化工原理-3章非均相混合物分離

1、化工原理principles of chemical engineering第三章第三章 非均相混合物的分離非均相混合物的分離延安大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院延安大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院第三章第三章 非均相混合物的分離非均相混合物的分離第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 重力沉降重力沉降第三節(jié)第三節(jié) 離心沉降離心沉降第四節(jié)第四節(jié) 過(guò)濾過(guò)濾自然界的混合物自然界的混合物 空分系統(tǒng)空分系統(tǒng)水過(guò)濾裝置水過(guò)濾裝置第一節(jié)第一節(jié) 概述概述混合物混合物 均相混合物均相混合物（均相均相物系）物系） 非均相混合物非均相混合物（非均相非均相物系）物系）物系內(nèi)部各處物料性物系內(nèi)部各處物料性質(zhì)均勻而且不存在相質(zhì)均勻而且不存在相界面的混

2、合物。界面的混合物。物系內(nèi)部有隔開(kāi)兩相的物系內(nèi)部有隔開(kāi)兩相的界面存在且界面兩側(cè)的界面存在且界面兩側(cè)的物料性質(zhì)截然不同的混物料性質(zhì)截然不同的混合物。合物。如：石油、空氣如：石油、空氣 分散相分散相（分散物質(zhì)）（分散物質(zhì)） 分散狀態(tài)的物質(zhì)分散狀態(tài)的物質(zhì) 連續(xù)相連續(xù)相（連續(xù)介質(zhì)）（連續(xù)介質(zhì)） 連續(xù)狀態(tài)存在，連續(xù)狀態(tài)存在， 包圍在分散介質(zhì)周?chē)镔|(zhì)。包圍在分散介質(zhì)周?chē)镔|(zhì)。例如例如固固體顆粒和氣體體顆粒和氣體構(gòu)成的構(gòu)成的含塵氣體含塵氣體固體顆粒和固體顆粒和液體液體構(gòu)成的懸浮液構(gòu)成的懸浮液不不互溶液體構(gòu)互溶液體構(gòu)成的乳濁液成的乳濁液液體液體顆粒和氣體構(gòu)成顆粒和氣體構(gòu)成的含霧氣體的含霧氣體非均相物系非均相物

3、系氣液氣液( (固固) )、液固、液固( (氣、液氣、液) )態(tài)非均相物系態(tài)非均相物系 一、非均相物系的分離在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用一、非均相物系的分離在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 1 1、回收有用的分散相、回收有用的分散相2 2、凈化連續(xù)相、凈化連續(xù)相3 3、環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn) 回收有用的分散相回收有用的分散相凈化連續(xù)相凈化連續(xù)相中藥液的中藥液的澄清過(guò)濾澄清過(guò)濾過(guò)濾空氣過(guò)濾空氣結(jié)晶產(chǎn)品結(jié)晶產(chǎn)品與母液的與母液的分離分離環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)二、非均相物系的分離方法二、非均相物系的分離方法機(jī)械分離機(jī)械分離 操作方式：過(guò)濾和沉降操作方式：過(guò)濾和沉降利用非均相混合物中分散相和連續(xù)相

4、的物理性質(zhì)(如密度、顆粒形狀、尺寸等)的差異，使兩相之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而使其分離。除去粗食鹽除去粗食鹽中少量的泥沙中少量的泥沙 1.1.過(guò)濾過(guò)濾是流體相對(duì)于固體顆粒床層運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)固液分離的過(guò)程。是流體相對(duì)于固體顆粒床層運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)固液分離的過(guò)程。分類(lèi)：重力過(guò)濾、加壓過(guò)濾、真空過(guò)濾和離心過(guò)濾分類(lèi)：重力過(guò)濾、加壓過(guò)濾、真空過(guò)濾和離心過(guò)濾板框壓濾機(jī)板框壓濾機(jī)真空過(guò)濾機(jī)真空過(guò)濾機(jī)離心過(guò)濾離心過(guò)濾抽濾抽濾2.2.沉降沉降是在外力作用下使顆粒相對(duì)于流體是在外力作用下使顆粒相對(duì)于流體( (靜止或運(yùn)動(dòng)靜止或運(yùn)動(dòng)) )運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)分離的過(guò)程。實(shí)現(xiàn)分離的過(guò)程。（利用（利用分散相分散相和和連續(xù)相連續(xù)相的的密度密度不

5、同）不同）重力沉降重力沉降離心沉降離心沉降沉降：在外力作用下使顆粒相對(duì)于流體運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)分離的過(guò)程。沉降：在外力作用下使顆粒相對(duì)于流體運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)分離的過(guò)程。重力沉降：重力沉降： 沉降操作的外力是重力。沉降操作的外力是重力。適用于分離較大的固體顆粒。適用于分離較大的固體顆粒。第二節(jié)第二節(jié) 重力沉降重力沉降3.2.1 球形顆粒的自由沉降球形顆粒的自由沉降 自由沉降：顆粒不受其他顆粒的干擾及器壁的影響，自由沉降：顆粒不受其他顆粒的干擾及器壁的影響，在靜止的流體中的沉降過(guò)程。在靜止的流體中的沉降過(guò)程。在自由沉降沉降過(guò)程中，在自由沉降沉降過(guò)程中，顆粒受到哪些力的作用：顆粒受到哪些力的作用： 重力重力Fg

