www.ntvc.edu.cn,第三章 沉降与过滤,unit operations of chemical engineering,www.ntvc.edu.cn,化工单元操作,第一节概述,均相混合物,物系内部不存在相界面，如混合气体、溶液,非均相混合物,物系内部存在两种以上的相态，如悬浮液、含尘气体等,分为气态非均相物系和液态非均相物系,由分散物质（分散相）和分散介质（连续相)组成,常用的分离方法：,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通过的性质进行分离的方法 液体洗涤除尘法 电除尘法,简要地介绍重力沉降、离心沉降及过滤等分离方法的操作及设备。,www.ntvc.edu.cn,化工单元操作,第一节概述,分离的目的,回收分散物质：e.g.从结晶器排出的母液中分离出晶体； 净制分散介质：e.g.除出含尘气体中的尘粒； 劳动保护和环境卫生等,球形颗粒,体积,表面积,比表面积,非球形颗粒,体积当量直径,表面积当量直径,球形度,颗粒群,筛分分析法,颗粒的平均直径,颗粒的密度,第1、2课时,www.ntvc.edu.cn,化工单元操作,颗粒沉降,重力沉降,由地球引力作用而发生的颗粒沉降过程。,单个颗粒在流体中沉降，或者颗粒群在流体中分散得较好而颗粒之间互不接触互不碰撞的条件下沉降，称为自由沉降。,Fd,Fb,Fg,当一个球形颗粒放在静止流体中，颗粒密度大于流体密度时，则颗粒将在重力作用下作沉降运动，对颗粒作受力分析：,阻力：,浮力：,重力：,根据牛顿第二定律：,当颗粒开始沉降的瞬间，u为零，a具有最大值。随着颗粒向下沉降，u逐渐增大，a逐渐减小，当u 增大到某一值时，于是颗粒开始作匀速沉降运动。 起初：加速阶段； 而后：匀速阶段。,第1、2课时,www.ntvc.edu.cn,化工单元操作,沉降速度,令a0，则,确定了阻力系数后就可以求得沉降速度。,层流区（Re2），Stokes 定律：,过渡区（2Re500）：,湍流区（500Re2105）：,沉降速度的计算 方法1，试差法： 先假设沉降属于某一流型，选用该流型的沉降速度公式计算ut； 按求出的ut 检验Re 是否在原假设的流型区。如果一致，则ut 有效；否则另选其它流型求ut，直至用所求ut 计算的Re 值符合所用计算式的流型为止。,www.ntvc.edu.cn,化工单元操作,沉降速度的计算 方法2，无因次数群K 判断流型,Stokes 定律区（层流区）,则Re2时，,Newton 定律区，,当Re=500 时，,当 K 3.3 时 Stokes 定律区（层流区） 当3.3 K 43.6 时Allen 区（过渡区） 当K 43.6 时Newton 定律区（湍流区）,方法3，摩擦数群法,www.ntvc.edu.cn,化工单元操作,影响沉降速度的其他因素,颗粒形状,壁效应,干扰沉降,通常非球形颗粒比同体积的球形颗粒沉降速度要慢些,当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，其沉降速度较自由沉降速度要小，这种影响称之为壁效应,非均相物系中颗粒之间相互距离较近时，颗粒沉降会受到其他颗粒的影响，这种沉降称之为干扰沉降。,降尘室,重力沉降，可分离尘粒为 以上的粗颗粒，作为预除尘用。,分离条件： 只要气体从降尘室进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顶部沉降到底部所需的沉降时间，则尘粒就可以分离出来。假设颗粒运动的水平分速度与气体的流速u 相同，则有：,生产能力与降尘室高度无关,沉降槽,借重力沉降从悬浮液中分离出固体颗粒的设备称为沉降槽,www.ntvc.edu.cn,化工单元操作,沉降降尘室,www.ntvc.edu.cn,化工单元操作,离心沉降,依靠离心力的作用，使流体中的颗粒产生沉降运动。