非均相物系分離

關(guān)于非均相物系分離

本章學(xué)習(xí)要求：1本章學(xué)習(xí)目的通過本章的學(xué)習(xí)，要重點(diǎn)掌握沉降和過濾這兩種機(jī)械分離操作的原理、過程計(jì)算、典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)與特性。2本章應(yīng)掌握的內(nèi)容

a

沉降分離（包括重力沉降和離心沉降）的原理、過程計(jì)算。

b

過濾操作的原理、過濾的計(jì)算第2頁,共47頁，2024年2月25日，星期天均相混合物：物系內(nèi)部各處物料性質(zhì)均勻而不存在相界面（如溶液、混合氣體等）。非均相混合物：物系內(nèi)部有隔開兩相的界面存在而界面兩側(cè)的物料性質(zhì)截然不同（含塵氣體、含霧氣體、懸浮液、乳濁液、泡沫液等）。沉降操作：依靠某種力的作用，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)而分離的過程。機(jī)械分離方法（按流動(dòng)方式不同）：沉降和過濾。沉降作用力：重力（重力沉降）和慣性離心力（離心沉降）。第3頁,共47頁，2024年2月25日，星期天3.1概述1流體對(duì)固體顆粒的繞流2懸浮液的形成含有固體顆粒的液體稱為懸浮液。生產(chǎn)中液固分離的目的：得到含液量比較少的固體產(chǎn)品，即低的液體損失率；或得到含固體顆粒比較少的清液，即低的固體損失率。第4頁,共47頁，2024年2月25日，星期天3.2沉降分離沉降概述沉降分離是常見的液固分離方法。沉降分離：以顆粒和液體間的密度差為基礎(chǔ)的分離方法。沉降過程自由沉降:顆粒間相互影響可忽略（稀懸浮液初期沉降）干擾沉降:顆粒間相互影響不能忽略（濃懸浮液中期）壓縮沉降:顆粒已沉降在一起，靠顆粒自身重量將間隙中的液體擠出，顆粒層壓縮（沉降末期）第5頁,共47頁，2024年2月25日，星期天球形顆粒的自由沉降阻力系數(shù)ζ影響沉降速度的因素沉降速度的計(jì)算重力沉降是利用流體中的固體顆粒受地球吸引力場(chǎng)的作用而發(fā)生的沉降過程3.2.1重力沉降第6頁,共47頁，2024年2月25日，星期天顆粒在流體中受到三個(gè)力的作用，如下所示：

曳力Fd質(zhì)量力Fg

浮力Fb

Fg=mg

（重力），或Fg=mac（離心力）Fb=m

g/

p

式中

為曳力系數(shù)3.2.1.1球形顆粒的自由沉降顆粒在沉降過程中的受力分析第7頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，顆粒所受三個(gè)力的合力應(yīng)等于顆粒的質(zhì)量與加速度的乘積，即將表面光滑的剛性球形顆粒置于靜止的流體介質(zhì)中，若顆粒的密度大于流體的密度，則顆粒將在流體中降落或由此可得沉降速度第8頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

阻力系數(shù)ζ根據(jù)阻力隨顆粒雷諾數(shù)變化的規(guī)律，可分為三個(gè)區(qū)域：滯流區(qū)或斯托克斯定律區(qū)（10-4<Rep<2)過渡區(qū)或艾侖定律區(qū)（1<Rep<103）一般用于粒徑小于50μm的顆粒第9頁,共47頁，2024年2月25日，星期天湍流區(qū)或牛頓定律區(qū)（103<Ret<2×105）一般用于粒徑大于1.5mm的顆粒第10頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

影響沉降速度的因素1.顆粒的體積濃度當(dāng)顆粒的體積濃度小于0.2%時(shí)，理論計(jì)算值的偏差在1%以內(nèi)，當(dāng)顆粒濃度較高時(shí)便發(fā)生干擾沉降2.器壁效應(yīng)3.顆粒形狀的影響當(dāng)容器尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒尺寸時(shí)，器壁效應(yīng)可忽略，否則需加以考慮同一種固體物質(zhì)，球形或近球形顆粒比同體積非球形顆粒的沉降快一些。第11頁,共47頁，2024年2月25日，星期天試差法由于在計(jì)算出ut之前Rep的大小未知，因此要通過試差確定應(yīng)該選取的計(jì)算公式。即：先假設(shè)沉降屬于某一流型，則可直接選用與該流型相應(yīng)的沉降速度公式計(jì)算，然后按求出的ut檢驗(yàn)Ret值是否在原假設(shè)的流型范圍內(nèi)。摩擦數(shù)群法該法是將ζ與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線加以轉(zhuǎn)換，使其兩個(gè)坐標(biāo)軸之一變成不包含ut的無量綱數(shù)群，進(jìn)而便可得ut

