过滤,沉降与流态化.ppt

1,第三章 过滤、沉降与流态化,3.1 概述,3.4 沉降分离,3.5 离心机,3.3 过滤,3.2 颗粒及颗粒床层特性,3.6 流态化,2,把床层中的不规则通道简化成长度为Le的一组平行细管，并规定：,1. 床层的简化物理模型,(1)细管的内表面积等于床层颗粒的全部表面； (2)细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积。,四、流体通过颗粒床层的压降,以1m3床层体积为计算基准，则：,虚拟细管的 当量直径：,3,2. 流体压降的数学模型,u1流体在细管内的流速,u 空床流速 (表观流速),模型参数,4,3. 模型的检验和模型参数的估计,把 代入得：,Kozeny方程(3-19),Kozeny通过实验得到,(1) Kozeny方程,5,Ergun通过实验得到,(3) 影响床层压降的因素： 操作状况u 流体性质、 床层特性、a,(2) Ergun方程,影响最大的是,6,将过滤操作所使用的多孔性物质称为过滤 介质，其作用是截留悬浮液中的固体颗粒。工业常用的有：,第三节 过滤,一、过滤操作的原理,1.过滤基本概念, 过滤介质：,过滤是利用重力或外力造成的压差，使含固体颗粒的非均相物系通过多孔性介质，实现固液分离的操作。,织物介质：又称滤布，是用棉、毛、丝、麻等天然纤维 及合成纤维织成的的织物，及由玻璃丝或金属丝织的网。这类 介质能截留颗粒的最小直径为 ，工业应用最为广泛。,7,多孔膜：用于膜过滤的的各种有机高分子膜和无机材料膜。广泛使用的是醋酸纤维素和芳香酰胺系两大类有机高分子膜。可用于截留1m以下的微小颗粒。,堆积介质：由各种固体颗粒(砂、木碳、石棉、硅藻土) 或非纺织纤维等堆积而成，多用于深床过滤中，处理含固体量 很少的悬浮液，如自来水厂饮水的净化。,多孔固体介质：具有很多微细孔道的固体材料，如多孔 的陶瓷、多孔塑料、多孔金属烧结制成的管或板，能拦截最小 直径为 的微细颗粒。,8, 滤浆、滤饼和滤液,滤饼：留在过滤介质上的固体颗粒，称为滤饼或滤渣，有可压缩滤饼（在操作压差下会发生形变）与不可压缩滤饼之分；,滤浆：将过滤操作中需要处理的悬浮液称为滤浆或料浆；,滤液：通过滤饼和过滤介质后的清液，称为滤液。,9,2. 两种过滤方式原理, 表面过滤（滤饼或饼层过滤）,随过滤进行，滤渣在滤介的一侧形成滤饼。初时，滤介微孔的颗粒可能穿过滤介进入滤液使之混浊；但颗粒经过微孔时的“架桥现象”使流道更狭窄，使小于孔道直径的颗粒也能被拦截，滤液逐渐清澈，当滤饼形成后，滤液便澄清了。此时将初始浊液重新过滤即可得澄清溶液。,可见，有效过滤靠的是滤饼而不是滤介。,“架桥”现象,10,当悬浮液中所含颗粒很小且含量较低（颗粒浓度0.1%） 时，可用较厚的颗粒床层做成过滤介质过滤。, 深层过滤（深床过滤）,颗粒随液体进入床层内细长弯曲的孔道时，靠静电及分子力的作用而附着在孔道壁上，床层上没有滤饼形成。用于从稀悬浮液得到澄清液， 故又称为澄清过滤。适用于生产能力大而悬浮液中颗粒小、含量低的场合，如饮用自来水的过滤。,11,滤饼受压，流动阻力 将空隙结构不因操作压差增大而变形的滤饼称为不可压缩滤饼或刚性滤饼；在操作压差作用下会发生变形的滤饼则称为可压缩滤饼。,3. 滤饼的可压缩性, 助滤剂,当悬浮液中颗粒很细或滤饼处于可压缩状态时，过滤介质的孔隙很容易被堵死，使过滤操作阻力很大、过滤困难；为减少过滤过程的流动阻力，可采用助滤剂来增加滤饼刚性和空隙率，使滤液易于通过。,常用的助滤剂有：硅藻土、石棉、活性炭、纤维粉等。, 滤饼的压缩性,12,4. 滤饼的洗涤,ab段洗出液基本上是滤液，置换洗涤。 bc段洗涤液中溶质浓度急剧下降。 cd段滤饼中的溶质被洗涤液沥取带出的阶段。,一些过滤过程需要回收滤饼中残余的滤液或除去滤饼中的可溶性盐，则在过滤结束时用清水或其他液体通过滤饼流动，称为洗涤。,13,5. 