6、、浮力、浮力Fb 阻力阻力Fd 設(shè)球形顆粒的直徑為設(shè)球形顆粒的直徑為 , ,顆粒密度為顆粒密度為 , ,流體的密度為流體的密度為 , ,sds實(shí)際狀況實(shí)際狀況：干擾沉降：干擾沉降gdFssg36gdFsb36重力重力F Fg g浮力浮力F Fb b22uAFd阻力阻力F Fd dmaFFFdbg牛頓第二定律牛頓第二定律沉降阻力系數(shù)沉降阻力系數(shù)一點(diǎn)兩過(guò)程一點(diǎn)兩過(guò)程:AA沉降顆粒沿沉降方向的最大投形面積沉降顆粒沿沉降方向的最大投形面積0dbgFFF此時(shí)顆粒做勻速沉降，其速度也是最大沉降速度此時(shí)顆粒做勻速沉降，其速度也是最大沉降速度ut 重力、浮力、阻力三者達(dá)到平衡，加速度為零重力、浮力、阻力三者達(dá)

7、到平衡，加速度為零gdFssg36gdFsb3622uAFd代入代入沉降速度沉降速度ut:為為3)(4sstgdu以顆粒形狀及尺寸為特征量的雷諾數(shù)的函數(shù)以顆粒形狀及尺寸為特征量的雷諾數(shù)的函數(shù), ,一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。阻力系數(shù)與阻力系數(shù)與Ret 關(guān)系圖關(guān)系圖阻力系數(shù)一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定阻力系數(shù)一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定 ： 相應(yīng)各區(qū)的顆粒沉降速度為：相應(yīng)各區(qū)的顆粒沉降速度為：滯流區(qū)稱(chēng)為滯流區(qū)稱(chēng)為斯托克斯公式斯托克斯公式 過(guò)渡區(qū)稱(chēng)為過(guò)渡區(qū)稱(chēng)為艾倫公式艾倫公式 或或湍流區(qū)湍流區(qū)- -稱(chēng)為稱(chēng)為牛頓公式牛頓公式 18)(2gdusst6 . 0sRe)(27. 0tstgdugdust)(74. 1s429.

8、 0143. 1s714. 0)()(153. 0dgust規(guī)律：規(guī)律：dS 、密度差越大則沉、密度差越大則沉降速度越大；在層流區(qū)由于流降速度越大；在層流區(qū)由于流體粘性引起的表面摩擦阻力占體粘性引起的表面摩擦阻力占主要地位，因此層流區(qū)的沉降主要地位，因此層流區(qū)的沉降速度與流體粘度速度與流體粘度成反比。成反比?！纠}例題3-13-1】：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。18)(2sgdtpu計(jì)算計(jì)算ReRet，核算流型：，核算流型：19244. 0Re33610005. 12 .99810797. 91095tsud假設(shè)正確，計(jì)算有效。假

9、設(shè)正確，計(jì)算有效。解：解：在在20 20 的水中：的水中： 20 20 水的密度為水的密度為998.2kg/m998.2kg/m3 3，粘度為，粘度為1.0051.0051010-3 -3 PaPa s s 先設(shè)為層流區(qū)。先設(shè)為層流區(qū)。 sm/10797. 9310005. 11881. 9)2 .9983000()1098(36(1)(1)降塵室降塵室 降塵室降塵室結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：3.2.2 重力沉降設(shè)備重力沉降設(shè)備 利用重力沉降的作用從含塵利用重力沉降的作用從含塵氣體中除去固體顆粒的設(shè)備。氣體中除去固體顆粒的設(shè)備。見(jiàn)動(dòng)畫(huà)見(jiàn)動(dòng)畫(huà)顆粒沉降的同時(shí)并隨氣體運(yùn)動(dòng)顆粒沉降的同時(shí)并隨氣體運(yùn)動(dòng)顆粒沉降運(yùn)動(dòng)時(shí)間

10、顆粒沉降運(yùn)動(dòng)時(shí)間 氣體通過(guò)沉降室時(shí)間氣體通過(guò)沉降室時(shí)間分離分離工作原理：工作原理：矩形入口截面矩形入口截面面積面積 uu。 降塵室的生產(chǎn)能力：降塵室單位時(shí)間所處理的降塵室的生產(chǎn)能力：降塵室單位時(shí)間所處理的含塵氣體的體積流量。符號(hào)：含塵氣體的體積流量。符號(hào)：qv 。顆粒在降塵室的顆粒在降塵室的停留時(shí)間：停留時(shí)間：uL顆粒沉降到室底顆粒沉降到室底所需的時(shí)間所需的時(shí)間：ttuH為了滿(mǎn)足除塵要求：為了滿(mǎn)足除塵要求：ttuHuL降塵室使顆粒降塵室使顆粒 沉降的條件沉降的條件HBquvvvqLHBHbqLtvuHqLHBtvBLuq 降塵室的生產(chǎn)能力降塵室的生產(chǎn)能力降塵室的生產(chǎn)能力只與降塵室的沉降面積降塵

