资源描述
掌握重力沉降的基本原理、典型设备及应用；了解并熟悉旋风分离器的工作原理及其性能参数；掌握过滤的基本操作过程、典型的设备，恒压过滤的操作及计算第三章 沉降与过滤均相混合物与非均相混合物的概念均相混合物与非均相混合物的概念均相混合物物系：内部各处物料性质均匀而且不存在相界面的混合物。例如：互溶溶液及混合气体非均相混合物：物系内部有隔开两相的界面存在且界面两侧的物料性质截然不同的混合物。例如：固体颗粒和气体构成的含尘气体；固体颗粒和液体构成的悬浮液；不互溶液体构成的乳浊液；液体颗粒和气体构成的含雾气体第一节第一节 概述概述 分类：固体非均相、气体非均相和液体非均相混合物 概念：分散相和连续相 分散相：处于分散状态的物质 连续相：处于连续状态的物质 分离目的：回收分散相或净化连续相 分离方法：主要的物理分离方法是沉降与过滤；对于含尘气体还有液体洗涤除尘法和电除尘法等。非均相混合物非均相混合物 颗粒的特性 球形颗粒体积 V=/6 d3 表面积 S=d2 比表面积 S/V=6/d 非球形颗粒体积当量直径de de=表面积当量直径des des=3P6VPS一、沉降速度第一节第一节 重力沉降重力沉降 Fb Fd Fg 颗粒受力分析：以球形颗粒为研究对象重力：流体对颗粒的浮力：流体对颗粒的阻力：gdFppg361gdFpb36122uAFPd当 时，uut，则：ddumFFFFdbgddududgdgdpppppp3223362466由动量定理：颗粒在流体内作重力沉降运动的过程将经历先加速后匀速的运动过程，其最终的速度称重力沉降速度(ut)，且颗粒的加速运动过程很短，一般情况下不予考虑。024662233tppppudgdgd3)(4pptgdu整理得0ddu球形颗粒的阻力系数是流体相对于颗粒运动时的雷诺数的函数,需实验测定。eR24Re10阻力系数-Re关系曲线,分三个区：层流区（斯托克斯区）：阻力主要为摩擦阻力。过渡区（阿仑区）：此时阻力为摩擦阻力和形体阻力之和。湍流区（牛顿区）：此时阻力主要为形体阻力。44.0Reptdu 、流体特性流体特性dp、ut颗粒特性颗粒特性 将用沉降速度ut表示的颗粒雷诺数Re代入层流区沉降速度公式中：tpetudReR2418)(2gduppt 即层流区沉降速度计算式，也称斯托克斯（Stokes）公式。3)(4pptgdu层流区沉降速度计算方法 另外，还有艾仑（Allen）公式和牛顿（Neton）公式分别计算自由沉降过程中过渡区和湍流区的沉降速度。pptdgu3/122225)(4pptdgu03.3层流区沉降速度计算式？18)(2gduppt沉降速度与颗粒和流体的密度差成正比关系，与颗粒直径成平方关系。不同密度的颗粒，沉降速度不同不同粒径的颗粒，沉降速度也不同。这是利用重力沉降分离非均相混合物的基本原理。影响沉降速度的其它因素：影响沉降速度的其它因素：1.干扰沉降干扰沉降自由干扰uu2.颗粒形状颗粒形状Ade2 非球形颗粒的表面积非球形颗粒的表面积面积面积与颗粒体积相等的球表与颗粒体积相等的球表球形度球形度 越小，阻力越大，越小，阻力越大，Re相同时沉降速度越小。相同时沉降速度越小。3.壁效应壁效应 使沉降速度下降。使沉降速度下降。ut的计算方法：试差法（先假设颗粒的沉降类型，计算ut值，然后将ut代入颗粒雷诺数验算是否与假设相符）二、典型重力沉降设备根据非均相混合物的种类不同，主要有降尘室和沉降槽。水平流动型降尘室1、结构：2、工作原理：层流流动的气态非均相物系沿水平运动，固体颗粒则作平抛运动，即水平方向随气体一起运动，竖直方向则作沉降运动。