化工工藝學(xué) 第三章 機(jī)械分離(共19頁(yè))

1、第三章 機(jī)械(jxi)分離本章(bn zhn)學(xué)習(xí)指導(dǎo)1本章(bn zhn)學(xué)習(xí)目的 通過(guò)本章學(xué)習(xí)能夠利用流體力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)非均相物系分離（包括沉降分離和過(guò)濾分離），掌握過(guò)程的基本原理、過(guò)程和設(shè)備的計(jì)算及分離設(shè)備的選型。建立固體流態(tài)化的基本概念。2本章重點(diǎn)掌握的內(nèi)容 （1）沉降分離（包括重力沉降和離心沉降）的原理、過(guò)程計(jì)算和旋風(fēng)分離器的選型。（2）過(guò)濾操作的原理、過(guò)濾基本方程式推導(dǎo)的思路，恒壓過(guò)濾的計(jì)算、過(guò)濾常數(shù)的測(cè)定。（3）用數(shù)學(xué)模型法規(guī)劃實(shí)驗(yàn)的研究方法。本章應(yīng)掌握的內(nèi)容（1）顆粒及顆粒床層特性（2）懸浮液的沉降分離設(shè)備本章一般了解的內(nèi)容（1）離心機(jī)的類型與應(yīng)用場(chǎng)合（2）固體流態(tài)化現(xiàn)象（包括氣

2、力輸送）3本章學(xué)習(xí)中應(yīng)注意的問(wèn)題 本章從理論上討論顆粒與流體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，其中包括顆粒相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)（沉降和流態(tài)化）、流體通過(guò)顆粒床層的流動(dòng)（過(guò)濾），并借此實(shí)現(xiàn)非均相物系分離、固體流態(tài)化技術(shù)及固體顆粒的氣力輸送等工業(yè)過(guò)程。學(xué)習(xí)過(guò)程中要能夠?qū)⒘黧w力學(xué)的基本原理用于處理繞流和流體通過(guò)顆粒床層流動(dòng)等復(fù)雜工程問(wèn)題，即注意學(xué)習(xí)對(duì)復(fù)雜的工程問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化處理的思路和方法。4本章教學(xué)的學(xué)時(shí)數(shù)分配 知識(shí)點(diǎn)3-1授課學(xué)時(shí)數(shù)1自學(xué)學(xué)時(shí)數(shù)2知識(shí)點(diǎn)3-2授課學(xué)時(shí)數(shù)3自學(xué)學(xué)時(shí)數(shù)6知識(shí)點(diǎn)3-3授課學(xué)時(shí)數(shù)3自學(xué)學(xué)時(shí)數(shù)6知識(shí)點(diǎn)3-4授課學(xué)時(shí)數(shù)1自學(xué)學(xué)時(shí)數(shù)2參考書(shū)籍（1）柴誠(chéng)敬，張國(guó)亮.化工流體流動(dòng)與傳熱.北京:化學(xué)工業(yè)出版

3、社,2000（2）陳維樞主編.傳遞過(guò)程與單元操作.上冊(cè).浙江:浙江大學(xué)出版社,1993（3）陳敏恒等,化工原理(上冊(cè)).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1999（4）機(jī)械工程手冊(cè)編輯委員會(huì).機(jī)械工程手冊(cè)(第二版),通用設(shè)備卷.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997（5）大連理工大學(xué)化工原理教研室.化工原理,上冊(cè).遼寧:大連理工大學(xué)出版社,1993（6）時(shí)鈞等.化學(xué)工程手冊(cè),上卷.2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1996（7）McCabe W. L. and Smith. J. C. Unit Operations of Chemical Engineering. 5th. ed. New York: McGraw

4、Hill,1993（8）Foust A. S. and Wenzel. L.3.1本章(bn zhn)概述一混合物的分類(fn li) 自然界的大多數(shù)物質(zhì)(wzh)為混合物?；旌衔锓譃閮深悾?均相混合物若物系內(nèi)各處組成均勻且不存在相界面，則稱為均相混合物。如溶液及混合氣體屬于此類。均相混合物組分的分離采用傳質(zhì)分離方法。 2非均相混合物 由具有不同物理性質(zhì)（如尺寸、密度差別）的分散物質(zhì)（分散相）和連續(xù)介質(zhì)（連續(xù)相）所組成的物系稱為非均相物系或非均相混合物。顯然，非均相物系中存在相界面，且界面兩側(cè)物料的性質(zhì)不同。根據(jù)連續(xù)相狀態(tài)的不同，非均相混合物又可分為兩種類型：（1）氣態(tài)非均相混合物，如含塵氣體

