第三章沉降与过滤ppt课件.ppt

非均相混合物的分离,1,本章学习要求掌握重力沉降的基本原理和计算，重点掌握重力沉降中的球形颗粒的自由沉降、小Re范围的沉降计算、典型设备的结构和特点；了解并熟悉旋风分离器的工作原理、结构特点及其性能参数；理解沉降的影响因素及沉降分离计算、旋风分离器的选型计算重点了解过滤的基本操作过程、典型设备的结构特点，熟练掌握恒压过滤的操作及计算；了解含尘气体的过滤方法及设备。,第三章 非均相混合物的分离,非均相混合物的分离,2,概述非均相混合物的概念：由物理性质不同的两相物质组成的物系。 特征：存在相界面、物理性质不同、混合物 分类：固体非均相混合物 气固非均相混合物（含尘气体） 气体非均相混合物 气液非均相混合物（如雾） 液固非均相混合物（悬浮液） 液体非均相混合物 液液非均相混合物（乳浊液） 液气非均相混合物（泡沫液） 基本概念：分散相（分散物质）：分散状态的物质 连续相（分散介质）：连续状态的物质,非均相混合物的分离,3,目的：产品的分离与提纯，回收再利用，环保的需求等方法：主要的物理分离方法是沉降与过滤 沉降的概念：颗粒在外力作用下向指定沉积位置（器壁、器底或其他表面）相对于流体（静止或运动）运动的过程 。 沉降的类型：重力沉降、离心沉降和电力沉降 。 过滤的概念：流体在外力作用下相对于固体颗粒床层运动而实现两相分离的过程 。 过滤的类型：重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤。,非均相混合物的分离,4,自由沉降：颗粒的沉降互不影响的沉降 。如单一颗粒、体积浓度小于0.1%的颗粒的沉降。干扰沉降：颗粒的沉降互相影响的沉降。如体积浓度大于0.1%的颗粒的沉降。,非均相混合物的分离,5,非均相混合物的分离,6,1.1（自由） 沉降速度,3-1 重力沉降 在重力作用下颗粒向地面方向相对于流体的,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：,颗粒运动后流体对颗粒的阻力： 仿照管内流体流动阻力的计算,运动过程,1.1.1沉降速度的概念和球形颗粒自由沉降速度的计算公式(1)概念(2)推导,非均相混合物的分离,7,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，其最终的速度称重力沉降速度，且颗粒的加速运动过程很短，一般情况下不予考虑。,整理得,当 时，uut，则：,计算公式,此即沉降速度计算的基本公式,非均相混合物的分离,8,(3)阻力系数 球形颗粒的阻力系数是颗粒雷诺数 的函数（u是颗粒相对于流体的运动速度），教材P85页的与Re的关系曲线是由球形颗粒（球形度s1）做实验得出的。,曲线分三个区：,非均相混合物的分离,9,非均相混合物的分离,10,将用沉降速度ut表示的颗粒雷诺数Re代入滞流区沉降速度公式中：,此即滞流区沉降速度计算式，也称斯托克斯（Stokes）公式，用于计算颗粒在流体中作自由沉降运动的滞流沉降速度计算式。 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。,非均相混合物的分离,11,(4)沉降分离机理 比较分析颗粒的自由沉降速度计算式可知，滞流下沉降速度与颗粒和流体的密度差成比例关系，与颗粒的直径成平方关系。其他情况Ut也是随密度差和直径的增大而增大。 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。 这是为什么利用重力沉降能分离非均相混合物的根本原因。,非均相混合物的分离,12,1.1.2 ut的计算方法： 试差法,假设沉降属于某一流型,计算沉降速度,核算Ret,验证流型,YES,ut,NO,非均相混合物的分离,13,非均相混合物的分离,14,无因次判据法 即改用无因次判据k来判别沉降的类型，从而 不用试差直接计算出Ut的方法。,无因次判据k的定义式；,不同沉降区域Ar值的范围:,滞流区：1810-4Ar18过渡区：18Ar3.3105湍流区：3.3105Ar1.321010,计算步骤 （1）计算Ar； （2）判别沉降类型；（3）选用相应公式计算ut。