第3章 非均相物系的分离

1、第三章 非均相物系的分离 本章学习指导 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。 均相物系(honogeneous system): 均相混合物。物系内部各处均匀且 无相界面。如溶液和混合气体都是均相物系。 非均相物系(non-honogeneous system): 非均相混合物。物系内部有 隔

2、开不同相的界面存在，且界面两侧的物料性质有显著差异。如：悬浮液、 乳浊液、泡沫液属于液态非均相物系，含尘气体、含雾气体属于气态非均 相物系。 p自然界的混合物分为两大类 p非均相物系由分散相和连续相组成 分散相： 分散物质。在非均相物系中，处于分散状态的物质。 连续相： 分散介质。包围着分散物质而处于连续状态的流体。 p分离的目的：净化、提纯、资源化 要实现分离，必须使分散相和连续相之间发生相对运动。因此，非 均相物系的分离操作遵循流体力学的基本规律。 p非均相物系的分离原理： p非均相物系分离的理论基础： 根据两相物理性质(如密度等)的不同而进行的分离。 p非均相物系的分离方法： 由于非均相

3、物的两相间的密度等物理特性差异较大，因此常采用机械 方法进行分离。按两相运动方式的不同，机械分离大致分为沉降和过滤两种 操作。 通常先造成一个两相物系，再用机械分离的方法分离，如蒸馏，萃取等。 p均相物系的分离： 教学方向教学方向 课程内容课程内容简单介绍颗粒的特性、单个颗粒的性质、混合颗粒的特性 参数 目的与要求目的与要求了解颗粒的特性、单个颗粒的性质、混合颗粒的特性参数 重点与难点重点与难点重点：混合颗粒、单个颗粒的性质难点：混合颗粒 解决办法解决办法举例、提问、作业、讲解 学时学时1 教学方式教学方式多媒体教学 虚拟实验 模型参观 作业作业 3.1颗粒的特性 3.1颗粒的特性 3.1.1

4、单个颗粒的性质 大小(尺寸)、形状、表而积或比表面积) 形状规则的颗粒 （1）颗粒大小 用某一个或几个特征尺寸表示，如球形颗粒的大小用直 径ds表示。 （2）比表面积 单位体积颗粒所具有的表面积，其单位为m2/m3，球形 颗粒为 形状不规则的颗粒 （1）颗粒的形状系数 球形度 3.1.2混合颗粒的特性参数 （2）颗粒的当量直径 等体积当量直径dev, 体积等于颗粒体积的球形颗粒的直径，称为非球 形颗粒的等体积当量直径 dev=(6V/)1/3 等比表面积当量直径dea, 比表面积等于颗粒比表面积的球形颗粒的直 径形颗粒的等比表面积当量直径 dea=6/a 两个当量直径之间的关系 dea= de

5、v 3.1.2.1 颗粒的筛分尺寸 标准筛=泰勒(Tyler)标准筛=目=筛分分析=称量筛分 =数据分析=颗粒群的粒径分布 筛孔的大小以每英 寸长度筛网上所具 有的筛孔数目表示， 称为目 统计学原理 3.1.2.2 颗拉群的平均特性参数 颗粒群的平均粒径dam=6/am=1/xi(1/dai) 3.23.2沉降沉降 1.球形颗粒的自由沉降 2.阻力系数 3.影响沉降速度的因素 4.沉降速度的计算 教学方向教学方向 课程内容课程内容学习颗粒-流体间的阻力、重力沉降、重力沉降设备、离 心沉降速度、离心沉降设备净化方法 目的与要求目的与要求掌握重力沉降和离心沉降的基本原理，沉降速度基本计算 方法及沉

6、降鉴定，旋风分离器的主要性能。 重点与难点重点与难点重点：沉降的基本理论、基本方程 难点：沉降基本方程的应用、设备 解决办法解决办法举例、提问、作业、讲解 学时学时1 教学方式教学方式多媒体教学 虚拟实验 模型参观 作业作业P101 6、7、8、9、10 3.23.2沉降沉降 图 流体绕过颗粒的流动 u Fd 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

