化工原理第三章第三节.ppt

2020 1 27 第三章非均相物系分离 一 过滤操作的基本概念二 过滤基本方程式三 恒压过滤四 过滤常数的测定五 过滤设备六 滤饼的洗涤七 过滤机的生产能力 第三节过滤 2020 1 27 一 过滤操作的基本概念 1 过滤的相关概念过滤 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 过滤操作中所处理的悬浮液 滤浆 通过多孔介质的液体 滤液 被截留住的固体物质 滤渣 滤饼 实现过滤操作的外力 重力 压力 离心力化工中应用最多的是压力过滤 2020 1 27 2 过滤方式 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 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 2020 1 27 3 过滤介质性质a 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 b 物理化学性质稳定 耐热 耐化学腐蚀 c 足够的机械强度 使用寿命长d 价格便宜工业常用的过滤介质a 织物介质 又称滤布 2020 1 27 b 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 c 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 d 多孔膜 由高分子材料制成 膜很薄 几十 m到200 m 孔很小 2020 1 27 4 助滤剂 滤饼 不可压缩滤饼 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 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 加入方法 预涂 将助滤剂混在滤浆中一起过滤 用助滤剂配成悬浮液 在正式过滤前用它进行过滤 在过滤介质上形成一层由助滤剂组成的滤饼 2020 1 27 二 过滤基本方程式 1 滤液通过饼层的流动空隙率 单位体积床层中的空隙体积 用 表示 空隙体积 床层体积m3 m3颗粒比表面积 单位体积颗粒所具有的表面积 用a表示 a 颗粒表面 颗粒体积de 4 水力半径 4 管道截面积 润湿周边颗粒床层的当量直径为 2020 1 27 de 流通截面积 流道长度 润湿周边长度 流道长度 de 流道容积 流道表面积取面积为1m2厚度为1m的滤饼考虑 床层体积 1 1 1m3流道容积 1 m3流道表面积 颗粒体积 颗粒比表面 1 am2所以床层的当量直径为 滤液通过饼层的流动常属于滞流流型 1 2020 1 27 滤液通过滤饼床层的流速与压强降的关系为 2 在与过滤介质层相垂直的方向上床层空隙中的滤液流速u1与按整个床层截面积计算的滤液平均流速u之间的关系为 3 将 1 3 代入 2 并写成等式 2020 1 27 比例常数K 与滤饼的空隙率 粒子形状 排列及粒度范围等因素有关 对于颗粒床层的滞流流动 K 值可取为5 过滤速度表达式 2 过滤速率 过滤速度 单位时间通过单位过滤面积的滤液体积 m s 单位时间获得的滤液体积称为过滤速率 m3 s 2020 1 27 3 滤饼的阻力 令 滤饼的比阻 1 m2 4 令 滤饼阻力 1 m 5 速度 推动力 阻力 2020 1 27 比阻r 单位厚度滤饼的阻力数值上等于粘度为1Pa s的滤液以1m s的平均流速通过厚度为1m的滤饼层时 所产生的压强降 r反映了颗粒形状 尺寸及床层空隙率对滤液流动的影响4 过滤介质的阻力过滤介质的阻力也与其厚度及本身的致密程度有关 通常把过滤介质的阻力视为常数 滤液穿过过滤介质层的速度关系式 Pm 过滤介质上下游两侧的压强差 Rm 过滤介质的阻力 1 m 2020 1 27 P PC Pm 