第三章-过滤及离心

第三章非均相物系的分离重点：过滤和沉降、离心的基本理论难点：过滤基本方程的应用、过滤设备均相物系：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：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：由固体颗粒与液体构成的悬浮液、乳浊液、泡沫液属于液态非均相物系，由固体颗粒与气体构成的含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。第一节概述由于非均相物的两相间的密度等物理特性差异较大，因此常采用机械方法进行分离。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：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)滤浆原悬浮液。滤饼截留的固体物质。过滤介质多孔物质。滤液通过多孔通道的液体。过滤操作示意图(滤饼过滤)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。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：饼层过滤架桥现象注意：所选过滤介质的孔道尺寸一定要使“架桥现象”能发生。饼层过滤适于处理固体含量较高的悬浮液。特点：颗粒(粒子)沉积于介质内部。深层过滤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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。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。助滤剂的基本要求：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。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）过滤式离心机二、过滤设备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，洗涤板为三钮板。滤框：滤浆通道：滤框右上角的圆孔洗水通道：滤框左上角的圆孔这是一台等待出厂的板框过滤机产品过滤机的板和框的结构滤浆洗水滤板滤框洗板滤布滤浆洗水滤板滤框洗板滤布板框过滤机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。3)、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？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：结构：1.悬筐式离心机(suspended-basketcentrifuge)转鼓滤饼滤布滤网离心过滤机工作原理图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：料浆滤液滤渣转鼓滤饼滤布滤网洗涤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（conicalbasketcentrifuge）特点：离心力,F重力,mg摩擦力,f支承力,N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？设备名称主要结构工作过程特点、适用性生产能力计算板框压滤机滤板、滤框、夹紧机构、机架装合、过滤、洗涤、卸渣、整理加压过滤，推动力较大结构简单，造价低；过滤面积大，能耗少；读为间歇操作，推动力较大；洗涤时间长，生产效率低。应用范围广。对原料的适应性强转鼓真空过滤机转筒(滤网、滤布)、分配头、滤浆槽过滤、洗涤、吹干、卸渣真空过滤，推动力较小；连续化生产，自动化程度高，推动力小，滤饼湿度大，设备投资高适于粒度中等，粘度不太大的物料离心过滤机转鼓(滤网、滤布)、机架过滤、洗涤、卸渣等离心过滤，推动力最大；滤液湿度小。应用广泛，适应性强。仪设备成本高，过滤面积小。(q+qe)2=K(+e)DWVTVQ36003600nVnnKAnVQee)60(606022)(3332rRpRfDWVTVQ360036004终了过滤速率洗涤速率几种过滤设备的比较生产能力: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)。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=0.607m3hmsmQdwqATV/5.17/1085.433360153482556.4815.0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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。第二节沉降图流体绕过颗粒的流动uFd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（dragforce)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、颗粒运动时的阻力二、重力沉降重力沉降由地球引力作用而发生的颗粒沉降过程，称为重力沉降。u重力Fg阻力Fd浮力Fb3)(4pptgdu颗粒的沉降过程分为两个阶段：沉降速度：也称为终端速度，匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度。加速阶段；匀速阶段。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3降尘室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：多层隔板降尘室示意图含尘气体粉尘隔板净化气体尘粒沉降高度为原来的1/N倍；utc降为原来的1/N倍(utc=Vs/bl)；一般可分离20μm以上的颗粒。多层隔板降尘室排灰不方便。blVgdsppc)(18N/1继续2)30/(2nmRmRFc如果以R为转鼓半径，则K值可作为衡量离心机分离能力的尺度。分离因素的极值与转动部件的材料强度有关。离心分离因素K：离心力与重力比。K=Rω2/g三、离心沉降依靠离心力的作用，使流体中的颗粒产生沉降运动，称为离心沉降。1离心分离因数旋风分离器是利用离心力作用净制气体的设备。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；特点：结构：外圆筒；内圆筒；锥形筒。3旋风分离器含尘气体从圆筒上部长方形切线进口进入。入口气速约为15～20m/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。外圆