7、体对颗粒的阻力就一样。 3.2.1颗粒-流体间的阻力 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 u 重力重力 Fg 阻力阻力 Fd 浮力浮力 Fb 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 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。 2 2 u AF d )()( ud R p e 颗粒所受的阻力Fd可用下式计算 3.2.2球形颗粒的重力沉降 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

8、与加速度的乘积，即 Fg-Fb-Fd= ma 24 2 2 u d F p d gdF ppg 3 6 gdF pb 3 6 p为颗粒密度 d du d u dgd ss 3 2 23 6 ) 2 ( 4 )( 6 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。 3 )(4 pp t gd u 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。 阻力系数

9、 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（10-4Ret1) 过渡区或艾仑定律区（ 1Ret103） 湍流区或牛顿定律区（ 103Ret5 m，dpc50=12 m 。 主要技术参数 例：温度为20，压力为0.101Mpa，流量为2.5m3/s的含尘空 气，用标准旋风分离器除尘。粉尘密度为2500kg/m3，试计 算临界粒径。选择合适的旋风分离器，使之能100%的分离 出6.5m以上的粉尘。并计算压损。 解： 20，0.101Mpa时空气的： =1.21kg/m3，=1.8110-5Pas 1、确定进口气速：ui=20m/s (15-20m/s) 2、计算D和

10、b：流量 V=Aui=Bhu B=D/5,h=3D/5 2.5=(D/5)(3D/5)20 D=1.041m 取 D=1100 mm 旋风分离器的选用举例 此时 550,160,220,1200,1100 121 DhBHDH smu hB V i /2 .17 )5/ 1 . 13()5/ 1 . 1 ( 5 . 2 3、 求dpc m uN B d ip pc 3 . 73 )( 3 2 .172500514. 3 22. 01081. 1 5 用标准旋风分离器出去气流中所含的固体颗粒。已知固体密 度为1100kg/m3，粒径为4.5m，气体密度为1.2kg/m3，粘度为 1.810-5P

11、as，流量为.40m3/s，允许压强降为1780Pa。试选择 合适的分离器。 习题 由于分离器各部分的尺寸都是D的倍数，所以只要进口气速 ui相同，不管多大的旋风分离器，其压力损失都相同。 ip pc uN B d )( 3 压力损失相同时，小型分离器的b=D/5值较小，则小型分离 器的临界粒径较小。 旋风分离器的使用 双联四联 用若干个小旋风分离器并来代替一个大旋风分离器，可以 提高分离效率。 灰尘 净化气体 含尘气体 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

12、振动， 灰尘落下； 灰尘经过排灰阀排除。 压缩空气 骨架 滤袋 机壳 清灰装置 排灰阀 灰斗清灰原则 及时清灰； 不彻底清灰。 袋滤器 含尘气体的分离系统含尘气体的分离系统 4050 m 5 m，dpc50=12 m 0.5 m达达90% 灰尘灰尘 含尘气体含尘气体 净化气体净化气体 灰尘灰尘 灰尘灰尘 重力沉降室重力沉降室 旋风分离器旋风分离器 袋滤器袋滤器离心风机离心风机 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。 结构和工作原理： 与旋风分离器相似。 2旋液分离器(hydraulic cyclone) l悬浮液从圆筒上部的切向进口进入器内，旋转向下流

13、动。 工作过程： l液流中的颗粒受离心力作用，沉降到器壁，并随液流下降 到锥形底的出口，成为较稠的悬浮液而排出，称为底流。 l澄清的液体或含有较小较轻颗粒的液体，则形成向上的内 旋流，经上部中心管从顶部溢流管排出，称为溢流。 液体的粘度约为气体的50倍，液体的(p-)比气体的小，悬浮液的进口速 度也比含尘气体的小，所以同样大小和密度的颗粒， 沉降速度远小于含尘气体在旋风分离器中的沉降速度。 要达到同样的临界粒径要求，则旋液分离器的直径要比旋风分离器小很多。 特点 旋液分离器的圆筒直径一般为75300mm。 悬浮液进口速度一般为515m/s。 压力损失约为50200kPa。 分离的颗粒直径约为1

