非均相物系分离-2.ppt

2019/7/17,第七章 非均相物系分离,一、过滤操作的基本概念 二、表面过滤基本理论 1、过滤基本方程 2、过滤过程的计算 3、过滤常数的测定 4、滤饼的洗涤 5、过滤机的生产能力 三、深层过滤的基本理论,过 滤,2019/7/17,第一节 过滤操作的基本概念,1、过滤的概念,过滤是分离液体和气体非均相混合物的常用方法。 过滤 ： 混合物中的流体在推动力（重力、压力、离心力)作用下,通过能让液体流过而截留固体颗粒的多孔介质（过滤介质），使悬浮液中固液得到分离的单元操作。,滤浆：,通过多孔介质的液体。,滤液：,被截留住的固体物质。,滤渣（滤饼）：,过滤操作中所处理的悬浮液。,2019/7/17,2、过滤介质 过滤介质是滤饼的支承物，应具有下列条件： a) 多孔性，孔道适当的小，对流体的阻力小，又能截住要分离的颗粒。 b) 物理化学性质稳定，耐热，耐化学腐蚀。 c)足够的机械强度，使用寿命长 d) 价格便宜 工业常用的过滤介质主要有： a) 织物介质：又称滤布，包括有棉、毛、丝等天然纤维，玻璃丝和各种合成纤维制成的织物，以及金属丝织成的网 能截留的粒径的范围较宽，从几十m到1m,2019/7/17,优点：织物介质薄，阻力小，清洗与更新方便，价格比较便宜，是工业上应用最广泛的过滤介质。 b)多孔固体介质：如素烧陶瓷，烧结金属塑料细粉粘成的多孔塑料，棉花饼等 这类介质较厚，孔道细，阻力大，能截留13m的颗粒 c) 堆积介质：由各种固体颗粒（砂、木炭、石棉粉等）或非编织的纤维（玻璃棉等）堆积而成，层较厚。 d) 多孔膜：由高分子材料制成，膜很薄（几十m到200m），孔很小，可以分离小到0.05m的颗粒,应用多孔膜的过滤有超滤和微滤。,2019/7/17,表面过滤（滤饼过滤） （见图4-7a）过滤时悬浮液置于过滤介质的一侧。过滤介质常用多孔织物，其网孔尺寸未必一定须小于被截留的颗粒直径。在过滤操作开始阶段，会有部分颗粒进入过滤介质网孔中发生架桥现象（图4-7b），也有少量颗粒穿过介质而混与滤液中。随着滤渣的逐步堆积，在介质上形成一个滤渣层，称为滤饼。不断增厚的滤饼才是真正有效的过滤介质，而穿过滤饼的液体则变为清净的滤液。通常，在操作开始阶段所得到滤液是浑浊的，须经过滤饼形成之后返回重滤。,3、过滤方式,2019/7/17,深层过滤 颗粒尺寸比介质孔道小的多，孔道弯曲细长，颗粒进入孔道后容易被截留。同时由于流体流过时所引起的挤压和冲撞作用。颗粒紧附在孔道的壁面上。介质表面无滤饼形成，过滤是在介质内部进行的。,2019/7/17,3、过滤方式,过滤,深层过滤,表面过滤（滤饼过滤）,适用于悬浮液中颗粒甚小且含量甚微（固相体积分率在0.1%以下）的场合 。 如水的净化，烟气除尘等。,适用于处理固相含量稍高（固相体积分率在1%以上）的悬浮液。或用于过滤速度较慢、滤饼容易形成的情况。,2019/7/17,1）重力过滤 2）真空过滤 3）压力差过滤 4）离心过滤,4、按促使流体流动的推动力分类,2019/7/17,5、助滤剂,滤饼,不可压缩滤饼:,颗粒有一定的刚性，所形成的滤饼并不因所受的压力差而变形 。,可压缩滤饼:,颗粒比较软，所形成的滤饼在压差的作用下变形，使滤饼中的流动通道变小，阻力增大。,加入助滤剂：可减少可压缩滤饼的流动阻力,增加过滤速率。 助滤剂是一种坚硬而形状不规则的小颗粒，能形成结构疏松而且几乎是不可压缩的滤饼。