第三章非均相物系的分离1 (1)

1、1第三章第三章 非均相物系的分离非均相物系的分离第一节第一节 重力沉降重力沉降第二节第二节 离心沉降离心沉降第三节第三节 过滤过滤2 第三章第三章 非均相物系的分离非均相物系的分离非均相物系：分散相、连续相分离方法：依据分散相和连续相相对运动的不同：理论基础：流体力学基本规律机械分离分离目的：（1）收集分散物质 （2）净化分散介质 分散相静止，连续相运动过滤 (压力差、离心)连续相静止，分散相运动沉降 (重力、离心)3第一节第一节 重力沉降重力沉降 (Gravitational Settling)3-1-1 沉降速度沉降速度3-1-2 重力沉降设备重力沉降设备4ddududgdgdss3223

2、36)2(4663)(4gdustmaFFFdbg3-1-1 沉降速度沉降速度 (Terminal Velocity)一、球形颗粒的自由沉降一、球形颗粒的自由沉降（Free Settling of Spherical Particles)tuuddu时，当05二、阻力系数二、阻力系数 (Drag Coefficient),(Restf通过因次分析可知，ttduRepsSSS 与该颗粒相等的圆球的表面积Sp颗粒的表面积实验结果见下图：对于非球形颗粒：36peVd3-1-1 沉降速度沉降速度63-1-1 沉降速度沉降速度7l 湍流(Newton定律)区（ 103Ret2105 ）：44. 0tRe

3、24l 层流(Stokes定律)区（104Ret1）：6 . 0Re5 .18tl 过渡(Allen定律)区（ 1Ret103 ）：将上述各式代入 得：3)(4stgdu（沉降操作一般在层流区（沉降操作一般在层流区）对于球形颗粒（s=1）：3-1-1 沉降速度沉降速度818)(2gdust 层流区：6 . 0)(27. 0etstRgdu过渡区：gdust)(74. 1湍流区：3-1-1 沉降速度沉降速度9三、沉降速度的计算三、沉降速度的计算试差法（Trial and Error）（2）检验假设流型是否正确，若按求出的ut计算的Ret在滞流区，则求出的ut有效；否则，按算出的Ret另选流型，直

4、到相符为止。（1）先假设沉降属于如滞流，由相应公式算出utp67例2-13-1-1 沉降速度沉降速度103-1-2 重力沉降设备重力沉降设备一、降尘室一、降尘室11HbVusttuH颗粒从室顶降至室底时间：ul气体通过降尘室时间：气体在降尘室内的水平通过速度为：颗粒被分离出来的必要条件是：ttSbluV 3-1-2 重力沉降设备重力沉降设备12182mingdblVusstblVgdss18min， （1）能被（100%）除去的最小颗粒直径 （2）最大处理量Vs Vs与bl有关，但与H无关。所以，降尘室都做成扁平形；或以水平隔板分割成多层降尘室。 3-1-2 重力沉降设备重力沉降设备13 特点

5、：结构简单，流体阻力小；但体积庞大，分离效率低，通常分离粒度大于50m的粗粒。 tSblunV) 1( ， 3-1-2 重力沉降设备重力沉降设备14二、沉降槽（又称为增浓器和澄清器）二、沉降槽（又称为增浓器和澄清器） 特点：适合于处理量大，浓度不高，颗粒不太细的悬浮液，常用于污水处理。3-1-2 重力沉降设备重力沉降设备15第二节第二节 离心沉降离心沉降（Centrifugal Settling )3-2-1 离心沉降速度离心沉降速度3-2-2 旋风分离器旋风分离器16RuT2距轴R处、切向速度为uT时离心加速度为：02466222323udRudRudTTs三力平衡时：RudTs236离心力