过滤过程的特点,过滤过程实为一非定态过程，但可按拟定态处理。 过滤速率：,q单位过滤面积所通过的滤液量；,14,二、过滤设备, 压滤和吸滤： 如叶滤机、板框过滤机、回转真空过滤机等；,过滤设备按产生压差的不同方式可分为两大类：, 离心过滤： 如各种间歇卸渣和连续卸渣的离心机。,15,1. 叶滤机主要构件为滤叶,动画演示,16,2.板框压滤机, 结构和工作原理：,结构：由多块滤板和滤框交替排列组成。,滤框和滤板均为方形， 其右上角圆孔是滤浆通道， 左上角圆孔是洗涤水通道， 滤板两侧表面有交错沟槽及 凹凸面，滤布放在其两侧。,17,板框压滤机外形,18,1-非洗涤板,2-框,3-洗涤板,板框的四角均开孔,组装: 1-2-3-2-1-2-3-2-1-2-3-2-1,板框压滤机部件,滤浆由总管入框,框内形成滤饼,滤液穿过滤饼和滤布,经板底旋塞直接排出(明流),板底流出的滤液汇于总管排出(暗流),过滤原理,洗涤液由总管入板, 3、2间滤布,滤饼,2、1间滤布,非洗涤板,板底排出,洗涤过程：,过滤过程：,动画演示,19,动画演示,20,手动压紧，Y为液压压紧, 特点及应用,板框式压滤机的板与框可用金属、木材、塑料等不同材料 制造，数目一般为 10 60 块，过滤面积为 280m2，操作压力 通常为0.31MPa。, 规格型号,型号为 BMS 20/635 25的板框过滤机表示的含义是：,板框压滤机,明流式 A为暗流式,过滤面积，m2,框内边长，mm,框厚，mm,板框式过滤机结构紧凑、价格低廉、过滤面积大、对物料 适应能力强、主要用于过滤含固量多的悬浮液，因操作压力较 高，可用于过滤细小颗粒或悬浮液；但过程是间歇操作，生产 能力低下，拆卸、清洗和组装阶段都需要人工操作，工作环境 较差，劳动强度大，只适用于小规模生产。,21,3. 回转真空过滤机, 结构与工作原理,主要部件为转筒，其表 面有一层金属网，网上盖有 滤布。转筒下部浸入滤浆槽 中，沿转筒周边用隔板分为 12个小过滤室，各小室均有 一小孔用来抽真空；转筒右 侧装有卸渣用的刮刀。,动画演示,转筒旋转过程中，依次进行着过滤、洗涤、吸干、卸渣等 操作，转筒圆周上可划分为过滤区、洗涤区、吸干区及吹松卸 渣区，能自动连续进行过滤操作。,22,23,转筒真空过滤机能连续自动操作、节省人力、生产能力 较大，适于大处理量易过滤料浆的过滤，是工业生产中应用 较广的连续操作型过滤机；但其存在过滤面积较小、过滤压 差较低、附属设备较多、投资费用较大等不足，还需要进一 步改进。, 特点及应用,动画演示,24,根据康采尼方程P92(3-19)，可得过滤速率为：,代入上式得：,把滤饼厚度,令,三、过滤基本方程,25,滤液经过滤饼与过滤介质的速率式分别是：,26,过滤常数 K、qe,比阻,过滤的基本方程式,令,27,滤液量与过滤时间的关系,恒速过滤：恒速率、变压差,过滤的典型操作方式,1. 恒速过滤方程,恒速过滤方程,恒压过滤：恒压差、变速率,先恒速、后恒压,28,2. 恒压过滤方程,根据,知，对指定的悬浮液，只有当操作压差不变时，K为常数。,积分,恒压过滤方程,29,3. 先恒速后恒压过滤方程,其中：,30,例题3-1 某过程采用恒压板框式过滤机进行生产，每年欲得滤液4000m3，年工作4800hr，每一操作周期为2.5hr，过滤时间为1.2hr，操作条件下的过滤常数为：K=410-6m2/s，qe=0.025m，滤饼不洗涤。试计算： （1）所需过滤面积； （2）需尺寸为63563525mm的滤框多少块？,解: (1) 间歇过滤 具有的操作周期数：,则每一周期需获得的滤液量为：V=4000/1920=2.08 m3,根据恒压过滤速率方程，得：,故所需过滤面积为：,(2) 需的滤框个数为：,31,将过滤方程用微分式表示出，有：,过滤常数是指恒压与恒速过滤方程中的qe与K值，计算时 可先应用实验进行测定，方法主要有：,以恒压过滤为例,其过滤方程可改写为:,微分测定法,直线拟合法,可知 /q与 q间有线性关系，该直线的斜率为 1/K，截距为 2qe/K；因此若将/q与q数据拟合成一条直线，根据直线的斜率 与截距值，便可得到过滤常数K与qe。