3沉降与过滤

第三章沉降与过滤概述重力沉降离心沉降过滤固体流态化第一节概述一、物系的分类均相物系：凡物系内部各处物料的性质均匀而不存在相界面的物系（溶液、混合气体）非均相物系：凡物系内部有隔开两相的界面存在，而界面两侧的物料性质截然不同的物系气态非均相：液态非均相：分散介质（连续相）——物系中的流体分散物质（分散相）——物系中处于分散状态的物质液—固液—液液—气气—液气—固二、分离目的1回收有用的物质2净化分散介质3环境保护和安全生产三、分离方法1、沉降法2、过滤法3、液体洗涤除尘法、电除尘法（＜1μm）重力沉降法离心沉降法四、颗粒与流体相对运动时所受的阻力曳力：颗粒与流体相对运动时流体对颗粒的作用力。产生的原因—流体与颗粒之间的相对运动；曳力的大小—流体与颗粒之间的相对运动速度的大小；曳力系数（ζ）=Φ（Re）=Φ（duρ/μ）层流区（10-4＜Re＜2）ζ=24/Re过渡区（2＜Re＜500）湍流区（500＜Re＜2×105）ζ=0.4422duFA点击放大10/Re球行颗粒的ζ与Re的关系曲线球形度（Ψ）=与球形颗粒体积相等的球的表面积非球形颗粒的表面积※体积相同时球形颗粒的表面积最小※任何非球形颗粒的球形度皆小于1※Ψ越接近于1越近于球形第二节重力沉降一、重力沉降及原理重力沉降：利用分散介质与分散物质密度的差异，在重力的作用下使之得到分离。原理：固体随流体在做同一水平速度运动的同时做向下的沉降运动，由于密度的不同，则沉降速度也不同，密度大的先沉降，密度小的后沉降。二、重力沉降速度1.球形颗粒的自由沉降自由沉降—单一颗粒在粘性流体中的沉降或是颗粒群之间充分分散，之间互不碰撞。设一光滑球形颗粒在流体中做下沉运动（1）沉降的加速阶段36gppFdg36bpFdg2242pdduFgbdduFFFmd(2)沉降的等速阶段平衡时，令234ppppdugudd0dudtuu43pptgdutppudg沉降速度颗粒直径颗粒密度流体密度重力加速度阻力系数※层流区（Re＜2）斯托克斯定律※过渡区（2＜Re＜500）※湍流区（500＜Re＜2×105）ut与dp、ρp及ρ有关；当流体以一定的速度向上流动时当u＞ut，颗粒向上运动当u＜ut，颗粒向下运动当u=ut，颗粒静止218pptgdu12324225ptpgud3.03/tppugd说明：1.阻力是由两部分组成由流体粘性引起的表面摩擦力由涡流边界层分离引起的形体阻力2.在层流区，主要以表面摩擦力为主，随着Re的增大，粘性影响减小，在湍流区，主要以边界层分离引起的形体阻力。三、影响颗粒沉降速度的因素颗粒形状器壁效应分子运动沉降分离设备一、沉降室结构如图1、停留时间与沉降时间停留时间≥沉降时间2、临界粒径dpc,临界粒径颗粒的沉降速度ut/vuqHW//tLuHu/vuqHW/tvuqWL//tvvuqWLqAvtquAvtquA可见：沉降室的生产能力只与沉降室的底面积和颗粒的沉降速度有关，而与高度无关。一般沉降室多做成扁平多层结构，构成多层沉降室，以加大生产能力。例：沉降室净化20℃流量为2500m3/h的常压空气，尘粒的密度为1800kg/m3，要求除去的d为10μm的尘埃，如沉降室底面宽2m，长5m，求要几块隔板？已知：t=20℃，q=2500m3/h，ρ=1800kg/m3ρ=1.2kg/m3，μ=1.81pa.s,d=10μm,W=2m,L=5m求：n解：由上式可，设颗粒沉降在层流区1vtquAn1vtquAn218pptgdu263511018001.29.815.4210(/)1.8110tums6351105.421.2Re3.61021.8110du32500/36001112()5.421052tqnuA块校核临界粒径的求解（设沉降速度位于层流区）讨论：1·当流量一定时，颗粒直径和沉降速度与底面积成反比，与高度无关；同理，当颗粒直径和沉降速度一定时，流量与底面积成正比，与高度无关。