14、040m。 主要技术参数 p特点： 离心分离因数可达13000，也有高达105的超速离心机。 转鼓内装有三个纵向平板，以使料液迅速达到与转鼓相同的 角速度。 适用于于分离乳浊液及含细颗粒的稀悬浮液。 3沉降式离心机 沉降式离心机是利用离心沉降的原理分离悬浮液或乳浊液 的机械。 管式离心机（tubular-bowl centrifuge） p分离乳浊液的管式离心机操作原理 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。 p分离悬浮液的管式离心机操作原理 流

15、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。 当颗粒的沉降处于斯托克斯区时，其沉降速度（径向）为 2 2 18 )( r d d dr pp 18 )( 2 pp t gd u 斯托克斯区的重力沉降速度为 r dr u g d t 2 积分边界边界条件：=0时，r=r1；=t时， r=r2。 1 2 2 ln r r u g t t s V hrr)( 2 1 2 2 转鼓内的液体流量

16、转鼓内的持液量 取颗粒的停留时间等于流体在转鼓内的停留时间，即 对上式积分，得沉降时间 对于一定的悬浮液处理量Vs，只有粒径dp满足条件t的 颗粒，才能全部除去。根据t=，可得 1 2 2 1 2 2 2 2 ln 18 )( r r rr dh V pcp s 1 2 2 1 2 2 2 ln r r rr g uh V t s 式中ut的为重力沉降速度。 所以当颗粒为临界粒径dpc时，悬浮液的处理量为 以上两式表示悬浮液处理量Vs与转鼓尺寸（r1、r2及h）、转 鼓角速度及颗粒临界直径dpc之间的关系。 例：水中含有极少量细小颗粒的悬浮液，想用管式高速离心 机分离，使其中1m以上的颗粒全部

17、除去。试求最大的悬浮 液进料量为多少。离心机转鼓尺寸为：r1=5cm、r2=8cm， h=60cm。转鼓的转数为12000rpm。悬浮液温度为20，颗粒 的密度为23000kg/m3。 解：查得水在20时的 =10-3Pas，=1000kg/m3， hmsm r r rr g uh V t s /44.6/1079.1 05.0 08.0 ln 05.008.0 81.9 )1009.7()1257)(6 .0( ln 333 2272 1 2 2 1 2 2 2 转鼓的旋转角速度 =2N/60=2(12000)/60=1257rad/s 重力沉降速度 ut=gdp2(p-)/18 =9.81

18、(10-6)2(2300-1000)/(1810-3) =7.0910-7m/s 悬浮液的进料量为 分离乳浊液的碟式离心机：碟片上开有小孔。乳浊液通过小孔 流到碟片的间隙。在离心力作用下，重液沿着每个碟片的斜面沉 降，并向转鼓内壁移动，由重液出口连续排出。而轻液沿着每个 碟片的斜面向上移动，汇集后由轻液出口排出。 主要分离乳浊液中轻、重两液相，例如油类脱水、牛乳脱 脂等；也可以澄清含少量细小颗粒固体的悬浮液。 澄清悬浮液用的碟式离心沉降机：碟片上不开孔。只有一个 清液排出口。沉积在转鼓内壁上的沉渣，间歇排出。只适用于 固体颗粒含量很少的悬浮液。当固体颗粒含量较多时，可采用 具有喷嘴排渣的碟式离

19、心沉降机，例如淀粉的分离。 碟式离心机（disk-bowl centrifuge） 工作原理： 转鼓内有可旋转的螺旋输送器，其转数比转鼓的转数稍 低。悬浮液通过螺旋输送器的空心轴进入机内中部。沉积在 转鼓壁面渣，被螺旋输送器沿斜面向上推到排出口而排出。 澄清液从转鼓另一端溢流出去。 用途： 用于分离固体颗粒含量较多的悬浮液，其生产能力较大。 也可以在高温、高压下操作，例如催化剂回收。 螺旋式离心机（scroll-type centrifuge） 3.3 过滤 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 教学方向教学方向 课程内容课程内容学习过滤过程的基本概念、影

