三章沉降与过滤ppt课件

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1、第三章第三章 沉降与过滤沉降与过滤概述：混合物分类概述：混合物分类混合物混合物均相混合物：所需分离的物质在同一相中，不能用机械均相混合物：所需分离的物质在同一相中，不能用机械 的方法分离；的方法分离；非均相混合物：由分散物质和连续物质组成的一个以上非均相混合物：由分散物质和连续物质组成的一个以上的相，可以用机械的方的相，可以用机械的方 法分离。相界面两侧的物质性质法分离。相界面两侧的物质性质不同。不同。固体固体固体：固体混合物固体：固体混合物固体固体液体：悬浮液液体：悬浮液固体固体气体：含尘气体气体：含尘气体液体液体气体：含雾气体气体：含雾气体液体液体液体：乳浊液液体：乳浊液非均相混合物非均相

2、混合物:重力沉降 颗粒相对于流体的运动过程机械分离方法 离心沉降过滤 流体相对于颗粒的运动:,:,:,重力沉降作用力 以重力为主 速度慢离心沉降作用力 以惯性离心力为主 还有重力 速度快过滤作用力 以压力差为主 还包括重力 惯性离心力非均相物系分类法一般用机械分离法，使分散相与连续相发生相对非均相物系分类法一般用机械分离法，使分散相与连续相发生相对运动，从而分离。运动，从而分离。重力沉降及离心沉降可用于分离气态及液态非均相；重力沉降及离心沉降可用于分离气态及液态非均相；过滤多用于液态非均相，包括加压，减压，常压及离心过滤。过滤多用于液态非均相，包括加压，减压，常压及离心过滤。分离目的：回收有价

3、值的物质，净化空气，保护环境，中药制药分离目的：回收有价值的物质，净化空气，保护环境，中药制药应用过滤非常多。应用过滤非常多。颗粒与流体相对运动时所受的阻力颗粒与流体相对运动时所受的阻力 当流体以一定速度绕过静止的固体颗粒流动时，由于流体的黏性，会对颗粒有作用力。反之，当固体颗粒在静止的流体中移动时，流体同样会对颗粒有作用力。这两种作用力性质相同，统称为阻力。只要颗粒与流体之间有相对运动，就会产生阻力。不同的相对运动，相对运动速度相同，流体对颗粒的阻力相同。流体密度：，黏度：m,颗粒直径dp,，颗粒在运动方向上的投影面积：A，颗粒与流体相对速度u22duFA 是量纲为一的量，是流体相对于颗粒运

4、动时的雷诺数的函数是量纲为一的量，是流体相对于颗粒运动时的雷诺数的函数不同流体流动类型不同流体流动类型 值与值与ReRe之间的计算式表示为：之间的计算式表示为：410Re2)24/Re层流区(斯托克斯区准确计算52Re500)10/Re500Re2 10)0.44过渡区(阿仑区近似计算湍流区(牛顿区近似计算第一节 重力沉降 定义：是利用重力作用及分散相和连续相密度不同，使二者发生相对运动而将二者分离的过程 一、沉降速度一、沉降速度1 1、球形颗粒的自由沉降、球形颗粒的自由沉降 单个球形颗粒在流体中沉降，或者颗粒群在流体中分散得较好单个球形颗粒在流体中沉降，或者颗粒群在流体中分散得较好而颗粒在互

5、不接触、互不碰撞的条件下沉降，称为自由沉降。而颗粒在互不接触、互不碰撞的条件下沉降，称为自由沉降。单个球形颗粒在自由沉降过程中受三个力作用：重力，浮力和单个球形颗粒在自由沉降过程中受三个力作用：重力，浮力和阻力，当其加速度阻力，当其加速度a=0时，颗粒作匀速沉降运动，此时颗粒（分散时，颗粒作匀速沉降运动，此时颗粒（分散相）相对于连续相的运动速度叫沉降速度或终端速度。相）相对于连续相的运动速度叫沉降速度或终端速度。此时：重力浮力此时：重力浮力=阻力阻力 （a=0时，时，F=0）公式推导：球形颗粒直径公式推导：球形颗粒直径d，密度，密度S，连续相密度，连续相密度，阻力系数，阻力系数，沉降速度沉降速

6、度ut316sdg则重力316dg浮力（由连续相引起）2221242tuuAd阻力23321116642tsudgdgd则：4()3stgdu整理得：说明：适用于光滑的球形颗粒的自由沉降，称为自由沉降说明：适用于光滑的球形颗粒的自由沉降，称为自由沉降速度公式。速度公式。所计算速度为匀速速度（所计算速度为匀速速度（a=0a=0）为阻力沉降系数为阻力沉降系数2、阻力沉降系数阻力沉降系数计算计算对于球形颗粒，将不同对于球形颗粒，将不同Re范围的阻力系数范围的阻力系数计算式代入上式得：计算式代入上式得：4(10Re2)m182g)(dust层流区层流区 斯托克斯公式斯托克斯公式过渡区过渡区(2Re50

7、0)2234()225stgudm阿伦公式阿伦公式 湍流区湍流区5(5002 10)eR 3.03()stdu牛顿沉降公式牛顿沉降公式斯托克斯公式适用条件斯托克斯公式适用条件502emRm小直径颗粒在一般介质中沉降以下颗粒在水中沉降较大颗粒在粘滞液体中沉降特例：当特例：当s s时，时，m182gdust （滞流层）（滞流层）牛顿沉降公式中牛顿沉降公式中 适用于大颗粒沉降适用于大颗粒沉降Re500球形：球形：=0.44圆柱形：圆柱形：=1.0 圆盘形：圆盘形：=1.23 3、U Ut t计算方法计算方法teduRm摩擦数群法试差法因计算因计算ut需知需知Re，而，而，则计算方法，则计算方法（1）

