第二章 過濾、離心與膜分離設(shè)備

Chapter2

非均相物系的分離

重點(diǎn)：過濾和沉降的基本理論、基本方程

難點(diǎn)：過濾基本方程的應(yīng)用、過濾設(shè)備

均相物系(honogeneoussystem):

均相混合物。物系內(nèi)部各處均勻且無(wú)相界面。如溶液和混合氣體都是均相物系。自然界的混合物分為兩大類：非均相物系(non-honogeneoussystem):

非均相混合物。物系內(nèi)部有隔開不同相的界面存在，且界面兩側(cè)的物料性質(zhì)有顯著差異。如：懸浮液、乳濁液、泡沫液屬于液態(tài)非均相物系，含塵氣體、含霧氣體屬于氣態(tài)非均相物系。第一節(jié)

概述分散相：分散物質(zhì)。在非均相物系中，處于分散狀態(tài)的物質(zhì)。連續(xù)相：分散介質(zhì)。包圍著分散物質(zhì)而處于連續(xù)狀態(tài)的流體。非均相物系由分散相和連續(xù)相組成

要實(shí)現(xiàn)分離，必須使分散相和連續(xù)相之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，非均相物系的分離操作遵循流體力學(xué)的基本規(guī)律。非均相物系的分離原理：

非均相物系分離的理論基礎(chǔ)：根據(jù)兩相物理性質(zhì)(如密度等)的不同而進(jìn)行的分離。由于非均相物的兩相間的密度等物理特性差異較大，因此常采用機(jī)械方法進(jìn)行分離。按兩相運(yùn)動(dòng)方式的不同，機(jī)械分離大致分為沉降和過濾兩種操作。

通常先造成一個(gè)兩相物系，再用機(jī)械分離的方法分離，如蒸餾，萃取等。非均相物系的分離方法：均相物系的分離方法：非均相物系的分離過濾過濾介質(zhì):過濾采用的多孔物質(zhì)；濾漿:所處理的懸浮液；濾液:通過多孔通道的液體；濾餅或?yàn)V渣:被截留的固體物質(zhì)。以某種多孔物質(zhì)為介質(zhì)，在外力的作用下，使懸浮液中的液體通過介質(zhì)的孔道，而固體顆粒被截留在介質(zhì)上，從而實(shí)現(xiàn)固液分離的單元操作。第二節(jié)

過濾

一、過濾操作的基本概念

1過濾(filtration)

濾漿(slurry)：原懸浮液。濾餅(filtercake)：截留的固體物質(zhì)。過濾介質(zhì)(filteringmedium)：多孔物質(zhì)。濾液(filterate)：通過多孔通道的液體。過濾操作示意圖(濾餅過濾)

濾餅過濾過程：剛開始：有細(xì)小顆粒通過孔道，濾液混濁。開始后：迅速發(fā)生“架橋現(xiàn)象”，顆粒被攔截，濾液澄清。所以，在濾餅過濾時(shí)真正起過濾作用的是濾餅本身，而非過濾介質(zhì)。2過濾方式

過濾的操作基本方式有兩種：濾餅過濾和深層過濾

2.1濾餅過濾(cakefiltration)：餅層過濾架橋現(xiàn)象注意：所選過濾介質(zhì)的孔道尺寸一定要使“架橋現(xiàn)象”能夠過發(fā)生。餅層過濾適于處理固體含量較高的懸浮液。特點(diǎn)：顆粒(粒子)沉積于介質(zhì)內(nèi)部。深層過濾過濾對(duì)象：懸浮液中的固體顆粒小而少。過濾介質(zhì)：堆積較厚的粒狀床層。過濾原理：顆粒尺寸介質(zhì)通道尺寸，顆粒通過細(xì)長(zhǎng)而彎曲的孔道，靠靜電和分子的作用力附著在介質(zhì)孔道上。應(yīng)用：適于處理生產(chǎn)能力大而懸浮液中顆粒小而且含量少的場(chǎng)合，如水處理和酒的過濾。2.2深層過濾(deepbedfiltration)：深床過濾織物介質(zhì)(又稱濾布)

由棉、毛、麻、絲等天然纖維及合成纖維制成的織物，以及玻璃絲、金屬絲等織成的網(wǎng)；過濾介質(zhì)的分類：堆積介質(zhì)

由各種固體顆粒（細(xì)砂、硅藻土等）堆積而成，多用于深床過濾；多孔固體介質(zhì)

這類介質(zhì)具有很多細(xì)微孔道，如多孔陶瓷、多孔塑料等。多用于含少量細(xì)微顆粒的懸浮液，如白酒等的精濾。3過濾介質(zhì)過濾介質(zhì)應(yīng)具有如下性質(zhì)：過濾介質(zhì)的作用(濾餅過濾)：促使濾餅的形成，并支承濾餅。（1）多孔性，液體流過的阻力??；（2）有足夠的強(qiáng)度；（3）耐腐蝕性和耐熱性；（4）孔道大小適當(dāng)，能發(fā)生架橋現(xiàn)象。不可壓縮濾餅：若顆粒由不易變形的堅(jiān)硬固體組成，則當(dāng)壓強(qiáng)差增大時(shí)，濾餅的結(jié)構(gòu)不發(fā)生明顯變化，單位厚度濾餅的流動(dòng)阻力可視作恒定，這類濾餅稱為不可壓縮濾餅。隨著過濾的進(jìn)行，濾餅的厚度增大，濾液的流動(dòng)阻力亦逐漸增大，導(dǎo)致濾餅兩側(cè)的壓強(qiáng)差增大。濾餅的壓縮性對(duì)壓強(qiáng)差有較大影響?？蓧嚎s濾餅：若濾餅為膠體物質(zhì)時(shí)，當(dāng)壓強(qiáng)差增大時(shí)，濾餅則被壓緊，使單位厚度濾餅的流動(dòng)阻力增大，此類濾餅稱為可壓縮濾餅。

