學習情境三碳酸鈣懸浮液的分離

1、學習情境三、學習情境三、 碳酸鈣懸浮液碳酸鈣懸浮液 及非均相物系的分離及非均相物系的分離化學工程系 2022年7月5日星期二 (3)掌握非均相物系分離方法的選擇，板框壓濾機的操作要點。(2)理解影響沉降、過濾的分離過程、主要影響因素，離心沉降與重力沉降的異同，重力沉降設備做成多層的依據(jù)； (1)了解非均相物系分離的主要方法、主要特點與工業(yè)應用；常見重力沉降設備、離心沉降設備及過濾設備的結(jié)構特點與用途，重力沉降設備生產(chǎn)能力與沉降面積、沉降高度的關系；學習目標概概 述述均相物系：指不同組分的物質(zhì)混合形成的一個相的物系。非均相物系：存在兩個或兩個以上相的混合物 分散相分散相在非均相物系中，有一相處于

2、分 散狀態(tài)，稱為分散物質(zhì)（或分散相） 連續(xù)相連續(xù)相包圍分散相而處于連續(xù)狀態(tài)，稱為分散介質(zhì)（或連續(xù)相）（1）分散相：往往是液滴、霧滴、氣泡，固體顆粒）分散相：往往是液滴、霧滴、氣泡，固體顆粒。 （2）連續(xù)相：連續(xù)相若為氣體，則為氣相非均相物系。連續(xù)相：連續(xù)相若為氣體，則為氣相非均相物系。 連續(xù)相若為液體，則為液相非均相物系連續(xù)相若為液體，則為液相非均相物系 混混合合物物均相均相氣態(tài)氣態(tài)空氣、天然氣空氣、天然氣液態(tài)液態(tài)乙醇乙醇水、石油水、石油非均相非均相氣氣固固煙道氣煙道氣氣泡氣泡液體液體氣氣液液霧滴霧滴氣體氣體液液固固泥水、硫銨泥水、硫銨+母液母液液液液液牛奶、油牛奶、油水水固固固固煤矸石、金屬

3、礦煤矸石、金屬礦根據(jù)某一性質(zhì)的差異，造成兩相相對移動，就可以實現(xiàn)兩相分離一、非均相物系在化工生產(chǎn)中的應用氨水和二氧化碳在碳化塔中進行反應，生成含有碳酸氫銨的懸浮液，然后通過離心機和過濾機將液體和固體分離開，再通過氣流干燥器將水分進一步除去碳酸氫銨生產(chǎn)示意流程實驗室減壓抽濾裝置工業(yè)生產(chǎn)上，采用減壓抽濾原理設計的真空帶式過濾機工業(yè)生產(chǎn)和生活中，燃燒產(chǎn)生的煙道氣中存在著大量的粉塵，我們通常采用煙囪來進行分離。煙道氣中主要為氣固體系，氣體和固體密度不同，因此采用重力原理進行分離。硫酸鉀生產(chǎn)中粉塵的處理2.非均相物系分離在生產(chǎn)中主要作用1）沉降分離： 微粒借本身的重力在介質(zhì)中沉降而獲得分離。2）靜電分離

4、： 利用利用兩相所帶電性的差異，借助與電場的作用，使兩相得以分離。3）過濾分離： 使懸浮體系通過過濾介質(zhì)，將微粒截留在過濾介質(zhì)上而獲得分離。4）濕法凈制： 使氣相中含有的微粒與水充分接觸而將微粒除去。二、 常見非均相物系的分離方法任務一、碳酸鈣懸浮液的分離任務一、碳酸鈣懸浮液的分離一、過濾基本知識 在外力的作用下，懸浮液中的液體通過介質(zhì)的孔道而固體顆粒被截留下來，從而實現(xiàn)固、液分離。過濾目的過濾目的 是獲得清凈的液體產(chǎn)品或固體產(chǎn)品洗滌作用洗滌作用是回收濾餅中殘留的濾液或除去濾餅中的可溶性鹽過濾是以某種多孔物質(zhì)為介質(zhì)來處理懸浮液的操作：（1）濾餅過濾條件：條件： dp介質(zhì)孔隙直徑，床層上形成濾餅

