1、1/70,第二章 沉降與過濾,分離,-篩分、沉降、過濾,2/70,按形成過程的不同，氣態(tài)非均相物系可分成：,機(jī)械分散系： 凝結(jié)分散系：,按形成過程的不同，液態(tài)非均相物系可分成：,懸浮液,乳濁液,泡沫液,3/70,工業(yè)上常需要對(duì)非均相物系進(jìn)行分離目的,1）回收有用的分散物質(zhì) 2）凈化（精制）分散介質(zhì) 3）勞動(dòng)保護(hù)和環(huán)境衛(wèi)生的需要為了保護(hù)人類生態(tài)環(huán)境，要求排放的廢氣或廢液濃度達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)；很多含碳物質(zhì)及金屬細(xì)粉與空氣形成爆炸物，必須除去這些物質(zhì)以消除隱患。要求其含固量達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，以防止對(duì)大氣、河流湖泊等水體的污染。,4/70,第二節(jié) 顆粒沉降的阻力,顆粒是指用有一定質(zhì)量和形狀、和環(huán)境具有明顯邊界

2、的獨(dú)立物系?？煞治⒂^顆粒和宏觀顆粒顆粒，即使宏觀意義上的亦種類繁多。本章所涉及的顆粒主要指宏觀上的固體顆粒和液體顆粒。,顆粒及顆粒（群）的性質(zhì),5/70,一、顆粒的特性,大?。剑?形狀,表面積,球形顆粒,非球形顆粒,直徑d,當(dāng)量直徑，如體積當(dāng)量直徑 de,球形度,6/70,非球形顆粒：工業(yè)上遇到的固體顆粒大多是非球形顆粒，常用顆粒的當(dāng)量直徑和球形度表示其特性。 (1)體積當(dāng)量直徑：與實(shí)際顆粒體積相等的球形顆粒的直徑定義為非球形顆粒的當(dāng)量直徑。即： (2)表面積當(dāng)量直徑：表面積等于實(shí)際顆粒表面積的球形顆粒的直徑定義為非球形顆粒的表面積當(dāng)量直徑。即： (3)比表面積當(dāng)量直徑:比表面積等于實(shí)際顆

3、料比表面積的球形顆粒的直徑定義為非球形顆粒的比表面積當(dāng)量直徑。即： (4)形狀系數(shù)：亦稱球形度，用于表征顆粒的形狀與球形的差異程度。它定義為體積與實(shí)際顆粒相等時(shí)球形顆粒表面積與實(shí)際顆粒的表面積之比，即：,7/70,第二節(jié) 顆粒沉降的阻力,二、顆粒群的特性,粒度分布,-頻率分布曲線（見下圖）、累計(jì)分布曲線(如圖3-1所示)。,頻率分布曲線,8/70,二、顆粒群的特性,平均直徑,表面積平均直徑,-每個(gè)顆粒平均表面積等于全部顆粒的表面積之 和除以顆粒的總數(shù),長度平均直徑,體積平均直徑,-每個(gè)顆粒平均體積等于全部顆粒的體積之 和除以顆粒的總數(shù),體積表面積平均直徑,-每個(gè)顆粒的平均比表面積等于全部顆粒的

4、 比表面積平均值,9/70,二、顆粒群的特性,顆粒的密度 單位體積內(nèi)粒子的質(zhì)量稱為密度，kg/m3。若粒子體積不包括顆粒之間的空隙，稱為粒子的真密度，以 表示。若粒子體積包括顆粒之間的空隙，稱為粒子的堆積密度或表觀密度，以 表示。 顆粒的空隙率和相互影響 將顆粒群中的空隙所占的比率稱為空隙率。,10/70,顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻力,流體流過顆粒時(shí)的運(yùn)動(dòng)阻力,流體的流動(dòng)方向和速度都沿圓柱周邊而變化，流體在A 點(diǎn)受壁面阻滯，速度為為零,全部動(dòng)能變?yōu)閴毫δ埽蚨酥車鷫毫Ω叨沽黧w沿圓柱表面流過，在AB范圍，水流收縮，流線漸密，即從A到B流速逐漸增加，壓力逐漸減小，在B點(diǎn)處壓力最低，流速達(dá)到最大，過

