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第 四 章

第 四 章. 沉 降 与 过 滤. Settling and Filtration. 第一节 重力沉降. 第二节 过 滤. 第三节 离心分离. 第一节 重力沉降. 4-1 颗粒在流体中的运动. 4.1A 颗粒与流体相对运动时所受的力. 4.1B 沉降速度. 4-2 悬浮液的重力沉降. 4.2A 间歇式沉降器. 4.2B 半连续式沉降器. 4.2C 连续式沉降器. 4-3 气溶胶的重力沉降. 4.3A 立式沉降室. 4.3B 卧式沉降室. 由地球引力作用而产生的分散质颗粒沉降过程，

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第 四 章

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Presentation Transcript

  1. 第 四 章 沉 降 与 过 滤 Settling and Filtration 第一节 重力沉降 第二节 过 滤 第三节离心分离

  2. 第一节 重力沉降 4-1 颗粒在流体中的运动 4.1A 颗粒与流体相对运动时所受的力 4.1B 沉降速度 4-2 悬浮液的重力沉降 4.2A 间歇式沉降器 4.2B 半连续式沉降器 4.2C 连续式沉降器 4-3 气溶胶的重力沉降 4.3A 立式沉降室 4.3B 卧式沉降室

  3. 由地球引力作用而产生的分散质颗粒沉降过程，由地球引力作用而产生的分散质颗粒沉降过程， 称为重力沉降（gravity settling） 4-1 颗粒在流体中的运动 4.1A颗粒与流体相对运动时所受的力 流体绕过球形体的运动 理想流体绕流 实际流体绕流 实际流体有黏度,对颗粒会产生曳力（drag force）

  4. 层流时曳力 令 称修正雷诺数 为球形颗粒投影面积，m2 称为阻力因数 非层流时，ζ～Rep 关系可实验求得

  5. （1）层流区 （Stockes区） （Rep<1） （2）过渡区 （Allen区） （1< Rep<500） Rep （3）湍流区（500< Rep<1.5×105）， Newton区

  6. 4.1B沉降速度 1.球形颗粒的自由沉降（ free settling） 颗粒受向下重力Fg，向上浮力Fb,向上阻力Fd 三 力平衡： Fb Fd Fg 这是球形颗粒自由沉降速度的一般公式

  7. (1) 层流区的Stokes定律： (2) 过渡区的Allen定律： (3)湍流区的Newton 定律：

  8. 2.沉降速度的求算 ? u0←ζ ←Rep ←u0 (1)试差法 先假定u01→ Rep→ ζ→ u02 (2)复验法 再代入Rep式求Rep复验 先假定流型区域→ u0 (3)直接法 K 2.62 43.6 层流区 过渡区 湍流区

  9. 4-2 悬浮液的重力沉降 4.2A间歇式沉降器 沉降器的生产 能力qv

  10. 4.2B半连续式沉降器 1．临界流速 Fd=Ff 对应的uL即为临界流速uc

  11. 应使 uL< uc 2.沉降器尺寸 3.生产能力

  12. 4.2C连续式沉降器 分离条件为： u1 设：qm－料液中固 体的质量流量, kgs/s C0－料液中清液含量, kgL/kgs CR－增浓液的清液含量, kgL/kgs （1）清液流量

  13. （2）清液向上流速 （3） 沉降面积A0 由连续沉降条件： （4）生产能力

  14. 4-3 气溶胶的重力沉降 4.3A立式沉降室 u1<< u0 圆筒部分直径： 圆筒部分高度：H1=(1.0~2.0)D

  15. 降尘室用水平隔板分为N层， dc 降至原 4.3B卧式沉降室 必要条件： 临界粒径 dc ：恰能100％沉降分离的颗粒粒径

  16. 例（习题4，p.147）O/W混合物，滴径0.05mm,油水 质量比1：4。温度38℃，料液流量2t/h,油的相对密度 为0.9，求沉降槽的沉降面积。（符Stokes定律） dp = 5×10-5m 解 μw = 0.691×10-3Pa·s 查38℃水： ρw = 993 kg/m3 则油滴ρo = 1000×0.9 = 900kg/m3 = -1.96×10-4 m/s (上浮) 2.29 m2

