化工原理 第三章 沉降与过滤课件.ppt

第三章 沉降与过滤,第一节 概述,均相物系(honogeneous system): 均相混合物。物系内部各处均匀且无相界面。如溶液和混合气体都是均相物系。,自然界的混合物分为两大类：,非均相物系(non-honogeneous system): 非均相混合物。物系内部有隔开不同相的界面存在，且界面两侧的物料性质有显著差异。如：悬浮液、乳浊液、泡沫液属于液态非均相物系，含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。,1,t课件,分散相： 分散物质。在非均相物系中，处于分散状态的物质。,连续相： 分散介质。包围着分散物质而处于连续状态的流体。,非均相物系由分散相和连续相组成,2,t课件,非均相物系分离：,沉降（重力沉降、离心沉降）过滤,分离的目的：回收分散物质;,2. 净化分散介质。,通常先造成一个两相物系，再用机械分离的方法分离，如蒸馏，萃取等。,均相物系的分离：,3,t课件,沉降：,沉降力场：重力、离心力。,在某种力场的作用下，利用分散物质与分散介质的密度差异，使之发生相对运动而分离的单元操作。,沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。,4,t课件,Fd与颗粒运动的方向相反,当流体相对于静止的固体颗粒流动时，或者固体颗粒在静止流体中移动时，由于流体的粘性，两者之间会产生作用力，这种作用力通常称为曳力（drag force)或阻力。,只要颗粒与流体之间有相对运动，就会产生阻力。,对于一定的颗粒和流体，只要相对运动速度相同，流体对颗粒的阻力就一样。,颗粒相对于流体的运动,5,t课件,流体密度； 流体粘度； dp颗粒的当量直径； A 颗粒在运动方向上的投影面积； u 颗粒与流体相对运动速度。 阻力系数，是雷诺数Re的函数，由实验确定。,颗粒所受的阻力Fd可用下式计算,6,t课件,球形颗粒的阻力系数与雷诺数的关系,7,t课件,层流区（斯托克斯Stokes区，10-4Re2）,注意：其中斯托克斯区的计算式是准确的，其它两个区域的计算式是近似的。,过渡区（艾仑Allen区，2Re500）,湍流区（牛顿Newton区，500Re2*105）,图中曲线大致可分为三个区域，各区域的曲线可分别用不同的计算式表示为：,8,t课件,第二节 重力沉降,一、重力沉降速度,（一）球形颗粒的自由沉降,自由沉降：颗粒浓度低，分散好，沉降过程中 互不碰撞、互不影响。,颗粒下沉,9,t课件,10,t课件,重力沉降速度:也称为终端速度，颗粒受力平衡时， 匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度。,随着颗粒向下沉降，u逐渐增大， 逐渐减少。 当u增到一定数值ut时， =0。颗粒开始作匀速沉降运动。,颗粒的沉降过程分为两个阶段：,加速阶段；匀速阶段。,11,t课件,将不同流动区域的阻力系数分别代入上式，得球形颗粒在各区相应的沉降速度分别为：,层流区（Re2）,过渡区（2Re500）,湍流区（500Re2*105）,ut与dp有关。dp愈大，ut则愈大。层流区与过渡区中，ut还与流体粘度有关。液体粘度约为气体粘度的50倍，故颗粒在液体中的沉降速度比在气体中的小很多。,12,t课件,（二） 沉降速度的计算,假设流体流动类型；计算沉降速度；计算Re，验证与假设是否相符；如果不相符，则转。如果相符，OK !,求沉降速度通常采用试差法。,13,t课件,例：计算直径为98m，密度为3000kg/m3的固体颗粒分别在20的水中的自由沉降速度。,计算Re，核算流型：,假设正确，计算有效。,解：在20的水中： 20水的密度为998.2kg/m3，粘度为1.00510-3 Pas,先设为层流区。,14,t课件,（三）影响沉降速度的其它因素,1.干扰沉降,2. 颗粒形状,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。,15,t课件,1) 颗粒直径dp,应用：啤酒生产，采用絮状酵母，dput，使啤酒易于分离和澄清。均质乳化， dput，使饮料不易分层。加絮凝剂，如水中加明矾。,2) 连续相的粘度：,应用：加酶：清饮料中添加果胶酶，使 ut，易于分离。