8、试差法：）试差法：假设某一流型，用相应公式计算假设某一流型，用相应公式计算ut 再计算再计算Re，检验，检验Re是否属于该流型范围，不符，再设流型再计是否属于该流型范围，不符，再设流型再计 算直到合适。算直到合适。s4()3estdgumPsSS361ePdV3、非球形颗粒的自由沉降、非球形颗粒的自由沉降d用当量直径用当量直径de代替，代替，用不同球形度下用不同球形度下s代替代替s：代表球形度，也叫形状系数，表征颗粒形状与球形颗粒的差：代表球形度，也叫形状系数，表征颗粒形状与球形颗粒的差异度。异度。SP真实颗粒表面积真实颗粒表面积 S与与SP真实颗粒体积相等的球型颗粒表面积真实颗粒体积相等的球

9、型颗粒表面积de：代表当量直径，即与真实颗粒：代表当量直径，即与真实颗粒SP体积相等的圆球直径，即体积相等的圆球直径，即VP：任意形状的颗粒体积，：任意形状的颗粒体积，不同不同s下的下的Re，曲线不同。曲线不同。4 4、影响沉降速度的其它因素、影响沉降速度的其它因素 以上的沉降过程为在重力作用下球形颗粒的自由沉降：以上的沉降过程为在重力作用下球形颗粒的自由沉降：颗粒为球形；颗粒为球形；颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰；颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰；容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略；容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略；颗粒直径不能小到受流体分子运动的影响。颗粒直径不能小到受流体分子运动的影响。在实

10、际情况中还需考虑以下因素的影响：在实际情况中还需考虑以下因素的影响：（1）、颗粒形状）、颗粒形状 颗粒形状偏离球形越大，其阻力系数就越大。颗粒形状偏离球形越大，其阻力系数就越大。（2）、壁效应）、壁效应 当颗粒靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影当颗粒靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，沉降速度比自由沉降速度小，这种影响称为壁效应。响，沉降速度比自由沉降速度小，这种影响称为壁效应。（3）干扰沉降）干扰沉降 当非均相物系中颗粒较多，颗粒之间相互距离当非均相物系中颗粒较多，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

11、沉降，干扰沉降速度比自由沉降速度小。降，干扰沉降速度比自由沉降速度小。二、二、降尘室降尘室 B Vs u0 u L H颗粒在降尘室中的运动颗粒在降尘室中的运动 重力沉降是一种最原始的分离方法。一般作为预分离之用，分重力沉降是一种最原始的分离方法。一般作为预分离之用，分离粒径较大的尘粒。本节介绍典型的水平流动型降尘室。（书图离粒径较大的尘粒。本节介绍典型的水平流动型降尘室。（书图3-3）颗粒能够沉降到集尘斗中有什么条件呢？）颗粒能够沉降到集尘斗中有什么条件呢？颗粒在降尘室中的沉降时间小于停留时间时，颗粒在流体离开颗粒在降尘室中的沉降时间小于停留时间时，颗粒在流体离开降尘室前即可沉降到降尘室的底部

12、。降尘室前即可沉降到降尘室的底部。即：停留时间即：停留时间沉降时间沉降时间 t00/L uH u其中：其中：tsVVLLBHLuqBHq停留时间：停留时间：气流水平分速度气流水平分速度m/s气体体积流量气体体积流量m3/st t与设备尺寸及处理量有关，与颗粒性质无关；与设备尺寸及处理量有关，与颗粒性质无关；沉降时间沉降时间 00uH 0与流体、颗粒的性质、分离要求及降尘室的高度有关。与流体、颗粒的性质、分离要求及降尘室的高度有关。注意：注意：当某直径的颗粒满足当某直径的颗粒满足t0时，它能够被完全（时，它能够被完全（100%）地分离；当某直径的颗粒满足地分离；当某直径的颗粒满足t0时，它不是不

13、能被分离，仍时，它不是不能被分离，仍然可以被分离，只不过是不能被完全分离。然可以被分离，只不过是不能被完全分离。讨论：讨论：（1）降尘室的生产能力：）降尘室的生产能力：tVBHLqHBu停留时间最短为停留时间最短为t=0=H/u0，即最大生产能力为，即最大生产能力为qV=BLu0；故生产；故生产能力与降尘室的底面积能力与降尘室的底面积BL有关而与降尘室的高度无关，因此，降有关而与降尘室的高度无关，因此，降尘室多制成扁平型或多层。尘室多制成扁平型或多层。（2 2）降尘室生产能力与设备高度无关，）降尘室生产能力与设备高度无关，那么降尘室的高度是否那么降尘室的高度是否越小越好呢？越小越好呢？H时，根

14、据时，根据 0uHuL 若若u u不变，则不变，则L L，生产能力，生产能力q qv v=BLuBLu0 0；为保证生产能力不变，必；为保证生产能力不变，必须须B B；降尘室变得短而宽，气体进入降尘室还未稳定就离开降尘；降尘室变得短而宽，气体进入降尘室还未稳定就离开降尘室了，气体在降尘室内的分布不均匀造成分离能力下降；所以在降室了，气体在降尘室内的分布不均匀造成分离能力下降；所以在降尘室的前后均有渐缩和渐扩装置；尘室的前后均有渐缩和渐扩装置；若若L L不变，不变，u u，生产能力不变；若流速太大，则沉降后的颗粒被，生产能力不变；若流速太大，则沉降后的颗粒被重新扬起，分离效率重新扬起，分离效率，

15、故应保证气体流动维持层流状态，一般，故应保证气体流动维持层流状态，一般u u 3m/s 3m/s，易扬起的物料，易扬起的物料u u 1.5m/s 10m10m（75m75m效果较好）。效果较好）。（4）t t0在设计中是确定降尘室主要结构尺寸的依据在设计中是确定降尘室主要结构尺寸的依据，在操作中是确定所能完全分离最小颗粒直径的判据。当斯，在操作中是确定所能完全分离最小颗粒直径的判据。当斯托克斯定律适用时，颗粒在降尘室中作自由沉降，处理量为托克斯定律适用时，颗粒在降尘室中作自由沉降，处理量为qv时能分离出的颗粒的最小直径时能分离出的颗粒的最小直径dmin为：为：2min00()18sVgdquA

