第三章非均相物系的分離

第三章

非均相物系的分離

【教學(xué)目標(biāo)】了解流體流過顆粒的流動和顆粒沉降運動的特性；掌握沉降速度和沉降設(shè)備的計算；了解顆粒床層的特性和固體流態(tài)化技術(shù)；掌握過濾原理和過濾計算。

【重點難點】沉降速度和沉降設(shè)備的計算；沉降速度計算式的推導(dǎo)；過濾原理和過濾計算；流體通過固定床的壓降公式推導(dǎo)。

非均相物系的分離概述均相物系(honogeneoussystem):

均相混合物。物系內(nèi)部各處均勻且無相界面。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

要實現(xiàn)分離，必須使分散相和連續(xù)相之間發(fā)生相對運動。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，因此常采用機械方法進(jìn)行分離。按兩相運動方式的不同，機械分離大致分為沉降(顆粒相對于流體運動)和過濾(液體相對于固體床層運動)兩種操作。

通常先造成一個兩相物系，再用機械分離的方法分離，如蒸餾，萃取等。非均相物系的分離方法：均相物系的分離：非均相混合物分離在食品工業(yè)上的意義①作為生產(chǎn)的主要手段;②提高制品純度;③回收有價值物質(zhì);④為了安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)非均相物系的分離流體流過顆粒的流動第二節(jié)流體流過顆粒的流動一、單顆粒的幾何特性參數(shù)從流體力學(xué)的觀點看，主要是大?。w積）、形狀和表面積。1、對于形狀規(guī)則的顆粒其大小可用某一主要參量作為特征長度表示，其它尺寸可用此特征長度的比例表示。如球形顆粒以直徑dp，也可以以體積V=πdp3/6或表面積S=πdp2或比表面積（即單位體積固體顆粒所具有的表面積）2、對形狀不規(guī)則的顆粒，通常用當(dāng)量直徑和形狀系數(shù)表示(1)顆粒的當(dāng)量直徑通常將非球形顆粒以某種當(dāng)量的球形顆粒代表，以使所考察的領(lǐng)域內(nèi)非球形顆粒的特性與球形顆粒等效，這一球的直徑稱為當(dāng)量直徑。體積等效：表面積等效：比表面積等效：(2)顆粒的形狀系數(shù)：常用球形度φs：

體積相等的各種形狀的顆粒，球形顆粒表面積最小，因此任何非球形顆粒的形狀系數(shù)都小于1，與球形差別愈大，顆粒表面積愈大，φs愈小。對非球形顆粒，必須有兩個參數(shù)才能確定其特征，常選用體積當(dāng)量直徑和球形度。二、曵力與曵力系數(shù)1、曵力：當(dāng)流體水平流過固體顆粒時（即顆粒與流體間產(chǎn)生相對運動時），使固體沿流動方向受到力的作用叫做流體對固體的曵力（FD），總曳力等于粘性曳力和形體曳力之和。FD與u（相對），流體ρ、μ及固體顆粒大小、形狀和流動的方向有關(guān)，對最簡單的球形顆粒在流體流速很低時關(guān)系可表示為：

圖流體繞過顆粒的流動uFdFd與顆粒運動的方向相反當(dāng)流體相對于靜止的固體顆粒流動時，或者固體顆粒在靜止流體中移動時，由于流體的粘性，兩者之間會產(chǎn)生作用力，這種作用力通常稱為曳力（dragforce)或阻力。只要顆粒與流體之間有相對運動，就會產(chǎn)生阻力。對于一定的顆粒和流體，只要相對運動速度相同，流體對顆粒的阻力就一樣。

ρ——流體密度；μ——流體粘度；

dp——顆粒的當(dāng)量直徑；

A——顆粒在運動方向上的投影面積；

u——顆粒與流體相對運動速度。

——阻力（曳力）系數(shù)，是雷諾數(shù)Re的函數(shù)，由實驗確定。顆粒所受的阻力Fd可用下式計算

當(dāng)流速較高時，Stokes定律不成立。因此，對一般流動條件下的球形顆粒及其其他形狀的顆粒，F(xiàn)D的數(shù)值尚需通過實驗解決。

層流區(qū)（斯托克斯Stokes區(qū)，10-4<Re<1）注意：其中斯托克斯區(qū)的計算式是準(zhǔn)確的，其它兩個區(qū)域的計算式是近似的。過渡區(qū)（艾侖Allen區(qū)，1<Re<500）湍流區(qū)（牛頓Newton區(qū)，500<Re<2×105）圖中曲線大致可分為三個區(qū)域，各區(qū)域的曲線可分別用不同的計算式表示為：非均相物系的分離沉降Settling定義：沉降力場：重力、離心力。