3.沉降分离条件沉降分离条件停留时间：停留时间：uL 沉降时间：沉降时间：ttHu 分离条件：分离条件：t ttLHLuuuuH即即或或W显然，若处于入口端顶部的直径为dp颗粒能够除掉，则处于其它位置的直径为dp的颗粒都能被除掉，因此上式是气体中直径为dp的颗粒完全被分离下来的条件。已知气体的体积流量为qvs,，求临界粒径dpc（层流）W 已知气体的体积流量为qvs,，求临界粒径dpctuHuLHWquvsWLquvst18)(2gdupptWLqgdvsppc)(18临界粒径临界粒径WWHVus降尘室工作能力：（单位时间降尘室能处理的混合物的量）由代入tuHuL得 uWVtsLW结论结论：降尘室的生产能力只与沉降面积：降尘室的生产能力只与沉降面积WL及颗粒沉降速度及颗粒沉降速度ut有关，而与高度有关，而与高度H无关。无关。降尘室宜设计成扁平状。气态非均相物系在降尘室中的流动以滞流为好，否则由于湍流的脉动效果使得沉降在降尘室底面的细小颗粒又被气流卷起，降低沉降分离的效率。因此降尘室的高度也不宜太低。多层降尘室：多层降尘室：(1)VtqnWLu若若n个隔板，则个隔板，则缺点：缺点：清灰难；清灰难；隔板间距小，隔板间距小，颗粒易被扬起。颗粒易被扬起。沉降槽（悬浮液中固体颗粒的分离：澄清液与稠浆）特点：利用颗粒的自然沉降性实现的分离，但由于分离效果差，一般得到含固体颗粒50的增稠液，所以也叫增稠器。生产能力：一般以澄清液溢出量表示。悬浮液的沉聚过程悬浮液的沉聚过程为了提高沉降槽的生产能力，可以采用向槽内添加絮凝剂的方法。常用的絮凝剂主要有：无机絮凝剂：石灰、明矾、硫酸亚铁、苛性钠、盐酸和氯化锌等；天然高分子絮凝剂：有淀粉和含淀粉的蛋白质物质，如马铃薯、玉米粉、红薯粉及动物胶等；合成高分子絮凝剂：有离子和非离子型高分子聚合物，如聚丙烯酰胺、羰基纤维素和聚乙烯基乙醇等。重力场离心力场力场强度重力加速度gut2/R 方向指向地心 沿旋转半径从中心指向外周 Fg=mg RumFtC2作用力 自由沉降受重力的影响无法满足要求，而改变沉降速度的唯一因素只能通过改变力的大小来实现，即将重力用离心力来代替。第三节第三节 离心沉降离心沉降 离心分离因数：离心力与重力之比。r/minNNrNgrKc：，其中，60290022 与颗粒在重力场中相似，颗粒在离心力场中也受到三个力的作用，即惯性离心力、向心力（浮力）和阻力。当三力平衡时，颗粒在径向上相对于流体的速度即为颗粒在此位置上的离心沉降速度ur方向向内阻力：方向向内向心力：方向向外离心力：24F6F6F22d23C232rTTSTudRudRudRum在稳定运动中，作用力与阻力达到平衡，颗粒与流体的相对运动速度达到恒定，则径向速度服从斯托克斯定律即：24()3pptrduur rduppr2)(34eR24一、离心沉降速度rduppr2)(34rduppr2218)(一般在层流区沉降18)(2gduppt重力沉降层流区沉降速度离心沉降层流区沉降速度径向向外，随径向向外，随r r变化变化 方向向下，大小不变方向向下，大小不变二、典型设备：主要是旋风分离器和旋液分离器。旋风分离器1、结构特点及操作原理进气口、主体、排气管、排灰口；气体在旋风分离器中的轨迹（内外旋流）；旋风分离器中气体的压力分布：器壁附近压力最大，仅稍低于进口处的压力；往中心压力逐渐降低，在轴心附近成为负压。