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)，要重點掌握沉降和過濾這兩種機械分離操作的原理、過程計算、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、過程計算。

b

過濾操作的原理、過濾的計算第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)生相對運動而分離的過程。機械分離方法（按流動方式不同）：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算重力沉降是利用流體中的固體顆粒受地球吸引力場的作用而發(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)牛頓第二運動定律，顆粒所受三個力的合力應(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，理論計算值的偏差在1%以內(nèi)，當(dāng)顆粒濃度較高時便發(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，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)的沉降速度公式計算，然后按求出的ut檢驗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，使其兩個坐標(biāo)軸之一變成不包含ut的無量綱數(shù)群，進而便可得ut

沉降速度的計算第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動&隨氣體運動沉降運動時間<氣體停留時間分離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）。

料漿從中央進料口送入液面下0.3-1.0m處，以小擾動迅速分散到整個橫截面上，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，即使夾帶顆粒粒，顆粒在澄清區(qū)還是有機會再沉降，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，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分子膜和無機材料膜。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的濾餅時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:隨著過濾進行，濾餅厚度不斷增加，流動阻力逐漸增大，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，濾液的流動大都在滯流區(qū)。一、濾液的流動3.4.1.2過濾基本方程1、濾液通過濾餅層流動的特點第21頁,共47頁，2024年2月25日，星期天對于顆粒層不規(guī)則的通道可簡化為長度為L的一組平行細(xì)管，細(xì)管長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算。ε

：床層的空隙率，m3/m3；a:顆粒比表面積，m2/m3;2、當(dāng)量長度的計算第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。對于濾液通過平行細(xì)管的滯流流動，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（按整個床層截面積計算）u1=u

/ε，m/sL:床層厚度，m；△Pc：壓強降，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間獲得的濾液體積,m3/s。單位時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)對濾液流動的阻力相當(dāng)于厚度為Le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Le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力（壓差）不變，則稱為恒壓過濾。對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，則以上兩式簡化為：

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，則以上兩式簡化為：

對恒速過濾，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，實驗測得不同過濾時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的測定由過濾常數(shù)K的定義式

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，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

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

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

葉濾機是由許多濾葉組成。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入濾葉內(nèi)部，成為濾液從其周邊引出。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，進行置換洗滌。

葉濾機第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洗滌速率與洗滌時間葉濾機葉濾機洗水與過濾終了時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間第42頁,共47頁，2024年2月25日，星期天板框式過濾機洗滌面積=(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)能力過濾機的生產(chǎn)能力：單位時間的濾液體積或濾渣體積，