增稠：浓饮料中添加增稠剂，使 ut，不易分层。加热：,3) 两相密度差( p-)：,影响沉降速度的因素总结(以层流区为例),16,t课件,4) 颗粒形状,在实际沉降中：,非球形颗粒的形状可用球形度s 来描述。,s 球形度；S 颗粒的表面积，m2；Sp 与颗粒体积相等的圆球的表面积，m2。,不同球形度下阻力系数与Re的关系见课本图示，Re中的dp用当量直径de代替。,球形度s越小，阻力系数 越大，但在层流区不明显。ut非球ut球 。对于细微颗粒(d0.5m)，应考虑分子热运动的影响，不能用沉降公式计算ut；沉降公式可用于沉降和上浮等情况。,注意：,17,t课件,6)干扰沉降（hindered settling）： 当非均相物系中的颗粒较多，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降。干扰沉降速度比自由沉降的小。,5) 壁效应 (wall effect) ： 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小，这种影响称为壁效应。,18,t课件,二、降尘室,降尘室：利用重力降分离含尘气体中尘粒的设备。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。,降尘室的示意图,19,t课件,沉降分离条件,假设颗粒运动的水平分速度与气体的流速 u 相同；停留时间L/u沉降时间tH/ ut颗粒分离出来的条件是 L/uH/ut,20,t课件,即：满足L / uH/ut 条件的粒径,当含尘气体的体积流量为qVs时， u= qVs / HW,故与临界粒径dpc相对应的临界沉降速度为,utc=qVs / WL,临界沉降速度utc是流量和面积的函数。,临界粒径dpc（critical particle diameter）：能100除去的最小粒径。,21,t课件,当尘粒的沉降速度小，处于斯托克斯区时，临界粒径为,一定粒径的颗粒，沉降室的生产能力只与与底面积WL和 utc有关，而与H无关。故沉降室应做成扁平形，或在室内均匀设置多层隔板。气速u不能太大，以免干扰颗粒沉降，或把沉下来的尘粒重新卷起。一般u不超过3m/s。,由此可知：,22,t课件,当降尘室用水平隔板分为N层，则每层高度为H/N。水平速度u不变。此时：,尘粒沉降高度为原来的1/N倍；utc降为原来的1/N倍(utc=qVs / bl) ；临界粒径为原来的 倍( )；一般可分离20m以上的颗粒。多层隔板降尘室排灰不方便。,23,t课件,（二）沉降槽（增稠器）1. 悬浮液的沉聚过程,24,t课件,2. 沉降槽（增稠器）,25,t课件,第三节 离心沉降,一、离心沉降速度（一）沉降过程,切向速度 u径向速度 ur,26,t课件,颗粒在离心力场中沉降时，在径向沉降方向上受力分析。,若这三个力达到平衡，则有,颗粒与流体在径向上的相对速度ur,惯性离心力 Fc,阻力 Fd,向心力（浮力） Fb,颗粒在离心力场中的受力分析,27,t课件,注：在一定的条件下，重力沉降速度是一定的，而离心沉降速度随着颗粒在半径方向上的位置不同而变化。,离心沉降速度：颗粒在径向上相对于流体的速度，就是这个位置上的离心沉降速度。,在离心沉降分离中，当颗粒所受的流体阻力处于斯托克斯区，离心沉降速度为:,重力沉降速度为:,28,t课件,层流区（斯托克斯Stokes区，10-4Re2）,过渡区（艾仑Allen区，2Re500）,湍流区（牛顿Newton区，500Re2*105）,29,t课件,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,（二）离心分离因数,离心分离因数（separation factor）Kc：离心力与重力比。 Kc=R2/g,30,t课件,二、 离心沉降设备,（一）旋风分离器1. 结构与工作原理,KC为52500，可分离气体中575m的颗粒。,其结构简单，制造方便；分离效率高；可用于高温含尘气体的分离；,结构：,外圆筒；内圆筒；锥形筒。,31,t课件,含尘气体从圆筒上部长方形切线进口进入。入口气速约为1520m/s。含尘气体沿圆筒内壁作旋转流动。颗粒的离心力较大，被甩向外层，气流在内层。气固得以分离。在圆锥部分，旋转半径缩小而切向速度增大，气流与颗粒作下螺旋运动。