学习情境三碳酸钙悬浮液的分离

1、 化学工程系 2022年6月16日星期四 (3)掌握非均相物系分离方法的选择，板框压滤机的操作要点。(2)理解影响沉降、过滤的分离过程、主要影响因素，离心沉降与重力沉降的异同，重力沉降设备做成多层的依据； (1)了解非均相物系分离的主要方法、主要特点与工业应用；常见重力沉降设备、离心沉降设备及过滤设备的结构特点与用途，重力沉降设备生产能力与沉降面积、沉降高度的关系；学习目标概概 述述均相物系：指不同组分的物质混合形成的一个相的物系。非均相物系：存在两个或两个以上相的混合物 分散相分散相在非均相物系中，有一相处于分 散状态，称为分散物质（或分散相） 连续相连续相包围分散相而处于连续状态，称为分散

2、介质（或连续相）（1）分散相：往往是液滴、雾滴、气泡，固体颗粒）分散相：往往是液滴、雾滴、气泡，固体颗粒。 （2）连续相：连续相若为气体，则为气相非均相物系。连续相：连续相若为气体，则为气相非均相物系。 连续相若为液体，则为液相非均相物系连续相若为液体，则为液相非均相物系 混混合合物物均相均相气态气态空气、天然气空气、天然气液态液态乙醇乙醇水、石油水、石油非均相非均相气气固固烟道气烟道气气泡气泡液体液体气气液液雾滴雾滴气体气体液液固固泥水、硫铵泥水、硫铵+母液母液液液液液牛奶、油牛奶、油水水固固固固煤矸石、金属矿煤矸石、金属矿根据某一性质的差异，造成两相相对移动，就可以实现两相分离一、非均相物

3、系在化工生产中的应用氨水和二氧化碳在碳化塔中进行反应，生成含有碳酸氢铵的悬浮液，然后通过离心机和过滤机将液体和固体分离开，再通过气流干燥器将水分进一步除去碳酸氢铵生产示意流程实验室减压抽滤装置工业生产上，采用减压抽滤原理设计的真空带式过滤机工业生产和生活中，燃烧产生的烟道气中存在着大量的粉尘，我们通常采用烟囱来进行分离。烟道气中主要为气固体系，气体和固体密度不同，因此采用重力原理进行分离。硫酸钾生产中粉尘的处理满足对连续相或分散相进一步加工的需要；回收有价值的物质；除去对下一工序有害的物质；减少对作业区的污染。2.非均相物系分离在生产中主要作用1）沉降分离： 微粒借本身的重力在介质中沉降而获得

4、分离。2）静电分离： 利用利用两相所带电性的差异，借助与电场的作用，使两相得以分离。3）过滤分离： 使悬浮体系通过过滤介质，将微粒截留在过滤介质上而获得分离。4）湿法净制： 使气相中含有的微粒与水充分接触而将微粒除去。二、 常见非均相物系的分离方法任务一、碳酸钙悬浮液的分离任务一、碳酸钙悬浮液的分离一、过滤基本知识 在外力的作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固、液分离。过滤目的过滤目的 是获得清净的液体产品或固体产品洗涤作用洗涤作用是回收滤饼中残留的滤液或除去滤饼中的可溶性盐过滤是以某种多孔物质为介质来处理悬浮液的操作：（1）滤饼过滤条件：条件： dp介质孔隙直

5、径，床层上形成滤饼； dp介质孔隙直径，但床层内有“架桥现象”；在滤饼层没有完全形成之前，部分颗粒会随滤液一起流走。在滤饼层形成成为有效的过滤介质后，得到澄清液。适用于颗粒含量较多（液体中颗粒的体积0.1%）时 。1.过滤方式滤饼过滤滤饼过滤架桥现象架桥现象条件： 悬浮液含颗粒小，而含量少（液体中颗粒的体积0.1%）时，可用床层较厚的过滤介质进行过滤。由于dp介质孔隙直径，当悬浮颗粒进入床层细长而弯曲的孔道时，靠静电及分子力的作用而附在孔道壁上，过滤介质床层上面没有滤饼形成。 悬浮液 过滤介质 滤液 （2）深层过滤 又称澄清过滤(3)动态过滤让料浆沿着过滤介质平面高速流动，使大部分滤饼得以在剪

