第三章沉降与过滤.ppt

1、第三章 沉降与过滤,2,1、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，能够根据生产工艺要求，合理选择设备类型和尺寸。 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、旋风分离器的选型。 b 过滤操作的原理、过滤基本方程式推导的思路，恒压过滤的计算、过滤常数的测定。,本章学习指导,3,4,非均相物系分离的依据是连续相与分散相具有不同 的物理性质，因此可以用机械的方法将两相分离。 两种操作方式：沉降和过滤 （1）沉降分离 颗粒相对于流体（静止或运动）运动的过程称沉降分离。分为重力沉降、离心沉降。 （2）

2、过滤 流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程称过滤。分为重力过滤、离心过滤、加压过滤和真空过滤，也可分为恒压过滤、先恒速后恒压过滤。,在非均相物系中，分散物质和分散介质组成,5,工业上分离非均相混合物的目的,1）回收有价值的分散物质,例如：回收干燥器出来的气体及从结晶机出来的晶浆中的悬浮颗粒作为产品。,2）净化分散介质以满足后继生产工艺的要求,例如：除去反应气中的杂质，避免对催化剂活性的影响,3）环境保护和安全生产,例如：三废的处理,定义：,沉降力场：重力、离心力。,在某种力场的作用下，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单元操作。,沉降操作分类：重力沉降、离心沉

3、降。,第一节 沉降,6,一、颗粒的特性 颗粒的特性包括颗粒的大小和形状。 1. 球形颗粒 球形颗粒的尺寸由直径d确定。 体积 表面积 比表面积 颗粒的比表面积定义为单位体积颗粒具有的表面积。,3.1.1 颗粒相对于流体的流动,8,1形状系数（球形度） (1) 定义 形状系数（球形度）：与该颗粒体积相等的球体的表面积与颗粒实际表面积之比，即,2. 非球形颗粒,工业上处理的颗粒物料大多是非球形的。对非球形颗粒，需要用形状和大小两个参数来描述其特性。 工程上常用球形度描述颗粒的形状，当量直径描述颗粒的大小。,由于同体积不同形状的颗粒中，球形颗粒的表面积最小，因此对非球形颗粒球形度总小于1；颗粒的形状

4、越接近球形，球形度越接近于1，对球形颗粒，球形度为1。,2 当量直径 非球形颗粒的当量直径的表示方法也有多种，最常用的是以体积为基准的当量直径，即将非球形颗粒视为相等体积的球形颗粒所相当的直径，计算式为,比表面积当量直径,与非球形颗粒比表面积相等的球形颗粒的直径为该颗粒的 比表面积当量直径。,Fd与颗粒运动的方向相反,当流体相对于静止的固体颗粒流动时，或者固体颗粒在静止流体中移动时，由于流体的粘性，两者之间会产生作用力，这种作用力通常称为曳力（drag force)或阻力。,只要颗粒与流体之间有相对运动，就会产生阻力。,对于一定的颗粒和流体，只要相对运动速度相同，流体对颗粒的阻力就一样。,3.

5、1.2 颗粒运动时的阻力,10,流体密度； 流体粘度； dp颗粒的当量直径； A 颗粒在运动方向上的投影面积； u 颗粒与流体相对运动速度。 阻力系数，是雷诺数Re的函数，由实验确定。,颗粒所受的阻力Fd可用下式计算,11,12,层流区（斯托克斯Stokes区，10-4Re1）,注意：其中斯托克斯区的计算式是准确的，其它两个区域的计算式是近似的。,过渡区（艾仑Allen区，1Re103）,湍流区（牛顿Newton区，103Re105）,图中曲线大致可分为三个区域，各区域的曲线可分别用不同的计算式表示为：,自由沉降（free settling）： 单个颗粒在流体中沉降，或者颗粒群在流体中分散得较

6、好而颗粒之间互不接触互不碰撞的条件下沉降。,二、重力沉降 重力沉降(gravity settling)：由地球引力作用而发生的颗粒沉降过程，称为重力沉降。1 沉降速度1.1 球形颗粒的自由沉降,根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为:,p为颗粒密度,随着颗粒向下沉降，u逐渐增大，du/d 逐渐减少。 当u增到一定数值ui时，du/d =0。颗粒开始作匀速沉降运动。,上式表明：,颗粒的沉降过程分为两个阶段：,沉降速度（terminal velocity） ：也称为终端速度，匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度。,当du/d =0时，令u= ut，则可得沉降速度计算式,加速阶段； 匀速阶段

