1、化工原理化工原理 第三章 非均相物系的分离过滤沉降分离离心机 知识目标掌握沉降分离和过滤设备（包括沉降室、旋风分离器、过滤机）的设计或选型。理解沉降分离和过滤的原理、过程的计算、影响沉降分离的因素及恒压过滤过程的计算。熟悉典型过滤设备的特点与生产能力的计算以及提高过滤设备生产能力的途径及措施。了解其他分离设备的结构与选型。第三章 非均相物系的分离 能力目标通过本章的学习，能够运用非均相混合物分离的基本原理，进行沉降和过滤过程的有关计算，并根据工艺要求和物系特性进行分离设备的设计和选型，确定适宜的操作条件。第三章 非均相物系的分离 工业生产过程中，为了满足工艺和产品的要求，在很多情况下需要对混合
2、物进行分离，如原料的净化去杂；反应产物的分离提纯；生产中的废气、废液、废渣在排放前进行有害物质的处理等。为了实现这些分离过程，必须根据混合物性质的不同而采用不同的方法进行操作。生产中常遇到的混合物可分为两类，即均相混合物（或称均相物系）和非均相混合物（或称非均相物系）。均相混合物是指物系内各处组成均匀且不存在相界面的混合物，如溶液及混合气体属于此类。均相混合物的分离采用吸收、蒸馏等传质分离方法。第三章 非均相物系的分离 非均相混合物是指体系内包含两个或两个以上的相，相界面两侧的物质性质不相同，如固体颗粒的混合物（颗粒间为气相分隔）；由固体颗粒与液体构成的悬浮液；由不相溶液体构成的乳浊液；由固体
3、颗粒（或液滴）与气体构成的含尘气体（或含雾气体）等。在非均相物系中，其中一相为分散物质，以微粒的形式分散于另一相中，称为分散相，而另一相为分散介质，包围在分散物质的粒子周围，处于连续状态，称为连续相。非均相混合物分离就是将分散相和连续相分开，在工业生产中的应用主要有以下几个方面：第三章 非均相物系的分离 （1）收集分散物质。例如,收集从气流干燥器或喷雾干燥器出来的气体以及从结晶器出来的晶浆中带有的固体颗粒，这些悬浮的颗粒作为产品必须回收。（2）净化分散介质。某些催化反应，原料气中夹带有杂质会影响催化剂的效能，必须在气体进反应器之前清除催化反应原料气中的杂质，以保证催化剂的活性。（3）环境保护与
4、安全生产。例如,对排放的废气、废液中的有害固体物质分离处理，使其达到规定的排放标准等。第三章 非均相物系的分离 第三章 非均相物系的分离由于非均相混合物的连续相和分散相存在着较大物理性质（如密度、黏度等）的差异，故可采用机械方法实现两相的分离，其方法是使分散相和连续相产生相对运动。常用的非均相混合物的分离方法有沉降、过滤、湿法除尘和静电分离等，本章重点介绍沉降和过滤的操作原理及设备。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离利用非均相混合物在重力场或离心场中，各不同组分所受到的重力或离心力不同，从而将各不同成分加以分离的操作称为沉降分离。沉降分离主要涉及由颗粒和流体组成的两相流动体系。流体和固体颗粒
5、之间的相对运动有三种情况：流体静止，固体颗粒作沉降运动；固体颗粒静止，流体对固体颗粒作绕流；流体和固体颗粒都运动，但两者保持一定的相对速度。沉降分离发生的前提条件是固体颗粒与流体之间存在密度差，同时有外力场存在。外力场有重力场和离心力场，因此沉降分离又分为重力沉降和离心沉降。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离 重力沉降分离一、颗粒在重力场中进行的沉降分离称为重力沉降，如浑浊的河水中的泥沙在重力的作用下慢慢降落后从分散介质中分离出来。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离（一）球形颗粒的自由沉降球形颗粒的沉降速度球形颗粒的沉降速度1.单个颗粒在无限大流体容器（直径大于颗粒直径100倍以上）中的沉
6、降过程，称为自由沉降。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离图3-1 沉淀粒子的受力情况将直径为d、密度为s的一个表面光滑的刚性球形颗粒置于密度为的静止的流体中，如果颗粒的密度大于流体的密度，则颗粒所受重力大于浮力，颗粒将在流体中降落。如图3-1所示，颗粒在沉降过程中受到三个力的作用，即向下的重力Fg、向上的浮力Fb与阻力Fd。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离 第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离静止流体中颗粒的沉降速度一般经历加速和恒速两个阶段。颗粒开始沉降的瞬间，初速度u为零，使得阻力为零，因此加速度a为最大值；颗粒开始沉降后，阻力随速度u的增加而加大，加速度a则相应减小，当速度达到某一
