非均相物系分离

null 第三章   非均相物系的分离 重点：过滤和沉降的基本理论、基本方程难点：过滤基本方程的应用、过滤设备 第三章   非均相物系的分离 重点：过滤和沉降的基本理论、基本方程难点：过滤基本方程的应用、过滤设备 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。第一节      概述非均相物系由分散相和连续相组成非均相物系由分散相和连续相组成分散相： 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。null 要实现分离，必须使分散相和连续相之间发生相对运动。因此，非均相物系的分离操作遵循流体力学的基本规律。非均相物系的分离原理： 非均相物系分离的理论基础：根据两相物理性质(如密度等)的不同而进行的分离。null 由于非均相物的两相间的密度等物理特性差异较大，因此常采用机械进行分离。按两相运动方式的不同，机械分离大致分为沉降和过滤两种操作。 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。非均相物系的分离方法：均相物系的分离：null 第二节  过 滤 一、过滤操作的基本概念 1 过滤(filtration) 过滤介质: 过滤采用的多孔物质； 滤浆: 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。 以某种多孔物质为介质，在外力的作用下，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。 第二节  过 滤 一、过滤操作的基本概念 1 过滤(filtration) null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。2 过滤方式 过滤的操作基本方式有两种：滤饼过滤和深层过滤。 2.1 滤饼过滤(cake filtration)：饼层过滤2 过滤方式 过滤的操作基本方式有两种：滤饼过滤和深层过滤。 2.1 滤饼过滤(cake filtration)：饼层过滤 滤饼过滤过程： 刚开始：有细小颗粒通过孔道，滤液混浊。 开始后：迅速发生“架桥现象”，颗粒被拦截，滤液澄清。 所以，在滤饼过滤时真正起过滤作用的是滤饼本身，而非过滤介质。null注意：所选过滤介质的孔道尺寸一定要使“架桥现象”能够过发生。饼层过滤适于处理固体含量较高的悬浮液。2.2 深层过滤(deep bed filtration)：深床过滤特点：颗粒(粒子)沉积于介质内部。过滤对象：悬浮液中的固体颗粒小而少。过滤介质：堆积较厚的粒状床层。过滤原理：颗粒尺寸 介质通道尺寸，颗粒通过细长而弯曲的孔道，靠静电和分子的作用力附着在介质孔道上。应用：适于处理生产能力大而悬浮液中颗粒小而且含量少的场合，如水处理和酒的过滤。2.2 深层过滤(deep bed filtration)：深床过滤3 过滤介质织物介质(又称滤布) 由棉、毛、麻、丝等天然纤维及合成纤维制成的织物，以及玻璃丝、金属丝等织成的网；过滤介质的分类：堆积介质 由各种固体颗粒（细砂、硅藻土等）堆积而成， 多用于深床过滤；多孔固体介质 这类介质具有很多细微孔道，如多孔陶瓷、多孔塑料等。多用于含少量细微颗粒的悬浮液，如白酒等的精滤。3 过滤介质null过滤介质应具有如下性质： 过滤介质的作用(滤饼过滤)：促使滤饼的形成，并支承滤饼。（1）多孔性，液体流过的阻力小； （2）有足够的强度； （3）耐腐蚀性和耐热性； （4）孔道大小适当，能发生架桥现象。 4 滤饼的压缩性和助滤剂不可压缩滤饼：若颗粒由不易变形的坚硬固体组成，则当压强差增大时，滤饼的结构不发生明显变化，单位厚度滤饼的流动阻力可视作恒定，这类滤饼称为不可压缩滤饼。 随着过滤的进行，滤饼的厚度增大，滤液的流动阻力亦逐渐增大，导致滤饼两侧的压强差增大。滤饼的压缩性对压强差有较大影响。可压缩滤饼：若滤饼为胶体物质时，当压强差增大时，滤饼则被压紧，使单位厚度滤饼的流动阻力增大，此类滤饼称为可压缩滤饼。 