,连续测定和q，可算出一系列 及对应 q， 作出关联直线 /q q图，则有：,该直线的斜率为 2/K，截距为2qe/K,五、 过滤常数的测定,32,讨论：,由,知，,当实验条件必须与生产条件一致时，K值才能使用。但实际这一限制并不必要。,解出r0和s,根据一个压差下的K值推算另一压差下的K值 结论：实验数据可推广使用,33,六、滤饼的洗涤速率与洗涤时间,1. 叶滤机的洗涤速率,洗涤过程中，滤饼厚度不变，洗涤速率基本上为常数,洗涤液流经滤饼的通道和过滤终了时滤液的通道相同，洗涤液通过的滤饼面积与过滤面积相同，即：,w洗涤； q过滤终了时单位过滤面积的累计滤液量。,34,2. 板框过滤机的洗涤速率,洗涤时间,洗涤液流经滤饼的路径为过滤终了时滤液路径的两倍，洗涤面积为过滤面积一半，即：,假定：洗涤液粘度与滤液相同；洗涤压力与过滤时相同,35,结论：用同样体积洗涤液，板框过滤的洗涤速率为过滤终了时滤液速率的四分之一。,假定：洗涤液粘度与滤液相同；洗涤压力与过滤时相同,板框压滤机的洗涤时间为：,由,知，,36,生产能力Q：是指在一个操作周期中，单位时间得到 的滤液或滤饼体积。即：,过滤时间：过滤阶段所需时间, 洗涤时间 w：洗涤阶段所需的时间, 辅助时间D：拆卸、组装、清洗板框和滤布所需的时间,由图知存在opt，使得间歇过滤机的生产能力最大。,1. 间歇过滤机的生产能力,间歇过滤中，每一操作周期都由三部分组成：=+w+D,七、过滤机的生产能力,37,将转筒表面浸入滤浆中的分数称为浸液率。,= 转筒浸液面积/转筒总表面积= 浸液角度/360,若转筒的转数为n(1/s)，则转筒任一部分表面经过过滤区的有效过滤时间为： = /n,则回转真空过滤机的生产能力为：,滤介阻力忽略时（Ve=qe=0）：,2. 连续式回转真空过滤机的生产能力,把恒压过滤方程改写为：,38,第四节 沉降分离,一、沉降速度及计算,1.球型颗粒的自由沉降,沉降：混合物在力场作用下，使分散相与连续相发生 相对运动，密度大的物质定向地移向收集面，实现分离。, 沉降与自由沉降,自由沉降：颗粒沉降中不因其它颗粒存在而受到干扰，且忽略容器器壁等外界任何影响，称之为自由沉降。,39,干扰沉降：当连续相为液体、物系中颗粒的体积分率较高时，颗粒之间相互干扰的沉降过程称干扰沉降。, 自由沉降过程分析,当一表面光滑的刚性球形颗粒于静止流体中作自由沉降时，因颗粒p液体的，故颗粒受到的力为,重力Fg、浮力Fb、阻力Fd，如右图所示。,根据牛顿第二定律，有：,u,动画演示,40,由上式可知：随颗粒的下沉u逐渐，加速度 ，则当u增至某定值ut时， 0，此时颗粒开始作均匀沉降。故颗粒的自由沉降可分为两个阶段，初时为加速段，后面为匀速段。,通常将匀速阶段中颗粒相对于流体的运动速度 ut 称为沉降 速度或终端速度。 从颗粒沉降达到等速阶段，理论上需要很长时间，但达到 0.99ut 所需时间很短，因而实际计算有时可忽略加速段，认为颗粒始终在等速ut 下运动。, 沉降速度含义,根据（3-10）式，,2.自由沉降速度的计算,（352）,41,ut与p、dp、和有关，结合的计算公式，可得：,根据上面公式可知：当颗粒和流体的种类确定后，仅与p、dp和有关的重力Fg及浮力Fb便为常量，阻力Fd则随颗粒运动速度而变化 。 p 、dp 、 、 ,滞流（Stokes)区： 10-4Re2，=24/Re,过渡（Allen）区：2Re500 ，,湍流（Newton）区：500Re2105 ，=0.44,ut ,42,3.影响ut的因素,上面对ut的计算是针对表面光滑的刚性球形颗粒作自由沉降简单情况下的讨论结果，除 p、dp、 等因素外， ut还受其它一些因素的影响，主要有：, 颗粒形状 颗粒形状越偏离球形，沉降时的阻力系数就越大， ut也就越小。