20、响过滤的因数、过滤过程的 计算、过滤常数的测定、滤饼的洗涤、气体的其他净化方 法 目的与要求目的与要求掌握过滤操作的基本概念，过滤和过滤速率恒压过滤，恒 速过滤，掌握恒压过滤常数的计算方法和测定方法。 重点与难点重点与难点重点：过滤的基本理论、基本方程 难点：过滤基本方程的应用、过滤设备 解决办法解决办法举例、提问、作业、讲解 学时学时1 教学方式教学方式多媒体教学 虚拟实验 模型参观 作业作业P102 11、13、14 3.3 过滤 过滤：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、

21、 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。棉、毛、麻、丝、玻璃丝、金属丝 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1-3m的微小颗粒。 （细砂、硅藻土等） 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。如多孔陶瓷、多孔塑料 等。多用于含少量细微颗粒的悬浮液，如白酒等的精滤。 多孔膜 用于膜过滤的各种有机分子膜和无机材料膜。 3.3.1过滤操作的基本概念 滤浆(slurry)： 原悬浮液。 滤饼(filter cake)： 截留的固体物质。 过滤介质

22、(filtering medium)： 多孔物质。 滤液(filterate)： 通过多孔通道的液体。 过滤操作示意图 (滤饼过滤) 滤饼过滤过程： 刚开始：有细小颗粒通过孔道，滤液混浊。 开始后：迅速发生“架桥现象”，颗粒被拦截，滤液澄清。 所以，在滤饼过滤时真正起过滤作用的是滤饼本身，而非 过滤介质。 过滤操作方式分类 过滤的操作基本方式有两种：滤饼过滤和深层过滤。 滤饼过滤(cake filtration)：饼层过滤 架桥现象 注意：所选过滤介质的孔道尺寸一定要使“架桥现象”能够过发生。 饼层过滤适于处理固体含量较高的悬浮液。 特点：颗粒(粒子)沉积于介质内部。 深层过滤 过滤对象：悬浮

23、液中的固体颗粒小而少。 过滤介质：堆积较厚的粒状床层。 过滤原理：颗粒尺寸 介质通道尺寸， 颗粒通过细长而弯曲的孔道，靠静电和分 子的作用力附着在介质孔道上。 应用：适于处理生产能力大而悬浮液中 颗粒小而且含量少的场合，如水处理和酒 的过滤。 深层过滤(deep bed filtration)：深床过滤 饼层过滤与深床过滤比较 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。 深床过滤 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

24、少（0.1%）流 体，如水净化等。 过滤的操作 悬浮液 (滤浆) 滤饼 过滤介质 滤液 过滤操作示意图 过滤操作方式 过滤操作还可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 dp de 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。 3.3.2过滤过程的基本理论 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。 式中 床层的空隙率，m3/m3。 床层总体积 床层空隙体积 式中 颗粒的比表面，m2/m3。 颗粒体积

25、 颗粒表面积 a 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： 流道长度润湿周边长 流道长度流道截面积 e d a d e )1 ( 流道表面积 流道容积 润湿周边长 管道截面积 水力半径44 e d 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： L pd u ce )( 2 1 2 32 d lu pAF 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；

26、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。 在与过滤介质相垂直的方向上，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： u u 1 )( )1 ( 1 22 3 L p aK u c 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。 a d e )1( L pd u ce )( 2 1 3.3.3.1过滤速度 过滤速率 过滤速度 单位时间获得的滤液体积 单位过滤面积上的过滤速率 若过滤过程中其他因素维持不变，

27、则由于滤饼厚度不断增加过滤 速度会逐渐变小。任一瞬间的过滤速度应写成如下形式 )( )1 (5 22 3 L pA ad dV c )( )1 (5 22 3 L p aAd dV u c dV u Ad 3.3.3.2过滤阻力分析 滤饼阻力 介质阻力 过滤总阻力 rLR 3 22 )1 (5 a r m m R p Ad dV )()( mm mc RR p RR pp Ad dV 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 me RrL 则上式可写为 )()( e LLr p rLerL p Ad dV 3.3.3.3过滤基本方程式 V q A 不可压缩滤