在某種力場的作用下，利用分散物質(zhì)與分散介質(zhì)的密度差異，使之發(fā)生相對運動而分離的單元操作。沉降操作分類：重力沉降、離心沉降。第三節(jié)沉降應(yīng)用：重力沉降氣體的除塵、懸浮液的增稠、固體物料的分級、固體物料的分離；離心分離晶體（或顆粒）懸浮液和乳濁液的分離，如食鹽、蔗糖、酵母、淀粉、魚肉制品及果汁、牛奶等的分離、氣溶膠的分離等。

自由沉降（freesettling）：

單個顆粒在流體中沉降，或者顆粒群在流體中分散得較好而顆粒之間互不接觸互不碰撞的條件下沉降。

一、重力沉降

重力沉降(gravitysettling)：由地球引力作用而發(fā)生的顆粒沉降過程，稱為重力沉降。

1沉降速度

1.1球形顆粒的自由沉降

根據(jù)牛頓第二定律，顆粒的重力沉降運動基本方程式應(yīng)為:u重力Fg阻力Fd浮力Fbp為顆粒密度隨著顆粒向下沉降，u逐漸增大，du/d

逐漸減少。當(dāng)u增到一定數(shù)值ut時，du/d=0。顆粒開始作勻速沉降運動。上式表明：顆粒的沉降過程分為兩個階段：沉降速度（terminalvelocity）：也稱為終端速度，勻速階段顆粒相對于流體的運動速度。當(dāng)du/d

=0時，令u=ut，則可得沉降速度計算式加速階段；勻速階段。將不同流動區(qū)域的阻力系數(shù)分別代入上式，得球形顆粒在各區(qū)相應(yīng)的沉降速度分別為：

層流區(qū)（Re<1）過渡區(qū)（1<Re<500）湍流區(qū)（500<Re<2×105）ut與dp有關(guān)。dp愈大，ut則愈大。層流區(qū)與過渡區(qū)中，ut還與流體粘度有關(guān)。液體粘度約為氣體粘度的50倍，故顆粒在液體中的沉降速度比在氣體中的小很多。2、復(fù)驗法（最多3次）假設(shè)流體流動類型；計算沉降速度；計算Re，驗證與假設(shè)是否相符；如果不相符，則轉(zhuǎn)①。如果相符，OK!3、圖解法（摩擦因數(shù)群法）P285求沉降速度通常采用1、試差法。假定ut→Re→查ζ→計算ut→計算Re→查ζ→計算ut沉降速度的求法：

例：計算直徑為95m，密度為3000kg/m3的固體顆粒分別在20℃的空氣和水中的自由沉降速度。計算Re，核算流型：假設(shè)正確，計算有效。顆粒在空氣中沉降同樣也采用這樣方法計算解：在20℃的水中：20℃水的密度為998.2kg/m3，粘度為1.005×10-3Pas先設(shè)為層流區(qū)。

1)顆粒直徑dp:應(yīng)用：啤酒生產(chǎn)，采用絮狀酵母，dp↑→ut↑↑，使啤酒易于分離和澄清。均質(zhì)乳化，dp↓→ut↓↓，使飲料不易分層。加絮凝劑，如水中加明礬。2)連續(xù)相的粘度：應(yīng)用：加酶：清飲料中添加果膠酶，使

↓→ut↑，易于分離。增稠：濃飲料中添加增稠劑，使

↑→ut↓，不易分層。加熱：3)兩相密度差(

p-)：2影響沉降速度的因素(以層流區(qū)為例)

4)

顆粒形狀在實際沉降中：非球形、器壁、顆粒之間對沉降速度均有影響非球形顆粒的形狀可用球形度s

來描述。s——球形度；S——顆粒的表面積，m2；Sp——與顆粒體積相等的圓球的表面積，m2。

不同球形度下阻力系數(shù)與Re的關(guān)系見課本圖示，Re中的dp用當(dāng)量直徑de代替。球形度s越小，阻力系數(shù)