4濾餅的壓縮性和助濾劑助濾劑：對(duì)于可壓縮濾餅，為了使過濾順利進(jìn)行，可以將質(zhì)地堅(jiān)硬而能形成疏松濾餅的另一種固體顆粒混入懸浮液或預(yù)涂于過濾介質(zhì)上，以形成疏松餅層，使得濾液暢流，該種顆粒狀物質(zhì)就稱為助濾劑。常用的助濾劑：硅藻土、珍珠巖、石棉、炭粉等。助濾劑的基本要求：1、能形成多孔餅層的剛性顆粒，使濾餅有良好的滲透性及較低的流體阻力。2、具有化學(xué)穩(wěn)定性。3、在操作壓強(qiáng)范圍內(nèi)具有不可壓縮性。選擇助濾劑應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)（1）粒度。

（2）助濾劑的品種。應(yīng)根據(jù)過濾介質(zhì)選擇助濾劑品種。使用粗目濾網(wǎng)時(shí)易泄漏，可選擇石棉粉、纖維素或二者的混合物，可有效地防止泄漏；采用細(xì)目濾布時(shí)，可使用細(xì)硅藻土；若采用粗粒硅藻土，則懸浮液中的細(xì)微顆粒仍將透過預(yù)涂層到達(dá)濾布表面，從而使過濾阻力增大。濾餅較厚時(shí)（50～100mm），為了防止龜裂，可加入1％～5％纖維素或活性炭。3)用量。間歇操作時(shí)，助濾劑預(yù)涂層的厚度應(yīng)不小于2mm。連續(xù)過濾機(jī)中根據(jù)過濾速度確定。加入懸浮液中的量，使用硅藻土?xí)r，通常細(xì)粒為500g／m3，粗粒700一1000g／m3；中等粒度700g／m3，應(yīng)均勻分散于懸浮液中而不沉淀，故一般設(shè)置攪拌混合槽。另外，若助濾劑中的某些成分會(huì)溶于酸性或堿性液體中，對(duì)產(chǎn)品有影響時(shí)，使用前對(duì)助濾劑應(yīng)進(jìn)行酸洗或堿洗。

dpde

對(duì)于顆粒層中不規(guī)則的通道，可以簡(jiǎn)化成由一組當(dāng)量直徑為de的細(xì)管，而細(xì)管的當(dāng)量直徑可由床層的空隙率和顆粒的比表面積來(lái)計(jì)算。二、過濾的基本理論

1濾液通過餅層的流動(dòng)顆粒床層的特性可用空隙率、當(dāng)量直徑等物理量來(lái)描述?？障堵剩?jiǎn)挝惑w積床層中的空隙體積稱為空隙率。式中ε——床層的空隙率，m3/m3。式中α——顆粒的比表面，m2/m3。比表面積：?jiǎn)挝惑w積顆粒所具有的表面積稱為比表面積。2顆粒床層的特性依照第一章中非圓形管的當(dāng)量直徑定義，當(dāng)量直徑為：式中de——床層流道的當(dāng)量直徑，m故對(duì)顆粒床層直徑應(yīng)可寫出：濾液通過餅層的流動(dòng)常屬于滯流流型，可以仿照?qǐng)A管內(nèi)滯流流動(dòng)的泊稷葉公式(哈根方程)來(lái)描述濾液通過濾餅的流動(dòng)，則濾液通過餅床層的流速與壓強(qiáng)降的關(guān)系為：式中u1—濾液在床層孔道中的流速，m/s；

L—床層厚度，m,

Δpc

—濾液通過濾餅層的壓強(qiáng)降，pa；阻力與壓強(qiáng)降成正比，因此可認(rèn)為上式表達(dá)了過濾操作中濾液流速與阻力的關(guān)系。

在與過濾介質(zhì)相垂直的方向上，床層空隙中的濾液流速u1與按整個(gè)床層截面積計(jì)算的濾液平均流速u之間的關(guān)系為：

上式中的比例常數(shù)K′與濾餅的空隙率、顆粒形狀、排列及粒度范圍諸因素有關(guān)。對(duì)于顆粒床層內(nèi)的滯流流動(dòng)，K′值可取為5。式中V——濾液量，m3；

θ——過濾時(shí)間，s；

A——過濾面積，m2。過濾速率為：任一瞬間的過濾速度為：過濾速度:單位時(shí)間內(nèi)通過單位過濾面積的濾液體積，

m3/m2s。過濾速率:單位時(shí)間內(nèi)獲得的濾液體積，m3/s。3過濾速率R——濾餅阻力，1/m,其計(jì)算式為：對(duì)于不可壓縮濾餅，濾餅層中的空隙率ε可視為常數(shù)，顆粒的形狀、尺寸也不改變，因而比表面a亦為常數(shù)，則有式中r——濾餅的比阻，1/m2,其計(jì)算式為：R=rL4濾餅阻力比阻r單位厚度濾餅的阻力；在數(shù)值上等于粘度為1Pa·s的濾液以1m/s的平均流速通過厚度為1m的濾餅層時(shí)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)降；比阻反映了顆粒特性(形狀、尺寸及床層空隙率)對(duì)濾液流動(dòng)的影響；床層空隙率ε愈小及顆粒比表面a愈大，則床層愈致密，對(duì)流體流動(dòng)的阻滯作用也愈大。通常把過濾介質(zhì)的阻力視為常數(shù)，仿照濾液穿過濾餅層的速度方程則可寫出濾液穿過過濾介質(zhì)層的速度關(guān)系式：式中Δpm——過濾介質(zhì)上、下游兩側(cè)的壓強(qiáng)差，Pa；

