第3章化工原理中的沉降与过滤

第三章沉降与过滤第一节概述一、非均相物系的分离混合物——均匀混合物（均相物系）例：水与乙醇不均匀混合物（非均相物系）例：气溶胶，悬浮液，乳浊液其中，固体颗粒称为分散相，气、液相称为连续相或分散介质。分离方法：均相物系——蒸馏、吸收、萃取、结晶等非均相物系——沉降、过滤、膜分离等二、学习内容沉降——重力沉降、离心沉降过滤——压力过滤三、学习目的掌握几种操作的原理及应用计算了解理论的建立过程及几种典型设备自来水厂水的净化分三步，第一步是絮凝过程，也可以叫反应过程。在流动中使水中的杂质颗粒絮凝长大；第二步是沉降。沉降池是使大颗粒得以除去。第三步是砂滤。砂滤池，进一步用900mm厚砂层，将小颗粒杂质滤去。自来水厂的主要流程第二节沉降一、重力沉降1、球形颗粒在流体中的自由沉降自由沉降：当颗粒在流体中只受重力和浮力，不受其它因素影响而发生沉降时，称为自由沉降。颗粒受力：重力、浮力和阻力。设颗粒从静止开始运动，沉降时，阻力方向与运动方向相反颗粒在运动过程中，为定值，为定值，，，匀速沉降阶段，合力为；加速阶段，，初始阶段，沉降速度个阶段：可以把沉降过程分为三变化随）不变，只有（ddddbFuuuaFuFuuFFG00000FbFdmg为定值，为定值，，，匀速沉降阶段，合力为；加速阶段，，初始阶段，沉降速度个阶段：可以把沉降过程分为三变化随）不变，只有（ddddbFuuuaFuFuuFFG00000AuFgdFgdmgGdPbPP266233阻力：浮力：重力：沉降速度—流体的密度——颗粒的直径、密度—、向上阻力向上浮力向下重力udAdFFGPPPdb242、沉降速度计算(1)层流区，斯托克斯定律1Re10418)(20gduPP500Re1756.04.06.10514.0PPPdgdu5105.1Re500gduPP)(74.10(2)过渡区，阿仑定律（3）湍流区，牛顿定律计算时，采用试差法：步骤：假设流型→采用对应公式计算→校核及流型0ReudPRe3、重力沉降的具体应用，降尘室分离条件：从入口到出口的停留时间大于等于沉降时间uL停留时间0uH沉降时间0uHuL即应用计算：（1）颗粒粒径一定时，求最大处理量—多层隔板—面积有关，与高度无关结论：气体处理量与底最大气体流量分离极限条件：00max00uWLWHHLuuAqHLuuuHuLV（2）处理量一定时，求最小分离粒径（临界粒径）gWLqdgdLWqLHuuuHuLPVPcPPVc1818200对应临界粒径得由沉降除尘室动画烟道除尘动画湍球塔除尘动画【例3-1】有一玉米淀粉水悬浮液，温度C200，淀粉颗粒平均直径为μm15，淀粉颗粒吸水后的密度为3mkg1020，试求颗粒的沉降速度。解：先假定沉降在层流区进行，故18)(20gduPP已知：36mkg1020,m1015μm15Ppd查出C200的水的sPa10005.1,mkg2.99833代入上式得：163260sm1066.2807.910005.118)2.9981020()1015(u检验Re值：11096.310005.12.9981066.21015Re53660udP计算结果表明，与假设相符，故算得的160sm1066.2u正确。【例3-2】某除尘室高2m、宽2m、长5m，用于矿石焙烧炉的炉气除尘。矿尘的密度为4500kg·m-3，其形状近于圆球。操作条件下气体流量为，气体密度为、粘度为3×10-5Pa·s。试求理论上能完全除去的最小矿粒直径。解：由公式可知，降尘室能完全除去的最小颗粒的沉降速度为：10sm694.0523600/25000LWquvc假定在层流区，得：25000m3。h-10.6kg·m3128.11036.0694.01021.9Re55＝ocPcud证明不在层流区。再假定在过渡区，得：mdPc51027.8校验Re=1.14＞1，假设成立m1021.981.94500694.01031855＝Pcd18)(20gduPPc广州水厂全貌图中兰色粗管是来自珠江的原料水，条形池子是絮凝池，左侧池是沉降池。这是沉降池。图为絮凝之后的水，是从沉降池底部流入，到池子上部水已很清了。水厂沉降池二、离心沉降1、离心沉降原理及离心分离因数惯性依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程叫作离心沉降。