16、m降尘室底面积降尘室底面积min018()VsqdgAm q qv v一定一定,d dminmin、u u0 0与降尘室的底面积与降尘室的底面积A A0 0成反比，与成反比，与H H无关，当无关，当d dminmin、u u0 0一定，一定，q qv v与与A A0 0成正比。成正比。降尘室的形状：扁平状降尘室的形状：扁平状多层隔板降尘室：图多层隔板降尘室：图3-53-5，水平隔板分为，水平隔板分为N N层，层高：层，层高：H/NH/N气体流动截面积未变，水平流速不变，颗粒停留时间不变。气体流动截面积未变，水平流速不变，颗粒停留时间不变。颗粒沉降高度：原来的颗粒沉降高度：原来的1/N1/N，u

17、 u0 0为原来的为原来的1/N，d dminmin为原来的为原来的1/N优点：能分离更小的颗粒（优点：能分离更小的颗粒（20m mm）缺点：降尘排灰不方便）缺点：降尘排灰不方便降尘室的计算：降尘室的计算：A、已知、已知qv,物性数据物性数据:、m m、s及及dmin,计算降尘室的底面积计算降尘室的底面积A0B、已知、已知A0、物性数据：、物性数据：、m m、s及及dmin,计算计算qvB、已知、已知A0、物性数据：、物性数据：、m m、s及及qv,计算计算dmin例题：用高例题：用高2m2m、宽、宽2.5m2.5m、长、长5m5m的重力降尘室分离空气中的粉尘。在的重力降尘室分离空气中的粉尘。

18、在操作条件下空气的密度为操作条件下空气的密度为0.779kg/m0.779kg/m3 3，黏度为，黏度为2.532.531010-5-5PasPas，流，流量为量为1.251.251010-4-4m m3 3/h/h。粉尘的密度为。粉尘的密度为2000kg/m2000kg/m3 3。试求完全能分离的。试求完全能分离的粉尘的最小直径。粉尘的最小直径。解：已知解：已知qv=1.2510-4m3/h,=0.779kg/m3,m m=2.5310-5Pas,s=2000kg/m3,A0=2.5m 5m4001.25 10/36000.2782.5 5VquA5min066min05,1818 2.53

19、 100.278()2000 9.8180.3 1080.380.3 100.278 0.779Re2.53 100.687VsqdgAmmdummm假设颗粒沉降属于层流区 则：验算流型：三、沉降设备三、沉降设备工业液体沉降目的为浓缩及澄清两类工业液体沉降目的为浓缩及澄清两类浓缩：目的是增稠：所用设备为增稠器（要颗粒）浓缩：目的是增稠：所用设备为增稠器（要颗粒）澄清：目的是除去悬浮物：所用设备为澄清器（要连续相）澄清：目的是除去悬浮物：所用设备为澄清器（要连续相）连续式连续式增稠器增稠器结构：结构：槽为圆筒形，底圆稚形，中心有一进料筒，槽为圆筒形，底圆稚形，中心有一进料筒，进料筒插入悬浮区，上

20、清液从槽上部溢出，底部由耙耙向稚形底部，进料筒插入悬浮区，上清液从槽上部溢出，底部由耙耙向稚形底部，由排泥口排出，耙运动缓慢，可连续加料，连续排泥及溢流。由排泥口排出，耙运动缓慢，可连续加料，连续排泥及溢流。多层沉降槽结构：分几层，为几个单层沉降槽叠放，设计复杂，要求多层沉降槽结构：分几层，为几个单层沉降槽叠放，设计复杂，要求高，占地面积小，节约空间，节约材料，操作控制复杂。高，占地面积小，节约空间，节约材料，操作控制复杂。沉降过程可分为四个区：沉降过程可分为四个区：清液区清液区 均一浓度区均一浓度区 不均匀浓度区（浓度与颗粒不均匀区）不均匀浓度区（浓度与颗粒不均匀区）粗料固体区（压缩区）粗料

21、固体区（压缩区）沉降终了时只剩下清液区及粗料固体区。沉降终了时只剩下清液区及粗料固体区。单层增稠器间歇式增稠器又分为增稠多层增稠器连续式第二节 离心沉降 离心沉降是靠惯性离心力作用而实现的沉降过程。特点：沉降速度快，分离效果好 主要设备：分离气固非均相混合物设备：旋风分离器分离液固非均相混合物设备：旋液分离器，沉降离心机一、离心力作用下的沉降速度一、离心力作用下的沉降速度r1r2ArCBuruut颗粒在旋转流体中的运动颗粒在旋转流体中的运动当一个球形颗粒绕中心轴作圆周运动当一个球形颗粒绕中心轴作圆周运动时，就产生惯性离心力。时，就产生惯性离心力。如图：球体直径为如图：球体直径为d d，切向运动

22、速度，切向运动速度为为u ut t，球体距中心，球体距中心o o点的距离为点的距离为r r，球，球形颗粒形颗粒s s，流体，流体。则颗粒在图示位置受三个力作用则颗粒在图示位置受三个力作用:()o惯性离心力 从中心指向外周阻力 与离心力方向相反向心力 指向中心轴 点 相当于重力场中浮力达平衡时，颗粒在径向上相对于流体的运动速度就是离心沉降速达平衡时，颗粒在径向上相对于流体的运动速度就是离心沉降速度度ur惯性离心力向心力惯性离心力向心力=阻力阻力r1r2ArCBuruut颗粒在旋转流体中的运动颗粒在旋转流体中的运动当作用力等于阻力时，代入整理可得离心沉降速度当作用力等于阻力时，代入整理可得离心沉降

23、速度ur2tr4()3sduur236tsudr惯性离心力236tudr向心力22142:rudr阻力，：阻力系数，u径向速度离心沉降速度在径向上颗粒相对于流体的运动速度。离心沉降速度在径向上颗粒相对于流体的运动速度。上式中：上式中：u ut t及及r r均为变量，则均为变量，则u ur r也为变量也为变量u ur r，u ut t方向均在变化，颗粒运动轨迹为方向均在变化，颗粒运动轨迹为u u方向，绝对速度方向。方向，绝对速度方向。24Re4(10Re2)对层流：对层流：代入则代入则 22()18strduurm 适于小颗粒球形适于小颗粒球形与重力沉降与重力沉降 g)(dustm182 比较比

