非均相物系分離-2.ppt

2019/7/17,第七章 非均相物系分離,一、過濾操作的基本概念 二、表面過濾基本理論 1、過濾基本方程 2、過濾過程的計算 3、過濾常數(shù)的測定 4、濾餅的洗滌 5、過濾機(jī)的生產(chǎn)能力 三、深層過濾的基本理論,過 濾,2019/7/17,第一節(jié) 過濾操作的基本概念,1、過濾的概念,過濾是分離液體和氣體非均相混合物的常用方法。 過濾 ： 混合物中的流體在推動力（重力、壓力、離心力)作用下,通過能讓液體流過而截留固體顆粒的多孔介質(zhì)（過濾介質(zhì)），使懸浮液中固液得到分離的單元操作。,濾漿：,通過多孔介質(zhì)的液體。,濾液：,被截留住的固體物質(zhì)。,濾渣（濾餅）：,過濾操作中所處理的懸浮液。,2019/7/17,2、過濾介質(zhì) 過濾介質(zhì)是濾餅的支承物，應(yīng)具有下列條件： a) 多孔性，孔道適當(dāng)?shù)男?，對流體的阻力小，又能截住要分離的顆粒。 b) 物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐熱，耐化學(xué)腐蝕。 c)足夠的機(jī)械強(qiáng)度，使用壽命長 d) 價格便宜 工業(yè)常用的過濾介質(zhì)主要有： a) 織物介質(zhì)：又稱濾布，包括有棉、毛、絲等天然纖維，玻璃絲和各種合成纖維制成的織物，以及金屬絲織成的網(wǎng) 能截留的粒徑的范圍較寬，從幾十m到1m,2019/7/17,優(yōu)點：織物介質(zhì)薄，阻力小，清洗與更新方便，價格比較便宜，是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的過濾介質(zhì)。 b)多孔固體介質(zhì)：如素?zé)沾桑瑹Y(jié)金屬塑料細(xì)粉粘成的多孔塑料，棉花餅等 這類介質(zhì)較厚，孔道細(xì)，阻力大，能截留13m的顆粒 c) 堆積介質(zhì)：由各種固體顆粒（砂、木炭、石棉粉等）或非編織的纖維（玻璃棉等）堆積而成，層較厚。 d) 多孔膜：由高分子材料制成，膜很?。◣资甿到200m），孔很小，可以分離小到0.05m的顆粒,應(yīng)用多孔膜的過濾有超濾和微濾。,2019/7/17,表面過濾（濾餅過濾） （見圖4-7a）過濾時懸浮液置于過濾介質(zhì)的一側(cè)。過濾介質(zhì)常用多孔織物，其網(wǎng)孔尺寸未必一定須小于被截留的顆粒直徑。在過濾操作開始階段，會有部分顆粒進(jìn)入過濾介質(zhì)網(wǎng)孔中發(fā)生架橋現(xiàn)象（圖4-7b），也有少量顆粒穿過介質(zhì)而混與濾液中。隨著濾渣的逐步堆積，在介質(zhì)上形成一個濾渣層，稱為濾餅。不斷增厚的濾餅才是真正有效的過濾介質(zhì)，而穿過濾餅的液體則變?yōu)榍鍍舻臑V液。通常，在操作開始階段所得到濾液是渾濁的，須經(jīng)過濾餅形成之后返回重濾。,3、過濾方式,2019/7/17,深層過濾 顆粒尺寸比介質(zhì)孔道小的多，孔道彎曲細(xì)長，顆粒進(jìn)入孔道后容易被截留。同時由于流體流過時所引起的擠壓和沖撞作用。顆粒緊附在孔道的壁面上。介質(zhì)表面無濾餅形成，過濾是在介質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行的。,2019/7/17,3、過濾方式,過濾,深層過濾,表面過濾（濾餅過濾）,適用于懸浮液中顆粒甚小且含量甚微（固相體積分率在0.1%以下）的場合 。 