4 滤饼的压缩性和助滤剂null助滤剂：对于可压缩滤饼，为了使过滤顺利进行，可以将质地坚硬而能形成疏松滤饼的另一种固体颗粒混入悬浮液或预涂于过滤介质上，以形成疏松饼层，使得滤液畅流，该种颗粒状物质就称为助滤剂。常用的助滤剂：硅藻土、珍珠岩、石棉、炭粉等。助滤剂的基本：1、能形成多孔饼层的刚性颗粒，使滤饼有良好的渗透性及较低的流体阻力。2、具有化学稳定性。3、在操作压强范围内具有不可压缩性。二、过滤的基本理论 1 滤液通过饼层的流动 对于颗粒层中不规则的通道，可以简化成由一组当量直径为de的细管，而细管的当量直径可由床层的空隙率和颗粒的比表面积来计算。二、过滤的基本理论 1 滤液通过饼层的流动2 颗粒床层的特性颗粒床层的特性可用空隙率、当量直径等物理量来描述。空隙率：单位体积床层中的空隙体积称为空隙率。比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积称为比表面积。2 颗粒床层的特性null依照第一章中非圆形管的当量直径定义，当量直径为：故对颗粒床层直径应可写出：null 滤液通过饼层的流动常属于滞流流型，可以仿照圆管内滞流流动的泊稷叶公式(哈根方程)来描述滤液通过滤饼的流动，则滤液通过饼床层的流速与压强降的关系为：式中 u1 —滤液在床层孔道中的流速，m/s； L —床层厚度，m, Δpc —滤液通过滤饼层的压强降，pa； 阻力与压强降成正比，因此可认为上式表达了过滤操作中滤液流速与阻力的关系。null 在与过滤介质相垂直的方向上，床层空隙中的滤液流速u1与按整个床层截面积计算的滤液平均流速u之间的关系为： 上式中的比例常数K′与滤饼的空隙率、颗粒形状、排列及粒度范围诸因素有关。对于颗粒床层内的滞流流动，K′值可取为5。3 过滤速率式中 V —— 滤液量，m3； θ —— 过滤时间，s； A —— 过滤面积，m2。过滤速率为：任一瞬间的过滤速度为：过滤速度: 单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积， m3/m2s。过滤速率: 单位时间内获得的滤液体积，m3/s。3 过滤速率4 滤饼阻力R——滤饼阻力，1/m, 其计算式为： 对于不可压缩滤饼，滤饼层中的空隙率ε可视为常数，颗粒的形状、尺寸也不改变，因而比表面a 亦为常数，则有式中 r——滤饼的比阻，1/m2, 其计算式为：R=rL4 滤饼阻力null比阻r单位厚度滤饼的阻力； 在数值上等于粘度为1Pa·s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ε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。5 过滤介质的阻力 通常把过滤介质的阻力视为常数，仿照滤液穿过滤饼层的速度方程则可写出滤液穿过过滤介质层的速度关系式： 由于很难划定过滤介质与滤饼之间的分界面，更难测定分界面处的压强，在操作过程中总是把过滤介质与滤饼联合起来考虑。5 过滤介质的阻力null 通常，滤饼与滤布的面积相同。所以两层中的过滤速度应相等，则： 上式表明，可用滤液通过串联的滤饼与滤布的总压强降来表示过滤推动力，用两层的阻力之和来表示总阻力。式中：Δp — 滤饼与滤布两侧的总压强差，称为过滤压强差。null 假设：厚度为Le的滤饼产生的阻力与滤布相同，而过程仍能完全按照原来的速率进行，则：rLe=Rm 在一定的操作条件下，以一定介质过滤一定悬浮液时，Le为定值；但同一介质在不同的过滤操作中，Le值不同。三、过滤基本方程式式中：v — 滤饼体积与相应的滤液体积之比，无因次。LA=vV 若每获得1m3滤液所形成的滤饼体积为vm3，则任一瞬间的滤饼厚度L与当时已经获得的滤液体积V之间的关系为： 同理，如生成厚度为Le的滤饼所应获得的滤液体积以Ve来表示，则式中Ve——过滤介质的当量滤液体积，或称虚拟滤液体积，m3。三、过滤基本方程式null 注意：在一定的操作条件下，以一定介质过滤一定的悬浮液时，Ve为定值，但同一介质在不同的过滤操作中，Ve不同。上式适用于不可压缩滤饼。 null对于可压缩滤饼其比阻r与压强差有关。上式称为过滤基本方程式，它对各种过滤情况均适用。