5、、含霧氣體等；（2）液態(tài)非均相混合物，如懸浮液、乳濁液、泡沫液等。對(duì)于非均相混合物，工業(yè)上一般采用機(jī)械分離方法將兩相進(jìn)行分離，即造成分散相和連續(xù)相之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。二非均相混合物分離方法的分類 根據(jù)相態(tài)和分散物質(zhì)尺寸的大小，非均相混合物的分離方法如下表所示。三非均相混合物分離的目的 （1）收集分散物質(zhì)。例如收取從氣流干燥器或噴霧干燥器出來(lái)的氣體以及從結(jié)晶器出來(lái)的晶漿中帶有的固體顆粒，這些懸浮的顆粒作為產(chǎn)品必須回收；又如回收從催化反應(yīng)器出來(lái)的氣體中夾帶的催化劑顆粒以循環(huán)使用。再如某些金屬冶煉過(guò)程中，有大量的金屬化合物或冷凝的金屬煙塵懸浮在煙道氣中，收集這些煙塵不僅能提高該種金屬的收率，而且是提煉其

6、它金屬的重要途徑。（2）凈化分散介質(zhì)。某些催化反應(yīng)，原料氣中夾帶有雜志會(huì)影響觸媒的效能，必須在氣體進(jìn)反應(yīng)器之前清除催化反應(yīng)原料氣中的雜質(zhì)，以保證觸媒的活性。（3）環(huán)境保護(hù)與安全生產(chǎn)。為了保護(hù)人類生態(tài)環(huán)境，消除工業(yè)污染，要求對(duì)排放的廢氣、廢液中的有害物質(zhì)加以處理，使其達(dá)到規(guī)定(gudng)的排放標(biāo)準(zhǔn)；很多含碳物質(zhì)與金屬細(xì)粉及空氣混合會(huì)形成爆炸物，必須除去這些物質(zhì)以消除爆炸的隱患。機(jī)械分離操作涉及到顆粒相對(duì)于流體以及流體相對(duì)于顆粒床層的流動(dòng)。同時(shí)，在許多單元操作和化學(xué)反應(yīng)中經(jīng)常采用的流態(tài)化技術(shù)同樣涉及兩相間的流動(dòng)，它們(t men)都遵循流體力學(xué)的基本規(guī)律，因此本章還介紹流態(tài)化技術(shù)的基本概念。3.

7、2 顆粒(kl)及顆粒床層的特性 顆粒與流體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)特性與顆粒本身的特性密切相關(guān)，因而首先介紹顆粒的特性。一. 單一顆粒的特性表述顆粒特性的主要參數(shù)為顆粒的形狀、大?。w積）及表面積。（一）球形顆粒不言而喻，球形顆粒的形狀為球形，其尺寸由直徑d來(lái)確定，其它有關(guān)參數(shù)均可表示為直徑d的函數(shù)，諸如體積 （3-1）表面積 （3-2）比表面積（單位顆粒體積具有的表面積） （3-3）式中d球形顆粒的直徑，m；S球形顆粒的表面積，m2； V球形顆粒的體積，m3；a顆粒的比表面積，m2/m3。（二）非球形顆粒 非球形顆粒必須有兩個(gè)參數(shù)才能確定其特性，即球形度和當(dāng)量直徑。1球形度S 顆粒的球形度又稱形狀系

8、數(shù)，它表示顆粒形狀與球形的差異，定義為與該顆粒體積相等的球體的表面積除以顆粒的表面積，即S （34）式中S顆粒的球形度或形狀系數(shù)，無(wú)因次；S與該顆粒體積相等地球體的表面積，m2；SP顆粒的表面積，m2。由于同體積不同形狀的顆粒中，球形顆粒的表面積最小，因此對(duì)非球形顆粒，總有S1，顆粒的形狀越接近球形，S越接近1；對(duì)球形顆粒，S1。2顆粒的當(dāng)量直徑 工程中，經(jīng)常將非球形顆粒以某種“當(dāng)量”的球形顆粒來(lái)代替，以使非球形顆粒的某種特性與球形顆粒等效，這一球粒的直徑(zhjng)為當(dāng)量直徑。當(dāng)量直徑表示非球形顆粒的大小。根據(jù)不同方面的等效性，通常有兩種表示方法；（1）等體積當(dāng)量直徑 顆粒(kl)的等體積

9、當(dāng)量直徑為與該顆粒體積相等的直徑，即de= （3-5）式中de顆粒的等體積當(dāng)量(dngling)直徑，m；VP顆粒的體積，m3。（2）等比表面積當(dāng)量直徑 即與非球形顆粒比表面積相等的直徑為該顆粒的等比表面積當(dāng)量直徑。根據(jù)此定義并結(jié)合式（3-3）得 (3-6)式中顆粒的等比表面積當(dāng)量直徑，m；依據(jù)式（3-5）和式（3-6）可以得出顆粒的等體積當(dāng)量直徑和等比表面積當(dāng)量直徑之間的關(guān)系：sde (3-7)所以說(shuō)，非球形顆粒的等比表面積當(dāng)量直徑一定小于其等體積當(dāng)量直徑。用上述的形狀系數(shù)及當(dāng)量直徑便可表述非球形顆粒的特性，即 （3-1a） （3-2a） （3-3a）工業(yè)中遇到的顆粒群可分為兩類：若顆粒群是