7、。,将不同流动区域的阻力系数分别代入上式，得球形颗粒在各区相应的沉降速度分别为：,ut与dp有关。dp愈大，ut则愈大。 层流区与过渡区中，ut还与流体粘度有关。 液体粘度约为气体粘度的50倍，故颗粒在液体中的沉降速度比在气体中的小很多。,假设流体流动类型； 计算沉降速度； 计算Re，验证与假设是否相符； 如果不相符，则转。如果相符，OK !,求沉降速度通常采用试差法。,沉降速度的求法：,例：计算直径为95m，密度为3000kg/m3的固体颗粒分别在20 的空气和水中的自由沉降速度。,计算Re，核算流型：,假设正确，计算有效。,解：在20 的水中： 20 水的密度为998.2kg/m3，粘度为

8、1.00510-3 Pas,先设为层流区。,影响沉降速度的因素,自由沉降指任一颗粒的沉降不因流体中存在其它颗粒、流体分子或壁面而受到干扰的沉降。,主要要考虑端效应和壁效应、颗粒浓度（干扰沉降）、气泡和液滴及分子运动的影响。,a.由于大量颗粒向下沉降而使流体被置换而产生显著的向上运动，造成颗粒沉降速度小于自由沉降速度。 ut,1、干扰沉降,当流体中颗粒的含量较大时，颗粒沉降时彼此影响，这种沉降称为干扰沉降。,b.大量颗粒的存在，也使流体的表观密度和表观粘度（即混合物的密度和粘度）都增大，所有这些因素都使颗粒的沉降速度减小。 ut,当颗粒直径小到可与流体分子的平均自由程相比拟时（如23m以下），颗

9、粒作不定向和随机性运动，它们可穿过流体分子的间隙，使沉降速度大于斯托克斯定律计算的数值。,2、壁效应和端效应,当颗粒直径 与容器直径D相比不算太小时，容器壁面会对颗粒的沉降产生影响，使其受到较大的曳力。,3、流体分子运动的影响,一般dp/D 0.01时，就显出器壁的影响，ut,另一方面，细颗粒的沉降将受流体分子碰撞的影响，当颗粒直径小于0.1m时，布朗运动的影响起主要作用，难以用重力沉降法除去流体中的颗粒。,当颗粒尺寸较小（如小于0.5mm左右）时，由于单位体积的表面能很大，几乎保持球形，则可用前述计算公式来求沉降或浮升速度；当颗粒尺寸较大时，由于液滴或气泡在曳力作用下的变形及其内部的流体产生

10、循环运动的影响，都将影响到曳力系数和沉降速度，因此，就与刚性的固体颗粒有所不同，前述公式不再适用，应该参阅有关资料来考虑。,4、气泡和液滴的运动,液滴与气泡在流动中会变形和产生内部循环流动,它们在流动时受到形体曳力的作用而有压扁的趋向，而表面张力的存在则有会使其保持球形状。,重力沉降分离设备 -降尘室,如图所示，气体入室后，因流通截面扩大而速度减慢。气流中的尘粒一方面随气流沿水平方向运动，其速度与气流速度相同；另一方面在重力作用下以沉降速度垂直向下运动。只要气体室内所经历时间大于尘粒从室顶沉降到室底所用时间，尘粒便可分离出来。,25,假设颗粒运动的水平分速度与气体的流速 u 相同； 停留时间l

11、/u 沉降时间tH/ ut 颗粒分离出来的条件是 l/uH/ ut,降尘室的计算,即：满足L/uH/ut 条件的粒径,当含尘气体的体积流量为Vs时， u= Vs / Hb,故与临界粒径dpc相对应的临界沉降速度为,utc=Vs / bl,临界沉降速度utc是流量和面积的函数。,临界粒径dpc（critical particle diameter）：能100除去的最小粒径。,当尘粒的沉降速度小，处于斯托克斯区时，临界粒径为,一定粒径的颗粒，沉降室的生产能力只与与底面积bl和颗粒的沉降速度ut有关，而与H无关。 为了增大气体处理量，往往将降尘室设计成多层的，在室内均匀设置多层隔板，构成多层降尘室。

12、 气速u不能太大，以免干扰颗粒沉降，或把沉下来的尘粒重新卷起。一般u不超过3m/s。,由此可知：,当降尘室用水平隔板分为N层，则每层高度为H/N。水平速度u不变。此时：,尘粒沉降高度为原来的1/N倍； utc降为原来的1/N倍(utc=Vs / bl) ； 临界粒径为原来的 倍( )； 一般可分离20m以上的颗粒。多层隔板降尘室排灰不方便。,例：用高2m、宽2.5m、长5m的重力降尘室分离空气中的粉尘。在操作条件下空气的密度为0.799kg/m3，粘度为2.5310-5Pas，流量为5.0104 m3/h。粉尘的密度为2000 kg/m3。试求粉尘的临界直径。,解 ：与临界直径对应的临界沉降速