5、； dp介質(zhì)孔隙直徑，但床層內(nèi)有“架橋現(xiàn)象”；在濾餅層沒有完全形成之前，部分顆粒會隨濾液一起流走。在濾餅層形成成為有效的過濾介質(zhì)后，得到澄清液。適用于顆粒含量較多（液體中顆粒的體積0.1%）時 。1.過濾方式濾餅過濾濾餅過濾架橋現(xiàn)象架橋現(xiàn)象條件： 懸浮液含顆粒小，而含量少（液體中顆粒的體積0.1%）時，可用床層較厚的過濾介質(zhì)進行過濾。由于dp介質(zhì)孔隙直徑，當懸浮顆粒進入床層細長而彎曲的孔道時，靠靜電及分子力的作用而附在孔道壁上，過濾介質(zhì)床層上面沒有濾餅形成。 懸浮液 過濾介質(zhì) 濾液 （2）深層過濾 又稱澄清過濾(3)動態(tài)過濾讓料漿沿著過濾介質(zhì)平面高速流動，使大部分濾餅得以在剪切力的作用下移去，

6、從而維持較高的過濾速率。在濾餅過濾中，隨著過濾的進行，濾餅的厚度不斷增加，導致過濾速率不斷下降。動態(tài)過濾很好地解決了這一問題。動態(tài)過濾也稱為無濾餅過濾。2.過濾介質(zhì)支撐濾餅和濾液通過不可壓縮濾餅不可壓縮濾餅 若構成濾餅的顆粒為不易變形的堅固固體（如硅藻土、碳酸鈣等），則當濾餅兩側(cè)的壓差增大時，顆粒的形狀和床層的空隙都基本不變，故單位厚度濾餅的流動阻力可認為恒定。可壓縮濾餅可壓縮濾餅 若濾餅由較易變形的物質(zhì)（如某些氫氧化物之類的膠體）構成，當壓差增大時，顆粒的形狀和床層的空隙都會有不同程度的改變，使單位厚度的濾餅的流動阻力增大。3濾餅的可壓縮性和助濾劑濾餅是由被截留下來的顆粒積聚而形成的固體床層

7、。隨著操作的進行，濾餅的厚度逐漸增加，流動阻力隨之增大。在過濾過程中，可壓縮濾餅會被壓縮，使濾餅的孔道變窄、甚至堵塞，或因濾餅粘嵌在濾布中而不易卸渣，使過濾周期變長，生產(chǎn)效率下降，介質(zhì)使用壽命縮短。為了改善濾餅結(jié)構，解決以上問題，通常使用助濾劑。助濾劑為質(zhì)地堅硬的細小顆粒，如硅藻土、石棉、炭粉等?？蓪⒅鸀V劑加入懸浮液中，在形成濾餅時便能均勻地分散在濾餅中間，改善濾餅結(jié)構，使液體得以暢通，或預敷于過濾介質(zhì)表面以防止介質(zhì)孔道堵塞。對助濾劑的基本要求為：（1）在過濾操作壓差范圍內(nèi)，具有較好的剛性，能與濾渣形成多孔床層，使濾餅具有良好的滲透性和較低的流動阻力；（2）具有良好的化學穩(wěn)定性，不與懸浮液反應

8、，也不溶解于液相中。助濾劑一般不宜用于濾餅需要回收的過濾過程。處理量：處理量：處理的流體流量或分離得到的純流體量V(m3)過濾推動力：過濾推動力：由流體位差、壓差或離心力場造成的過 濾壓差p過濾面積：過濾面積：表示過濾設備的大小A(m2)過濾速度：過濾速度：單位時間通過單位面積的濾液量u過濾過程的主要參數(shù)二、過濾基本方程1.過濾速度的定義 p 過濾壓差 相應的濾液量為V Le 某一過濾時間t時的過濾狀態(tài) dAdVu0說明： 1）隨著過濾過程的進行，濾餅逐漸加厚，如果恒壓過濾時，過濾速度將逐漸減小，稱為瞬時過濾速度。 2）過濾過程中，若要維持過濾速度不變，及恒速過濾時，必須逐漸增加過濾壓強或壓差

9、。2.過濾的基本方程dAdVu0 液體通過濾餅層空隙的流動與普通管內(nèi)的流動相仿，孔道很細，流動類型可認為是在層流范圍內(nèi)。232dluPeLLlAA0濾餅孔隙率-AdddVLLPe2032）（ ）（eLLPdAddV3220）（eLLrPAddV2032dr令 將濾餅體積與濾液體積的比值用v表示，意義為每獲得1m3濾液所形成濾餅的體積，即VALv 令AvVL AvVLee）（eVVvrPAddV2）（eLLrPAddV過濾基本方程過濾基本方程對于大多數(shù)可壓縮濾餅，式中sPrr比阻為單位壓強差下濾餅的其中：r01-0ss，對不可壓縮濾餅一般為為濾餅的壓縮性指數(shù)，適用于不可壓縮濾餅3.恒壓過濾方程在