10、由大小不同的粒子組成的集合體，稱為非均一性粒子或多分散性粒子；而將具有同一粒徑的顆粒群稱為單一性或單分散性粒子。顯然，多分散性粒子才需討論其粒度分布和平均參數(shù)。1顆粒群的粒度分布不同粒徑范圍內(nèi)所含粒子的個(gè)數(shù)或質(zhì)量稱為粒度分布。顆粒粒度的測(cè)量方法有篩分法、顯微鏡法、沉降法、電感應(yīng)法、激光衍射、動(dòng)態(tài)光散射法等，這里介紹篩分法。篩分是用單層或多層篩面將松散的物料按顆粒粒度分成兩個(gè)或多個(gè)不同粒級(jí)產(chǎn)品的過(guò)程。它是機(jī)械分離方法分離固固混合物的操作。篩分時(shí)，篩面上有篩孔，尺寸小于篩孔尺寸的物料通過(guò)篩孔，稱為篩下產(chǎn)品，其質(zhì)量稱為篩過(guò)量；尺寸大于篩孔尺寸的物料被截留在篩面上，稱為篩上產(chǎn)品，其質(zhì)量稱為篩余量。若用

11、n層篩面，可得n+1種產(chǎn)品。篩分分析是在一套標(biāo)準(zhǔn)篩中進(jìn)行的，標(biāo)準(zhǔn)篩的篩網(wǎng)為金屬絲網(wǎng)，各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩的規(guī)格不盡相同，常用的泰勒制是以每英寸邊長(zhǎng)的孔數(shù)為篩號(hào)，稱為目。例如100目的篩子表示每英寸篩網(wǎng)上有100個(gè)篩孔。表3-2是泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩的目數(shù)和對(duì)應(yīng)(duyng)孔徑的節(jié)錄。用標(biāo)準(zhǔn)篩測(cè)粒度分布時(shí)，將一套標(biāo)準(zhǔn)篩按篩孔上大下小的順序疊在一起，若從上向下篩子(shi zi)的序號(hào)分別為1、2.i-1及i，相應(yīng)篩孔的直徑分別為d1、d2.di-1及di。將稱重后的顆粒樣品放在最上面的篩子上，整套篩子用振蕩器振動(dòng)過(guò)篩，不同粒度的顆粒分別被截留(ji li)于各號(hào)篩網(wǎng)面上。第i號(hào)篩網(wǎng)上的顆粒的尺寸應(yīng)在di-1和di

12、之間，分別稱取各號(hào)篩網(wǎng)上的顆粒篩余量，即可得到樣品的粒度分布數(shù)據(jù)。目前各種篩制正向國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO篩統(tǒng)一。表3-2 泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩孔 徑孔 徑目 數(shù)（英寸）m目 數(shù)（英寸）m3468101420350.2630.1850.1310.0930.0650.0460.03280.016466804699332723621651116883341748651001502002704000.01160.00820.00580.00410.00290.00210.00152952081471047453382粒群的平均直徑停留在第i層篩網(wǎng)上的顆粒的平均直徑dpi值可按di-1和di的算術(shù)平均值計(jì)算，即 (3

13、-8)根據(jù)各號(hào)篩網(wǎng)上截留的顆粒質(zhì)量，可以計(jì)算出直徑為dpi的顆粒占全部樣品的質(zhì)量分率xi，再根據(jù)實(shí)測(cè)的各層篩網(wǎng)上的顆粒質(zhì)量分率，按下式可計(jì)算出顆粒群的平均直徑為 (3-9)式中 顆粒群的平均直徑，m；粒徑段內(nèi)顆粒的質(zhì)量分率；被截留在第i層篩網(wǎng)上的顆粒的平均直徑,m。3顆粒的密度單位體積內(nèi)粒子的質(zhì)量稱為密度，其單位為kg/m3。若粒子的體積不包括顆粒之間空隙，則稱為粒子的真密度，用S表示；若粒子所占體積包括顆粒之間空隙，則稱為堆積密度或表觀密度，用b表示。設(shè)計(jì)顆粒貯存設(shè)備時(shí)，應(yīng)以堆積密度為準(zhǔn)。三顆粒(kl)床層的特性大量固體顆粒堆積在一起便形成顆粒床層。靜止的顆粒床層又稱為固定床。對(duì)流體通過(guò)床層

14、流動(dòng)產(chǎn)生重要影響(yngxing)的床層特性有如下幾項(xiàng)：（一）床層的空隙(kngx)率床層中顆粒之間的空隙體積與整個(gè)床層體積之比稱為空隙率（或稱空隙度），以表示，即式中床層的空隙率，m3/m3；空隙率的大小與顆粒形狀、粒度分布、顆粒直徑與床層直徑的比值、床層的填充方式等因素有關(guān)。對(duì)顆粒形狀和直徑均一的非球形顆粒床層，其空隙率主要取決于顆粒的球形度和床層的填充方法。非球形顆粒的球形度越小，則床層的空隙率越大。由大小不均勻的顆粒所填充成的床層，小顆?？梢郧度氪箢w粒之間的空隙中，因此床層空隙率比均勻顆粒填充的床層小。粒度分布越不均勻，床層的空隙率就越?。活w粒表面愈光滑，床層的空隙率亦愈小。因此，采用