13、度为,假设流型属于过渡区，粉尘的临界直径为,校核流型,故属于过渡区，与假设相符。,Vs blut,1) 计算ut：,2) 确定低面积和b,l：,3) 确定沉降距离H,已知含尘气体的流量，粉尘的排放标准，气固两相的物理参数。,沉降室的设计计算,沉聚（sedimentation）：悬浮液放在大型容器里，其中的固体颗粒在重力下沉降，得到澄清液与稠浆的操作。,澄清：当原液中固体颗粒的浓度较低，而为了得到澄清液时的操作，所用设备称为澄清器（clarifier）。,增稠器（thickener）：从较稠的原液中尽可能把液体分离出来而得到稠浆的设备。,3.1.4悬浮液的沉降,惯性离心力,一、离心力场中颗粒在径

14、向的受力情况：,惯性离心力,向心力,曳力,3.2 离心沉降（centrifugal settling） 依靠离心力的作用，使流体中的颗粒产生沉降运动，称为离心沉降。,二、离心沉降速度,ur与ut比较， ut式中的g改用,三、分离因数,离心分离因数：是颗粒所在位置上的惯性离心力场强度与重力场强度之比。,反映离心分离设备性能的重要指标,高速离心机的K值可达1万以上,采用离心沉降时，可加快沉降过程,r = 0.5m，ut = 10m/s时，,注意：离心沉降与重力沉降的类比。颗粒离心沉降的速度方向是由圆心沿径向指向外周，但由于颗粒和流体同时做圆周运动，颗粒的实际运动轨迹是一个半径逐渐扩大的螺旋线。离心

15、沉降速度并不是颗粒的实际运动速度，只是其在径向上的分量。,旋风分离器是利用离心力作用净制气体的设备。,其结构简单，制造方便； 分离效率高； 可用于高温含尘气体的分离；,特点：,结构：,外圆筒； 内圆筒； 锥形筒。,3.3 旋风分离器(cyclone separator),1. 旋风分离器的结构及工作原理,结构,工作原理,由上至下螺旋形运动,外旋流的上部是主要除尘区,43,旋风分离器,2 分离性能 旋风分离器能够分离出的颗粒大小是它的主要性能之一。 临界直径dc（Critical diameter） 假设： a、颗粒与气体在旋风分离器内的切线速度ut恒定，与所在位置无关，且等于进口处的速度ui；

16、 b、颗粒沉降过程中所穿过的气流最大厚度等于进口宽度B； c、颗粒与气流的相对运动为层流。 颗粒在旋风分离器中能被完全分离，其沉降时间必须不大于停留时间,临界直径：当沉降时间与停留时间相等时所能完全分离的颗粒直径为最小直径。,离心沉降时间为：,讨论： i ui，dc，效率，但阻力；旋风分离器的进口气速应适当选择，不宜太高也不宜太低。 ii dc不仅与颗粒和气体的性质有关，而且与旋风分离器的结构和处理量有关。处理量越大、颗粒密度越大、进口越窄、长径比越大（N越大），则临界直径越小，分离性能越好。 iii 临界直径随分离器尺寸增大而增大，大尺寸的分离器的分离效果较小尺寸的差。,（2）分离效率 粒级

17、效率、总效率 含尘气体中所有颗粒经分离器后被分离出的质量百分数0 ，称为总效率 :,含尘气体中某一粒径的颗粒经分离器后被分离出的质量百分数pi ，称为粒级效率:,其中c为质量含量，g/m3；i表示直径为di的颗粒。,结构 滤袋、骨架、机壳、清灰装置、灰斗、排灰阀。,2. 工作过程,含尘气体进入袋滤器； 气体通过滤袋，经顶部排出； 灰尘被截留； 聚集一定厚度灰尘后，压缩空气通入，滤袋振动，灰尘落下； 灰尘经过排灰阀排除。,清灰原则 及时清灰； 不彻底清灰。,袋滤器,袋滤器,利用离心力的作用，使悬浮液中固体颗粒增稠或使粒径不同及密度不同的颗粒进行分级。,4 旋液分离器(hydraulic cycl

18、one),文丘里除尘器,静电除尘器,烟道除尘,过滤介质: 过滤采用的多孔物质； 滤浆: 所处理的悬浮液； 滤液: 通过多孔通道的液体； 滤饼或滤渣: 被截留的固体物质。,以某种多孔物质为介质，在外力的作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的单元操作。,第二节过 滤一、过滤操作的基本概念1 过滤(filtration),深层过滤和滤饼过滤,滤饼过滤：悬浮液中颗粒的尺寸大多都比介质的孔道大。随着过程的进行，颗粒在介质上逐步堆积，形成了一个颗粒层，称为滤饼。滤饼是真正有效的过滤介质。 深层过滤：颗粒尺寸比介质孔道的尺寸小得多，颗粒容易进入介质孔道。深层过滤