  17. 4-4 过滤的基本概念 4-5过滤的基本理论 4.5A 过滤基本方程 4.5B 恒压过滤和恒速过滤 4-6 过滤设备 4.6A 板框压滤机 4.6B 转鼓真空过滤机 4.6C 袋滤器 第二节 过 滤 使含固体颗粒的非均匀混合物通过多孔性介质 分离出固体颗粒的单元操作，称为过滤（filtration）

  18. 4-4 过滤的基本概念 1.过滤操作概念 过滤介质 （filtration medium） 滤浆 (slurry) 滤饼（filter cake） 滤液（filtrate） 2.两种过滤方式 (1) 深床过滤 （deep bed filtration） (2) 滤饼过滤 （cake filtration） 开始有架桥现象

  19. 3.过滤的推动力和阻力 过滤推动力是上下游的压力差Δp 过滤按其推动力的来源分四类： （1）重力过滤 一般 Δp<50kPa （2）加压过滤Δp可达 500kPa （3）真空过滤 一般 Δp<85kPa （4）离心过滤Δp可↑103～104倍 4.过滤的程序 （1）过滤阶段 （3）滤饼脱湿 （2）滤饼洗涤 （4）滤饼卸除

  20. 5.过滤介质 基本要求： （1）多孔性结构 （2）足够的机械强度 （3）适当的表面特性 工业上常用过滤介质分类 （1）织物介质 （2）粒状介质 （3）多孔固体介质 6.助滤剂（filter aid） 为↑滤速而预覆于滤布上或混入滤浆中的物质 如硅藻土、珍珠岩粉、炭粉等

  21. 4-5过滤的基本理论 4.5A过滤基本方程 1. 过滤速度与滤饼阻力 Poiseuille方程 过滤速度： 令： 则有：

  22. 2.过滤速度与介质阻力 设：Le－过滤介质的当量厚度 3.过滤基本方程 令： 为了减少变量，寻找V~L关系

  23. 设： x—获得单位体积滤液所形成干滤饼的质量 写成等式： L=K〞xV/A 令：r = K〞r′,则可得 过滤基本方程： 式中：Ve—过滤介质的当量滤液体积 r—滤饼比阻,m/kg 若滤饼是可压缩的， s：0～1 s—滤饼的压缩性指数

  24. 本 次 习 题 p.147～148 2 3

  25. 4.5B恒压过滤和恒速过滤 以过滤表压力 p代替压力差Δp 代入 令：

  26. 1．恒压过滤 忽略过滤介质阻力，Ve= 0 2. 恒速过滤 忽略过滤介质阻力，Ve= 0

  27. 例（习题8,p.148）p = 100kPa下果汁过滤，s = 0.6 第1h得V = 2500L。若第1h得V = 3500L，p = ?（忽略 介质阻力） 解 (1) t = 1h, V1 = 2.5m3, p1 = 105Pa, s = 0.6 代入式(1)： 得 2kA2 = 0.0625 p2 = 5.38×105 Pa (538kPa)

  28. 4-6 过滤设备 4.6A板框压滤机 （plate-and -frame filter press） 1.构造与工作原理 属间歇式加压过滤设备 由许多交替排列的滤板和滤框组成 2—滤框 3—滤板 7—滤布 8—滤浆入口 9—滤液出口

  29. 过滤板：与洗液通道不通 滤板分两种 洗涤板：与洗液通道相通 过滤时二者作用相同 洗涤时二者作用不同：洗液由洗涤板入 由过滤板出

  30. 横向 滤液通过半厚度滤饼和1层滤布 洗液通过全厚度滤饼和2层滤布

  31. 2.计算 （1）过滤面积 A A=2LBZ（m2） Z—滤框数 （2）滤框内容积 Vz （3）过滤时间 恒压过滤按 恒速过滤按 （4）洗涤时间

  32. 4.6B转鼓真空过滤机 1.构造与工作原理 是工业上应用较广的连续操作过滤机 整个操作周期分为6步，同时在转鼓I~VI的 不同区域进行。 I 过滤区 II 滤液吸干区 III 洗涤区 IV 洗后吸干区 V 吹松卸料区 VI 滤布再生区 分配头