滤饼与滤布两侧的总压强降 称为过滤压强差 也称为过滤设备的表压强 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 6 设想以一层厚度为Le的滤饼来代替滤布 故 6 式可写为 2020 1 27 Le 过滤介质的当量滤饼厚度 或称为虚拟滤饼厚度 m在一定的操作条件下 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 5 过滤基本方程式滤饼厚度L与当时已经获得的滤液体积V之间的关系为 滤饼体积与相应的滤液体积之比 无因次 m3 m3 2020 1 27 Ve 过滤介质的当量滤液体积 或称虚拟滤液体积 m3在一定的操作条件下 以一定介质过滤一定的悬浮液时 Ve为定值 但同一介质在不同的过滤操作中 Ve值不同 7 式就可以写成 过滤速率的一般关系式 2020 1 27 可压缩滤饼的比阻是两侧压强差的函数 s 滤饼的压缩性指数 无因次 s 0 1 对于可压缩滤饼 过滤速率 过滤基本方程式 适用于可压缩滤饼及不可压缩滤饼 对于不可压缩滤饼 s 0 r 单位压强差下滤饼的比阻 2020 1 27 三 恒压过滤 恒压过滤 在恒定压强差下进行的过滤操作 对于一定的悬浮液 r 及 均可视为常数 令 k 表征过滤物料特性的常数 m4 N s 积分得 2020 1 27 假定获得体积为Ve滤液所需的虚拟过滤时间为 e 则积分的边界条件为 过滤时间滤液体积0 e0 Ve e eVe V Ve 积分两式 并令K 2k P1 s 2020 1 27 两式相加 得 恒压过滤方程式 当介质阻力可以忽略时 Ve 0 e 0 令 恒压过滤方程 K 过滤常数 由物料特性及过滤压强差所决定 m2 s e和qe 介质常数 反映过滤介质阻力大小 s及m3 m2 当介质阻力可以忽略时 2020 1 27 例 过滤一种固体颗体积分数为0 1的悬浮液 滤饼含水的体积分数为0 5 颗粒不可压缩 经实验测定滤饼比阻为1 3 1011m 2 水的粘度为1 0 10 3Pa s 在压强差恒为9 8 104Pa的条件下过滤 假设滤布阻力可以忽略 试求 1 每m2过滤面积上获得1 5m3滤液所需的过滤时间 2 如将此过滤时间延长一倍 可再得滤液多少 解 1 求过滤时间 1m3滤液可得的滤饼量 2020 1 27 滤布阻力可忽略 2 求过滤时间加倍时的滤液量 2020 1 27 四 过滤常数的测定 1 恒压下K qe e的测定实验原理 0 0 0 2020 1 27 在直角坐标纸上从 q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 2020 1 27 2 压缩性指数s的测定 常数 K与 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2k 由此可得到滤饼的压缩性指数s及物料特性常数k 2020 1 27 五 过滤设备 1 板框过滤机是由什么组成的 试述板与框的结构 2 板框过滤机的如何进行过滤与洗涤的 3 横穿洗涤法的特点是什么 4 试述板框过滤机的优缺点 5 横穿洗涤法与置换洗涤法的区别 6 试述转筒真空过滤机的结构 7 转筒真空过滤机的操作过程 8 分配头的结构及作用是什么 9 试述转筒真空过滤机的优缺点 2020 1 27 2020 1 27 图3 19滤板和滤框 2020 1 27 2020 1 27 图3 21加压叶滤机1 滤饼2 滤布3 拔出装置4 橡胶圈 2020 1 27 2020 1 27 六 滤饼的洗涤 滤饼洗涤的目的 为了回收滤饼里存留的滤液 或者净化构成滤饼颗粒 1 洗涤速率洗涤速率 洗涤时间 洗涤速率与过滤终了时的过滤速率有关 这个关系取决于滤液设备上采用的洗涤方式 2020 1 27 叶滤机采用的置换洗涤法 洗水与过滤终了时的滤液流过的路径就完全相同 当操作压强差及洗水与滤液粘度相近时 