非均液相分離 原理

第四章

非均相物系的分離4.1

概述4.2

過

濾4.3

沉降4.4

離心沉降重點(diǎn)：過濾和沉降的基本理論、基本方程難點(diǎn)：過濾基本方程的應(yīng)用、過濾設(shè)備均相物系(honogeneoussystem):

均相混合物。物系內(nèi)部各處均勻且無相界面。如溶液和混合氣體都是均相物系。自然界的混合物分為兩大類：非均相物系(non-honogeneoussystem):

非均相混合物。物系內(nèi)部有隔開不同相的界面存在，且界面兩側(cè)的物料性質(zhì)有顯著差異。如：懸浮液、乳濁液、泡沫液屬于液態(tài)非均相物系，含塵氣體、含霧氣體屬于氣態(tài)非均相物系。4.1

概述分散相：分散物質(zhì)。在非均相物系中，處于分散狀態(tài)的物質(zhì)。連續(xù)相：分散介質(zhì)。包圍著分散物質(zhì)而處于連續(xù)狀態(tài)的流體。非均相物系由分散相和連續(xù)相組成

要實(shí)現(xiàn)分離，必須使分散相和連續(xù)相之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，非均相物系的分離操作遵循流體力學(xué)的基本規(guī)律。非均相物系的分離原理：

非均相物系分離的理論基礎(chǔ)：根據(jù)兩相物理性質(zhì)(如密度等)的不同而進(jìn)行的分離。

由于非均相物的兩相間的密度等物理特性差異較大，因此常采用機(jī)械方法進(jìn)行分離。按兩相運(yùn)動(dòng)方式的不同，機(jī)械分離大致分為沉降和過濾兩種操作。

通常先造成一個(gè)兩相物系，再用機(jī)械分離的方法分離，如蒸餾，萃取等。非均相物系的分離方法：均相物系的分離：過濾介質(zhì):過濾采用的多孔物質(zhì)；濾漿:所處理的懸浮液；濾液:通過多孔通道的液體；濾餅或?yàn)V渣:被截留的固體物質(zhì)。

以某種多孔物質(zhì)為介質(zhì)，在外力的作用下，使懸浮液中的液體通過介質(zhì)的孔道，而固體顆粒被截留在介質(zhì)上，從而實(shí)現(xiàn)固液分離的單元操作。4.2.1過濾操作的基本概念

（1）過濾(filtration)4.2

過

濾濾漿(slurry)：原懸浮液。濾餅(filtercake)：截留的固體物質(zhì)。過濾介質(zhì)(filteringmedium)：多孔物質(zhì)。濾液(filterate)：通過多孔通道的液體。過濾操作示意圖(濾餅過濾)

濾餅過濾過程：

剛開始：有細(xì)小顆粒通過孔道，濾液混濁。

開始后：迅速發(fā)生“架橋現(xiàn)象”，顆粒被攔截，濾液澄清。

所以，在濾餅過濾時(shí)真正起過濾作用的是濾餅本身，而非過濾介質(zhì)。過濾的操作基本方式有兩種：濾餅過濾和深層過濾。1）濾餅過濾(cakefiltration)：餅層過濾（2）過濾方式架橋現(xiàn)象注意：所選過濾介質(zhì)的孔道尺寸一定要使“架橋現(xiàn)象”能夠過發(fā)生。餅層過濾適于處理固體含量較高的懸浮液。特點(diǎn)：顆粒(粒子)沉積于介質(zhì)內(nèi)部。深層過濾過濾對(duì)象：懸浮液中的固體顆粒小而少。過濾介質(zhì)：堆積較厚的粒狀床層。過濾原理：顆粒尺寸介質(zhì)通道尺寸，顆粒通過細(xì)長而彎曲的孔道，靠靜電和分子的作用力附著在介質(zhì)孔道上。應(yīng)用：適于處理生產(chǎn)能力大而懸浮液中顆粒小而且含量少的場合，如水處理和酒的過濾。2）深層過濾(deepbedfiltration)：深床過濾織物介質(zhì)(又稱濾布)

由棉、毛、麻、絲等天然纖維及合成纖維制成的織物，以及玻璃絲、金屬絲等織成的網(wǎng)；過濾介質(zhì)的分類：堆積介質(zhì)

由各種固體顆粒（細(xì)砂、硅藻土等）堆積而成，

多用于深床過濾；多孔固體介質(zhì)

這類介質(zhì)具有很多細(xì)微孔道，如多孔陶瓷、多孔塑料等。多用于含少量細(xì)微顆粒的懸浮液，如白酒等的精濾。（3）過濾介質(zhì)

過濾介質(zhì)應(yīng)具有如下性質(zhì)：過濾介質(zhì)的作用(濾餅過濾)：促使濾餅的形成，并支承濾餅。1）多孔性，液體流過的阻力??；2）有足夠的強(qiáng)度；3）耐腐蝕性和耐熱性；4）孔道大小適當(dāng)，能發(fā)生架橋現(xiàn)象。不可壓縮濾餅：若顆粒由不易變形的堅(jiān)硬固體組成，則當(dāng)壓強(qiáng)差增大時(shí)，濾餅的結(jié)構(gòu)不發(fā)生明顯變化，單位厚度濾餅的流動(dòng)阻力可視作恒定，這類濾餅稱為不可壓縮濾餅。