例32 用无因次判据法求例31的沉降速度。解：故选用斯托克斯公式计算ut。结果与例31同为：ut0.12m/s,非均相混合物的分离,15,例3-3现测得一直径为30m、密度P=3650kg/m3的球形颗粒在200C水中的沉降速度是某液体中沉降速度的2.7倍；又知此颗粒在水中的质量为在液体中的1.12倍，试求该液体黏度。 解 本题为球形颗粒在流体中的自由沉降。假设沉降服从斯托克斯公式，即 （1）由题意可知 ut w /ut l=2.7 （2）式中，下标w,l分别代表水、某液体。 将式（1）代入式（2），得 （3）又由题意可知,非均相混合物的分离,16,即,（4）,将式（4）代入式（3）得,故 分别检验水和液体的 Ret将已知条件代入式（1）可算得 utw=1.310-3 m/s则,分别由式（2）和（4）可得 utl=4.810-4 m/s l=1284 kg/m3则 Retl=dput l /l=0.00771,非均相混合物的分离,17,例3-4在一容器内盛有密度=890kg/m3、黏度=0.32Pas的油，油的深度L=80cm，现将密度为P=2650kg/m3、直径dP=5mm的石英球粒投入容器中，每隔3s投一个，试求 （1）若容器内的油是静止的，则容器内最多有多少个石英球同时向下沉降？ （2）若容器内的油以u=0.05m/s的速度向上运动，则结果又如何？ 解 （1）当容器内的油静止时，假设沉降过程处在斯托克斯区，则忽略沉降过程的加速段，则第一个石英球洛到容器底部所需时间为此时容器内共有 同时向下沉降,非均相混合物的分离,18,应取整数，即为3个球。 检验Ret： 说明原假设正确，以上计算有效。 （2）当油以u=0.05m/s向上运动时，由于颗粒和油的物性未变，故沉降速度即颗粒和油之间的相对运动速度仍为 ut=0.0749 m/s因此石英球的绝对速度为 utu=0.07490.05=0.0249m/s,方向向下。 由此可得，第一个石英球落到容器底部所需时间此时容器内共有向下沉降应取整数，即为10个球。,非均相混合物的分离,19,例3-5如图所示，水自下而上流过设备，以分离两种粒径相同的细粉。颗粒直径均为dp=100m , 两种颗粒的密度分别为2650kg/m3及2850kg/m3，水的密度为1000kg/m3，黏度为1cP。试问水在管中的流速控制在什么范围内才能使两种颗粒完全分开？ 解当水流向上的流速大于颗粒向下的沉降速度时，颗粒将被水流带出，反之颗粒则向下沉降。因此要使两种颗粒完全分开，管中水的速度应控制在两种颗粒沉降速度之间。 假设沉降过程属于斯托克斯区，则两种颗粒的沉降速度分别为 混合细粉 水,非均相混合物的分离,20,分别检验两种颗粒的Ret：,可见，关于沉降过程处在斯托克斯区的假设是正确的，故以上计算有效。 当0.00899m/su0.01m/s时，理论上两种颗粒可以完全分开,非均相混合物的分离,21,1.1.3 非球形颗粒的自由沉降：用球形度系数进行校正1.1.4 影响沉降速度的因素：除了颗粒的形状外还有以下其它因素：1）颗粒浓度影响：浓度大于0.1%（体积）时由于反向置换流的阻力、颗粒的碰撞和流体有效密度和黏度增大颗粒发生干扰沉降（干扰沉降：颗粒间彼此影响的沉降过程）使沉降速度明显减小；2）壁效应影响：当颗粒的直径较大时，在近壁处的沉降将受到明显的影响，经验值为dp/D大于0.01时影响显著。3)流体分子运动的影响：当颗粒的直径太小时，颗粒的沉降还会受到流体分子间碰撞的影响。,非均相混合物的分离,22,1.2 典型重力沉降设备及其计算根据非均相混合物的种类不同，主要有降尘室和沉降槽。降尘室1、结构：,非均相混合物的分离,23,2、工作原理,滞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，如果颗粒在降尘室的停留时间（水平运动的时间）大于颗粒从室顶到出口下侧边缘所在的水平面所需的时间t，即 t，则颗粒必将留在降尘室，从而实现了物系的分离（固体颗粒和气体的分离）。,尘粒在降尘室内的运动情况,非均相混合物的分离,24,非均相混合物的分离,25,3、颗粒能被分离出的必要条件是：t,显然，若处于入口端顶部的直径为dp颗粒能够除掉，则处于其它位置的大于等于该直径的颗粒都能被除掉件。