越大，但在層流區(qū)不明顯。ut非球<ut球。對于細(xì)微顆粒(d<0.5m)，應(yīng)考慮分子熱運動的影響，不能用沉降公式計算ut；沉降公式可用于沉降和上浮等情況。注意：6)干擾沉降（hinderedsettling）：

當(dāng)非均相物系中的顆粒較多，顆粒之間相互距離較近時，顆粒沉降會受到其它顆粒的影響，這種沉降稱為干擾沉降。干擾沉降速度比自由沉降的小。5)壁效應(yīng)

(walleffect)：

當(dāng)顆粒在靠近器壁的位置沉降時，由于器壁的影響，其沉降速度較自由沉降速度小，這種影響稱為壁效應(yīng)。降塵室：利用重力沉降分離含塵氣體中塵粒的設(shè)備。是一種最原始的分離方法。一般作為預(yù)分離之用，分離粒徑較大的塵粒。降塵室的示意圖3降塵室假設(shè)顆粒運動的水平分速度與氣體的流速u相同；停留時間＝l/u沉降時間t＝H/ut顆粒分離出來的條件是l/u≥H/ut降塵室的計算lHb凈化氣體含塵氣體uut即：滿足l/u＝H/ut

條件的粒徑當(dāng)含塵氣體的體積流量為Vs時，

u=Vs/Hb故與臨界粒徑dpc相對應(yīng)的臨界沉降速度為utc=Vs/

blut≥Vs/lb則有或Vs≤

blut

臨界沉降速度utc是流量和面積的函數(shù)。臨界粒徑dpc（criticalparticlediameter）：能100％除去的最小粒徑。當(dāng)塵粒的沉降速度小，處于斯托克斯區(qū)時，臨界粒徑為一定粒徑的顆粒，沉降室的生產(chǎn)能力只與底面積bl和utc有關(guān)，而與H無關(guān)。故沉降室應(yīng)做成扁平形，或在室內(nèi)均勻設(shè)置多層隔板。氣速u不能太大，以免干擾顆粒沉降，或把沉下來的塵粒重新卷起。一般u不超過3m/s。由此可知：當(dāng)降塵室用水平隔板分為N層，則每層高度為H/N。水平速度u不變。此時：多層隔板降塵室示意圖含塵氣體粉塵隔板凈化氣體塵粒沉降高度為原來的1/N倍；utc降為原來的1/N倍(utc=Vs/

bl)；臨界粒徑為原來的倍()；一般可分離20μm以上的顆粒。多層隔板降塵室排灰不方便。例：用高2m、寬2.5m、長5m的重力降塵室分離空氣中的粉塵。在操作條件下空氣的密度為0.799kg/m3，粘度為2.53×10-5Pa·s，流量為5.0×104

m3/h。粉塵的密度為2000kg/m3。試求粉塵的臨界直徑。解：與臨界直徑對應(yīng)的臨界沉降速度為假設(shè)流型屬于過渡區(qū)，粉塵的臨界直徑為校核流型故屬于過渡區(qū)，與假設(shè)相符。

Vs≤

blut

1)計算ut：2)確定底面積和b,l：3)確定沉降距離H已知含塵氣體的流量，粉塵的排放標(biāo)準(zhǔn)，氣固兩相的物理參數(shù)。沉降室的設(shè)計計算如果以R為轉(zhuǎn)鼓半徑，則K值可作為衡量離心機分離能力的尺度。分離因數(shù)的極值與轉(zhuǎn)動部件的材料強度有關(guān)。

離心分離因數(shù)（separationfactor）K：離心力與重力比。

K=Rω2/g三、

離心沉降（centrifugalsettling）

依靠離心力的作用，使流體中的顆粒產(chǎn)生沉降運動，稱為離心沉降。

1離心分離因數(shù)顆粒在離心力場中沉降時，在徑向沉降方向上受力分析。若這三個力達(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：顆粒在徑向上相對于流體的速度，就是這個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:例：半徑為0.1m的圓筒以3000r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，筒中盛滿20℃的水，直徑為15μm的球形顆粒位于離中心0.05m處，求此顆粒沉降到管壁所需的時間，若此顆粒在靜止的水槽中沉降，則顆粒下沉0.05m所需的時間為多少，已知顆粒密度為1500kg/m3。解：(1)離心沉降所需時間tC假設(shè)屬層流區(qū)沉降（按顆粒位于筒壁處校驗沉降是否屬層流）查表知：20℃水密度ρ=998.2kg/m3，粘度μ=100.5×10-5PaS故(2)水槽中沉降所需時間tg