临界颗粒直径临界颗粒直径uib假设：假设：切向速度切向速度ut=进口速度进口速度ui 颗粒沉降的最大距离颗粒沉降的最大距离b 层流层流rm平均旋转半径平均旋转半径n旋转圈数旋转圈数沉降时间：沉降时间：2218()mrrppibrbudu 停留时间：停留时间：2mir nu 沉降分离条件：沉降分离条件：r沉降速度：沉降速度：22()18ppirmduur 临界颗粒直径：临界颗粒直径：3()pcipbdnu 讨论：讨论：（1）b dpc D 旋风分离器越大，分离效果越不好旋风分离器越大，分离效果越不好所以生产能力较大时，一般采用多个小旋风分离器并联。所以生产能力较大时，一般采用多个小旋风分离器并联。（2）ui dc 分离效果好分离效果好流动阻力大流动阻力大smui/2512 气体通过旋风分离器的压力降气体通过旋风分离器的压力降22iup 一般一般 p=0.32 kPa 进、排气与筒壁之间的摩擦损失；进、排气与筒壁之间的摩擦损失；进入时突然扩大的局部阻力；进入时突然扩大的局部阻力；旋转中动能损失旋转中动能损失造成气体压力降：造成气体压力降：由于由于:与动压成正比与动压成正比2、旋风分离器的性能临界粒径dpc 临界粒径随分离器直径增大而增大 分离效率 反映旋风分离器的除尘能力，有总效率和粒级效率之分。压降p 压降也是衡量旋风分离器性能的重要指标。压降与进口气速有关，气速低则分离效率不高，过高则压降大、能耗高，且涡流加剧对分离不利。旋液分离器 旋液分离器是分离悬浮液的离心沉降设备，其构造及工作原理与旋风分离器类似。与旋风分离器相比，旋液分离器直径小而圆锥部分长。沉降式离心机：（一）管式离心机（二）碟式离心机（三）螺旋式离心机管式离心机的结构 转鼓的三部分组成：顶盖、带空心轴的底盖和管状转筒。离心机的转鼓由顶盖、带空心轴的底盖和管状转筒组成。机壳2内装有管状转鼓4，转鼓悬挂于离心机上端的挠性驱动轴7上，下部由底盖形成中空轴并置于机壳底部的导向轴衬内。管式离心机的工作原理 待处理的物料以一定压力由进料管经底部空心轴进入鼓底，靠圆形折转挡板1分布于鼓四周。鼓内设有十字形挡板3，液体在鼓内由挡板被加速到转鼓速度，在离心力场作用下，乳浊液（或悬浮液）沿轴向上流动的过程被分成轻液相和重液相，通过上方溢环状流口排出。转速：15000rpm，Kc50000左右 加长转鼓长度的目的:增加物料在转鼓内的留停时间。分离乳浊液的操作原理 转鼓由转轴带动旋转。乳浊液由底部进入，在转鼓内从下向上流动过程中，由于两种液体的密度不同而分成内、外两液层。外层为重液层，内层为轻液层。到达顶部后，轻液与重液分别从各自的溢流口排出。分离悬浮液的操作原理 流量Vs为悬浮液从底部进入，悬浮液是由密度为的与密度为p的少量颗粒形成的。假设转鼓内的液体以转鼓的旋转角速度随着转鼓旋转。液体由下向上流动过程中，颗粒由液面r1处沉降到转鼓内表面r2处。凡沉降所需时间小于式等于在转鼓内停留时间的颗粒，均能沉降除去。密闭转鼓内设有数十个至上百个锥角为60120的锥形碟片 简单的碟式离心机没有自动排渣装置 自动除渣碟式离心机在四壁上开设若干喷嘴（或活门）碟片式离心机的结构如果将作用在（带电）颗粒上的电场力代替离心力，则颗粒的沉降就是电力沉降。电力沉降电力沉降的原理：含尘气体通过高压电场后产生的自发性电离使颗粒带电，在电场力的作用下运动，到达收尘电极后放电并吸附在收尘电极上，从而实现了气态非均相物系的分离。