11、室的生產(chǎn)能力只與降塵室的沉降面積BLBL和顆和顆粒的沉降速度粒的沉降速度u ut t有關(guān)，而與降塵室的高度無(wú)關(guān)有關(guān)，而與降塵室的高度無(wú)關(guān) 處理懸浮液的重力沉降設(shè)備，稱(chēng)為沉降器或增濃器。沉降器可分處理懸浮液的重力沉降設(shè)備，稱(chēng)為沉降器或增濃器。沉降器可分間歇式、半連續(xù)式和連續(xù)式三種。間歇式、半連續(xù)式和連續(xù)式三種。沉降槽有澄清液體和增稠懸浮液的雙重作用功能，與降塵室類(lèi)似，沉沉降槽有澄清液體和增稠懸浮液的雙重作用功能，與降塵室類(lèi)似，沉降槽的生產(chǎn)能力與高度無(wú)關(guān)，只與底面積及顆粒的沉降速度有關(guān)，故降槽的生產(chǎn)能力與高度無(wú)關(guān)，只與底面積及顆粒的沉降速度有關(guān)，故沉降槽一般均制造成大截面、低高度。沉降槽一般均制造

12、成大截面、低高度。 （2 2）沉降槽）沉降槽大的沉降槽直徑可達(dá)大的沉降槽直徑可達(dá)1010100m100m、深、深2.52.54m4m。它一般。它一般用于大流量、低濃度懸浮液的處理。沉降槽處理后用于大流量、低濃度懸浮液的處理。沉降槽處理后的沉渣中還含有大約的沉渣中還含有大約50%50%的液體，必要時(shí)再用過(guò)濾機(jī)的液體，必要時(shí)再用過(guò)濾機(jī)等作進(jìn)一步處理。等作進(jìn)一步處理。對(duì)于含有顆粒直徑小于對(duì)于含有顆粒直徑小于1m的液體，一般稱(chēng)為溶膠，由于顆粒直徑小較難分離。的液體，一般稱(chēng)為溶膠，由于顆粒直徑小較難分離。為使小顆粒增大，常加絮凝劑使小粒子變成大粒子。例如，河水凈化加明礬為使小顆粒增大，常加絮凝劑使小粒子

13、變成大粒子。例如，河水凈化加明礬KAl(SO4)2l2H2O,使水中細(xì)小污物沉降。常用的電解質(zhì)，除了明礬還有三氧化使水中細(xì)小污物沉降。常用的電解質(zhì)，除了明礬還有三氧化鋁、綠礬、三氯化鐵等。一般用量為鋁、綠礬、三氯化鐵等。一般用量為40200mg/kg。近年來(lái)，已研究出某些高分。近年來(lái)，已研究出某些高分子絮凝劑。子絮凝劑。明礬明礬綠礬綠礬三氯化鐵三氯化鐵聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺3.3.13.3.1離心沉降速率離心沉降速率 其受力為離心力其受力為離心力F Fc c、向心力、向心力F Fb b和阻力和阻力F Fd d ，其值分別為：其值分別為： 242222rprduduAFgdVFssssc36gdV

14、FsPb36第三節(jié)第三節(jié) 離心沉降離心沉降離心沉降過(guò)程：離心沉降過(guò)程：當(dāng)流體帶著顆粒旋轉(zhuǎn)時(shí)當(dāng)流體帶著顆粒旋轉(zhuǎn)時(shí), ,如果顆粒的密度大于流體的密度如果顆粒的密度大于流體的密度, ,則慣性離心力將會(huì)使顆粒在徑向上與流體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而飛離中心。則慣性離心力將會(huì)使顆粒在徑向上與流體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而飛離中心。思考：旋轉(zhuǎn)過(guò)程固體顆粒受到的作用力有哪些？思考：旋轉(zhuǎn)過(guò)程固體顆粒受到的作用力有哪些？ur離心力離心力 F Fc c阻力阻力 F Fd d向心力向心力 F Fb b顆粒在離心力場(chǎng)中的受力分析顆粒在離心力場(chǎng)中的受力分析242222rprduduAFgdVFssssc36gdVFsPb36 當(dāng)三個(gè)力達(dá)到平衡

15、時(shí)：當(dāng)三個(gè)力達(dá)到平衡時(shí)： F Fc c- - F Fb b- - F Fd d=0 =0 顆粒在徑向上相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度顆粒在徑向上相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度u ur r便是此位置上的便是此位置上的離心沉降速度。離心沉降速度。若顆粒處于層流區(qū)，則阻力系數(shù)若顆粒處于層流區(qū)，則阻力系數(shù)tRe24)(3)(42RuduTssrRuduTssr18)(22R含塵氣體的進(jìn)口氣速，含塵氣體的進(jìn)口氣速，m/s顆粒的旋轉(zhuǎn)半徑，顆粒的旋轉(zhuǎn)半徑，m。 Tu旋風(fēng)分離器的旋風(fēng)分離器的構(gòu)造構(gòu)造和和操作原理操作原理 3.3.2 旋風(fēng)分離器旋風(fēng)分離器 旋風(fēng)分離器的旋風(fēng)分離器的操作原理操作原理 旋風(fēng)分離器是工業(yè)上應(yīng)用比較廣泛旋風(fēng)