如水的凈化，煙氣除塵等。,適用于處理固相含量稍高（固相體積分率在1%以上）的懸浮液?；蛴糜谶^濾速度較慢、濾餅容易形成的情況。,2019/7/17,1）重力過濾 2）真空過濾 3）壓力差過濾 4）離心過濾,4、按促使流體流動的推動力分類,2019/7/17,5、助濾劑,濾餅,不可壓縮濾餅:,顆粒有一定的剛性，所形成的濾餅并不因所受的壓力差而變形 。,可壓縮濾餅:,顆粒比較軟，所形成的濾餅在壓差的作用下變形，使濾餅中的流動通道變小，阻力增大。,加入助濾劑：可減少可壓縮濾餅的流動阻力,增加過濾速率。 助濾劑是一種堅硬而形狀不規(guī)則的小顆粒，能形成結(jié)構(gòu)疏松而且?guī)缀跏遣豢蓧嚎s的濾餅。常用作助濾劑的物質(zhì)有：硅藻土、珍珠巖、炭粉、石棉粉等。,加入方法,預(yù)涂：,將助濾劑混在濾漿中一起過濾,用助濾劑配成懸浮液，在正式過濾前用它進(jìn)行過濾，在過濾介質(zhì)上形成一層由助濾劑組成的濾餅。,2019/7/17,第二節(jié) 表面過濾的基本理論 一、過濾基本方程式,1、濾液通過餅層的流動的過濾速度,過濾速度：單位時間通過單位過濾面積的濾液體積。,2019/7/17,2、過濾速度與推動力的關(guān)系為：(Darcy定律）,Rm：過濾介質(zhì)的過濾阻力，m-1 Rc：濾餅層的過濾阻力， m-1 ： 濾液黏度，Pas,2019/7/17,3、過濾介質(zhì)及濾餅的阻力,設(shè)過濾介質(zhì)和濾餅的厚度分別為 、L ，單位m；單位厚度的過濾介質(zhì)或濾餅的阻力用rm、r表示，稱之為過濾比阻。,則：Rm=rmLm; Rc=rL,2019/7/17,設(shè)想以一層厚度為 的濾餅來代替過濾介質(zhì)，,故上式可寫為,式中： 過濾介質(zhì)的當(dāng)量濾餅厚度，或稱為虛擬濾餅厚度，m; 在一定的操作條件下，以一定介質(zhì)過濾一定懸浮液時，Le為定值，但同一介質(zhì)在不同的過濾操作中，Le值不同。,2019/7/17,4、過濾基本方程式 濾餅厚度L與當(dāng)時已經(jīng)獲得的濾液體積V之間的關(guān)系為：,f濾餅體積與相應(yīng)的濾液體積之比，無因次，m3/m3 。 即每過濾得到1m3的濾液，產(chǎn)生的濾餅量為f m3。 同理 ：,Ve過濾介質(zhì)的當(dāng)量濾液體積，或稱虛擬濾液體積，m3 在一定的操作條件下，以一定介質(zhì)過濾一定的懸浮液時，Ve為定值，但同一介質(zhì)在不同的過濾操作中，Ve值不同。,2019/7/17,上式就可以寫成： 得：,過濾速率的一般關(guān)系式,可壓縮濾餅的情況比較復(fù)雜，它的比阻是兩側(cè)壓強(qiáng)差的函數(shù)，,s濾餅的壓縮性指數(shù)，無因次。s=01,對于不可壓縮濾餅，s=0。,2019/7/17,代入上式，過濾速率,過濾基本方程式,適用于可壓縮濾餅及不可壓縮濾餅。 對于不可壓縮濾餅，s=0。,2019/7/17,再用q、qe分別表示單位過濾面積的的濾液量和過濾介質(zhì)的虛擬濾液量，即：q=V/A,qe=Ve/A,得：,則有：,過濾基本方程式,表面過濾基本方程,表面過濾基本方程,2019/7/17,二、過濾過程的計算,（一）恒壓過濾：在恒定壓強(qiáng)差下進(jìn)行的過濾操作。 恒壓過濾時，濾餅不斷變厚致使阻力逐漸增加。但推動力P恒定，過濾速率逐漸變小。 對于一定的懸浮液，K可視為常數(shù)。