隨著過濾的進(jìn)行，濾餅的厚度增大，濾液的流動(dòng)阻力亦逐漸增大，導(dǎo)致濾餅兩側(cè)的壓強(qiáng)差增大。濾餅的壓縮性對(duì)壓強(qiáng)差有較大影響?？蓧嚎s濾餅：若濾餅為膠體物質(zhì)時(shí)，當(dāng)壓強(qiáng)差增大時(shí)，濾餅則被壓緊，使單位厚度濾餅的流動(dòng)阻力增大，此類濾餅稱為可壓縮濾餅。（4）濾餅的壓縮性和助濾劑助濾劑：對(duì)于可壓縮濾餅，為了使過濾順利進(jìn)行，可以將質(zhì)地堅(jiān)硬而能形成疏松濾餅的另一種固體顆?；烊霊腋∫夯蝾A(yù)涂于過濾介質(zhì)上，以形成疏松餅層，使得濾液暢流，該種顆粒狀物質(zhì)就稱為助濾劑。常用的助濾劑：硅藻土、珍珠巖、石棉、炭粉等。助濾劑的基本要求：1）、能形成多孔餅層的剛性顆粒，使濾餅有良好的滲透性及較低的流體阻力。2）、具有化學(xué)穩(wěn)定性。3）、在操作壓強(qiáng)范圍內(nèi)具有不可壓縮性。

dpde

對(duì)于顆粒層中不規(guī)則的通道，可以簡化成由一組當(dāng)量直徑為de的細(xì)管，而細(xì)管的當(dāng)量直徑可由床層的空隙率和顆粒的比表面積來計(jì)算。4.2.2過濾的基本理論（1）濾液通過餅層的流動(dòng)顆粒床層的特性可用空隙率、當(dāng)量直徑等物理量來描述?？障堵剩簡挝惑w積床層中的空隙體積稱為空隙率。式中

ε——床層的空隙率，m3/m3。式中

α——顆粒的比表面，m2/m3。比表面積：單位體積顆粒所具有的表面積稱為比表面積。（2）顆粒床層的特性依照第一章中非圓形管的當(dāng)量直徑定義，當(dāng)量直徑為：式中

de——床層流道的當(dāng)量直徑，m故對(duì)顆粒床層直徑應(yīng)可寫出：

濾液通過餅層的流動(dòng)常屬于滯流流型，可以仿照?qǐng)A管內(nèi)滯流流動(dòng)的泊稷葉公式(哈根方程)來描述濾液通過濾餅的流動(dòng)，則濾液通過餅床層的流速與壓強(qiáng)降的關(guān)系為：式中u1—濾液在床層孔道中的流速，m/s；

L—床層厚度，m,

Δpc

—濾液通過濾餅層的壓強(qiáng)降，pa；阻力與壓強(qiáng)降成正比，因此可認(rèn)為上式表達(dá)了過濾操作中濾液流速與阻力的關(guān)系。

在與過濾介質(zhì)相垂直的方向上，床層空隙中的濾液流速u1與按整個(gè)床層截面積計(jì)算的濾液平均流速u之間的關(guān)系為：

上式中的比例常數(shù)K′與濾餅的空隙率、顆粒形狀、排列及粒度范圍諸因素有關(guān)。對(duì)于顆粒床層內(nèi)的滯流流動(dòng)，K′值可取為5。式中

V——濾液量，m3；

θ——過濾時(shí)間，s；

A——過濾面積，m2。過濾速率為：任一瞬間的過濾速度為：過濾速度:

單位時(shí)間內(nèi)通過單位過濾面積的濾液體積，

m3/m2s。過濾速率:

單位時(shí)間內(nèi)獲得的濾液體積，m3/s。（3）過濾速率

R——濾餅阻力，1/m,其計(jì)算式為：

對(duì)于不可壓縮濾餅，濾餅層中的空隙率ε可視為常數(shù)，顆粒的形狀、尺寸也不改變，因而比表面a亦為常數(shù)，則有式中r——濾餅的比阻，1/m2,其計(jì)算式為：R=rL（4）濾餅阻力

比阻r

單位厚度濾餅的阻力；在數(shù)值上等于粘度為1Pa·s的濾液以1m/s的平均流速通過厚度為1m的濾餅層時(shí)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)降；比阻反映了顆粒特性(形狀、尺寸及床層空隙率)對(duì)濾液流動(dòng)的影響；床層空隙率ε愈小及顆粒比表面a愈大，則床層愈致密，對(duì)流體流動(dòng)的阻滯作用也愈大。

通常把過濾介質(zhì)的阻力視為常數(shù)，仿照濾液穿過濾餅層的速度方程則可寫出濾液穿過過濾介質(zhì)層的速度關(guān)系式：式中

Δpm——過濾介質(zhì)上、下游兩側(cè)的壓強(qiáng)差，Pa；

Rm

——過濾介質(zhì)阻力，l/m

由于很難劃定過濾介質(zhì)與濾餅之間的分界面，更難測定分界面處的壓強(qiáng)，在操作過程中總是把過濾介質(zhì)與濾餅聯(lián)合起來考慮。（5）過濾介質(zhì)的阻力

通常，濾餅與濾布的面積相同。所以兩層中的過濾速度應(yīng)相等，則：

上式表明，可用濾液通過串聯(lián)的濾餅與濾布的總壓強(qiáng)降來表示過濾推動(dòng)力，用兩層的阻力之和來表示總阻力。式中：Δp

—濾餅與濾布兩側(cè)的總壓強(qiáng)差，稱為過濾壓強(qiáng)差。

假設(shè)：厚度為Le的濾餅產(chǎn)生的阻力與濾布相同，而過程仍能完全按照原來的速率進(jìn)行，則：rLe=Rm

在一定的操作條件下，以一定介質(zhì)過濾一定懸浮液時(shí)，Le為定值；但同一介質(zhì)在不同的過濾操作中，Le值不同。式中Le——過濾介質(zhì)的當(dāng)量濾餅厚度，或稱虛擬濾餅厚度，m。

式中：v—濾餅體積與相應(yīng)的濾液體積之比，無因次。LA=vV

若每獲得1m3濾液所形成的濾餅體積為vm3，則任一瞬間的濾餅厚度L與當(dāng)時(shí)已經(jīng)獲得的濾液體積V之間的關(guān)系為：

同理，如生成厚度為Le的濾餅所應(yīng)獲得的濾液體積以Ve來表示，則式中Ve——過濾介質(zhì)的當(dāng)量濾液體積，或稱虛擬濾液體積，m3。

4.2.3過濾基本方程式

注意：在一定的操作條件下，以一定介質(zhì)過濾一定的懸浮液時(shí)，Ve為定值，但同一介質(zhì)在不同的過濾操作中，Ve不同。上式適用于不可壓縮濾餅。