24、较则则 2()utrctuKur g重Kc叫离心分离因数，表明同一颗粒在同一介质中离心场强度与重力叫离心分离因数，表明同一颗粒在同一介质中离心场强度与重力场强度之比，无因次，是离心分离设备的重要性能参数。场强度之比，无因次，是离心分离设备的重要性能参数。在离心沉降时，重力沉降同时存在，但在离心沉降时，重力沉降同时存在，但u ur ru ut t。则忽略重力沉降。则忽略重力沉降。比较比较u ur r，u ut t：u ur r是颗粒绝对运动速度在径向上的分量，方向沿径向向外，随是颗粒绝对运动速度在径向上的分量，方向沿径向向外，随r r方向及大小而变化，不是恒值。方向及大小而变化，不是恒值。u u

25、t t：恒值，方向向下：恒值，方向向下示例：一个颗粒作离心沉降，切向速度为示例：一个颗粒作离心沉降，切向速度为20m/s20m/s，旋转半径，旋转半径r=0.04mr=0.04m，计算其离心分离因数，计算其离心分离因数K Kc c。解：解：1028190402022.gRuKTc影响影响u ur r因素因素2uu:,1u:,urtrrrr进气大量 易产生湍动不利沉降且使气体压强降进气量小，速度低，除尘效率低。除小颗粒效果好 注意：注意：离心沉降与重力沉降的类比。离心沉降与重力沉降的类比。比较比较ur，ut：u ur r是颗粒绝对运动速度在径向上的分量，方向沿径向向外，是颗粒绝对运动速度在径向上

26、的分量，方向沿径向向外，随随r r方向及大小而变化，不是恒值。由于颗粒和流体同时方向及大小而变化，不是恒值。由于颗粒和流体同时做圆周运动，颗粒的实际运动轨迹是一个半径逐渐扩大的做圆周运动，颗粒的实际运动轨迹是一个半径逐渐扩大的螺旋线。离心沉降速度并不是颗粒的实际运动速度，只是螺旋线。离心沉降速度并不是颗粒的实际运动速度，只是其在径向上的分量。其在径向上的分量。u ut t：恒值，方向向下：恒值，方向向下旋风分离器用于分离气体中的固体颗粒旋风分离器用于分离气体中的固体颗粒旋液分离器用于分离液体中的固体颗粒旋液分离器用于分离液体中的固体颗粒 重力沉降重力沉降 离心沉降离心沉降 降尘室用于分离气体中

27、的固体颗粒降尘室用于分离气体中的固体颗粒增稠器用于分离液体中的固体颗粒增稠器用于分离液体中的固体颗粒 二、二、旋风分离器旋风分离器结构：上部圆柱形，下部圆锥形，进气结构：上部圆柱形，下部圆锥形，进气口、排气口、出尘口、灰斗组成。口、排气口、出尘口、灰斗组成。工作流程：工作流程：含尘气体由进气口自切线方向进入，受器壁约束向下作螺旋含尘气体由进气口自切线方向进入，受器壁约束向下作螺旋形运动，叫外旋流，其上部为主要除尘区。形运动，叫外旋流，其上部为主要除尘区。颗粒在惯性离心力作用下被甩向器壁汇聚于锥底。颗粒在惯性离心力作用下被甩向器壁汇聚于锥底。净化后气体在中心轴附近由下而上作旋转运动，由顶部排出，

28、净化后气体在中心轴附近由下而上作旋转运动，由顶部排出，叫内旋流，与外旋流方向相反。叫内旋流，与外旋流方向相反。惯性离心力强度在器壁处最大，中心轴最小。惯性离心力强度在器壁处最大，中心轴最小。（1）结构与工作原理）结构与工作原理2 2、旋风分离器的性能：、旋风分离器的性能：（1 1）临界直径：）临界直径：当沉降时间与停留时间相等时所能完全分离的颗当沉降时间与停留时间相等时所能完全分离的颗粒直径为最小直径。粒直径为最小直径。mmtt22emtr Nr Nuu旋转半径的平均值旋转半径的平均值停留时间：停留时间：0rBu离心沉降时间为：离心沉降时间为：0t 停留时间停留时间沉降时间沉降时间标准旋风分离

29、器结构尺寸：标准旋风分离器结构尺寸：进气口长进气口长h hD/2D/2；宽；宽B BD/4D/4；圆柱筒直径为圆柱筒直径为D D；圆柱筒高；圆柱筒高L=D;L=D;圆锥筒高圆锥筒高H H2D2D；排沉口直径排沉口直径D/2D/2；排气口直径排气口直径D/2D/2；排气口底部与进气口底部距离；排气口底部与进气口底部距离s sD/8D/82222trm1818ssmtduduurrmmm022s18mtBrdummm22cs218emtmtr NBrudumc0t,dd 时时 cs9emtBdNum式中：式中：sm 物性参数物性参数 B B旋风分离器进气口宽度（旋风分离器进气口宽度（D/4D/4）

30、N Ne e气体在旋风分离器内外旋气流有效旋转圈数气体在旋风分离器内外旋气流有效旋转圈数 ，标准旋风，标准旋风分离器为分离器为5 5。u umtmt平均切向速度，近似等于进口气速平均切向速度，近似等于进口气速u ui i，一般，一般1525m/s1525m/s。cs9eiBdNum 讨论：讨论：B，D，dc，效率，效率；在生产能力相同条件下，；在生产能力相同条件下，有一台大旋风分离器和若干台小旋风分离器（进口有一台大旋风分离器和若干台小旋风分离器（进口气速一样），应采用哪种方案？气速一样），应采用哪种方案？ui，dc，效率，效率，但阻力，但阻力；旋风分离器的进口气；旋风分离器的进口气速应适当选

31、择，不宜太高也不宜太低。速应适当选择，不宜太高也不宜太低。dc不仅与颗粒和气体的性质有关，而且与旋风分离不仅与颗粒和气体的性质有关，而且与旋风分离器的结构和处理量有关。处理量越大、颗粒密度越器的结构和处理量有关。处理量越大、颗粒密度越大、进口越窄、长径比越大（大、进口越窄、长径比越大（N越大），则临界直越大），则临界直径越小，分离性能越好。径越小，分离性能越好。（2）分离效率分离效率 粒级效率、总效率粒级效率、总效率 含尘气体中所有颗粒经分离器后被分离出的质量百分数含尘气体中所有颗粒经分离器后被分离出的质量百分数0 0，称为，称为总效率总效率:%1000 进进口口出出口口进进口口ccc 含尘气