15、大小均勻的顆粒是提高固定床空隙率的一個(gè)方法?？障堵试诖矊油唤孛嫔系姆植际遣痪鶆虻?，在容器壁面附近，空隙率較大；而在床層中心處，空隙率較小。器壁對(duì)空隙率的這種影響稱為壁效應(yīng)。壁效應(yīng)使得流體通過(guò)床層的速度不均勻，流動(dòng)阻力較小的近壁處流速較床層內(nèi)部大。改善壁效應(yīng)的方法通常是限制床層直徑與顆粒直徑之比不得小于某極限值。若床層的直徑比顆粒的直徑大得多，則壁效應(yīng)可忽略。床層的空隙率可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。一般非均勻、非球形顆粒的亂堆床層的空隙率大致在0.470.7之間。均勻的球體最松排列時(shí)的空隙率為0.48，最緊密排列時(shí)的空隙率為0.26。（二）床層的自由截面積床層截面上未被顆粒占據(jù)的流體可以自由通過(guò)的面積，稱

16、為床層的自由截面積。小顆粒亂堆床層可認(rèn)為是各向同性的。各向同性床層的重要特性之一是其自由截面積與床層截面積之比在數(shù)值上與床層空隙率相等。同床層空隙率一樣，由于壁效應(yīng)的影響，壁面附近的自由截面積較大。（三）床層的比表面積床層的比表面積是指單位體積床層中具有的顆粒表面積（即顆粒與流體接觸的表面積）。如果忽略床層中顆粒間相互重疊的接觸面積，對(duì)于空隙率為的床層，床層的比表面積ab(m2/m3)與顆粒物料的比表面積a具有如下關(guān)系：aba(1-) (3-10)床層的比表面積也可用顆粒的堆積密度估算，即 (3-11)式中顆粒的堆積密度，kg/m3；顆粒的真實(shí)密度，kg/m3。固定床層中顆粒間的空隙形成可供流

17、體通過(guò)的細(xì)小、曲折、互相交聯(lián)的復(fù)雜通道。流體通過(guò)如此復(fù)雜通道的流動(dòng)阻力很難進(jìn)行理論推算。本節(jié)采用數(shù)學(xué)模型法規(guī)劃實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究(ynji)方法。1床層的簡(jiǎn)化(jinhu)模型細(xì)小而密集的固體顆粒床層具有很大的比表面積，流體通過(guò)床層的流動(dòng)多為爬流，流動(dòng)阻力基本上為粘性摩擦阻力，同時(shí)使整個(gè)床層截面速度的分布均勻化。為解決流體通過(guò)床層的壓力降計(jì)算問(wèn)題，在保證單位床層體積表面積相等地前提下，將顆粒床層內(nèi)實(shí)際流動(dòng)過(guò)程大幅度加以簡(jiǎn)化，以便可以(ky)用數(shù)學(xué)方程式加以描述。經(jīng)簡(jiǎn)化而得到的等效流動(dòng)過(guò)程稱之為原真實(shí)流動(dòng)過(guò)程的物理模型。簡(jiǎn)化模型是將床層中不規(guī)則的通道假設(shè)成長(zhǎng)度為L(zhǎng)，當(dāng)量直徑為 的一組平行細(xì)管，并且規(guī)

18、定：（1）細(xì)管的全部流動(dòng)空間等于顆粒床層的空隙容積；（2）細(xì)管的內(nèi)表面積等于顆粒床層的全部表面積。在上述簡(jiǎn)化條件下，以1m3床層體積為基準(zhǔn)，細(xì)管的當(dāng)量直徑可表示為床層空隙率及比表面積ab的函數(shù)，即 （3-12）2流體通過(guò)床層壓降的數(shù)學(xué)描述根據(jù)前述簡(jiǎn)化模型，流體通過(guò)一組平行細(xì)管流動(dòng)的壓降為（3-13）式中流體通過(guò)床層的壓降，Pa; L床層高度，m； deb床層流道的當(dāng)量直徑，m； u1流體在床層內(nèi)的實(shí)際流速，m/s；u1與按整個(gè)床層截面計(jì)算的空床流速u的關(guān)系為 (3-14)將式（3-12）與式（3-14）代入式（3-13），得到 (3-15)式3-15即為流體通過(guò)固定床壓降的數(shù)學(xué)模型，式中的 為

