化工原理第三章---過濾.ppt

1、一、重力沉降原理,一)自由重力沉降,沉降速度表達(dá)式,a) 層流區(qū)或斯托克斯(stokes)定律區(qū)（10 4Re02）,斯托克斯公式,b) 過渡區(qū)或艾倫定律區(qū)（Allen）（2Re0500）,艾倫公式,重力沉降分離,c) 湍流區(qū)或牛頓定律區(qū)（Nuton）（500Re0 2105）,牛頓公式,常用沉降速度的計算：,二）干擾沉降,二、重力沉降分離設(shè)備,一）降塵室-氣固體系,降塵室使顆粒沉降的條件,降塵室的生產(chǎn)能力,二）分級器,三）沉降槽,-用于分離出液-固混合物,一、過濾操作的基本概念 二、過濾基本理論 三、過濾設(shè)備 四、濾餅的洗滌 五、過濾機的生產(chǎn)能力,第四節(jié) 過 濾,1、過濾的概念,1）定義：在

2、外力作用下，使懸浮液中的液體通過多孔介質(zhì)的孔道，而懸浮液中的固體顆粒被截留在介質(zhì)上，從而實現(xiàn)固、液分離的操作。,說明: 推動力：重力、壓力（或壓差）和離心力； 目的:獲得清凈的液體產(chǎn)品，或者得到固體產(chǎn)品；,一、過濾操作的基本概念,2）過濾的相關(guān)術(shù)語,濾漿：過濾操作中所處理的原始懸浮液,濾液：通過多孔介質(zhì)后的液體,濾渣（濾餅）：被截留住的固體顆粒堆積層,2、過濾方式,1）餅層過濾 2）深層過濾 3）膜過濾,1）餅層過濾,要求顆粒的直徑大多要比過濾介質(zhì)的孔道大，隨著過濾的進行，固體顆粒沉積于過濾介質(zhì)表面而形成濾餅。,適用于處理固相含量稍高（固相體積分率在1%以上）的懸浮液。,2）深層過濾,顆粒尺寸

3、比介質(zhì)的孔道小很多，但孔道彎曲細(xì)長，顆粒進入后很容易被截流，同時這種過濾是在過濾介質(zhì)內(nèi)部進行的，介質(zhì)表面無濾餅形成。過濾用的介質(zhì)為粒狀床層或素?zé)ú簧嫌缘模┨沾赏不虬濉?此法適用于從液體中除去很小量的固體微粒，例如飲用水的凈化。,3、過濾介質(zhì),（1）對過濾介質(zhì)的性能要求 a) 多孔性，對流體的阻力小，又能截住要分離的顆粒,孔道又不宜大 。 b) 物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐熱，耐化學(xué)腐蝕。 c)足夠的機械強度，使用壽命長 d) 價格便宜,（2）工業(yè)上常用的過濾介質(zhì)的種類,織物介質(zhì)(又稱濾布),堆積介質(zhì),多孔固體介質(zhì),多孔膜,織物介質(zhì)：濾布，用棉、毛、絲、麻等天然纖維及合成纖維織成的織物，由玻璃絲或金屬

4、絲織成的網(wǎng)。能截留顆粒的最小直徑為5-65m。工業(yè)上的應(yīng)用最為廣泛。,堆積介質(zhì)：由各種固體顆粒（砂、木碳、石棉、硅藻土）或非紡織纖維等堆積而成，多用于深床過濾中。,多孔固體介質(zhì)：具有很多微細(xì)孔道的固體材料，如多孔陶瓷、多孔塑料、多孔金屬制成的管或板，能攔截1-3m的微細(xì)顆粒。,多孔膜：用于膜過濾的的各種有機高分子膜和無機材料膜。醋酸纖維素和芳香酰胺系兩大類有機高分子膜?？捎糜诮亓?m以下的微小顆粒。,4、濾餅的壓縮性及助濾劑,濾餅,不可壓縮濾餅:,顆粒有一定的剛性，當(dāng)濾餅兩側(cè)的壓力差增大時，顆粒的形狀和顆粒間的空隙不會發(fā)生明顯變化，單位厚度床層的流動阻力可視作恒定。,可壓縮濾餅:,顆粒比較軟，