常用作助滤剂的物质有：硅藻土、珍珠岩、炭粉、石棉粉等。,加入方法,预涂：,将助滤剂混在滤浆中一起过滤,用助滤剂配成悬浮液，在正式过滤前用它进行过滤，在过滤介质上形成一层由助滤剂组成的滤饼。,2019/7/17,第二节 表面过滤的基本理论 一、过滤基本方程式,1、滤液通过饼层的流动的过滤速度,过滤速度：单位时间通过单位过滤面积的滤液体积。,2019/7/17,2、过滤速度与推动力的关系为：(Darcy定律）,Rm：过滤介质的过滤阻力，m-1 Rc：滤饼层的过滤阻力， m-1 ： 滤液黏度，Pas,2019/7/17,3、过滤介质及滤饼的阻力,设过滤介质和滤饼的厚度分别为 、L ，单位m；单位厚度的过滤介质或滤饼的阻力用rm、r表示，称之为过滤比阻。,则：Rm=rmLm; Rc=rL,2019/7/17,设想以一层厚度为 的滤饼来代替过滤介质，,故上式可写为,式中： 过滤介质的当量滤饼厚度，或称为虚拟滤饼厚度，m; 在一定的操作条件下，以一定介质过滤一定悬浮液时，Le为定值，但同一介质在不同的过滤操作中，Le值不同。,2019/7/17,4、过滤基本方程式 滤饼厚度L与当时已经获得的滤液体积V之间的关系为：,f滤饼体积与相应的滤液体积之比，无因次，m3/m3 。 即每过滤得到1m3的滤液，产生的滤饼量为f m3。 同理 ：,Ve过滤介质的当量滤液体积，或称虚拟滤液体积，m3 在一定的操作条件下，以一定介质过滤一定的悬浮液时，Ve为定值，但同一介质在不同的过滤操作中，Ve值不同。,2019/7/17,上式就可以写成： 得：,过滤速率的一般关系式,可压缩滤饼的情况比较复杂，它的比阻是两侧压强差的函数，,s滤饼的压缩性指数，无因次。s=01,对于不可压缩滤饼，s=0。,2019/7/17,代入上式，过滤速率,过滤基本方程式,适用于可压缩滤饼及不可压缩滤饼。 对于不可压缩滤饼，s=0。,2019/7/17,再用q、qe分别表示单位过滤面积的的滤液量和过滤介质的虚拟滤液量，即：q=V/A,qe=Ve/A,得：,则有：,过滤基本方程式,表面过滤基本方程,表面过滤基本方程,2019/7/17,二、过滤过程的计算,（一）恒压过滤：在恒定压强差下进行的过滤操作。 恒压过滤时，滤饼不断变厚致使阻力逐渐增加。但推动力P恒定，过滤速率逐渐变小。 对于一定的悬浮液，K可视为常数。,2019/7/17,积分得 ：,积分的边界条件为： 过滤时间 滤液体积 0 t 0V,恒压过滤方程式,同理可得：,2019/7/17,表明：恒压过滤时，滤液体积与过滤时间的关系为抛物线方程,讨论：1、当过滤介质阻力可忽略时,2、当积分区域为t0t,V0V，则有：,2019/7/17,例：过滤一种固体颗粒体积分数为0.1的悬浮液,滤饼含水的体积分数为0.5,颗粒不可压缩,经实验测定滤饼比阻为1.310-11m-2,水的粘度为1.010-3Pa.s。在压强差恒为9.8104Pa的条件下过滤,假设滤布阻力可以忽略,试求： 1）每1m2过滤面积上获得1.5m3滤液所需的过滤时间。 2）如将此过滤时间延长一倍,可再得滤液多少？ 解：1）过滤时间,2019/7/17,滤布阻力可忽略,2)求过滤时间加倍时的滤液量,2019/7/17,（二）恒速过滤,值得注意的是：恒速过滤过程中压力降是变化的，因此过滤系数K随时间而变化，式中的K应是近似平均值。