式中 r′——单位压强下滤饼的比阻，1/m2 Δp——过滤压强差，pa s ——滤饼的压缩性指数，无因此。一般情况下， s=0~1。对于不可压缩滤饼，s=0。r=r′(Δp)s四、恒压过滤定义：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Δp 恒定； 过滤速率逐渐变小。过滤操作的两种典型方式：恒压过滤和恒速过滤。特点：四、恒压过滤恒压过滤方程式的推导对于一定的悬浮液，若μ、r′及v可视为常数，令(V+Ve )dV=kA2Δp1-sd式中：k —— 表征过滤物料特性的常数，m4/（Ns）。过滤基本方程可写成：恒压过滤方程式的推导null积分条件 =0, V=0; =e ,V=Ve; =,V=V(1)和(2)式都称为恒压过滤方程式。令K=2kΔp1-s当 =0 时，则V=0null又令 q=V/A，qe=Ve/A 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。 (q+qe )2=K(+e) q2+2qqe=K上两式也称为恒压过滤方程式。 五、 恒速过滤若维持过滤速率恒定，这样的过滤操作方式称为恒速过滤。恒速过滤时q-（或V- ）关系为一直线。 q=uR V=uRA恒速过滤时的过滤速度为：五、 恒速过滤null 在一定的操作条件下，μ、r、v、uR、qe均为常数，故有：对不可压缩滤饼，由过滤基本方程可写出： 上式表明：对于不可压缩滤饼进行恒速过滤时，其压强差随过滤时间成直线增加。所以，在实践中很少采用完全恒速过滤的方法。 Δp=μrvuR2θ+μrvuRqe=a+b 六、先恒速后恒压过滤先恒速后恒压过滤是工业中常用的一种过滤方法。 在过滤时间从0到R 时，计算方法与恒速过滤相同。而从时间R 到 时，得到的滤液量从VR到V，故积分式为：操作过程： 开始，从0到R 时，采用恒速过滤，可在阻力还不太高时获得较多的滤液。 从R到时，改为恒压过滤，以免压强过高。 六、先恒速后恒压过滤null积分并将K=2kΔp1-s 代入得 特别注意：上两式中V为获得的总滤液量，而不是恒压阶段获得的滤液量。null几种操作方式下的过滤方程七、过滤常数的测定上式表明：d/dq与q成直线关系，直线斜率为2/K，截距为2qe/K2(q+qe )dq=Kd(q+qe )2=K (+e )微分上式得由斜率=2/K，求出K; 由截距=2qe/K ，求出qe； 由q2+2qqe=K， =0，q=0，求出e= qe2/K。测定时采用恒压试验，恒压过滤方程为： 七、过滤常数的测定实验数据处理 采用Δ/Δq代替d/dq，在过滤面积一定时，记录下时间和累计的滤液量V，并由此计算一系列q值，然后作图，求出直线斜率和截距。最后算出过滤常数K和qe。注意：横坐标q的取值。实验数据处理压缩指数s的测定lgK=(1-s)lg(Δp)+lg(2k) 以lg(Δp)为横坐标，lg(K)为纵坐标作直线，从而求出斜率(1-s)，截距lg(2k)，进而算出s和k。K=2kΔp1-s 滤饼的压缩性指数s及物料特性常数k需在不同压强差下对指定物料进行试验，求得若干过滤压强差下的K，然后对K-Δp数据加以处理，即可求得s 值。压缩指数s的测定八、过滤设备 工业上使用的典型过滤设备：按操作方式分类：间歇过滤机、连续过滤机按操作压强差分类：压滤、吸滤和离心过滤板框压滤机（间歇操作） 转筒真空过滤机（连续操作） 过滤式离心机八、过滤设备1 板框压滤机 结构：滤板、滤框、夹紧机构、机架等组成。滤板：凹凸不平的表面，凸部用来支撑滤布，凹槽是滤液的流道。滤板右上角的圆孔，是滤浆通道；左上角的圆孔，是洗水通道。洗涤板：左上角的洗水通道与两侧表面的凹槽相通， 使洗水流进凹槽； 非洗涤板：洗水通道与两侧表面的凹槽不相通。1 板框压滤机 下载null 为了避免这两种板和框的安装次序有错，在铸造时常在板与框的外侧面分别铸有一个、两个或三个小钮。非洗涤板为一钮板，框带两个钮板，框带两个钮，洗涤板为三钮板。null板框过滤机null 板框过滤机的操作是间歇式的，每个操作循环由装合、过滤、洗涤、卸渣、整理五个阶段。