2·当流量q不变，高度H减半时，沉降时间也减半，则流体流速u翻倍，停留时间减半。3·对于n层板，当流量q不变时，H‘=H/n,要求沉降时间不变，则ut,=ut/n,那么1818vptppqduWLgg4.沉降室的形状一般为扁平多层沉降室分级器'/ppddn沉降室四、悬浮液的沉聚1、增稠器2、絮凝剂悬浮液－固体颗粒直径较大溶胶－固体颗粒直径小于1μm。溶胶中的小颗粒带有负电荷，加入电解质可使其絮凝为较大的颗粒而沉降，如明矾KAl(SO4)2.12H2O增稠器第三节离心沉降一、离心沉降及沉降速度1、离心沉降：在离心场中，颗粒与流体做相对运动，依靠惯性离心力的差异，使颗粒得到分离的操作。2、沉降速度326ppdr离心力向外2242pdu阻力向中心326pdr浮力向中心模型当三个力达平衡时，则当沉降位于层流区时，代入得22320642pppdudr243pptdur24/Re2218pptdur可见：（1）离心沉降速度与重力沉降速度有相似的关系；（2）重力沉降速度为常数，而离心沉降速度不是常数，随着半径的大小而变化，具有可操控性。218pptgdu3、离心分离因数离心力离心分离因数：同一颗粒所受的离心力与重力之比2cmrF2/60N2100cmrNF22900crrNgK表示离心力大小的指标，也是衡量设备性能的重要参数，要提高分离效率，可使N，r二、旋风分离器1、工作原理：含尘气体自进风口切向引入，在分离器内受器壁约束做由上向下，再由下向上的螺旋运动，然后从中心管引出。在上、下螺旋运动过程中，尘粒与气体发生相对运动被甩向器壁后顺壁面掉落至灰斗，这样尘粒得以与气体分离。气流做双层旋转由上向下-外旋转由下向上-内旋转2、旋风分离器的临界粒径dc临界粒径dc是指能被旋风分离器完全去除的最小颗粒的粒径。临界粒径dc是判断分离效率高低的重要依据。计算临界粒径的简化条件1）进入旋风分离器的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ui2）颗粒向器壁沉降时，必须穿过厚度等于整个进气口宽度B的气流层，方能达到壁面被分离。3ppbdnun－颗粒进入到被分离旋转的次数，常取53、旋风分离器的分离效率总效率：η0=(c1-c2)/c1c1:进口气体含尘浓度，g/m3；c2:出口气体含尘浓度，g/m3。η0的大小是旋风分离器数分离性能的另一指标。缺点是不能反映旋风筒对各尺寸粒子的不同分离效果。粒级效率ηpi:ηpi=(c1i-c2i)/c1iC1i:进口气体中所带颗粒中第i段范围内的颗粒浓度，g/m3C2i:出口气体中所带颗粒中第i段范围内的颗粒浓度，g/m34、旋风分离器的压力损失产生原因：进气管、排气管的摩擦阻力筒体阻力旋转动能损失△p=ξ(ρui2/2)标准型ξ=0.8(实测)。△p=500-2000Pa。对于旋风分离的进口气速宜为10-25m/s。综上所述，影响旋风分离器性能（分离性能及压降）的重要因素为物系性质及操作条件。5、旋风分离器的类型与选用(1)类型：螺旋式、扩散式、多管式、带旁路式（2）选用：①计算气体体积流量②允许的压强差③分离效率（3）改进：①增加器身长度，延长停留时间②结构改进，减小涡流影响③半径减小，以增大惯性力三、旋液分离器旋液分离器与旋风分离器相似，只是液体与颗粒的密度差很小，为提高分离的离心力和停留时间，器身比较细长。