通常用球形度标识： s=s/sp s球体表面积，m2；sp颗粒的表面积，m2 0 s1，颗粒形状越不规则，其球形度越小。 对于非球形颗粒的Re计算中的 dp用当量直径 de代替，de的计算方法很多，若采用等体积法，则de的计算式为：,43,颗粒的体积浓度 当颗粒的体积浓度 0.2%，各 ut 的理论计算值偏差1%； 当体积浓度较高时，因颗粒间相互作用力的影响，会发生干扰沉降，使干扰沉降速度低于ut 。 此时可以通过经验修正公式进行校正。, 器壁效应（端效应） 器壁效应也称端效应。当颗粒离器壁较近时，颗粒沉降迫 使连续相也有一定的流动，而不动的器壁又阻滞着这种流动， 结果显示 ut变慢，容器的器壁与底面都可增加颗粒沉降时的曳力，故都具有端效应。,当沉降处于斯托克斯区，修正式为：,当D100d时，器壁效应可忽略。,44,二、重力沉降设备,1.降尘室,按流体流动方式的不同，重力沉降设备可分为水平流动型与上升流动型两种。下图为水平流动型降尘室。,W,动画演示,45, 工作原理,气体入室因A增大而减速 颗粒沉降并随气体运动,操作特点：dp、 V尘粒易除去, 临界直径dpc,指能(100%)被降尘室除去的最小颗粒直径。,颗粒所需的沉降时间 t=H/ut,在降尘室内停留时间 r =L/u,100%分离满足的条件：,分离,沉降运动时间气体停留时间,46,能被100%分离的最小颗径（临界直径dpc ）：,分离所需最小沉降速度utc：,说明,dpc颗粒与气体物性 (p、dp、 ) ，气体处理量 (Vs)，底面积(A)有关，但与降尘室高度(H)无关；即：,考虑是dpc ，计算时一般认为处在层流区；,采用水平隔板分为N层时，u与r不变，每层高度与utc 降为原来的 ，dpc则降为原来的 。,H t与rutc与dpc不变。,思考：除尘与预热的顺序？,47, 20 的颗粒也要能全部回收，所需要的降尘面积可按下式计算：,例3-2 采用降尘室回收常压炉气中球形粉尘颗粒。降尘室底面积为10，高1.6m。操作条件下气体密度为0.6kg/m3，粘度为210-5Pas，颗粒密度为3000 kg/m3，气体流量为5m3/s。试求： 可完全回收的最小颗粒直径； 如将降尘室改为多层以完全回收20m的颗粒，求其层数及板间距。,解： 设沉降运动处在层流区，则能完全回收的最小颗粒直径为：,则需要的降尘面积为153，所以降尘室应改为16层（15块隔板）， 实际降尘面积为160。层间距为0.10m。,故可近似认为沉降运动处于层流区，原计算有效。,校核：最小颗粒的沉降速度：,48,三、离心分离因数及离心沉降速度,1.分离因数, 离心沉降的应用,靠离心力作用使流体中颗粒产生沉降运动称为离心沉降。 当颗粒较小时，其沉降速度很小，完成沉降需较大的沉降设备或较长的操作时间，此时不宜采用重力沉降；为提高生产能力，可使用离心沉降进行小粒径颗粒的沉降。, 离心分离因数,现有密度、粘度的液体，其中悬浮有密度p、直径dp、质量m的球形颗粒，将其置于以一定角速度 旋转的圆筒中，则颗粒受到的离心力：Fc=mr2,49,2.离心沉降速度,离心分离因数是衡量离心力大小的指标，定义为同一颗粒 所受的离心力与重力之比，以Kc表示。则有：,Kc是离心分离设备的重要指标。某些高速离心机的Kc可 达数十万，一般旋风（液）分离器的Kc值在52500之间。,颗粒在离心力场中沉降时，径向方向上所受的作用力有：, 离心力：, 浮力（向心力） ：, 阻力（向心力） ：,50,三力达平衡（F=0），则有：,则颗粒在r点的离心沉降速度ur为：,对于小颗粒沉降所受阻力， 一般都 处于Stokes区，其阻力系数=24/Re，带 入上式可得离心沉降速度：,故在Stokes区，颗粒的离心沉降速度dr/d与r成正比，沉降 过程中，dr/d随r的增大而增大。