5、B 點(diǎn)后，水流擴(kuò)散，流線漸稀而流速漸減，壓力又逐漸增加。,11/70,顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻力,邊界層分離,-如圖，當(dāng)流體流過非流線型物體時(shí)會(huì)發(fā) 生邊界層脫離壁面的現(xiàn)象，稱為,12/70,顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻力,S點(diǎn)下游的流體在逆壓作用下將倒流回來，它們?cè)趤砹鞯臎_擊下，就在點(diǎn)S附近形成明顯的旋渦，這旋渦象楔子一樣將邊界層與物面分離開來，就是邊界層分離 。,A,D,S,壓力逐漸減小,壓力逐漸增大,邊界層,當(dāng)流到點(diǎn)S時(shí)，速度減為零。,13/70,第三節(jié) 重力沉降,一、沉降原理,1、自由沉降,極短，通?？梢院雎?該段的顆粒運(yùn)動(dòng)速度稱為沉降速度，用u0表示。,顆粒在流體中沉降時(shí)受力,-單個(gè)顆粒在無限

6、流體 中的降落過程,重力沉降速度：以球形顆粒為例,14/70,1、自由沉降,10-475m以上顆粒,-用于除去510m 顆粒,20/70,1重力沉降設(shè)備,降塵室,則表明，該顆粒能在降塵室中除去。,思考1：為什么氣體進(jìn)入降塵室后，流通截面積要擴(kuò)大？,思考2：為什么降塵室要做成扁平的？,結(jié)構(gòu)：,除塵原理：,為了增大停留時(shí)間。,21/70,降塵室,思考3：要想使某一粒度的顆粒在降塵室中被100%除去，必須滿足什么條件？,思考4：能夠被100%除去的最小顆粒，必須滿足什么條件？,22/70,降塵室,思考5：為什么降塵室要做成扁平的？,可見，降塵室最大處理量與底面積、沉降速度有關(guān),而與降塵室高度無關(guān)。

7、故降塵室多做成扁平的。,注意! 降塵室內(nèi)氣體流速不應(yīng)過高，以免將已沉降下來的顆粒重新?lián)P起。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，多數(shù)灰塵的分離，可取u3m/s，較易揚(yáng)起灰塵的，可取u1.5m/s。,最大處理量-能夠除去最小顆粒時(shí)的氣體流量Vs,23/70,降塵室,降塵室優(yōu)、缺點(diǎn),結(jié)構(gòu)簡單， 設(shè)備龐大、效率低 只適用于分離粗顆粒(直徑75m以上)，或作為預(yù)分離設(shè)備。,作業(yè)：54頁4題,24/70,增稠器（沉降槽）,請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫,結(jié)構(gòu)：,除塵原理：,用于分離出液-固混合物,與降塵室一樣，沉降槽的生產(chǎn)能力是由截面積來保證的，與其高度無關(guān)。故沉降槽多為扁平狀。,與降塵室相同,25/70,增稠器（沉降槽）,屬于干擾沉降 愈往下沉

8、降速度愈慢-愈往下顆粒濃度愈高，其表觀粘度愈大，對(duì)沉降的干擾、阻力便愈大； 沉降很快的大顆粒又會(huì)把沉降慢的小顆粒向下拉，結(jié)果小顆粒被加速而大顆粒則變慢。 有時(shí)顆粒又會(huì)相互聚結(jié)成棉絮狀整團(tuán)往下沉，這稱為絮凝現(xiàn)象，使沉降加快。 這種過程中的沉降速度難以進(jìn)行理論計(jì)算，通常要由實(shí)驗(yàn)決定。 因固-液密度相差不是很懸殊，故較難分離，因此，連續(xù)沉降槽的直徑可以大到100 m以上，高度卻都在幾米以內(nèi)。,特點(diǎn)：,請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫,26/70,第四節(jié) 離心沉降,離心沉降速度,對(duì)照重力場,離心加速度ar=2r=ur2/r不是常量 沉降過程沒有勻速段，但在小顆粒沉降時(shí)，加速度很小，可近似作為勻速沉降處理,顆粒受力：,類