16、分離器是工業(yè)上應(yīng)用比較廣泛的氣固離心分離設(shè)備之一。標(biāo)準(zhǔn)型的旋的氣固離心分離設(shè)備之一。標(biāo)準(zhǔn)型的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)形式如圖所示。主體的上風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)形式如圖所示。主體的上部為圓筒形，下部為圓錐形，各部件的部為圓筒形，下部為圓錐形，各部件的尺寸均圓筒直徑成比例。含塵氣體由圓尺寸均圓筒直徑成比例。含塵氣體由圓筒上部進(jìn)氣管切向進(jìn)入，受器壁的約束筒上部進(jìn)氣管切向進(jìn)入，受器壁的約束而向下作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而向下作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在慣性離心力作用在慣性離心力作用下下顆粒被拋向器壁，與氣流分離，再沿顆粒被拋向器壁，與氣流分離，再沿壁而落錐底的排灰口壁而落錐底的排灰口。凈化后的氣體在。凈化后的氣體在中心軸附近作由下而上的螺旋運(yùn)動(dòng)

17、，最中心軸附近作由下而上的螺旋運(yùn)動(dòng)，最后由頂部排氣管排出。后由頂部排氣管排出。 特點(diǎn)：旋風(fēng)分離器構(gòu)造簡(jiǎn)單，分離效率較高，操作不特點(diǎn)：旋風(fēng)分離器構(gòu)造簡(jiǎn)單，分離效率較高，操作不受溫度、壓強(qiáng)的限制，分離因數(shù)約為受溫度、壓強(qiáng)的限制，分離因數(shù)約為5 525002500，一般可分，一般可分離氣體中離氣體中5 575m75m直徑的粒子。直徑的粒子。 (2)(2)旋風(fēng)分離器的主要性能參數(shù)旋風(fēng)分離器的主要性能參數(shù) 臨界直徑、分離效率、壓力降和氣體處理量是旋風(fēng)分離器臨界直徑、分離效率、壓力降和氣體處理量是旋風(fēng)分離器的主要性能參數(shù)，是選型和操作控制的依據(jù)，也是評(píng)價(jià)旋的主要性能參數(shù)，是選型和操作控制的依據(jù)，也是評(píng)價(jià)旋

18、 風(fēng)分離器性能好壞的主要指標(biāo)。風(fēng)分離器性能好壞的主要指標(biāo)。 臨界粒徑臨界粒徑 即旋風(fēng)分離器能夠分離出最小顆粒的直即旋風(fēng)分離器能夠分離出最小顆粒的直徑。臨界粒徑的大小是判斷旋風(fēng)分離器分離效率高低的重徑。臨界粒徑的大小是判斷旋風(fēng)分離器分離效率高低的重要依據(jù)。臨界粒徑的計(jì)算式為要依據(jù)。臨界粒徑的計(jì)算式為 iscud9ui含塵氣體的進(jìn)口氣速，含塵氣體的進(jìn)口氣速，m/s;B旋風(fēng)分離器的進(jìn)口寬度，旋風(fēng)分離器的進(jìn)口寬度，m; N氣流的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器，氣流的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器， 可取可取N=5； 顆粒的密度，顆粒的密度，kg/m3;流體的黏度，流體的黏度，Pas。s分離效率分離效率 旋風(fēng)分

19、離器的分離效率通常有兩種表示方法，即旋風(fēng)分離器的分離效率通常有兩種表示方法，即總效率總效率粒級(jí)效率粒級(jí)效率 C1、C2旋風(fēng)分離器進(jìn)出口氣體含塵的濃度，旋風(fēng)分離器進(jìn)出口氣體含塵的濃度， g/m3； C1i、C2i進(jìn)出口氣體含塵的粒徑在段范圍內(nèi)顆粒的濃度，進(jìn)出口氣體含塵的粒徑在段范圍內(nèi)顆粒的濃度，g/m3；xi第第i段粒徑范圍內(nèi)顆粒占全部顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。段粒徑范圍內(nèi)顆粒占全部顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。1210CCC iiiiCCC121iix0壓力降壓力降 旋風(fēng)分離器的壓力降是評(píng)價(jià)其性能的重要指標(biāo)。旋風(fēng)分離器的壓力降是評(píng)價(jià)其性能的重要指標(biāo)。壓力降產(chǎn)生的主要原因，是由于氣體經(jīng)過(guò)器內(nèi)時(shí)的膨脹、壓力降產(chǎn)生的主要原

20、因，是由于氣體經(jīng)過(guò)器內(nèi)時(shí)的膨脹、壓縮、旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向及對(duì)器壁的摩擦而消耗大量的能量。壓縮、旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向及對(duì)器壁的摩擦而消耗大量的能量。氣體通過(guò)旋風(fēng)分離器的壓力降應(yīng)盡可能小，分離設(shè)備壓力氣體通過(guò)旋風(fēng)分離器的壓力降應(yīng)盡可能小，分離設(shè)備壓力降的大小是決定分離過(guò)程能耗和合理選擇風(fēng)機(jī)的依據(jù)。降的大小是決定分離過(guò)程能耗和合理選擇風(fēng)機(jī)的依據(jù)。22iu一般來(lái)說(shuō)，短粗形的旋風(fēng)分離器壓降較小，處理量大，但分離一般來(lái)說(shuō)，短粗形的旋風(fēng)分離器壓降較小，處理量大，但分離效率低；細(xì)長(zhǎng)形的則壓降較大，處理量不大，分離效率高。效率低；細(xì)長(zhǎng)形的則壓降較大，處理量不大，分離效率高。阻力系數(shù)，阻力系數(shù)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器,