對(duì)于可壓縮濾餅其比阻r與壓強(qiáng)差有關(guān)。上式稱為過濾基本方程式，它對(duì)各種過濾情況均適用。式中

r′——單位壓強(qiáng)下濾餅的比阻，1/m2

Δp——過濾壓強(qiáng)差，pas——濾餅的壓縮性指數(shù)，無因此。一般情況下，

s=0~1。對(duì)于不可壓縮濾餅，s=0。根據(jù)上兩式可得r=r′(Δp)s

定義：過濾操作在恒定壓強(qiáng)下進(jìn)行時(shí)稱為恒壓過濾。濾餅不斷變厚；阻力逐漸增加；推動(dòng)力Δp

恒定；過濾速率逐漸變小。過濾操作的兩種典型方式：恒壓過濾和恒速過濾。特點(diǎn)：4.2.4恒壓過濾

對(duì)于一定的懸浮液，若μ、r′及v可視為常數(shù)，令

(V+Ve)dV=kA2Δp1-sd

式中：k——表征過濾物料特性的常數(shù)，m4/（Ns）。

過濾基本方程可寫成：恒壓過濾方程式的推導(dǎo)

積分條件

=0,V=0;=e,V=Ve;=,V=V(1)和(2)式都稱為恒壓過濾方程式。令K=2kΔp1-s

當(dāng)

=0時(shí)，則V=0(V+Ve)2=KA2(+e)

（1）Ve2=KA2eV2+2VVe=KA2

（2）又令

q=V/A，qe=Ve/A

恒壓過濾方程式中的K稱為過濾常數(shù)，由物料特性及過濾壓強(qiáng)差決定。

恒壓過濾時(shí)V~

的關(guān)系

ooee

+e

+ebV+VeVV+VeVVe

(q+qe

)2=K(+e)q2+2qqe=K

上兩式也稱為恒壓過濾方程式。

若維持過濾速率恒定，這樣的過濾操作方式稱為恒速過濾。

恒速過濾時(shí)q-（或V-）關(guān)系為一直線。

q=uR

V=uRA

恒速過濾時(shí)的過濾速度為：4.2.5恒速過濾

在一定的操作條件下，μ、r、v、uR、qe均為常數(shù)，故有：對(duì)不可壓縮濾餅，由過濾基本方程可寫出：

上式表明：對(duì)于不可壓縮濾餅進(jìn)行恒速過濾時(shí)，其壓強(qiáng)差隨過濾時(shí)間成直線增加。所以，在實(shí)踐中很少采用完全恒速過濾的方法。

Δp=μrvuR2θ+μrvuRqe=a+b

先恒速后恒壓過濾是工業(yè)中常用的一種過濾方法。

在過濾時(shí)間從0到R時(shí)，計(jì)算方法與恒速過濾相同。而從時(shí)間R

到

時(shí)，得到的濾液量從VR到V，故積分式為：操作過程：開始，從0到R

時(shí)，采用恒速過濾，可在阻力還不太高時(shí)獲得較多的濾液。從R到時(shí)，改為恒壓過濾，以免壓強(qiáng)過高。

4.2.6先恒速后恒壓過濾

積分并將K=2kΔp1-s代入得

特別注意：上兩式中V為獲得的總濾液量，而不是恒壓階段獲得的濾液量。幾種操作方式下的過濾方程恒壓過濾恒速過濾先恒速后恒壓(V+Ve)2=KA2(+)eq=uR

(V2-VR2)+2Ve(V-VR)=KA2(-R)V2+2VVe=KA2

V=uRA

(q2-qR2)+2qe(q-qR)=K(-R)

(q+qe)2=K(+e)Δp=a+bq2+2qqe=K

上式表明：d/dq與q成直線關(guān)系，直線斜率為2/K，截距為2qe/K2(q+qe)dq=Kd

(q+qe

)2=K(+e)微分上式得qd/dt2qe/K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。測定時(shí)采用恒壓試驗(yàn)，恒壓過濾方程為：

4.2.7過濾常數(shù)的測定

采用Δ/Δq代替d/dq，在過濾面積一定時(shí)，記錄下時(shí)間和累計(jì)的濾液量V，并由此計(jì)算一系列q值，然后作圖，求出直線斜率和截距。最后算出過濾常數(shù)K和qe。

q/t2qe/K注意：橫坐標(biāo)q的取值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理lgK=(1-s)lg(Δp)+lg(2k)以lg(Δp)為橫坐標(biāo)，lg(K)為縱坐標(biāo)作直線，從而求出斜率(1-s)，截距l(xiāng)g(2k)，進(jìn)而算出s和k。K=2kΔp1-s濾餅的壓縮性指數(shù)s及物料特性常數(shù)k需在不同壓強(qiáng)差下對(duì)指定物料進(jìn)行試驗(yàn)，求得若干過濾壓強(qiáng)差下的K，然后對(duì)K-Δp數(shù)據(jù)加以處理，即可求得s

值。lg(Δp)lg(K)lg(2k)q/t2qe/K壓縮指數(shù)s的測定

工業(yè)上使用的典型過濾設(shè)備：按操作方式分類：間歇過濾機(jī)、連續(xù)過濾機(jī)按操作壓強(qiáng)差分類：壓濾、吸濾和離心過濾板框壓濾機(jī)（間歇操作）轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)（連續(xù)操作）過濾式離心機(jī)4.2.8過濾設(shè)備

結(jié)構(gòu)：濾板、濾框、夾緊機(jī)構(gòu)、機(jī)架等組成。

濾板：凹凸不平的表面，凸部用來支撐濾布，凹槽是濾液的流道。濾板右上角的圓孔，是濾漿通道；左上角的圓孔，是洗水通道。洗滌板：左上角的洗水通道與兩側(cè)表面的凹槽相通，

使洗水流進(jìn)凹槽；

非洗滌板：洗水通道與兩側(cè)表面的凹槽不相通。（1）板框壓濾機(jī)