7、值ut时，阻力、浮力与重力平衡，颗粒所受合力为零，使加速度为零，此后颗粒的速度不再变化，开始做速度为ut的匀速沉降运动。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离由于小颗粒的比表面积很大，使得颗粒与流体间的接触面积很大，颗粒开始沉降后，在极短的时间内阻力便与颗粒所受的净重力（即重力减浮力）接近平衡。因此，颗粒沉降时加速阶段时间很短，对整个沉降过程来说往往可以忽略。匀速阶段中颗粒相对于流体的运动速度称为沉降速度ut，匀速阶段的受力平衡，即 Fg=Fb+Fd 第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离 第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离阻力系数阻力系数2.用式(3-5)计算沉降速度时，首先需要确定阻力系数值
8、。根据因次分析，是颗粒与流体相对运动时雷诺准数Re的函数，即 =f(Re)（3-6）所以 第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离图3-2 -Re关系曲线 第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离从图中可以看出，对球形颗粒（?s1），曲线按Re值大致分为三个区域，各区域内的曲线可分别用相应的关系式表达如下：层流区或斯托克斯区（10-4 Re1，便根据其大小改用相应的公式另行计算ut，所算出的ut也要核验，直至确认所用的公式适合为止。同理，已知沉降速度，也可计算沉降颗粒的直径。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离写出计算自由沉降速度的斯托克斯公式，说明此公式的应用条件，简述计算沉降速度要用试差法的理由。
9、思考题思考题3-13-1 第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离干扰沉降干扰沉降1.（一）影响沉降速度的因素上面得到的式（3-11）、式（3-12）和式（3-13）是表面光滑的刚性球形颗粒在流体中作自由沉降时的速度计算式。若颗粒含量较高，颗粒之间的距离很小，即使没有相互接触，颗粒沉降时也会受到其他颗粒的影响，这种沉降称为干扰沉降。由于颗粒下沉时，流体被置换而向上流动，阻滞了相邻颗粒的沉降，故干扰沉降要比自由沉降的速度小。混合物中颗粒的体积分数超过0.1，干扰沉降的影响便开始明显化。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离器壁效应器壁效应2.容器的壁面和底面会对沉降的颗粒产生曳力，使颗粒的实际沉降速度
10、低于自由沉降速度。当容器尺寸远远大于颗粒尺寸时（如大100倍以上），器壁效应可以忽略，否则，则应考虑器壁效应对沉降速度的影响。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离粒形状的影响粒形状的影响3.同一种固体物质，球形或近球形颗粒比同体积的非球形颗粒的沉降要快一些。非球形颗粒的形状及其投影面积A均对沉降速度有影响。球形度用来表征颗粒形状与球形的差异程度，即 第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离式中 s颗粒的球形度，无因次；S与实际颗粒体积相等的球形颗粒的表面积，m2；Sp实际颗粒的表面积，m2。由图3-2可知，相同Re下，颗粒的球形度越小，阻力系数越大，但s值对的影响在层流区内并不显著。随着Re的增大
11、，这种影响逐渐变大。对于非球形颗粒，Re中的直径要用实际颗粒的当量直径de代替。【例例3-13-1】第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离 第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离 第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离降尘室降尘室1.（三）重力沉降设备降尘室是依靠重力沉降从气流中分离出尘粒的设备。最常见的降尘室如图3-3所示。图3-3 降尘室 第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离图3-4 尘粒在降尘室内的运动情况含尘气体进入降尘室后，颗粒随气流有一水平向前的运动速度u，同时，在重力作用下，以沉降速度ut向下沉降。只要颗粒能够在气体通过降尘室的时候降至室底，便可从气流中分离出来。颗粒在降尘室的运动情况