Rm

——過濾介質(zhì)阻力，l/m由于很難劃定過濾介質(zhì)與濾餅之間的分界面，更難測(cè)定分界面處的壓強(qiáng)，在操作過程中總是把過濾介質(zhì)與濾餅聯(lián)合起來(lái)考慮。5過濾介質(zhì)的阻力

通常，濾餅與濾布的面積相同。所以兩層中的過濾速度應(yīng)相等，則：上式表明，可用濾液通過串聯(lián)的濾餅與濾布的總壓強(qiáng)降來(lái)表示過濾推動(dòng)力，用兩層的阻力之和來(lái)表示總阻力。式中：Δp

—濾餅與濾布兩側(cè)的總壓強(qiáng)差，稱為過濾壓強(qiáng)差。

假設(shè)：厚度為L(zhǎng)e的濾餅產(chǎn)生的阻力與濾布相同，而過程仍能完全按照原來(lái)的速率進(jìn)行，則：rLe=Rm在一定的操作條件下，以一定介質(zhì)過濾一定懸浮液時(shí)，Le為定值；但同一介質(zhì)在不同的過濾操作中，Le值不同。式中Le——過濾介質(zhì)的當(dāng)量濾餅厚度，或稱虛擬濾餅厚度，m。

式中：v—濾餅體積與相應(yīng)的濾液體積之比，無(wú)因次。LA=vV

若每獲得1m3濾液所形成的濾餅體積為vm3，則任一瞬間的濾餅厚度L與當(dāng)時(shí)已經(jīng)獲得的濾液體積V之間的關(guān)系為：同理，如生成厚度為L(zhǎng)e的濾餅所應(yīng)獲得的濾液體積以Ve來(lái)表示，則式中Ve——過濾介質(zhì)的當(dāng)量濾液體積，或稱虛擬濾液體積，m3。三、過濾基本方程式

注意：在一定的操作條件下，以一定介質(zhì)過濾一定的懸浮液時(shí)，Ve為定值，但同一介質(zhì)在不同的過濾操作中，Ve不同。上式適用于不可壓縮濾餅。

對(duì)于可壓縮濾餅其比阻r與壓強(qiáng)差有關(guān)。上式稱為過濾基本方程式，它對(duì)各種過濾情況均適用。式中r′——單位壓強(qiáng)下濾餅的比阻，1/m2

Δp——過濾壓強(qiáng)差，pas——濾餅的壓縮性指數(shù)，無(wú)因此。一般情況下，

s=0~1。對(duì)于不可壓縮濾餅，s=0。根據(jù)上兩式可得r=r′(Δp)s定義：過濾操作在恒定壓強(qiáng)下進(jìn)行時(shí)稱為恒壓過濾。濾餅不斷變厚；阻力逐漸增加；推動(dòng)力Δp

恒定；過濾速率逐漸變小。過濾操作的兩種典型方式：恒壓過濾和恒速過濾。特點(diǎn)：四、恒壓過濾對(duì)于一定的懸浮液，若μ、r′及v可視為常數(shù)，令(V+Ve)dV=kA2Δp1-sd式中：k——表征過濾物料特性的常數(shù)，m4/（Ns）。過濾基本方程可寫成：恒壓過濾方程式的推導(dǎo)積分條件=0,V=0;=e,V=Ve;=,V=V(1)和(2)式都稱為恒壓過濾方程式。令K=2kΔp1-s當(dāng)

=0時(shí)，則V=0(V+Ve)2=KA2(+e)（1）Ve2=KA2eV2+2VVe=KA2（2）又令q=V/A，qe=Ve/A

恒壓過濾方程式中的K稱為過濾常數(shù)，由物料特性及過濾壓強(qiáng)差決定。

恒壓過濾時(shí)V~

的關(guān)系ooee+e+ebV+VeVV+VeVVe

(q+qe

)2=K(+e)q2+2qqe=K上兩式也稱為恒壓過濾方程式。若維持過濾速率恒定，這樣的過濾操作方式稱為恒速過濾。恒速過濾時(shí)q-（或V-）關(guān)系為一直線。

q=uR

V=uRA恒速過濾時(shí)的過濾速度為：五、恒速過濾在一定的操作條件下，μ、r、v、uR、qe均為常數(shù)，故有：對(duì)不可壓縮濾餅，由過濾基本方程可寫出：

上式表明：對(duì)于不可壓縮濾餅進(jìn)行恒速過濾時(shí)，其壓強(qiáng)差隨過濾時(shí)間成直線增加。所以，在實(shí)踐中很少采用完全恒速過濾的方法。

Δp=μrvuR2θ+μrvuRqe=a+b

先恒速后恒壓過濾是工業(yè)中常用的一種過濾方法。

在過濾時(shí)間從0到R時(shí)，計(jì)算方法與恒速過濾相同。而從時(shí)間R

到

時(shí)，得到的濾液量從VR到V，故積分式為：操作過程：開始，從0到R

時(shí)，采用恒速過濾，可在阻力還不太高時(shí)獲得較多的濾液。從R到時(shí)，改為恒壓過濾，以免壓強(qiáng)過高。六、先恒速后恒壓過濾積分并將K=2kΔp1-s代入得