為了避免這兩種板和框的安裝次序有錯(cuò)，在鑄造時(shí)常在板與框的外側(cè)面分別鑄有一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)小鈕。非洗滌板為一鈕板，框帶兩個(gè)鈕板，框帶兩個(gè)鈕，洗滌板為三鈕板。濾框：濾漿通道：濾框右上角的圓孔洗水通道：濾框左上角的圓孔濾漿洗水濾板濾框洗板濾布工作過程

板框過濾機(jī)的操作是間歇式的，每個(gè)操作循環(huán)由裝合、過濾、洗滌、卸渣、整理五個(gè)階段。過濾過程

1)、裝合：將板與框按1-2-3-2-1-2-3的順序，濾板的兩側(cè)表面放上濾布，然后用手動(dòng)的或機(jī)動(dòng)的壓緊裝置固定，使板與框緊密接觸。2)、過濾：用泵把濾漿送進(jìn)右上角的濾漿通道，由通道流進(jìn)每個(gè)濾框里。濾液穿過濾布沿濾板的凹槽流至每個(gè)濾板下角的閥門排出。固體顆粒積存在濾框內(nèi)形成濾餅，直到框內(nèi)充滿濾餅為止。3)、洗滌：將洗水送入洗水通道，經(jīng)洗滌板左上角的洗水進(jìn)口，進(jìn)入板的兩側(cè)表面的凹槽中。然后，洗水橫穿濾布和濾餅，最后由非洗滌板下角的濾液出口排出。在此階段中，洗滌板下角的濾液出口閥門關(guān)閉。4)、卸渣、整理打開板框，卸出濾餅，洗滌濾布及板、框。在洗液粘度與濾液粘度相近的情況下，且在壓差相同時(shí)，洗滌速率約為過濾終了速率的1/4。為什么？結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，占地面積小，過濾面積大?？筛鶕?jù)需要增減濾板的數(shù)量，調(diào)節(jié)過濾能力。對(duì)物料的適應(yīng)能力較強(qiáng)，由于操作壓力較高（3~10kg/cm2

），對(duì)顆粒細(xì)小而液體粘度較大的濾漿，也能適用。間歇操作，生產(chǎn)能力低，卸渣清洗和組裝階段需用人力操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，所以它只適用于小規(guī)模生產(chǎn)。近年出現(xiàn)了各種自動(dòng)操作的板框壓濾機(jī)，使勞動(dòng)強(qiáng)度得到減輕。板框壓濾機(jī)的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)筒，扇形格(18格)；

濾室；分配頭；動(dòng)盤(18個(gè)孔，分別與扇形格的18個(gè)通道相連)；定盤(三個(gè)凹槽：濾液真空凹槽、洗水真空凹槽、壓縮空氣凹槽，分別將動(dòng)盤的18個(gè)孔道分成三個(gè)通道)；

金屬網(wǎng)；濾布；濾漿槽。工作過程轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖動(dòng)盤定盤轉(zhuǎn)筒金屬網(wǎng)濾布濾餅攪拌器洗滌噴頭料漿槽刮刀（2）轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)（rotary-drumvacuumfilter）110987654321817161514131112動(dòng)盤轉(zhuǎn)筒及分配頭的結(jié)構(gòu)工作過程定盤18格分成6個(gè)工作區(qū)1區(qū)(1~7格)：過濾區(qū)；2區(qū)(8~10格)：濾液吸干區(qū)；3區(qū)(12~13格)：洗滌區(qū)；4區(qū)(14格)：洗后吸干區(qū)；5區(qū)(16格)：吹松卸渣區(qū)；6區(qū)(17格)：濾布再生區(qū)。過濾區(qū)(1~2區(qū))，f槽;洗滌區(qū)(3~4區(qū))，g槽

;干燥卸渣區(qū)(5~6區(qū))，h

槽;f槽h槽g槽自動(dòng)連續(xù)操作；適用于處理量大，固體顆粒含量較多的濾漿；真空下操作，其過濾推動(dòng)力較低(最高只有1atm)，對(duì)于濾餅阻力較大的物料適應(yīng)能力較差。

轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，藉分配頭的作用，能使轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)一周的過程中，每個(gè)小過濾室可依次進(jìn)行過濾、洗滌、吸干、吹松卸渣等項(xiàng)操作。整個(gè)轉(zhuǎn)筒圓周在任何瞬間都劃分為:特點(diǎn)：工作過程

過濾區(qū);洗滌區(qū);干燥卸渣區(qū)。結(jié)構(gòu)：1）懸筐式離心機(jī)(suspended-basketcentrifuge)

轉(zhuǎn)鼓濾餅濾布濾網(wǎng)離心過濾機(jī)工作原理圖轉(zhuǎn)鼓(上有小孔，亦稱懸框)；濾網(wǎng)；濾布；機(jī)架。

原理：

由于離心力作用，液體產(chǎn)生徑向壓差，通過濾餅、濾網(wǎng)及濾筐而流出。（3）離心過濾機(jī)（centrifugalfilter）過濾方程及壓力的計(jì)算采用恒壓過濾方程式：(q+qe)2=K(+e)A——過濾面積，m2；H——轉(zhuǎn)筒高度，m;R——轉(zhuǎn)筒半徑，m；p——過濾推動(dòng)力，Pa。r——任意處濾餅半徑，m。

在離心力作用下液體沿加料斗的錐形面流動(dòng)，均勻地沿圓周分散到濾筐的過濾段。濾液透過濾網(wǎng)而形成濾渣層。活塞推渣器與加料斗一齊作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將濾渣間斷地沿著濾筐內(nèi)表面向排渣口排出。排渣器的往復(fù)運(yùn)動(dòng)是先向前推，馬上后退，經(jīng)過一段時(shí)間形成一定厚度的濾渣層后，再次向前推，如此重復(fù)進(jìn)行推渣。分離因數(shù)約為300～700，其生產(chǎn)能力大，適用于分離固體顆粒濃度較濃、粒徑較大（0.1~5mm）的懸浮液，在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。工作原理：特點(diǎn)：（4）往復(fù)活塞推渣離心機(jī)（reciprocating-pushercentrifuge）離心力自動(dòng)卸料離心機(jī)，又稱為錐籃離心機(jī)