12、如图3-4所示。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离设降尘室的长度为l（m）,宽度为b（m）,高度为H（m）,降尘室的生产能力（即含尘气通过降尘室的体积流量）为qs（m3/s），气体在降尘室内的水平通过速度为u（m/s）。则位于降尘室最高点的颗粒沉降到室底所需的时间为 第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离 第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离式(3-17)表明，理论上降尘室的生产能力只与其沉降面积bl及颗粒的沉降速度ut有关，而与降尘室高度H无关。所以降尘室一般设计成扁平形，或在室内均匀设置多层水平隔板，构成多层降尘室。多层降尘室如图3-5 所示。通常隔板间距为40100mm。第一节第一节 沉
13、沉 降降 分分 离离图3-5 多层降尘室 第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离降尘室结构简单，流体阻力小，但体积庞大，分离效率低，通常只适用于分离粒度大于50mm的粗粒，一般作为预除尘使用。多层降尘室虽能分离较细的颗粒且节省占地面积，但清灰卸料比较麻烦。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离降尘室的生产能力与哪些因素有关？为什么降尘室通常制成扁平形或多层？降尘室适用于分离直径为多大的颗粒？降尘室的高度如何确定？思考题思考题3-23-2 第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离沉降槽沉降槽2.沉降槽是利用重力沉降来提高悬浮液浓度并同时得到澄清液体的设备。所以，沉降槽又称为增浓器和澄清器。沉降槽可间歇操
14、作也可连续操作。间歇沉降槽通常是带有锥底的圆槽。需要处理的悬浮液在槽内静置足够时间后，增浓的沉渣由槽底排出，清液则由槽上部排出管抽出。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离连续沉降槽是底部略呈锥状的大直径浅槽，如图3-6所示。悬浮液经中央进料口送到液面以下0.31.0m处，在尽可能减小扰动的情况下，迅速分散到整个横截面上，固体颗粒下沉至底部，槽底有徐徐旋转的耙将沉渣缓慢地聚拢到底部中央的排渣口连续排出,排出的稠浆称为底流。液体向上流动，清液经由槽顶端四周的溢流堰连续流出，称为溢流。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离 图3-6 连续沉降槽1.进料槽道 2.料井 3.溢流槽 4.溢流管 5.叶片
15、6.转耙 第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离连续沉降槽的直径，小的为数米，大的可达数百米；深度为2.54m。有时将数个沉降槽垂直叠放，共用一根中心竖轴带动各槽的转耙。这种多层沉降槽可以节省地面，但操作控制较为复杂。连续沉降槽适合于处理量大、浓度不高、颗粒不太细的悬浮液，常见的污水处理就是一例。经沉降槽处理后的沉渣内仍有约50%的液体。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离 离心沉降分离二、惯性离心力作用下实现的沉降过程称为离心沉降。对于两相密度差较小，或颗粒较细的非均相物系，在离心力场中可得到较好的分离。通常，气固非均相物质的离心沉降是在旋风分离器中进行的，液固悬浮物系的离心沉降可在旋液分离器
16、或离心机中进行。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离（一）惯性离心力作用下的沉降速度当流体围绕某一中心轴作圆周运动时，便形成了惯性离心力场。在半径为R、切向速度为uT的位置上，离心加速度为u2T/R。可见，离心加速度不是常数，随位置及切向速度而变，其方向是沿旋转半径从中心指向外周。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离当流体带着颗粒旋转时，如果颗粒的密度大于流体的密度，则惯性离心力将会使颗粒在径向上与流体发生相对运动而飞离中心。和颗粒在重力场中受到三个作用力相似，惯性离心力场中颗粒在径向上也受到三个力的作用，即惯性离心力Fc、向心力Fb(相当于重力场中的浮力，其方向为沿半径指向旋转中心)和阻力F
17、d(与颗粒的离心沉降运动方向相反，其方向为沿半径指向中心)。如果球形颗粒的直径为d、密度为s，流体密度为，颗粒与中心轴的距离为R，切向速度为uT，则 第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离 第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离比较式(3-5)与式(3-18)可以看出，颗粒的离心沉降速度ur与重力沉降速度ut具有相似的关系式，若将重力加速度g用离心加速度u2T/R代替，则式(3-5)便成为式(3-18)。但是离心沉降速度ur不是颗粒运动的绝对速度，而是绝对速度在径向上的分量，且方向不是向下而是沿半径向外；另外，离心沉降速度ur随位置而变，不是恒定值，而重力沉降速度ut则是恒定不变的。离心沉降时，若
