非均相物系-分离理论

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1、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。,自然界的混合物分为两大类：,非均相物系(non-honogeneous system): 非均相混合物。物系内部有隔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。,第一节 概述,非均相物系的分离原理：,在非均相物系中，分散物质和分散介质组成,由于非均相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。,过滤介质:

2、 过滤采用的多孔物质； 滤浆: 所处理的悬浮液； 滤液: 通过多孔通道的液体； 滤饼或滤渣: 被截留的固体物质。,以某种多孔物质为介质，在外力的作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的单元操作。,第二节 过 滤 一、过滤操作的基本概念 1 过滤(filtration),深床过滤,织物介质(又称滤布) ： 由棉、毛、麻、丝等天然纤维及合成纤维制成的织物，以及玻璃丝、金属丝等织成的网；,过滤介质的分类：,堆积介质 由各种固体颗粒（细砂、硅藻土等）堆积而成， 多用于深床过滤；,多孔固体介质 这类介质具有很多细微孔道，如多孔陶瓷、多孔塑料等。多用于含少量细微

3、颗粒的悬浮液，,2 过滤介质,3.过滤推动力,悬浮液自身压强差，重力 悬浮液的侧加压 过滤介质的侧抽真空 离心力,4.过滤阻力,介质阻力：可视为平变，且一般过滤初较明显 滤饼阻力: 滤饼厚度：随过滤进行而增加 滤饼特性：颗粒形状、大小，粒 大多情况下，过滤阻力主要取决于滤饼阻力。,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。,二、过滤的基本理论 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。,比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积称为比表面积。,2

4、 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：,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：,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； 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。,床层空隙中的滤液流速u1 床层截面积计算的滤液平均流速u,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

5、滞流流动，K值可取为5。,R滤饼阻力，1/m, 其计算式为：,对于不可压缩滤饼，滤饼层中的空隙率可视为常数，颗粒的形状、尺寸也不改变，因而比表面a 亦为常数，则有,式中 r滤饼的比阻，1/m2, 其计算式为：,R=rL,4 滤饼阻力,式中 V 滤液量，m3； 过滤时间，s； A 过滤面积，m2。,过滤速率为：,任一瞬间的过滤速度为：,过滤速度: 单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积， m3/m2s。,过滤速率: 单位时间内获得的滤液体积，m3/s。,3 过滤速率,比阻r,单位厚度滤饼的阻力； 在数值上等于粘度为1Pas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； 比阻反

6、映了颗粒特性(形状、尺寸及床层空隙率)对滤液流动的影响； 床层空隙率愈小及颗粒比表面a愈大，则床层愈致密，对流体流动的阻滞作用也愈大。,通常把过滤介质的阻力视为常数，仿照滤液穿过滤饼层的速度方程则可写出滤液穿过过滤介质层的速度关系式：,式中 pm 过滤介质上、下游两侧的压强差，Pa； Rm 过滤介质阻力，l/m,由于很难划定过滤介质与滤饼之间的分界面，更难测定分界面处的压强，在操作过程中总是把过滤介质与滤饼联合起来考虑。,5 过滤介质的阻力,通常，滤饼与滤布的面积相同。所以两层中的过滤速度应相等，则：,上式表明，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

7、力。,式中：p 滤饼与滤布两侧的总压强差，称为过滤压强差。,假设：厚度为Le的滤饼产生的阻力与滤布相同，而过程仍能完全按照原来的速率进行，则：rLe=Rm,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。,式中Le过滤介质的当量滤饼厚度，或称虚拟滤饼厚度，m。,式中：v 滤饼体积与相应的滤液体积之比，无因次。,LA=vV,若每获得1m3滤液所形成的滤饼体积为vm3，则任一瞬间的滤饼厚度L与当时已经获得的滤液体积V之间的关系为：,同理，如生成厚度为Le的滤饼所应获得的滤液体积以Ve来表示，则,式中Ve过滤介质的当量滤液体积，或称虚拟滤液体积，