取等号时，用上式计算出来的dp是完全被分离下来的最小颗粒的直径。因此式中dp和ut应取需要分离下来的最小颗粒的值dpc和utc。,4、临界粒径dpc,非均相混合物的分离,26,5、降尘室的计算(1)生产能力 单位时间降尘室能处理的混合物的量,由,代入,得,从所得式可以看出，降尘室的工作能力与其高度无关，只与降尘室的底面积（bL）有关，所以降尘室宜设计成扁平状，或在室内均匀设置多层水平隔板(隔板数为n) ，构成多层降尘室。此时As=（n+1）bL 注意，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(40100mm).经验参考值：多数颗粒的分离可取u3m/s，较易扬起的尘粒则取u1m/s。因降尘室体积庞大，分离效率低，一般常用来进行预除尘，分离气态非均相物系中粒径大于60m的固体颗粒。,非均相混合物的分离,27,非均相混合物的分离,28,(2)结构尺寸b、L、H,非均相混合物的分离,29,(3)理论除尘效率 理论上能被分离下来的颗粒的质量分数,非均相混合物的分离,30,非均相混合物的分离,31,非均相混合物的分离,32,（4）因d pc不变，故ut c不变，所以QvSAS即 Qvs/ Qvs=As/ As=2 Qvs=2 Qvs=50000m3/h,非均相混合物的分离,33,例3-7试推导尘粒在与水平向上呈角、长L、高H的倾斜降尘室中完全分离下来的必要条件。若L=10m，H=2m，降尘室水平放置时能100%分离下来的最小尘粒直径为34.0m。求=100时倾斜降尘室能100%分离下来的最小尘粒的直径.假设沉降属于斯托克斯区。 解 如图所示，降尘室与水平方向呈角向上倾斜安装时， 尘粒能完全分离下来的必要条件为： (1) 求=100时降尘室能100%分离下来的最小尘粒的直径dpmin由式（1）可得,u,Ut,非均相混合物的分离,34,（2）,对比水平时的 可得,（3）,沉降过程处于斯托克斯区时， （4）由式（4）和（3）可得将L=10m, H=2m，dp min=34.0 m , =100 带入得,非均相混合物的分离,35,沉降槽（了解）1、结构特点及操作原理：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。 结构：1) 间歇式 2) 连续式，如图，以此为例。,非均相混合物的分离,36,非均相混合物的分离,37,0,h0,h,m,0,I,II,III,非均相混合物的分离,38,图36所示的多层槽是平衡式三层沉降槽。其工作特点是各层单独进料与溢流，但各层的底流均下到底层排出。操作时相邻两层沉渣面之间的高度h可以通过调节该相邻两层溢流管出口高差h来调节。这是因为由静力学平衡方程可得h00hm(hh0h)0由此可得 对同一悬浮液清液密度0和沉渣密度m不变，若各相邻层的h相同，则各h相同，若各相邻层的h不同，则各h不同。因此调整h就能改变h。 当h增大时，h增大，意味着上层渣面升高，下层渣面降低；当h减小时，h减小，意味着上层渣面下降，下层渣面升高。因此，实际操作中，当第一层的溢流因渣面升高而跑浑时，可将其它各层的溢流管等速降低来使其恢复清沏；当其它某层溢流跑浑时，可通过升高该层的溢流管出口来恢复该层溢流的清沏。,非均相混合物的分离,39,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、硫酸、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。,2、生产能力：一般以澄清液溢出量（清夜流量Q0)表示,非均相混合物的分离,40,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。,3.2 离心沉降,一、离心沉降速度,一般在Stokes区沉降,非均相混合物的分离,41,二、典型设备： 主要是旋风分离器和旋液分离器（主要掌握旋风分离器的结构、工作原理及正确的选用方法）。,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。