19、流體通過(guò)床層流道的摩擦系數(shù)，稱為模型參數(shù)，其值由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。3.3 沉降分離沉降是指在某種力的作用下，固粒相對(duì)于流體產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)分離的操作過(guò)程。其依據(jù)是利用兩相間密度的差異，受力時(shí)其運(yùn)動(dòng)速度不同從而發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。進(jìn)行沉降操作的作用力可以是重力，也可以是慣性離心力，故沉降分為重力沉降和離心沉降。衡量沉降進(jìn)行的快慢程度通常用沉降速度來(lái)表示。1 重力(zhngl)沉降依靠重力(zhngl)而進(jìn)行的沉降過(guò)程。 球形顆粒(kl)的自由沉降速度 依靠慣性離心力的作用而進(jìn)行的沉降過(guò)程稱為離心沉降。對(duì)于兩相密度差較小，顆粒粒度較細(xì)的非均相物系，用重力沉降很難進(jìn)行分離甚至完全不能分離時(shí)，改用離心沉降則可大大

20、提高沉降速度，且可縮小設(shè)備尺寸。離心沉降是利用沉降設(shè)備使流體和顆粒一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在離心力的作用下，由于顆粒密度大于流體密度，將使顆粒沿徑向與流體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)分離。在高速旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，顆粒受到的離心力比重力大得多，且可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，因而其分離效果好于重力沉降。 重力沉降速度如下：2影響沉降速度的因素（1）.顆粒直徑的影響由式Stokes公式、Allen公式、Newton公式可看出，顆粒直徑對(duì)沉降速度有明顯影響，但在不同的區(qū)域，其影響不同：滯流區(qū)，utd2；過(guò)渡區(qū)utd1.143；湍流區(qū)utd0.5。即隨著Ret的增加，其影響減弱，在生產(chǎn)中對(duì)小顆粒的沉降采用添加絮凝劑來(lái)加速沉降。

21、（2）.粘度的影響在滯流區(qū)，阻力主要來(lái)自于流體粘性引起的表面摩擦力；在湍流區(qū)，流體粘性對(duì)沉降速度已無(wú)影響，此時(shí)由流體在顆粒尾部出現(xiàn)的邊界層分離所引起的形體阻力占主導(dǎo)作用。在過(guò)渡區(qū)，摩擦阻力和形體阻力都不可忽略。因沉降多在滯流區(qū)進(jìn)行，故降低粘度對(duì)操作有利，對(duì)懸浮液的沉降過(guò)程應(yīng)設(shè)法提高溫度，而對(duì)含塵氣體的沉降應(yīng)降低氣體溫度。 當(dāng)顆粒體積濃度較高時(shí)，由于顆粒間的相互作用，顆粒沉降的彼此影響稱為干擾沉降(在懸浮液中的干擾沉降稱為沉聚過(guò)程)。干擾沉降中顆粒周圍流體的速度梯度受到鄰近粒子的影響，使其所受阻力發(fā)生變化；顆粒沉降產(chǎn)生的對(duì)流體的置換作用將引起流體的向上流動(dòng)，使其絕對(duì)沉降速度減??；由于流體中含有顆

22、粒使其有效密度和粘度增加而使沉降速度降低?？偟慕Y(jié)果是使顆粒的沉降速度減小，一般設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定其表觀沉降速度u0(表示清液層相對(duì)器壁的移動(dòng)速度)作為計(jì)算依據(jù)。 3 離心沉降速度 FFCFduTurR流體作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，使其方向不斷改變的力稱為向心力。而顆粒的慣性卻促使它脫離圓周軌道而沿切線方向飛出，這種慣性力稱為離心力。當(dāng)顆粒在距中心R處旋轉(zhuǎn)時(shí)，其切向速度uT，徑向速度ur 。受力分析：速度(sd)如下：3.4 過(guò)濾分離(fnl)原理及設(shè)備 過(guò)濾是分離(fnl)懸浮液最普遍和最有效的單元操作之一。與沉降相比，過(guò)濾可使懸浮液的分離更迅速更徹底，特別是對(duì)于粒徑很小，很難分離的懸浮液，沉降方法均難

23、實(shí)現(xiàn)，這時(shí)需采用過(guò)濾操作。 3.4.1 過(guò)濾操作的基本概念 過(guò)濾：以某種多孔物質(zhì)為介質(zhì)，在外力作用下，使懸浮液中的液體通過(guò)介質(zhì)的孔道，而使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。過(guò)濾操作所處理的懸浮液稱為濾漿或料漿所用的多孔性介質(zhì)稱為過(guò)濾介質(zhì)通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)的液體稱為濾液被截留下來(lái)的顆粒層稱為濾餅或?yàn)V渣 實(shí)現(xiàn)過(guò)濾操作的外力有重力，壓強(qiáng)差或慣性離心力，在化工生產(chǎn)中應(yīng)用最多的是過(guò)濾介質(zhì)上、下游兩側(cè)的壓強(qiáng)差。1.過(guò)濾操作分兩類1）.餅層過(guò)濾：固體顆粒呈餅層狀沉積于過(guò)濾介質(zhì)的上游一側(cè)。適于處理固體含量較高(固體體積分率在1以上)的懸浮液。真正發(fā)揮分離作用的是濾餅層，而不是過(guò)濾介質(zhì)。2）.深床

