液体。液体中悬浮有密度为ρp、直径为dp、质量为m的球形颗粒。假设筒内液体与圆筒有相同的转数。当站在旋转轴上观测颗粒的运动，忽略颗粒的重力沉降，则可看到有离心力沿旋转半径向外作用于颗粒。式中r为颗粒到旋转轴中心的距离。由此式可知，为了增大Fc可以提高也可以增大r。提高比增大r更有效。同时，从转筒的机械强度考虑，r不宜太大。3.3.1离心分离因数同一颗粒所受的离心力与重力之比，为称为离心分离因数是表示离心力大小的指标。3.3.2离心沉降速度颗粒在离心力场中沉降时，在径向沉降方向上所受的作用力有离心力%541.0054.01.0404054.06.221042.2'/1042.218332除去百分率：每层高度：内沉降的高度：在沉降速度：mhmuhsmgdutPDtPCtStSdNNWLuVWLuV1多层：要点：2361rdFPPC23261rdrmFppCgrKC2图3－4转筒内颗粒在流体中的运动F阻F离F向7浮力（向中心）阻力（向中心）若这三个力达到平衡，则有此时，颗粒在径向上相对于流体的速度，就是它在这个位置上的离心沉降速度颗粒的离心沉降速度与重力沉降速度具有相似的关系式，只是重力加速度换为离心加速度而已。但在一定的条件下，重力沉降速度是一定的，而离心沉降速度随着颗粒在半径方向上的位置不同而变化。在沉降分离中，沉降速度较小的颗粒才考虑用离心沉降。所以离心沉降设计计算的对象为小颗粒。小颗沉降时所受的流体阻力，一般处于斯托克斯区，即阻力系数为ζ=24/Re。代入得ur=rω2dP2(ρP-ρ)/18μ由此式可知，在斯托克斯区域颗粒的离心沉降速度dr/dτ与成正比。在沉降过程中，dr/dτ随着的r增大而增大。3.4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，其结构简单，制造方便，分离效率高，并可用于高温含尘气体的分离，所以在生产中得到广泛应用。3.4.1构造与操作含尘气体从圆筒上都的长方形切线进口进入旋风分离器里。进口的气速约为15～20m/s。含尘气体在器内沿圆筒内壁旋转向下流动。到了圆锥部分，由于旋转半径缩小而切向速度增大，并继续旋转向下流动。到了圆锥的底部附近，转变为上升气流，最后由上部出口管排出。在气体旋转流动过程中，颗粒由于离心力作用向外沉降到内壁后，沿内壁落入灰斗。工业上广泛使用的旋风分离器有两种型式,当切向速度ui-20m/s，旋转半径为r=0.3m，则离心分离因数这表明颗粒在这种条件下的离心沉降速度为重力沉降速度的136倍。236rdFp向242222ddrduAFp阻02462223udr