,非均相混合物的分离,42,非均相混合物的分离,43,标准切向进口 螺旋面进口 蜗壳形进口 轴向进口,标准切向进口结构特点：结构简单、紧凑，使用较多螺旋面进口结构特点：有利于气流向下作倾斜的螺旋运动，可避免 相邻两螺旋圈的气流互相干扰，减少湍流 蜗壳形进口结构特点：可减少进口气流对筒体内气流撞击和干扰， 有利提高除尘效率，压力损失小，为较理 想进口轴向进口结构特点： 可最大限度避免进入气体与旋转气流之间的 干扰，提高效率，为最好的进口，多用于多 管式旋风除尘器,非均相混合物的分离,44,非均相混合物的分离,45,非均相混合物的分离,46,2、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,非均相混合物的分离,47,临界粒径的推导： 基本假设：(1)进入旋风分离器的气流在器内按入口形状以平均旋转半径rm沿圆筒旋转N圈，沉降距离为B；(2)器内颗粒与气流的流速相同，它们的平均切向流速uT等于进口气速ui；(3)颗粒的沉降运动服从斯托克斯定律。 即,对一般的旋风分离器，N约为0.53；对细长型旋风分离器，N为510；对标准型旋风分离器，N=5,非均相混合物的分离,48,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。,两者关系,非均相混合物的分离,49,压降p 压降也是衡量旋风分离器性能的重要指标。,标准切向进口k d=16, 轴向进口k d=7.5螺旋面进口k d=12,压降与进口气速有关：(1)过低则dpc增大，分离效果差。 (2)过高则压降大、能耗高，且涡流加剧对分离不利。 一般u i=1525m/s,P=1 2kPa。,非均相混合物的分离,50,3、旋风分离器的类型旋风分离器的分离效果，与含尘系统的物理性质、含尘浓度、粒度分布以及操作条件有关，也与本身的结构尺寸密切相关。不同类型和结构的旋风分离器都是在标准式旋风分离器的基础上改造而成。各类型旋风分离器的结构尺寸及性能参数可查阅有关手册。我国对常见定型旋风分离器已制定标准系列，如CLT、CLT/A、CLP等。符号C表示除尘器，L表示离心式，T为倾斜顶切线进口，P为蜗壳式进口，A，B为产品类别，根据使用场合不同，分为X型（吸出式）和Y型（压入式），并有左旋（N）、右旋（S）、单筒及多筒之分。例如CLT/A22.0表示双筒，直径为200mm。,非均相混合物的分离,51,4、旋风分离器的选用和设计 选用 (1)根据含尘气体的物性和主要工艺参数（气体处理量、允许压降和分离效率）确定旋风分离器的结构型式。(2)根据允许压降和气体处理量确定具体型号。原则是在满足气体处理量下，压降不超过允许值。当气体处理量过大时也可选用多台并联使用。性能表中所列压降是气体密度为1.2kg/m3的数值，选用时应将实际条件下的压降换算成气体密度为1.2kg/m3时的数值。 (3)当操作条件发生变化时，除尘效率需按以下经验式进行校正：,非均相混合物的分离,52,例38 已知气体处理量为1500m3/h，气体密度为0.524kg/m3，允许压降为60mmH2O，试选择一台合适型号的扩散式旋风分离器。解：将实际条件下的允许压降值换算成气体密度为1.2kg/m3的压降值。 根据气体处理量1500m3/h和允许压降为1348Pa，查表33得2号扩散式旋风离器能满足要求，该型号圆筒直径为300mm，其进口气速为18m/s。,当气体流量变化时， 当流量恒定时，效率与气体密度的关系为 当气体尘粒浓度有中等程度变化时，,非均相混合物的分离,53,表33扩散旋风分离器的生产能力,注(1)表中生产能力为气流量,m3/h; (2)压降是指气体密度为1.2kg/m3时的值.,非均相混合物的分离,54,设计有时无合适型号可选用需另行设计，此时可按下面步骤进行设计。 (1)由所选定结构型式的旋风分离器确定出阻力系数并由允许压降算出进口气速ui。(2)根据气体处理量和进口气速计算出主体圆筒直径，再按比例定出其它尺寸。(3)据圆筒直径估算其分离性能(dpc)是否达到要求。若达不到要求应适当调整旋风分离器尺寸或改用多台直径较小的分离器并联使用。例39 气流中所含尘粒的密度为2000kg/m3，气体的流量为5000Nm3/h，温度为550，密度为0.43kg/m3，粘度为3.610-5pas。