32、体中某一粒径的颗粒经分离器后被分离出的质量含尘气体中某一粒径的颗粒经分离器后被分离出的质量百分数百分数pi，称为，称为粒级效率粒级效率:%100p 进进口口出出口口进进口口iiiiccc 其中其中c为质量含量，为质量含量，g/m3；i表示直径为表示直径为di的颗粒。的颗粒。讨论：讨论：若两台旋风分离器的总效率相同，他们的分离性能是若两台旋风分离器的总效率相同，他们的分离性能是否相同？含尘气体中颗粒的大小范围不同，临界直径不同，否相同？含尘气体中颗粒的大小范围不同，临界直径不同，因此采用粒级效率才能更准确地评价分离器的效率。因此采用粒级效率才能更准确地评价分离器的效率。d dc时，时，pi=10

33、0%，d dc的颗粒能否被分离？的颗粒能否被分离？能能,不能被完全分离即不能被完全分离即pi 75m）初步净化初步净化惯性分离（惯性分离（15m）折流挡板（通过撞击而分离）折流挡板（通过撞击而分离）离心沉降（离心沉降（110m）中等净化中等净化袋式除尘器（袋式除尘器（1m）布袋、玻璃纤维布作为过滤介质布袋、玻璃纤维布作为过滤介质电除尘电除尘作业P125:3-4,3-5第四节第四节 过滤过滤（Filteration）3.1.1 概述概述 过滤是在外力作用过滤是在外力作用下下，利用过滤介质使悬浮液中的液体通，利用过滤介质使悬浮液中的液体通过，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的一种单过，而

34、固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的一种单元操作。元操作。过滤介质过滤介质具有多孔结构，可以截留固体物质，而让液具有多孔结构，可以截留固体物质，而让液体通过；我们把待过滤的悬浮液称为体通过；我们把待过滤的悬浮液称为滤浆（滤浆（Slurry），而过滤，而过滤后分离出的固体称为后分离出的固体称为滤渣滤渣或或滤饼（滤饼（Filter cake），通过过滤介，通过过滤介质的液体称为质的液体称为滤液（滤液（Filtrate）。（1）过滤介质（过滤介质（Filter medium）：）：过滤介质应具有以下特性：多孔性，足够的机械强度，尽过滤介质应具有以下特性：多孔性，足够的机械强度，尽可能小的流动阻

35、力，耐腐蚀性，耐热性，易于再生。可能小的流动阻力，耐腐蚀性，耐热性，易于再生。工业上常见的过滤介质：织物介质、堆积介质、多孔固体工业上常见的过滤介质：织物介质、堆积介质、多孔固体介质、多孔膜。介质、多孔膜。（2）过滤分类：）过滤分类：深层过滤（深层过滤（Deep bed filteration）粒状床层孔道为有效过滤介质（的过滤）。当悬浮液中所含颗粒很小，且含量很少时（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，所以这种过滤称为饼层过滤。常用于

36、化工生产 过滤介质过滤介质悬浮液悬浮液深层过滤深层过滤悬浮液悬浮液滤饼滤饼过滤介质过滤介质滤液滤液滤饼过滤滤饼过滤（3 3）.过滤介质过滤介质 A A、织物介质：由纤维、金属丝等编织而成的滤布和滤网。、织物介质：由纤维、金属丝等编织而成的滤布和滤网。B B、堆积介质：由砂、木炭等堆积而成的床层。、堆积介质：由砂、木炭等堆积而成的床层。C C、多孔介质：由多孔陶瓷、多孔金属和多孔塑料制成的管和、多孔介质：由多孔陶瓷、多孔金属和多孔塑料制成的管和板。板。（4 4）.助滤剂：某种质地坚硬、粒度均匀的颗粒，如硅藻助滤剂：某种质地坚硬、粒度均匀的颗粒，如硅藻土、珍珠岩等。土、珍珠岩等。1 1、作用：防止

37、滤饼压缩及细小颗粒堵塞过滤介质的孔隙。、作用：防止滤饼压缩及细小颗粒堵塞过滤介质的孔隙。2 2、使用方法：、使用方法：A.A.在悬浮液中加入助滤剂后一起过滤。在悬浮液中加入助滤剂后一起过滤。B.B.先把助滤剂配成悬浮液并过滤，形成助滤剂层后，才正式先把助滤剂配成悬浮液并过滤，形成助滤剂层后，才正式过滤。过滤。应予注意，一般以获得清净滤液为目的时，采用助滤剂应予注意，一般以获得清净滤液为目的时，采用助滤剂才是适宜的。才是适宜的。3 3、要求、要求 A.A.能形成多孔饼层刚性颗粒能形成多孔饼层刚性颗粒 B.B.物理、化学性质稳定物理、化学性质稳定 c.c.具有不可压缩性（在使用的压力范围内）具有不

38、可压缩性（在使用的压力范围内）二、二、过滤基本理论过滤基本理论1、滤饼层特性滤饼层特性 （1）滤饼层空隙率）滤饼层空隙率滤饼层体积滤饼层体积滤饼中空隙体积滤饼中空隙体积 空隙率反映了滤饼层中固体颗粒的堆积密度；空隙率反映了滤饼层中固体颗粒的堆积密度；，颗，颗粒堆积紧密，同样流量下，阻力粒堆积紧密，同样流量下，阻力；，颗粒堆积疏松，同，颗粒堆积疏松，同样流量下，阻力样流量下，阻力。（5 5）过滤推动力：）过滤推动力：重力（漏斗过滤）、压力（加压过滤）或真空重力（漏斗过滤）、压力（加压过滤）或真空（抽滤）、离心力（离心过滤）。（抽滤）、离心力（离心过滤）。（2）滤饼自由截面积分率）滤饼自由截面积分