28、饼 可压缩滤饼 )( e qqrv p d dq A V q e e s prr)( )( 1 e s qqvr p d dq 1 2 s Kkp 令 )( e qqrv p d dq 恒压过滤计算式 恒速过滤计算式 基本方程式 22 2 e VVVKA 22 22 42 410 (4+2)2 (4+2)(10 10) e e VKA VKA 22 V=1 ,KA2.41/minll 212 10 10 1030min 22 222 2 22 2 221 2 212.4 30 7.5 7.5421.5 e VV VKA VV Vl VVVVl 在恒压下对某种悬浮液进行过滤过滤10min得滤液4

29、L。再过滤 10min又得滤液2L。如果继续过滤10min，可再得滤液多少升? 基本方程式应用例题 3.3.3.4过滤常数的测定 1 2 s Kkp 恒压下K、qe、e的测定 由过滤常数 K 的定义式 lglglg 21 Kp ks K p为直线方程，斜率为 (1-s)、截距为2k。 在不同压差 p 下进行恒压过滤实验，求得一系列与之对应的过滤常数 K， 再通过上式回归出滤饼常数 k 和压缩指数 s。 将恒压过滤方程式)( 2 ee Kqq微分得 Kddqqq e 2 即表明在恒压过滤条件下，/q 与 q 的函数关系是以 1/K 为斜率、2qe/K 为截距的直线，实验测得不同时刻单位过滤面 积

30、的累积滤液量 q，即可由上式回归出 K 和 qe。 e q K q Kdq d22 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 2(q+qe )dq=Kd (q+qe )2=K (+e ) 微分上式得 q d/dt 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= qe2/K。 测定时采用恒压试验，恒压过滤方程为： 过滤常数测定的具体方法 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。 q /t

31、2qe/K 注意：横坐标q的取值。 实验数据处理 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。 lg(p) lg(K) lg(2k) q /t 2qe/K 压缩指数s的测定 工业上使用的典型过滤设备：工业上使用的典型过滤设备： 按操作方式分类：间歇过滤机、连续过滤机按操作方式分类：间歇过滤机、连续过滤机 按操作压强差分类：压滤

32、、吸滤和离心过滤按操作压强差分类：压滤、吸滤和离心过滤 板框压滤机（间歇操作）板框压滤机（间歇操作） 转筒真空过滤机（连续操作）转筒真空过滤机（连续操作） 过滤式离心机过滤式离心机 3.3.6过滤设备 结构：结构：滤板、滤框、夹紧机构、机架等组成。滤板、滤框、夹紧机构、机架等组成。 滤板：凹凸不平的表面，凸部用来支撑滤布，凹槽是滤滤板：凹凸不平的表面，凸部用来支撑滤布，凹槽是滤 液的流道。液的流道。滤板右上角的圆孔，是滤浆通道；左上角的圆滤板右上角的圆孔，是滤浆通道；左上角的圆 孔，是洗水通道。孔，是洗水通道。 洗涤板洗涤板：左上角的洗水通道与两侧表面的凹槽相通，左上角的洗水通道与两侧表面的凹

33、槽相通， 使洗水流进凹槽；使洗水流进凹槽； 非洗涤板：非洗涤板：洗水通道与两侧表面的凹槽不相通。洗水通道与两侧表面的凹槽不相通。 1 ） 板框压滤机板框压滤机 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，框带两个钮，洗涤板为三钮板。钮板，框带两个钮板，框带两个钮，洗涤板为三钮板。 滤框：滤框： 滤浆通道：滤浆通道：滤框右上角的圆孔滤框右上角的圆孔 洗水通道：洗水通道：滤框左上角的圆孔滤框左上角的圆孔 滤浆滤浆

34、 洗水洗水 滤板滤板滤框滤框 洗板洗板 滤布滤布 板框过滤机板框过滤机 板框过滤机的操作是间歇式的，每个操作循环由装合、过滤、板框过滤机的操作是间歇式的，每个操作循环由装合、过滤、 洗涤、卸渣、整理五个阶段洗涤、卸渣、整理五个阶段。 过滤过程过滤过程 1)1)、装合：、装合： 将板与框按将板与框按 1-2-3-2-1-2-31-2-3-2-1-2-3的顺序，滤板的两侧表面放上滤的顺序，滤板的两侧表面放上滤 布，然后用手动的或机动的压紧装置固定，使板与框紧密接触。布，然后用手动的或机动的压紧装置固定，使板与框紧密接触。 2)2)、过滤：、过滤： 用泵把滤浆送进右上角的滤浆通道，由通道流进每个滤框