,2019/7/17,積分得 ：,積分的邊界條件為： 過濾時間 濾液體積 0 t 0V,恒壓過濾方程式,同理可得：,2019/7/17,表明：恒壓過濾時，濾液體積與過濾時間的關(guān)系為拋物線方程,討論：1、當(dāng)過濾介質(zhì)阻力可忽略時,2、當(dāng)積分區(qū)域為t0t,V0V，則有：,2019/7/17,例：過濾一種固體顆粒體積分?jǐn)?shù)為0.1的懸浮液,濾餅含水的體積分?jǐn)?shù)為0.5,顆粒不可壓縮,經(jīng)實驗測定濾餅比阻為1.310-11m-2,水的粘度為1.010-3Pa.s。在壓強(qiáng)差恒為9.8104Pa的條件下過濾,假設(shè)濾布阻力可以忽略,試求： 1）每1m2過濾面積上獲得1.5m3濾液所需的過濾時間。 2）如將此過濾時間延長一倍,可再得濾液多少？ 解：1）過濾時間,2019/7/17,濾布阻力可忽略,2)求過濾時間加倍時的濾液量,2019/7/17,（二）恒速過濾,值得注意的是：恒速過濾過程中壓力降是變化的，因此過濾系數(shù)K隨時間而變化，式中的K應(yīng)是近似平均值。,2019/7/17,四、過濾常數(shù)的測定,1、恒壓下K、qe的測定 實驗原理：,對于一定恒壓下過濾的懸浮液，測出延續(xù)的時間及濾液的累計量q（按單位面積計）的數(shù)據(jù)，然后算出一系列的t與q的對應(yīng)值,作直線的斜率和截距可求。,2019/7/17,2019/7/17,2、壓縮性指數(shù)s的測定,lgk與lg(p)的關(guān)系在對數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)繪時應(yīng)是直線,直線的斜率為1-s。由此可得到濾餅的壓縮性指數(shù)s。,2019/7/17,五、濾餅的洗滌,濾餅洗滌的目的：為了回收濾餅里存留的濾液，或者凈化構(gòu)成濾餅顆粒。,1、洗滌速度 洗滌速度：,洗滌速率與過濾終了時的過濾速率有關(guān)，這個關(guān)系取決于濾液設(shè)備上采用的洗滌方式。,單位時間單位洗滌面積消耗的洗滌液容積 ，以 表示。,2019/7/17,葉濾機(jī)采用的置換洗滌法，洗水與過濾終了時的濾液流過的路徑就完全相同。 當(dāng)操作壓強(qiáng)差和洗水與濾液粘度相同時,板框過濾機(jī)采用的是橫穿洗滌法，洗水橫穿兩層濾布及整個厚度的濾餅，流徑長度約為過濾終了時濾液流動的兩倍。而供洗水流通的面積僅為過濾面積的一半。,2019/7/17,當(dāng)操作壓強(qiáng)差和洗水與濾液粘度相同時,當(dāng)洗水粘度、洗水表壓與濾液粘度、過濾壓強(qiáng)差有明顯差異時，所需的過濾時間可進(jìn)行校正。,2019/7/17,2、洗滌時間,2019/7/17,六、過濾機(jī)生產(chǎn)能力的計算,過濾機(jī)的生產(chǎn)能力 ：單位時間的濾液體積或濾渣體積，m3/s,1、間歇過濾機(jī)的生產(chǎn)能力 一個操作周期時間為：,生產(chǎn)能力為：,在間歇過濾機(jī)的生產(chǎn)中，總是力求獲得最大的生產(chǎn)能力，因此，對于間歇過濾過程來說，合理選擇每個循環(huán)中的過濾時間，可以得到最大的生產(chǎn)能力。,2019/7/17,。V由生產(chǎn)任務(wù)所定 若 但濾餅厚度 ，平均過濾速率 ， 一定， 的幅度， 。 