过滤过程1)、装合： 将板与框按 1-2-3-2-1-2-3的顺序，滤板的两侧表面放上滤布，然后用手动的或机动的压紧装置固定，使板与框紧密接触。 2)、过滤： 用泵把滤浆送进右上角的滤浆通道，由通道流进每个滤框里。滤液穿过滤布沿滤板的凹槽流至每个滤板下角的阀门排出。固体颗粒积存在滤框内形成滤饼，直到框内充满滤饼为止。null3)、洗涤： 将洗水送入洗水通道，经洗涤板左上角的洗水进口，进入板的两侧表面的凹槽中。然后，洗水横穿滤布和滤饼，最后由非洗涤板下角的滤液出口排出。在此阶段中，洗涤板下角的滤液出口阀门关闭。4)、卸渣、整理 打开板框，卸出滤饼，洗涤滤布及板、框。 在洗液粘度与滤液粘度相近的情况下，且在压差相同时，洗涤速率约为过滤终了速率的1/4。为什么？null结构简单，价格低廉，占地面积小，过滤面积大。 可根据需要增减滤板的数量，调节过滤能力。 对物料的适应能力较强，由于操作压力较高（3~10kg/cm2 ），对颗粒细小而液体粘度较大的滤浆，也能适用。 间歇操作，生产能力低，卸渣清洗和组装阶段需用人力操作，劳动强度大，所以它只适用于小规模生产。 近年出现了各种自动操作的板框压滤机，使劳动强度得到减轻。板框压滤机的特点：2 转筒真空过滤机（rotary-drum vacuum filter）结构：2 转筒真空过滤机（rotary-drum vacuum filter）null转筒及分配头的结构工作过程18格分成6个工作区 1区(1~7格)：过滤区； 2区(8~10格)：滤液吸干区； 3区(12~13格)：洗涤区； 4区(14格)：洗后吸干区； 5区(16格)：吹松卸渣区； 6区(17格)：滤布再生区。过滤区(1~2区)，f 槽; 洗涤区(3~4区)，g槽 ; 干燥卸渣区(5~6区)，h 槽;f 槽h 槽g 槽null自动连续操作； 适用于处理量大，固体颗粒含量较多的滤浆； 真空下操作，其过滤推动力较低(最高只有1atm)，对于滤饼阻力较大的物料适应能力较差。 转筒旋转时，藉分配头的作用，能使转筒旋转一周的过程中，每个小过滤室可依次进行过滤、洗涤、吸干、吹松卸渣等项操作。整个转筒圆周在任何瞬间都划分为:特点：工作过程过滤区; 洗涤区; 干燥卸渣区。3 离心过滤机（centrifugal filter）结构：1.悬筐式离心机(suspended-basket centrifuge) 转鼓(上有小孔，亦称悬框)； 滤网； 滤布； 机架。原理： 由于离心力作用，液体产生径向压差，通过滤饼、滤网及滤筐而流出。3 离心过滤机（centrifugal filter）null过滤方程及压力的计算采用恒压过滤方程式：(q+qe )2=K(+e)A—— 过滤面积，m2； H—— 转筒高度，m; R—— 转筒半径，m； p—— 过滤推动力，Pa。 r —— 任意处滤饼半径，m。4 往复活塞推渣离心机（reciprocating-pusher centrifuge） 在离心力作用下液体沿加料斗的锥形面流动，均匀地沿圆周分散到滤筐的过滤段。滤液透过滤网而形成滤渣层。活塞推渣器与加料斗一齐作往复运动，将滤渣间断地沿着滤筐内表面向排渣口排出。排渣器的往复运动是先向前推，马上后退，经过一段时间形成一定厚度的滤渣层后，再次向前推，如此重复进行推渣。 分离因数约为300～700，其生产能力大，适用于分离固体颗粒浓度较浓、粒径较大（0.1~5mm）的悬浮液，在生产中得到广泛应用。工作原理：特点：4 往复活塞推渣离心机（reciprocating-pusher centrifuge）5 离心力自动卸渣离心机（conical basket centrifuge）离心力自动卸料离心机，又称为锥篮离心机 结构：如图工作过程：料浆进入锥形滤筐底部，靠离心力甩向滤筐； 液相通过滤布，固相被截留。 滤渣克服摩擦阻力，沿滤筐向上移动，经过洗涤段和干燥段。最后从顶端排出。5 离心力自动卸渣离心机（conical basket centrifuge）null特点：结构简单，造价低廉，功率消耗小。 对悬浮液的浓度和固体颗粒大小的波动敏感。 生产能力较大，分离因数约为2000，可分离固体颗粒浓度较浓、粒度为0.04~1mm的悬浮液。 在各种结晶产品的分离中广泛应用。为什么会自动卸料？