24、過(guò)濾：固體顆粒的沉積發(fā)生在較厚的粒狀過(guò)濾介質(zhì)床層內(nèi)部。適于處理顆粒小、含量少(固體體積分率在0.1以下)的懸浮液。真正發(fā)揮作用的是過(guò)濾介質(zhì)?；ぶ兴幚淼膽腋∫簼舛韧^高。故本章只討論餅層過(guò)濾。2過(guò)濾介質(zhì)作用是使清液通過(guò)，截留和支承濾餅。對(duì)其要求是：1）.具有多孔性，孔道大小合適；2）.具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和盡可能小的流動(dòng)阻力；3）.具有相應(yīng)的耐腐蝕性、耐熱性、抗老化性等。工業(yè)上常用的過(guò)濾介質(zhì)種類主要有：（1）織物介質(zhì)(濾布)：由棉、毛、絲、麻等天然纖維或尼綸、聚氯乙烯纖維等合成纖維及玻璃絲、金屬絲(Cu、Ni、不銹鋼)等材料制成的網(wǎng)。被截留的最小顆粒直徑565m，應(yīng)用最廣；(2)粒狀介質(zhì)(粒

25、狀介質(zhì))：由細(xì)而硬的粒狀物質(zhì)(砂、木碳、硅藻土、石綿、纖維球、碎石等)堆積而成。用于深床過(guò)濾 (3)多孔固體介質(zhì)：多孔陶瓷、多孔塑料等具有細(xì)微孔道固體材料。被截留的最小顆粒直徑13m，適于處理含量少、顆粒小的腐蝕性懸浮液或其它特殊場(chǎng)合。3 濾餅(l bn)的壓縮性和助濾劑由懸浮液中被截留下來(lái)的顆粒(kl)累積而成的床層，隨過(guò)濾進(jìn)行而增厚，根據(jù)其變形情況分為： 不可壓縮(y su)濾餅：當(dāng)濾餅厚度增加或壓強(qiáng)差增大時(shí)，顆粒的形狀和顆粒間的空隙不發(fā)生明顯變化，故單位濾餅層厚度的流體阻力基本恒定?？蓧嚎s濾餅：當(dāng)濾餅厚度增加或過(guò)濾壓強(qiáng)差增大時(shí)，顆粒的形狀和顆粒間空隙發(fā)生明顯變化，單位濾餅層厚度的流體阻力

26、不斷增大。濾餅的壓縮性用壓縮性指數(shù)s衡量，其值在01之間。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。S=0：不可壓縮濾餅，無(wú)壓縮性S=01：可壓縮濾餅，s愈大，壓縮性愈強(qiáng) 為了克服可壓縮濾餅被壓縮后難于進(jìn)行過(guò)濾，可在其中加入一種質(zhì)地堅(jiān)硬的固體顆粒或預(yù)涂于過(guò)濾介質(zhì)上，以形成稀松的餅層，以改變?yōu)V餅結(jié)構(gòu)，提高剛性，減少阻力。這種預(yù)涂或預(yù)混的粒狀物質(zhì)稱為助濾劑。對(duì)助濾劑的要求：應(yīng)是能形成多孔餅層的剛性顆粒具有化學(xué)穩(wěn)定性和不溶于液相中過(guò)濾操作的壓強(qiáng)差范圍內(nèi)，具有不可壓縮性常用作助濾劑的物質(zhì)有：硅藻土：?jiǎn)渭?xì)胞水生植物的沉積化石，經(jīng)過(guò)干燥或焙燒，含85以上的SiO2珍珠巖：將一種玻璃狀的火山巖熔融后傾入水中，得到中空的小球，再打碎而成

27、其它：炭粉、石綿粉、紙漿粉等3.4.2 過(guò)濾基本方程式 濾餅是由被截留的顆粒堆積而成的固定床層，顆粒之間存在著網(wǎng)絡(luò)狀的空隙，濾液即從中流過(guò)。這樣的固定床層可視為一個(gè)截面形狀復(fù)雜多變而空隙截面積維持恒定的流通通道。對(duì)于顆粒中的通道，可簡(jiǎn)化成長(zhǎng)度為l的一組平行細(xì)管，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?？障堵剩?jiǎn)挝惑w積床層中的空隙體積，m3/m3，即：比表面積a：?jiǎn)挝惑w積顆粒所具有的表面積，m2/m3當(dāng)量直徑de：仿照第一章非圓形管當(dāng)量直徑的計(jì)算，寫(xiě)出顆粒床層的當(dāng)量直徑： derH取面積(min j)為1m2，厚度(hud)為1m的濾餅(l bn)考慮：床層體積=11=1 m3假設(shè)