21、=8.0, =8.0 旋風(fēng)分離器構(gòu)造簡(jiǎn)單緊湊、無(wú)運(yùn)動(dòng)件，操作不受溫度旋風(fēng)分離器構(gòu)造簡(jiǎn)單緊湊、無(wú)運(yùn)動(dòng)件，操作不受溫度、壓強(qiáng)的限制，價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定，分離因數(shù)約為、壓強(qiáng)的限制，價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定，分離因數(shù)約為5 525002500，分離效率較高，一般可分離氣體中，分離效率較高，一般可分離氣體中5 575m75m直徑的粒子。故廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)部門(mén)。直徑的粒子。故廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)部門(mén)。3.3.3 旋液分離器旋液分離器 又稱(chēng)水力旋流器又稱(chēng)水力旋流器 是利用是利用離心沉降原理離心沉降原理分離液固混合物的設(shè)備，分離液固混合物的設(shè)備，其其結(jié)構(gòu)和操作原理與旋風(fēng)分離器類(lèi)似結(jié)構(gòu)和操作原理與旋風(fēng)分離器類(lèi)似。3.

22、3.4 離心沉降機(jī)離心沉降機(jī) 轉(zhuǎn)鼓上無(wú)孔，混懸液或乳濁液被轉(zhuǎn)鼓帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鼓上無(wú)孔，混懸液或乳濁液被轉(zhuǎn)鼓帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)時(shí), ,密度較大的物相向轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁沉降密度較大的物相向轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁沉降, ,密度較小的物相趨密度較小的物相趨向旋轉(zhuǎn)中心而使兩相分離。向旋轉(zhuǎn)中心而使兩相分離。離心機(jī)：離心機(jī)： 用于離心分離的設(shè)備。用于離心分離的設(shè)備。適于離心分離適于離心分離的液態(tài)非均相物系包括的液態(tài)非均相物系包括液液- -固固混合物系混合物系( (混懸液混懸液) )和和液液- -液液混合物系混合物系( (乳濁液乳濁液) )。油脂離心機(jī)油脂離心機(jī)實(shí)驗(yàn)用離心機(jī)實(shí)驗(yàn)用離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)鼓第四節(jié)第四節(jié) 過(guò)濾過(guò)濾3.4.1 3.4.

23、1 過(guò)濾的基本概念過(guò)濾的基本概念一、過(guò)濾及過(guò)濾推動(dòng)力一、過(guò)濾及過(guò)濾推動(dòng)力過(guò)濾：過(guò)濾：利用能讓液體通過(guò)而利用能讓液體通過(guò)而截留固體顆截留固體顆粒粒的多孔介質(zhì)（過(guò)濾介質(zhì)），使懸浮液的多孔介質(zhì)（過(guò)濾介質(zhì)），使懸浮液中中固液固液得到得到分離分離的單元操作。的單元操作。名詞：過(guò)濾介質(zhì)；混懸液（濾漿）；濾渣名詞：過(guò)濾介質(zhì)；混懸液（濾漿）；濾渣( (餅餅) )；濾液；濾液懸浮液懸浮液沉降法沉降法過(guò)濾操作過(guò)濾操作哪種處理方法好？哪種處理方法好？：需要較長(zhǎng)時(shí)間，而且沉渣中液體含量較多需要較長(zhǎng)時(shí)間，而且沉渣中液體含量較多沉降法沉降法可使懸浮液得到迅速的分離，濾渣中的液體含量也較低可使懸浮液得到迅速的分離，濾渣中的

24、液體含量也較低過(guò)濾操作過(guò)濾操作：絮凝劑絮凝劑在某些場(chǎng)合過(guò)濾是沉降的后續(xù)操作在某些場(chǎng)合過(guò)濾是沉降的后續(xù)操作真空過(guò)濾機(jī)真空過(guò)濾機(jī)水環(huán)真空泵水環(huán)真空泵思考：思考：過(guò)濾推動(dòng)力：過(guò)濾推動(dòng)力：適用于：處理固體含量較高的混懸液。適用于：處理固體含量較高的混懸液。 作用原理：作用原理：過(guò)濾過(guò)程變化：過(guò)濾過(guò)程變化：初期初期中期中期末期末期思考：如何保持過(guò)濾速度？思考：如何保持過(guò)濾速度？ 方法：方法：a.不斷的將濾餅移出不斷的將濾餅移出過(guò)濾介質(zhì)兩側(cè)的壓力差。過(guò)濾介質(zhì)兩側(cè)的壓力差。篩子篩子二、過(guò)濾方式二、過(guò)濾方式（1 1）餅層餅層過(guò)濾過(guò)濾 ：過(guò)濾過(guò)程中在過(guò)濾介質(zhì)表面會(huì)形成固體顆粒的過(guò)濾過(guò)程中在過(guò)濾介質(zhì)表面會(huì)形成固體