6、切力的作用下移去，从而维持较高的过滤速率。在滤饼过滤中，随着过滤的进行，滤饼的厚度不断增加，导致过滤速率不断下降。动态过滤很好地解决了这一问题。动态过滤也称为无滤饼过滤。2.过滤介质织物介质堆积介质多孔固体介质多孔膜支撑滤饼和滤液通过不可压缩滤饼不可压缩滤饼 若构成滤饼的颗粒为不易变形的坚固固体（如硅藻土、碳酸钙等），则当滤饼两侧的压差增大时，颗粒的形状和床层的空隙都基本不变，故单位厚度滤饼的流动阻力可认为恒定。可压缩滤饼可压缩滤饼 若滤饼由较易变形的物质（如某些氢氧化物之类的胶体）构成，当压差增大时，颗粒的形状和床层的空隙都会有不同程度的改变，使单位厚度的滤饼的流动阻力增大。3滤饼的可压缩性

7、和助滤剂滤饼是由被截留下来的颗粒积聚而形成的固体床层。随着操作的进行，滤饼的厚度逐渐增加，流动阻力随之增大。在过滤过程中，可压缩滤饼会被压缩，使滤饼的孔道变窄、甚至堵塞，或因滤饼粘嵌在滤布中而不易卸渣，使过滤周期变长，生产效率下降，介质使用寿命缩短。为了改善滤饼结构，解决以上问题，通常使用助滤剂。助滤剂为质地坚硬的细小颗粒，如硅藻土、石棉、炭粉等。可将助滤剂加入悬浮液中，在形成滤饼时便能均匀地分散在滤饼中间，改善滤饼结构，使液体得以畅通，或预敷于过滤介质表面以防止介质孔道堵塞。对助滤剂的基本要求为：（1）在过滤操作压差范围内，具有较好的刚性，能与滤渣形成多孔床层，使滤饼具有良好的渗透性和较低的

8、流动阻力；（2）具有良好的化学稳定性，不与悬浮液反应，也不溶解于液相中。助滤剂一般不宜用于滤饼需要回收的过滤过程。处理量：处理量：处理的流体流量或分离得到的纯流体量V(m3)过滤推动力：过滤推动力：由流体位差、压差或离心力场造成的过 滤压差p过滤面积：过滤面积：表示过滤设备的大小A(m2)过滤速度：过滤速度：单位时间通过单位面积的滤液量u过滤过程的主要参数二、过滤基本方程1.过滤速度的定义 p 过滤压差 相应的滤液量为V Le 某一过滤时间t时的过滤状态 dAdVu0说明： 1）随着过滤过程的进行，滤饼逐渐加厚，如果恒压过滤时，过滤速度将逐渐减小，称为瞬时过滤速度。 2）过滤过程中，若要维持过

9、滤速度不变，及恒速过滤时，必须逐渐增加过滤压强或压差。2.过滤的基本方程dAdVu0 液体通过滤饼层空隙的流动与普通管内的流动相仿，孔道很细，流动类型可认为是在层流范围内。232dluPeLLlAA0滤饼孔隙率-AdddVLLPe2032）（ ）（eLLPdAddV3220）（eLLrPAddV2032dr令 将滤饼体积与滤液体积的比值用v表示，意义为每获得1m3滤液所形成滤饼的体积，即VALv 令AvVL AvVLee）（eVVvrPAddV2）（eLLrPAddV过滤基本方程过滤基本方程对于大多数可压缩滤饼，式中sPrr比阻为单位压强差下滤饼的其中：r01-0ss，对不可压缩滤饼一般为为滤