在圆锥的底部附近，气流转为上升旋转运动，最后由上部出口管排出；固相沿内壁落入灰斗。,工作过程,32,t课件,标准旋风分离器的尺寸,33,t课件,2. 临界颗粒直径,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,能够100除去的最小粒径。,34,t课件,n旋转圈数,沉降时间：,停留时间：,沉降分离条件：,沉降速度：,35,t课件,临界颗粒直径：,讨论：,所以生产能力较大时，一般采用多个小旋风分离器并联。,36,t课件,3. 气体通过旋风分离器的压力降,一般 p= 0.32 kPa,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:,37,t课件,圆筒直径一般为200800mm，有系列尺寸。进口速度一般为1520m/s。压力损失约为12kPa。分离的颗粒直径约为5 m，dpc50=12 m 。,主要技术参数,38,t课件,例：温度为20，压力为0.101Mpa，流量为2.5m3/s的含尘空气，用标准旋风分离器除尘。粉尘密度为2500kg/m3，试计算临界粒径。并计算压损。,解： 20，0.101Mpa时空气的： =1.21kg/m3，=1.8110-5Pas,1、确定进口气速：ui=20m/s (15-20m/s),2、计算D和b：流量 qV=Aui=Bhu B=D/5,h=3D/5 2.5=(D/5)(3D/5)20 D=1.041m 取 D=1100 mm,旋风分离器的选用,39,t课件,此时,3、 求dpc,40,t课件,4、求p,41,t课件,由于分离器各部分的尺寸都是D的倍数，所以只要进口气速ui相同，不管多大的旋风分离器，其压力损失都相同。,压力损失相同时，小型分离器的B=D/5值较小，则小型分离器的临界粒径较小。,旋风分离器的使用,42,t课件,用若干个小旋风分离器并来代替一个大旋风分离器，可以提高分离效率。,43,t课件,(二) 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不同及密度不同的颗粒进行分级。,44,t课件,悬浮液从圆筒上部的切向进口进入器内，旋转向下流动。,工作过程：,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。,45,t课件,液体的粘度约为气体的50倍，液体的(p-)比气体的小，悬浮液的进口速度也比含尘气体的小，所以同样大小和密度的颗粒，沉降速度远小于含尘气体在旋风分离器中的沉降速度。 要达到同样的临界粒径要求，则旋液分离器的直径要比旋风分离器小很多。,特点,旋液分离器的圆筒直径一般为75300mm。悬浮液进口速度一般为515m/s。压力损失约为50200kPa。分离的颗粒直径约为1040m。,主要技术参数,46,t课件,(三) 沉降式离心机,管式离心机碟式离心机螺旋式离心机,沉降式离心机是利用离心沉降的原理分离悬浮液或乳浊液的机械。,47,t课件,特点：,离心分离因数可达13000，也有高达105的超速离心机。,转鼓内装有三个纵向平板，以使料液迅速达到与转鼓相同的角速度。,适用于于分离乳浊液及含细颗粒的稀悬浮液。,1 管式离心机（tubular-bowl centrifuge）,48,t课件,分离乳浊液的管式离心机操作原理,转鼓由转轴带动旋转。乳浊液由底部进入，在转鼓内从下向上流动过程中，由于两种液体的密度不同而分成内、外两液层。外层为重液层，内层为轻液层。到达顶部后，轻液与重液分别从各自的溢流口排出。,分离悬浮液的管式离心机操作原理,流量Vs为悬浮液从底部进入，悬浮液是由密度为的与密度为p的少量颗粒形成的。假设转鼓内的液体以转鼓的旋转角速度随着转鼓旋转。液体由下向上流动过程中，颗粒由液面r1处沉降到转鼓内表面r2处。凡沉降所需时间小于式等于在转鼓内停留时间的颗粒，均能沉降除去。,49,t课件,分离乳浊液的碟式离心机：碟片上开有小孔。乳浊液通过小孔流到碟片的间隙。在离心力作用下，重液沿着每个碟片的斜面沉降，并向转鼓内壁移动，由重液出口连续排出。而轻液沿着每个碟片的斜面向上移动，汇集后由轻液出口排出。,主要分离乳浊液中轻、重两液相，例如油类脱水、牛乳脱脂等；也可以澄清含少量细小颗粒固体的悬浮液。