5、當(dāng)濾餅兩側(cè)的壓力差增大時，顆粒的形狀和顆粒間的空隙會有明顯的改變，單位厚度餅層的流動阻力隨壓力差增大而增大。,1）濾餅的可壓縮性,加入助濾劑可減少可壓縮濾餅的流動阻力,加入方法,預(yù)涂,將助濾劑混在濾漿中一起過濾,用助濾劑配成懸浮液，在正式過濾前用它進行過濾，在過濾介質(zhì)上形成一層由助濾劑組成的濾餅。,2）助濾劑,助濾劑是某種質(zhì)地堅硬而能形成疏松餅層的固體顆?；蚶w維狀物質(zhì)，將其混入懸浮液或預(yù)涂于過濾介質(zhì)上，可以改善餅層的性能，使濾液得以暢流。,（一）過濾速度 定義：單位時間通過單位過濾面積的濾液體積,u-瞬時過濾速率，m3m-2s-1即ms-1 q-單位過濾面積所得的濾液量，q=V/A， m3m-

6、2,二、過濾的基本理論,說明：隨著過濾過程的進行，濾餅逐漸加厚，過濾阻力不斷增加，可以想見，如果過濾壓力不變，即恒壓過濾時，過濾速度將逐漸減小。因此上述定義為瞬時過濾速度。,1. 空隙率: 單位體積床層中的空隙體積，用表示。 =空隙體積 / 床層體積 m3/m3 2. 顆粒比表面積：單位體積顆粒所具有的表面積，用a表示。 a=顆粒表面 / 顆粒體積 3. 管道的當(dāng)量直徑： de=4水力半徑=4管道截面積 / 潤濕周邊,（二）涉及的幾個術(shù)語,（三）過濾基本方程,1、濾液通過濾餅層的流動特點,實際過濾過程中，隨著過濾的進行，濾餅的厚度不斷增加，流動阻力逐漸加大 。因此，是一個非穩(wěn)態(tài)流動。,1）非穩(wěn)

7、態(tài)過程,2）層流流動,濾餅層是由許多細(xì)小顆粒堆積而成，這些顆粒提供了很大的液，固接觸表面，液體在濾餅層的流動速度很慢，因此，濾液在濾餅層的流動是層流流動。,(1)流體的流動空間等于床層中顆粒之間的全部空隙體積。 (2)細(xì)管的內(nèi)表面積等于全部顆粒的表面積。,簡化模型：假定：,2、過濾基本方程的推導(dǎo),討論：,設(shè)濾餅的體積為Vc，顆粒的比表面積為a, u1與u的關(guān)系,定義濾餅層的空隙率為：,所以,（1）,孔道的平均長度可以認(rèn)為與濾餅的厚度成正比：,le=K0L,（2）,孔道的當(dāng)量直徑,（3）, 濾液通過濾餅層時的阻力 （層流）,-哈根-泊謖葉方程,（4）,將（2），（3），（4）式帶入（1）式，整理

8、得,r 稱為濾餅的比阻，指的是單位厚度上濾餅的阻力，與濾餅的比表面、孔隙率有關(guān)，對不可壓縮濾餅，r為常數(shù),令：,同理，通過過濾介質(zhì)的速度表達(dá)式可寫為：,則：,設(shè)每獲得單位體積濾液時，被截留在過濾介質(zhì)上的濾餅體積為c（m3濾餅/m3濾液），則,Ve濾出厚度為Le的一層濾餅所獲得的濾液量，或稱虛擬濾液體積，m3,同理：,過濾速度的一般關(guān)系式 （不可壓縮流體）,可壓縮濾餅的情況比較復(fù)雜，它的比阻是兩側(cè)壓強差的函數(shù)，,s濾餅的壓縮性指數(shù)，無因次。s=01,對于不可壓縮濾餅，s=0（表3-2）。,過濾速度的一般關(guān)系式 （不可壓縮及可壓縮流體）,-過濾基本方程,過濾常數(shù)，由實驗測定,-濾液量V過濾時間的關(guān)

9、系,（四）恒壓過濾方程式,恒壓過濾：在恒定壓強差下進行的過濾操作。 恒壓過濾時，濾餅不斷變厚致使阻力逐漸增加。 但推動力P恒定，過濾速率逐漸變小。,過濾操作方式：,恒壓過濾,恒速過濾,先恒速后恒壓的復(fù)合操作方式,特點：,K為常數(shù),，過濾速度愈來愈小。,積分得：,或,若過濾介質(zhì)阻力可忽略不計，則,或,對基本過濾方程積分，得,K 過濾常數(shù),由物料特性及過濾壓強差所決定 ，m2/s,復(fù) 習(xí)：,1. 過濾的定義及相關(guān)術(shù)語（濾漿；濾液；濾餅；過濾介質(zhì)） 2. 過濾基本方式（濾餅過濾；深層過濾；膜過濾） 3. 過濾介質(zhì)（織物介質(zhì)；堆積介質(zhì)；多孔固體介質(zhì)；多孔膜） 4. 濾餅的可壓縮性及助濾劑 5. 過濾基