特別注意：上兩式中V為獲得的總濾液量，而不是恒壓階段獲得的濾液量。幾種操作方式下的過濾方程恒壓過濾恒速過濾先恒速后恒壓(V+Ve)2=KA2(+)eq=uR(V2-VR2)+2Ve(V-VR)=KA2(-R)V2+2VVe=KA2V=uRA(q2-qR2)+2qe(q-qR)=K(-R)(q+qe)2=K(+e)Δp=a+bq2+2qqe=K上式表明：d/dq與q成直線關(guān)系，直線斜率為2/K，截距為2qe/K2(q+qe

)dq=Kd(q+qe

)2=K(+e)微分上式得qd/dt2qe/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。測(cè)定時(shí)采用恒壓試驗(yàn)，恒壓過濾方程為：

七、過濾常數(shù)的測(cè)定

采用Δ/Δq代替d/dq，在過濾面積一定時(shí)，記錄下時(shí)間和累計(jì)的濾液量V，并由此計(jì)算一系列q值，然后作圖，求出直線斜率和截距。最后算出過濾常數(shù)K和qe。q/t2qe/K注意：橫坐標(biāo)q的取值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理lgK=(1-s)lg(Δp)+lg(2k)以lg(Δp)為橫坐標(biāo)，lg(K)為縱坐標(biāo)作直線，從而求出斜率(1-s)，截距l(xiāng)g(2k)，進(jìn)而算出s和k。K=2kΔp1-s濾餅的壓縮性指數(shù)s及物料特性常數(shù)k需在不同壓強(qiáng)差下對(duì)指定物料進(jìn)行試驗(yàn)，求得若干過濾壓強(qiáng)差下的K，然后對(duì)K-Δp數(shù)據(jù)加以處理，即可求得s

值。lg(Δp)lg(K)lg(2k)q/t2qe/K壓縮指數(shù)s的測(cè)定工業(yè)上使用的典型過濾設(shè)備：按操作方式分類：間歇過濾機(jī)、連續(xù)過濾機(jī)按操作壓強(qiáng)差分類：壓濾、吸濾和離心過濾板框壓濾機(jī)（間歇操作）轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)（連續(xù)操作）過濾式離心機(jī)八、過濾設(shè)備結(jié)構(gòu)：濾板、濾框、夾緊機(jī)構(gòu)、機(jī)架等組成。濾板：凹凸不平的表面，凸部用來(lái)支撐濾布，凹槽是濾液的流道。濾板右上角的圓孔，是濾漿通道；左上角的圓孔，是洗水通道。洗滌板：左上角的洗水通道與兩側(cè)表面的凹槽相通，使洗水流進(jìn)凹槽；非洗滌板：洗水通道與兩側(cè)表面的凹槽不相通。1板框壓濾機(jī)

為了避免這兩種板和框的安裝次序有錯(cuò)，在鑄造時(shí)常在板與框的外側(cè)面分別鑄有一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)小鈕。非洗滌板為一鈕板，框帶兩個(gè)鈕板，框帶兩個(gè)鈕，洗滌板為三鈕板。濾框：濾漿通道：濾框右上角的圓孔洗水通道：濾框左上角的圓孔濾漿洗水濾板濾框洗板濾布板框過濾機(jī)

板框過濾機(jī)的操作是間歇式的，每個(gè)操作循環(huán)由裝合、過濾、洗滌、卸渣、整理五個(gè)階段。過濾過程1)、裝合：將板與框按1-2-3-2-1-2-3的順序，濾板的兩側(cè)表面放上濾布，然后用手動(dòng)的或機(jī)動(dòng)的壓緊裝置固定，使板與框緊密接觸。2)、過濾：用泵把濾漿送進(jìn)右上角的濾漿通道，由通道流進(jìn)每個(gè)濾框里。濾液穿過濾布沿濾板的凹槽流至每個(gè)濾板下角的閥門排出。固體顆粒積存在濾框內(nèi)形成濾餅，直到框內(nèi)充滿濾餅為止。3)、洗滌：將洗水送入洗水通道，經(jīng)洗滌板左上角的洗水進(jìn)口，進(jìn)入板的兩側(cè)表面的凹槽中。然后，洗水橫穿濾布和濾餅，最后由非洗滌板下角的濾液出口排出。在此階段中，洗滌板下角的濾液出口閥門關(guān)閉。4)、卸渣、整理打開板框，卸出濾餅，洗滌濾布及板、框。在洗液粘度與濾液粘度相近的情況下，且在壓差相同時(shí)，洗滌速率約為過濾終了速率的1/4。為什么？結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，占地面積小，過濾面積大。可根據(jù)需要增減濾板的數(shù)量，調(diào)節(jié)過濾能力。對(duì)物料的適應(yīng)能力較強(qiáng)，由于操作壓力較高（3~10kg/cm2），對(duì)顆粒細(xì)小而液體粘度較大的濾漿，也能適用。間歇操作，生產(chǎn)能力低，卸渣清洗和組裝階段需用人力操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，所以它只適用于小規(guī)模生產(chǎn)。近年出現(xiàn)了各種自動(dòng)操作的板框壓濾機(jī)，使勞動(dòng)強(qiáng)度得到減輕。板框壓濾機(jī)的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)筒，扇形格(18格)；