10、過濾過程中，過濾壓差自始自終保持恒定。對式 進行積分得：）（eVVvrPAddV2222KAVVVe則令,2vrPKvrPAVVVe2222則上式變?yōu)锳VqAVqee,令Kqqqe22恒壓過濾方程4.過濾常數(shù)的測定222KAVVVe121212KAVVVe222222KAVVVe2121VVV和下、若KqqKqe21KqqKqe21Kqqqe225. 過濾速率及其影響因素（1）過濾速率與過濾速度 過濾速率是指過濾設備單位時間所能獲得的濾液體積，表明了過濾設備的生產(chǎn)能力；過濾速度是指單位時間單位過濾面積所能獲得的濾液體積（2）恒壓過濾與恒速過濾 在恒定壓差下進行的過濾稱為恒壓過濾;維持過濾速率不

11、變的過濾稱為恒速過濾。（3）影響過濾速率的因素懸浮液的性質(zhì)過濾推動力過濾介質(zhì)與濾餅的性質(zhì)過濾過程的操作周期主要包括以下幾個步驟：過濾、洗滌、卸渣、清理等，對于板框過濾機等需裝拆的過濾設備，還包括組裝，有效操作步驟只是：“過濾”這一步，其余均屬輔助步驟，但卻是必不可少的。6.過濾操作周期（1）結(jié)構與工作原理：由多塊帶凸凹紋路的濾板和濾框交替排列于機架而構成。板和框一般制成方形，其角端均開有圓孔，這樣板、框裝合，壓緊后即構成供濾漿、濾液或洗滌液流動的通道。框的兩側(cè)覆以濾布，空框與濾布圍成了容納濾漿和濾餅的空間。1.板框過濾機二、過濾設備二、過濾設備板框過濾機板框過濾機2葉濾機（1）結(jié)構與工作原理：

12、葉濾機由許多濾葉組成。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入濾葉內(nèi)部，成為濾液后從其一端排出。過濾完畢，機殼內(nèi)改充清水，使水循著與濾液相同的路徑通過濾餅進行洗滌，故為置換洗滌。最后，濾餅可用振動器使其脫落，或用壓縮空氣將其吹下。（2）主要優(yōu)缺點：葉濾機也是間歇操作設備。它具有過濾推動力大，過濾面積大，濾餅洗滌較充分等優(yōu)點。其產(chǎn)生能力比壓濾機還大，而且機械化程度高，勞動力較省。缺點是構造較為復雜，造價較高，粒度差別較大的顆?？赡芊謩e聚集于不同的高度，故洗滌不均勻。3轉(zhuǎn)筒過濾機（1）結(jié)構與工作原理：轉(zhuǎn)

13、筒真空過濾機（見圖3-23）是一種連續(xù)操作的過濾設備，其操作流程如圖3-24所示，設備的主體是一個由篩板組成能轉(zhuǎn)動的水平圓筒(圖3-25)，表面有一層金屬絲網(wǎng)，網(wǎng)上覆蓋濾布圓筒內(nèi)沿徑向被筋板分隔成若干個空間，每個空間都以單獨孔道通至筒軸頸端面的分配頭上，分配頭內(nèi)沿徑向隔離成3個室，它們分別與真空和壓縮空氣管路相通。轉(zhuǎn)筒真空過濾機工作流程圖1-轉(zhuǎn)鼓 2-濾布 3-金屬網(wǎng) 4-攪拌器傳動 5-搖擺式攪拌器 6-傳動裝置 7-手孔 8-過濾室 9-刮刀 10-分配閥 11-濾渣管路轉(zhuǎn)筒真空過濾機4.帶式真空過濾機帶式真空過濾機是自動連續(xù)運轉(zhuǎn)、并能按工藝要求進行無級調(diào)速以及操作方便和動力消耗低的一種新