25、顆粒的濾餅層（固體沉積物堆積、架橋）濾餅層（固體沉積物堆積、架橋）。 方法：方法：b.增加推動(dòng)力增加推動(dòng)力適用于：適用于：生產(chǎn)量大而懸浮顆粒粒徑小或是粘軟的絮狀物。生產(chǎn)量大而懸浮顆粒粒徑小或是粘軟的絮狀物。（2 2）深層深層過(guò)濾：過(guò)濾：過(guò)濾介質(zhì)是較厚的粒狀介質(zhì)的床層過(guò)濾介質(zhì)是較厚的粒狀介質(zhì)的床層, ,過(guò)濾時(shí)過(guò)濾時(shí)懸浮液中的顆粒沉積在床層內(nèi)部的孔道壁面懸浮液中的顆粒沉積在床層內(nèi)部的孔道壁面上上, ,而不形成濾餅。而不形成濾餅。中藥液的澄清過(guò)濾中藥液的澄清過(guò)濾合成纖維合成纖維飲水過(guò)濾飲水過(guò)濾紡絲液的處理設(shè)備紡絲液的處理設(shè)備 Kitagawa. S. J. Am. Chem. Soc, 2007,

26、129, 2607. 膜過(guò)濾膜過(guò)濾宏觀宏觀微觀微觀調(diào)控調(diào)控工業(yè)生產(chǎn)中懸浮液固相含量一般較高工業(yè)生產(chǎn)中懸浮液固相含量一般較高( (體積分?jǐn)?shù)大于體積分?jǐn)?shù)大于1%),1%),因此本節(jié)重點(diǎn)討論濾餅過(guò)濾。因此本節(jié)重點(diǎn)討論濾餅過(guò)濾。 膜過(guò)濾膜過(guò)濾是利用膜孔隙的是利用膜孔隙的選擇透過(guò)性選擇透過(guò)性進(jìn)行兩相分離的技術(shù)。以膜兩側(cè)的進(jìn)行兩相分離的技術(shù)。以膜兩側(cè)的流體壓差為推動(dòng)力，使溶劑、無(wú)機(jī)離子、小分子等透過(guò)膜，而截留微流體壓差為推動(dòng)力，使溶劑、無(wú)機(jī)離子、小分子等透過(guò)膜，而截留微粒及大分子。粒及大分子。 過(guò)濾介質(zhì)：過(guò)濾介質(zhì)：多孔性介質(zhì)多孔性介質(zhì) 其其作用作用：a.a.截留顆粒，使濾液通過(guò)截留顆粒，使濾液通過(guò) b.b

27、.支撐濾餅支撐濾餅三、過(guò)濾介質(zhì)三、過(guò)濾介質(zhì) 過(guò)濾介質(zhì)應(yīng)具有下列過(guò)濾介質(zhì)應(yīng)具有下列條件：條件： a a）多孔性，孔道適當(dāng)?shù)男?，并減少流體的阻力，又能）多孔性，孔道適當(dāng)?shù)男?，并減少流體的阻力，又能 截住要分離的顆粒。截住要分離的顆粒。 b)b)物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐熱，耐化學(xué)腐蝕。物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐熱，耐化學(xué)腐蝕。 c)c)足夠的機(jī)械強(qiáng)度，使用壽命長(zhǎng)。足夠的機(jī)械強(qiáng)度，使用壽命長(zhǎng)。 d) d) 價(jià)格便宜。價(jià)格便宜。工業(yè)常用過(guò)濾介質(zhì)種類(lèi)：工業(yè)常用過(guò)濾介質(zhì)種類(lèi)：織物介質(zhì)、多孔性固體介質(zhì)、顆粒狀介質(zhì)和微孔濾膜等。織物介質(zhì)、多孔性固體介質(zhì)、顆粒狀介質(zhì)和微孔濾膜等?？椢锝橘|(zhì)織物介質(zhì) 濾布、篩網(wǎng)，濾布、篩網(wǎng)，截

28、留的粒徑截留的粒徑5m5m以上，工業(yè)應(yīng)用廣泛以上，工業(yè)應(yīng)用廣泛濾布濾布篩網(wǎng)篩網(wǎng)過(guò)濾機(jī)過(guò)濾機(jī)多孔固體介質(zhì)多孔固體介質(zhì)具有微細(xì)孔道的固體，截留粒徑具有微細(xì)孔道的固體，截留粒徑1 13m3m的微細(xì)粒子的微細(xì)粒子 素瓷素瓷多孔燒結(jié)玻璃多孔燒結(jié)玻璃顆粒狀介質(zhì)顆粒狀介質(zhì)固體顆粒（砂石、木炭、石棉）或纖維（玻璃棉）等堆積，固體顆粒（砂石、木炭、石棉）或纖維（玻璃棉）等堆積，適用于深層過(guò)濾。適用于深層過(guò)濾。砂石砂石木炭木炭石棉石棉鵝卵石鵝卵石玻璃棉玻璃棉微孔濾膜：由高分子材料制成的薄膜狀多孔介質(zhì)微孔濾膜：由高分子材料制成的薄膜狀多孔介質(zhì) 。適用。適用于濾除于濾除0.020.0210m10m的混懸微粒。的混懸微