39、率A0滤滤饼饼层层的的截截面面积积截截面面积积滤滤液液通通过过滤滤饼饼层层的的流流通通 0A D dL 将滤饼层转化为如图所示的圆环柱，根将滤饼层转化为如图所示的圆环柱，根据空隙率和自由截面积分率的定义，有：据空隙率和自由截面积分率的定义，有：22244 DdLDLd 222044 DdDdA 0A （3）滤饼比表面积）滤饼比表面积aB和颗粒比表面积和颗粒比表面积 S0滤饼层体积滤饼层体积颗粒总表面积颗粒总表面积 Ba颗粒总体积颗粒总体积颗粒总表面积颗粒总表面积 0S滤饼层体积滤饼层体积颗粒总体积颗粒总体积滤饼层体积滤饼层体积 1滤饼层体积滤饼层体积颗粒总体积颗粒总体积 10BSa 0B1Sa

40、 2 滤液通过滤饼层的流动滤液通过滤饼层的流动 流动阻力可用哈根流动阻力可用哈根泊谡叶方程表示：泊谡叶方程表示：2e132dulp m m式中式中 l 滤饼孔道的平均长度，滤饼孔道的平均长度，m；u为滤饼孔道中滤液的流速，为滤饼孔道中滤液的流速，m/s；de 为孔道的当量直径，为孔道的当量直径，m。0Be14444Salld 滤滤饼饼层层体体积积润润湿湿周周边边滤滤饼饼层层体体积积流流通通截截面面积积润润湿湿周周边边流流通通截截面面积积 uAuu 0滤滤饼饼层层截截面面积积滤滤饼饼层层截截面面积积流流通通截截面面积积体体积积流流量量流流通通截截面面积积体体积积流流量量LKl0 将以上关系代入哈

41、根将以上关系代入哈根泊谡叶方程：泊谡叶方程：320202001124132 m m m mSLuKSLuKp 31220021puLKSm过滤阻力过滤阻力过滤推动力过滤推动力过滤速率过滤速率 3202012 SKr 滤饼的比阻滤饼的比阻（Lewis Specific filtration resistance）rLpAddVum m 1 滤饼两侧滤饼两侧的压力差的压力差过滤时间过滤时间 2122N m1N ms m m/smprLum 1prLum 滤饼的空隙率滤饼的空隙率，r，所以对可压缩滤饼推动力不同时，所以对可压缩滤饼推动力不同时，比阻也不同；由于滤液流过滤饼而对滤饼中的颗粒产生向，比阻

42、也不同；由于滤液流过滤饼而对滤饼中的颗粒产生向前的压缩力（压紧力），使得滤饼表面空隙率较大，而内部前的压缩力（压紧力），使得滤饼表面空隙率较大，而内部的空隙率较小，阻力较大；因此空隙率、比阻不仅与过滤推的空隙率较小，阻力较大；因此空隙率、比阻不仅与过滤推动力有关，还与滤饼层的位置有关，它们在滤饼中的不同位动力有关，还与滤饼层的位置有关，它们在滤饼中的不同位置分布是不均匀的。且上式过滤速率只考虑了滤饼的过滤阻置分布是不均匀的。且上式过滤速率只考虑了滤饼的过滤阻力，还未考虑过滤介质的过滤阻力。力，还未考虑过滤介质的过滤阻力。3 过滤基本方程式过滤基本方程式（1）可压缩滤饼）可压缩滤饼 VALc 滤

43、液体积滤液体积滤饼体积滤饼体积AcVL 当量滤液量，当量滤液量，m3 AcVLee 同理同理12eeppdVpuAdrLrLr LLmmm当量滤饼层厚度，当量滤饼层厚度，m eVVrcpAAddVu m m e01VVcrpAAddVus m m sprr 0压缩性指数压缩性指数（2）不可压缩滤饼）不可压缩滤饼 S=0 e0VVcrpAAddVu m m 比阻的另一种表达方法比阻的另一种表达方法 定义：定义：滤液体积滤液体积滤饼中绝干固体质量滤饼中绝干固体质量 c无论如何定义，过滤的阻力是不变的，所以：无论如何定义，过滤的阻力是不变的，所以：AVcrArcV m mm mcrrc即即比阻（比阻

44、（Ruth Specific filtration resistance），），m/kg 4 恒压过滤（恒压过滤（Constant pressure filtration）若在过滤过程中保持过滤推动力恒定，那么在过滤初始若在过滤过程中保持过滤推动力恒定，那么在过滤初始阶段，滤饼还未形成时，过滤阻力小，过滤速率大，随着过阶段，滤饼还未形成时，过滤阻力小，过滤速率大，随着过滤的进行，滤饼厚度不断增大，过滤阻力增大，过滤速率下滤的进行，滤饼厚度不断增大，过滤阻力增大，过滤速率下降；这种过滤方式为降；这种过滤方式为恒压过滤恒压过滤。若要保证过滤过程的过滤速率恒定，那么在过滤过程中若要保证过滤过程的过滤

45、速率恒定，那么在过滤过程中应不断提高过滤的推动力，这种操作方式为应不断提高过滤的推动力，这种操作方式为恒速过滤（恒速过滤（Constant rate filtration）。若过滤过程中压力和速率均无法恒定则若过滤过程中压力和速率均无法恒定则为变压变速过滤为变压变速过滤。恒压过滤如线（恒压过滤如线（1）所示，压）所示，压力恒定，速率不断下降；力恒定，速率不断下降；恒速过滤如线（恒速过滤如线（2）所示，速）所示，速率恒定，过滤压力不断提高；率恒定，过滤压力不断提高；线（线（5）为系统阻力，包括过）为系统阻力，包括过滤系统管道阻力和滤饼阻力；滤系统管道阻力和滤饼阻力；变压变速过滤，当管道阻力变压变

46、速过滤，当管道阻力滤饼阻力时，则变压变速过滤滤饼阻力时，则变压变速过滤趋向于恒压过滤，如线（趋向于恒压过滤，如线（3）所示）所示；当管道阻力；当管道阻力滤饼阻力时，则滤饼阻力时，则过滤压力和过滤速率变化明显，过滤压力和过滤速率变化明显，如线（如线（4）所示。）所示。（3）（4）（5）（2）（1）压力压力速率速率 在工业应用实际中采用哪种操作方式？恒压？恒速？在工业应用实际中采用哪种操作方式？恒压？恒速？先恒速后恒压？先恒压后恒速？先恒速后恒压？先恒压后恒速？e01VVcrpAAddVus m m crk01m m 令令，k与滤液性质、悬浮液浓度、温度等有关与滤液性质、悬浮液浓度、温度等有关sp