14、型高效的脫水設備。如法國的奧桑廠采用該機分離谷氨酸效果極佳，不但可減輕體力勞動，并能連續(xù)性生產(chǎn)，是一種較理想的過濾設備。帶式真空過濾機1帶式真空過濾機工作原理a-帶盤機前進 b-帶盤機后退 c-帶盤橫截面DI型連續(xù)水平帶式真空過濾機工藝流程圖A-加料裝置; B-洗滌裝置 ;C-糾偏裝置; D-洗布裝置; E-切換閥; F-排液分離器 G-返水泵; H.真空泵特 點 1、進料過濾濾餅洗滌吸干卸料濾布清洗連續(xù)進行，配有PLC控制，自動化程度高。2、真空過濾盤分段設計，可滿足不同物料過濾、洗滌、吸干的工藝要求，濾帶運行速度采用變頻無級調(diào)速，對不同物料有廣泛的適應性。3、在同一設備上可采用多次逆流洗滌

15、得到高濃度的濾液，也可采用并流洗滌或順流洗滌獲得高純度的濾餅。1.三足式離心機（二）離心過濾設備2.臥式刮刀卸料離心機1.進料管 2.轉(zhuǎn)鼓 3.濾網(wǎng) 4.外殼 6.濾液7.沖洗管8.刮刀 9.溜槽 10液壓缸臥式刮刀卸料離心機3.活塞推料離心機1.轉(zhuǎn)鼓 2. 濾網(wǎng) 3. 進料管 4.推料盤 5.活塞推送器6. 進料斗 7.排液口 8.沖洗管 9.固體排出 10.洗水出口四、過濾操作及離心機的選擇四、過濾操作及離心機的選擇（一）轉(zhuǎn)筒真空過濾機的操作 1.開、停車 2.正常操作 3.轉(zhuǎn)筒真空過濾機操作常見異?，F(xiàn)象和處理方法（二）離心機的選擇和操作管理 1.離心機的選擇 2.離心機的操作管理 在外力

16、的作用下，使密度不同的兩相發(fā)生相對運動而實現(xiàn)的的，這種分離方式稱為沉降。根據(jù)外力的不同，沉降分為重力沉降、離心沉降和慣性沉降。gdss36rudadtssrss23366球形顆粒受到的重力為：球形顆粒受到的離心力為：其方向是從圓心指向外。 一、重力沉降（一）重力沉降速度及其影響 1.重力沉降速度任務二任務二 、沉降、沉降gds36rudts236（2）浮力當流體處于重力場中，顆粒受到的浮力等于： 流體在離心力場中時，顆粒也要受到一個類似于重力場中浮力的力：（3）分析顆粒沉降運動必須考慮流體對顆粒運動的阻力。兩種阻力：包括表皮阻力和形體阻力。FbFdFg1）重力沉降速度：042662233sts

17、ssdugdgd解 得：34gdusst 2）離心沉降速度rudutssr3423）其它因素對沉降速度的影響： 上述計算沉降速度的方法，是在下列條件下建立的：顆粒為球形；顆粒沉降時彼此相距較遠，互不干擾；容器壁對沉降的阻滯作用可以忽略； 顆粒直徑不能小到受流體分子運動的影響。 4）阻力系數(shù)：218sstdgu=（Re），將不同的帶入ut，可得各種流動狀態(tài)下的ut的計算式： 18)(2gdusstsstdgu3122225)(4sstdgu)(3層流區(qū)：Re2， 過渡區(qū)：Re=21000，湍流區(qū)：Re=1000-2105， 5）公式使用方法如果事前能夠確認流動處在哪個區(qū)，則直接就用該區(qū)的公式進行

18、計算。如果不能確定流動處在哪個區(qū)，則應采用試差法。24Ret0.618.5Ret0.44實際沉降及其影響因素實際沉降及其影響因素1.降塵室（二）重力沉降設備VBHLBHVLuLtR若氣流在整個流動截面上分布均勻，則流體在降塵室的平均停留時間tR(從進入沉降室到離開降塵室的時間)為直徑為d的顆粒從頂部沉降到底部所需要的沉降時間tt為ttuHtRtttVBLHuHttBLuV 直徑為d的顆粒的沉降條件是：其沉降時間等于或小于停留時間， 可以看出，降塵室的生產(chǎn)能力（在一定沉降要求下，降塵室單位時間所能處理的含塵氣體量）只取決于粒子的沉降速度ut和降塵室的沉降面積（BL），而與其高度（H）無關。這就是