29、粒。精濾精濾（1 1）濾餅的壓縮性）濾餅的壓縮性濾餅濾餅不可壓縮濾餅不可壓縮濾餅: : 可壓縮濾餅可壓縮濾餅: :顆粒有一定的剛性，所形成顆粒有一定的剛性，所形成的濾餅并不因所受的壓力差的濾餅并不因所受的壓力差而變形。而變形。 顆粒比較軟，所形成的濾餅在顆粒比較軟，所形成的濾餅在壓差的作用下變形，使濾餅中壓差的作用下變形，使濾餅中的流動(dòng)通道變小，阻力增大。的流動(dòng)通道變小，阻力增大。四、濾餅的壓縮性和助濾劑四、濾餅的壓縮性和助濾劑濾餅的壓縮性對(duì)過(guò)濾效率及濾材的可使用時(shí)間影響很大濾餅的壓縮性對(duì)過(guò)濾效率及濾材的可使用時(shí)間影響很大, ,是設(shè)計(jì)過(guò)濾工藝和選擇過(guò)濾介質(zhì)的依據(jù)。是設(shè)計(jì)過(guò)濾工藝和選擇過(guò)濾介質(zhì)的

30、依據(jù)。（2 2）助濾劑）助濾劑助濾劑助濾劑具有一定剛性的顆粒或纖維狀的固體。具有一定剛性的顆?；蚶w維狀的固體。加入助濾劑可減少可壓縮濾餅的流動(dòng)阻力，提高濾餅的加入助濾劑可減少可壓縮濾餅的流動(dòng)阻力，提高濾餅的剛性和孔隙率剛性和孔隙率硅藻土硅藻土活性炭活性炭纖維粉纖維粉珍珠巖粉珍珠巖粉助濾劑的要求：助濾劑的要求：a.應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性; b.不溶于液相中不溶于液相中; c.在過(guò)濾操作的壓力差范圍內(nèi)具有不可壓縮性在過(guò)濾操作的壓力差范圍內(nèi)具有不可壓縮性加入方法加入方法預(yù)涂：預(yù)涂：用助濾劑配成懸浮液，在正式過(guò)濾用助濾劑配成懸浮液，在正式過(guò)濾前用它進(jìn)行過(guò)濾，在過(guò)濾介質(zhì)上形前用它進(jìn)行過(guò)濾，在過(guò)

31、濾介質(zhì)上形成一層由助濾劑組成的濾餅。成一層由助濾劑組成的濾餅。 摻濾：摻濾： 將助濾劑混在濾漿中一起過(guò)濾將助濾劑混在濾漿中一起過(guò)濾助濾劑的使用方法：助濾劑的使用方法：懸浮液懸浮液+ 用洗滌液（通常為清水）進(jìn)行濾餅洗滌，以回收濾用洗滌液（通常為清水）進(jìn)行濾餅洗滌，以回收濾餅中殘存的濾液或除去其雜質(zhì)。餅中殘存的濾液或除去其雜質(zhì)。6 6、過(guò)濾速率及影響因素、過(guò)濾速率及影響因素過(guò)濾速率過(guò)濾速率單位時(shí)間內(nèi)得到的濾液體積。單位時(shí)間內(nèi)得到的濾液體積。主要影響因素：過(guò)濾面積、懸浮液的性質(zhì)、操作壓力。主要影響因素：過(guò)濾面積、懸浮液的性質(zhì)、操作壓力。 5 5、濾餅的洗滌、濾餅的洗滌232dlup實(shí)際流速實(shí)際流速u(mài)

32、 u 過(guò)濾速度過(guò)濾速度dV/(Ad) dV/(Ad) ，流道長(zhǎng)，流道長(zhǎng)ll濾餅厚度濾餅厚度L L，孔道的平均直徑，孔道的平均直徑d d難以測(cè)量，故引入比例系數(shù)難以測(cè)量，故引入比例系數(shù)r r，將這些，將這些因素統(tǒng)統(tǒng)并入比例系數(shù)因素統(tǒng)統(tǒng)并入比例系數(shù)r r內(nèi)，則：內(nèi)，則：層流流動(dòng)：層流流動(dòng)：AddVlpdu322AddVrLpHagon-Poiseuille3.4.2 過(guò)濾基本方程式過(guò)濾基本方程式一、濾液通過(guò)濾餅的流動(dòng)說(shuō)明：說(shuō)明：濾液性質(zhì)：濾液性質(zhì)：過(guò)濾面積：過(guò)濾面積：A A濾餅性質(zhì)：濾餅性質(zhì)：L L、r r阻力推動(dòng)力ALrPLrPAddVorLPAddV/rArL 阻力阻力二、濾餅的比阻二、濾餅的