,2019/7/17,四、过滤常数的测定,1、恒压下K、qe的测定 实验原理：,对于一定恒压下过滤的悬浮液，测出延续的时间及滤液的累计量q（按单位面积计）的数据，然后算出一系列的t与q的对应值,作直线的斜率和截距可求。,2019/7/17,2019/7/17,2、压缩性指数s的测定,lgk与lg(p)的关系在对数坐标纸上标绘时应是直线,直线的斜率为1-s。由此可得到滤饼的压缩性指数s。,2019/7/17,五、滤饼的洗涤,滤饼洗涤的目的：为了回收滤饼里存留的滤液，或者净化构成滤饼颗粒。,1、洗涤速度 洗涤速度：,洗涤速率与过滤终了时的过滤速率有关，这个关系取决于滤液设备上采用的洗涤方式。,单位时间单位洗涤面积消耗的洗涤液容积 ，以 表示。,2019/7/17,叶滤机采用的置换洗涤法，洗水与过滤终了时的滤液流过的路径就完全相同。 当操作压强差和洗水与滤液粘度相同时,板框过滤机采用的是横穿洗涤法，洗水横穿两层滤布及整个厚度的滤饼，流径长度约为过滤终了时滤液流动的两倍。而供洗水流通的面积仅为过滤面积的一半。,2019/7/17,当操作压强差和洗水与滤液粘度相同时,当洗水粘度、洗水表压与滤液粘度、过滤压强差有明显差异时，所需的过滤时间可进行校正。,2019/7/17,2、洗涤时间,2019/7/17,六、过滤机生产能力的计算,过滤机的生产能力 ：单位时间的滤液体积或滤渣体积，m3/s,1、间歇过滤机的生产能力 一个操作周期时间为：,生产能力为：,在间歇过滤机的生产中，总是力求获得最大的生产能力，因此，对于间歇过滤过程来说，合理选择每个循环中的过滤时间，可以得到最大的生产能力。,2019/7/17,。V由生产任务所定 若 但滤饼厚度 ，平均过滤速率 ， 一定， 的幅度， 。 平均过滤速率 ， ，但 ，而 一定且在一个周期内所占比例 ， 幅度小于 的幅度， 从上面的分析可知，对恒定过滤每一操作周期中必定存在一最佳的过滤时间 使 最大。因此存在一个最佳操作周期 。,1、间歇过滤机的生产能力,2019/7/17,例：用一台装有26个BMS/625mm625mm26mm板框的压滤机过滤一种含固体颗粒为25kg/m3的悬浮液，在过滤机入口处滤浆的表压为3.39105Pa,已测得在此压力下K=1.8610-4，qe=0.0282，所用滤布与实验时的相同，料浆温度为25， 每次过滤到滤饼充满滤框为止，然后用清水洗涤滤饼，洗水温度及表压与滤浆相同，体积为滤液体积的8%，每次卸渣，清理，装合等辅助操作时间为15min。已知固相颗粒密度为2930kg/m3，又测得湿滤饼的密度为1930kg/m3。求此板框压滤机的生产能力，并讨论此板框压滤机是否在最佳操作状态下操作。,2019/7/17,解：,总过滤面积,滤框总容积,已知1m3滤饼的质量为1930kg，其中含水x kg,水的密度按1000kg/m3考虑。,x=518kg,2019/7/17,1m3滤饼中固相颗粒质量为1930-518=1412 kg 设每1m3滤液中含水ykg,y=991.5 kg,生成1m3滤饼所需的滤浆质量为,生成1m3滤饼的滤液的质量为：（57412-1930）=55482kg 滤液体积为:,2019/7/17,滤框全部充满滤饼时的滤液体积为,过滤终了时单位面积滤液量为,代入,过滤终了时滤液的速率,2019/7/17,洗涤液体积,生产能力,2019/7/17,根据获得最大生产能力的要求，辅助操作时间应为,这就是说实际所用过滤时间太长，对这种悬浮液，为提高生产能力。过滤时间应短些。