9、似重力沉降速度推導(dǎo)，得：,27/70,Rer=dur/ 1或2 層流區(qū),對(duì)照重力場,數(shù)值約為幾千幾萬,-離心分離因數(shù),28/70,2離心沉降設(shè)備,旋風(fēng)分離器：,請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫,結(jié)構(gòu)：,除塵原理：,含塵氣體以切線方向進(jìn)入，速度為1225 ms-1，按螺旋形路線向器底旋轉(zhuǎn)，接近底部后轉(zhuǎn)而向上，成為氣芯，然后從頂部的中央排氣管排出。氣流中所夾帶的塵粒在隨氣流旋轉(zhuǎn)的過程中逐漸趨向器壁，碰到器壁后落下，自錐形底落入灰斗（未繪出）。,上部為圓筒形，下部為圓錐形。,29/70,旋風(fēng)分離器,旋風(fēng)除塵器內(nèi)的氣流及顆粒運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，對(duì)于顆粒的分離捕集機(jī)理不得不作出許多簡化假設(shè)，從而形成各種不同的分離機(jī)理模型。主要

10、有轉(zhuǎn)圈理論、平衡歸理論和邊界層理論。,30/70,旋風(fēng)分離器,能夠從分離器內(nèi)100%分離出來的最小顆粒的直徑，用d表示。其滿足：,假設(shè)顆粒沉降過程中所穿過的氣流的最大 厚度等于進(jìn)氣口寬度B；,假設(shè)顆粒沉降服從斯托克斯公式。,ui,ui,臨界粒徑,31/70,旋風(fēng)分離器,結(jié)論：旋風(fēng)分離器越細(xì)、越長，d越小,n值與進(jìn)口氣速有關(guān)，對(duì)常用形式的旋風(fēng)分離器，風(fēng)速1225 ms-1范圍內(nèi)，一般可取N =34.5，風(fēng)速愈大，N也愈大。,思考：從上式可見，氣體 ，入口b ，氣旋圈數(shù)n ，進(jìn)口氣速u0 ，臨界粒徑越小，why？,32/70,旋風(fēng)分離器,評(píng)價(jià)旋風(fēng)分離器性能的兩個(gè)主要指標(biāo)：,小好，一般在500200

11、0Pa左右,33/70,氣流通過旋風(fēng)分離器時(shí)要有能量損失，壓力損失可用下式計(jì)算：,式中，,為阻力系數(shù)，可按下式計(jì)算：,34/70,旋液分離器,Why?,特點(diǎn)： 與旋風(fēng)分離器相比，直徑小、錐形部分長。,請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫,結(jié)構(gòu)：,返回目錄,35/70,第五節(jié) 過濾,一、概述,過濾按其流體的性質(zhì)分為含塵氣體的過濾操作和懸浮液的 過濾操作。,含塵氣體的過濾操作是指通過含固體顆粒的氣體與多孔性過濾介質(zhì)的接觸，固體顆粒被截留在過濾介質(zhì)上而氣體，從而實(shí)現(xiàn)固氣分離的操作。主要用于產(chǎn)品精制、空氣凈化，如布袋式過濾器。 懸浮液的過濾操作是使懸浮液與多孔性過濾介質(zhì)接觸，并使得固體顆粒被截留在過濾介質(zhì)表面或內(nèi)部而實(shí)現(xiàn)分

12、離的操作。,36/70,第五節(jié) 過濾,一、概述,這種過濾是在過濾介質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行的，介質(zhì)表面無濾餅形成。過濾用的介質(zhì)為粒狀床層或素?zé)ú簧嫌缘模┨沾赏不虬濉?此法適用于從液體中除去很小量的固體微粒，例如飲用水的凈化。,37/70,一、概述,濾漿,濾餅,過濾介質(zhì),濾液,-推動(dòng)力：重力、壓力、離心力,38/70,一、概述,工業(yè)用過濾介質(zhì)主要有： 棉、麻、絲、毛、合成纖維、金屬絲等編織成的濾布。,過濾介質(zhì)：,多孔性介質(zhì)、耐腐蝕、耐熱并具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。,39/70,一、概述,濾餅的壓縮性：,空隙結(jié)構(gòu)易變形的濾餅為可壓縮濾餅。,40/70,一、概述,使用時(shí)，可預(yù)涂，也可以混入待濾的濾漿中一起過濾。 助濾