10、饼的压缩性指数，适用于不可压缩滤饼3.恒压过滤方程在过滤过程中，过滤压差自始自终保持恒定。对式 进行积分得：）（eVVvrPAddV2222KAVVVe则令,2vrPKvrPAVVVe2222则上式变为AVqAVqee,令Kqqqe22恒压过滤方程4.过滤常数的测定222KAVVVe121212KAVVVe222222KAVVVe2121VVV和下、若KqqKqe21KqqKqe21Kqqqe225. 过滤速率及其影响因素（1）过滤速率与过滤速度 过滤速率是指过滤设备单位时间所能获得的滤液体积，表明了过滤设备的生产能力；过滤速度是指单位时间单位过滤面积所能获得的滤液体积（2）恒压过滤与恒速过滤

11、 在恒定压差下进行的过滤称为恒压过滤;维持过滤速率不变的过滤称为恒速过滤。（3）影响过滤速率的因素悬浮液的性质过滤推动力过滤介质与滤饼的性质过滤过程的操作周期主要包括以下几个步骤：过滤、洗涤、卸渣、清理等，对于板框过滤机等需装拆的过滤设备，还包括组装，有效操作步骤只是：“过滤”这一步，其余均属辅助步骤，但却是必不可少的。6.过滤操作周期（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。1.板框过滤机二、过滤设备二、过滤设

12、备板框过滤机板框过滤机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，滤饼可用振动器使其脱落，或用压缩空气将其吹下。（2）主要优缺点：叶滤机也是间歇操作设备。它具有过滤推动力大，过滤面积大，滤饼洗涤较充分等优点。其产生能力比压滤机还大，而且机械化程度高，劳动力较省。缺点是构造较为复杂，造价较高，粒度差别较大的颗粒可能分别聚集于不同的高度

13、，故洗涤不均匀。3转筒过滤机（1）结构与工作原理：转筒真空过滤机（见图3-23）是一种连续操作的过滤设备，其操作流程如图3-24所示，设备的主体是一个由筛板组成能转动的水平圆筒(图3-25)，表面有一层金属丝网，网上覆盖滤布圆筒内沿径向被筋板分隔成若干个空间，每个空间都以单独孔道通至筒轴颈端面的分配头上，分配头内沿径向隔离成3个室，它们分别与真空和压缩空气管路相通。转筒真空过滤机工作流程图1-转鼓 2-滤布 3-金属网 4-搅拌器传动 5-摇摆式搅拌器 6-传动装置 7-手孔 8-过滤室 9-刮刀 10-分配阀 11-滤渣管路转筒真空过滤机4.带式真空过滤机带式真空过滤机是自动连续运转、并能按

14、工艺要求进行无级调速以及操作方便和动力消耗低的一种新型高效的脱水设备。如法国的奥桑厂采用该机分离谷氨酸效果极佳，不但可减轻体力劳动，并能连续性生产，是一种较理想的过滤设备。带式真空过滤机1带式真空过滤机工作原理a-带盘机前进 b-带盘机后退 c-带盘横截面DI型连续水平带式真空过滤机工艺流程图A-加料装置; B-洗涤装置 ;C-纠偏装置; D-洗布装置; E-切换阀; F-排液分离器 G-返水泵; H.真空泵特 点 1、进料过滤滤饼洗涤吸干卸料滤布清洗连续进行，配有PLC控制，自动化程度高。2、真空过滤盘分段设计，可满足不同物料过滤、洗涤、吸干的工艺要求，滤带运行速度采用变频无级调速，对不同物