拟采用图37所示的标准型旋风分离器进行除尘，要求分离效率不低于90%，已知相应的临界粒径不大于10m，并要求压降不超过660Pa，试决定旋风分离器的尺寸和台数。解：本题属设计型问题，现按设计步骤计算如下：(1)确定ui 已知标准型的=8，由可得,非均相混合物的分离,55,(2)计算筒体直径D和尺寸先按一台设计。因标准型的 由此解得 其中 代入上式算得D=1.307m(3)估算分离性能是否达到要求 故不能满足分离要求，可采取多台直径较小的分离器并联使用。假设n台可满足要求，则通过每台的气体量为 ，故筒体直径为 （A）,非均相混合物的分离,56,临界粒径为 即 （B）因为要求dpc10m 所以要求一般生产上采用双数并联，所以取4台,非均相混合物的分离,57,非均相混合物的分离,58,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。,3.3 电力沉降,电力沉降设备：电收尘器电力沉降的原理：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：气体分子失去电子而产生自由电子、阳离子和阴离子的过程。 自发性电离：在高压电场作用下产生的电离。 分为： 非自发性电离：在外界能量作用下产生的电离；,非均相混合物的分离,59,AB段 ：气体的非自发性电离产生的少量自由电子的定向迁移 ，电压增加，电流增加；BC段：电压增加，电流不变，非自发性电离产生的少量自由电子的定向迁移 达饱和；C点：自发性电离点，其电压为临界电离电压；D点：电晕电离点，其电压为临界电晕电离电压。出现大量自由电子、阳离子和阴离子， 可看到蓝色光点或环称为电晕放电；（生产上控制在DE段）E点：火花放电点，其电压为火花放电电压，气体介质全部击穿，电极间短路而产生电弧 和火花，易损坏设备，生产上应避免火花放电。,非均相混合物的分离,60,b、颗粒荷电：颗粒获得电荷的过程。 电场荷电：沿着电力线运动的负离子附着在颗粒（0.5m）上 的过程。 分为 扩散荷电：作热运动的离子附着在颗粒（0.2 m）上的过程。c、荷电颗粒在电场中的运动； 正电荷 电晕电极 负电荷 收尘电极d、荷电颗粒放电：荷电颗粒上的电荷在电极上释放的过程(1) 二次飞扬：颗粒被电极排斥而重返气流的现象。 当颗粒的比电阻小于104 cm时，因导电性太好，它们在电极上放电中和后，又会立即获得与收尘电极电性相同的电荷，被电极排斥而重返气流。这种现象称为“二次飞扬”。,非均相混合物的分离,61,(2) 反电晕：在收尘电极附近的颗粒层空隙中的气体的电离。 当颗粒的比电阻大于51010cm，电荷很难在颗粒上流动，结果颗粒放电困难，在收尘电极表面堆积的荷电颗粒层增厚，使新来的荷电颗粒受到排斥而不能在收尘电极上放电，因而降低了收尘效果。如果颗粒层过厚，则在收尘电极附近形成很大的电压梯度，造成颗粒层空隙中气体电离，即发生电晕放电，称之为“反电晕”，使收尘效率大大降低。 实践表明，烟尘的比电阻在10451010 cm范围内最适于电收尘分离。对于比电阻较大的烟尘，可采取改变温度、增大湿度和添加化学试剂来改善收尘操作。(3)电晕封闭：颗粒浓度过大出现电晕电流大大减小，电晕现象消失，导致电收 尘器失去除尘作用的现象 若颗粒浓度过大，大部分由气体电离产生的电荷将附着在颗粒上。由于荷电颗粒迁移速度比气体离子和电子的小得多，所以滞留在空间的电荷增大削弱了原来的电场强度以致使电晕电流大大减小，甚至为零。结果没有足够的电荷来使颗粒进行正常荷电，因而也就不可能有正常的颗粒放电，最后电晕现象消失，电收尘器失去除尘作用，出现所谓“电晕封闭”现象。 为了防止这种现象发生，应先将含尘气体经重力沉降与旋风分离器进行预处理，使气体含尘浓度降低到60 g/m3以下。,非均相混合物的分离,62,电除尘器的结构和特点： 结构：由供电部分和本体部分组成； 特点: (1)优点：电收尘器能有效地捕集0.1m甚至更小 的烟尘与雾滴，分离效率可高达99.99%，阻力较小,气 体处理量可以大。 (2)缺点:是设备费和运转费都较高,安装、维护、 管理要求严格。 电除尘器的性能参数：除尘效率，实际的效率受干扰因素的影响差别较大。