18、颗粒与流体的相对运动处于层流区，阻力系数可用式(3-8)表示，于是可得 第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离旋风分离器旋风分离器1.（二）离心沉降分离设备图3-7称为标准旋风分离器，其主体的上部为圆筒形，下部为圆锥形。各部位尺寸均与圆筒直径成比例，比例标注于图中。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离图3-7 标准旋风分离器 第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离含尘气体由圆筒上部的进气管切向进入，速度为1225m/s,受器壁的约束由上向下作螺旋运动。在惯性离心力作用下，颗粒向器壁作离心沉降，达器壁后沿壁面落至锥底的排灰口而与气流分离。净化后的气体在中心轴附近由下而上作内螺旋运动，最后由顶部排气管
19、排出。旋风分离器内的压力在器壁附近最高，往中心逐渐降低，至达气芯处常降为负压，其压力低于气体出口压力，要求出口或集尘室密封良好，以防气体漏入而降低除尘效果。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离旋风分离器结构简单，造价低廉，没有活动部件，操作范围广，分离效率较高，所以至今仍在化工、采矿、冶金、机械、轻工等行业广泛采用。旋风分离器一般用来除去气流中直径在5 m以上的颗粒。对颗粒含量高于200g/m3的气体，由于颗粒的聚结作用，它甚至能除去3m以下的颗粒。评价旋风分离器性能的主要指标是从气流中分离颗粒的效果及气体经过旋风分离器的压力降。分离效果可用临界粒径和分离效率来表示。第一节第一节 沉沉 降降
20、分分 离离（1）临界粒径。临界粒径是指理论上能够完全被旋风分离器分离下来的最小颗粒直径。它是判断旋风分离器分离效率高低的重要依据之一。临界粒径越小，说明旋风分离器的分离性能越好。临界粒径的计算式为式中 dc临界粒径,m；ui含尘气体的进口气速，m/s；B旋风分离器的进口宽度，m；Ne气流的旋转圈数，其值一般为0.53.0，标准旋风分离器的Ne为5；s颗粒的密度，kg/m3；流体的黏度，Pas。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离（2）分离效率。旋风分离器的分离效率有两种表示法，一是总效率；二是粒级效率。总效率是指进入旋风分离器的全部颗粒中被分离下来的质量分率。总效率是工程中最常用的，也是最易于
21、测定的分离效率。但这种表示方法的缺点是不能表明旋风分离器对各种尺寸粒子的不同分离效率。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离粒级效率是指某一粒径的颗粒被分离下来的质量分率。理论上，直径大于及等于dc 的颗粒，粒级效率均为1，小于dc的颗粒，粒级效率均为0。实际上，直径大于dc的颗粒中会有一部分由于气体涡流的影响，在没有到达器壁时就被气流带出了器外，或者沉降后又重新卷起，导致它们的粒级效率小于1；而直径小于dc的颗粒有一部分由于沉降过程中结聚成大颗粒，或沉降距离小于B等原因。有一定的分离效率，故实际的粒级效率对d/dc的关系如图3-8所示。该曲线称为粒级效率曲线。这种曲线可通过实测旋风分离器进、出
22、气流中所含尘粒的浓度及粒度分布而获得。图3-8中d50指粒级效率为50%时对应的粒径。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离图3-8 标准旋风分离器的粒级效率 第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离（3）压力降。气体经旋风分离器时，由于进气管和排气管及主体器壁所引起的摩擦阻力，流动时的局部阻力以及气体旋转运动所产生的动能损失等原因，造成气体的压力降。可用下式表示，即式中 比例系数，亦即阻力系数。对于同一结构型式及尺寸比例的旋风分离器，为常数，不因尺寸大小而变。如图3-7所示的标准旋风分离器，其阻力系数8.0。压强降太小，进口气速偏低，分离效率下降；压强降太大，动力消耗偏高。旋风分离器的压降一般为5
23、002000Pa。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离为什么旋风分离器的直径D不宜太大？当处理的含尘气体量大时，采用旋风分离器除尘，要达到工业要求的分离效果，应采取什么措施？旋风分离器的生产能力及效率受哪些因素的影响？它一般适用于分离直径为多少的颗粒？两台尺寸相同的旋风分离器串联可否提高除尘效率？思考题思考题3-33-3 第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离旋风分离器的性能不仅受含尘气的物理性质、含尘浓度、粒度分布及操作条件的影响，还与设备的结构尺寸密切相关。只有各部分结构尺寸恰当，才能获得较高的分离效率和较低的压力降。鉴于以上考虑，对标准旋风分离器加以改进，设计出一些新的结构型式，如型、XL