10、本方程式,恒壓過濾方程：,或,恒壓時：,/qq圖,（五）過濾常數(shù)的測定（K和qe）,logplogK作圖求出壓縮指數(shù)s,壓縮指數(shù)s的確定:,例3-5，P108,過濾設(shè)備,三、過濾設(shè)備,以壓力差為推動力：如,板框壓濾機、,葉濾機、,回轉(zhuǎn)真空過濾機等；,以離心力為推動力：如各種離心機。,（一）板框壓濾機 1）板框壓濾機的構(gòu)造 由許多塊帶凹凸紋路的濾板與濾框交替排列組裝于機而構(gòu)成。,板框壓濾機,濾板和濾框多做成正方形 ，角上均開有小孔，組合后即構(gòu)成供濾漿和洗滌水流通的孔道。濾框的兩側(cè)覆以濾布，圍成容納濾漿及濾餅的空間。,濾板的作用：支持濾布和提供濾液流出的通道。,洗滌板：,非洗板：,濾框：二鈕,三鈕

11、板,一鈕板,濾框的作用：提供濾漿流入的通道和收集濾渣。,濾板與濾框裝合方式：按鈕數(shù)以1-2-3-2-1-2-3-2的順序排列。,2）板框壓濾機的操作 板框壓濾機為間歇操作，每個操作循環(huán)由裝合、過濾、洗滌、卸餅、清理5個階段組成。 懸浮液在指定壓強下經(jīng)濾漿通路由濾框角上的孔道并行進入各個濾框。 濾液分別穿過濾框兩側(cè)的濾布，沿濾板板面的溝道至濾液出口排出 顆粒被濾布截留而沉積在濾布上，待濾餅充滿全框后，停止過濾。,橫穿洗滌法： 洗滌時，先將洗滌板上的濾液出口關(guān)閉 ，洗滌水經(jīng)洗水通路從洗滌半角上的孔道并行進入各個洗滌板的兩側(cè)。 特點：洗滌水穿過的途徑正好是過濾終了時濾液穿過途徑的二倍。,洗滌液行程與

12、濾液相同。洗滌面=過濾面,置換洗滌：,優(yōu)點： 結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，設(shè)備緊湊，過濾面積大而占地小，操作壓強高，濾餅含水少，對各種物料的適應(yīng)能力強。 缺點： 間歇手工操作，勞動強度大，生產(chǎn)效率低。,葉濾機由許多濾葉組成。濾葉內(nèi)有空間，外包濾布，將濾葉裝在密閉的機殼內(nèi)，為濾漿所浸沒。 1）濾漿中的液體在壓力作用下穿過濾布進入濾葉內(nèi)部，成為濾液后從其一端排出（過濾）。 2）過濾完畢，機殼內(nèi)改充清水，使水循著與濾液相同的路徑通過濾餅進行洗滌，故為置換洗滌（洗滌）。 3）最后，濾餅可用振動器使其脫落，或用壓縮空氣將其吹下（卸渣）。 濾葉可以水平放置也可以垂直放置，濾漿可用泵壓入也可用真空泵抽入。,2、加壓

13、葉濾機,優(yōu)點: 葉濾機也是間歇操作設(shè)備。它具有過濾推動力大，過濾面積大，濾餅洗滌較充分等優(yōu)點。其產(chǎn)生能力比壓濾機還大，而且機械化程度高，勞動力較省。 缺點:構(gòu)造較為復(fù)雜，造價較高，粒度差別較大的顆?？赡芊謩e聚集于不同的高度，故洗滌不均勻。,2、轉(zhuǎn)筒真空過濾機 1）轉(zhuǎn)筒真空過濾機的結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)筒真空過濾機是工業(yè)上應(yīng)用最廣的一種連續(xù)操作的過濾設(shè)備。,設(shè)備的主體是一個能轉(zhuǎn)動的水平圓筒，圓筒表面有一層金屬網(wǎng)，網(wǎng)上覆蓋濾布，筒的下部進入濾漿中，圓筒沿徑向分割成若干扇形格，每個都有單獨的孔道通至分配頭上。圓筒轉(zhuǎn)動時，憑借分配頭的作用使這些孔道依次分別與真空管及壓縮空氣管相通，因而在回轉(zhuǎn)一周的過程中每個扇形格表