28、細(xì)管的全部流動(dòng)空間等于床層的空隙體積：流道容積(空隙體積)床層體積1 m3若忽略床層中因顆粒相互接觸而彼此覆蓋的表面積，則：流道表面積顆粒表面積顆粒體積比表面積(1-)a m2平均流速u，因構(gòu)成濾餅的顆粒通常很小且排列極不規(guī)則，因而粒間空隙十分細(xì)微，形狀曲折，流動(dòng)阻力大，流速較低，屬于滯流流動(dòng)。所以可仿照第一章圓管內(nèi)滯流流動(dòng)的哈根泊謖葉公式。 上式為計(jì)算濾液通過(guò)床層時(shí)平均流速u的方程式 3.4.3 過(guò)濾速率 單位時(shí)間內(nèi)獲得的濾液體積稱為過(guò)濾速率，單位為m3/s?？梢?jiàn)過(guò)濾速度是單位過(guò)濾面積上的過(guò)濾速率。若過(guò)濾過(guò)程中其它因素維持不變，則由于濾餅厚度不斷增加而使得過(guò)濾速度逐漸變小。任一瞬間的過(guò)濾速度

29、可寫(xiě)成如下形式：式中：V濾液量，m3。 過(guò)濾時(shí)間，s A過(guò)濾面積上,m21 濾餅的阻力對(duì)不可壓縮濾餅，其形狀，大小不變，故、a為常數(shù)，則：式中：R濾餅(l bn)的阻力，1/m r濾餅(l bn)的比阻，1/m2上式表當(dāng)濾餅為不可壓縮時(shí)，任一瞬間單位面積上的過(guò)濾(gul)速率與濾餅上、下游兩側(cè)的壓強(qiáng)差成正比，而與當(dāng)時(shí)的濾餅厚度成反比，并與濾液粘度成反比。過(guò)濾推動(dòng)力：促成濾液流動(dòng)的因素，即壓強(qiáng)差pC過(guò)濾阻力：rL濾液本身的粘性，濾餅阻力：rL物理意義：比阻在數(shù)值上等于粘度為1Pas的濾液以1m/s的平均速度通過(guò)厚度為1m的濾餅層時(shí)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)降。所以，比阻反映了顆粒形狀、尺寸及床層空隙率對(duì)濾液流

30、動(dòng)的影響。，a：床層越致密，對(duì)流體流動(dòng)的阻滯作用越大2 過(guò)濾介質(zhì)的阻力餅層過(guò)濾中，過(guò)濾介質(zhì)的阻力一般較小，但有時(shí)卻不能忽略，尤其在過(guò)濾開(kāi)始階段餅層尚薄時(shí)。過(guò)濾介質(zhì)阻力與其厚度和本身致密程度有關(guān)，通常為常數(shù)。仿寫(xiě)：由于很難劃定過(guò)濾介質(zhì)與濾餅間的分界面，更難測(cè)定分界面處壓強(qiáng)，因而過(guò)濾操作總是把過(guò)濾介質(zhì)同濾餅聯(lián)合起來(lái)考慮：p濾餅與濾布兩側(cè)的總壓強(qiáng)降，稱為過(guò)濾壓強(qiáng)差。實(shí)際過(guò)濾中，一側(cè)常處同大氣，此時(shí)p就是另一側(cè)的表壓，故又稱過(guò)濾的表壓強(qiáng)。上式表明：可用濾液通過(guò)串聯(lián)的濾餅與濾布的總壓強(qiáng)降表示過(guò)濾推動(dòng)力，用兩層的阻力之和表示總阻力。假想用一層厚度為L(zhǎng)e的濾餅代替濾布，而過(guò)濾過(guò)程仍能按原來(lái)的速率進(jìn)行，那么，

31、這層假想中的濾餅就應(yīng)具有與濾布相同的阻力，即：式中：Le過(guò)濾介質(zhì)(jizh)的當(dāng)量濾餅厚度，或稱虛擬濾餅厚度，m在一定(ydng)操作條件，以一定介質(zhì)過(guò)濾一定懸浮液時(shí)，Le為定值同一介質(zhì)(jizh)在不同過(guò)濾操作中，Le值不同3 過(guò)濾基本方程式若以表示濾餅體積與濾液體積之比(m3/m3)，即濾漿的稠度時(shí)，則得到濾液量為V(m3)時(shí)，濾餅的體積為：V=LAL=V/A同理可得：Le=Ve/A式中： Ve 過(guò)濾介質(zhì)的當(dāng)量濾液體積，或稱虛擬濾液體積，m3。對(duì)于不可壓縮性濾餅r為常數(shù)，但對(duì)于可壓縮濾餅，r是壓強(qiáng)差的函數(shù)，可表示為：r=rPs式中： r 單位壓強(qiáng)差下濾餅的比阻，1/m2;3.4.4 恒壓過(guò)

32、濾1 恒壓過(guò)濾恒壓過(guò)濾是指過(guò)濾操作始終是在恒定壓強(qiáng)差下進(jìn)行，特點(diǎn)是隨過(guò)濾的進(jìn)行，濾餅層不斷增厚，過(guò)濾阻力逐漸增加，從而過(guò)濾速率不斷下降。對(duì)于一定的濾漿而言，、r、均為常數(shù)，令：恒壓過(guò)濾，p為常數(shù)，而s為顆粒特性常數(shù)，故再令：K=2kp1-s據(jù)上兩式，整理過(guò)濾基本方程式，得：積分上式，并整理： (V+Ve)2=KA2(e) (3)以上稱為恒壓過(guò)濾方程式。表明恒壓過(guò)濾時(shí)濾液體積與過(guò)濾時(shí)間的關(guān)系為一拋物線。2 恒速過(guò)濾恒速過(guò)濾是指過(guò)濾操作始終是在恒定速率下進(jìn)行，特點(diǎn)是隨著過(guò)濾的進(jìn)行，濾餅層不斷增厚，過(guò)濾阻力不斷增大，要維持過(guò)濾速率不變，必須不斷增大推動(dòng)力。根據(jù)過(guò)濾速度的定義: 式中：uR恒速階段(j