24、P型、扩散式等。目前我国对各种类型的旋风分离器已制定了系列标准，各种型号旋风分离器的尺寸和性能均可从有关资料和手册中查到。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离选择旋风分离器时，首先应根据具体的分离含尘气体任务，结合各型设备的特点，选定旋风分离器的型式，而后通过计算决定尺寸与个数。设备的尺寸可根据含尘气的体积流量决定，由压强降计算进口气速，即可算出旋风分离器进口尺寸，从而按比例确定其直径。但应注意，同一型式中尺寸越大，其分离效率将越低，故需根据设备直径估算其分离效率是否符合要求。若达不到要求则改用尺寸较小的设备，采用两个或多个并联操作。当几种型号的旋风分离器可同时满足生产能力和压降要求时，则应比
25、较其除尘效率并参考价格。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离旋液分离器旋液分离器2.旋液分离器又称水力旋流器，是利用离心沉降原理从悬浮液中分离固体颗粒的设备，它的结构与操作原理和旋风分离器类似，但其直径小而圆锥部分长。因为液固密度差比气固密度差小，在一定的切线进口速度下，较小的旋转半径可使颗粒受到较大的离心力而提高沉降速度；同时，锥形部分加长可增大液流的行程，从而延长了悬浮液在器内的停留时间，有利于液固分离。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离悬浮液经入口管沿切向进入圆筒部分。向下作螺旋形运动，固体颗粒受惯性离心力作用被甩向器壁，随下旋流降至锥底的出口，由底部排出的增浓液称为底流；清液或含有微
26、细颗粒的液体则为上升的内旋流，从顶部的中心管排出，称为溢流。内层旋流中心有一个处于负压的气柱。第一节第一节 沉沉 降降 分分 离离旋液分离器不仅可用于悬浮液的增浓、分级，而且还可用于不互溶液体的分离、气液分离以及传热、传质和雾化等操作中，因而在多种工业领域中应用广泛。旋液分离器中颗粒沿器壁快速运动，对器壁产生严重磨损，因此，旋液分离器应采用耐磨材料制造或采用耐磨材料作内衬。第二节第二节 过过 滤滤过滤是在外力作用下，使悬浮液中的液体通过多孔介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固、液分离的操作。其中多孔介质称为过滤介质，所处理的悬浮液称为滤浆或料浆，滤浆中被过滤介质截留的固体颗粒称为滤
27、渣或滤饼，滤浆中通过滤饼及过滤介质的液体称为滤液。实现过滤操作的外力可以是重力、压力差或惯性离心力。在化工中应用最多的是以压力差为推动力的过滤。第二节第二节 过过 滤滤 过滤操作的基本概念一、（一）过滤方式工业上的过滤操作主要分为饼层过滤和深层过滤两种。第二节第二节 过过 滤滤饼层过滤饼层过滤1.固体物质被拦截在过滤介质表面而形成滤饼层的过滤称为饼层过滤。过滤介质中微细孔道的尺寸可能大于悬浮液中部分小颗粒的尺寸，因而，过滤之初会有一些细小颗粒穿过介质而使滤液浑浊，但是不久颗粒会在孔道中发生“架桥”现象（如图3-9所示），使小于孔道尺寸的细小颗粒也能被截留，此时滤饼开始形成，并成为对后续颗粒起主
28、要截留作用的介质。随着过滤的进行，饼层厚度在增加，过滤阻力也随之增加，过滤难度提高。故滤饼积聚到一定程度后，应从介质表面除去。饼层过滤适用于处理固体含量较高(固相体积分率约在1%以上)的悬浮液。第二节第二节 过过 滤滤图3-9 架桥现象 第二节第二节 过过 滤滤深层过滤深层过滤2.在深层过滤中，过滤介质是很厚的颗粒床层，当颗粒随流体在床层内的曲折孔道中流过时，在表面力和静电的作用下附着在孔道壁上。其特点是过滤时并不形成滤饼，悬浮液中的固体颗粒沉积于过滤介质床层内部，悬浮液中的颗粒尺寸小于床层孔道尺寸。这种过滤适用于处理固体颗粒含量极少（固相体积分离在0.1%以下），颗粒很小的悬浮液。自来水厂饮
29、水的净化及从合成纤维丝液中除去极细的固体物质等均采用这种过滤方法。化工中所处理的悬浮液固相浓度往往较高，故本节只讨论饼层过滤。第二节第二节 过过 滤滤（二）过滤介质过滤介质的作用是拦截固体颗粒，支撑滤饼，并使液体通过。对其基本要求是具有足够的机械强度、一定的空隙率和尽可能小的流动阻力，同时，还应具有相应的耐腐蚀性和耐热性。工业上常用的过滤介质的有以下几种：（1）织物介质(又称滤布或滤网)。织物介质是指由棉、毛、丝、麻等天然纤维及合成纤维制成的织物以及由玻璃丝、金属丝等织成的网。这类介质能截留颗粒的最小直JP径为565m。织物介质在工业上应用最为广泛。第二节第二节 过过 滤滤（2）堆积介质。堆积