平均過濾速率 ， ，但 ，而 一定且在一個周期內(nèi)所占比例 ， 幅度小于 的幅度， 從上面的分析可知，對恒定過濾每一操作周期中必定存在一最佳的過濾時間 使 最大。因此存在一個最佳操作周期 。,1、間歇過濾機(jī)的生產(chǎn)能力,2019/7/17,例：用一臺裝有26個BMS/625mm625mm26mm板框的壓濾機(jī)過濾一種含固體顆粒為25kg/m3的懸浮液，在過濾機(jī)入口處濾漿的表壓為3.39105Pa,已測得在此壓力下K=1.8610-4，qe=0.0282，所用濾布與實驗時的相同，料漿溫度為25， 每次過濾到濾餅充滿濾框為止，然后用清水洗滌濾餅，洗水溫度及表壓與濾漿相同，體積為濾液體積的8%，每次卸渣，清理，裝合等輔助操作時間為15min。已知固相顆粒密度為2930kg/m3，又測得濕濾餅的密度為1930kg/m3。求此板框壓濾機(jī)的生產(chǎn)能力，并討論此板框壓濾機(jī)是否在最佳操作狀態(tài)下操作。,2019/7/17,解：,總過濾面積,濾框總?cè)莘e,已知1m3濾餅的質(zhì)量為1930kg，其中含水x kg,水的密度按1000kg/m3考慮。,x=518kg,2019/7/17,1m3濾餅中固相顆粒質(zhì)量為1930-518=1412 kg 設(shè)每1m3濾液中含水ykg,y=991.5 kg,生成1m3濾餅所需的濾漿質(zhì)量為,生成1m3濾餅的濾液的質(zhì)量為：（57412-1930）=55482kg 濾液體積為:,2019/7/17,濾框全部充滿濾餅時的濾液體積為,過濾終了時單位面積濾液量為,代入,過濾終了時濾液的速率,2019/7/17,洗滌液體積,生產(chǎn)能力,2019/7/17,根據(jù)獲得最大生產(chǎn)能力的要求，輔助操作時間應(yīng)為,這就是說實際所用過濾時間太長，對這種懸浮液，為提高生產(chǎn)能力。過濾時間應(yīng)短些。,2019/7/17,若轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速為n r/s,轉(zhuǎn)筒回轉(zhuǎn)一周所用時間：,整個轉(zhuǎn)筒表面上任何一小塊過濾面積所經(jīng)歷的過濾時間為：,從生產(chǎn)能力的角度來看,一臺總過濾面積為A，浸沒角度為，轉(zhuǎn)速為n r/s的連續(xù)式轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)，與一臺同樣條件下操作的過濾面積為A，操作周期為T=1/n，每次過濾時間 的間歇式板框壓濾機(jī)是等效的。,2、連續(xù)過濾機(jī)的生產(chǎn)能力 浸沒度: 轉(zhuǎn)筒表面浸入濾漿中的分?jǐn)?shù)，以表示。 浸沒角度/360,2019/7/17,生產(chǎn)能力：,當(dāng)濾布阻力可以忽略不計時,其中：,D-轉(zhuǎn)筒直徑 L-轉(zhuǎn)筒的長度,轉(zhuǎn)速n愈高，浸沒度愈大，生產(chǎn)能力愈大。,轉(zhuǎn)筒每轉(zhuǎn)一周所得濾液的體積為：,2019/7/17,例：用轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)于50kPa真空度下過濾密度為1220kg/m3的某種水懸浮液，操作條件下的過濾常數(shù)K=5.210-6m2/s，過濾介質(zhì)的阻力可忽略不計。