,非均相混合物的分离,63,非均相混合物的分离,64,电收尘器除尘效率计算公式的推导： 基本假设：（1）颗粒分布均匀；（2）颗粒进入层流底层区即认为被捕集下来了。如图所示，气流流过距离被捕集下来的分数为,dx,A,dz,L,u,u,Ue,N0,N1,N2,N x,N x+d x,P周长,层流底层,即,非均相混合物的分离,65,一、悬浮液的过滤过滤的原理,3.4 过滤,非均相混合物的分离,66,(1)过滤介质 过滤操作中所采用的多孔物质 作用：支撑滤饼；孔隙作为液体通道，有助于快速形成滤饼。 要求：一般多孔、足够的机械强度、较小的流动阻力、化学 性质稳定等。 类型：1、织物介质(又称滤布)；2、堆积介质；3、多孔固体 介质；4、多孔膜 (2)滤浆或料浆 过滤操作中所处理的悬浮液 (3)滤饼 被过滤介质截留的固体物质。可分为两种类型 ： 不可压缩滤饼：滤饼的颗粒不易变形； 可压缩滤饼：滤饼的颗粒较易变形； (4)滤液 通过介质孔道流出的液体； (5)过滤助剂（助滤剂） 用于减小滤饼阻力的坚硬多孔的固体颗粒,过滤的基本概念,非均相混合物的分离,67,要求：多孔、价廉、不可压缩和化学性质稳定。 常用的助滤剂:硅藻土、活性炭、石棉、纤维素等 加入方法：预混；预涂 过滤类型 工业上的过滤操作分为两大类： 1、深床过滤：分离出的固体颗粒并不形成滤饼，而是沉积于 较厚的粒状过滤介质的床层内部； 2、滤饼过滤：悬浮液置于介质一侧，固体层沉积于介质表面 形成滤饼；主要是形成的滤饼起过滤作用。 过滤介质阻力、滤饼阻力 (1)过程 (2)滤饼种类、对过滤影响、改善方法 (3)滤饼过滤推动力 (4)过滤速率dV / d m3/s 过滤速度u =dV/ (Ad) m/s,非均相混合物的分离,68,二、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。1、结构,1压紧装置 2 可动头 3 滤框 4 滤板 5 固定头 6 滤液出口 7 滤浆进口 8 滤布,非均相混合物的分离,69,非均相混合物的分离,70,非均相混合物的分离,71,非均相混合物的分离,72,2、工作原理(1)过滤阶段,非均相混合物的分离,73,非均相混合物的分离,74,(2)洗涤阶段（横穿洗涤法）,非均相混合物的分离,75,非均相混合物的分离,76,3、板框安装方式 如果将非洗涤板编号为1、滤框为2、洗涤板为3，则板框组合方式为：1-2-3-2-1-2-34、作业周期组装+过滤+洗涤+卸饼+重新组装5、相关结论(1)洗涤液遇到的阻力是过滤终了时滤液的2倍(2)洗涤面积是过滤面积的1/2(3)一个框过滤时间与所有框过滤时间相等(4)洗涤速度为过滤终了时过滤速度的1/4,非均相混合物的分离,77,6、板框式过滤机的主要特点 优点：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：效率较低（周期较长，滤布损耗大），劳动强度大。,7、型号 我国已有板框压滤机产品的系列标准。如型号为BMS20/63525（或BMS20635/25），其中B板框式；M明流（A表示暗流）；S手动压紧（Y表示液压压紧，可省略；J表示机械压紧；Z表示自动压滤机）；该机过滤面积 20m2，空框内每边长为635mm；框厚25mm。防腐型用FB表示。,非均相混合物的分离,78,叶滤机（置换洗涤法）加压叶滤机，也是一种间歇式过滤机。,加压叶滤机的主要特点 优点：密闭操作，适宜处理易汽化及有毒物质，操作稳定，过滤速度快。 缺点：造价高，更换滤布困难。,非均相混合物的分离,79,多管过滤装置,非均相混合物的分离,80,回转真空过滤机是一种连续式过滤机，工业应用较为广泛。,非均相混合物的分离,81,非均相混合物的分离,82,筒形外滤式真空过滤机,非均相混合物的分离,83,回转真空过滤机的主要特点： 优点：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：附属设备多，设备投资费用高，过滤推动力小，滤饼含液量大。