13、劑能形成結(jié)構(gòu)疏松、而且?guī)缀跏遣豢蓧嚎s的濾餅?？筛纳圃瓰V餅的可壓縮性和過于致密的缺點(diǎn)。,助濾劑：,-是顆粒細(xì)小、粒度分布范圍較窄、堅(jiān)硬而懸浮性好 的顆粒狀或纖維固體，如硅藻土、纖維粉末、活性 炭、石棉。,41/70,濾餅過濾的固體量、濾液量、濾渣量的關(guān)系,濾餅過濾操作是使懸浮液通過過濾介質(zhì)，得到含水很低的濾渣和幾乎不含固體的濾液。 懸浮液的質(zhì)量=濕濾渣的質(zhì)量+濾液的質(zhì)量 濕濾渣的質(zhì)量=干固體的質(zhì)量+水份的質(zhì)量,若干固體密度為 ，,濕渣密度為 ，,濾液密度為 ，,設(shè)懸浮液所含有的干固體質(zhì)量為m，濕濾渣與干固體質(zhì)量之 比為C，單位質(zhì)量懸浮液所含的固體質(zhì)量為X，單位體積濾 液所相對(duì)應(yīng)的固體量為w,42

14、/70,由上面的條件，對(duì)濕濾渣和濕濾渣中的干固體及濕濾渣中含有的水而言，有：,如果知道濕濾渣、干固體、濾液的密度，通過上式，可確 定濕干渣質(zhì)量之比。,單位質(zhì)量懸浮液具有的濕渣量為：,單位質(zhì)量懸浮液具有的濾液量為：,43/70,因此，單位體積濾液所對(duì)應(yīng)的干濾渣量為：,44/70,二、過濾基本方程,-濾液量V過濾時(shí)間的關(guān)系,-即為流速，單位時(shí)間內(nèi)通過單位過濾面積的濾液體積,過濾速度u,濾餅過濾過程中，濾餅逐漸增厚，流動(dòng)阻力也隨之逐漸增大，所以過濾過程屬于不穩(wěn)定的流動(dòng)過程。故,A,45/70,二、過濾基本方程,-濾液量V過濾時(shí)間的關(guān)系,(1)細(xì)管長度l與床層高度L成正比 (2)細(xì)管的內(nèi)表面積等于全部

15、顆粒的表面積， 流體的流動(dòng)空間等于床層中顆粒之間的全部空隙體積。,1、過濾基本方程的推導(dǎo),簡化模型：假定：,真實(shí)速度,u,顆粒的比表面積,46/70,二、過濾基本方程,-濾液量V過濾時(shí)間的關(guān)系,濾餅內(nèi)，雷諾數(shù)很小，屬層流流動(dòng)，,-哈根-泊謖葉方程,l、de表達(dá)式（見上頁）,由質(zhì)量守恒得：,A,47/70,二、過濾基本方程,-濾液量V過濾時(shí)間的關(guān)系,思考：影響過濾阻力的因素有哪些？ 影響過濾速度的因素有哪些？,48/70,二、過濾基本方程,-濾液量V過濾時(shí)間的關(guān)系,設(shè)每獲得單位體積濾液時(shí)，被截留在過濾介質(zhì)上的濾餅體積為w（m3濾餅/m3濾液），則,令,濾餅,濾液,1,c,思考：濾餅中全是固體物嗎

16、？,壓縮指數(shù) 0a1（可壓縮濾餅）a=0（不可壓縮濾餅）,49/70,二、過濾基本方程,-過濾基本方程,過濾常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)測定,思考：影響K的因素有哪些？ 影響Ve或qe的因素有哪些？,-濾液量V過濾時(shí)間的關(guān)系,50/70,二、過濾基本方程,-濾液量V過濾時(shí)間的關(guān)系,51/70,二、過濾基本方程,-濾液量V過濾時(shí)間的關(guān)系,2、恒壓過濾,特點(diǎn)：,K為常數(shù),積分得：,或,若過濾介質(zhì)阻力可忽略不計(jì)，則,或,，過濾速度愈來愈小。,52/70,三、過濾常數(shù)的測定,恒壓時(shí)：,logplogK作圖求出壓縮指數(shù)s,/qq圖,53/70,四、濾餅洗滌,洗滌阻力與哪些因素有關(guān)？,與濾餅厚度、濾餅性質(zhì)、 洗滌液粘度、