板框过滤机采用的是横穿洗涤法 2020 1 27 当操作压强差及洗水与滤液粘度相近时 当洗水粘度 洗水表压与滤液粘度 过滤压强差有明显差异时 所需的过滤时间可进行校正 2020 1 27 七 过滤机生产能力的计算 过滤机的生产能力 单位时间获得的滤液体积或滤渣体积 m3 s 1 间歇过滤机的计算一个操作周期时间为 生产能力为 对于间歇过滤过程来说 每个循环中的过滤时间的合理选择可以得到最大的生产能力 2020 1 27 由 恒压过滤时 每次过滤所需时间 对于叶滤机 令a为洗涤液量与滤液量的比值 那么洗涤液量为aV 洗涤时间为 2020 1 27 生产能力最大的条件 2020 1 27 对于板框压滤机 也可用此法求最大生产能力 但是 由于洗涤速率与最终过滤速率不同 2a2应改为8a2 例 用一台具有26个滤框的BMS20 635 25板框压滤机过滤一种含固体颗粒为25kg m3的悬浮液 在过滤机入口处滤浆的表压为3 39 105Pa 已测得在此压力下K 1 86 10 4 qe 0 0282m3 m2 所用滤布与实验时的相同 料浆温度为25 每次过滤到滤饼充满滤框为止 然后用清水洗涤滤饼 洗水温度及表压与滤浆相同 体积为滤液体积的8 2020 1 27 每次卸渣 清理 装合等辅助操作时间为15min 已知固相颗粒密度为2930kg m3 又测得湿滤饼的密度为1930kg m3 求此板框压滤机的生产能力 解 总过滤面积 滤框总容积 已知1m3滤饼的质量为1930kg 其中含水xkg 水的密度按1000kg m3考虑 x 518kg 2020 1 27 1m3滤饼中固相颗粒质量为1930 518 1412kg设每1m3滤浆中含水ykg y 991 5kg 生成1m3滤饼所需的滤浆质量为 生成1m3滤饼的滤液的质量为 57412 1930 55482kg滤液体积为 2020 1 27 滤框全部充满时的滤液体积为 过滤终了时单位面积滤液量为 代入 过滤终了时滤液的速度 2020 1 27 洗涤液体积 生产能力 2020 1 27 2 连续过滤机的生产能力浸没度 转筒表面浸入滤浆中的分数 以 表示 浸没角度 360 若转筒转速为nr min 转筒回转一周所用时间 整个转筒表面上任何一小块过滤面积所经历的过滤时间为 2020 1 27 从生产能力的角度来看 一台总过滤面积为A 浸没角度为 转速为nr min的连续式转筒真空过滤机 与一台同样条件下操作的过滤面积为A 操作周期为T 60 n 每次过滤时间 的间歇式板框压滤机是等效的 转筒每转一周所得滤液的体积为 2020 1 27 生产能力 当滤布阻力可以忽略不计时 其中 D 转筒直径L 转筒的长度 转速n愈高 浸没度愈大 生产能力愈大 2020 1 27 例 用转筒真空过滤机于50kPa真空度下过滤密度为1220kg m3的某种水悬浮液 操作条件下的过滤常数K 5 2 10 6m2 s 过滤介质的阻力可忽略不计 已知 每次获得1m3滤液生成的滤渣中含有固相590kg 固相密度为2200kg m3 转筒直径为1 75m 宽度为0 92m 转筒浸没度1 3 其转速为0 5r min 试求 1 过滤机的生产能力 2 转筒表面最终滤饼厚度 2020 1 27 解 1 2 要求滤饼厚度 应先通过物量衡算求得滤饼体积与滤液体积之比 以1m3悬浮液为准 设其中固相质量分数为xw 2020 1 27 所以过滤1m3悬浮液所得滤饼的固相质量 可得滤液体积为 滤饼体积为1 0 6823 0 3177m3 转筒每转一周得滤饼体积 滤饼厚度 2020 1 27 重力沉降 学习指导 本章重点掌握的内容 离心沉降 重力沉降的基本原理重力沉降设备 降尘室的设计 离心沉降与重力沉降的差别离心沉降设备 旋风分离器的选型 2020 1 27 过滤 学习指导 过滤操作的原理过滤基本方程式的推导思路恒压过滤的计算过滤常数的测定方法过滤机生产能力的计算