結(jié)構(gòu)：如圖工作過程：

料漿濾液濾渣轉(zhuǎn)鼓濾餅濾布濾網(wǎng)洗滌料漿進(jìn)入錐形濾筐底部，靠離心力甩向?yàn)V筐；液相通過濾布，固相被截留。濾渣克服摩擦阻力，沿濾筐向上移動(dòng)，經(jīng)過洗滌段和干燥段。最后從頂端排出。（5）離心力自動(dòng)卸渣離心機(jī)（conicalbasketcentrifuge）特點(diǎn)：離心力,F重力,mg摩擦力,f支承力,Nxy結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，功率消耗小。對(duì)懸浮液的濃度和固體顆粒大小的波動(dòng)敏感。生產(chǎn)能力較大，分離因數(shù)約為2000，可分離固體顆粒濃度較濃、粒度為0.04~1mm的懸浮液。在各種結(jié)晶產(chǎn)品的分離中廣泛應(yīng)用。

為什么會(huì)自動(dòng)卸料？設(shè)備名稱主要結(jié)構(gòu)工作過程特點(diǎn)、適用性生產(chǎn)能力計(jì)算板框壓濾機(jī)濾板、濾框、夾緊機(jī)構(gòu)、機(jī)架裝合、過濾、洗滌、卸渣、整理加壓過濾，推動(dòng)力較大結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低；過濾面積大，能耗少；讀為間歇操作，推動(dòng)力較大；洗滌時(shí)間長，生產(chǎn)效率低。應(yīng)用范圍廣。對(duì)原料的適應(yīng)性強(qiáng)轉(zhuǎn)鼓真空過濾機(jī)轉(zhuǎn)筒(濾網(wǎng)、濾布)、分配頭、濾漿槽過濾、洗滌、吹干、卸渣真空過濾，推動(dòng)力較?。贿B續(xù)化生產(chǎn)，自動(dòng)化程度高，推動(dòng)力小，濾餅濕度大，設(shè)備投資高適于粒度中等，粘度不太大的物料離心過濾機(jī)轉(zhuǎn)鼓(濾網(wǎng)、濾布)、機(jī)架過濾、洗滌、卸渣等離心過濾，推動(dòng)力最大；濾液濕度小。應(yīng)用廣泛，適應(yīng)性強(qiáng)。儀設(shè)備成本高，過濾面積小。(q+qe)2=K(+e)幾種過濾設(shè)備的比較式中V——過濾終了時(shí)所得濾液體積，m3由恒壓過濾方程知，過濾終了時(shí)的過濾速率為：洗滌速率：單位時(shí)間內(nèi)消耗的洗滌液體積。

由于洗滌液中不含固相，洗滌過程中濾餅厚度不變。若在恒壓下洗滌，則它既是恒壓洗滌又是恒速洗滌。4.2.9過濾機(jī)的生產(chǎn)

(1)

洗滌速率的計(jì)算若洗滌液粘度和洗滌時(shí)的壓差與濾液粘度和過濾壓差相比差異較大，則應(yīng)校正，校正后的洗滌速率為若洗滌用的壓差與過濾相同，洗滌液粘度與濾液粘度大致相等：

對(duì)于轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)，洗滌速率與過濾終了速率相等對(duì)于板框過濾機(jī)，洗滌速率等于過濾終了速率的1/4生產(chǎn)能力:單位時(shí)間內(nèi)獲得的濾液體積。對(duì)于間歇過濾機(jī)，一個(gè)過濾循環(huán)包括過濾、洗滌、卸渣、清理、重裝等步驟。通常把卸渣、清理、重裝等所用的時(shí)間合在一起稱為輔助時(shí)間D

。一個(gè)循環(huán)時(shí)間T=+W+D

。其中只有過濾時(shí)間真正用于過濾。(2)間歇過濾機(jī)的生產(chǎn)能力式中V——一個(gè)操作循環(huán)內(nèi)所獲得的濾液體積，m3；

Q——生產(chǎn)能力，m3/h；

T——一個(gè)循環(huán)時(shí)間。

T=+W+D

如果以濾液量Q表示生產(chǎn)能力，則有

浸沒度ψ

：轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)的轉(zhuǎn)筒表面浸入濾漿中的分?jǐn)?shù)

以轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)為例，轉(zhuǎn)筒在任何時(shí)候總有一部分表面浸沒在濾漿中進(jìn)行過濾。

有效過濾時(shí)間θ：某一瞬時(shí)開始進(jìn)入濾漿中的轉(zhuǎn)筒表面，經(jīng)過過濾區(qū)，最后從濾漿中出來，這一段時(shí)間為該表面旋轉(zhuǎn)一周的有效過濾時(shí)間。(3)連續(xù)過濾機(jī)的生產(chǎn)能力由于轉(zhuǎn)筒式真空過濾機(jī)為恒壓操作，則有轉(zhuǎn)鼓每轉(zhuǎn)一周得到的濾液體積為：(V+Ve)2=KA2(θ+θe)

過濾時(shí)間

為:

假設(shè)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為nr/min，則轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為:T=60/n按每小時(shí)計(jì)的濾液生產(chǎn)能力為：若忽略濾布阻力，則θe=0、Ve=0，則上式簡化為：

注意：提高轉(zhuǎn)速可增加生產(chǎn)能力，但若轉(zhuǎn)速太高，則每周期中過濾時(shí)間減至很短，濾餅層很薄，難于卸除，也不利于洗滌，而且功率消耗大，反而不經(jīng)濟(jì)。合適的轉(zhuǎn)速需由實(shí)驗(yàn)確定，以得到合適厚度的濾餅，使成本最低。例：以某板框式壓濾機(jī)在恒壓條件下過濾含硅藻土的懸浮夜。過濾機(jī)的濾框尺寸為810×810×25(mm)，共有37個(gè)框。已測出過濾常數(shù)K=10-4m2/s，qe=0.01m3/m2，e=1s。若已知單位面積上通過的濾液量為0.15m3/m2，所用洗水量為濾液量的1/5。求：