,2019/7/17,若转筒转速为n r/s,转筒回转一周所用时间：,整个转筒表面上任何一小块过滤面积所经历的过滤时间为：,从生产能力的角度来看,一台总过滤面积为A，浸没角度为，转速为n r/s的连续式转筒真空过滤机，与一台同样条件下操作的过滤面积为A，操作周期为T=1/n，每次过滤时间 的间歇式板框压滤机是等效的。,2、连续过滤机的生产能力 浸没度: 转筒表面浸入滤浆中的分数，以表示。 浸没角度/360,2019/7/17,生产能力：,当滤布阻力可以忽略不计时,其中：,D-转筒直径 L-转筒的长度,转速n愈高，浸没度愈大，生产能力愈大。,转筒每转一周所得滤液的体积为：,2019/7/17,例：用转筒真空过滤机于50kPa真空度下过滤密度为1220kg/m3的某种水悬浮液，操作条件下的过滤常数K=5.210-6m2/s，过滤介质的阻力可忽略不计。已知，每次获得1m3滤液生成的滤渣中含有固相590kg，固相密度为2200kg/m3，转筒直径为1.75m，宽度为0.92m，转筒浸没度1/3，其转速为0.5r/min，试求： 1) 过滤机的生产能力。 2) 转筒表面最终滤饼厚度。,2019/7/17,解：,1）每小时所得滤液体积，即生产能力为：,2）要求滤饼厚度，应先通过物量衡算求得滤饼体积与滤液体积之比 以1m3悬浮液为准，设其中固相质量分数为xw,2019/7/17,所以过滤1m3悬浮液所得滤饼的固相质量：,可得滤液体积为,滤饼体积为 1-0.6823=0.3177m3,每小时所得滤液体积为Q, 则转筒每转一周得滤饼体积,滤饼厚度,2019/7/17,第三节.流体通过颗粒层的流动,3.1概述 3.2颗粒床层的特性 3.3流体通过固定床的压降 3.4过滤原理及设备 3.5 过滤过程计算,2019/7/17,3.1概述,由众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒床层称为固定床。许多化工操作都与流体通过固定床的流动有关，其中最常见的有： （1）固定床反应器（组成固定床的是粒状或片状催化剂） （2）悬浮液的过滤（组成固定床的是悬浮液中的固定颗粒堆积而成的滤饼看作是固定床）,2019/7/17,3.2颗粒床层的特性,（1）床层空隙率 固定床层中颗粒堆积的疏密程度可用空隙率来表示，其定义如下： 的大小反映了床层颗粒的紧密程度，对流体流动的阻力有极大的影响。,2019/7/17,3.2颗粒床层的特性,(2)床层比表面 床层比表面 颗粒比表面 取 的床层考虑， ， 所以 此式是近似的，在忽略床层中固体颗粒相互接触而彼此覆盖使裸露的颗粒表面积减少时成立。,2019/7/17,3.3流体通过固定床的压降,流体通过复杂的通道时的阻力（压降）难以进行理论计算，必须依靠实验来解决问题。因此，在研究颗粒床层空隙中流体的流动过程时，通常采用简化的流动模型来代替床层内真实的流动过程。,2019/7/17,3.3.1颗粒床层的简化模型,如图，可以将实际的颗粒床层简化为由许多相互平行的小孔道组成的管束，认为流体流过颗粒床层的阻力与通过这些小孔道管束时的阻力相等。,2019/7/17,3.3流体通过固定床的压降,3.3.1颗粒床层的简化模型 （1）床层的简化物理模型 单位体积床层所具有的颗粒表面积 和 床层空隙率 对流动阻力有决定性的作用。 规定： 细管的内表面积等于床层颗粒的全部表面； 细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙体积。