15、料有广泛的适应性。3、在同一设备上可采用多次逆流洗涤得到高浓度的滤液，也可采用并流洗涤或顺流洗涤获得高纯度的滤饼。1.三足式离心机（二）离心过滤设备2.卧式刮刀卸料离心机1.进料管 2.转鼓 3.滤网 4.外壳 6.滤液7.冲洗管8.刮刀 9.溜槽 10液压缸卧式刮刀卸料离心机3.活塞推料离心机1.转鼓 2. 滤网 3. 进料管 4.推料盘 5.活塞推送器6. 进料斗 7.排液口 8.冲洗管 9.固体排出 10.洗水出口四、过滤操作及离心机的选择四、过滤操作及离心机的选择（一）转筒真空过滤机的操作 1.开、停车 2.正常操作 3.转筒真空过滤机操作常见异常现象和处理方法（二）离心机的选择和操作

16、管理 1.离心机的选择 2.离心机的操作管理 在外力的作用下，使密度不同的两相发生相对运动而实现的的，这种分离方式称为沉降。根据外力的不同，沉降分为重力沉降、离心沉降和惯性沉降。gdss36rudadtssrss23366球形颗粒受到的重力为：球形颗粒受到的离心力为：其方向是从圆心指向外。 一、重力沉降（一）重力沉降速度及其影响 1.重力沉降速度gds36rudts236（2）浮力当流体处于重力场中，颗粒受到的浮力等于： 流体在离心力场中时，颗粒也要受到一个类似于重力场中浮力的力：（3）分析颗粒沉降运动必须考虑流体对颗粒运动的阻力。两种阻力：包括表皮阻力和形体阻力。FbFdFg1）重力沉降速度

17、：042662233stsssdugdgd解 得：34gdusst 2）离心沉降速度rudutssr3423）其它因素对沉降速度的影响： 上述计算沉降速度的方法，是在下列条件下建立的：颗粒为球形；颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰；容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略； 颗粒直径不能小到受流体分子运动的影响。 4）阻力系数：218sstdgu=（Re），将不同的带入ut，可得各种流动状态下的ut的计算式： 18)(2gdusstsstdgu3122225)(4sstdgu)(3层流区：Re2， 过渡区：Re=21000，湍流区：Re=1000-2105， 5）公式使用方法如果事前能够确认流动处在哪个区

18、，则直接就用该区的公式进行计算。如果不能确定流动处在哪个区，则应采用试差法。24Ret0.618.5Ret0.44（1） 颗粒含量的影响（2）颗粒形状的影响 （3） 颗粒大小的影响（4）流体性质的影响（5）流体流动的影响(6)器壁的影响实际沉降及其影响因素实际沉降及其影响因素1.降尘室（二）重力沉降设备VBHLBHVLuLtR若气流在整个流动截面上分布均匀，则流体在降尘室的平均停留时间tR(从进入沉降室到离开降尘室的时间)为直径为d的颗粒从顶部沉降到底部所需要的沉降时间tt为ttuHtRtttVBLHuHttBLuV 直径为d的颗粒的沉降条件是：其沉降时间等于或小于停留时间， 可以看出，降尘室

19、的生产能力（在一定沉降要求下，降尘室单位时间所能处理的含尘气体量）只取决于粒子的沉降速度ut和降尘室的沉降面积（BL），而与其高度（H）无关。这就是工业降尘室设计成扁平或多层的原因。多层降尘室02min18AVgdust0min18AVgds能被除去的最小颗粒直径即： 该式说明：能被全部除去的最小颗粒尺寸不仅与颗粒和气体的性质有关，还与处理量和降尘室的底面积有关，却与降尘室的高度无关。 显然，粒子直径越大，越容易被除去，由前可知0AVLBHBuLHuust2. 沉降槽定义：用来处理悬浮液以提高其浓度或得到澄清液的重力沉降设备，也叫增稠器或澄清器。 悬浮液经中央进料口送到液面以下0.31.0m处