19、时并不在介质上形成滤饼。,滤饼过滤,过滤操作的架桥现象,织物介质(又称滤布) ： 由棉、毛、麻、丝等天然纤维及合成纤维制成的织物，以及玻璃丝、金属丝等织成的网；,过滤介质的分类：,堆积介质 由各种固体颗粒（细砂、硅藻土等）堆积而成， 多用于深床过滤；,多孔固体介质 这类介质具有很多细微孔道，如多孔陶瓷、多孔塑料等。多用于含少量细微颗粒的悬浮液。,2 过滤介质,工业用的过滤介质要求具有下列特性：1）阻力小且多孔，孔道不宜过大，也不宜过小；2） 耐腐蚀、耐热；3）有足够的机械强度。,构成滤饼的颗粒特性决定流动阻力的大小,助滤剂：某种质地坚硬而能形成疏松饼层的固体颗粒或纤维状物质，将其混入悬浮液或预

20、涂于过滤介质上，可以改善饼层的性能，使滤液得以畅流。,3 滤饼的压缩性和助滤剂,助滤剂的基本要求：,（1）能形成多孔饼层的刚性颗粒，以保持滤饼有较高的空隙率，使滤饼有良好的渗透性及较低的流动阻力。 （2）有化学稳定性，不与悬浮液发生化学反应，不溶于液相中。 （3）在过滤操作的压差范围内，应具有不可压缩性，以保持较高的空隙率。,常用的助滤剂：粒状（硅藻土，珍珠岩粉，碳粉或石棉粉等）和纤维状（纤维素、石棉等）两大类。,一般只有在以获得清净滤液为目的时，才使用助滤剂,施用方法：一、预涂；二、混滤,3.过滤推动力,悬浮液自身压强差，重力 悬浮液的侧加压 过滤介质的侧抽真空 离心力,介质阻力：可视为不变

21、，且一般过滤初较明显 滤饼阻力: 滤饼厚度：随过滤进行而增加 滤饼特性：颗粒形状、大小。 大多情况下，过滤阻力主要取决于滤饼阻力。,4.过滤阻力,对于颗粒层中不规则的通道，可以简化成由一组当量直径为de的细管，而细管的当量直径可由床层的空隙率和颗粒的比表面积来计算。,二、过滤的基本理论1 滤液通过饼层的流动,颗粒床层的特性可用空隙率、当量直径等物理量来描述。,空隙率：单位体积床层中的空隙体积称为空隙率。,比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积称为比表面积。,2 颗粒床层的特性,依照第一章中非圆形管的当量直径定义，当量直径为：,式中 de床层流道的当量直径，m,故对颗粒床层直径应可写出：,假定细管

22、的全部流动空间等于床层的空隙体积，故,滤液通过饼层的流动常属于滞流流型，可以仿照圆管内滞流流动的泊稷叶公式(哈根方程)来描述滤液通过滤饼的流动，则滤液通过饼床层的流速与压强降的关系为：,式中 u1 滤液在床层孔道中的流速，m/s； L 床层厚度，m, pc 滤液通过滤饼层的压强降，pa；,阻力与压强降成正比，因此可认为上式表达了过滤操作中滤液流速与阻力的关系。,床层空隙中的滤液流速u1 床层截面积计算的滤液平均流速u,上式中的比例常数K与滤饼的空隙率、颗粒形状、排列及粒度范围诸因素有关。对于颗粒床层内的滞流流动，K值可取为5。（康采尼Kozeny常数）,式中 V 滤液量，m3； 过滤时间，s；

23、 A 过滤面积，m2。,过滤速率为：,任一瞬间的过滤速度为：,过滤速度: 单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积， m3/m2s。,过滤速率: 单位时间内获得的滤液体积，m3/s。,3 过滤速率,R滤饼阻力，1/m, 其计算式为：,对于不可压缩滤饼，滤饼层中的空隙率可视为常数，颗粒的形状、尺寸也不改变，因而比表面a 亦为常数，则有,式中 r滤饼的比阻，1/m2, 其计算式为：,R=rL,4 滤饼阻力,在数值上等于粘度为1Pas的滤液以1m/s的平均流速通过厚度为1m的滤饼层时所产生的压力降。,比阻反映了颗粒形状、尺寸及床层的空隙率对滤液流动的影响。,比阻r是单位厚度滤饼的阻力。,瞬时过滤速度=推