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)簡單，制造方便；分離效率高；可用于高溫含塵氣體的分離；特點：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。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動。在圓錐的底部附近，氣流轉(zhuǎn)為上升旋轉(zhuǎn)運動，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——氣流旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。計算時通常取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間I等于停留時間，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)計計算公式推導(dǎo)過程建立假設(shè)P323標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器的尺寸H1H2SBDD1hui分離效率：兩種表示方法總效率：指進(jìn)入旋風(fēng)分離器的全部顆粒中被分離出來的質(zhì)量分率。粒級效率：按各種粒度分別表明其被分離下來的質(zhì)量分率。分割粒徑：粒級效率為50%時顆粒的直徑d50總效率與粒級效率的關(guān)系：η0=Σηixi

氣體通過旋風(fēng)分離器的壓力損失，可用進(jìn)口氣體動壓的某一倍數(shù)表示為：式中的阻力系數(shù)用下式計算：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。并計算壓力損失。解：20℃，0.101Mpa時空氣的：

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

B=D/4,h=D/2

2.5=(D/4)×(D/2)×20D=1.0m

取D=1000mm旋風(fēng)分離器的選用此時3、求dpc4、求p5、求D，使dpc=6.5mB=0.204，D=4B，h=D/2=2B=0.408，取ui=20m/sx=1.5，取x=2D=4B=0.816，取D=800mm6、校核所以，所選分離器適用。由V=bhu，b=D/4，h=D/2，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，允許壓強降為1780Pa。試選擇合適的分離器。練習(xí)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，小型分離器的B=D/4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)

用若干個小旋風(fēng)分離器并聯(lián)來代替一個大旋風(fēng)分離器，可以提高分離效率?；覊m凈化氣體含塵氣體結(jié)構(gòu)濾袋、骨架、機殼、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，灰塵落下；灰塵經(jīng)過排灰閥排除。壓縮空氣骨架濾袋機殼清灰裝置排灰閥灰斗清灰原則及時清灰；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

特點：離心分離因數(shù)可達(dá)13000，也有高達(dá)105的超速離心機。轉(zhuǎn)鼓內(nèi)裝有三個縱向平板，以使料液迅速達(dá)到與轉(zhuǎn)鼓相同的角速度。適用于分離乳濁液及含細(xì)顆粒的稀懸浮液。4沉降式離心機

沉降式離心機是利用離心沉降的原理分離懸浮液或乳濁液的機械。

4.1管式離心機（tubular-bowlcentrifuge）分離乳濁液的管式離心機操作原理轉(zhuǎn)鼓由轉(zhuǎn)軸帶動旋轉(zhuǎn)。乳濁液由底部進(jìn)入，在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)從下向上流動過程中，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。凡沉降所需時間小于或等于在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)停留時間的顆粒，均能沉降除去。當(dāng)顆粒的沉降處于斯托克斯區(qū)時，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，r=r1；θ=θt時，

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

對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為重力沉降速度。所以當(dāng)顆粒為臨界粒徑dpc時，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=9.81(10-6)2(2300-1000)/(18×10-3)=7.09×10-7m/s懸浮液的進(jìn)料量為