30、介质是由各种固体颗粒(砂、木炭、石棉、硅藻土)或非编织纤维等堆积而成的，多用于深层过滤中。（3）多孔固体介质。多孔固体介质是具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶瓷、多孔塑料及多孔金属制成的管或板，能截拦13 m的微细颗粒。（4）多孔膜。多孔膜是指用于膜过滤的有各种有机高分子膜和无机材料膜。广泛使用的是醋酸纤维素和芳香聚酰胺系两大类有机高分子膜。第二节第二节 过过 滤滤（三）滤饼的压缩性和助滤剂颗粒如果是不易变形的坚硬固体(如硅藻土、碳酸钙等)，则当滤饼两侧的压强差增大时，颗粒的形状和颗粒间的空隙不会发生明显变化，这类滤饼称为不可压缩滤饼。相反，如果滤饼中的固体颗粒受压会发生变形，使滤饼中流动通
31、道变小，阻力增大，如一些胶体物质，当滤饼两侧的压强差增大时，颗粒的形状和颗粒间的空隙会有明显的改变，这种滤饼为可压缩滤饼。助滤剂是某种质地坚硬而能形成疏松饼层的固体颗粒或纤维状物质，将其混入悬浮液或预涂于过滤介质上，可以改善饼层的性能，使滤液得以畅流。第二节第二节 过过 滤滤一般只有在以获得清净滤液为目的时，才使用助滤剂。常用的助滤剂有粒状（如硅藻土、珍珠岩粉、碳粉或石棉粉等）和纤维状（如纤维素、石棉等）两大类。第二节第二节 过过 滤滤简述工业上对过滤介质的要求及常用的过滤介质种类。何谓饼层过滤？其适用何种悬浮液？思考题思考题3-43-4 第二节第二节 过过 滤滤滤液通过饼层的流动特点滤液通过
32、饼层的流动特点1.过滤的基本方程式二、（1）非稳态过程。过滤操作中，滤饼厚度随过程进行而不断增加，若过滤过程中维持操作压力不变，则随滤饼增厚，过滤阻力加大，滤液通过的速度将减小；若要维持滤液通过速率不变，则需不断增大操作压力。（2）层流流动。由于构成滤饼层的颗粒尺寸通常很小，形成的滤液通道不仅细小曲折，而且相互交联，形成不规则的网状结构，所以滤液在通道内的流动阻力很大流速很小，多属于层流流动的范围。第二节第二节 过过 滤滤过滤速率与过滤速度过滤速率与过滤速度2.通常将单位时间获得的滤液体积称为过滤速率，单位为m3/s。过滤速度是单位时间内单位过滤面积获得的滤液体积。若过滤过程中其他因素维持不变
33、，则由于滤饼厚度不断增加过滤速度会逐渐变小。任一瞬间的过滤速度应写成如下形式：第二节第二节 过过 滤滤式中 u过滤速度，m3/s或m/s；V滤液体积，m3；过滤时间，s；A过滤面积，m2；q单位过滤面积上获得的滤液体积，q=V/A，m3/m2。第二节第二节 过过 滤滤过滤的基本方程式过滤的基本方程式3.过滤的基本方程是描述滤液体积V随着过滤时间的变化关系，用来计算一定过滤时间所获得滤饼或滤液体积。从上面的讨论中可知，在饼层过滤中，随着过滤时间的增长，滤饼厚度不断增加，过滤阻力亦随之增大，若过滤过程中维持操作压力不变，过滤速度将会逐渐变小。因此恒压差的过滤过程，过滤速度为一变值。过滤的基本方程式
34、可表示成如下形式：第二节第二节 过过 滤滤 第二节第二节 过过 滤滤恒压过滤方程式恒压过滤方程式4.若过滤操作是在恒定压力差下进行的，则称为恒压过滤。恒压过滤是最常见的过滤方式。连续过滤机内进行的过滤都是恒压过滤，间歇过滤机内进行的过滤也多为恒压过滤。恒压过滤时，滤饼不断变厚致使阻力逐渐增加，但推动力p恒定，因而过滤速率逐渐变小。恒压过滤时，对于一定的悬浮液，若滤饼为不可压缩滤饼，则p、r及v皆可视为常数，故设 第二节第二节 过过 滤滤 第二节第二节 过过 滤滤恒压过滤方程式中的K是由物料特性及过滤压力差所决定的常数，称为过滤常数，其单位为m2/s，Ve与qe是反映过滤介质阻力大小的常数，均称
35、为介质常数，单位分别为m3及m3/m2，三者总称为过滤常数，其数值由实验测定。第二节第二节 过过 滤滤 过滤设备三、在工业生产中，需要过滤的悬浮液的性质有很大差别，生产工艺对过滤的要求也各不相同，因此，为适应各种不同的要求开发了多种形式的过滤机。应用最广泛的过滤设备是以压差为推动力的过滤机，典型的有压滤机、叶滤机和转筒过滤机。其中压滤机和叶滤机的操作是间歇式的，而转筒过滤机的操作为连续式的。第二节第二节 过过 滤滤板框压滤机板框压滤机1.板框式压滤机在工业生产中应用最早，至今仍普遍使用。它由多块带凹凸纹路的滤板和滤框交替排列组装于机架上而构成，如图3-10所示。板和框一般制成正方形，如图3-1
36、1所示。板和框的角端均开有圆孔，滤框右上角的孔开有小通道，与框内的空间相通，滤浆可由此进入。框的两侧覆以滤布，空框与滤布围成了容纳滤浆及滤饼的空间。滤板又分为洗涤板与非洗涤板两种，其中洗涤板左上角的空上有小通道与板面的两侧相通，洗涤液可由此进入。为了便于区别，常在板、框外侧铸小钮，非洗涤板为一钮，框为二钮，洗涤板为三钮，装合时按12321232的顺序排列板和框。第二节第二节 过过 滤滤 图3-10 板框压滤机简图（暗流式）1.固定机头 2.滤布 3.滤板 4.滤框 5.滑动机头 6.机架 7.滑动机头板8.固定机头板 9.机头连接机构 第二节第二节 过过 滤滤 图3-11 滤板和滤框1.悬浮液