24、动力阻力,比阻r,通常把过滤介质的阻力视为常数，仿照滤液穿过滤饼层的速度方程则可写出滤液穿过过滤介质层的速度关系式：,式中 pm 过滤介质上、下游两侧的压强差，Pa； Rm 过滤介质阻力，l/m,由于很难划定过滤介质与滤饼之间的分界面，更难测定分界面处的压强，在操作过程中总是把过滤介质与滤饼联合起来考虑。,5 过滤介质的阻力,通常，滤饼与滤布的面积相同。所以两层中的过滤速度应相等，则：,上式表明，可用滤液通过串联的滤饼与滤布的总压强降来表示过滤推动力，用两层的阻力之和来表示总阻力。,式中：p 滤饼与滤布两侧的总压强差，称为过滤压强差。,过滤介质阻力,过滤介质的阻力,视为常数,假设过滤介质对滤液

25、流动的阻力相当于厚度为Le的滤饼层的阻力,Le过滤介质的当量滤饼厚度，或称虚拟滤饼厚度，m。,在一定操作条件下，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。,因此过滤速度可以表示为：,式中：v 滤饼体积与相应的滤液体积之比，无因次。,LA=vV,若每获得1m3滤液所形成的滤饼体积为n m3，则任一瞬间的滤饼厚度L与当时已经获得的滤液体积V之间的关系为：,同理，如生成厚度为Le的滤饼所应获得的滤液体积以Ve来表示，则,式中Ve过滤介质的当量滤液体积，或称虚拟滤液体积，m3。,三、过滤基本方程式,注意：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

26、值，但同一介质在不同的过滤操作中，Ve不同。,上式适用于不可压缩滤饼。,对于可压缩滤饼其比阻r与压强差有关。,上式称为过滤基本方程式，它对各种过滤情况均适用。,式中 r单位压强下滤饼的比阻，1/m2 p过滤压强差，pa s 滤饼的压缩性指数，无因此。一般情况下， s=01。对于不可压缩滤饼，s=0。,根据上两式可得,r=r(p)s,定义：过滤操作在恒定压强下进行时称为恒压过滤。,滤饼不断变厚； 阻力逐渐增加； 推动力p 恒定； 过滤速率逐渐变小。,过滤操作的两种典型方式：恒压过滤和恒速过滤。,特点：,四、恒压过滤,对于一定的悬浮液，若、r及v可视为常数，令,(V+Ve )dV=kA2p1-sd

27、,式中：k 表征过滤物料特性的常数，m4/（Ns）。,过滤基本方程可写成：,恒压过滤方程式的推导,积分条件 =0, V=0; =e ,V=Ve; =,V=V,(1)和(2)式都称为恒压过滤方程式。,令K=2kp1-s,当 =0 时，则V=0,又令 q=V/A，qe=Ve/A,恒压过滤方程式中的K 称为过滤常数，由物料特性及过滤压强差决定。 e与qe是反映过滤介质阻力大小的常数.,(q+qe )2=K(+e) q2+2qqe=K,上两式也称为恒压过滤方程式。,恒压过滤时滤液体积与过滤时间的关系为一抛物线方程,当忽略介质阻力时，qe=0，e=0，则有,在50 OC, 9.81 103 Pa的恒定压

28、差下过滤碳酸钙颗粒的悬浮液。已知K=1.572 10-3 m2/s。现测得过滤11min时，可得滤液9.78 10-2 m3/m2。求再过滤10min,又可得滤液多少m3/m2？,恒压过滤计算例题：,若维持过滤速率恒定，这样的过滤操作方式称为恒速过滤。,恒速过滤时q-（或V- ）关系为一直线。,q=uR V=uRA,恒速过滤时的过滤速度为：,五、 恒速过滤,在一定的操作条件下，、r、v、uR、qe均为常数，故有：,对不可压缩滤饼，由过滤基本方程可写出：,上式表明：对于不可压缩滤饼进行恒速过滤时，其压强差随过滤时间成直线增加。所以，在实践中很少采用完全恒速过滤的方法。,p=rvuR2+rvuRq

29、e=a+b,先恒速后恒压过滤是工业中常用的一种过滤方法。,在过滤时间从0到R 时，计算方法与恒速过滤相同。而从时间R 到 时，得到的滤液量从VR到V，故积分式为：,操作过程： 开始，从0到R 时，采用恒速过滤，可在阻力还不太高时获得较多的滤液。 从R到时，改为恒压过滤，以免压强过高。,六、先恒速后恒压过滤,积分并将K=2kp1-s 代入得,两式中V为获得的总滤液量，而不是恒压阶段获得的滤液量。,几种操作方式下的过滤方程,上式表明：d/dq与q成直线关系，直线斜率为2/K，截距为2qe/K,由斜率=2/K，求出K; 由截距=2qe/K ，求出qe； 由q2+2qqe=K， =0，q=0，求出e=