35、里。用泵把滤浆送进右上角的滤浆通道，由通道流进每个滤框里。 滤液穿过滤布沿滤板的凹槽流至每个滤板下角的阀门排出。固体滤液穿过滤布沿滤板的凹槽流至每个滤板下角的阀门排出。固体 颗粒积存在滤框内形成滤饼，直到框内充满滤饼为止。颗粒积存在滤框内形成滤饼，直到框内充满滤饼为止。 3)3)、洗涤：、洗涤： 将洗水送入洗水通道，经洗涤板左上角的洗水进口，进入板将洗水送入洗水通道，经洗涤板左上角的洗水进口，进入板 的两侧表面的凹槽中。然后，洗水横穿滤布和滤饼，最后由非的两侧表面的凹槽中。然后，洗水横穿滤布和滤饼，最后由非 洗涤板下角的滤液出口排出。在此阶段中，洗涤板下角的滤液洗涤板下角的滤液出口排出。在此阶

36、段中，洗涤板下角的滤液 出口阀门关闭。出口阀门关闭。 4)4)、卸渣、整理、卸渣、整理 打开板框，卸出滤饼，洗涤滤布及板、框。打开板框，卸出滤饼，洗涤滤布及板、框。 在洗液粘度与滤液粘度相近的情况下，且在压差相同时，在洗液粘度与滤液粘度相近的情况下，且在压差相同时， 洗涤速率约为过滤终了速率的洗涤速率约为过滤终了速率的1/41/4。 为什么？ 结构简单，价格低廉，占地面积小，过滤面积大。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。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，由于操作压力较高对物料的适应能力较强，由于操作压力较高 （3

37、10kg/cm2 ），对颗粒细小而液体粘度较大的滤浆，也能），对颗粒细小而液体粘度较大的滤浆，也能 适用。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，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。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。轻。 板框压滤机的特点：板框压滤机的特点： 结构：结构： p转筒，扇形格转筒，扇形格(18格格)； 滤室；滤室； 分配头；分配头； 动盘动盘(18个孔，分别与扇形个孔，分别与扇形 格的格的

38、18个通道相连个通道相连)； 定盘定盘(三个凹槽：滤液真空三个凹槽：滤液真空 凹槽、洗水真空凹槽、压缩凹槽、洗水真空凹槽、压缩 空气凹槽，分别将动盘的空气凹槽，分别将动盘的18 个孔道分成三个通道个孔道分成三个通道)； p金属网；金属网； p滤布；滤布； p滤浆槽滤浆槽。 转筒真空过滤机结构示意图转筒真空过滤机结构示意图 动盘动盘 定盘定盘 转筒转筒 金属网金属网 滤布滤布 滤饼滤饼 搅拌器搅拌器 洗涤喷头洗涤喷头 料浆槽料浆槽 刮刀刮刀 2 2） 转筒真空过滤机转筒真空过滤机（rotary-drum vacuum filterrotary-drum vacuum filter） 1 10 9

39、 8 7 6 5 4 3 2 18 17 16 15 14 13 11 12 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

40、槽槽 自动连续操作； 适用于处理量大，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，藉分配头的作用，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：结构： 1.1.悬筐式离心机悬筐式离心机(suspended-basket centrifuge)(suspended-basket centrifuge) 转鼓转鼓 滤饼滤饼 滤布滤布 滤网滤网 离心过滤机工作原理图离心过滤机工作原理

41、图 p转鼓转鼓(上有小孔，亦称悬框上有小孔，亦称悬框)； 滤网；滤网； 滤布；滤布； p机架。机架。 原理：原理： 由于离心力作用，液体产生径向压差，通过滤饼、滤由于离心力作用，液体产生径向压差，通过滤饼、滤 网及滤筐而流出。网及滤筐而流出。 3） 离心过滤机（离心过滤机（centrifugal filter） 过滤方程及压力的计算过滤方程及压力的计算 采用恒压过滤方程式：采用恒压过滤方程式： (q+qe )2=K( + e) HRA2 )( 33 3 2 rRp R f A V q A 过滤面积，过滤面积，m2； H 转筒高度，转筒高度，m; R 转筒半径，转筒半径，m； p 过滤推动力，过