,（321）,51,颗粒实际运动速度在径向 上的分量；,方向：由圆心指向外；,轨迹：逐渐扩大的螺旋线,离心沉降速度ur的特征：,四、离心沉降设备,1.旋风分离器, 结构与工作原理,分离器主体上部为圆筒形， 下部为圆锥形，见右图。,工作原理： (动画演示),52,53, 临界粒径及计算,临界粒径 dpc 是旋风分离器能够100%除去 的最小粒径，假设器内颗粒与气体流速相同， 其平均切向流速等于进口气速ui ，则粒径为dp 的颗粒向筒壁半径方向的沉降速度为：,故所求临界粒径dpc为：,计算时通常取n=5,带入边界条件积分得旋转n圈的停留时间t：,54,指被除去的固体颗粒占气体进口总颗粒的 质量分率，以0表示，其计算式为：, 分离效率与压力损失,压降损失,通过旋风分离器的压力损失可表示为：,分离效率,评价旋风分离器的主要性能指标有两个，一是分离效率， 另一个是气体通过旋风分离器的压降。,式中C进与C出分别为旋风分离器进出口气体含颗粒的浓度。, 特点与应用,旋风分离器具有结构简单、制造方便、价格低廉、分离效 率高、无活动部件、操作范围广等诸多优点，可分离高温含尘 气体，是最常用的一种除尘、分离设备。可用于5200m直径 颗粒的分离，但不适于处理粘性、含湿量高和腐蚀性粉尘。,2019/5/28,55, 管式离心机,离心分离因数可达1500060000，液体处理量为：0.2 2m3/h。可用于分离乳浊液及含细颗粒的稀悬浮液。,沉降式离心机是利用离心沉降的原理来 分离悬浮液或乳浊液 的机械。主要有两类：,西北大学化工原理电子课件,有内径为75150mm、长度约1500mm、 转速高达15000r/min的管式转鼓。,第五节 离心机,一、沉降离心机,56, 碟式离心机,分离因数可达 600，可用于分离含固体 颗粒含量较多的悬浮液，生产能力较大，可 以在高温、高压下操作。,分离因数约为 700，可用于分离乳浊液 中轻、重两液相，也可用于澄清含少量细颗 粒的悬浮液。, 螺旋式离心机,57,离心过滤按操作方式分为间歇式和连续式，是藉旋转液体产生的径向压差作为过滤的推动力的过滤操作。常见的有三足式离心机和刮刀卸料式离心机。,离心过滤机的主要部件有滤筐和滤网，工作时通过悬浮液与滤筐同时旋转所产生的离心力，使液体产生径向压差，通过滤饼、滤网及滤筐而流出。,二、过滤离心机,58,一、流化床的基本概念,第六节 流态化,固体流态化是一种使流体与固体颗粒接触并使整个流固系统具有流体性质的技术。广泛应用于：颗粒物料的加热、干燥、混合、浸取、煅烧、输送及反应过程。,59,流态化是一种使固体颗粒通过与流体接触而转变成类似于流体状态的操作。,当流体自下而上地流过颗粒层，则根据流速的不同，会出现下面三种不同的情况：,流态化的三个过程,60,1.流化床,如果流体通过床层的表观速度(即空塔速度)u较低，颗粒空隙中流体的实际流速u1ut，则颗粒基本静止，颗粒层为固定床。则理论最大表观速度：,umax=ut, 固定床阶段,61, 流化床阶段,如果流体通过床层的表观速度uumax(固定床阶段的最大表观速度)，流体通过颗粒空隙的实际流速u1ut，此时床层内颗粒将“浮起”，颗粒层“膨胀”，称为流化床。且满足：,床层颗粒“膨胀”后，u1，最终有：u1=ut。,62, 颗粒输送阶段,如果继续提高流体的表观速度u，使真实速度u1ut，则颗粒将被气流所带走，此时床层上界面消失，这种状态称为颗粒输送阶段。依据此原理，可实现气力和液力输送。,2. 广义流化与狭义流化,狭义流态化u1=ut 阶段； 广义流态化各种非固床的流固系统，包括载流床和气力输送。,63,二、实际的流化现象,按照流体和颗粒的运动状况分类：,一般发生在液固系统，当表观流速接近临界值umf时，发生流化现象，将umf称为起始流化速度。此种流化床的上界面比较清晰，散式流化床比较接近理想流化床。,1. 散式流化,2. 聚式流化,一般发生在气固系统，当表观流速超过umf而开始流化后，床内出现一些空穴，气体将会优先