第三章、过滤与沉降

甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤第三章沉降与过滤(Settlingandfiltration)甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤概述第一节重力沉降第二节过滤第三节离心沉降甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤概述一.非均相物系的分离混合物有：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。气态非均相物系液态非均相物系甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤许多化工生产过程中，要求分离非均相物系。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。甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤均相混合物的分离：吸收、蒸馏。非均相混合物的分离：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（分散相）（2）净制分散介质（连续相）（3）劳动保护和环境卫生等。甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤含尘气体和悬浮液的分离：沉降分离法：使气体或液体中的固体颗粒受重力、离心力或惯性力作用而沉降的方法；过滤分离法：利用气体或液体能通过过滤介质而固体颗粒不能穿过过滤介质的性质进行分离的，如袋滤法含尘气体的分离还有:液体洗涤除尘法：使含尘气体与水或气体液体接触，洗去固体颗粒的方法。电除尘法：使含尘气体在高压电场内受电场力的作用而沉降分离的方法。甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤二．颗粒与流体相对运动时所受的阻力曳力/阻力：当流体以一定速度绕过静止的固体颗粒流动时，由于流体具有黏性，对颗粒产生的作用力；或当固体颗粒在静止流体中移动时，流体对颗粒的作用力．两种力的性质相同．只要有相对运动的存在，就有阻力就存在，只要相对运动速度相同，阻力就相同．甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤沉降(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。一．沉降速度１球形颗粒的自由沉降第一节重力沉降自由沉降：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。甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤将表面光滑、刚性的球形颗粒置于静止的流体中。颗粒：ρP、d、m;流体：ρ、μ;ρP＞ρFbFggdFpg63gdFb6363dVp其中，颗粒的体积为设颗粒初速度为0，受力情况分析：球的体积？浮力计算公式？甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤FbFg2422udFd当两个力之和不为0，则有加速度存在，当颗粒下沉时，颗粒受到流体向上的阻力Fd，令u为颗粒与流体的相对运动速度：Fd根据牛顿第二定律：maFFFbdg甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤随着颗粒向下沉降，u↑，Fd↑，a↓。当u增加到一定数值u0时，du/dτ=a=0。于是颗粒开始作匀速沉降运动。3)(40gdup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----加速阶段忽略不计。a=0，匀速运动→uo所以，得：关键是找出ζ甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤关键：求ζ实验证明、ζ是Re的函•层流区、10-4＜Re≤1•过渡区、1＜Re≤1000•湍流区、1000＜Re≤2×105oduRed为颗粒的直径、uo颗粒的沉降速度Ζ和Re0的关系可有实验测得、关系如下图所示甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤阻力系数~Re0关系图甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤dguPo3/122254/)(03.3dguPo将ζ代入：层流区ζ=24/Re上三式中：在层流区和过渡区中，uo还和黏度μ有关．液体的黏度约为气体的50倍，故颗粒在液体中沉降速度比在气体中小得多．过渡区ζ=30/Re0.625湍流区ζ=0.441820Pgdu斯托克斯定律阿伦定律牛顿定律甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤已知球形颗粒直径，要计算沉降速度时，由于ut为待求量，所以Re值是未知量。需要用试差法进行计算ut。例如，当颗粒直径较小时，结束计算假设沉降属于层流区属于层流区斯托克斯式Reu否选择相应计算式直到所求ut计算出的Re符合于所用计算式的流型范围为止。２沉降速度的计算甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤例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。smdguPPt/157.01010102251000250081.94225433/133223/12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，也需要试差计算。甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤３、影响沉降速度的其它因素(1)颗粒形状(2)壁效应(3)干扰沉降测定非球形粒的沉降速度，用沉降速度公式计算出粒径。此时，非球形颗粒的直径，称为当量球径。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。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。甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤二.降尘室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。甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤（1）停留时间与沉降时间气体入室减速颗粒的沉降运动+随气体运动沉降运动时间气体停留时间分离uuoLH所需沉降时间=H/uo在室内停留时间=L/u分离满足的条件：uLuHo甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤含尘气体的最大处理量为：V=AOUO含尘气体的处理量为沉降室的底面积乘以沉降速度，而与沉降高度无关，因此，沉降室一般做成扁平形状的，为了增大处理量，可做成多层，称为多层隔板降尘室。由此可知甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤（2）能被沉降室完全分离出来的颗粒最小直径AqgugdVspctppc)(1818可分为三类计算问题：(1)已知气体处理量qVs,物性数据(ρ,μ,ρp),临界粒径dpc,求底面积A；(2)已知底面积A,物性数据,临界粒径dpc,求气体处理量qVs；(3)已知气体处理量qVs,物性数据,底面积A,求临界粒径dpc；由层流区的计算式甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤例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。试求粉尘的临界粒径。解：已知空气流量qvs，密度ρ，黏度μ，粉尘的密度ρp，降尘室的宽度W，长度L,可知：smWLquSVtc/11.155.23600/100.54假设沉降处于过渡区：甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤4.51053.2779.110.11058.1Re1581058.1100.281.94779.01053.222511.1422542253443/123253/1223/122tcpcptcptcpcudmmgugud校核流型：故属于过渡区，与假设相符。甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤重力沉降是自由沉降，沉降时间很长，效率不高，而且只能是初步分离，当沉淀中含夜量较少时，沉降方法不适用，这是就要采用过滤甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤第二节过滤悬浮液滤渣过滤介质滤液图3-17过滤示意图过滤：在外力的作用下，悬浮液中的液体通过多孔介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固、液分离的操作。过滤术语：滤浆－过滤操作所处理的悬浮液过滤介质－所用的多孔物质滤液－通过介质孔道的液体滤饼或滤渣－被截留的物质过滤目的：从悬浮液中分离出固体颗粒。甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤一、悬浮液的过滤１.两种过滤方式工业上，基本上有两种：深层过滤和滤饼过滤。（1）深层过滤：粒状床层孔道(如砂层)为有效过滤介质。当悬浮液中所含颗粒很小，且含量很少时（固相体积分率0.1%），常用较厚的粒状床层做过滤介质进行过滤。颗粒在经过床层内细长而弯曲的孔道时，靠静电、分子间力、毛细管力等的作用而附着在孔道壁上，没有滤饼形成，所以这种过滤称为深层过滤。常用于自来水净化和污水处理。甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤（2）滤饼过滤：滤饼层为有效过滤介质。当悬浮液中所含颗粒较多时（固相体积分率1%），常用滤布、滤网做过滤介质进行过滤。当粒径大于过滤介质孔径时，显然会形成滤饼；当粒径小于过滤介质孔径时，通过“架桥现象”也会形成滤饼。随着滤饼的增厚，滤饼层就成为有效的过滤介质，所以这种过滤称为滤饼过滤。常用于化工生产，本章只讨论滤饼过滤。悬浮液滤液图3-18架桥现象甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤2.过滤介质作用：使液体通过而固体颗粒截留住．要求：①具有多孔性（适宜的孔径、比颗粒小，或可形成架桥）、阻力小；②具有化学稳定性、耐腐蚀性和耐热性；③因过滤介质是滤饼的支承物，应具有足够的机械强度。工业中常用的过滤介主要有三种：(1)织物介质：由纤维、金属丝等编织而成的滤布和滤网，使用最广。(2)堆积介质：由砂、木炭等堆积而成的床层，用于深层过滤。(3)多孔介质：由多孔陶瓷、多孔金属和多孔塑料制成的管和板。甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤3、助滤剂目的：防止过滤介质孔道堵塞，或降低可压缩滤饼的过滤阻力。助滤剂：一种坚硬的粉状或纤维状的固体，能形成疏松结构。加助滤剂和方法有预涂法和预混法。要求：作助滤剂的物质应能较好地悬浮于料液中，且颗粒大小合适，助滤剂中还不应含有可溶于滤液的物质，以免污染滤液。常用的助滤剂有:硅藻土、珍珠岩粉、碳粉和石棉粉等。【注意】：当滤饼是产品时不能使用助滤剂。甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤4、悬浮液量、固体量、滤液量与滤渣量的关系滤液量悬浮液中所含液体量滤液，密度ρ，体积V悬浮液液体湿滤渣，密度ρc干渣，密度ρp甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤二过滤基本方程式过滤基本方程式—主要描述滤液量随时间的变化关系，即V～τ的关系。过滤速度：单位时间通过单位面积的滤液体积，可表示为dV/Adτ，m/s。甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤过滤阻力过滤推动力过滤速度过滤推动力——压力差悬浮液滤饼过滤介质滤液pcpmpLp1p2pmcppp过滤阻力=滤饼阻力+过滤介质阻力ΔPC：饼层压差；ΔPm：过滤介质压差RCRm甘肃煤炭工业学校化工原理电子课件第三章沉降与过滤圆管内层流流动时：哈根-泊谡叶方程232dlup232/cpuld过滤过程中，滤液通过滤饼的流速