47、kK 12 K称为过滤常数，称为过滤常数，m2/s，与滤液性质、悬浮液浓度、温，与滤液性质、悬浮液浓度、温度、过滤压力、压缩性指数等因素有关；对一定的悬浮液度、过滤压力、压缩性指数等因素有关；对一定的悬浮液在恒压条件下过滤，压力差、滤液粘度、悬浮液浓度、滤在恒压条件下过滤，压力差、滤液粘度、悬浮液浓度、滤饼比阻、压缩性指数等为常数，即为常数，那么过滤基本饼比阻、压缩性指数等为常数，即为常数，那么过滤基本方程为：方程为：e22VVKAddVu e22VVKAddVu ee2e2eeV VVVVdVKAd ee020e2 dKAdVVVV e为过滤得到滤液量为过滤得到滤液量Ve所花的时间，它与所花

48、的时间，它与Ve一样是虚拟一样是虚拟量（反映过滤介质阻力的大小），积分上式量（反映过滤介质阻力的大小），积分上式 e22e KAVVe22e KAV 2e22KAVVV 当过滤介质阻力与滤饼阻力相比较小可以忽略，当过滤介质阻力与滤饼阻力相比较小可以忽略，Le=0、Ve=0、e=0时，时，22KAV 令令AVq 单位过滤面积上所得到的滤液量，单位过滤面积上所得到的滤液量，m3/m2；AVqee e2e Kqqe2e Kq Kqqq e22过滤介质阻力不可忽略过滤介质阻力不可忽略过滤介质阻力可忽略过滤介质阻力可忽略 Kq 25 过滤参数的测定过滤参数的测定（1）过滤常数（）过滤常数（Filtrat

49、ion constant）的测定）的测定 过滤常数与过滤体系、操作条件有关，通常由恒压过滤过滤常数与过滤体系、操作条件有关，通常由恒压过滤实验测定；其测定方法主要有两种。实验测定；其测定方法主要有两种。微分法微分法：e22VVKAddV e2qqKddq e22qKqKdqd q 用用近似代替近似代替 dqd e22qKqKq q积分法：积分法：2e22KAVVV Kqqq e22e21qKqKq 注意：注意：在实验测定过程中微分法测定的是一定时间段内时间在实验测定过程中微分法测定的是一定时间段内时间、滤液量的变化量，而积分法是测定实验过程中某时刻滤液、滤液量的变化量，而积分法是测定实验过程中

50、某时刻滤液的总量；微分法在理论上做了近似不如积分法准确；的总量；微分法在理论上做了近似不如积分法准确；在实验过程中要保证最终得到的关系线为直线，也就在实验过程中要保证最终得到的关系线为直线，也就是过滤常数恒定，必须注意哪些问题？是过滤常数恒定，必须注意哪些问题？保证保证、r、c、s、p等参数即悬浮液体系、温度、浓度等参数即悬浮液体系、温度、浓度、过滤方式、过滤介质、过滤压力等在过滤过程中维持恒定、过滤方式、过滤介质、过滤压力等在过滤过程中维持恒定；过滤常数是在一定过滤压力下测定的，它能否用于其过滤常数是在一定过滤压力下测定的，它能否用于其他过滤压力的计算呢？他过滤压力的计算呢？crpKs012

51、m m sppcrcrKK 100m mm m若比阻若比阻r与参数与参数c没有变化则没有变化则 sppKK 1m mm m若为不可压缩滤饼则若为不可压缩滤饼则 ppKK m mm m 滤饼多具有可压缩性，且实验条件往往与实际操作条件滤饼多具有可压缩性，且实验条件往往与实际操作条件不同如悬浮液的浓度、温度、压力等等，所以要将实验测定不同如悬浮液的浓度、温度、压力等等，所以要将实验测定的过滤常数应用于实际生产，必须利用以上各式进行校正；的过滤常数应用于实际生产，必须利用以上各式进行校正；但校正前必须确定压缩性指数但校正前必须确定压缩性指数s。（2）压缩性指数（）压缩性指数（Compressibil

52、ity coefficient）的测定）的测定 spkK 12 kpsK2loglog1log 【例例3-5】一台板框压滤机的过滤面积为0.2m2，在表压150kpa下以恒压操作方式过滤某一悬浮液。2小时后得滤液40m3,已知滤渣不可压缩，过滤介质阻力忽略。求：若其它情况不变，而过滤面积加倍，可得滤液多少？若表压加倍，2小时后可得滤液多少？若其它情况不变，将操作时间缩短为1小时，所得滤液多少？分析：由于过滤介质阻力忽略，所以选用公式：V2=KA2 1、过滤面积加倍，则2、表压加倍，则 3、过滤时间缩短为1小时，则3/280V VA AVVm2PKr Lm23(/)/256.6V VK KVVm

53、23(/)/0.528.3V VVVm【例例3-6】在实验室用一片过滤面积为0.1m2的滤叶对某种颗粒在水中悬浮液进行实验，过滤压强差为500mmHg,过滤5分钟得滤液1升，又过滤5分钟得滤液0.6升，若再过滤5分钟，可得滤液多少升？分析：已知两组滤液体积和时间，求另一组过滤时间下的体积，则选用公式：V2+2VVe=KA2 注意 V、的含义3 2323 232(10)2 100.15 60(1.6 10)2 1.6 100.110 60VeKVeK 471 041 0V eK24722104 100.115 60VVV 实际滤液量为：VL提高过滤生产能力的措施 助滤剂：改变滤饼结构，使之较为疏

54、松且不被压缩，则可提高过滤与洗涤速率。絮凝剂：使分散的细颗粒凝聚成团从而更容易过滤。流动或机械搅动：限制滤饼厚度的增长，或者借用离心力使滤饼在带锥度的转鼓中自动移动等动态过滤技术，也可以有效地提高过滤速率增大过滤面积、提高转速、缩短辅助操作时间、改善过滤特性以提高过滤和洗涤速率。四、四、过滤设备过滤设备1、主要部件-尾板，滤框，滤板，主梁，头板，压轴装置2、装合-1-2-3-2-1，所需杠数由生产能力和悬浮液浓度决定。1-非洗板 2-框 3-洗板3、操作循环-装合，过滤，洗涤，卸渣，整理(一)板框过滤机(间歇过滤机间歇过滤机)优点：结构简单、价格低廉、占地面积小、过滤面积大。可调节过滤能力，对