已知，每次獲得1m3濾液生成的濾渣中含有固相590kg，固相密度為2200kg/m3，轉(zhuǎn)筒直徑為1.75m，寬度為0.92m，轉(zhuǎn)筒浸沒度1/3，其轉(zhuǎn)速為0.5r/min，試求： 1) 過濾機(jī)的生產(chǎn)能力。 2) 轉(zhuǎn)筒表面最終濾餅厚度。,2019/7/17,解：,1）每小時所得濾液體積，即生產(chǎn)能力為：,2）要求濾餅厚度，應(yīng)先通過物量衡算求得濾餅體積與濾液體積之比 以1m3懸浮液為準(zhǔn)，設(shè)其中固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為xw,2019/7/17,所以過濾1m3懸浮液所得濾餅的固相質(zhì)量：,可得濾液體積為,濾餅體積為 1-0.6823=0.3177m3,每小時所得濾液體積為Q, 則轉(zhuǎn)筒每轉(zhuǎn)一周得濾餅體積,濾餅厚度,2019/7/17,第三節(jié).流體通過顆粒層的流動,3.1概述 3.2顆粒床層的特性 3.3流體通過固定床的壓降 3.4過濾原理及設(shè)備 3.5 過濾過程計算,2019/7/17,3.1概述,由眾多固體顆粒堆積而成的靜止的顆粒床層稱為固定床。許多化工操作都與流體通過固定床的流動有關(guān)，其中最常見的有： （1）固定床反應(yīng)器（組成固定床的是粒狀或片狀催化劑） （2）懸浮液的過濾（組成固定床的是懸浮液中的固定顆粒堆積而成的濾餅看作是固定床）,2019/7/17,3.2顆粒床層的特性,（1）床層空隙率 固定床層中顆粒堆積的疏密程度可用空隙率來表示，其定義如下： 的大小反映了床層顆粒的緊密程度，對流體流動的阻力有極大的影響。,2019/7/17,3.2顆粒床層的特性,(2)床層比表面 床層比表面 顆粒比表面 取 的床層考慮， ， 所以 此式是近似的，在忽略床層中固體顆粒相互接觸而彼此覆蓋使裸露的顆粒表面積減少時成立。,2019/7/17,3.3流體通過固定床的壓降,流體通過復(fù)雜的通道時的阻力（壓降）難以進(jìn)行理論計算，必須依靠實驗來解決問題。因此，在研究顆粒床層空隙中流體的流動過程時，通常采用簡化的流動模型來代替床層內(nèi)真實的流動過程。,2019/7/17,3.3.1顆粒床層的簡化模型,如圖，可以將實際的顆粒床層簡化為由許多相互平行的小孔道組成的管束，認(rèn)為流體流過顆粒床層的阻力與通過這些小孔道管束時的阻力相等。,2019/7/17,3.3流體通過固定床的壓降,3.3.1顆粒床層的簡化模型 （1）床層的簡化物理模型 單位體積床層所具有的顆粒表面積 和 床層空隙率 對流動阻力有決定性的作用。 規(guī)定： 細(xì)管的內(nèi)表面積等于床層顆粒的全部表面； 細(xì)管的全部流動空間等于顆粒床層的空隙體積。,2019/7/17,3.3.1顆粒床層的簡化模型,（2）流體壓降的數(shù)學(xué)模型 流體流過圓管的阻力損失數(shù)學(xué)描述： 體積流量 流體通過顆粒床層的空床流速為： 實際流速：,2019/7/17,3.3.1顆粒床層的簡化模型,（ 2）流體壓降的數(shù)學(xué)模型 式中 為單位床層高度的虛擬壓強(qiáng)差 當(dāng)床層不高，重力的影響可以忽略時 上式為流體通過固定床壓降的數(shù)學(xué)模型 ，未知的待定系數(shù) 稱為模型參數(shù) ，就其物理意義而言稱為固定床的流動摩擦系數(shù)。