,2019/7/17,3.3.1颗粒床层的简化模型,（2）流体压降的数学模型 流体流过圆管的阻力损失数学描述： 体积流量 流体通过颗粒床层的空床流速为： 实际流速：,2019/7/17,3.3.1颗粒床层的简化模型,（ 2）流体压降的数学模型 式中 为单位床层高度的虚拟压强差 当床层不高，重力的影响可以忽略时 上式为流体通过固定床压降的数学模型 ，未知的待定系数 称为模型参数 ，就其物理意义而言称为固定床的流动摩擦系数。,2019/7/17,3.3.1颗粒床层的简化模型,（3）模型的检验和模型参数的估值 当床层雷诺数 时 ， 实验数据符合下式 式中 称为康采尼常数 ，其值为5.0 。 的可能误差不超过10%。 合理简化得到康采尼方程,2019/7/17,3.3.1颗粒床层的简化模型,从康采尼方程或欧根方程可看出，影响床层压降的变量有三类： 操作变量 流体物性 和 床层特性 和 在上述因素中，影响最大的是空隙率,康采尼方程,2019/7/17,(4)流体在颗粒床层的流动速度符合康采尼方程,若令 r颗粒床层的比阻，即单位厚度床层的阻力。 则流动速度为：,2019/7/17,3.4 过滤设备,（1）结构与工作原理：由多块带凸凹纹路的滤板和滤框交替排列于机架而构成。板和框一般制成方形，其角端均开有圆孔，这样板、框装合，压紧后即构成供滤浆、滤液或洗涤液流动的通道。框的两侧覆以滤布，空框与滤布围成了容纳滤浆和滤饼的空间。,3.4.1板框过滤机,2019/7/17,3.4.1板框过滤机,板和框的结构如图所示。悬浮液从框右上角的通道1（位于框内）进入滤框，固体颗粒被截留在框内形成滤饼，滤液穿过滤饼和滤布到达两侧的板，经板面从板的左下角旋塞排出。待框内充满滤饼，即停止过滤。如果滤饼需要洗涤，先关闭洗涤板下方的旋塞，洗液从洗板左上角的通道2（位于框内）进入，依次穿过滤布、滤饼、滤布，到达非洗涤板，从其下角的旋塞排出。,2019/7/17,3.4.1板框过滤机,如果将非洗涤板编号为1、框为2、洗涤板为3，则板框的组合方式服从1232123之规律。组装之后的过滤和洗涤原理如图所示。,2019/7/17,3.4.1 板框过滤机,滤液的排出方式有明流和暗流之分，若滤液经由每块板底部旋塞直接排出，则称为明流（显然，以上讨论以明流为例）；若滤液不宜暴露于空气中，则需要将各板流出的滤液汇集于总管后送走，称为暗流。 说明： 板框压滤机的操作是间歇的，每个操作循环由装合、过滤、洗涤、卸渣、整理五个阶段组成。 上面介绍的洗涤方法称为横穿洗涤法，其洗涤面积为过滤面积的1/2，洗涤液穿过的滤饼厚度为过滤终了时滤液穿过厚度的2倍。若采用置换洗涤法，则洗涤液的行程和洗涤面积与滤液完全相同。,2019/7/17,3.4.1 板框过滤机,（2）主要优缺点 板框压滤机构造简单，过滤面积大而占地省，过滤压力高，便于用耐腐蚀材料制造，操作灵活，过滤面积可根据生产任务调节。主要缺点是间歇操作，劳动强度大，产生效率低。,2019/7/17,3.4.2 叶滤机,（1）结构与工作原理：叶滤机由许多滤叶组成。滤叶是由金属多孔板或多孔网制造的扁平框架，内有空间，外包滤布，将滤叶装在密闭的机壳内，为滤浆所浸没。滤浆中的液体在压力作用下穿过滤布进入滤叶内部，成为滤液后从其一端排出。过滤完毕，机壳内改充清水，使水循着与滤液相同的路径通过滤饼进行洗涤，故为置换洗涤。最后，滤