非均相物系分离

关于非均相物系分离

本章学习要求：1本章学习目的通过本章的学习，要重点掌握沉降和过滤这两种机械分离操作的原理、过程计算、典型设备的结构与特性。2本章应掌握的内容

a

沉降分离（包括重力沉降和离心沉降）的原理、过程计算。

b

过滤操作的原理、过滤的计算第2页,共47页，2024年2月25日，星期天均相混合物：物系内部各处物料性质均匀而不存在相界面（如溶液、混合气体等）。非均相混合物：物系内部有隔开两相的界面存在而界面两侧的物料性质截然不同（含尘气体、含雾气体、悬浮液、乳浊液、泡沫液等）。沉降操作：依靠某种力的作用，利用分散物质与分散介质的密度差异，使之发生相对运动而分离的过程。机械分离方法（按流动方式不同）：沉降和过滤。沉降作用力：重力（重力沉降）和惯性离心力（离心沉降）。第3页,共47页，2024年2月25日，星期天3.1概述1流体对固体颗粒的绕流2悬浮液的形成含有固体颗粒的液体称为悬浮液。生产中液固分离的目的：得到含液量比较少的固体产品，即低的液体损失率；或得到含固体颗粒比较少的清液，即低的固体损失率。第4页,共47页，2024年2月25日，星期天3.2沉降分离沉降概述沉降分离是常见的液固分离方法。沉降分离：以颗粒和液体间的密度差为基础的分离方法。沉降过程自由沉降:颗粒间相互影响可忽略（稀悬浮液初期沉降）干扰沉降:颗粒间相互影响不能忽略（浓悬浮液中期）压缩沉降:颗粒已沉降在一起，靠颗粒自身重量将间隙中的液体挤出，颗粒层压缩（沉降末期）第5页,共47页，2024年2月25日，星期天球形颗粒的自由沉降阻力系数ζ影响沉降速度的因素沉降速度的计算重力沉降是利用流体中的固体颗粒受地球吸引力场的作用而发生的沉降过程3.2.1重力沉降第6页,共47页，2024年2月25日，星期天颗粒在流体中受到三个力的作用，如下所示：

曳力Fd质量力Fg

浮力Fb

Fg=mg

（重力），或Fg=mac（离心力）Fb=m

g/

p

式中

为曳力系数3.2.1.1球形颗粒的自由沉降颗粒在沉降过程中的受力分析第7页,共47页，2024年2月25日，星期天

根据牛顿第二运动定律，颗粒所受三个力的合力应等于颗粒的质量与加速度的乘积，即将表面光滑的刚性球形颗粒置于静止的流体介质中，若颗粒的密度大于流体的密度，则颗粒将在流体中降落或由此可得沉降速度第8页,共47页，2024年2月25日，星期天

阻力系数ζ根据阻力随颗粒雷诺数变化的规律，可分为三个区域：滞流区或斯托克斯定律区（10-4<Rep<2)过渡区或艾仑定律区（1<Rep<103）一般用于粒径小于50μm的颗粒第9页,共47页，2024年2月25日，星期天湍流区或牛顿定律区（103<Ret<2×105）一般用于粒径大于1.5mm的颗粒第10页,共47页，2024年2月25日，星期天

影响沉降速度的因素1.颗粒的体积浓度当颗粒的体积浓度小于0.2%时，理论计算值的偏差在1%以内，当颗粒浓度较高时便发生干扰沉降2.器壁效应3.颗粒形状的影响当容器尺寸远远大于颗粒尺寸时，器壁效应可忽略，否则需加以考虑同一种固体物质，球形或近球形颗粒比同体积非球形颗粒的沉降快一些。第11页,共47页，2024年2月25日，星期天试差法由于在计算出ut之前Rep的大小未知，因此要通过试差确定应该选取的计算公式。即：先假设沉降属于某一流型，则可直接选用与该流型相应的沉降速度公式计算，然后按求出的ut检验Ret值是否在原假设的流型范围内。摩擦数群法该法是将ζ与雷诺数的关系曲线加以转换，使其两个坐标轴之一变成不包含ut的无量纲数群，进而便可得ut

沉降速度的计算第12页,共47页，2024年2月25日，星期天（1）工作原理

气体入室减速颗粒的沉降运动&随气体运动沉降运动时间<气体停留时间分离3.3重力沉降设备3.3.1降尘室第13页,共47页，2024年2月25日，星期天①结构

增稠器的构造如右图。主要是一个底部略成锥形的大直径（数米～百米以上）浅槽（高度2.5～4m）。

料浆从中央进料口送入液面下0.3-1.0m处，以小扰动迅速分散到整个横截面上，颗粒下沉，从等浓区

变浓区

沉聚区；在槽底缓慢转动的耙把浓浆中的液体挤出去，并把沉渣聚拢到锥底的中央排渣口，以“底流”排出。清液向上流动，即使夹带颗粒粒，颗粒在澄清区还是有机会再沉降，使“溢流”的澄清液体保持清洁。