6、：RudT236向心力：2422ud阻力：3-2-1 离心沉降速度离心沉降速度17RuduTsr2218)(滞流区：同一颗粒在相同介质中离心分离因数： cTtrKRguuu2RuduTsr23)(4与重力沉降速度相比：lur 不是颗粒的实际运动速度，只是径向上的分量lur 随R而变，而 ut 是定值。3-2-1 离心沉降速度离心沉降速度183-2-2 旋风分离器（旋风分离器（Cyclone）一一 、操作原理、操作原理194;8;2;2;2;4;22211DDDSDHDHDDDBDh 特点：结构简单，没有活动部件，一般用来除去5m以上的颗粒。不适于处理粘性、含湿量高及腐蚀性粉尘。 3-2-2 旋

7、风分离器旋风分离器20二、旋风分离器的性能二、旋风分离器的性能主要性能指标：颗粒的分离效果及气体的压强降颗粒在滞流区作自由沉降 气流严格按螺旋形路线作等速运动，且其切向速度uT等于进口气速ui假定：颗粒向器壁的沉降距离为整个进气管宽度B1.临界粒径（临界粒径（Critical Diameter）能够完全被分离下来的最小颗粒直径3-2-2 旋风分离器旋风分离器21颗粒沉降的条件：t2218ismrtudBRuB颗粒到达器壁的沉降时间：isecuNBd9iemuNR2气流的停留时间：（标准旋风分离器 Ne=5）RuduTsr2218)(misRud1822临界粒径：3-2-2 旋风分离器旋风分离器

8、22lui，dc ，一般1025m/s；l此外，含尘浓度和加工精度也影响dc 。3-2-2 旋风分离器旋风分离器lB，dc ，多个并联；232.分离效率（分离效率（Separation Efficiency）%1001210CCC（1）总效率：进入的全部颗粒被分离下来的质量分率 （2）粒级效率：%100121iiipCCCnipix103-2-2 旋风分离器旋风分离器2422iup3.压强降（压强降（Pressure Drop）标准旋风分离器， 0 . 8 同一型式且尺寸比例相同的旋风分离器，粒级效率曲线和阻力系数相同。3-2-2 旋风分离器旋风分离器25l 减小上涡流的影响l 采用细而长的器

9、身 l消除下旋流的流影响三、旋风分离器的结构型式及选用三、旋风分离器的结构型式及选用3-2-2 旋风分离器旋风分离器263-2-2 旋风分离器旋风分离器27第三节第三节 过滤过滤(Filtration)3-3-1 过滤操作的基本概念过滤操作的基本概念3-3-2 过滤基本方程式过滤基本方程式3-3-3 恒压过滤恒压过滤3-3-4 过滤设备过滤设备3-3-5 滤饼的洗涤滤饼的洗涤3-3-6 过滤机的生产能力过滤机的生产能力283-3-1 过滤操作的基本概念过滤操作的基本概念一、过滤方式一、过滤方式 (Type of Filtration) （1）饼层过滤 (Cake Filtration) l 截

10、留颗粒的主要是滤饼层l 固体体积分率1%的悬浮液 架桥现象 l 推动力：重力、压力差、真空吸力、离心力 29l 颗粒以表面力和静电力附着在孔道上 l 固体体积分率0.1%的悬浮液，如饮用水的净化 （2）深床过滤）深床过滤 (Deep Bed Filtration) 3-3-1 过滤操作的基本概念过滤操作的基本概念30（1）性能要求二、过滤介质（二、过滤介质（Filtering Medium）流动阻力小、机械强度高、耐腐蚀性、耐热性 l 多孔固体介质 如多孔陶瓷等， 13m （2）常用的过滤介质l 多孔膜 膜过滤 ， 1m l织物介质 滤布，565m l堆积介质 如细砂、木炭等(深床过滤)3-3

11、-1 过滤操作的基本概念过滤操作的基本概念31三、滤饼的压缩性和助滤剂三、滤饼的压缩性和助滤剂(Filter Aid)只有想获得清净滤液时，才使用助滤剂l粒状 硅藻土，珍珠岩粉，碳粉或石棉粉等l纤维状 纤维素、石棉等3-3-1 过滤操作的基本概念过滤操作的基本概念323-3-2 过滤基本方程式过滤基本方程式一、滤液通过饼层的流动的特点及简化模型一、滤液通过饼层的流动的特点及简化模型简化模型：简化模型： 不规则通道可简化成长度为L的一组平行细管，细管内表面积等于全部颗粒的表面积，细管内的全部流动空间等于床层的空隙容积。l滤液通道为不规则的网状结构特点：特点：l层流流动 l非定态过程33Lpduc