19、工業(yè)降塵室設計成扁平或多層的原因。多層降塵室02min18AVgdust0min18AVgds能被除去的最小顆粒直徑即： 該式說明：能被全部除去的最小顆粒尺寸不僅與顆粒和氣體的性質(zhì)有關，還與處理量和降塵室的底面積有關，卻與降塵室的高度無關。 顯然，粒子直徑越大，越容易被除去，由前可知0AVLBHBuLHuust2. 沉降槽定義：用來處理懸浮液以提高其濃度或得到澄清液的重力沉降設備，也叫增稠器或澄清器。 懸浮液經(jīng)中央進料口送到液面以下0.31.0m處，在盡可能減小擾動的情況下，迅速分散到整個橫截面上，液體向上流動，清夜經(jīng)由槽頂端四周的溢流堰連續(xù)流出，稱為溢流；固體顆粒下沉至底部，槽底有徐徐旋轉(zhuǎn)的

20、耙將沉渣緩慢地聚攏到底部中央的排渣口連續(xù)排出。排出的稠漿稱為底流。利用不同粒徑或不同密度的顆粒在流體中的沉降速度不同這一原理來實現(xiàn)它們分離的設備稱為分級器。若有密度不同的a、b兩種顆粒要分離，且兩種顆粒的直徑范圍都很大，則由于密度大而直徑小的顆粒與密度小而直徑大的顆?？赡芫哂邢嗤某两邓俣龋箖烧卟荒芡耆蛛x。 上式表明，不同直徑的顆粒因為密度不同而具有相同的沉降速度，該式代表了具有相同沉降速度的兩種顆粒的直徑比。3.分級器【例題3-6】 石英和方鉛礦的混合球形顆粒在如圖所示的水力分級器中進行分離（分級器的直徑依次增大）。兩者的密度分別為 kg/m3和 kg/m3，且粒度范圍均為 。水溫為20

21、。假設顆粒在分級器中均作自由沉降。試計算能夠得到純石英和純方鉛礦的粒度范圍及三個分級器中的水流速度。12650s27500sm10020二、離心沉降（一）離心沉降速度RudTss236離心力RudTs236向心力2422rsud阻力RuduTssr2218)(（二）離心沉降分離設備1. 旋風分離器沉降速度有效停留時間有效停留時間 2. 旋液分離旋液分離器又稱水力旋流器，是利用離心沉降原理從懸浮液中分離固體顆粒的設備。設備的主體是由直徑較小的圓筒和較長的圓錐兩部分組成。直徑小的圓筒有利于增加慣性離心力，提高沉降速度。加長的圓錐部分可增大懸浮液的行程，增加了在器內(nèi)的停留時間，有利于分離。3. 其他

22、除塵設備（1）慣性除塵器 慣性除塵器是利用顆?；蛞旱蔚膽T性分離氣體非均相 混合物的裝置。在氣體流動的路徑上設置障礙物（比如擋板），當含塵氣流遇到并繞過障礙物時，顆?；蛞旱伪阕矒粼谡系K物上被捕集下來。 其工作原理與旋風分離器相近，顆粒的慣性愈大，氣流轉(zhuǎn)折的曲率半徑愈小，則其分離效率愈高。所以顆粒的密度與直徑愈大，則愈易分離；適當增大氣流速度及減小轉(zhuǎn)折處的曲率半徑也有利于提高分離效率。慣性除塵器的分離效率比降塵室略高，可作為除塵器使用。（2） 靜電除塵器 靜電除塵（霧）其器是利用高壓不均勻直流電場的作用分離氣體非均相物系的裝置。操作中，讓含有懸浮塵?；蜢F滴的氣體通過高壓不均勻直流靜電場（通常在20

23、kV以上）處在電場強度大的區(qū)域的分子發(fā)生電離，產(chǎn)生正負電荷，這些電荷附著于懸浮塵?；蛞旱紊鲜怪畮щ姡ǚQ之為荷電），荷電后的粒子或液滴在電場力的作用下，向著電性相反的電極運動，到達電極后恢復中性，吸附在電極上。經(jīng)振動或沖洗落入灰斗，從而實現(xiàn)含塵或含霧氣體的而分離。（3） 文丘里除塵器 文丘里除塵器是一種濕法除塵設備。其結(jié)構與文丘里流量計相似，由收縮管、喉管及擴散管收縮管、喉管及擴散管三部分組成，不同的是喉管四周均勻地開有若干徑向小孔，這些小孔通過管子與某種液體（通常是水）相通，有時擴散管內(nèi)設置有可調(diào)錐，以適應氣體負荷的變化。操作中，含塵氣體以50100m/s的速度通過喉管時，把液體吸入喉管，并噴成很細的霧滴，于