42、滤推动力，Pa。 r 任意处滤饼半径，任意处滤饼半径，m。 在离心力作用下液体沿加料斗的锥形面流动，均匀地沿圆在离心力作用下液体沿加料斗的锥形面流动，均匀地沿圆 周分散到滤筐的过滤段。滤液透过滤网而形成滤渣层。活塞推周分散到滤筐的过滤段。滤液透过滤网而形成滤渣层。活塞推 渣器与加料斗一齐作往复运动，将滤渣间断地沿着滤筐内表面渣器与加料斗一齐作往复运动，将滤渣间断地沿着滤筐内表面 向排渣口排出。排渣器的往复运动是先向前推，马上后退，经向排渣口排出。排渣器的往复运动是先向前推，马上后退，经 过一段时间形成一定厚度的滤渣层后，再次向前推，如此重复过一段时间形成一定厚度的滤渣层后，再次向前推，如此重复

43、 进行推渣。进行推渣。 分离因数约为分离因数约为300300700700，其生产能力大，适用于分离固体，其生产能力大，适用于分离固体 颗粒浓度较浓、粒径较大（颗粒浓度较浓、粒径较大（0.15mm）的悬浮液，在生产中得）的悬浮液，在生产中得 到广泛应用。到广泛应用。 工作原理：工作原理： 特点：特点： 4） 往复活塞推渣离心机往复活塞推渣离心机（reciprocating-pusher centrifuge） 离心力自动卸料离心机，又称为锥篮离心机离心力自动卸料离心机，又称为锥篮离心机 p结构：如图结构：如图 p工作过程：工作过程： 料浆料浆 滤液滤液 滤渣滤渣 转鼓转鼓 滤饼滤饼 滤布滤布 滤

44、网滤网 洗涤洗涤 料浆进入锥形滤筐底部，靠离心料浆进入锥形滤筐底部，靠离心 力甩向滤筐；力甩向滤筐； 液相通过滤布，固相被截留。液相通过滤布，固相被截留。 滤渣克服摩擦阻力，沿滤筐向上滤渣克服摩擦阻力，沿滤筐向上 移动，经过洗涤段和干燥段。最后移动，经过洗涤段和干燥段。最后 从顶端排出。从顶端排出。 5） 离心力自动卸渣离心机（离心力自动卸渣离心机（conical basket centrifuge） p特点：特点： 离心力离心力,F 重力重力,mg 摩擦力摩擦力,f 支承力支承力,N x y 结构简单，造价低廉，功率消耗小。结构简单，造价低廉，功率消耗小。 对悬浮液的浓度和固体颗粒大小的波动

45、敏感。对悬浮液的浓度和固体颗粒大小的波动敏感。 生产能力较大，分离因数约为生产能力较大，分离因数约为20002000，可分离固体颗，可分离固体颗 粒浓度较浓、粒度为粒浓度较浓、粒度为0.041mm的悬浮液。的悬浮液。 在各种结晶产品的分离中广泛应用。在各种结晶产品的分离中广泛应用。 为什么会自为什么会自 动卸料？动卸料？ )(2 )( 2 e E VV KA d dV 式中式中V过滤终了时所得滤液体积，过滤终了时所得滤液体积，m3 由恒压过滤方程知，过滤终了时的过滤速率为：由恒压过滤方程知，过滤终了时的过滤速率为： 洗涤速率：单位时间内消耗的洗涤液体积。洗涤速率：单位时间内消耗的洗涤液体积。