②工作原理

3.3.2增稠器（沉降槽）

第14页,共47页，2024年2月25日，星期天④改变沉降速度的方法

增稠器既可用于间歇操作或连续操作，具有澄清液体和增稠悬浮液双重功能。适用于量大、浓度不高且颗粒不太细微的悬浮料浆，如污水、煤泥水处理等。工业上处理大量悬浮液时，一般采用连续式增稠器。

Ⅰ添加絮凝剂：

③应用

Ⅱ改变操作条件：

一般采用添加少量电解质或表面活性剂的方法，使细小颗粒凝聚或絮聚；

通常采用诸如：加热、冷冻或震动等方法，使颗粒的粒度或相界面积发生变化，从而提高或降低沉降速度。第15页,共47页，2024年2月25日，星期天过滤操作的基本概念过滤基本方程式，过滤常数的测定提高过滤生产能力的措施3.4过滤第16页,共47页，2024年2月25日，星期天利用重力或压差使悬浮液通过多孔性过滤介质，将固体颗粒截留，从而实现固-液分离的单元操作。织物介质最常用的过滤介质，工业上称为滤布(网)，由天然纤维、玻璃纤维、合成纤维或者金属丝编织而成。可截留的最小颗粒的直径为5-65微米。多孔固体介质具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶瓷、多孔金属及多孔性塑料制成的管或板，能截留1-3μm的微小颗粒。堆积介质由沙、木炭之类的固体颗粒堆积而成的床层，称作滤床，用作过滤介质使含少量悬浮物的液体澄清。多孔膜用于膜过滤的各种有机分子膜和无机材料膜。3.4.1过滤操作基本概念1、过滤2、过滤介质第17页,共47页，2024年2月25日，星期天饼层过滤

固体物质沉积于过滤介质表面而形成滤饼层的操作，真正发挥截留颗粒作用的主要是滤饼本身，因此称作饼层过滤。饼层过滤主要用于含固量较大（>1%）的场合。深层过滤

固体颗粒并不形成滤饼，而是沉积于较厚的粒状对滤介质床层内部的过滤操作。深床过滤主要用于净化含固量很少（<0.1%）流体，如水净化等。3、饼层过滤与深床过滤第18页,共47页，2024年2月25日，星期天过滤操作示意图过滤操作方式过滤操作分为间歇式与连续式。根据过滤推动力的方式，又有加压过滤、真空过滤和离心过滤4、过滤的操作第19页,共47页，2024年2月25日，星期天3.4.1.1物料衡算3.4.1过滤过程计算悬浮液中质量分数与体积分数的关系：V悬：为获得滤液量V并形成厚度为L的滤饼时所消耗的悬浮液总量（m3）；ε：为滤饼空隙率（m3）；L：滤饼厚度（m）；V：滤液量(m3)；q：通过单位面积的滤液总量(m3/m2)；Φ

:悬浮液固体体积分数（m3固体/m3悬浮液）w:悬浮液固体质量分数（Kg固体/Kg悬浮液）；第20页,共47页，2024年2月25日，星期天a:滤液通道细小曲折，形成不规则的网状结构；b:随着过滤进行，滤饼厚度不断增加，流动阻力逐渐增大，因而过滤属非稳态操作；C:细小而密集的颗粒层提供了很大的液固接触面，滤液的流动大都在滞流区。一、滤液的流动3.4.1.2过滤基本方程1、滤液通过滤饼层流动的特点第21页,共47页，2024年2月25日，星期天对于颗粒层不规则的通道可简化为长度为L的一组平行细管，细管长度随滤饼层的厚度而变，细管的当量直径可由床层的孔隙率和颗粒的比表面积来计算。ε

：床层的空隙率，m3/m3；a:颗粒比表面积，m2/m3;2、当量长度的计算第22页,共47页，2024年2月25日，星期天规定：1、细管的全部流动空间等于床层的空隙容积。2、细管的内表面积等于床层中颗粒的全部表面积。对于滤液通过平行细管的滞流流动，可用泊谡叶方程加以描述：即或3、过滤基本方程u1