濾室；分配頭；動(dòng)盤(18個(gè)孔，分別與扇形格的18個(gè)通道相連)；定盤(三個(gè)凹槽：濾液真空凹槽、洗水真空凹槽、壓縮空氣凹槽，分別將動(dòng)盤的18個(gè)孔道分成三個(gè)通道)；金屬網(wǎng)；濾布；濾漿槽。工作過程轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖動(dòng)盤定盤轉(zhuǎn)筒金屬網(wǎng)濾布濾餅攪拌器洗滌噴頭料漿槽刮刀2轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)（rotary-drumvacuumfilter）110987654321817161514131112動(dòng)盤轉(zhuǎn)筒及分配頭的結(jié)構(gòu)工作過程定盤18格分成6個(gè)工作區(qū)1區(qū)(1~7格)：過濾區(qū)；2區(qū)(8~10格)：濾液吸干區(qū)；3區(qū)(12~13格)：洗滌區(qū)；4區(qū)(14格)：洗后吸干區(qū)；5區(qū)(16格)：吹松卸渣區(qū)；6區(qū)(17格)：濾布再生區(qū)。過濾區(qū)(1~2區(qū))，f槽;洗滌區(qū)(3~4區(qū))，g槽

;干燥卸渣區(qū)(5~6區(qū))，h

槽;f槽h槽g槽自動(dòng)連續(xù)操作；適用于處理量大，固體顆粒含量較多的濾漿；真空下操作，其過濾推動(dòng)力較低(最高只有1atm)，對(duì)于濾餅阻力較大的物料適應(yīng)能力較差。

轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，藉分配頭的作用，能使轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)一周的過程中，每個(gè)小過濾室可依次進(jìn)行過濾、洗滌、吸干、吹松卸渣等項(xiàng)操作。整個(gè)轉(zhuǎn)筒圓周在任何瞬間都劃分為:特點(diǎn)：工作過程過濾區(qū);洗滌區(qū);干燥卸渣區(qū)。結(jié)構(gòu)：1.懸筐式離心機(jī)(suspended-basketcentrifuge)

轉(zhuǎn)鼓濾餅濾布濾網(wǎng)離心過濾機(jī)工作原理圖轉(zhuǎn)鼓(上有小孔，亦稱懸框)；濾網(wǎng)；濾布；機(jī)架。原理：

由于離心力作用，液體產(chǎn)生徑向壓差，通過濾餅、濾網(wǎng)及濾筐而流出。3離心過濾機(jī)（centrifugalfilter）過濾方程及壓力的計(jì)算采用恒壓過濾方程式：(q+qe)2=K(+e)A——過濾面積，m2；H——轉(zhuǎn)筒高度，m;R——轉(zhuǎn)筒半徑，m；p——過濾推動(dòng)力，Pa。r——任意處濾餅半徑，m。在離心力作用下液體沿加料斗的錐形面流動(dòng)，均勻地沿圓周分散到濾筐的過濾段。濾液透過濾網(wǎng)而形成濾渣層?；钊圃髋c加料斗一齊作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將濾渣間斷地沿著濾筐內(nèi)表面向排渣口排出。排渣器的往復(fù)運(yùn)動(dòng)是先向前推，馬上后退，經(jīng)過一段時(shí)間形成一定厚度的濾渣層后，再次向前推，如此重復(fù)進(jìn)行推渣。分離因數(shù)約為300～700，其生產(chǎn)能力大，適用于分離固體顆粒濃度較濃、粒徑較大（0.1~5mm）的懸浮液，在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。工作原理：特點(diǎn)：4往復(fù)活塞推渣離心機(jī)（reciprocating-pushercentrifuge）離心力自動(dòng)卸料離心機(jī)，又稱為錐籃離心機(jī)

結(jié)構(gòu)：如圖工作過程：料漿濾液濾渣轉(zhuǎn)鼓濾餅濾布濾網(wǎng)洗滌料漿進(jìn)入錐形濾筐底部，靠離心力甩向?yàn)V筐；液相通過濾布，固相被截留。濾渣克服摩擦阻力，沿濾筐向上移動(dòng)，經(jīng)過洗滌段和干燥段。最后從頂端排出。5離心力自動(dòng)卸渣離心機(jī)（conicalbasketcentrifuge）特點(diǎn)：離心力,F重力,mg摩擦力,f支承力,Nxy結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，功率消耗小。對(duì)懸浮液的濃度和固體顆粒大小的波動(dòng)敏感。生產(chǎn)能力較大，分離因數(shù)約為2000，可分離固體顆粒濃度較濃、粒度為0.04~1mm的懸浮液。在各種結(jié)晶產(chǎn)品的分離中廣泛應(yīng)用。為什么會(huì)自動(dòng)卸料？設(shè)備名稱主要結(jié)構(gòu)工作過程特點(diǎn)、適用性生產(chǎn)能力計(jì)算板框壓濾機(jī)濾板、濾框、夾緊機(jī)構(gòu)、機(jī)架裝合、過濾、洗滌、卸渣、整理加壓過濾，推動(dòng)力較大結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低；過濾面積大，能耗少；讀為間歇操作，推動(dòng)力較大；洗滌時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低。應(yīng)用范圍廣。對(duì)原料的適應(yīng)性強(qiáng)轉(zhuǎn)鼓真空過濾機(jī)轉(zhuǎn)筒(濾網(wǎng)、濾布)、分配頭、濾漿槽過濾、洗滌、吹干、卸渣真空過濾，推動(dòng)力較??；連續(xù)化生產(chǎn)，自動(dòng)化程度高，推動(dòng)力小，濾餅濕度大，設(shè)備投資高適于粒度中等，粘度不太大的物料離心過濾機(jī)轉(zhuǎn)鼓(濾網(wǎng)、濾布)、機(jī)架過濾、洗滌、卸渣等離心過濾，推動(dòng)力最大；濾液濕度小。應(yīng)用廣泛，適應(yīng)性強(qiáng)。儀設(shè)備成本高，過濾面積小。(q+qe)2=K(+e)幾種過濾設(shè)備的比較式中V——過濾終了時(shí)所得濾液體積，m3由恒壓過濾方程知，過濾終了時(shí)的過濾速率為：洗滌速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)消耗的洗滌液體積。由于洗滌液中不含固相，洗滌過程中濾餅厚度不變。若在恒壓下洗滌，則它既是恒壓洗滌又是恒速洗滌。九、過濾機(jī)的生產(chǎn)能力