14、面即可順序進行過濾、洗滌、吸干、吹松、卸餅等項操作。,2）分配頭的結(jié)構(gòu)及工作原理 分配頭由緊密貼合著的轉(zhuǎn)動盤與固定盤構(gòu)成，轉(zhuǎn)動盤隨筒體一起旋轉(zhuǎn)，固定盤內(nèi)側(cè)面各凹槽分別與各種不同作用的管道相通。 當(dāng)轉(zhuǎn)動盤上的某幾個小孔與固定盤上的凹槽2相對時，這幾個小孔對應(yīng)的連通管及相應(yīng)的轉(zhuǎn)筒表面與濾液真空管相連，濾液便可經(jīng)連通管和轉(zhuǎn)動盤上的小孔被吸入真空系統(tǒng)；同時濾餅沉積于濾布的外表面上。此為過濾。 轉(zhuǎn)動盤轉(zhuǎn)到使這幾個小孔與凹槽3相對時，這幾個小孔對應(yīng)的連通管及相應(yīng)的轉(zhuǎn)筒表面與洗水真空管相連，轉(zhuǎn)筒上方噴灑的洗水被從外表面吸入連通管中，經(jīng)轉(zhuǎn)動盤上的小孔被送入真空系統(tǒng)。此為洗滌、吸干。,當(dāng)這些小孔凹槽4相對時，這

15、幾個小孔對應(yīng)的連通管及相應(yīng)的轉(zhuǎn)筒表面與壓縮空氣吹氣相連，壓縮空氣經(jīng)連通管從內(nèi)向外吹向濾餅，此為吹松。 隨著轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)動，這些小孔對應(yīng)表面上的濾餅又與刮刀相遇，被刮下。此為卸渣。 繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，這些小孔對應(yīng)的又重新浸入濾漿中，這些小孔又與固定盤上的凹槽2相對，又重新開始一個操作循環(huán)。 每當(dāng)小孔與固定盤兩凹槽之間的空白位置（與外界不相通的部分）相遇時，則轉(zhuǎn)筒表面與之相對應(yīng)的段停止工作，以便從一個操作區(qū)轉(zhuǎn)向另一操作區(qū)，不致使兩區(qū)相互串通。,轉(zhuǎn)筒的過濾面積一般為540m2，浸沒部分占總面積的30%40%。轉(zhuǎn)速可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，通常為0.13r/min。濾餅厚度一般保持在40mm以內(nèi)，轉(zhuǎn)筒過濾機所得濾餅中的

16、液體含量很少低于10%，?？蛇_(dá)30%左右。 優(yōu)點：能連續(xù)自動操作，省人力，生產(chǎn)能力大，適用于處理易含過濾顆粒的濃懸浮液。 缺點：附屬設(shè)備較多，投資費用高，過濾面積不大。過濾推動力有限，不易過濾高溫的懸浮液。,四、濾餅洗滌,洗滌速率：,特點：洗滌時推動力、阻力不變，洗滌速度為常數(shù)。,濾餅洗滌的目的：為了回收濾餅里存留的濾液，或者凈化構(gòu)成濾餅顆粒。,單位時間內(nèi)消耗的洗水容積,洗滌時間：,洗滌液量,洗滌速率與過濾終了時的過濾速率有關(guān)，這個關(guān)系取決于濾液設(shè)備上采用的洗滌方式。,葉濾機采用的置換洗滌法，洗水與過濾終了時的濾液流過的路徑就完全相同。 當(dāng)操作壓強差和洗水與濾液粘度相同時,橫穿洗滌法：洗水橫穿

17、兩層濾布及整個厚度的濾餅，流徑長度約為過濾終了時濾液流動的兩倍。而供洗水流通的面積僅為過濾面積的一半 。,當(dāng)操作壓強差和洗水與濾液粘度相同時,當(dāng)洗水粘度、洗水表壓與濾液粘度、過濾壓強差有明顯差異時，所需的過濾時間可進行校正。,過濾機的生產(chǎn)能力 ：,單位時間的濾液體積或濾渣體積，m3/s,1、間歇過濾機的計算 一個操作周期時間為：,生產(chǎn)能力為：,五、生產(chǎn)能力的計算,2、連續(xù)過濾機的生產(chǎn)能力 浸沒度: 轉(zhuǎn)筒表面浸入濾漿中的分?jǐn)?shù)，浸沒角度/360,若轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速為n r/s,轉(zhuǎn)筒回轉(zhuǎn)一周所用時間：,轉(zhuǎn)筒上任一塊過濾面積所經(jīng)歷的過濾時間為：,轉(zhuǎn)筒每轉(zhuǎn)一周所得濾液的體積為：,生產(chǎn)能力：,根據(jù)恒壓過濾方程，略去濾布阻力，有,例3-6：在實驗裝置中過濾鈦白的水懸浮液，過濾壓力為0.3MPa，求得過濾常數(shù)為：K=5*10-5m2s-1，qe=0.01m3m-2.又測出濾餅體積與濾液體積之比為c=0.08m3m-3.