非均相物系分离理论

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1、非均相物系分离理论均相物系(honogeneoussystem):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(nonhonogeneoussystem): 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:过

2、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。多用于含少量细微颗粒的悬浮液过滤介质过滤推动力悬浮液自身 压强差重力悬浮液的侧加

3、压过滤介质的侧抽真空离心力过滤阻力介 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。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：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

4、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 u 滤 液在床层孔道中的流速msL床层厚度m, A 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 u 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。对于颗粒床层内的滞流流动K，值可取为。R滤饼阻力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

5、m,其计算式为：R=rL滤饼阻力式中V滤液量m。 过滤时间sA过滤面积m。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mm s。过滤速率:单位时间内获得的滤液体积ms。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Pa s 的滤液以ms的平均流速通过厚度为m的滤饼层时所产生的压强降比 阻反映了颗粒特性（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：由于很难划定过滤介质 与滤饼之间的分界面更

6、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。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 总阻力。式中：Ap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：v滤饼体积与相应的滤液体积之比无因次。LA=vV若每获得m滤液所形成的滤饼体积为vm则任一瞬间的滤 饼厚度L与当时已经获得

7、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m。三、过滤基本方程式注意：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mAp过滤压强差pas滤饼的压缩 性指数无因此。一般情况下s=。对于不可压缩滤饼s=。r=r (Ap)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A p恒定过滤速率逐渐变小。

8、 过滤操作的两种典型方式：恒压过滤和恒速过滤。特点：四、恒压过滤对于一定的悬浮液若u、r，及v可视为常数 令(VVe)dV=kAA psd 式中：k表征过滤物料特性的常数m(N s)。过滤基本方程可写成：亘压过滤方程式的推导积分条件=,v=e,V=Ve = ,V=V ()和()式都称为亘压过滤方程式。令K=k A ps当 二时则V=又令q=VAqe=VeA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。(qqe)=K( e)qqqe=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 V=uRA 恒速过滤

9、时的过滤速度为：五、恒速过滤在一 定的操作条件下卩、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。Ap= u rvuR 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、先恒速后恒压过滤积分并将K=k A ps代入得两式中V为获得 的总

10、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恒压过滤恒速过滤先恒速后恒压(VVe)=KA( )eq=uR (VVR)Ve(VVR)=KA( R)VVVe=KA V=uRA (qqR)qe(qqR)=K( R)(qqe)=K( e)Ap=a bqqqe=K上式表明：d dq与q成直线关系直线斜率为 K截距为 qeK(qqe)dq=Kd (qqe)=K( e)微分上式得由斜率=K求出K由截 距=qeK 求出 qe 由 qqqe=K =q=求出 e=qeK。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 A Aq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

11、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：横坐标q的取值。实验数据处理lgK=(s)lg(Ap)lg(k)以lg( A p)为横坐标lg(K)为纵坐 标作直线从而求出斜率(s)截距lg(k)进而算出s和k。K=k Aps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KAp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、

12、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。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（kgcm）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卸渣清洗和组装阶段需用人力操作劳动

13、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：转筒真空过滤机（rotarydrumvacuumfilter ）转筒及分配头的结构格分成个工作区区（ 格）：过滤区区（格）：滤液吸干区区（格）：洗涤区区（格）：洗后吸干 区区（格）：吹松卸渣区区（格）：滤布再生区。过滤区（区）f槽洗涤区（区）g槽干燥卸渣区（区）h槽f槽h槽g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atm）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

14、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：悬筐式离心机(suspendedbasketcentrifuge)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。离心过滤机(centrifugalfilter)几种过滤设备的比较设备名称主要 结构工作过程特点、适用性生产能力计算板框压滤机滤板、滤框、夹 紧机构、机架装合、过滤、洗涤、卸渣、整理加压过滤推动力较大结 构简单造价低过滤面积大能耗少读为间歇操作推动力较大洗涤时间 长生产效率低。应用范围广。对原料的适应性强转鼓真空过

15、滤机转筒(滤网、滤布)、分配头、 滤浆槽过滤、洗涤、吹干、卸渣真空过滤推动力较小连续化生产自动 化程度高推动力小滤饼湿度大设备投资高适于粒度中等粘度不太大 的物料离心过滤机转鼓(滤网、滤布)、机架过滤、洗涤、卸渣等离心 过滤推动力最大滤液湿度小。应用广泛适应性强。仪设备成本高过滤面积小。(qqe)=K( e)式中V过滤终了时所得滤液体积m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

16、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：寸 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 Do其中只有过滤时间真正用于过滤。间歇过滤机的生产能力如果以滤液量Q表示生产能力则有浸没度 转筒真空过滤机的转筒表面浸入滤浆中的分数以转筒真空过滤机 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。有效过滤时间。：某一瞬时开始进入滤浆中的转筒