沉降速度的計(jì)算第12頁,共47頁，2024年2月25日，星期天（1）工作原理

氣體入室減速顆粒的沉降運(yùn)動(dòng)&隨氣體運(yùn)動(dòng)沉降運(yùn)動(dòng)時(shí)間<氣體停留時(shí)間分離3.3重力沉降設(shè)備3.3.1降塵室第13頁,共47頁，2024年2月25日，星期天①結(jié)構(gòu)

增稠器的構(gòu)造如右圖。主要是一個(gè)底部略成錐形的大直徑（數(shù)米～百米以上）淺槽（高度2.5～4m）。

料漿從中央進(jìn)料口送入液面下0.3-1.0m處，以小擾動(dòng)迅速分散到整個(gè)橫截面上，顆粒下沉，從等濃區(qū)

變濃區(qū)

沉聚區(qū)；在槽底緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)的耙把濃漿中的液體擠出去，并把沉渣聚攏到錐底的中央排渣口，以“底流”排出。清液向上流動(dòng)，即使夾帶顆粒粒，顆粒在澄清區(qū)還是有機(jī)會(huì)再沉降，使“溢流”的澄清液體保持清潔。

②工作原理

3.3.2增稠器（沉降槽）

第14頁,共47頁，2024年2月25日，星期天④改變沉降速度的方法

增稠器既可用于間歇操作或連續(xù)操作，具有澄清液體和增稠懸浮液雙重功能。適用于量大、濃度不高且顆粒不太細(xì)微的懸浮料漿，如污水、煤泥水處理等。工業(yè)上處理大量懸浮液時(shí)，一般采用連續(xù)式增稠器。

Ⅰ添加絮凝劑：

③應(yīng)用

Ⅱ改變操作條件：

一般采用添加少量電解質(zhì)或表面活性劑的方法，使細(xì)小顆粒凝聚或絮聚；

通常采用諸如：加熱、冷凍或震動(dòng)等方法，使顆粒的粒度或相界面積發(fā)生變化，從而提高或降低沉降速度。第15頁,共47頁，2024年2月25日，星期天過濾操作的基本概念過濾基本方程式，過濾常數(shù)的測(cè)定提高過濾生產(chǎn)能力的措施3.4過濾第16頁,共47頁，2024年2月25日，星期天利用重力或壓差使懸浮液通過多孔性過濾介質(zhì)，將固體顆粒截留，從而實(shí)現(xiàn)固-液分離的單元操作?？椢锝橘|(zhì)最常用的過濾介質(zhì)，工業(yè)上稱為濾布(網(wǎng))，由天然纖維、玻璃纖維、合成纖維或者金屬絲編織而成?？山亓舻淖钚☆w粒的直徑為5-65微米。多孔固體介質(zhì)具有很多微細(xì)孔道的固體材料，如多孔陶瓷、多孔金屬及多孔性塑料制成的管或板，能截留1-3μm的微小顆粒。堆積介質(zhì)由沙、木炭之類的固體顆粒堆積而成的床層，稱作濾床，用作過濾介質(zhì)使含少量懸浮物的液體澄清。多孔膜用于膜過濾的各種有機(jī)分子膜和無機(jī)材料膜。3.4.1過濾操作基本概念1、過濾2、過濾介質(zhì)第17頁,共47頁，2024年2月25日，星期天餅層過濾

固體物質(zhì)沉積于過濾介質(zhì)表面而形成濾餅層的操作，真正發(fā)揮截留顆粒作用的主要是濾餅本身，因此稱作餅層過濾。餅層過濾主要用于含固量較大（>1%）的場(chǎng)合。深層過濾

固體顆粒并不形成濾餅，而是沉積于較厚的粒狀對(duì)濾介質(zhì)床層內(nèi)部的過濾操作。深床過濾主要用于凈化含固量很少（<0.1%）流體，如水凈化等。3、餅層過濾與深床過濾第18頁,共47頁，2024年2月25日，星期天過濾操作示意圖過濾操作方式過濾操作分為間歇式與連續(xù)式。根據(jù)過濾推動(dòng)力的方式，又有加壓過濾、真空過濾和離心過濾4、過濾的操作第19頁,共47頁，2024年2月25日，星期天3.4.1.1物料衡算3.4.1過濾過程計(jì)算懸浮液中質(zhì)量分?jǐn)?shù)與體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系：V懸：為獲得濾液量V并形成厚度為L(zhǎng)的濾餅時(shí)所消耗的懸浮液總量（m3）；ε：為濾餅空隙率（m3）；L：濾餅厚度（m）；V：濾液量(m3)；q：通過單位面積的濾液總量(m3/m2)；Φ