1洗滌速率的計(jì)算若洗滌液粘度和洗滌時(shí)的壓差與濾液粘度和過濾壓差相比差異較大，則應(yīng)校正，校正后的洗滌速率為若洗滌用的壓差與過濾相同，洗滌液粘度與濾液粘度大致相等：對(duì)于轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)，洗滌速率與過濾終了速率相等對(duì)于板框過濾機(jī)，洗滌速率等于過濾終了速率的1/4生產(chǎn)能力:單位時(shí)間內(nèi)獲得的濾液體積。對(duì)于間歇過濾機(jī)，一個(gè)過濾循環(huán)包括過濾、洗滌、卸渣、清理、重裝等步驟。通常把卸渣、清理、重裝等所用的時(shí)間合在一起稱為輔助時(shí)間D

。一個(gè)循環(huán)時(shí)間T=+W+D。其中只有過濾時(shí)間真正用于過濾。2間歇過濾機(jī)的生產(chǎn)能力式中V——一個(gè)操作循環(huán)內(nèi)所獲得的濾液體積，m3；

Q——生產(chǎn)能力，m3/h；

T——一個(gè)循環(huán)時(shí)間。T=+W+D

如果以濾液量Q表示生產(chǎn)能力，則有浸沒度ψ：轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)的轉(zhuǎn)筒表面浸入濾漿中的分?jǐn)?shù)以轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)為例，轉(zhuǎn)筒在任何時(shí)候總有一部分表面浸沒在濾漿中進(jìn)行過濾。有效過濾時(shí)間θ：某一瞬時(shí)開始進(jìn)入濾漿中的轉(zhuǎn)筒表面，經(jīng)過過濾區(qū)，最后從濾漿中出來(lái)，這一段時(shí)間為該表面旋轉(zhuǎn)一周的有效過濾時(shí)間。3連續(xù)過濾機(jī)的生產(chǎn)能力由于轉(zhuǎn)筒式真空過濾機(jī)為恒壓操作，則有轉(zhuǎn)鼓每轉(zhuǎn)一周得到的濾液體積為：(V+Ve)2=KA2(θ+θe)過濾時(shí)間

為:假設(shè)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為nr/min，則轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為:T=60/n按每小時(shí)計(jì)的濾液生產(chǎn)能力為：若忽略濾布阻力，則θe=0、Ve=0，則上式簡(jiǎn)化為：注意：提高轉(zhuǎn)速可增加生產(chǎn)能力，但若轉(zhuǎn)速太高，則每周期中過濾時(shí)間減至很短，濾餅層很薄，難于卸除，也不利于洗滌，而且功率消耗大，反而不經(jīng)濟(jì)。合適的轉(zhuǎn)速需由實(shí)驗(yàn)確定，以得到合適厚度的濾餅，使成本最低。例：以某板框式壓濾機(jī)在恒壓條件下過濾含硅藻土的懸浮夜。過濾機(jī)的濾框尺寸為810×810×25(mm)，共有37個(gè)框。已測(cè)出過濾常數(shù)K=10-4m2/s，qe=0.01m3/m2，e=1s。若已知單位面積上通過的濾液量為0.15m3/m2，所用洗水量為濾液量的1/5。求：1)過濾面積和濾框內(nèi)的總?cè)萘浚?)過濾所需的時(shí)間；3)洗滌時(shí)間；4)生產(chǎn)能力Q(td=15min)。解：1)過濾面積A=2LBZ=2×0.81×0.81×37=48.6m2

濾框總?cè)莘e

Vz=LBZ=0.81×0.81×0.025×37=0.607m3

2)過濾時(shí)間3)洗滌時(shí)間4)生產(chǎn)能力(q+qe)2=K(+e)(0.15+0.01)2=10-4(+1)

=255sw=8(q+qe)qw/5K=8×(0.15+0.01)×0.15/(5×10-4)=348s

例：用轉(zhuǎn)鼓真空過濾機(jī)過濾某種懸浮液，料漿處理量為20m3/h。已知每得1m3濾液可得濾餅0.04m3，要求轉(zhuǎn)筒的浸沒度為0.35，過濾表面上濾餅厚度不低于5mm?，F(xiàn)測(cè)得過濾常數(shù)為K=8×10-4m2/s，qe=0.01m3/m2。試求過濾機(jī)的過濾面積和轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)速。解：以1min為基準(zhǔn)，v=0.04,=0.35濾餅體積0.321×0.04=0.01284m3/min將n及