电除尘的基本过程：a、气体电离；b、颗粒荷电；c、荷电颗粒在电场中的运动；d、颗粒放电一、过滤操作的基本概念 过滤：利用能让液体通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：过滤操作中所处理的悬浮液 滤液：通过多孔介质的液体 滤渣（滤饼）：被截留住的固体物质 实现过滤操作的外力有重力、压力、离心力，化工中应用最多的是压力过滤。第四节 过滤第四节第四节 过滤过滤二、过滤方式过滤 深层过滤:滤饼过滤:固体颗粒的沉积发生在较厚的粒状过滤介质床层内部，悬浮液中的颗粒直径小于床层直径，当颗粒随流体在床层的曲折孔边穿过时，便粘附在过滤介质上。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.固体颗粒成饼层状沉积于过滤介质表面，形成滤饼.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。三、过滤介质过滤介质是滤饼的支承物，应具有下列条件：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。物理化学性质稳定，耐热，耐化学腐蚀。足够的机械强度，使用寿命长价格便宜工业常用的过滤介质主要有：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。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。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。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。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。四、滤饼的压缩性 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 滤饼不可压缩滤饼: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:如硅藻土，石棉，碳粉，珍珠岩粉，纸浆粉等。介质阻力：可视为不变，且一般过滤初期较明显 滤饼厚度：随过滤进行而增加 滤饼阻力 滤饼特性：颗粒形状、大小，粒度分布及压缩性质五、过滤阻力：六、悬浮液、固体量、滤液量及滤渣变量间的关系 悬浮液 滤液（，V）湿滤渣（c）湿滤渣（c）液体 （）干渣 （p）悬浮液 滤液（，V）湿滤渣（c）湿滤渣（c）液体 （）干渣 （p）是 C 1 1、湿滤渣（滤饼）密度c11CCpc C:湿滤渣与干渣质量比 悬浮液 滤液（，V）湿滤渣（c）湿滤渣（c）液体 （）干渣 （p）是 CX X2、干渣质量与滤液体积的比值（w）/)1(CXXw 1X：悬浮液中干渣的质量分数 1-CX CX-XCw湿渣质量与滤液体积的比值3、湿渣（滤饼）体积与滤液体积的比值(v)悬浮液 滤液（，V）湿滤渣（c）液体 （）干渣 （p）是 CX X/)1(CXXw 1 1-CX CX-XCw湿渣质量与滤液体积的比值湿渣体积与滤液体积的比值cCwv七、过滤速率与速度过滤速率：单位时间内获得的滤液体积 单位为 过滤速度：单位时间单位过滤面积A上获得滤液体积 单位为 式中，V滤液体积，t过滤时间，s A过滤面积，dVdt13smdVAdt123smm3m2m（流速）（流量）注意：随着过滤过程的进行，滤饼逐渐加厚。可以想见，如果过滤压力不变，即恒压过滤时，过滤速度将逐渐减小。