12、e)(21床层空隙率（Voidage）床层体积空隙体积颗粒比表面积（Specific Surface Area）颗粒体积颗粒表面积a流道长度流道长度润湿周边流道截面积 4ed)1 (4a（1）滤液在床层孔道内的流速流道表面积流道体积 4Lpauc2221)1 (3-3-2 过滤基本方程式过滤基本方程式34Lpauc223)1 (5Lpauc223)1 (1uu按整个床层截面计算的滤液平均流速：单位时间获得的滤液体积，m3/s（2）过滤速率：LpAauAddVc22315任一瞬间：实验表明：层流流动,比例系数为53-3-2 过滤基本方程式过滤基本方程式35223)1 (51ar令 r 滤饼的比阻

13、，单位厚度滤饼的阻力， 1/m2反映了颗粒及床层的特性。R=r L 滤饼阻力，1/mLrpAddVcRpAc过滤阻力过滤推动力过滤速率 3-3-2 过滤基本方程式过滤基本方程式36过滤介质阻力：看成是厚度为Le的一层滤饼的阻力 Le 过滤介质的当量（虚拟）滤饼厚度，m)()()(eeecRRpALLrppAddV过滤总推动力与总阻力：eecLrpALrpAddV3-3-2 过滤基本方程式过滤基本方程式37（3）v 每获得1m3 滤液所形成的滤饼体积：AvVL vVLA AvVLee介质的当量厚度：)()(2eeVVrvpALLrpAddVa ）不可压缩滤饼b）可压缩滤饼sprr)(s压缩性指数

14、，不可压缩滤饼s=0r单位压力差下滤饼的比阻3-3-2 过滤基本方程式过滤基本方程式38二、强化过滤的途径二、强化过滤的途径 l 改变滤饼结构 l 限制滤饼的增厚 l适当提高悬浮液温度，加大过滤推动力等223)1 (51ar)(12esVVvrpAddV过滤基本方程式：过滤基本方程式：3-3-2 过滤基本方程式过滤基本方程式39）（eVVKA22eedKAdVVVVe020)(23-3-3 恒压过滤恒压过滤（Filtration at Constant Pressure）一、恒压过滤方程式一、恒压过滤方程式vrk1令spkK12再令eeeedKAdVVVVVVe2)(2)(12esVVvrpA

15、ddV)(12esVVpkA40积分上式得：eeKq2)()(2eeKqq23/,mmAVqAVqee令222KAVVVe忽略介质阻力：22KAV)()(22eeKAVVeeKAV223-3-3 恒压过滤恒压过滤两式相加得：41例题：例题：在9.81103Pa的恒定压差下过滤某悬浮液。悬浮液中固相为直径0.1mm的球形颗粒，体积分率为10%，过滤时形成空隙率为60%的不可压缩滤饼。已知水的粘度为1.010-3Pas，过滤介质阻力可忽略，试求：（1）每平方米过滤面积上获得1.5m3滤液所需的时间；（2）若将此过滤时间延长一倍，可再得滤液多少？解：解：（1）Kq 223/5 . 1mmq rppk

16、Kss1122223)1 (51arddda663233/3111 . 0/ )6 . 01 (1mmsKq5092（2）s1018223/12. 2mmKq23/62. 0mmqq3-3-3 恒压过滤恒压过滤42eqKqKq22二、过滤常数的测定二、过滤常数的测定（Determination of Filtration Constants）微分，得：对)()(2eeKqq的测定和、eeqK. 1Kddqqqe)(2eeeKq求出根据2某一p下，记录一系列下的滤液体积VK2eqK2由斜率 和截距 求出K和qe3-3-3 恒压过滤恒压过滤431调速器；2电动搅拌器；3、4、6、11、14阀门；5