代入上式，得：A=2.771m2

n=0.927r/min110987654321817161514131112定盤動(dòng)盤轉(zhuǎn)筒及分配頭的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)如果以R為轉(zhuǎn)鼓半徑，則K值可作為衡量離心機(jī)分離能力的尺度。分離因素的極值與轉(zhuǎn)動(dòng)部件的材料強(qiáng)度有關(guān)。

離心分離因素（separationfactor）K：離心力與重力比。

K=Rω

2/g第三節(jié)離心分離設(shè)備centrifugalsettling

依靠離心力的作用，使流體中的顆粒產(chǎn)生沉降運(yùn)動(dòng)，稱為離心沉降。

1離心分離因數(shù)顆粒在離心力場(chǎng)中沉降時(shí)，在徑向沉降方向上受力分析。若這三個(gè)力達(dá)到平衡，則有u離心力Fc阻力Fd浮力Fb顆粒在離心力場(chǎng)中的受力分析2離心沉降速度注：在一定的條件下，重力沉降速度是一定的，而離心沉降速度隨著顆粒在半徑方向上的位置不同而變化。離心沉降速度：顆粒在徑向上相對(duì)于流體的速度，就是這個(gè)位置上的離心沉降速度。在離心沉降分離中，當(dāng)顆粒所受的流體阻力處于斯托克斯區(qū)，離心沉降速度為:旋風(fēng)分離器是利用離心力作用凈制氣體的設(shè)備。

其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便；分離效率高；可用于高溫含塵氣體的分離；特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)：外圓筒；內(nèi)圓筒；錐形筒。3旋風(fēng)分離器(cycloneseparator)含塵氣體從圓筒上部長(zhǎng)方形切線進(jìn)口進(jìn)入。入口氣速約為15～20m/s。含塵氣體沿圓筒內(nèi)壁作旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。顆粒的離心力較大，被甩向外層，氣流在內(nèi)層。氣固得以分離。在圓錐部分，旋轉(zhuǎn)半徑縮小而切向速度增大，氣流與顆粒作下螺旋運(yùn)動(dòng)。在圓錐的底部附近，氣流轉(zhuǎn)為上升旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，最后由上部出口管排出；固相沿內(nèi)壁落入灰斗。外圓筒內(nèi)圓筒錐形筒切向入口關(guān)風(fēng)器(防止空氣進(jìn)入)含塵氣體固相凈化氣體外螺旋內(nèi)螺旋工作過程

ui——進(jìn)口氣流的流速，m/sB——入口寬度(沉降距離)，mN——?dú)饬餍D(zhuǎn)的圈數(shù)。計(jì)算時(shí)通常取N=5。臨界粒徑：能夠100％除去的最小粒徑。若在各種不同粒徑的塵粒中，有一種粒徑的塵粒所需沉降時(shí)間I等于停留時(shí)間，則該粒徑就是理論上能完全分離的最小粒徑，即臨界粒徑，用dpc表示。

設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器的尺寸H1H2SBDD1hui

氣體通過旋風(fēng)分離器的壓力損失，可用進(jìn)口氣體動(dòng)壓的某一倍數(shù)表示為：式中的阻力系數(shù)用下式計(jì)算：壓力損失圓筒直徑一般為200～800mm，有系列尺寸。進(jìn)口速度一般為15～20m/s。壓力損失約為1～2kPa。分離的顆粒直徑約為>5m，dpc50=1~2m。主要技術(shù)參數(shù)例：溫度為20℃，壓力為0.101Mpa，流量為2.5m3/s的含塵空氣，用標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器除塵。粉塵密度為2500kg/m3，試計(jì)算臨界粒徑。選擇合適的旋風(fēng)分離器，使之能100%的分離出6.5m以上的粉塵。并計(jì)算壓損。解：20℃，0.101Mpa時(shí)空氣的：

=1.21kg/m3，=1.81×10-5Pas1、確定進(jìn)口氣速：ui=20m/s(15-20m/s)2、計(jì)算D和b：流量V=Aui=Bhu

B=D/5,h=3D/5

2.5=(D/5)×(3D/5)×20D=1.041m

取D=1100mm旋風(fēng)分離器的選用此時(shí)3、求dpc4、求p5、求D，使dpc=6.5mB=0.175，D=5B，h=3D/5=3B=0.525，取ui=17m/sx=1.6，取x=2D=5B=0.875，取D=800mm6、校核所以，所選分離器適用。由V=bhu，b=D/5，h=3D/5，得用標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器出去氣流中所含的固體顆粒。已知固體密度為1100kg/m3，粒徑為4.5m，氣體密度為1.2kg/m3，粘度為1.8×10-5Pas，流量為.40m3/s，允許壓強(qiáng)降為1780Pa。試選擇合適的分離器。習(xí)題由于分離器各部分的尺寸都是D的倍數(shù)，所以只要進(jìn)口氣速ui相同，不管多大的旋風(fēng)分離器，其壓力損失都相同。壓力損失相同時(shí)，小型分離器的b=D/5值較小，則小型分離器的臨界粒徑較小。旋風(fēng)分離器的使用雙聯(lián)四聯(lián)

用若干個(gè)小旋風(fēng)分離器并來(lái)代替一個(gè)大旋風(fēng)分離器，可以提高分離效率。灰塵凈化氣體含塵氣體結(jié)構(gòu)濾袋、骨架、機(jī)殼、清灰裝置、灰斗、排灰閥。2.工作過程含塵氣體進(jìn)入袋濾器；氣體通過濾袋，經(jīng)頂部排出；灰塵被截留；聚集一定厚度灰塵后，壓縮空氣通入，濾袋振動(dòng)，灰塵落下；灰塵經(jīng)過排灰閥排除。壓縮空氣骨架濾袋機(jī)殼清灰裝置排灰閥灰斗清灰原則及時(shí)清灰；不徹底清灰。袋濾器