因此上述定义为瞬时过滤速度。过滤过程中，若要维持过滤速度不变，即维持恒速过滤，则必须逐渐增加过滤压力或压差。总之，过滤是一个不稳定的过程。过滤速度?p p2 p1滤液滤液 （1）过程的推动力：过滤过程中，需要在滤浆一侧和滤液透过一侧维持一定的压差，过滤过程才能进行。从流体力学的角度讲，这一压差用于克服滤液通过滤饼层和过滤介质层的微小孔道时的阻力，称为过滤过程的总推动力，以 表示。这一压差部分消耗在了滤饼层，部分消耗在了过滤介质层，即：p21ppp其中：为滤液通过滤饼层时的压力降，也是通过该层的推动力；为滤液通过介质层时的压力降，也是通过该层的推动力。1p2p（2）滤液通过滤饼层时的阻力：滤液在滤饼层中流过时，由于通道的直径很小，阻力很大，因而流体的流速很小，应该属于层流，压降与流速的关系服从 HagenPoiseuille 定律。其中：滤液在滤饼某个通道中的真实流速 滤液粘度 通道的平均长度通道的当量直径定义滤饼层的空隙率为：lpdue32121led1u滤饼层的总体积滤饼层的空隙体积232dlup所以：，孔道的平均长度可以认为与滤饼的厚度L成正比：孔道的当量直径：滤饼的截面积滤液体积流量u滤饼截面积滤饼空隙率滤液体积流量面积滤饼截面中空隙部分的滤液体积流量1uuu 1LKl014140S空隙率滤饼层体积比表面积空隙率滤饼层体积颗粒体积比表面积空隙率滤饼层体积颗粒表面积空隙体积润湿周边长流通截面积444ed 与 的关系：1uuS0：颗粒比表面积根据这三点结论，可出导出过滤速度的表达式：其中：r：滤饼的比阻(1/m2)，其值完全取决于滤饼性质P1：滤液通过滤饼时的压力降（pa）Vc:滤饼体积（m3）；A：过滤面积（m2）：滤液粘度（Pa.s）；L：滤饼厚度（m）推论：过滤速度等于滤饼层推动力/滤饼层阻力，而后者由两方面的因素决定，一是滤饼层的性质及其厚度，二是滤液的粘度。AVrpLrpLSKpLKpduuAdtdVCe11220013012112323220012SKrAVrpLrpAdtdVC11过滤速度过滤速度r:滤饼的比阻(1/m2)，其值反映了在单位过滤面积（m2）上形成单位体积（1m3）滤饼时的阻力大小。滤饼的比阻滤饼的比阻r其中：V：滤液体积；v：湿渣(滤饼)体积与滤液体积的比值。AvVrpLrpAdtdV11将上式中滤饼体积用滤液体积表示时，则有：此时，过滤阻力即为获得V体积滤液时所形成的滤饼阻力。（3）滤液通过过滤介质时的阻力：AVVvrpAvVrpAvVrpAdtdVee)21（介质阻力表示为获得当量滤液量Ve时形成的滤饼阻力,总的阻力大小即为AVVvre)（则过滤速度：p p2 p1滤液滤液（4）过滤速度和过滤速率方程 2/AVVvrpdtdVeAVVvrpdtdVe/A过滤速度过滤速率（5）恒压过滤方程式VeVe2/AVVvrpddVedvrpAdVVVeV020)(）过滤常数（23/:2mmKrpK过滤速率222eVVVKA 恒压过滤方程式K与悬浮液性质，滤饼性质，操作条件如温度，压力等因素有关。Vo 1V1A(6)过滤常数的测定22eqqqK /qq 为直线关系，为直线关系，其斜率为其斜率为 ，截距为，截距为eqK2K1q/qeqK2K1斜率eqK2K1斜率eqKqKq2123/,mmAVqAVqee 令令222eVVVKA 八、常见的过滤设备板框式过滤机典型的应用非常广泛的一种间歇式过滤机。