8、m3。,注意：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不同。,上式适用于不可压缩滤饼。,对于可压缩滤饼其比阻r与压强差有关。,上式称为过滤基本方程式，它对各种过滤情况均适用。,式中 r单位压强下滤饼的比阻，1/m2 p过滤压强差，pa s 滤饼的压缩性指数，无因此。一般情况下， s=01。对于不可压缩滤饼，s=0。,根据上两式可得,r=r(p)s,定义：过滤操作在恒定压强下进行时称为恒压过滤。,滤饼不断变厚； 阻力逐渐增加； 推动力p 恒定； 过滤速率逐渐变小。,过滤操作的两种典型方式：恒压过滤和恒速过滤。,特点：,四、恒压过滤,对于一定

9、的悬浮液，若、r及v可视为常数，令,(V+Ve )dV=kA2p1-sd,式中：k 表征过滤物料特性的常数，m4/（Ns）。,过滤基本方程可写成：,恒压过滤方程式的推导,积分条件 =0, V=0; =e ,V=Ve; =,V=V,(1)和(2)式都称为恒压过滤方程式。,令K=2kp1-s,当 =0 时，则V=0,又令 q=V/A，qe=Ve/A,恒压过滤方程式中的K 称为过滤常数，由物料特性及过滤压强差决定。,(q+qe )2=K(+e) q2+2qqe=K,上两式也称为恒压过滤方程式。,若维持过滤速率恒定，这样的过滤操作方式称为恒速过滤。,恒速过滤时q-（或V- ）关系为一直线。,q=uR

10、V=uRA,恒速过滤时的过滤速度为：,五、 恒速过滤,在一定的操作条件下，、r、v、uR、qe均为常数，故有：,对不可压缩滤饼，由过滤基本方程可写出：,上式表明：对于不可压缩滤饼进行恒速过滤时，其压强差随过滤时间成直线增加。所以，在实践中很少采用完全恒速过滤的方法。,p=rvuR2+rvuRqe=a+b,先恒速后恒压过滤是工业中常用的一种过滤方法。,在过滤时间从0到R 时，计算方法与恒速过滤相同。而从时间R 到 时，得到的滤液量从VR到V，故积分式为：,操作过程： 开始，从0到R 时，采用恒速过滤，可在阻力还不太高时获得较多的滤液。 从R到时，改为恒压过滤，以免压强过高。,六、先恒速后恒压过滤

11、,积分并将K=2kp1-s 代入得,两式中V为获得的总滤液量，而不是恒压阶段获得的滤液量。,几种操作方式下的过滤方程,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,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：,七、过滤常数的测定,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。,注意：横坐

12、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。,压缩指数s的测定,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,按操作压强差分类：压滤、吸滤和离心过滤,板框压滤机（间歇操作） 转筒真空过滤机（连续操作） 过滤式离心机,八、过滤设备,结构：滤板、滤框、夹紧机构、机架等组成。,滤板：凹凸不平

13、的表面，凸部用来支撑滤布，凹槽是滤液的流道。滤板右上角的圆孔，是滤浆通道；左上角的圆孔，是洗水通道。,洗涤板：左上角的洗水通道与两侧表面的凹槽相通， 使洗水流进凹槽； 非洗涤板：洗水通道与两侧表面的凹槽不相通。,1 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。,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。 对物料的适应能力较强，由于操作压力较高（310kg/cm2 ），对颗粒细小而液体粘度较大的滤浆，也能适用。 间歇操作，生产能力低，

14、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。 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。,板框压滤机的特点：,结构：,2 转筒真空过滤机（rotary-drum vacuum filter）,转筒及分配头的结构,18格分成6个工作区 1区(17格)：过滤区； 2区(810格)：滤液吸干区； 3区(1213格)：洗涤区； 4区(14格)：洗后吸干区； 5区(16格)：吹松卸渣区； 6区(17格)：滤布再生区。,过滤区(12区)，f 槽; 洗涤区(34区)，g槽 ; 干燥卸渣区(56区)，h 槽;,f 槽,h 槽,g 槽,自动连续操作； 适用于处理量大，固体

15、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：,1.悬筐式离心机(suspended-basket centrifuge),转鼓(上有小孔，亦称悬框)； 滤网； 滤布； 机架。,原理：,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。,3 离心过滤机（centrifugal filter）,几种过滤设备的比较,式中

16、V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：,洗涤速率：单位时间内消耗的洗涤液体积。,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。,九、过滤机的生产能力 1 洗涤速率的计算,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,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：,对于转筒真空过滤机，洗涤速率与过滤终了速率相等,对于板框过滤机，洗涤速率等于过滤终了速率的1/4,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