,2019/7/17,3.3.1顆粒床層的簡化模型,（3）模型的檢驗和模型參數(shù)的估值 當(dāng)床層雷諾數(shù) 時 ， 實驗數(shù)據(jù)符合下式 式中 稱為康采尼常數(shù) ，其值為5.0 。 的可能誤差不超過10%。 合理簡化得到康采尼方程,2019/7/17,3.3.1顆粒床層的簡化模型,從康采尼方程或歐根方程可看出，影響床層壓降的變量有三類： 操作變量 流體物性 和 床層特性 和 在上述因素中，影響最大的是空隙率,康采尼方程,2019/7/17,(4)流體在顆粒床層的流動速度符合康采尼方程,若令 r顆粒床層的比阻，即單位厚度床層的阻力。 則流動速度為：,2019/7/17,3.4 過濾設(shè)備,（1）結(jié)構(gòu)與工作原理：由多塊帶凸凹紋路的濾板和濾框交替排列于機(jī)架而構(gòu)成。板和框一般制成方形，其角端均開有圓孔，這樣板、框裝合，壓緊后即構(gòu)成供濾漿、濾液或洗滌液流動的通道?？虻膬蓚?cè)覆以濾布，空框與濾布圍成了容納濾漿和濾餅的空間。,3.4.1板框過濾機(jī),2019/7/17,3.4.1板框過濾機(jī),板和框的結(jié)構(gòu)如圖所示。懸浮液從框右上角的通道1（位于框內(nèi)）進(jìn)入濾框，固體顆粒被截留在框內(nèi)形成濾餅，濾液穿過濾餅和濾布到達(dá)兩側(cè)的板，經(jīng)板面從板的左下角旋塞排出。待框內(nèi)充滿濾餅，即停止過濾。如果濾餅需要洗滌，先關(guān)閉洗滌板下方的旋塞，洗液從洗板左上角的通道2（位于框內(nèi)）進(jìn)入，依次穿過濾布、濾餅、濾布，到達(dá)非洗滌板，從其下角的旋塞排出。,2019/7/17,3.4.1板框過濾機(jī),如果將非洗滌板編號為1、框為2、洗滌板為3，則板框的組合方式服從1232123之規(guī)律。組裝之后的過濾和洗滌原理如圖所示。,2019/7/17,3.4.1 板框過濾機(jī),濾液的排出方式有明流和暗流之分，若濾液經(jīng)由每塊板底部旋塞直接排出，則稱為明流（顯然，以上討論以明流為例）；若濾液不宜暴露于空氣中，則需要將各板流出的濾液匯集于總管后送走，稱為暗流。 說明： 板框壓濾機(jī)的操作是間歇的，每個操作循環(huán)由裝合、過濾、洗滌、卸渣、整理五個階段組成。 上面介紹的洗滌方法稱為橫穿洗滌法，其洗滌面積為過濾面積的1/2，洗滌液穿過的濾餅厚度為過濾終了時濾液穿過厚度的2倍。若采用置換洗滌法，則洗滌液的行程和洗滌面積與濾液完全相同。,2019/7/17,3.4.1 板框過濾機(jī),（2）主要優(yōu)缺點 板框壓濾機(jī)構(gòu)造簡單，過濾面積大而占地省，過濾壓力高，便于用耐腐蝕材料制造，操作靈活，過濾面積可根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)調(diào)節(jié)。主要缺點是間歇操作，勞動強(qiáng)度大，產(chǎn)生效率低。,2019/7/17,3.4.2 葉濾機(jī),（1）結(jié)構(gòu)與工作原理：葉濾機(jī)由許多濾葉組成。濾葉是由金屬多孔板或多孔網(wǎng)制造的扁平框架，內(nèi)有空間，外包濾布，將濾葉裝在密閉的機(jī)殼內(nèi)，為濾漿所浸沒。濾漿中的液體在壓力作用下穿過濾布進(jìn)入濾葉內(nèi)部，成為濾液后從其一端排出。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)行洗滌，故為置換洗滌。最后，濾