,当颗粒较小时，使用重力沉降时其沉降速度小，需要较大的沉降设备，为了提高生产能力，可使用离心沉降。,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,向心力,阻力,合力为零时,在层流区，离心沉降速度与重力沉降速度之比取决于离心加速度与重力加速度之比,（KC为离心分离因数）,（KC值越高，离心分离效果越好）,www.ntvc.edu.cn,化工单元操作,旋风分离器,利用离心力作用净制气体的设备。能分离气体中粒径为5200 的尘粒。,www.ntvc.edu.cn,化工单元操作,旋液分离器,利用离心力的作用，使悬浮液中固体颗粒增稠或使粒径与密度均不同的颗粒进行分级。,悬浮液从圆筒上部的切向进口进入器内，旋转向下流动。液流中的颗粒受离心力作用，沉降到器壁，并随液流下降到锥形底的出口，成为较稠的悬浮液而排出，称为底流。澄清的液体或含有较小较轻颗粒的液体，则形成向上的内旋流，经上部中心管从顶部溢流管排出，称为溢流。,旋液分离器的圆筒直径一般为75300mm； 悬浮液的进口速度一般为515m/s； 压力损失约为50200kPa； 分离的颗粒直径约为1040,www.ntvc.edu.cn,化工单元操作,沉降离心机,利用离心沉降的原理分离悬浮液或乳浊液的机械。,管式离心机,碟式离心机,螺旋式离心机,分离乳浊液的管式离心机,分离悬浮液的管式离心机,离心分离系数为Kc13000；液体处理量为0.22m3/h。,分离因数约为700,可用于分离固体颗粒含量较多的悬浮液。 其生产能力较大，也可以在高温、高压下操作，如催化剂回收。,www.ntvc.edu.cn,化工单元操作,过滤,是使含固体颗粒的非均相物系通过布、网等多孔性材料，分离出固体颗粒的操作。,悬浮液,通常又称为滤浆或料浆,过滤介质,过滤用的多孔性材料,滤饼或滤渣,留在过滤介质上的固体颗粒,滤液,通过滤饼和过滤介质的清液,滤饼过滤,两种过滤方式,当颗粒尺寸比过滤介质的孔径大时，会形成滤饼；当颗粒尺寸比过滤介质的孔径小时，过滤开始时会有部分颗粒进入过滤介质孔道里，除了少量颗粒或穿过过滤介质而与滤液一起流走外，其余迅速在孔道里发生“架桥现象”。随着滤渣的逐渐堆积，过滤介质上面会形成滤饼层。此后，滤饼层就成为有效的过滤介质，从而得到澄清的滤液。,深层过滤,当悬浮液中所含颗粒很小，而且含量很少时，可用较厚的粒状床层做成的过滤介质进行过滤。由于悬浮液中的颗粒尺寸比过滤介质孔道直径小，当颗粒随液体进入床层内细长而弯曲的孔道时，靠静电及分子力的作用而附着在孔道壁上。过滤介质床层上面没有滤饼形成。,适用于液体中颗粒的体积大于1%的悬浮液,适用于液体中颗粒的体积大于1%的悬浮液,适用于液体中颗粒的体积小于1%的悬浮液,www.ntvc.edu.cn,化工单元操作,过滤介质,工业上常用的过滤介质,织物介质：滤布由棉、麻、丝及各种合成纤维织成； 滤网由铜、不锈钢等金属丝编织而成。 堆积的粒状介质：由沙层、木炭等堆积成较厚的床层，常用于深层过滤。 多孔性介质：由陶瓷、塑料、金属等粉末烧结成型而制得的多孔性板状或管状介质。,过滤介质的选择原则 根据悬浮液中液体性质、固体过滤介质的机械强度与价格等因素考虑。,助滤剂,当悬浮液中的颗粒很细时，过滤时易堵死过滤介质的空隙，或形成的滤饼在过滤的压力差作用下，空隙很小，阻力很大，使过滤困难。为了防止这种现象发生，可使用助滤剂。,常用种类： 硅藻土 珍珠岩 石棉 炭粉、纸浆粉等。,使用方法：预涂法和掺滤法,www.ntvc.edu.cn,化工单元操作,过滤速率,单位时间内过滤过的滤液体积，m3/s,过滤速度,单位过滤面积的过滤速率，m/s,通常用作用在悬浮液上的压力表示。实际起推动力作用的是滤饼和过滤介质两侧的压力差。,过滤的推动力,过滤阻力,过滤刚开始时过滤阻力为过滤介质阻力,在过滤介质上形成滤饼以后过滤阻力为滤饼阻力与过滤介质阻力之和 滤饼层沉积到相当厚度时过滤阻力主要为滤饼阻力，且主要决定于滤饼的厚度及其特征。