,澄清悬浮液用的碟式离心沉降机：碟片上不开孔。只有一个清液排出口。沉积在转鼓内壁上的沉渣，间歇排出。只适用于固体颗粒含量很少的悬浮液。当固体颗粒含量较多时，可采用具有喷嘴排渣的碟式离心沉降机，例如淀粉的分离。,2 碟式离心机（disk-bowl centrifuge）,50,t课件,工作原理：,转鼓内有可旋转的螺旋输送器，其转数比转鼓的转数稍低。悬浮液通过螺旋输送器的空心轴进入机内中部。沉积在转鼓壁面渣，被螺旋输送器沿斜面向上推到排出口而排出。澄清液从转鼓另一端溢流出去。,用途：,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，例如催化剂回收。,3 螺旋式离心机（scroll-type centrifuge）,51,t课件,第四节 过 滤,过滤介质: 过滤采用的多孔物质；滤浆或料浆: 所处理的悬浮液；滤液: 通过多孔通道的液体；滤饼或滤渣: 被截留的固体物质。,在外力的作用下，以某种多孔物质为介质，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单元操作。过滤是沉降的后期操作，能耗较低，适合去除大量水分。,52,t课件,滤浆(slurry)：原悬浮液。,滤饼(filter cake)：截留的固体物质。,过滤介质(filtering medium)：多孔物质。,滤液(filterate)：通过多孔通道的液体。,53,t课件,一、悬浮液的过滤,推动力：压力差，离心力，重力阻 力：滤饼、过滤介质阻力,54,t课件,（一）两种过滤方式1. 滤饼过滤,55,t课件,2. 深层过滤,56,t课件,（二）过滤介质,类别： 织物介质 多孔性固体介质 堆积介质 多孔膜：高聚物膜、无机膜,57,t课件,（三）滤饼的可压缩性与助滤剂,不可压缩滤饼：空隙不随压力变化 可压缩滤饼：空隙随压力增加而减小,（四）过滤过程物料衡算,加助滤剂,（1）湿滤渣密度,Ckg湿渣/kg干渣,58,t课件,（2）干渣质量与滤液体积之比,Xkg固体/kg悬浮液,kg干渣/m3滤液,（3）湿渣质量与滤液体积之比,（4）湿渣体积与滤液体积之比,kg湿渣/m3滤液,m3滤饼/m3滤液,59,t课件,二、过滤速率基本方程式,（一）过滤速率,过滤速率：,过滤速度：,设为层流流动,60,t课件,孔道长度,孔道中流速与过滤速度的关系,过滤速度,d,L,61,t课件,令,滤饼的比阻,单位厚度滤饼的阻力；在数值上等于粘度为1Pas的滤液以1m/s的平均流速通过厚度为1m 的滤饼层时所产生的压强降；比阻反映了颗粒特性(形状、尺寸及床层空隙率)对滤液流动的影响；床层空隙率愈小及颗粒比表面a愈大，则床层愈致密，对流体流动的阻滞作用也愈大。,62,t课件,过滤速度,滤饼阻力,过滤介质阻力,v获得单位体积滤液所形成滤饼的体积， m3滤饼/m3滤液；,Ve过滤介质的当量滤液体积，或称虚拟滤液体积，m3。,63,t课件,（二）过滤基本方程,64,t课件,过滤速率,过滤基本方程,则,适用于不可压缩滤饼。,65,t课件,定义：过滤操作在恒定压强下进行时称为恒压过滤。,滤饼不断变厚；阻力逐渐增加；推动力p 恒定；过滤速率逐渐变小。,特点：,三、恒压过滤,66,t课件,K为常数,恒压过滤方程式,（一）滤液体积与过滤时间的关系,恒压过滤方程式中的K 称为过滤常数，由物料特性及过滤压强差决定。,67,t课件,68,t课件,(二) 过滤常数的测定, /qq 为直线关系， 其斜率为 ，截距为,由斜率=1/K，求出K;由截距=2qe/K ，求出qe；,69,t课件,三、过滤设备及操作,（一）板框过滤机,70,t课件,71,t课件,横穿洗涤法,卸渣、清洗、组装,特点：,同部位、不同时间进行不同的操作。,过滤：,洗涤：,滤液排出：明流、暗流,72,t课件,（二）转筒真空过滤机,1.结构与操作,过滤区：14,吹、卸滤渣区： 1112,吸干洗涤区： 510,特点：同时间、不同部位进行不同的操作。,73,t课件,设转筒的转速为N (1/s),操作周期：,浸液率：（浸没分数）,有效过滤时间：,2. 生产能力,74,t课件,恒压过滤：,生产能力：,当过滤介质阻力忽略时:,75,t课件,（三） 离心过滤机,1.悬筐式离心机2.往复活塞推渣离心机3.离心力自动卸渣离心机,76,t课件,