:懸浮液固體體積分?jǐn)?shù)（m3固體/m3懸浮液）w:懸浮液固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)（Kg固體/Kg懸浮液）；第20頁,共47頁，2024年2月25日，星期天a:濾液通道細(xì)小曲折，形成不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；b:隨著過濾進(jìn)行，濾餅厚度不斷增加，流動(dòng)阻力逐漸增大，因而過濾屬非穩(wěn)態(tài)操作；C:細(xì)小而密集的顆粒層提供了很大的液固接觸面，濾液的流動(dòng)大都在滯流區(qū)。一、濾液的流動(dòng)3.4.1.2過濾基本方程1、濾液通過濾餅層流動(dòng)的特點(diǎn)第21頁,共47頁，2024年2月25日，星期天對(duì)于顆粒層不規(guī)則的通道可簡(jiǎn)化為長(zhǎng)度為L(zhǎng)的一組平行細(xì)管，細(xì)管長(zhǎng)度隨濾餅層的厚度而變，細(xì)管的當(dāng)量直徑可由床層的孔隙率和顆粒的比表面積來計(jì)算。ε

：床層的空隙率，m3/m3；a:顆粒比表面積，m2/m3;2、當(dāng)量長(zhǎng)度的計(jì)算第22頁,共47頁，2024年2月25日，星期天規(guī)定：1、細(xì)管的全部流動(dòng)空間等于床層的空隙容積。2、細(xì)管的內(nèi)表面積等于床層中顆粒的全部表面積。對(duì)于濾液通過平行細(xì)管的滯流流動(dòng)，可用泊謖葉方程加以描述：即或3、過濾基本方程u1

：濾液在床層孔道中的流速，m/s;u:濾液平均流速（按整個(gè)床層截面積計(jì)算）u1=u

/ε，m/sL:床層厚度，m；△Pc：壓強(qiáng)降，Pa;第23頁,共47頁，2024年2月25日，星期天過濾速率過濾速度單位時(shí)間獲得的濾液體積,m3/s。單位時(shí)間通過單位過濾面積上的濾液體積，m/s。若過濾過程中其他因素維持不變，則由于濾餅厚度不斷增加過濾速度會(huì)逐漸變小。任一瞬間的過濾速率應(yīng)寫成如下形式二、過濾速度與過濾速率第24頁,共47頁，2024年2月25日，星期天濾餅阻力過濾介質(zhì)三、過濾阻力r:濾餅的比阻，1/m2;R:濾餅阻力，1/m第25頁,共47頁，2024年2月25日，星期天過濾總過程為方便起見，假設(shè)過濾介質(zhì)對(duì)濾液流動(dòng)的阻力相當(dāng)于厚度為L(zhǎng)e的濾餅層的阻力，即則上式可寫為第26頁,共47頁，2024年2月25日，星期天用濾液體積來表示濾餅厚度：v:每獲得1m3濾液所形成的濾餅體積為vm3。則：同理：四、不可壓縮濾餅的過濾基本方程V:濾液體積，m3;Ve:過濾介質(zhì)的當(dāng)量體積，（如生成厚度為L(zhǎng)e的濾餅所應(yīng)獲得的濾液體積）,m3ν:濾餅體積與相應(yīng)的濾液體積之比，m3/m3第27頁,共47頁，2024年2月25日，星期天考慮濾餅的可壓縮性一般情況下s=0.2－0.8，不可壓縮濾餅s=0五、可壓縮濾餅的過濾基本方程第28頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

若過濾過程中保持過濾推動(dòng)力（壓差）不變，則稱為恒壓過濾。對(duì)于指定濾漿的恒壓過濾，K為常數(shù)。3.4.1.3恒壓過濾令則k:表征過濾物料特性的常數(shù)，m4/N.s；K：濾餅常數(shù)，m2/s(由物料特性及過濾壓強(qiáng)所決定的常數(shù))0－θe