1)過濾面積和濾框內(nèi)的總?cè)萘浚?/p>

2)過濾所需的時(shí)間；

3)洗滌時(shí)間；

4)生產(chǎn)能力Q(td=15min)。解：1)過濾面積A=2LBZ=2×0.81×0.81×37=48.6m2

濾框總?cè)莘e

Vz=LBZ=0.81×0.81×0.025×37=0.607m3

2)過濾時(shí)間3)洗滌時(shí)間4)生產(chǎn)能力(q+qe)2=K(+e)(0.15+0.01)2=10-4(+1)

=255sw=8(q+qe)qw/5K=8×(0.15+0.01)×0.15/(5×10-4)=348s

例：用轉(zhuǎn)鼓真空過濾機(jī)過濾某種懸浮液，料漿處理量為20m3/h。已知每得1m3濾液可得濾餅0.04m3，要求轉(zhuǎn)筒的浸沒度為0.35，過濾表面上濾餅厚度不低于5mm?，F(xiàn)測得過濾常數(shù)為K=8×10-4m2/s，qe=0.01m3/m2。試求過濾機(jī)的過濾面積和轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)速。解：以1min為基準(zhǔn)，v=0.04,=0.35

濾餅體積0.321×0.04=0.01284m3/min將n及

代入上式，得：A=2.771m2

n=0.927r/min110987654321817161514131112定盤動(dòng)盤轉(zhuǎn)筒及分配頭的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)

定義：沉降力場：重力、離心力。

在某種力場的作用下，利用分散物質(zhì)與分散介質(zhì)的密度差異，使之發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而分離的單元操作。

沉降操作分類：重力沉降、離心沉降。4.3

沉降圖流體繞過顆粒的流動(dòng)uFdFd與顆粒運(yùn)動(dòng)的方向相反

當(dāng)流體相對(duì)于靜止的固體顆粒流動(dòng)時(shí)，或者固體顆粒在靜止流體中移動(dòng)時(shí)，由于流體的粘性，兩者之間會(huì)產(chǎn)生作用力，這種作用力通常稱為曳力（dragforce)或阻力。只要顆粒與流體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生阻力。對(duì)于一定的顆粒和流體，只要相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度相同，流體對(duì)顆粒的阻力就一樣。4.3.1顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力

ρ——流體密度；μ——流體粘度；

dp——顆粒的當(dāng)量直徑；

A——顆粒在運(yùn)動(dòng)方向上的投影面積；

u——顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。

——阻力系數(shù)，是雷諾數(shù)Re的函數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定。顆粒所受的阻力Fd可用下式計(jì)算

層流區(qū)（斯托克斯Stokes區(qū)，10-4<Re<1）

注意：其中斯托克斯區(qū)的計(jì)算式是準(zhǔn)確的，其它兩個(gè)區(qū)域的計(jì)算式是近似的。過渡區(qū)（艾侖Allen區(qū)，1<Re<103）湍流區(qū)（牛頓Newton區(qū)，103<Re<105）圖中曲線大致可分為三個(gè)區(qū)域，各區(qū)域的曲線可分別用不同的計(jì)算式表示為：

自由沉降（freesettling）：

單個(gè)顆粒在流體中沉降，或者顆粒群在流體中分散得較好而顆粒之間互不接觸互不碰撞的條件下沉降。

4.3.2重力沉降

重力沉降(gravitysettling)：由地球引力作用而發(fā)生的顆粒沉降過程，稱為重力沉降。

(1)沉降速度

球形顆粒的自由沉降根據(jù)牛頓第二定律，顆粒的重力沉降運(yùn)動(dòng)基本方程式應(yīng)為:u重力

Fg阻力

Fd浮力

Fbp為顆粒密度

隨著顆粒向下沉降，u逐漸增大，du/d

逐漸減少。

當(dāng)u增到一定數(shù)值ui時(shí)，du/d=0。顆粒開始作勻速沉降運(yùn)動(dòng)。上式表明：顆粒的沉降過程分為兩個(gè)階段：沉降速度（terminalvelocity）

：也稱為終端速度，勻速階段顆粒相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度。

當(dāng)du/d

=0時(shí)，令u=ut，則可得沉降速度計(jì)算式加速階段；勻速階段。

將不同流動(dòng)區(qū)域的阻力系數(shù)分別代入上式，得球形顆粒在各區(qū)相應(yīng)的沉降速度分別為：

層流區(qū)（Re<1）過渡區(qū)（1<Re<500）湍流區(qū)（500<Re<105）ut與dp有關(guān)。dp愈大，ut則愈大。層流區(qū)與過渡區(qū)中，ut還與流體粘度有關(guān)。液體粘度約為氣體粘度的50倍，故顆粒在液體中的沉降速度比在氣體中的小很多。假設(shè)流體流動(dòng)類型；計(jì)算沉降速度；計(jì)算Re，驗(yàn)證與假設(shè)是否相符；如果不相符，則轉(zhuǎn)①。如果相符，OK!求沉降速度通常采用試差法。(2)沉降速度的求法：

例：計(jì)算直徑為95m，密度為3000kg/m3的固體顆粒分別在20℃的空氣和水中的自由沉降速度。計(jì)算Re，核算流型：假設(shè)正確，計(jì)算有效。解：在20℃的水中：20℃水的密度為998.2kg/m3，粘度為1.005×10-3Pas

先設(shè)為層流區(qū)。

1)顆粒直徑dp:應(yīng)用：啤酒生產(chǎn)，采用絮狀酵母，dp↑→ut↑↑，使啤酒易于分離和澄清。均質(zhì)乳化，dp↓→ut↓↓，使飲料不易分層。加絮凝劑，如水中加明礬。2)連續(xù)相的粘度：應(yīng)用：加酶：清飲料中添加果膠酶，使