33、比阻r r：?jiǎn)挝唬簡(jiǎn)挝唬何锪x：物義：說(shuō)明：說(shuō)明：當(dāng)粘度為當(dāng)粘度為1Pas1Pas的濾液以的濾液以1m1m3 3/(m/(m2 2 s) s)的過(guò)濾的過(guò)濾速度通過(guò)厚度為速度通過(guò)厚度為1m1m的濾餅層的壓力損失。的濾餅層的壓力損失。濾餅不可壓縮：濾餅不可壓縮：rr單位壓力差下的濾餅比阻，單位壓力差下的濾餅比阻，1/m1/m2 2；s s濾餅的壓縮性指數(shù)，濾餅的壓縮性指數(shù)，s1s1。 222321mmsmNsmmmNLAddVPrsPrr r = fr = f（濾餅結(jié)構(gòu)特性）；（濾餅結(jié)構(gòu)特性）；濾餅可壓縮：濾餅可壓縮：過(guò)濾介質(zhì)層：認(rèn)為介質(zhì)產(chǎn)生的阻力與厚度為過(guò)濾介質(zhì)層：認(rèn)為介質(zhì)產(chǎn)生的阻力與厚度為L(zhǎng)eL

34、e的濾餅層產(chǎn)生的濾餅層產(chǎn)生 的阻力相等，引入過(guò)濾介質(zhì)的當(dāng)量濾餅厚度的阻力相等，引入過(guò)濾介質(zhì)的當(dāng)量濾餅厚度 Le Le，則過(guò)濾介質(zhì)的阻力，則過(guò)濾介質(zhì)的阻力 = rLe/A= rLe/A濾餅可壓縮：濾餅可壓縮：)LL(rPAPPddVe 介質(zhì)阻力介質(zhì)阻力濾餅阻力濾餅阻力過(guò)濾速率過(guò)濾速率21esesLLrPALLPrPAddV )()(1定義餅液比：定義餅液比：則：則：C C濾餅體積濾餅體積/ /濾液體積濾液體積V V， m m3 3餅餅/m/m3 3液液eeALCVALCV介介質(zhì)質(zhì)當(dāng)當(dāng)量量濾濾餅餅體體積積濾濾餅餅體體積積)()()(1211esesesVVCrPAACVACVrPALLrPAddV

35、過(guò)濾基本過(guò)濾基本方程式方程式)(12esVVCrPAddV恒壓過(guò)濾恒壓過(guò)濾：一般由保持恒壓的壓縮氣體提供推動(dòng)力：一般由保持恒壓的壓縮氣體提供推動(dòng)力 恒速過(guò)濾恒速過(guò)濾：一般由容積式泵提供推動(dòng)力：一般由容積式泵提供推動(dòng)力 變壓變速過(guò)濾變壓變速過(guò)濾：一般由離心泵提供推動(dòng)力，隨過(guò)濾阻力增加：一般由離心泵提供推動(dòng)力，隨過(guò)濾阻力增加流量下降。流量下降。 過(guò)濾的操作類(lèi)型：過(guò)濾的操作類(lèi)型： 懸浮液一定，懸浮液一定，、rr、C C可視為常數(shù)可視為常數(shù)令：令：Crk1表示懸浮液表示懸浮液物性的常數(shù)物性的常數(shù) esVVpkAddV )1(2k-k-濾餅常數(shù)濾餅常數(shù)k)(12esVVCrPAddV3.4.3 恒壓過(guò)濾

36、恒壓過(guò)濾 0)1 (20)(dpkAdVVVsVe)()()()1(2eeeeesVVVeedpkAVVdVV)1(2222)(seepkAVVV)1(2222sepkAVVV恒壓過(guò)濾，恒壓過(guò)濾，p1-s為常數(shù)為常數(shù) AKAVVVe222令令q=V/Aq=V/A， q qe e=V=Ve e/A/A， Bqq2q2Ke令令CrPPKss22k11)1(2222sepkAVVV恒壓過(guò)濾方程式恒壓過(guò)濾方程式過(guò)濾常數(shù)過(guò)濾常數(shù) eeeeKqqKAVV 222恒壓過(guò)濾方程式恒壓過(guò)濾方程式令令e22eKAVKKAVVVeeqq2q2222說(shuō)明：說(shuō)明：(V+V(V+Ve e)(+)(+e e) )為一拋物線(xiàn)；為一拋物線(xiàn)；忽略過(guò)濾介質(zhì)的阻力：忽略過(guò)濾介質(zhì)的阻力：V Ve e0 0，q qe e=0=0，則過(guò)濾基本，則過(guò)濾基本方程式變?yōu)椋悍匠淌阶優(yōu)椋篕qKAV222q qe e、e e稱(chēng)為介質(zhì)常數(shù)，與稱(chēng)為介質(zhì)常數(shù)，與K K都稱(chēng)為過(guò)濾常數(shù)。都稱(chēng)為過(guò)濾常數(shù)。3.4.4 過(guò)濾設(shè)備過(guò)濾設(shè)備 過(guò)濾混懸液的設(shè)備稱(chēng)為過(guò)濾機(jī)。過(guò)濾混懸液的設(shè)備稱(chēng)為過(guò)濾機(jī)。間歇過(guò)濾機(jī)間歇過(guò)濾機(jī)連續(xù)過(guò)濾機(jī)連續(xù)過(guò)濾機(jī)操作方式操作