,非均相混合物的分离,84,其他形式的过滤机,非均相混合物的分离,85,过滤的基本方程及操作计算过滤基本方程式,流体在de的直管中层流流动,u=u,过滤速度,L,实际的流体流动存在差别，进行修正，k为修正系数,非均相混合物的分离,86,结论： 过滤介质的阻力很小而滤饼不可压缩时，任一瞬间单位面积上的过滤速度与滤饼层前后两侧的压力降成正比，与其厚度成反比，又与滤液的粘度成反比。,令 则,滤饼比阻r（单位1/m2）是单位厚度滤饼的阻力，它在数值上等于粘度1Pas的滤液以1m/s的平均流速通过厚度为1m的滤饼层产生的压强降。比阻反映了颗粒形状、尺寸及床层空隙率对滤液流动的影响。床层空隙率越小，则床层越致密，对流体流动的阻滞作用也越大。,非均相混合物的分离,87,若得到1m3滤液所生成的滤饼体积为m3，则当滤饼厚度为L时对应的滤液体积为V，它们之间的关系为： LA=V则滤饼阻力,同理，对过滤介质也有类似的关系：,因此，总的过滤速度方程为：,非均相混合物的分离,88,过滤介质的阻力,则过滤速度表示为：,由前述可知，比阻是压强降的函数，可用经验公式粗略计算：,r单位压力差下滤饼的比阻S滤饼的压缩指数，其值恒小于1，对于不可压缩滤饼，S=0,LeLm 称为过滤介质的当量厚度Ve为当量滤液量,非均相混合物的分离,89,由此可得过滤基本方程式，,上式表示的是任一过滤瞬间的过滤速率与其它因素间的关系；是进行过滤计算的基本依据，对不可压缩滤饼与可压缩滤饼皆适用。该式为一微分式，应用时还需根据过程的具体操作方式进行积分。,过滤的操作方式： 恒压、恒速或先恒速后恒压条件下的过滤操作。,非均相混合物的分离,90,过滤基本方程式的应用恒压过滤 恒压过滤时推动力P恒定，对一定的悬浮液，、r、均为常数。当P恒定时压缩指数s亦为常数。若令k=(r)-1，K=2kP1-s，设过滤e 时间得到Ve的滤液，再过滤时间得到V的滤液，则过滤方程为： (V+Ve)2KA2(+e) 或 (q+qe)2K(+e),式中 q=V/A , qe=Ve / A e 虚拟的过滤时间 Ve虚拟的当量滤液量,非均相混合物的分离,91,恒压过滤基本方程式在V坐标上为一条抛物线如下图所示,Ve2KA2e qe2Ke,当=0时，V=0 ，有：,V2KA2 q2K,当e=0时，Ve=0 ，有：,非均相混合物的分离,92,恒速过滤,(1)累积滤液量V与时间的关系在V坐标上是一条通过原点的直线。(2)在操作过程中，由于滤饼层不断增厚，过滤阻力不断增加；为保持过滤速率不变，过滤压差须不断提高。故操作难度加大。(3)由于恒速过滤P为变数故K为变数，式中K应取恒速过滤终了时的值(4)工业上一般是先恒速后恒压的过滤方式，且恒速过滤操作的时间很短。,或,非均相混合物的分离,93,设时间从01、滤液量从0V1为恒速过滤阶段；时间从1、滤液量从V1V为恒压过滤阶段。,先恒速后恒压过滤,K为恒压阶段的值,非均相混合物的分离,94,恒压过滤常数的测定,过滤常数包括K、q e、e、k及s，工业应用前必须先测定这些常数，一般是用同一悬浮液在小型实验设备中进行的。,(1) 恒压过滤常数K、q e、e可通过恒压过滤试验测定。,(2) 为求得滤饼的压缩指数s，须在不同的压力差下对指定物料进行试验，以得到若干过滤压力差下的K值。,如123页例3-7与3-8,非均相混合物的分离,95,恒压过滤计算 计算的内容和方法： 1、滤液量或滤饼量的计算 计算方法：物料衡算法（未知时），衡算式为 (1) 过滤前悬浮液中固体的量=过滤后所得滤饼中固体的量 (2) 悬浮液中液体的量=滤饼中液体的量+滤液量 (3) 悬浮液的质量=滤饼的质量+滤液的质量 =滤饼中固体质量+滤饼中液体质量+滤液质量 当和过滤常数已知时可直接用恒压过滤基本方程式计算。具体计算见例3-10（1） 2、过滤时间的计算 用恒压过滤基本方程式计算 3、洗涤时间的计算 W=洗液量/洗涤速率=VW / （d V / d )w而,非均相混合物的分离,96,过滤终了时过滤速率为,当P= PW ，= W时， (1)对板框压滤机，LmW=2Lm , LW=2L , AW=A/2, 则有 (dV / d)W=(dV / d)E / 4=KA2 /8(V+Ve)(2)对叶滤机和转筒真空过滤机， LmW=Lm , LW=L , AW=A, 则有 (dV / d)W=(dV / d)E =KA2 /2(V+Ve)4、生产能力的计算 