分離乳濁液的碟式離心機：碟片上開有小孔。乳濁液通過小孔流到碟片的間隙。在離心力作用下，重液沿著每個碟片的斜面沉降，并向轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁移動，由重液出口連續(xù)排出。而輕液沿著每個碟片的斜面向上移動，匯集后由輕液出口排出。主要分離乳濁液中輕、重兩液相，例如油類脫水、牛乳脫脂等；也可以澄清含少量細(xì)小顆粒固體的懸浮液。澄清懸浮液用的碟式離心沉降機：碟片上不開孔。只有一個清液排出口。沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的沉渣，間歇排出。只適用于固體顆粒含量很少的懸浮液。當(dāng)固體顆粒含量較多時，可采用具有噴嘴排渣的碟式離心沉降機，例如淀粉的分離。4.2碟式離心機（disk-bowlcentrifuge）工作原理：見圖4-45P331轉(zhuǎn)鼓內(nèi)有可旋轉(zhuǎn)的螺旋輸送器，其轉(zhuǎn)數(shù)比轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)數(shù)稍低。懸浮液通過螺旋輸送器的空心軸進(jìn)入機內(nèi)中部。沉積在轉(zhuǎn)鼓壁面渣，被螺旋輸送器沿斜面向上推到排出口而排出。澄清液從轉(zhuǎn)鼓另一端溢流出去。用途：用于分離固體顆粒含量較多的懸浮液，其生產(chǎn)能力較大。也可以在高溫、高壓下操作，例如催化劑回收。4.3螺旋式離心機（scroll-typecentrifuge）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；濾餅或濾渣: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，從而實現(xiàn)固液分離的單元操作。第四節(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”能夠通過發(fā)生。餅層過濾適于處理固體含量較高的懸浮液。特點：顆粒(粒子)沉積于介質(zhì)內(nèi)部。深層過濾過濾對象：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硬固體組成，則當(dāng)壓強差增大時，濾餅的結(jié)構(gòu)不發(fā)生明顯變化，單位厚度濾餅的流動阻力可視作恒定，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，濾液的流動阻力亦逐漸增大，導(dǎo)致濾餅兩側(cè)的壓強差增大。濾餅的壓縮性對壓強差有較大影響?？蓧嚎s濾餅：若濾餅為膠體物質(zhì)時，當(dāng)壓強差增大時，濾餅則被壓緊，使單位厚度濾餅的流動阻力增大，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：對于可壓縮濾餅，為了使過濾順利進(jìn)行，可以將質(zhì)地堅硬而能形成疏松濾餅的另一種固體顆?；烊霊腋∫夯蝾A(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、在操作壓強范圍內(nèi)具有不可壓縮性。

dpde

對于顆粒層中不規(guī)則的通道，可以簡化成由一組當(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計算。二、過濾的基本理論

1濾液通過餅層的流動顆粒床層的特性可用空隙率、當(dāng)量直徑等物理量來描述。空隙率：單位體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：單位體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故對顆粒床層直徑應(yīng)可寫出：濾液通過餅層的流動常屬于滯流流型，可以仿照圓管內(nèi)滯流流動的泊稷葉公式(哈根方程)來描述濾液通過濾餅的流動，則濾液通過餅床層的流速與壓強降的關(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降，pa；阻力與壓強降成正比，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與按整個床層截面積計算的濾液平均流速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)。對于顆粒床層內(nèi)的滯流流動，K′值可取為5。式中V——濾液量，m3；

τ——過濾時間，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,其計算式為：對于不可壓縮濾餅，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的濾餅層時所產(chǎn)生的壓強降；比阻反映了顆粒特性(形狀、尺寸及床層空隙率)對濾液流動的影響；床層空隙率ε愈小及顆粒比表面a愈大，則床層愈致密，對流體流動的阻滯作用也愈大。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，更難測定分界面處的壓強，在操作過程中總是把過濾介質(zhì)與濾餅聯(lián)合起來考慮。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降來表示過濾推動力，用兩層的阻力之和來表示總阻力。式中：Δp—濾餅與濾布兩側(cè)的總壓強差，稱為過濾壓強差。

假設(shè)：厚度為Le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，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Le的濾餅所應(yīng)獲得的濾液體積以Ve來表示，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，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。

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

Δp——過濾壓強差，pas——濾餅的壓縮性指數(shù)，無因此。一般情況下，

s=0~1。對于不可壓縮濾餅，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下進(jìn)行時稱為恒壓過濾。濾餅不斷變厚；阻力逐漸增加；推動力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：四、恒壓過濾對于一定的懸浮液，若μ、r′及v可視為常數(shù)，令(V+Ve)dV=kA2Δp1-sdτ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τ=0,V=0;τ

=τ

e,V=Ve;τ

=τ,V=V令K=2kΔp1-s當(dāng)