：滤液在床层孔道中的流速，m/s;u:滤液平均流速（按整个床层截面积计算）u1=u

/ε，m/sL:床层厚度，m；△Pc：压强降，Pa;第23页,共47页，2024年2月25日，星期天过滤速率过滤速度单位时间获得的滤液体积,m3/s。单位时间通过单位过滤面积上的滤液体积，m/s。若过滤过程中其他因素维持不变，则由于滤饼厚度不断增加过滤速度会逐渐变小。任一瞬间的过滤速率应写成如下形式二、过滤速度与过滤速率第24页,共47页，2024年2月25日，星期天滤饼阻力过滤介质三、过滤阻力r:滤饼的比阻，1/m2;R:滤饼阻力，1/m第25页,共47页，2024年2月25日，星期天过滤总过程为方便起见，假设过滤介质对滤液流动的阻力相当于厚度为Le的滤饼层的阻力，即则上式可写为第26页,共47页，2024年2月25日，星期天用滤液体积来表示滤饼厚度：v:每获得1m3滤液所形成的滤饼体积为vm3。则：同理：四、不可压缩滤饼的过滤基本方程V:滤液体积，m3;Ve:过滤介质的当量体积，（如生成厚度为Le的滤饼所应获得的滤液体积）,m3ν:滤饼体积与相应的滤液体积之比，m3/m3第27页,共47页，2024年2月25日，星期天考虑滤饼的可压缩性一般情况下s=0.2－0.8，不可压缩滤饼s=0五、可压缩滤饼的过滤基本方程第28页,共47页，2024年2月25日，星期天

若过滤过程中保持过滤推动力（压差）不变，则称为恒压过滤。对于指定滤浆的恒压过滤，K为常数。3.4.1.3恒压过滤令则k:表征过滤物料特性的常数，m4/N.s；K：滤饼常数，m2/s(由物料特性及过滤压强所决定的常数)0－θe

0－Veθe-θ+θe

Ve－V+Ve令第29页,共47页，2024年2月25日，星期天若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为：

则0－θe

0－Veθe-θ+θe

Ve－V+Ve第30页,共47页，2024年2月25日，星期天若过滤时保持过滤速度不变，则过滤过程为恒速过滤。若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为：

对恒速过滤，有

或

3.4.1.4恒速过滤第31页,共47页，2024年2月25日，星期天恒压下K、qe、θe的测定将恒压过滤方程式微分得即在恒压过滤条件下，θ/q

与

q

的函数关系是以

1/K

为斜率、2qe/K为截距的直线，实验测得不同过滤时间单位过滤面积的累积滤液量

q，即可由上式回归出

K

和

qe。3.4.1.5过滤常数的测定第32页,共47页，2024年2月25日，星期天θq0000然后在直角坐标纸上从Δθ/Δq为纵坐标，以q为横坐标进行标绘，可得到一斜率为2/K，截距为2qe/K的直线。求得第33页,共47页，2024年2月25日，星期天截距2qe/K斜率为1/K第34页,共47页，2024年2月25日，星期天压缩性指数s的测定由过滤常数K的定义式

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，截距为lg(2k)。由此可得到滤饼的压缩性指数s及物料特性常数k。第35页,共47页，2024年2月25日，星期天板框压滤机

板与框的结构如右图所示，四角均开有孔，组装叠合后分别构成滤浆通道、滤液通道和洗涤液通道。3.4过滤设备第36页,共47页，2024年2月25日，星期天滤浆由总管入框框内形成滤饼滤液穿过饼和布经每板上旋塞排出(明流)从板流出的滤液汇集于某总管排出(暗流)第37页,共47页，2024年2月25日，星期天横穿洗涤：洗涤液由总管入板滤布滤饼滤布非洗涤板排出洗涤面积=(1/2)过滤面积洗涤液的行程（包括滤饼和滤布）=2终了时滤液行程的倍。洗涤速率=1/4过滤终了速率第38页,共47页，2024年2月25日，星期天第39页,共47页，2024年2月25日，星期天

叶滤机也是间歇操作设备，具有过滤推动力大、单位地面所容纳的过滤面积大、滤饼洗涤较充分等优点。其生产能力比板框压滤机大，而且机械化程度高，劳动力较省，密闭过滤，操作环境较好。其缺点是构造较复杂、造价较高。

叶滤机是由许多滤叶组成。滤叶为内有金属网的扁平框架，外包滤布，将滤叶装在密闭的机壳内（加压式），为滤浆所浸没。滤浆中液体在压力差作用下穿过滤布进入滤叶内部，成为滤液从其周边引出。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，进行置换洗涤。

叶滤机第40页,共47页，2024年2月25日，星期天第41页,共47页，2024年2月25日，星期天3.5洗涤速率与洗涤时间叶滤机叶滤机洗水与过滤终了时的滤液流过路径基本相同，洗涤面积与过滤面积也相同，所以洗涤速率与过滤速率大致相同洗涤时间第42页,共47页，2024年2月25日，星期天板框式过滤机洗涤面积=(1/2)过滤面积洗涤速率=1/4过滤终了速率第43页,共47页，2024年2月25日，星期天3.6过滤设备生产能力过滤机的生产能力：单位时间的滤液体积或滤渣体积，