Q=V / T V 一个操作周期得到的滤液量,m3 T 一个操作周期时间,h,非均相混合物的分离,97,对间歇式过滤机 T= + W+ D 对转筒式过滤机 T为转筒转一圈的时间5、滤饼厚度或框厚和框数或过滤面积的计算 计算方法： 通过物料衡算先计算出滤饼体积，再由滤饼体 积和过滤面积计算出滤饼厚度； 由最大生产能力的条件计算出框厚和框数或过 滤面积,恒压过滤计算 举例124页例3-9 略,非均相混合物的分离,98,板框式过滤机（间歇式操作）,例 310 用一台BMS20/63525板框压滤机（总框数26个）在恒压3.39105Pa下对温度25，每公斤水中含25g颗粒的悬浮液进行过滤。（1）已知滤饼和固体的密度分别为1905kg/m3和2900kg/m3，求滤饼充满滤框时所得的滤液为若干m3；（2）若已知过滤常数K1.67810-4m2/s，qe0.0217m3/m2，求滤饼充满滤框所需的时间；（3）若过滤机每次过滤完毕后用清水洗涤滤饼，洗水温度及表压与过滤时相同，其体积为滤液体积的8%，求洗涤时间；（4）若辅助操作时间为15min，求过滤机的生产能力。,非均相混合物的分离,99,非均相混合物的分离,100,非均相混合物的分离,101,非均相混合物的分离,102,非均相混合物的分离,103,回转真空过滤机（连续式操作）,n转速，转/ 分钟A 转筒的表面积，（= DL） L 转筒长度； D 转筒直径,非均相混合物的分离,104,例 311 有一浓度为9.3%(质量)的水悬浮液，固相的密度为3000kg/m3，于一小型过滤机中测得此悬浮液的滤浆特性常数k=1.110-3m2/(sMPa)，滤饼的空隙率为40%，现用一台GP51.75型回转真空过渡机进行生产(此过滤机的转鼓直径为1.75m，长度为0.98m ,过滤面积为5m2，,浸没角度为120)。生产时采用的转速为每分钟0.5转，真空度为600mmHg,试求此过滤机的生产能力(以滤液量计)和滤饼的厚度(设滤饼为不可压缩的，过滤介质的阻力可忽略不计)。,非均相混合物的分离,105,非均相混合物的分离,106,非均相混合物的分离,107,例3-12 试导出叶滤机达到最大生产能力应满足的条件。解 根据生产能力的定义有,设w=a , V w=b V , 对叶滤机，L w= L , A w=A , 于是，式（3）变为,非均相混合物的分离,108,将式（2）、式（4）带入式（1）得,要想求出Q max ，需满足 d Q / d V = 0 。由此可得,当 qe = 0 时， D = + W 。此时最大生产能力为,非均相混合物的分离,109,例3-11 某厂拟用框长650mm，高650mm的板框过滤机在0.1M Pa、200C下分离某水悬浮液。要求1h至少得滤液10m3。已知该悬浮液中含固相3%（质量分率），固相密度为2930kg/m3，每M3滤饼中含固相1503kg。小型试验测得，K=0.6m2/ h，过滤介质阻力可忽略不计。过滤终了用200C清水洗涤，洗涤水量为滤液量的10%。卸渣、整理、重装等辅助时间为30min。试求至少要配多少个框才能完成指定的生产任务？框厚度为多少毫米？ 解 这是板框过滤机的设计问题。应当根据最大生产能力进行设计。 由例3-10知当q e= 0, w=a, V w=b V 时，Q=Q max满足的条件为 D= + W式中,将 a=w / =1，b=V w / V =0.1，K=0.6/60=0.01 m2 / min ，D=30min 带入计算得 q=0.5m3/m2,非均相混合物的分离,110,又,将 D 带入上式计算得,设框数为n个，则,解之得 圆整，取n=24, 即至少要配24个 框才能完成生产任务。 下面求框厚。,解之得 c=0.021m3滤饼 / m3滤液 ,于是 框厚=q (2A) c / A=2qc= 20.50.021=0.021 m =21 mm,非均相混合物的分离,111,颗粒间不发生碰撞或接触等相互影响得情况下的沉降,A,重力、阻力和压差力,A,C,B,C,非均相混合物的分离,112,非均相混合物的分离,113,非均相混合物的分离,114,非均相混合物的分离,115,非均相混合物的分离,116,非均相混合物的分离,117,