37、通道 2.洗涤液入口通道 3.滤液通道 4.洗涤液出口通道 第二节第二节 过过 滤滤压紧装置的驱动可用手动、电动或液压传动等方式。滤液的排出方式分为明流和暗流两种：明流就是通过滤板上的滤液阀排到压滤机下部的敞口槽，滤液是可见的，可用于需检验滤液质量的过滤；暗流压滤机的滤液在机内汇集后由总管排出机外，暗流常用于易挥发性滤液和含有有毒气体的悬浮液。过滤时，悬浮液在指定的压力下经滤浆通道由滤框角端的暗孔进入框内，滤液分别穿过两侧滤布，再经邻板板面流到滤液出口排走，固体则被截留于框内，待滤饼充满滤框后，即停止过滤，如图3-12（a）所示。第二节第二节 过过 滤滤图3-12 板框压滤机内液体流动路径（明
38、流式）第二节第二节 过过 滤滤若滤饼需要洗涤，可将洗水压入洗水通道，经洗涤板角端的暗孔进入板面与滤布之间。此时，应关闭洗涤板下部的滤液出口，洗水便在压力差推动下穿过一层滤布及整个厚度的滤饼，然后再横穿另一层滤布，最后由过滤板下部的滤液出口排出，如图3-12（b）所示。这种操作方式称为横穿洗涤法，其作用在于提高洗涤效果。洗涤结束后，旋开压紧装置并将板框拉开，卸出滤饼，清洗滤布，重新组合，进入下一个操作循环。第二节第二节 过过 滤滤板框压滤机的操作表压一般在0.30.8MPa的范围内。滤板和滤框可由金属材料(如铸铁、碳钢、不锈钢、铝等)、塑料及木材制造。我国制定的压滤机规格系列中，框的厚度为为25
39、50mm，框每边长为3201000mm。框的数目可从几块到50块以上，随生产能力而定。我国已有板框压滤机系列标准及规定代号，如BMS20/635-25，其中B表示板框压滤机，M表示明流式（若为A，则表示暗流式），S表示手动压紧（若为Y，则表示液压压紧），20表示过滤面积为20 m2，635表示滤框边长为635mm的正方形，25表示滤框的厚度为25mm。在板框压滤机系列中，框每边长3201000mm，厚度为2550mm。第二节第二节 过过 滤滤板框压滤机的优点是结构简单，制造方便，占地面积较小而过滤面积较大，操作压力高，适应能力强，故应用颇为广泛。它的主要缺点是间歇操作，生产效率低，劳动强度大，
40、滤布损耗也较快。近来，各种自动操作板框压滤机的出现，使上述缺点在一定程度上得到改善。第二节第二节 过过 滤滤简述板框压滤机的结构、操作和洗涤过程，并分析其特点。思考题思考题3-53-5 第二节第二节 过过 滤滤厢式压滤机厢式压滤机2.厢式压滤机如图3-13所示，与板框压滤机外表相似，但厢式压滤机仅由滤板组成。没有滤框，每块滤板的两侧中部均凹陷，所以压紧后两滤板之间组成了过滤室。料浆通过中心孔加入，滤液在下角排除，带有中心孔的滤布覆盖在滤板上，滤布的中心加料孔部位压紧在两壁面上或把两壁面的滤布用编织管缝合。第二节第二节 过过 滤滤 图3-13 厢式压滤机示意图1.端头 2.滤板 3.滤饼空间 4
41、.滤布厢式过滤机的操作方式与板框过滤机相同，其优点是卸渣方便，自动化程度较高。第二节第二节 过过 滤滤叶滤机叶滤机3.叶滤机是由许多不同的长方形或圆形滤叶装在能承受内压的密闭机壳内而成。滤叶由金属多孔板或金属网制造，内部具有空间，外罩滤布，如图3-14所示。滤浆用泵压送到机壳内，滤叶为滤浆所浸没，滤浆中的液体在压力作用下穿过滤布进入滤叶内部，汇集至总管后排出机外，颗粒则积于滤布外侧形成滤饼。滤饼的厚度通常为535mm，视滤浆性质及操作情况而定。第二节第二节 过过 滤滤图3-14 加压叶滤机结构图 第二节第二节 过过 滤滤若滤饼需要洗涤，则于过滤完毕后通入洗水，洗水的路径与滤液相同，这种洗涤方法
42、称为置换洗涤法。洗涤过后打开机壳上盖，拨出滤叶卸除滤饼。叶滤机的优点是过滤速度大，洗涤效果好，占地省，其生产能力可以比压滤机大，而且机械化程度较高，节约劳动力，密闭过滤使操作环境得到了改善。它的主要缺点是构造复杂，造价较高，而且滤饼中粒度差别较大的颗粒可能分别积聚于不同的高度，使洗涤不易均匀。第二节第二节 过过 滤滤转筒真空过滤机转筒真空过滤机4.转筒真空过滤机是一种工业上应用较广的连续操作吸滤型过滤机械。设备的主体是一个能转动的水平圆筒，筒壁上覆盖有金属网，滤布支承在网上，筒的下部浸入滤浆中。转筒的构造如图3-15所示，筒壁按周边平分为若干段，各段均有管通至轴心处，但各段在筒内并不相通。圆筒
43、的一端有分配头装于轴心处，分配头是转筒真空过滤机的关键部件，它由紧密贴合的转动盘与固定盘构成。第二节第二节 过过 滤滤 图3-15 转筒及分配头的结构1.转筒 2.滤饼 3.刮刀 4.转动盘 5.固定盘 6.吸走滤液的真空凹槽7.吸走洗水的真空凹槽 8.通入压缩空气的凹槽 第二节第二节 过过 滤滤转动盘上的每一孔各与转筒表面的一段相通。转动盘随着筒体一起旋转，固定盘不动，其内侧面各凹槽分别与各种不同作用的管道相通。如图3-16所示。固定盘上有三个凹槽，通过管道分别于滤液罐、洗水罐（两者处于以上真空之下）及鼓风机稳定罐相连通。当转动盘上的某几个孔与固定盘上的凹槽6相遇时，则转筒表面与这些孔相连的