几种过滤设备的比较几种过滤设备的比较九、过滤机的生产能力 1 洗涤速率的计算式中V——过滤终了时所得滤液体积，m3由恒压过滤方程知，过滤终了时的过滤速率为：洗涤速率：单位时间内消耗的洗涤液体积。 由于洗涤液中不含固相，洗涤过程中滤饼厚度不变。若在恒压下洗涤，则它既是恒压洗涤又是恒速洗涤。九、过滤机的生产能力 1 洗涤速率的计算null若洗涤液粘度和洗涤时的压差与滤液粘度和过滤压差相比差异较大，则应校正，校正后的洗涤速率为若洗涤用的压差与过滤相同，洗涤液粘度与滤液粘度大致相等： 对于转筒真空过滤机，洗涤速率与过滤终了速率相等对于板框过滤机，洗涤速率等于过滤终了速率的1/42 间歇过滤机的生产能力生产能力: 单位时间内获得的滤液体积。对于间歇过滤机，一个过滤循环包括过滤、洗涤、卸渣、清理、重装等步骤。通常把卸渣、清理、重装等所用的时间合在一起称为辅助时间D 。一个循环时间T=+W+D 。其中只有过滤时间真正用于过滤。2 间歇过滤机的生产能力null如果以滤液量Q 表示生产能力，则有3 连续过滤机的生产能力 浸没度ψ ：转筒真空过滤机的转筒表面浸入滤浆中的分数 以转筒真空过滤机为例，转筒在任何时候总有一部分表面浸没在滤浆中进行过滤。 有效过滤时间θ：某一瞬时开始进入滤浆中的转筒表面，经过过滤区，最后从滤浆中出来，这一段时间为该表面旋转一周的有效过滤时间。3 连续过滤机的生产能力null由于转筒式真空过滤机为恒压操作，则有 转鼓每转一周得到的滤液体积为：(V+Ve)2=KA2(θ+θe) 过滤时间 为: 假设转鼓转速为n r/min，则转一周的时间为: T=60/nnull按每小时计的滤液生产能力为：若忽略滤布阻力，则θe=0、Ve=0，则上式简化为： 注意：提高转速可增加生产能力，但若转速太高，则每周期中过滤时间减至很短，滤饼层很薄，难于卸除，也不利于洗涤，而且功率消耗大，反而不经济。合适的转速需由实验确定，以得到合适厚度的滤饼，使成本最低。null例：以某板框式压滤机在恒压条件下过滤含硅藻土的悬浮夜。过滤机的滤框尺寸为810×810×25(mm)，共有37个框。已测出过滤常数K=10-4m2/s，qe=0.01m3/m2，e=1s。若已知单位面积上通过的滤液量为0.15m3/m2，所用洗水量为滤液量的1/5。求： 1) 过滤面积和滤框内的总容量； 2) 过滤所需的时间； 3) 洗涤时间； 4) 生产能力Q(td=15min)。null解：1) 过滤面积 A=2LBZ=2×0.81×0.81×37=48.6m2 滤框总容积 Vz=LBZ=0.81×0.81×0.025×37=0.607m3 2) 过滤时间 3) 洗涤时间 4) 生产能力 (q+qe )2=K(+e) (0.15+0.01)2=10-4(+1)  =255sw = 8(q+qe)qw/5K =8×(0.15+0.01)×0.15/(5×10-4)=348s null例：用转鼓真空过滤机过滤某种悬浮液，料浆处理量为20m3/h。已知每得1m3滤液可得滤饼0.04m3，要求转筒的浸没度为0.35，过滤表面上滤饼厚度不低于5mm。现测得过滤常数为K=8×10-4m2/s，qe=0.01m3/m2。试求过滤机的过滤面积和转筒的转速。解：以1min为基准，v=0.04, =0.35null滤饼体积 0.321×0.04=0.01284 m3/min将n及 代入上式，得：A=2.771m2 n = 0.927 r/minnull定盘转筒及分配头的结构转筒真空过滤机null第三节 沉降 定义：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。第三节 沉降一、颗粒运动时的阻力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。一、颗粒运动时的阻力null ρ——流体密度； μ—— 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： 层流区（斯托克斯Stokes区，10-4标准

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