46、由于洗涤液中不含固相，洗涤过程中滤饼厚度不变。若在由于洗涤液中不含固相，洗涤过程中滤饼厚度不变。若在 恒压下洗涤，则它既是恒压洗涤又是恒速洗涤。恒压下洗涤，则它既是恒压洗涤又是恒速洗涤。 洗涤速率的计算洗涤速率的计算 3.3.5洗涤洗涤 p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异较大，则应校正，校正后的洗涤速率为 )(2 )()( 2 e EW VV KA d dV d dV )(8 )( 4 1 )( 2 e EW VV KA d dV d dV p p d dV d dV W W WW

47、)()( 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：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： p 对于转筒真空过滤机，洗涤速率与过滤终了速率相等对于转筒真空过滤机，洗涤速率与过滤终了速率相等 p对于板框过滤机，洗涤速率等于过滤终了速率的对于板框过滤机，洗涤速率等于过滤终了速率的1/41/4 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 。 一个循环时间T=+W+D 。其中只有过滤时间真正用于过滤。 1间歇过滤机的生产能力 过滤机的生产能力

48、式中式中 V V 一个操作循环内所获得的滤液体积，一个操作循环内所获得的滤液体积，m m3 3； Q Q 生产能力，生产能力，m m3 3/h/h； T T 一个循环时间。一个循环时间。 T= + W+ D DW V T V Q 36003600 如果以滤液量如果以滤液量Q Q 表示生产能力，则有表示生产能力，则有 p 浸没度 ：转筒真空过滤机的转筒表面浸入滤浆中的分数 。 浸没角度 360 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。 p 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。

49、 2 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，则有由于转筒式真空过滤机为恒压操作，则有 ee ee V n KA VKAV ) 60 ( )( 2 2 转鼓每转一周得到的滤液体积为：转鼓每转一周得到的滤液体积为： (V+V(V+Ve e) )2 2=KA=KA2 2(+(+e e) ) n T 60 p 过滤时间过滤时间 为为: p 假设转鼓转速为假设转鼓转速为n r/min，则转一周的时间为，则转一周的时间为: T=60/n 按每小时计的滤液生产能力为：按每小时计的滤液生产能力为： nVnnKAnVQ ee )60(6060 22 KnA n KAnQ465 60 60 2 若

50、忽略滤布阻力，则若忽略滤布阻力，则e e=0=0、V Ve e=0=0，则上式简化为：，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，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。得到合适厚度的滤饼，使成本最低。 例：以某板框式压滤机在恒压条件下过滤含硅藻土的悬浮夜。例：以某板框式压滤机在恒压条件下过滤含硅藻土的

51、悬浮夜。 过滤机的滤框尺寸为过滤机的滤框尺寸为81081081081025(mm)25(mm)，共有，共有3737个框。已个框。已 测出过滤常数测出过滤常数K K=10=10-4 -4m m2 2/s /s，q qe e=0.01m=0.01m3 3/m/m2 2， e e=1s=1s。若已知单。若已知单 位面积上通过的滤液量为位面积上通过的滤液量为0.15m0.15m3 3/m/m2 2，所用洗水量为滤液量，所用洗水量为滤液量 的的1/51/5。求：。求： 1) 1) 过滤面积和滤框内的总容量；过滤面积和滤框内的总容量； 2) 2) 过滤所需的时间；过滤所需的时间； 3) 3) 洗涤时间；洗

52、涤时间； 4) 4) 生产能力生产能力Q(tQ(td d=15min)=15min)。 解：解：1) 1) 过滤面积过滤面积 A=2LBZ=2A=2LBZ=20.810.810.810.8137=48.6m37=48.6m2 2 滤框总容积滤框总容积 V Vz z=LB=LB Z=0.81Z=0.810.810.810.0250.02537=0.607m37=0.607m3 3 hmsmQ dw qA T V /5 .17/1085. 4 333 6015348255 6 .4815. 0 2) 2) 过滤时间过滤时间 3) 3) 洗涤时间洗涤时间 4) 4) 生产能力生产能力 (q+q(q+qe e ) )2 2=K(=K( + + e e) ) (0.15+0.01)(0.15+0.01)2 2=10=10-4 -4( ( +1) +1) =255s =255s w w = = 8 8(q+q(q+qe e)q)qw w/5K =8/5K =8(0.15+0.01)(0.15+0.01)0.15/(50.15/(51010-4 -4)=348s )=348s 例：用转