30、 qe2/K。,1. 微分法 测定时采用恒压试验，恒压过滤方程为：,七、过滤常数的测定,采用/q代替d/dq，在过滤面积一定时，记录下时间和累计的滤液量V，并由此计算一系列q值，然后作图，求出直线斜率和截距。最后算出过滤常数K和qe。,注意：横坐标q的取值。,实验数据处理,积分法：,注意： 在实验测定过程中微分法测定的是一定时间段内时间、滤液量的变化量，而积分法是测定实验过程中某时刻滤液的总量；微分法在理论上做了近似，不如积分法准确； 在实验过程中要保证最终得到的关系线为直线，也就是过滤常数恒定，必须注意： 保证、r、c、s、p等参数即悬浮液体系、温度、浓度、过滤方式、过滤介质、过滤压力等在过

31、滤过程中维持恒定；,lgK=(1-s)lg(p)+lg(2k),以lg(p)为横坐标，lg(K)为纵坐标作直线，从而求出斜率(1-s)，截距lg(2k)，进而算出s和k。,K=2kp1-s,滤饼的压缩性指数s及物料特性常数k需在不同压强差下对指定物料进行试验，求得若干过滤压强差下的K，然后对K-p数据加以处理，即可求得s 值。,压缩指数s的测定,工业上使用的典型过滤设备：,按操作方式分类：间歇过滤机、连续过滤机,按操作压强差分类：压滤、吸滤和离心过滤,板框压滤机（间歇操作） 叶滤机（间歇操作） 转筒真空过滤机（连续操作） 过滤式离心机,八、过滤设备,结构：滤板、滤框、夹紧机构、机架等组成。,滤

32、板：凹凸不平的表面，凸部用来支撑滤布，凹槽是滤液的流道。滤板右上角的圆孔，是滤浆通道；左上角的圆孔，是洗水通道。,洗涤板：左上角的洗水通道与两侧表面的凹槽相通， 使洗水流进凹槽； 非洗涤板：洗水通道与两侧表面的凹槽不相通。,1 板框压滤机,为了避免这两种板和框的安装次序有错，在铸造时常在板与框的外侧面分别铸有一个、两个或三个小钮。非洗涤板为一钮板，框带两个钮板，洗涤板为三钮板。,横穿洗涤法，作用：提高洗涤效果。滤液流过滤饼面积为洗涤液的两倍，而流经路径前者为后者的1/2,结构简单，价格低廉，占地面积小，过滤面积大。 可根据需要增减滤板的数量，调节过滤能力。 对物料的适应能力较强，由于操作压力较

33、高（310kg/cm2 ），对颗粒细小而液体粘度较大的滤浆，也能适用。 间歇操作，生产能力低，卸渣清洗和组装阶段需用人力操作，劳动强度大，所以它只适用于小规模生产。 近年出现了各种自动操作的板框压滤机，使劳动强度得到减轻。,板框压滤机的特点：,2 叶滤机,如果滤饼需要洗涤，则在过滤完毕后通入洗水，洗水路径和滤液路径相同，这种洗涤方式叫置换洗涤法。洗涤过后，打开机壳，拔出滤叶除去滤饼,主要构件：,滤叶（矩形或圆形）,间歇操作设备,缺点：结构相对较复杂，造价较高。,优点：叶滤机设备紧凑，密闭操作，劳动条件较好，每次循环滤布不需装卸，劳动力较省。,结构：,转筒，扇形格(18格)； 滤室； 分配头；

34、动盘(18个孔，分别与扇形格的18个通道相连)； 定盘(三个凹槽：滤液真空凹槽、洗水真空凹槽、压缩空气凹槽，分别将动盘的18个孔道分成三个通道)； 金属网； 滤布； 滤浆槽。,3 转筒真空过滤机（rotary-drum vacuum filter）,转筒及分配头的结构,18格分成6个工作区 1区(17格)：过滤区； 2区(810格)：滤液吸干区； 3区(1213格)：洗涤区； 4区(14格)：洗后吸干区； 5区(16格)：吹松卸渣区； 6区(17格)：滤布再生区。,过滤区(12区)，f 槽; 洗涤区(34区)，g槽 ; 干燥卸渣区(56区)，h 槽;,f 槽,h 槽,g 槽,自动连续操作； 适