↓→ut↑，易于分離。增稠：濃飲料中添加增稠劑，使

↑→ut↓，不易分層。加熱：3)兩相密度差(

p-)：(3)影響沉降速度的因素(以層流區(qū)為例)

4)

顆粒形狀在實(shí)際沉降中：非球形顆粒的形狀可用球形度s

來描述。s——球形度；S——顆粒的表面積，m2；Sp——與顆粒體積相等的圓球的表面積，m2。

不同球形度下阻力系數(shù)與Re的關(guān)系見課本圖示，Re中的dp用當(dāng)量直徑de代替。球形度s越小，阻力系數(shù)

越大，但在層流區(qū)不明顯。ut非球<ut球。對(duì)于細(xì)微顆粒(d<0.5m)，應(yīng)考慮分子熱運(yùn)動(dòng)的影響，不能用沉降公式計(jì)算ut；沉降公式可用于沉降和上浮等情況。注意：6)干擾沉降（hinderedsettling）：

當(dāng)非均相物系中的顆粒較多，顆粒之間相互距離較近時(shí)，顆粒沉降會(huì)受到其它顆粒的影響，這種沉降稱為干擾沉降。干擾沉降速度比自由沉降的小。5)壁效應(yīng)

(walleffect)

：

當(dāng)顆粒在靠近器壁的位置沉降時(shí)，由于器壁的影響，其沉降速度較自由沉降速度小，這種影響稱為壁效應(yīng)。

降塵室：利用重力降分離含塵氣體中塵粒的設(shè)備。是一種最原始的分離方法。一般作為預(yù)分離之用，分離粒徑較大的塵粒。降塵室的示意圖(4)降塵室

工作過程假設(shè)顆粒運(yùn)動(dòng)的水平分速度與氣體的流速

u相同；停留時(shí)間＝l/u沉降時(shí)間t＝H/ut

顆粒分離出來的條件是

l/u≥H/utlHb凈化氣體含塵氣體u

ut降塵室的計(jì)算

即：滿足L/u＝H/ut

條件的粒徑當(dāng)含塵氣體的體積流量為Vs時(shí)，

u=Vs/Hb故與臨界粒徑dpc相對(duì)應(yīng)的臨界沉降速度為utc=Vs/

blut≥Vs/lb則有或Vs≤

blut

臨界沉降速度utc是流量和面積的函數(shù)。臨界粒徑dpc（criticalparticlediameter）：能100％除去的最小粒徑。當(dāng)塵粒的沉降速度小，處于斯托克斯區(qū)時(shí)，臨界粒徑為一定粒徑的顆粒，沉降室的生產(chǎn)能力只與與底面積bl和utc有關(guān)，而與H無關(guān)。故沉降室應(yīng)做成扁平形，或在室內(nèi)均勻設(shè)置多層隔板。氣速u不能太大，以免干擾顆粒沉降，或把沉下來的塵粒重新卷起。一般u不超過3m/s。由此可知：

當(dāng)降塵室用水平隔板分為N層，則每層高度為H/N。水平速度u不變。此時(shí)：多層隔板降塵室示意圖

含塵氣體粉塵隔板凈化氣體塵粒沉降高度為原來的1/N倍；utc降為原來的1/N倍(utc=Vs/

bl)

；臨界粒徑為原來的

倍()；一般可分離20μm以上的顆粒。多層隔板降塵室排灰不方便。繼續(xù)例：用高2m、寬2.5m、長5m的重力降塵室分離空氣中的粉塵。在操作條件下空氣的密度為0.799kg/m3，粘度為2.53×10-5Pa·s，流量為5.0×104m3/h。粉塵的密度為2000kg/m3。試求粉塵的臨界直徑。解：與臨界直徑對(duì)應(yīng)的臨界沉降速度為假設(shè)流型屬于過渡區(qū)，粉塵的臨界直徑為校核流型故屬于過渡區(qū)，與假設(shè)相符。

Vs≤

blut

1)計(jì)算ut：2)確定低面積和b,l：3)確定沉降距離H已知含塵氣體的流量，粉塵的排放標(biāo)準(zhǔn)，氣固兩相的物理參數(shù)。沉降室的設(shè)計(jì)計(jì)算沉聚（sedimentation）：懸浮液放在大型容器里，其中的固體顆粒在重力下沉降，得到澄清液與稠漿的操作。澄清：當(dāng)原液中固體顆粒的濃度較低，而為了得到澄清液時(shí)的操作，所用設(shè)備稱為澄清器（clarifier）。增稠器（thickener）：從較稠的原液中盡可能把液體分離出來而得到稠漿的設(shè)備。

(5)懸浮液的沉聚

1)增稠器

溶膠：含有顆粒大小會(huì)直徑小于1μm的液體。為了促進(jìn)細(xì)小顆粒絮凝成較大顆粒以增大沉降速度，可往溶膠中加入少量電解質(zhì)。絮凝劑（coagulant）：凡能促進(jìn)溶膠中微粒絮凝的物質(zhì)。常用絮凝劑明礬、三氧化鋁、綠礬（硫酸亞鐵）、三氯化鐵等。一般用量為40～200ppm（質(zhì)量）。2)絮凝劑

如果以R為轉(zhuǎn)鼓半徑，則K值可作為衡量離心機(jī)分離能力的尺度。分離因素的極值與轉(zhuǎn)動(dòng)部件的材料強(qiáng)度有關(guān)。

離心分離因素（separationfactor）K：離心力與重力比。

K=Rω

2/g4.4

離心沉降（centrifugalsettling）依靠離心力的作用，使流體中的顆粒產(chǎn)生沉降運(yùn)動(dòng)，稱為離心沉降。4.4.1離心分離因數(shù)顆粒在離心力場中沉降時(shí)，在徑向沉降方向上受力分析。若這三個(gè)力達(dá)到平衡，則有u離心力