17、介質(zhì)阻力有關(guān),推動(dòng)力、阻力不變 洗滌速度為常數(shù)。,思考：洗滌過程與過濾過程的有何異同？,54/70,四、濾餅洗滌,若推動(dòng)力相同，則：,洗滌速度與過濾終了速度的關(guān)系?,55/70,五、過濾設(shè)備及過濾計(jì)算,過濾設(shè)備,56/70,五、過濾設(shè)備及過濾計(jì)算,1、板框壓濾機(jī),濾框、濾板,結(jié)構(gòu)：,1060塊不等， 過濾面積約為280m2,請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫,濾框和濾板的左上角與右上角均有孔。,請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫,57/70,1、板框壓濾機(jī),一個(gè)操作循環(huán)：,過濾,洗滌,卸渣、整理重裝,思考：對(duì)板框壓濾機(jī)，下式中V、Ve、A怎么取值？半個(gè)框的？一個(gè)框的？還是N個(gè)框的？,均可。,58/70,1、板框壓濾機(jī),屬間歇式,特點(diǎn)

18、：,橫穿洗滌：Lw=2L， Aw=A/2,59/70,1、板框壓濾機(jī),生產(chǎn)能力：,操作周期：,單位時(shí)間內(nèi)獲得的濾液量或?yàn)V餅量 。,其中：,60/70,2、葉濾機(jī),屬間歇式,置換洗滌：Lw=L ，Aw=A,濾葉,一個(gè)操作循環(huán)：,過濾、洗滌、卸渣、整理重裝,特點(diǎn)：,結(jié)構(gòu)：,請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫,思考：對(duì)葉濾機(jī)，下式中V、Ve、A怎么取值？一個(gè)濾葉的？還是N個(gè)的？,均可。,61/70,2、葉濾機(jī),操作周期：,與板框機(jī)相同,生產(chǎn)能力：,與板框機(jī)類似,62/70,3、轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī),置換洗滌：Lw=L ，Aw=A,屬連續(xù)式,過濾、洗滌、吹松、刮渣,轉(zhuǎn)筒-筒的側(cè)壁上覆蓋有金屬網(wǎng)，長、徑之比約為1/22， 濾布-

19、蒙在筒外壁上。 分配頭-轉(zhuǎn)動(dòng)盤、固定盤,浸沒于濾漿中的過濾面積約占全部面積的3040% 轉(zhuǎn)速為0.1至23（轉(zhuǎn)/分）,一個(gè)操作循環(huán)：,特點(diǎn)：,結(jié)構(gòu)：,請(qǐng)點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫,63/70,3、轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī),其中：,操作周期：,生產(chǎn)能力：,思考：對(duì)轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)，上式中V、Ve、A、 怎么取值？按過濾區(qū)？還是按整個(gè)轉(zhuǎn)筒？,均可。 按整個(gè)轉(zhuǎn)筒取：V，Ve，A，= T 按過濾區(qū)?。?V， Ve， A，= T,浸沒分?jǐn)?shù)（轉(zhuǎn)筒浸入面積占全部轉(zhuǎn)筒面積的分率）,64/70,3、轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī),若介質(zhì)阻力忽略不計(jì)，則,65/70,66/70,67/70,習(xí)題課,【例】 某板框過濾機(jī)有5個(gè)濾框，框的尺寸為635635 25mm。過濾操作在20、恒定壓差下進(jìn)行，過濾常數(shù)K=4.2410-5m2/s，qe=0.0201m3/m2，濾餅體積與濾液體積之比=0.08 m3/m3，濾餅不洗滌，卸渣、重整等輔助時(shí)間為10分鐘。試求框全充滿所需