35、用于处理量大，固体颗粒含量较多的滤浆； 真空下操作，其过滤推动力较低(最高只有1atm)，对于滤饼阻力较大的物料适应能力较差。,转筒旋转时，利用分配头的作用，能使转筒旋转一周的过程中，每个小过滤室可依次进行过滤、洗涤、吸干、吹松卸渣等项操作。,整个转筒圆周在任何瞬间都划分为:,特点：,工作过程,过滤区; 洗涤区; 干燥卸渣区。,结构：,1.悬筐式离心机(suspended-basket centrifuge),转鼓(上有小孔，亦称悬框)； 滤网； 滤布； 机架。,原理：,由于离心力作用，液体产生径向压差，通过滤饼、滤网及滤筐而流出。,4 离心过滤机（centrifugal filter）,几种

36、过滤设备的比较,1 洗涤速率和洗涤时间 洗涤滤饼的目的在于回收滞留在颗粒缝隙间的滤液或净化构成滤饼的颗粒。 （1）洗涤速率 洗涤速率为单位时间的洗涤液用量。在洗涤过程中，滤饼厚度不再增加，故洗涤过程的阻力不变，洗涤速率为常数。,九、过滤机的生产能力, 连续过滤机和叶滤机 此类过滤机的洗涤方式是置换洗涤，其特点是：,当过滤滤液粘度与洗涤液粘度相等 ，过滤终了压力与洗涤压力相等时 ，洗涤速率与过滤终了速率相等：, 板框过滤机 此类过滤机采用横穿洗涤方式，其特点是：,同样比较过滤终了速率和洗涤速率，当过滤滤液粘度与洗涤液粘度相等W =E，过滤终了压力与洗涤压力相等pW= p E时，洗涤速率为过滤终了

37、速率的四分之一 ：,若洗涤液粘度和洗涤时的压差与滤液粘度和过滤压差相比差异较大，则应校正，校正后的洗涤速率为,若洗涤用的压差与过滤相同，洗涤液粘度与滤液粘度大致相等：,对于转筒真空过滤机，洗涤速率与过滤终了速率相等,对于板框过滤机，洗涤速率等于过滤终了速率的1/4,（2）洗涤时间 为了相互区别，过滤时间用F表示，洗涤时间用W、辅助时间用R表示。洗涤时间为：,式中VW为洗涤液的用量，m3；置换洗涤和横穿洗涤速率可合并写成：,生产能力: 单位时间内获得的滤液体积。,对于间歇过滤机，一个过滤循环包括过滤、洗涤、卸渣、清理、重装等步骤。,通常把卸渣、清理、重装等所用的时间合在一起称为辅助时间D 。,一

38、个循环时间T=+W+D 。其中只有过滤时间真正用于过滤。,2 间歇过滤机的生产能力,式中 V 一个操作循环内所获得的滤液体积，m3； Q 生产能力，m3/h； T 一个循环时间。 T=+W+D,如果以滤液量Q 表示生产能力，则有,浸没度 ：转筒真空过滤机的转筒表面浸入滤浆中的分数,以转筒真空过滤机为例，转筒在任何时候总有一部分表面浸没在滤浆中进行过滤。,有效过滤时间：某一瞬时开始进入滤浆中的转筒表面，经过过滤区，最后从滤浆中出来，这一段时间为该表面旋转一周的有效过滤时间。,3 连续过滤机的生产能力,由于转筒式真空过滤机为恒压操作，则有,转鼓每转一周得到的滤液体积为：,(V+Ve)2=KA2(+

39、e),过滤时间 为:,假设转鼓转速为n r/min，则转一周的时间为: T=60/n,按每小时计的滤液生产能力为：,若忽略滤布阻力，则e=0、Ve=0，则上式简化为：,注意：提高转速可增加生产能力，但若转速太高，则每周期中过滤时间减至很短，滤饼层很薄，难于卸除，也不利于洗涤，而且功率消耗大，反而不经济。合适的转速需由实验确定，以得到合适厚度的滤饼，使成本最低。,例：用具有10个框的BMS20/830-20板框过滤机恒压过滤某种悬浮液，已知操作条件下过滤常数为K=210-5m2/s， qe=0.01m3/m2,每得1m3滤液可得滤饼0.06m3. 过滤至滤框充满滤饼后用0.2m3的洗水在相同压力