  33. ① I 过滤区 II 滤液吸干区 ② III 洗涤区 IV 洗后吸干区 ③ V 吹松卸料区 ④ VI 滤布再生区 优点：连续化、自动化生产，生产能力大 缺点：过滤推动力较小，能耗较大

  34. 2.计算 （1）浸液率 α 旋转一周的有效过滤时间： n—转鼓转速，r /s （2）生产能力 V—旋转一周所得滤液 体积，m3 若过滤介质的阻力 忽略不计，则

  35. 4.6C袋滤器 用于气溶胶的固-气分离 滤布面积

  36. 4-7离心分离原理 4.7A 离心分离因数 4.7B 转鼓内液体的表面和压力 4.7C 离心沉降速度 4.7D 乳状液在离心力场中的分离 4-8 过滤式离心机 4-9 沉降式离心机 4-10 分离式离心机 4-11 旋风分离器 4.11A 构造及工作原理 4.11B 旋风分离器的性能 第三节离心分离

  37. 4-7离心分离原理 4.7A离心分离因数 离心力（centrifugal force）： 重力 Fg = mg (N) 离心分离因数（separation factor）： 因 ω = 2πn 则 Kc = 4π2rn2/g Kc：衡量离心机分离能力的尺度

  38. 4.7B转鼓内液体的表面和压力 1.液体表面 b—液面截线在点a处切线与水平线之间的夹角 由力平衡 分离变量积分 ω很大，h0→-∞,即β→90°

  39. 2.液体的压力 距转轴r处厚度为dr 的薄液筒产生的离心力为: 若压力以表压表示，

  40. 4.7C离心沉降速度 离心力Fc , 浮力Fb,阻力Fd,三力达成“平衡”： 离心沉降一般处于Stockes区

  41. 4.7D乳状液在离心力场中的分离 设： —转鼓内轻液体积Vl和重液体积Vh之比 ri—轻重液分层界面半径 溢流堰半径r3选取依据： 挡板上下转鼓壁上的离心压力平衡

  42. 例（习题11，p.148）奶油分离机的排出口半径为例（习题11，p.148）奶油分离机的排出口半径为 50mm和 75mm,脱脂奶密度1030kg/m3,稀奶油密度 870kg/m3，求转鼓内分层界面的半径。 解： = 0.150m

  43. 4-8 过滤式离心机 4.8A间歇操作的过滤式离心机 1.三足式离心机 优点 ●结构简单 ●操作平稳 ●适用范围广 缺点 ▲人工卸料，劳 动强度大 ▲下部驱动,维修 不便,易腐蚀

  44. 2.上悬式离心机 转鼓悬挂在竖直轴上,上 置驱动,上加料,下卸料 优点 ●工作稳定 ●卸渣容易 ●传动部分不易腐蚀 缺点 ▲主轴长，轴承易磨损 ▲人工卸料，劳动强度大

  45. 3.卧式刮刀卸料离心机 自动周期性进料、过滤、 洗渣、刮刀上升卸料、洗网 等操作 优点 ●生产能力大 ●分离洗涤效佳 ●自动化程度高 缺点 ▲震动较大 ▲颗粒易破碎

  46. 4.8B连续操作过滤式离心机 活塞脉冲卸料离心机 同时连续加料、分离、 洗涤、甩干、卸渣等 特点 ●过滤强度大 ●劳动生产率高 ●颗粒破损率小 4.8C过滤式离心机 的生产能力

  47. 4-9 沉降式离心机 4.9A沉降式离心机类型 1.卧式刮刀卸料沉降离心机 转鼓壁无孔,不需滤布,离心沉降 2. 螺旋卸料离心机

  48. 4.9B沉降式离心机的生产能力 1.沉降时间t0 2.生产能力qv 液体在转鼓内的停留时间t 颗粒的沉降分离条件： t0≤ t

  49. 本 次 习 题 p.147～148 6 9 10

  50. 4-10分离式离心机 4.10A管式离心机 要↑n,必↓r2 一般 L/d = 4～8 n = 15000 r/min Kc = 8000～50000 优点 ●分离强度高 ●结构紧凑 ●密封性好 缺点 生产能力低

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