17、、7压力表8板框过滤机； 9压紧装置；10滤浆槽；12旋涡泵；13-计量桶 3-3-3 恒压过滤恒压过滤实验装置443-3-3 恒压过滤恒压过滤数据处理452. 压缩性指数压缩性指数S的测定的测定)2lg(lg)1 (lgkpsK对 取对数得：spkK12求出若干p下的K 由斜率 (1-s)和截距(2k) 求得s和k在双对数坐标上绘直线3-3-3 恒压过滤恒压过滤463-3-3 恒压过滤恒压过滤473-3-4 过滤设备过滤设备(Filtration Equipment)一、板框压滤机一、板框压滤机 (Plate-and-frame Press)1. 结构与工作原理结构与工作原理483-3-4

18、过滤设备过滤设备491-2- 3-2-1-2- 3-2-1-2-3过滤洗涤1钮：过滤板 2钮：滤框 3钮：洗涤板间歇操作：过滤、洗涤、卸渣、清洗滤布、重新装合3-3-4 过滤设备过滤设备50EwddVddV41洗水流径： 1倍滤框厚度滤液流径：1/2滤框厚度)()eLLrpAddV根据过滤面积：2倍滤框面积洗涤面积：1倍滤框面积3-3-4 过滤设备过滤设备512. 型号说明型号说明20过滤面积，m2；635框内边长，mm；25框厚度，mmBMS20/635-25B板框M明流，A暗流S手动压紧，J机械压紧，Q千斤顶压紧，液压压紧省略 结构简单、占地小而过滤面积大，操作压强高，适应能力强；缺点是间

19、歇操作，生产效率低，劳动强度大，滤布损耗较快。3-3-4 过滤设备过滤设备3. 特点特点52二、转筒真空过滤机二、转筒真空过滤机 (Rotary-drum Vacuum Filter)3-3-4 过滤设备过滤设备1. 结构与工作原理结构与工作原理533-3-4 过滤设备过滤设备54转动圆筒+固定分配头1-7f真空过滤区8-10f真空吸干区11不工作区12-13g真空洗涤区14g真空吸干区15不工作区16-17h压气吹、卸区18不工作区3-3-4 过滤设备过滤设备55 缺点：附属设备多，过滤面积不大，推动力有限，不能过滤温度高(饱和蒸气压高)的滤浆，洗涤不充分。2.特点特点 优点：连续自动操作，

20、节省人力，生产能力大，特别适宜处理量大而容易过滤的料浆。3-3-4 过滤设备过滤设备563-3-5 滤饼的洗涤滤饼的洗涤(Washing of Filter Cakes)单位时间内消耗的洗水体积1. 板框压滤机：横穿洗涤法 )(8412eEwVVKAddVddV2. 转筒真空过滤机：置换洗涤法)(22eEwVVKAddVddV目的目的：回收颗粒缝隙间的滤液，或净化滤饼。：回收颗粒缝隙间的滤液，或净化滤饼。 （一）洗涤速率（一）洗涤速率(Washing Rate)573-3-6 过滤机的生产能力过滤机的生产能力（Throughput of Filters）（一）间歇过滤机的生产能力（一）间歇过滤

21、机的生产能力DWTDWVTVQ36003600（二）洗涤时间（二）洗涤时间(Washing Time)WWWddVV)(3-3-5 滤饼的洗涤滤饼的洗涤58（二）连续过滤机的生产能力（二）连续过滤机的生产能力360浸没角度浸没度，min/rn转速，nT60eeVKAV）（2nVQ60)60(6022nVnnKAee若忽略介质阻力：nKAnKAnQ465606023-3-5 滤饼的洗涤滤饼的洗涤59例题例题:在3105Pa压差下对钛白粉在水中的悬浮液进行过滤,测得过滤常数K=510-5m2/s,qe=0.01m3/m2,=0.08。现拟用38个框的BMS50/810-25型板框压滤机处理此料浆。试求(1)过滤至框内全部充满滤渣所需的时间;(2)过滤完毕以相当于滤液量1/10的清水进行洗涤,求洗涤时间;(3)若每次卸渣、重装等全部辅助操作时间共需15mi