化工原理 第三章 沉降与过滤

1/19/20201第三章沉降与过滤1/19/20202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。1/19/20203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；4.板框过滤机的工作原理及计算。1/19/20204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第一节概述1/19/20205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机械分离1/19/20206非均相物系分离的目的1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如除去浑液中的固相杂质而使其成为清液，或3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。1/19/20207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。1/19/20208第二节重力沉降1.沉降速度1）球形颗粒的自由沉降24662233udFdFdFdbsg＝＝＝1/19/20209maFFFdbgmaudgds246223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=amaxu↑，Fd↑，a↓等速阶段：u=ut时，Fd=Fg-Fb，a=034stgdu运动时的阻力系数。：颗粒与流体发生相对自由沉降速度1/19/2020102阻力系数ζ用前式计算沉降速度时，需先确定阻力系数ζ值。通过因次分析，ζ是颗粒形状、颗粒与流体相对运动雷诺数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。1.滞流区(斯托克斯定律区)10-4Ret2tRe242.过渡区(艾伦定律区)2Ret500e01R3.湍流区(牛顿定律区)500Ret2×10544.01/19/202011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：2()18pptdgu——Stokes(斯托克斯)式过渡区：1/3224()255ptpgud湍流区：3.03()pptdgu1/19/202012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。1/19/202013（四）影响沉降速度的其它因素1.干扰沉降自由干扰uu2.颗粒形状Ade2非球形颗粒的表面积面积与颗粒体积相等的球表球形度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。1/19/202014二、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。1/19/202015含尘气体净化气体含尘气体净化气体uut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。1/19/2020161.沉降分离条件停留时间：uL沉降时间：ttHu分离条件：tttLHLuuuuH即或W1/19/2020172.生产能力qV——降尘室所处理含尘气体的体积流量VVqqWHuuWHVtqLWu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。1/19/202018(2）多层降尘室降尘室内设置n层水平隔板降尘室结构简单，流动阻力小，分离效率低，适用与分离粒度大于50m的颗粒。(1)VtqnWLu1/19/2020193.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。2()18pcptdgu1818()()VpctppqduggWLVtqHuuLWL层流1/19/202020〖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。1/19/202021例3-2（P96）1/19/202022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。1/19/202023一、离心沉降速度（一）沉降过程切向速度u径向速度ur合成u合合1/19/202024离心力：2236CppuuFmdrr径向向外浮力：（向心力）236bpuFdr指向中心阻力：242222rprduduAF指向中心受力平衡时，径向速度ur为该点的离心沉降速度。24()3pptrduur1/19/202025重力沉降速度ut离心沉降速度ur方向向下，大小不变径向向外，随r变化层流2()18pptdgu22()18pprduur（二）离心分离因数1/19/202026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：cTtrKgRuuu2Kc：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。1/19/202027二、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5~75m的颗粒。1/19/2020282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。1/19/202029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。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B净化气体含尘气体AD尘粒1/19/202030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3μm以下的颗粒。对直径在200μm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。1/19/2020312.临界颗粒直径uib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1/19/202032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。1/19/202033n——旋转圈数沉降时间：2218()mrrppibrbudu停留时间：2mirnu沉降分离条件：r沉降速度：22()18ppirmduur1/19/202034临界颗粒直径：3()pcipbdnu讨论：（1）bdpcD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）uidc分离效果好流动阻力大smui/25~121/19/2020353.气体通过旋风分离器的压力降22iup一般p=0.3~2kPa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；旋转中动能损失造成气体压力降：由于:1/19/202036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，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=5.01/19/202037〖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。1/19/2020384.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。1/19/2020393.3.5旋液分离器用于分离悬浮液。悬浮液在旋液分离器中被分为顶部溢流和底部底流两部分还可用于乳浊液的分离。与旋风分离器相比，旋液分离器的特点：(1)形状细长，直径小，圆锥部分长，以利于颗粒的分离；(2)中心经常有一个处于负压的气柱，有利于提高分离效果。1/19/2020403.4过滤3.4.1过滤操作的基本概念过滤：以某种多孔物质为介质，在外力作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固、液分离的操作。过滤介质：过滤操作用的多孔物质。滤浆（料浆）：所处理的悬浮液。滤液：通过多孔通道的液体滤饼（滤渣）：被截留的固体物质。1/19/202041滤饼滤浆过滤介质滤液架桥现象1/19/2020421.过滤方式饼层过滤：固体颗粒呈饼层状沉积于过滤介质表面。适于处理固体含量较高(固体体积分率在1％以上)的悬浮液。饼层起过滤作用颗粒之间在过滤初期会有架桥现象发生。深床过滤：固体颗粒的沉积发生在较厚的粒状过滤介质床层内部。适于处理颗粒小、含量少(固体体积分率在0.1％以下)的悬浮液。过滤介质起过滤作用1/19/2020432.过滤介质足够的机械强度、尽可能小的流动阻力，耐腐蚀性、耐热性。1）织物介质2）堆积介质3）多孔固体介质1/19/2020443.滤饼的压缩性和助滤剂不可压缩滤饼：当滤饼厚度增加或压强差增大时，颗粒的形状和颗粒间的空隙不发生明显变化单位厚度床层的