板框压滤机过滤操作：过滤阶段悬浮液从通道进入滤框，滤液在压力下穿过滤框两边的滤布、沿滤布与滤板凹凸表面之间形成的沟道流下，既可单独由每块滤板上设置的出液旋塞排出，称为明流式；也可汇总后排出，称为暗流式。框 板 框 板洗涤板非洗涤板悬浮液滤液板非洗涤板洗涤操作：洗涤液由洗涤板上的通道进入其两侧与滤布形成的凹凸空间，穿过滤布、滤饼和滤框另一侧的滤布后排出。洗涤液的行程（包括滤饼和滤布）约为过滤终了时滤液行程的2倍，而流通面积却为其1/2，故洗涤速率约为过滤终了速率的1/4。板框压滤机洗涤液洗出液框 板 框 板洗涤板非洗涤板板非洗涤板洗涤终了，若有必要可引入压缩空气使滤饼脱湿后再折开过滤机卸出滤饼，结束一次过滤操作。然后清洗、整理、重新组装、准备下一次操作。板框式过滤机的横穿洗涤法：洗涤液遇到的阻力是过滤终了时滤液的2倍，而洗涤面积却是过滤的1/2。板框式过滤机的主要特点：结构简单，占地少，操作方便，生产能力大，适应力强，适合小批量间歇式生产，主要以半自动工作方式为主。缺点是：效率较低（周期较长，滤布损耗大），劳动强度大，回转真空过滤机 回转真空过滤机是一种连续式过滤机，工业应用较为广泛。特点：同时间、不同部位进行不同的操作。110987654321817161514131112动盘动盘转筒及分配头的结构转筒及分配头的结构定盘定盘18格分成格分成6个工作区个工作区1区区(17格格)：过滤区；：过滤区；2区区(810格格)：滤液吸干区；：滤液吸干区；3区区(1213格格)：洗涤区；：洗涤区；4区区(14格格)：洗后吸干区；：洗后吸干区；5区区(16格格)：吹松卸渣区；：吹松卸渣区；6区区(17格格)：滤布再生区。：滤布再生区。l过滤区过滤区(12区区)，f 槽槽;l洗涤区洗涤区(34区区)，g槽槽;l干燥卸渣区干燥卸渣区(56区区)，h 槽槽;f 槽槽h 槽槽g 槽槽回转真空过滤机的主要特点：自动化程度高，劳动强度小，生产能力大，滤饼厚度可自由调节，适合量大且容易过滤的物料。缺点是：附属设备多，设备投资费用高，过滤推动力小，滤饼含液量大。离心过滤机 离心过滤是藉旋转液体产生的径向压差作为过滤的推动力。离心过滤在各种间歇或连续操作的离心过滤机中进行。间歇式离心机中又有人工及自动卸料之分。（1）三足式离心机 三足式离心机是一种常用的人工 卸料的间歇式离心机，图3-1为 其结构示意图。离心机的主要部 件是一篮式转鼓，壁面钻有许多 小孔，内壁衬有金属丝及滤布。整个机座和外罩藉三根弹簧悬挂 于三足支柱上，以减轻运转时的 振动。图3-1 三足式离心机（2）活塞往复式卸料离心机 这种离心机的加料过滤、洗涤、沥干、卸料等操作同时在转鼓内的不同部位进行，图3-2为其结构示意图。料液加入旋转的锥形料斗后被洒在近转鼓底部的一小段范围内，形成约mm厚的滤渣层。转鼓底部装有与转鼓一起旋转的推料活塞，其直径梢小于转鼓内壁。活塞与料斗还一起做往复运动，将滤渣逐步推向加料斗的右边。图3-2 活塞推料离心机（3）刮刀卸料式离心机图3-3为刮刀卸料离心机的示意图。悬浮液从加热管进入连续运转的卧式转鼓，机内设有粑齿以使沉积的滤渣均布于转鼓内壁。得滤饼达到一定厚度时，停止加料，进行洗涤、沥干。然后，藉液压传动的刮刀逐渐向上移动，将滤饼刮入卸料斗卸出机外，然后清洗转鼓。整个操作周期均在连续运转中完成，每一步骤均采用自动控制的液压操作。图3-3 刮刀卸料式离心式1进料管；2转鼓；3滤网；4外壳；5滤饼个人观点供参考，欢迎讨论
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