,www.ntvc.edu.cn,化工单元操作,过滤速率方程式,过滤速率基本方程式是描述滤液量随过滤时间的变化关系，可用来计算为获得一定量的滤液（或滤饼）所需的过滤时间。,滤液通过饼层流动的特点 过滤中滤液通过滤饼层（包括颗粒饼层和过滤介质）的流动特点有： 由于构成饼层的颗粒尺寸通常很小，滤液通道不但细小曲折，而且互相交联，形成不规则的网状结构； 随着过滤操作的进行，滤饼厚度不断增加而使流动阻力逐渐加大，因而过滤属于不稳定操作； 细小而密集的颗粒层提供了很大的液固接触表面，对滤液的流动产生很大阻力，滤液通过饼层的流动大多属于层流流动。,过滤速率可以写成：,过滤推动力：总推动力为滤液通过饼层及过滤介质的总压力降 过滤阻力：为滤饼阻力与过滤介质阻力之和,www.ntvc.edu.cn,化工单元操作,根据流体在圆管内层流流动时的哈根泊素叶方程式写出滤液在滤饼中的流动速度,其中，u滤液在毛细孔道内的流速；d毛细孔道的平均直径； 滤液的粘度； l 滤饼层中的毛细孔道的平均长度； 滤 液通过滤饼层的压力降。因lL(滤饼层厚度)，而L VC /A (单位 过滤面积的干滤饼体积)，故lVC/A ，又 （过滤速度），,这表明，任一瞬间的过滤速度 与滤饼层两侧的压力差成正 比，与当时的滤饼厚度及滤液黏度成反比。,滤饼阻力,比例系数r 表示单位过滤面积上的干滤饼为1m3 时的阻力；称为滤饼的比阻。过滤介质阻力Rm 可看作获得当量滤液量Ve时所形成滤饼层的阻力。,即,www.ntvc.edu.cn,化工单元操作,恒压过滤,恒压过滤时， 是常数，对于一定的滤浆， ，r，v ，Ve 均为常数，,积分得：,令qV/A及qeVe/A ，q 为单位面积上得到的滤液体积，m3/m2，则,当过滤介质阻力忽略时， Ve 0 ，则,以上各式均称为恒压过滤方程式。式中的qe 、K 称为过滤常数，由实验测定。K 由物料特性及压力降决定，m2/s，称为过滤常数； qe为反映过滤介质阻力大小的常数，称为介质常数。,www.ntvc.edu.cn,化工单元操作,过滤常数的测定,此式表明恒压过滤时， q 具有线性关系，该直线的斜率为1/K ，截距为2qe/K 。 实验时，测定不同过滤时间所获得的单位过滤面积的滤液体积q 的数据，再以 q作图，得到一条直线，由直线的斜率与截距便可求出过滤常数qe 、K。 必须注意：实际应用时，只有在工业生产条件与实验条件完全相同时，才可直接使用实验测得的 qe 、K 值。,例题：课本P105例2-3和2-4。,www.ntvc.edu.cn,化工单元操作,板框压滤机,由许多块凸凹纹路的滤板和滤框交替排列组装于机架上而构成。,优点 构造简单、操作容易、占地面积小、过滤面积大、过滤压力较高、滤渣的含水率低，对物料的适应能力较强。,缺点 操作不能连续自动，生产能力低，劳动强度大。,www.ntvc.edu.cn,化工单元操作,转筒真空过滤机,适用于处理量大而固体颗粒含量较多的滤浆。但由于在真空下操作，其过 滤推动力最大为一个大气压，对滤饼阻力较大的物料适应能力较差。,www.ntvc.edu.cn,化工单元操作,离心过滤机,有过滤用的转鼓，转鼓上有许多小孔，称为滤框。滤框里面装有滤网。,操作原理： 使悬浮液在滤框内与滤框一起旋转，由于离心力作用，液体产生径向压差，通过滤饼、滤网及滤框而流出。,悬框式离心机：间歇操作，分离因数约为5001000，能分离颗粒直径为0.055mm 的悬浮液。 往复活塞推渣离心机：分离因数约为300700，生产能力大，适用于分离固体颗粒浓度较轻、粒度较大（0.15mm）的悬浮液，在生产中得到广泛应用。 离心力自动卸渣离心机：结构简单，造价低廉，功率消耗小，生产能力较大，分离因数约为15002500，可分离固体颗粒浓度较浓、粒度为0.041mm的悬浮液，在各种结晶产品的分离中广泛应用。,www