20、，在尽可能减小扰动的情况下，迅速分散到整个横截面上，液体向上流动，清夜经由槽顶端四周的溢流堰连续流出，称为溢流；固体颗粒下沉至底部，槽底有徐徐旋转的耙将沉渣缓慢地聚拢到底部中央的排渣口连续排出。排出的稠浆称为底流。特点1 连续沉降槽的直径，小者为数米，大者可达数百米；高度为2.54m。有时将数个沉降槽垂直叠放，共用一根中心竖轴带动各槽的转耙。连续沉降槽适合于处理量大，浓度不高，颗粒不太细的悬浮液特点2 连续沉降槽适合于处理量大，浓度不高，颗粒不太细的悬浮液特点3 沉降槽有澄清液体和增浓悬浮液的双重功能。特点4 为了在给定尺寸的沉降槽内获得最大可能的生产能力，应尽可能提高沉降速度特点5 沉降槽一

21、般用于大流量、低浓度、较粗颗粒悬浮液的处理。利用不同粒径或不同密度的颗粒在流体中的沉降速度不同这一原理来实现它们分离的设备称为分级器。若有密度不同的a、b两种颗粒要分离，且两种颗粒的直径范围都很大，则由于密度大而直径小的颗粒与密度小而直径大的颗粒可能具有相同的沉降速度，使两者不能完全分离。 上式表明，不同直径的颗粒因为密度不同而具有相同的沉降速度，该式代表了具有相同沉降速度的两种颗粒的直径比。3.分级器【例题3-6】 石英和方铅矿的混合球形颗粒在如图所示的水力分级器中进行分离（分级器的直径依次增大）。两者的密度分别为 kg/m3和 kg/m3，且粒度范围均为 。水温为20。假设颗粒在分级器中均

22、作自由沉降。试计算能够得到纯石英和纯方铅矿的粒度范围及三个分级器中的水流速度。12650s27500sm10020二、离心沉降（一）离心沉降速度RudTss236离心力RudTs236向心力2422rsud阻力RuduTssr2218)(（二）离心沉降分离设备1. 旋风分离器沉降速度有效停留时间有效停留时间 2. 旋液分离旋液分离器又称水力旋流器，是利用离心沉降原理从悬浮液中分离固体颗粒的设备。设备的主体是由直径较小的圆筒和较长的圆锥两部分组成。直径小的圆筒有利于增加惯性离心力，提高沉降速度。加长的圆锥部分可增大悬浮液的行程，增加了在器内的停留时间，有利于分离。3. 其他除尘设备（1）惯性除尘

23、器 惯性除尘器是利用颗粒或液滴的惯性分离气体非均相 混合物的装置。在气体流动的路径上设置障碍物（比如挡板），当含尘气流遇到并绕过障碍物时，颗粒或液滴便撞击在障碍物上被捕集下来。 其工作原理与旋风分离器相近，颗粒的惯性愈大，气流转折的曲率半径愈小，则其分离效率愈高。所以颗粒的密度与直径愈大，则愈易分离；适当增大气流速度及减小转折处的曲率半径也有利于提高分离效率。惯性除尘器的分离效率比降尘室略高，可作为除尘器使用。（2） 静电除尘器 静电除尘（雾）其器是利用高压不均匀直流电场的作用分离气体非均相物系的装置。操作中，让含有悬浮尘粒或雾滴的气体通过高压不均匀直流静电场（通常在20kV以上）处在电场强度大的区域的分子发生电离，产生正负电荷，这些电荷附着于悬浮尘粒或液滴上使之带电（称之为荷电），荷电后的粒子或液滴在电场力的作用下，向着电性相反的电极运动，到达电极后恢复中性，吸附在电极上。经振动或冲洗落入灰斗，从而实现含尘或含雾气体的而分离。（3） 文丘里除尘器 文丘里除尘器是一种湿法除尘设备。其结构与文丘里流量计相似，由收缩管、喉管及扩散管收缩管、喉管及扩散管三部分组成，不同的是喉管四周均匀地开有若干径向小孔，这些小孔通过管子与某种液体（通常是水）相通，有时扩散管内设置有可调锥，以适应气体负荷的变化。操作中，含尘气体以50100m/s的速度通过喉管时，把液体吸入喉管，并喷成很细的雾滴，于