含塵氣體的分離系統(tǒng)>40~50m>5m，dpc50=1~2m0.5m達(dá)90%灰塵含塵氣體凈化氣體灰塵灰塵重力沉降室旋風(fēng)分離器袋濾器離心風(fēng)機(jī)

利用離心力的作用，使懸浮液中固體顆粒增稠或使粒徑不同及密度不同的顆粒進(jìn)行分級(jí)。結(jié)構(gòu)和工作原理：與旋風(fēng)分離器相似。4旋液分離器(hydrauliccyclone)懸浮液從圓筒上部的切向進(jìn)口進(jìn)入器內(nèi)，旋轉(zhuǎn)向下流動(dòng)。工作過程：液流中的顆粒受離心力作用，沉降到器壁，并隨液流下降到錐形底的出口，成為較稠的懸浮液而排出，稱為底流。澄清的液體或含有較小較輕顆粒的液體，則形成向上的內(nèi)旋流，經(jīng)上部中心管從頂部溢流管排出，稱為溢流。

液體的粘度約為氣體的50倍，液體的(ρp-ρ)比氣體的小，懸浮液的進(jìn)口速度也比含塵氣體的小，所以同樣大小和密度的顆粒，沉降速度遠(yuǎn)小于含塵氣體在旋風(fēng)分離器中的沉降速度。要達(dá)到同樣的臨界粒徑要求，則旋液分離器的直徑要比旋風(fēng)分離器小很多。特點(diǎn)旋液分離器的圓筒直徑一般為75～300mm。懸浮液進(jìn)口速度一般為5～15m/s。壓力損失約為50～200kPa。分離的顆粒直徑約為10～40m。主要技術(shù)參數(shù)

特點(diǎn)：離心分離因數(shù)可達(dá)13000，也有高達(dá)105的超速離心機(jī)。轉(zhuǎn)鼓內(nèi)裝有三個(gè)縱向平板，以使料液迅速達(dá)到與轉(zhuǎn)鼓相同的角速度。適用于于分離乳濁液及含細(xì)顆粒的稀懸浮液。5沉降式離心機(jī)

沉降式離心機(jī)是利用離心沉降的原理分離懸浮液或乳濁液的機(jī)械。

5.1管式離心機(jī)（tubular-bowlcentrifuge）管式超速離心機(jī)的轉(zhuǎn)速在10000r／min以上，有國(guó)產(chǎn)的GF－105型，前蘇聯(lián)的CTC-100型，150型，美國(guó)的Sharpler等。管式離心機(jī)具有一長(zhǎng)管式轉(zhuǎn)筒，筒底有料液與萃取劑組成的乳濁液進(jìn)口管，筒頂有輕液溢流環(huán)，輕重液出口，1電機(jī)支架2驅(qū)動(dòng)裝置3環(huán)形堰板4排液管5輕液6重液7轉(zhuǎn)鼓

8固體9制動(dòng)器10機(jī)架11液體入口分離乳濁液的管式離心機(jī)操作原理轉(zhuǎn)鼓由轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。乳濁液由底部進(jìn)入，在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)從下向上流動(dòng)過程中，由于兩種液體的密度不同而分成內(nèi)、外兩液層。外層為重液層，內(nèi)層為輕液層。到達(dá)頂部后，輕液與重液分別從各自的溢流口排出。分離懸浮液的管式離心機(jī)操作原理流量Vs為懸浮液從底部進(jìn)入，懸浮液是由密度為ρ的與密度為ρp的少量顆粒形成的。假設(shè)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的液體以轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)角速度ω隨著轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)。液體由下向上流動(dòng)過程中，顆粒由液面r1處沉降到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面r2處。凡沉降所需時(shí)間小于式等于在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)停留時(shí)間的顆粒，均能沉降除去。當(dāng)顆粒的沉降處于斯托克斯區(qū)時(shí)，其沉降速度（徑向）為斯托克斯區(qū)的重力沉降速度為積分邊界邊界條件：θ=0時(shí)，r=r1；θ=θt時(shí)，

r=r2。取顆粒的停留時(shí)間等于流體在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的停留時(shí)間，即對(duì)上式積分，得沉降時(shí)間

對(duì)于一定的懸浮液處理量Vs，只有粒徑dp滿足條件θt≤θ的顆粒，才能全部除去。根據(jù)θt=θ，可得式中ut的為重力沉降速度。所以當(dāng)顆粒為臨界粒徑dpc時(shí)，懸浮液的處理量為以上兩式表示懸浮液處理量Vs與轉(zhuǎn)鼓尺寸（r1、r2及h）、轉(zhuǎn)鼓角速度ω及顆粒臨界直徑dpc之間的關(guān)系。例：水中含有極少量細(xì)小顆粒的懸浮液，想用管式高速離心機(jī)分離，使其中1μm以上的顆粒全部除去。試求最大的懸浮液進(jìn)料量為多少。離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓尺寸為：r1=5cm、r2=8cm，h=60cm。轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)數(shù)為12000rpm。懸浮液溫度為20℃，顆粒的密度為23000kg/m3。解：查得水在20℃時(shí)的μ=10-3Pa·s，ρ=1000kg/m3，轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)角速度ω=2πN/60=2π(12000)/60=1257rad/s重力沉降速度ut=gdp2(ρp-ρ)/18μ