四、沉降式离心机（1）转鼓离心机（2）碟式分离机（3）管式分离机转鼓离心机碟式分离机管式分离机力学分离方法的选择关键在于颗粒的大小※固液分离：过滤、重力沉降（颗粒较大）、离心分离，加入絮凝剂（颗粒很小）※气固分离：旋风分离、滤袋器、电除尘法1-2μm是分离难易的分界线第四节过滤一、悬浮液的过滤－概念过滤:是指以某种多孔物质作为介质，在外力的作用下，流体通过介质的孔道，而使固体颗粒被截留下来，从而实现固体颗粒与流体分离目的的操作。过滤可去除气固体中的固体颗粒，也可去除液固体中的固体颗粒，化工生产过程中，过滤大多用于悬浮液中固液分离。实现过滤操作的外力:可以是重力，压差或惯性离心力，在化工生产过程中应用最多的是以压强差为推动力的过滤。滤浆（料浆):指被处理的悬浮液。过滤介质:过滤操作中采用的多孔物质。滤液:是指通过介质孔道的液体。滤饼:是指被截留的固体颗粒。过滤目的:获得洁净的液体或获得作为产品的固体颗粒。阻力：滤液与介质1、过滤方式（以阻力来源区分）⑴滤饼过滤-颗粒沉积于过滤介质之上，以滤饼阻力为主。架桥现象、﹥1%⑵深层过滤-颗粒细小，进入介质孔隙之中，以介质阻力为主。﹤0.1%2、过滤介质及其选择⑴织物介质：滤布、棉、毛、丝织品⑵粒状介质：细砂、木炭⑶多孔性固体介质：陶瓷、多空塑料3、助滤剂及使用方法对于可压缩性滤饼，压差增加时，饼层颗粒间的孔道会变窄，有时会因颗粒过于细密而将通道堵塞，为了避免此种情况，可将某种质地坚硬且能形成疏松床层的另一种固体颗粒预先涂于过滤介质上，或者混入悬浮液中，以形成较为疏松的滤饼，使滤液得以畅流，这种物质称为助滤剂，如硅藻土等。使用方法4、过滤各量之间关系※悬浮液组成⑴湿滤渣ρc，⑵干渣质量与滤液体积比值w,悬浮液中固体颗粒质量分数为X；⑶湿滤渣质量与滤液体积比值为CW;⑷湿滤渣质量与滤液质量比值为11cpCC滤液、ρ、m湿滤渣、ρc液体干渣、ρp1/XWCXcWCv二、过滤基本方程式1、滤液的流动特点：网络状流动⑴空隙率：⑵比面积：⑶床层当量直径：⑷滤液流动速度：因为孔道细小，故流动处于层流，仿照泊谡叶方程空隙体积床层体积a颗粒表面积颗粒体积4eAd过滤推动力速度过滤阻力232ulpd232dpul232dpul2、过滤速度与过滤速率过滤速率设过滤面积Am2，过滤时间τs，滤液量Vm3。定义:过滤速率，过滤速度/clVAsmddV/3smmddqAddVu23dVuAd232rd232ccpdVVAddAccpdVVAdrAccVRrA令Rc为滤饼阻力※滤饼的比阻，反映滤饼的特性，不可压缩滤饼取决于悬浮液性质，单位为1/m2可压缩滤饼还与它得操作压力有关∵∴代入到滤饼阻力公式得过滤介质阻力－－认为当获得了当量滤液Ve是形成的滤饼层的阻力；则232rdcVvVcvVRrAemvVRrAcmppp总推动力R+Rcm总阻力=cedVpVVAdrvA得过滤速率方程式表示了某一瞬间过滤速率与各有关量之间的关系cedVApVVdrvA⑴、过滤速率随压差增大而增大；⑵、过滤速率随粘度减小而增大，所以升高温度有利于过滤；⑶、选用阻力低的过滤介质。3、恒压过滤条件一定时，A、⊿p、v、μ均为常数，对过滤方程式积分，得200VeApVVdVdrv222eVApVVrv222eVVVKA2pKrvq=V/A,代入方程式得q–单位过滤面积获得的滤液体积；qe－单位过滤面积获得的虚拟滤液体积；试验测定τ－过滤时间；22eqqqKK－过滤常数。实验测定qe、K－的测定，将上式两边同除以qτ变形，得12eqqqKKK与压力差有关，不同压力下测得的过滤常数不同，只有当试验和生产中的压力相等时，才可用试验测得的常数。4、恒速过滤5、过滤设备⑴、板框压滤机（间歇式）构造：滤板-（洗涤板、非洗涤板）滤框滤布2pKrv过滤路径：洗涤