0－Veθe-θ+θe

Ve－V+Ve令第29頁,共47頁，2024年2月25日，星期天若過濾介質(zhì)阻力可忽略不計(jì)，則以上兩式簡(jiǎn)化為：

則0－θe

0－Veθe-θ+θe

Ve－V+Ve第30頁,共47頁，2024年2月25日，星期天若過濾時(shí)保持過濾速度不變，則過濾過程為恒速過濾。若過濾介質(zhì)阻力可忽略不計(jì)，則以上兩式簡(jiǎn)化為：

對(duì)恒速過濾，有

或

3.4.1.4恒速過濾第31頁,共47頁，2024年2月25日，星期天恒壓下K、qe、θe的測(cè)定將恒壓過濾方程式微分得即在恒壓過濾條件下，θ/q

與

q

的函數(shù)關(guān)系是以

1/K

為斜率、2qe/K為截距的直線，實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同過濾時(shí)間單位過濾面積的累積濾液量

q，即可由上式回歸出

K

和

qe。3.4.1.5過濾常數(shù)的測(cè)定第32頁,共47頁，2024年2月25日，星期天θq0000然后在直角坐標(biāo)紙上從Δθ/Δq為縱坐標(biāo)，以q為橫坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)繪，可得到一斜率為2/K，截距為2qe/K的直線。求得第33頁,共47頁，2024年2月25日，星期天截距2qe/K斜率為1/K第34頁,共47頁，2024年2月25日，星期天壓縮性指數(shù)s的測(cè)定由過濾常數(shù)K的定義式

lgk與lg(△p)的關(guān)系在對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)繪時(shí)應(yīng)是直線,直線的斜率為1-s，截距為lg(2k)。由此可得到濾餅的壓縮性指數(shù)s及物料特性常數(shù)k。第35頁,共47頁，2024年2月25日，星期天板框壓濾機(jī)

板與框的結(jié)構(gòu)如右圖所示，四角均開有孔，組裝疊合后分別構(gòu)成濾漿通道、濾液通道和洗滌液通道。3.4過濾設(shè)備第36頁,共47頁，2024年2月25日，星期天濾漿由總管入框框內(nèi)形成濾餅濾液穿過餅和布經(jīng)每板上旋塞排出(明流)從板流出的濾液匯集于某總管排出(暗流)第37頁,共47頁，2024年2月25日，星期天橫穿洗滌：洗滌液由總管入板濾布濾餅濾布非洗滌板排出洗滌面積=(1/2)過濾面積洗滌液的行程（包括濾餅和濾布）=2終了時(shí)濾液行程的倍。洗滌速率=1/4過濾終了速率第38頁,共47頁，2024年2月25日，星期天第39頁,共47頁，2024年2月25日，星期天

葉濾機(jī)也是間歇操作設(shè)備，具有過濾推動(dòng)力大、單位地面所容納的過濾面積大、濾餅洗滌較充分等優(yōu)點(diǎn)。其生產(chǎn)能力比板框壓濾機(jī)大，而且機(jī)械化程度高，勞動(dòng)力較省，密閉過濾，操作環(huán)境較好。其缺點(diǎn)是構(gòu)造較復(fù)雜、造價(jià)較高。

葉濾機(jī)是由許多濾葉組成。濾葉為內(nèi)有金屬網(wǎng)的扁平框架，外包濾布，將濾葉裝在密閉的機(jī)殼內(nèi)（加壓式），為濾漿所浸沒。濾漿中液體在壓力差作用下穿過濾布進(jìn)入濾葉內(nèi)部，成為濾液從其周邊引出。過濾完畢，機(jī)殼內(nèi)改充清水，使水循著與濾液相同的路徑通過濾餅，進(jìn)行置換洗滌。

葉濾機(jī)第40頁,共47頁，2024年2月25日，星期天第41頁,共47頁，2024年2月25日，星期天3.5洗滌速率與洗滌時(shí)間葉濾機(jī)葉濾機(jī)洗水與過濾終了時(shí)的濾液流過路徑基本相同，洗滌面積與過濾面積也相同，所以洗滌速率與過濾速率大致相同洗滌時(shí)間第42頁,共47頁，2024年2月25日，星期天板框式過濾機(jī)洗滌面積=(1/2)過濾面積洗滌速率=1/4過濾終了速率第43頁,共47頁，2024年2月25日，星期天3.6過濾設(shè)備生產(chǎn)能力過濾機(jī)的生產(chǎn)能力：?jiǎn)挝粫r(shí)間的濾液體積或?yàn)V渣體積，