τ

=0時，則V=0(V+Ve)2=KA2(τ

+

τ

e)（1）(1)和(2)式都稱為恒壓過濾方程式。Ve2=KA2τ

eV2+2VVe=KA2

τ（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差決定。

恒壓過濾時V~

τ的關(guān)系

τ

+τ

eττooeτ

e

τ

+τ

ebV+VeVV+VeVVe

(q+qe)2=K(τ

+τ

e)q2+2qqe=Kτ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q-τ

（或V-τ

）關(guān)系為一直線。

q=uR

τ

V=uRAτ恒速過濾時的過濾速度為：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：對不可壓縮濾餅，由過濾基本方程可寫出：

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

Δp=μrvuR2

τ

+μrvuRqe=aτ

+b

先恒速后恒壓過濾是工業(yè)中常用的一種過濾方法。

在過濾時間從0到τR時，計算方法與恒速過濾相同。而從時間τR

到τ時，得到的濾液量從VR到V，故積分式為：操作過程：開始，從0到τ

R

時，采用恒速過濾，可在阻力還不太高時獲得較多的濾液。從τR到τ時，改為恒壓過濾，以免壓強過高。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(τ+τe)q=uRτ(V2-VR2)+2Ve(V-VR)=KA2(τ-τR)V2+2VVe=KA2τV=uRAτ(q2-qR2)+2qe(q-qR)=K(τ-τR)(q+qe)2=K(τ+τe)Δp=aτ+bq2+2qqe=Kτ上式表明：dτ/dq與q成直線關(guān)系，直線斜率為2/K，截距為2qe/K2(q+qe)dq=Kdτ(q+qe)2=K(τ

+τ

e)微分上式得qdτ/dq2qe/K由斜率=2/K，求出K;由截距=2qe/K，求出qe；由q2+2qqe=Kτ

，τ

=0，q=0，求出τ

e=

qe2/K。測定時采用恒壓試驗，恒壓過濾方程為：

七、過濾常數(shù)的測定

采用Δτ/Δq代替dτ/dq，在過濾面積一定時，記錄下時間τ和累計的濾液量V，并由此計算一系列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。qτ/q2qe/K注意：橫坐標(biāo)q的取值。實驗數(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需在不同壓強差下對指定物料進(jìn)行試驗，求得若干過濾壓強差下的K，然后對K-Δp數(shù)據(jù)加以處理，即可求得s

值。lg(Δp)lg(K)lg(2k)qτ/q2qe/K壓縮指數(shù)s的測定工業(yè)上使用的典型過濾設(shè)備：按操作方式分類：間歇過濾機、連續(xù)過濾機按操作壓強差分類：壓濾、吸濾和離心過濾板框壓濾機（間歇操作）轉(zhuǎn)筒真空過濾機（連續(xù)操作）過濾式離心機八、過濾設(shè)備結(jié)構(gòu)：濾板、濾框、夾緊機構(gòu)、機架等組成。濾板：凹凸不平的表面，凸部用來支撐濾布，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

為了避免這兩種板和框的安裝次序有錯，在鑄造時常在板與框的外側(cè)面分別鑄有一個、兩個或三個小鈕。非洗滌板為一鈕板，框帶兩個鈕板，框帶兩個鈕，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

板框過濾機的操作是間歇式的，每個操作循環(huán)由裝合、過濾、洗滌、卸渣、整理五個階段。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，然后用手動的或機動的壓緊裝置固定，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)每個濾框里。濾液穿過濾布沿濾板的凹槽流至每個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，洗滌速率約為過濾終了速率的1/4。為什么？結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，占地面積小，過濾面積大?？筛鶕?jù)需要增減濾板的數(shù)量，調(diào)節(jié)過濾能力。對物料的適應(yīng)能力較強，由于操作壓力較高（3~10kg/cm2），對顆粒細(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，勞動強度大，所以它只適用于小規(guī)模生產(chǎn)。近年出現(xiàn)了各種自動操作的板框壓濾機，使勞動強度得到減輕。板框壓濾機的特點：結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)筒，扇形格(18格)；