44、几段便与滤液灌接通，滤液可从这几段吸入，同时滤饼即沉积于其上。滤饼厚度一般不超过4060mm。第二节第二节 过过 滤滤图3-16 转筒真空过滤机的操作流程 第二节第二节 过过 滤滤转筒的过滤面积一般为540m2，浸没部分占总面积的30%40%。转速可在一定范围内调整，通常为0.13r/min。滤饼厚度一般保持在40mm以内，转筒过滤机所得滤饼中的液体含量很少低于10%，常可达30%左右。转筒真空过滤机能连续自动操作，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，对难以过滤的胶体物系或细微颗粒的悬浮液，若采用预涂助滤剂措施也比较方便。但转筒真空过滤机附属设备较多，过滤面积不大，此外，由
45、于它是真空操作，因而过滤推动力有限，尤其不能过滤温度较高(饱和蒸气压高)的滤浆，滤饼的洗涤也不充分。第二节第二节 过过 滤滤 滤饼的洗涤四、洗涤滤饼的目的是回收滞留在颗粒缝隙间的滤液，或净化构成滤饼的颗粒。洗涤时，滤饼层的厚度不变，流动阻力不变，所以恒压下的过滤速率恒定不变。单位时间内消耗的洗水容积称为洗涤速率。若洗涤液用量为Vw（m3），则所需洗涤时间为 第二节第二节 过过 滤滤对于连续式过滤机及叶滤机等所采用的是置换洗涤法，洗水与过滤终了时的滤液流过的路径相同，而且洗涤与过滤面积也相同，故洗涤速率应等于过滤终了时的过滤速率，即 第二第二 节过节过 滤滤 过滤机的生产能力五、过滤机的生产能力
46、通常是指单位时间获得的滤液体积。各种类型的过滤机在结构和操作上各有其特点，在计算生产能力时，要结合这些特点进行，下面分别讨论间歇式和连续式过滤机的生产能力。第二节第二节 过过 滤滤间歇过滤机的生产能力间歇过滤机的生产能力1.间歇过滤机的特点是在整个过滤机上依次进行一个过滤循环中的过滤、洗涤、卸渣、清理、装合等操作。一个操作周期的总时间为 T=+w+D式中 T一个操作循环的时间，即操作周期，s；一个操作循环内的过滤时间，s，可由恒压过滤方程式计算；w一个操作循环内的洗涤时间，s，可采用式（3-35）计算；D一个操作循环内的卸渣、清理、装合等辅助操作所需时间，s，与过滤和洗涤速率无关。第二节第二节
47、 过过 滤滤在一个操作周期内，辅助操作时间D是固定的，与产量无关；而过滤和洗涤时间都随产量的变化而变化。若过滤时间短，则滤饼层厚度薄，过滤速率高，但辅助时间所占的比例大，而生产能力不一定大。反之，过滤时间延长则滤饼变厚，过滤的平均速率小，生产能力也不一定大。所以，对于一定的辅助操作时间，过滤时间有一个使生产能力最大的最佳值。板框过滤机的框厚度应据此最佳过滤时间生成的滤饼厚度来设计。第二节第二节 过过 滤滤理论上可以推导，若洗水用量与滤液体积成正比，在过滤介质阻力可以忽略的条件下，当过滤时间与洗涤时间之和等于辅助时间时，间歇过滤机的生产能力最大，此时的操作周期为最佳操作周期。即 D=+w （3-
48、39）第二节第二节 过过 滤滤连续过滤机的生产能力连续过滤机的生产能力2.连续过滤机（以转筒真空过滤机为例）的特点是过滤、洗涤、卸饼等操作在转筒表面的不同区域内同时进行；任何时刻总有一部分表面在进行过滤；任意一部分表面只有在其浸没在滤浆中那段时间才是有效过滤时间。连续式过滤机的生产能力计算也以一个操作周期为基准，一个操作周期就是转筒旋转一周所用时间T。若转筒转速为nr/min，则 第二节第二节 过过 滤滤所以，从生产能力的角度来看，一台总过滤面积为A，浸没度为，转速为n r/min的连续转筒真空过滤机，与一台在同样条件下操作的过滤面积为A，操作周期为T=60/n，每次过滤时间为=60/n的间歇
49、式板框压滤机是等效的。根据恒压过滤方程，略去滤布阻力，有V2=KA2，即转筒转一圈（一个操作周期）的滤液量为 第二节第二节 过过 滤滤式（3-42）指明了提高连续过滤机生产能力的途径，即适当加大转速及浸没程度并使K值增大。但转速过大，每一循环周期内过滤时间较短，形成的滤饼太薄，不宜从转筒表面取下，且功率消耗增加。浸没度过大，会使得其他操作的面积相应减小，可能达不到相应的要求。第三节第三节 离心机离心机离心机是利用惯性离心力分离非均相混合物的机械。离心机的主要部件是一个载有物料、高速旋转的转鼓。利用高速旋转的转鼓所产生的离心力，可实现两相间的分离。由于离心机可产生很大的离心力，故可用来分离用一般
50、方法难以分离的悬浮液或乳浊液。而且其离心分离速度也较大，如悬浮液用过滤方法处理若需一小时，用离心分离只需几分钟。第三节第三节 离心机离心机根据分离因数可将离心机分为以下几种：（1）常速离心机，它的分离因数Kc3103（一般为6001200）；（2）高速离心机，它的分离因数Kc的取值范围为31035104；（3）超速离心机，它的分离因数Kc5104。最新式的离心机，其分离因数可高达5105以上，常用来分离胶体颗粒及破坏乳浊液等。按分离方式，离心机可分为沉降式和过滤式两种。第三节第三节 离心机离心机 沉降离心机一、沉降式离心机有无孔转鼓式离心机、碟式分离机和管式高速离心机三种形式。第三节第三节 离