Fc阻力

Fd浮力

Fb顆粒在離心力場中的受力分析4.4.2離心沉降速度

注：在一定的條件下，重力沉降速度是一定的，而離心沉降速度隨著顆粒在半徑方向上的位置不同而變化。離心沉降速度：顆粒在徑向上相對(duì)于流體的速度，就是這個(gè)位置上的離心沉降速度。

在離心沉降分離中，當(dāng)顆粒所受的流體阻力處于斯托克斯區(qū)，離心沉降速度為:

旋風(fēng)分離器是利用離心力作用凈制氣體的設(shè)備。

其結(jié)構(gòu)簡單，制造方便；分離效率高；可用于高溫含塵氣體的分離；特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)：外圓筒；內(nèi)圓筒；錐形筒。4.4.3旋風(fēng)分離器(cycloneseparator)含塵氣體從圓筒上部長方形切線進(jìn)口進(jìn)入。入口氣速約為15～20m/s。含塵氣體沿圓筒內(nèi)壁作旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。顆粒的離心力較大，被甩向外層，氣流在內(nèi)層。氣固得以分離。在圓錐部分，旋轉(zhuǎn)半徑縮小而切向速度增大，氣流與顆粒作下螺旋運(yùn)動(dòng)。在圓錐的底部附近，氣流轉(zhuǎn)為上升旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，最后由上部出口管排出；固相沿內(nèi)壁落入灰斗。外圓筒內(nèi)圓筒錐形筒切向入口關(guān)風(fēng)器(防止空氣進(jìn)入)含塵氣體固相凈化氣體外螺旋內(nèi)螺旋工作過程

ui——進(jìn)口氣流的流速，m/sB——入口寬度(沉降距離)，mN——?dú)饬餍D(zhuǎn)的圈數(shù)。

計(jì)算時(shí)通常取N=5。臨界粒徑：能夠100％除去的最小粒徑。

若在各種不同粒徑的塵粒中，有一種粒徑的塵粒所需沉降時(shí)間I等于停留時(shí)間，則該粒徑就是理論上能完全分離的最小粒徑，即臨界粒徑，用dpc表示。

設(shè)計(jì)計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器的尺寸H1H2S

BD

D1hui

氣體通過旋風(fēng)分離器的壓力損失，可用進(jìn)口氣體動(dòng)壓的某一倍數(shù)表示為：式中的阻力系數(shù)用下式計(jì)算：壓力損失圓筒直徑一般為200～800mm，有系列尺寸。進(jìn)口速度一般為15～20m/s。壓力損失約為1～2kPa。分離的顆粒直徑約為>5m，dpc50=1~2m。主要技術(shù)參數(shù)例：溫度為20℃，壓力為0.101Mpa，流量為2.5m3/s的含塵空氣，用標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器除塵。粉塵密度為2500kg/m3，試計(jì)算臨界粒徑。選擇合適的旋風(fēng)分離器，使之能100%的分離出6.5m以上的粉塵。并計(jì)算壓損。解：

20℃，0.101Mpa時(shí)空氣的：

=1.21kg/m3，=1.81×10-5Pas1、確定進(jìn)口氣速：ui=20m/s(15-20m/s)2、計(jì)算D和b：流量V=Aui=Bhu

B=D/5,h=3D/5

2.5=(D/5)×(3D/5)×20D=1.041m

取D=1100mm

旋風(fēng)分離器的選用此時(shí)3、

求dpc

4、求p5、

求D，使dpc=6.5mB=0.175，D=5B，h=3D/5=3B=0.525，取ui=17m/sx=1.6，取x=2D=5B=0.875，取D=800mm6、

校核所以，所選分離器適用。由

V=bhu，b=D/5，h=3D/5，得

用標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器出去氣流中所含的固體顆粒。已知固體密度為1100kg/m3，粒徑為4.5m，氣體密度為1.2kg/m3，粘度為1.8×10-5Pas，流量為.40m3/s，允許壓強(qiáng)降為1780Pa。試選擇合適的分離器。

習(xí)題由于分離器各部分的尺寸都是D的倍數(shù)，所以只要進(jìn)口氣速ui相同，不管多大的旋風(fēng)分離器，其壓力損失都相同。壓力損失相同時(shí)，小型分離器的b=D/5值較小，則小型分離器的臨界粒徑較小。旋風(fēng)分離器的使用

雙聯(lián)四聯(lián)

用若干個(gè)小旋風(fēng)分離器并來代替一個(gè)大旋風(fēng)分離器，可以提高分離效率?；覊m凈化氣體含塵氣體結(jié)構(gòu)

濾袋、骨架、機(jī)殼、清灰裝置、灰斗、排灰閥。2.工作過程含塵氣體進(jìn)入袋濾器；氣體通過濾袋，經(jīng)頂部排出；灰塵被截留；聚集一定厚度灰塵后，壓縮空氣通入，濾袋振動(dòng)，灰塵落下；灰塵經(jīng)過排灰閥排除。

壓縮空氣骨架濾袋機(jī)殼清灰裝置排灰閥灰斗清灰原則及時(shí)清灰；不徹底清灰。袋濾器

含塵氣體的分離系統(tǒng)>40~50m>5m，dpc50=1~2m0.5m達(dá)90%灰塵含塵氣體凈化氣體灰塵灰塵重力沉降室旋風(fēng)分離器袋濾器離心風(fēng)機(jī)

利用離心力的作用，使懸浮液中固體顆粒增稠或使粒徑不同及密度不同的顆粒進(jìn)行分級(jí)。結(jié)構(gòu)和工作原理：

與旋風(fēng)分離器相似。4.4.5旋液分離器(hydrauliccyclone)懸浮液從圓筒上部的切向進(jìn)口進(jìn)入器內(nèi)，旋轉(zhuǎn)向下流動(dòng)。工作過程：液流中的顆粒受離心力作用，沉降到器壁，并隨液流下降到錐形底的出口，成為較稠的懸浮液而排出，稱為底流。澄清的液體或含有較小較輕顆粒的液體，則形成向上的內(nèi)旋流，經(jīng)上部中心管從頂部溢流