濾室；分配頭；動盤(18個孔，分別與扇形格的18個通道相連)；定盤(三個凹槽：濾液真空凹槽、洗水真空凹槽、壓縮空氣凹槽，分別將動盤的18個孔道分成三個通道)；金屬網(wǎng)；濾布；濾漿槽。工作過程轉(zhuǎn)筒真空過濾機結(jié)構(gòu)示意圖動盤定盤轉(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（rotary-drumvacuumfilter）110987654321817161514131112動盤轉(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，其過濾推動力較低(最高只有1atm)，對于濾餅阻力較大的物料適應(yīng)能力較差。

轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)時，藉分配頭的作用，能使轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)一周的過程中，每個小過濾室可依次進(jìn)行過濾、洗滌、吸干、吹松卸渣等項操作。整個轉(zhuǎn)筒圓周在任何瞬間都劃分為:特點：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(suspended-basketcentrifuge)

轉(zhuǎn)鼓濾餅濾布濾網(wǎng)離心過濾機工作原理圖轉(zhuǎn)鼓(上有小孔，亦稱懸框)；濾網(wǎng)；濾布；機架。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（centrifugalfilter）過濾方程及壓力的計算采用恒壓過濾方程式：(q+qe)2=K(τ+τe)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，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。活塞推渣器與加料斗一齊作往復(fù)運動，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)運動是先向前推，馬上后退，經(jīng)過一段時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：4往復(fù)活塞推渣離心機（reciprocating-pushercentrifuge）離心力自動卸料離心機，又稱為錐籃離心機

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，靠離心力甩向濾筐；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，經(jīng)過洗滌段和干燥段。最后從頂端排出。5離心力自動卸渣離心機（conicalbasketcentrifuge）特點：離心力,F重力,mg摩擦力,f支承力,Nxy結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，功率消耗小。對懸浮液的濃度和固體顆粒大小的波動敏感。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。為什么會自動卸料？設(shè)備名稱主要結(jié)構(gòu)工作過程特點、適用性生產(chǎn)能力計算板框壓濾機濾板、濾框、夾緊機構(gòu)、機架裝合、過濾、洗滌、卸渣、整理加壓過濾，推動力較大結(jié)構(gòu)簡單，造價低；過濾面積大，能耗少；為間歇操作，推動力較大；洗滌時間長，生產(chǎn)效率低。應(yīng)用范圍廣。對原料的適應(yīng)性強轉(zhuǎn)鼓真空過濾機轉(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，推動力較??；連續(xù)化生產(chǎn)，自動化程度高，推動力小，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轉(zhuǎn)鼓(濾網(wǎng)、濾布)、機架過濾、洗滌、卸渣等離心過濾，推動力最大；濾液濕度小。應(yīng)用廣泛，適應(yīng)性強。儀器設(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——過濾終了時所得濾液體積，m3由恒壓過濾方程知，過濾終了時的過濾速率為：洗滌速率：單位時間內(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、過濾機的生產(chǎn)能力

1洗滌速率的計算若洗滌液粘度和洗滌時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：對于轉(zhuǎn)筒真空過濾機，洗滌速率與過濾終了速率相等對于板框過濾機，洗滌速率等于過濾終了速率的1/4生產(chǎn)能力:單位時間內(nèi)獲得的濾液體積。對于間歇過濾機，一個過濾循環(huán)包括過濾、洗滌、卸渣、清理、重裝等步驟。通常把卸渣、清理、重裝等所用的時間合在一起稱為輔助時間τD

。一個循環(huán)時間T=τ+τW+τD。其中只有過濾時間真正用于過濾。2間歇過濾機的生產(chǎn)能力式中V——一個操作循環(huán)內(nèi)所獲得的濾液體積，m3；

Q——生產(chǎn)能力，m3/h；

T——一個循環(huán)時間。T=τ+τW+τD

如果以濾液量Q表示生產(chǎn)能力，則有浸沒度ψ：轉(zhuǎn)筒真空過濾機的轉(zhuǎn)筒表面浸入濾漿中的分?jǐn)?shù)以轉(zhuǎn)筒真空過濾機為例，轉(zhuǎn)筒在任何時候總有一部分表面浸沒在濾漿中進(jìn)行過濾。有效過濾時間τ：某一瞬時開始進(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，這一段時間為該表面旋轉(zhuǎn)一周的有效過濾時間。3連續(xù)過濾機的生產(chǎn)能力由于轉(zhuǎn)筒式真空過濾機為