55、物料适应能力较强。生产能力低，劳动强度大，只适用于小规模生产(二)转筒真空过滤机(连续过滤机连续过滤机)构造：主体为一转筒，转筒表面有一层金属网，网上覆盖滤布，筒的一部分浸入滤浆槽中，如图示。沿转筒的周边用隔板分成若干小过滤室，每室单独与转筒转动盘上的孔相通。转动盘与安装在支架上的固定盘之间的接触面，用弹簧力紧密配合，保持密封。固定盘表面上有三个长短不等的圆弧凹槽，一端与转动盘的小孔连接，另一端分别与滤液排出管(真空)、洗水排出管(真空)和压缩空气管相接。因此转动盘与固定盘的这种配合，使得转筒内的过滤小室分别依次与滤液排出管、洗液排出管和压缩空气管连通。一般将转动盘与固定盘合称为分配头。转动盘

56、转动盘固定盘固定盘14 吸干区吸干区 g 通道通道15 不工作区不工作区 没有通道没有通道1617 吹松及卸料区吹松及卸料区 h 通道通道 18 不工作区不工作区17 过滤区过滤区 f 通道通道810 吸干区吸干区 f 通道通道11 不工作区不工作区 没有通道没有通道1213 洗涤区洗涤区 g通道通道操作：藉分配头的作用，转筒旋转一周时各小室可依次进行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸渣等项操作，而整个转筒上在任何时候都在不同的部位同时进行过滤、洗涤、吸干、卸渣的操作。固定盘上的三个圆弧凹槽之间留有一定距离，以防转筒上操作区域过渡时互相串通，刮刀固定在滤浆槽之上，与滤布相贴。特性：过滤面积一般为540

57、m2，转筒浸没部分占总面积的3040%，转速可调通常在0.13rpm，滤饼厚度在1040mm之间，含水量1030%。特点：连续自动操作，节省人力，生产能力大，适用处理量大、易过滤悬浮液的分离附属设备多，投资费用高，过滤面积小，推动力有限，滤浆温度不能过高，洗涤不够充分，对滤浆的适应能力差，不适于难过滤的物系。本章小结一、基本概念1.均相物系与非均相物系2.分散相与连续相3.沉降与过滤4.虑饼过滤与深层过滤5.可压缩过滤与不可压缩过滤6.过滤介质与助滤剂二、重力沉降1.沉降速度2.求解ut的方法试差法3.重力沉降设备降尘室：沉降设备三、离心沉降1.沉降速度2.离心沉降设备旋风分离器vtc12O1

58、1i2ipi1i2qu BL9 BdC-CCC-CC2es iiNuupm 结构与工作原理处理量：临界粒径：总效率：性能分离效率：分效率：压强降：选用：据处理量或压强降计算尺寸校核四、过滤1.过滤基本方程式2.恒压过滤121()s0()sesedVA puAdrc VVdVApdrc VVmm不可压缩滤饼：以绝对滤液量为基准以相对滤液量为基准(V+Ve)2=KA2(e)V2+2VeV=KA2e Ve=KA2e(q+qe)2=K(e)q2+2qeq=Ke qe=Ke过滤介质阻力忽略V2=KA2q2=K3.、过滤常数的测定.4、过滤设备板框压滤机转筒真空过滤机方程求解据应：不同压强差下计算对方程式

59、求解时的滤液体积，据恒压不同过滤时间：在恒压条件下，测定、s-1eeep2kKK,SVqK【例例】有一玉米淀粉水悬浮液，温度20，淀粉颗粒平均直径为15m，淀粉颗粒吸水后的密度为1020kg ，试求颗粒的沉降速度。3m解：先假定沉降在层流区进行，故可以用式（）计算，即 2()18pptdgum已知：631515 10,1020ppdmmkg mm查出20的水的 sPamkg3310005.1,2.998m将各值代入上式得：163261066.2807.910005.118)2.9981020()1015(smut检验Re值 665315 102.66 10998.23.96 1011.005

60、10ptetd uRm计算结果表明，与假设相符，故算得的 161066.2smut正确。【例例3-2】有一温度为25的水悬浮液，其中固体颗粒的密度为1400kg/m3，现测得其沉降速度为0.01 m/s ，试求固体颗粒的直径。解：先假设粒子在滞流区沉降，故故可以用式（）求出其直径，即：1218()tppudgm已知：130.01,1400tpum skg m查出25水的密度 3997mkg粘度 sPa3108937.0m将各值代入上式得：134218 0.8937 100.012.02 10(1400 997)9.807pdm检验Re值 432.02 100.01 9972.25 10.893

61、7 10p ted uRm将已知值代入得：0.6(1400997)9.810.010.27(2.25)997pd解出：42.13 10pdm检验Re值 432.13 100.01 9972.370.8937 10pted uRm计算结果表明，重设正确（即属于过渡区沉降），故粒子直径为2.1310-4m 0.6()0.27pptedguR从计算结果可知，与原假设不符，故重设固体颗粒在过渡区沉降，即应用式（）求解思考题思考题多层沉降室和旋风分离器组设计的依据是什么？答：（1）多层沉降室设计的依据是沉降室生产能力的表达式，即qv=Blut根据此式，qv与设备高度无关，而只是底面积BL和ut的函数。对指定的颗粒，在设备总高度不变条件下，设备n层水平隔板，即使底面积增加nbl倍，从而使生产能力达到原来的（n1）倍。如果生产能力保持不变，多层降尘室可使更小的颗粒得以分离，提高除尘效率。（2）旋风分离组设计的依据是临界粒径定义式，即 当颗粒尺寸及介质被指定之后，B的减小可使dc降低，即分离效果提高。B和旋风分离器的直径成一定比例。在要求生产能力比较大时，采用若干个小旋风分离器，在保证生产能力前提下，提高了除尘效果。