如果颗粒呈球状，其密度为ρp、直径为，流体的密度为，颗粒与中心轴的距离为R，切向速度为，则颗粒在径向上受到的三个作用力分别为：RudrPP236RudrP2362422tPud惯性离心力＝向心力＝阻力＝径向离心速度tudpρur若此三力能够达于平衡，平衡时颗粒在径向上相对于流体的速度便是它在此位置上的离心沉降速度，解得离心沉降速度为：在离心沉降时，如果颗粒与流体的相对运动属于层流，阻力系数也符合斯托克斯定律：RudurPt23)(4RudurPPt2218)(离心分离因数：3、离心沉降的应用——旋风分离器重力加速度离心加速度重力离心力CK旋风分离器动画文丘里除尘器动画静电除尘器动画例3-3：速溶咖啡粉（比重1.05）的直径为60μm，被250℃热空气带入旋风分离器中，进入时切线速度为20m/s，在器内的旋转半径为0.5m。求其径向沉降速度。同样大小的颗粒在同温度的静止空气中沉降时，其沉降速度应为多少？（设沉降处于层流区）spamKg℃t4.27,/674.02503查得：由空气温度smrudadurPPPP/11.65.020104.2718674.010501060181826262220解：离心沉降时smgduPP/075.0104.271881.9674.0105010601862620重力沉降时第三节过滤一、过滤基本概念悬浮液（滤浆）多孔介质滤液（液体）滤渣（滤饼）工业常用过滤方法：深层过滤、滤饼过滤滤饼过滤过滤介质深层过滤滤液二、过滤基本理论1、过滤速率与过滤速度滤液体积；V过滤速率：单位时间内过滤面积A上获得的滤液体积smAdtdVsmdtV//d3过滤速度：单位时间单位过滤面积上获得滤液体积过滤面积A过滤时间t2、滤液通过滤饼层的流动（过滤过程分析）1P2P1122滤液在管内层流，则在1-1，2-2截面之间存在阻力→存在压力降ΔP由两部分组成21PPPmCPP介质层：滤饼层：mCPPPsPamLLmddLPdLPdlPdumC滤液的黏度，平均长度，滤饼层与介质层的孔道，平均直径，滤饼层与介质层的孔道，式：根据层流的速度分布公21212221212323232AdtdVAVVrxPPArxVPLPduVVLArxVPurAxVrdLdxAxVLLemCememeeeC1//32)/(//32/2121111积，则过滤介质的当量滤液体，令其所得滤液体积为的滤饼层所产生的阻力厚度，可设其阻力为相当于同样，对于介质层来说比例系数设为一常数，对于特定的滤饼，其形成的滤饼质量，获得单位体积滤液时所滤饼厚度其中，3、过滤速率方程eVVrxPAdtdV2三、恒压过滤过滤——恒压过滤，压力为定值，速率减慢；恒速过滤，速率恒定，增大压力1、恒压过滤速率方程dtVVAKdVVVAKdtdVrxPKxrPee22222设为定值、、浆，为常数，对于一定的滤tAKVVVe2222或tKAVVVe222过滤常数，令KKtqqqqAVqAVeee222、过滤常数的测定线性相关与qqtqKqKqtKtqqqee2122αt/q2qe/Kqtga=1/KtAKVVVe2222tKAVVVe222过滤常数，令KKtqqqqAVqAVeee22线性相关与qqtqKqKqtKtqqqee2122【例3-4】在kPa100的恒压下过滤某悬浮液，温度C300，过滤面积为2m40，并已知滤渣的比阻为m/Kg10114，x值为30.05Kg/m。过滤介质的阻力忽略不计，滤渣不可压缩，试求：(1)要获得3m10滤液需要多少过滤时间？(2)若仅将过滤时间延长一倍，又可以再获得多少3m滤液？(3)若仅将过滤压差增加一倍，同样获得3m10滤液时又需要多少过滤时间？min85.204010996.410/10996.405.0101108007.0101002225222251433KAVtsmrxPK解：（1）求过滤时间。过滤介质阻力可以忽略不计，滤渣为不可压缩的恒压过滤方程为：V2+2VVe=KA2t介质阻力忽略，即Ve≈0V=KA2t⊿p=100×103kpaA=40m2V=10m3x=0.05kg/m330℃水μ=0.8007×10-3Pasr=1×1014m/Kg（2）求过滤时间延长一倍时，增加的滤液量。stt25026085.2022'而352m14.14250210996.440''tKAV故增加的滤液量为：3m14.41014.14'VVV（3）求过滤压差增加一倍，获得3m10滤液所需时间''t.22''''AKVt从公式可知，新的过滤常数''K为：125sm10996.422''KK代入上式中得：stt5.62524010996.4210''252即过滤时间为原来的一半。板框过滤机动画这是一台等待出厂的板框过滤机产品。板框过滤机加压叶滤机动画转筒真空过滤机动画连续沉降槽动画袋式过滤器动画