40、差下对滤饼进行横穿洗涤，假设洗水粘度与滤液相同。试求（1）滤饼充满滤框时所需过滤时间；（2）洗涤时间；（3）若每次卸渣、清理、装合等辅助时间为15min，求此板框机的生产能力。,例.在3105Pa的压强差下对钛白粉在水中的悬浮液进行过滤实验，测得过滤常数K=5 10 5m2/S、qe=0.01m3/m2，又测得滤饼体积和滤液体积之比为v=0.08。现拟用有38个框的BMY50/810-25型的板框压滤机处理该料浆，过滤的推动力及滤布与实验相同。求：1）过滤至框内全部充满滤饼所需要的时间；2）过滤完毕，用0.1倍滤液量的清水进行洗涤。洗涤时间是多少；3）若每次卸渣、重装等全部辅助操作时间为15m

41、in，以滤饼计的每台过滤机的生产能力是多少。,解：1）过滤时间,例：用转鼓真空过滤机过滤某种悬浮液，料浆处理量为20m3/h。已知每得1m3滤液可得滤饼0.04m3，要求转筒的浸没度为0.35，过滤表面上滤饼厚度不低于5mm。现测得过滤常数为K=810-4m2/s，qe=0.01m3/m2。试求过滤机的过滤面积和转筒的转速。,解：以1min为基准，v=0.04, =0.35,滤饼体积 0.3210.04=0.01284 m3/min,将n及 代入上式，得：,A=2.771m2 n = 0.927 r/min,恒压过滤，设介质阻力可忽略不计。,最佳操作周期,所谓最佳操作周期是指可使生产能力达到最

42、大的周期，在这一周期中，各种操作时间有一个最佳比例关系。因为一个周期里过滤时间愈长，滤液愈多，滤饼也随之愈厚，洗涤液量及洗涤时间也愈多。由此可知，过滤时间与洗涤时间不是相互独立的，它们之间应该有一定的关系。我们可以将一个周期分为两部分：一是过滤时间加洗涤时间为过滤机工作时间；二是拆装等辅助工作时间。我们要求的就是这两部分时间的最佳比例关系。为此可以建立生产能力与操作周期的关系式，然后求极值。,1 流态化现象 概念：将大量固体颗粒悬浮于运动的流体中，从而使颗粒具有类似流体的某些表观特性，这种流固接触状态成为固体流态化。 应用：强化传热、传质，流体或固体的化学、物理加工，乃至颗粒输送等 过程 固定

43、床阶段 流化床阶段 颗粒输送阶段,第三节 流态化的基本概念,流态化过程图示 a图：固定床，b图：流化开始，c图：散式流化 d图：聚式流化，e图：固体输送。,流体自下而上通过颗粒床层，随着流速增加，床层经历从固定床向流化床转变的过程。床层压降曲线能够较好地反映出该过程的各个变化阶段。,固定床阶段 当流体以较低的流速流过颗粒床层时产生的曳力不足以改变颗粒静止状态，床层呈现固定床性质，压降随流速增加的规律服从欧根方程。,流态化过程及流化床操作范围,流速增加，流体对颗粒的曳力可以使部分颗粒在原位发生振动并重新排列方位，但颗粒仍保持接触，床层高度无明显改变。流速继续增加，床层压降稍有增加后回落，床层高度

44、稍为膨胀到Lmf，全部颗粒均获得足够的曳力可以悬浮在流体中并可自由运动。这个临界状态称为初始流态化，对应的表观流速称为临界流化速度umf，相应的床层空隙率称为临界空隙率mf。,继续增加表观流速u，床内颗粒获得向上的运动而使床层膨胀，空隙率增大，此时颗粒与流体间的摩擦力恰好与其净重力相平衡。这种床层类似于流体的性质，故称为流化床。流化床阶段床层压降基本不随流速变化，等于单位截面床层的重量。,临界流态化,流化床阶段,进一步增加床层的表观流速使uut，颗粒将随流体上升并被带出，床层的上界面消失而称为输送床。因颗粒被带出、床层重量下降，床层压降p随u增加而下降。此流速ut称为带出速度。,表观流速介于临

45、界流化速度umf与颗粒的带出速度ut之间。带出速度ut等于颗粒在流体中的沉降速度。 临界流化速度是流化床层的特性，是固定床变为流化床的一个转折点。可由实验测定的pbu曲线得到较准确的值。,当床层处于初始流化状态时，床层内颗粒群所受的曳力、浮力与重力相平衡，即流体通过床层的阻力pb等于单位床层面积上颗粒所受的重力与浮力之差,流化床的操作范围,流化床主要特性及流化类型,流化床表现出类似于液体的性质。 密度比床层平均密度m小的物体可以浮在床面上； 床面保持水平； 服从静力学关系，即高差为L的两截面压差P= mgL； 颗粒具有与液体类似的流动性，可以从器壁的小孔喷出； 两个联通流化床能调整床层上表面使之在同一水平面上等。 上述性质使流化床内颗粒物料加工可以像流体一样连续进出, 由于颗粒充分