33、idun)的過(guò)濾速度，m/s上式表明，不可壓縮濾餅(l bn)恒壓過(guò)濾時(shí)，其過(guò)濾壓強(qiáng)差p與過(guò)濾(gul)時(shí)間成線性關(guān)系。3 先恒速后恒壓過(guò)濾恒壓過(guò)濾：V2（過(guò)濾介質(zhì)阻力忽略時(shí)）恒速過(guò)濾：V ，可見(jiàn)，在相同的時(shí)間內(nèi)，恒速過(guò)濾可獲得更多的濾液量。但由于恒速過(guò)濾時(shí)，隨時(shí)間的增加，過(guò)濾壓強(qiáng)差不斷增大，所以實(shí)際上沒(méi)有將恒速方式進(jìn)行到底的過(guò)濾操作。即在過(guò)濾初期以較低的恒速操作避免壓強(qiáng)差過(guò)高造成濾布堵塞或穿透現(xiàn)象。當(dāng)壓強(qiáng)慢慢升到指定數(shù)值后，采用恒壓操作直到過(guò)濾結(jié)束。 恒速過(guò)濾恒壓過(guò)濾過(guò)濾時(shí)間0RR濾液體積0VRVRVVR、R恒速階段終了(恒壓階段開(kāi)始)瞬間的濾液體積及過(guò)濾時(shí)間。過(guò)濾基本方程式：將上式各項(xiàng)除以

34、(V-VR)，整理(zhngl)得：表明恒壓階段過(guò)濾時(shí)間(shjin)與濾液體積比(-R)/(V-VR)與總濾液(ly)體積V成正比3.5 過(guò)濾常數(shù)的測(cè)定1 恒壓下K、qe、e的測(cè)定1）.圖解法將恒壓過(guò)濾方程式q2+2qqe=K改寫(xiě)得：由于K、qe為常數(shù)，故此式表明在恒壓過(guò)濾時(shí)，/q與q為直線關(guān)系，其斜率為1/K，截距為2qe/K。因此只要測(cè)得一系列不同過(guò)濾時(shí)間對(duì)應(yīng)的qe，即可根據(jù)上式通過(guò)作圖法，求得K和qe，而e通過(guò)qe2Ke計(jì)算。圖解法求過(guò)濾常數(shù)步驟： 在恒定壓強(qiáng)差下實(shí)驗(yàn)，測(cè)定一系列q值據(jù)恒壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算q、/q在直角坐標(biāo)系中以/qq做圖讀圖的斜率m，截距b計(jì)算K、 qe 計(jì)算e2 壓縮性

35、指數(shù)s的測(cè)定原理：將K=2kp1-s兩邊取對(duì)數(shù)：lgK=(1-s)lgp+lg(2k)對(duì)一定物料k、s為常數(shù)，故此式表明lgK與lgp為直線關(guān)系，其斜率為(1-s)，截距為lg(2k)。因此在不同壓強(qiáng)差下進(jìn)行恒壓過(guò)濾，測(cè)得對(duì)應(yīng)的K值，即可根據(jù)上式通過(guò)作圖法或最小二乘法求出s。 求解步驟：在不同的壓強(qiáng)差下進(jìn)行恒壓實(shí)驗(yàn)，測(cè)定一系列q值計(jì)算不同p下的K值在雙對(duì)數(shù)(du sh)坐標(biāo)系中以Kp做圖讀圖得斜率(xil)m，截距b，則：s=1-m, k=b/2求解(qi ji)步驟在不同的壓強(qiáng)差下進(jìn)行恒壓實(shí)驗(yàn)，測(cè)定一系列q值計(jì)算不同p下的K值令Y=lgK,X=lgp，m=1-s,b=lg(2k)利用最小二乘

36、法求解m,b計(jì)算s：s=1-m3. 6 過(guò)濾設(shè)備框過(guò)濾機(jī) 板框過(guò)濾機(jī)為最普遍使用的一種過(guò)濾機(jī)，它由許多塊濾板與濾框交替排列組合而成，見(jiàn)圖。濾板與濾框靠支耳架在一對(duì)橫梁上，通過(guò)壓緊裝置將其壓緊。 濾板和濾框多做成正方形。濾板和濾框的角上均開(kāi)有小孔，組合后構(gòu)成濾漿和洗水流動(dòng)的通道。濾框的兩側(cè)覆以濾布，圍成容納濾漿及濾餅的空間，濾布的角上也開(kāi)有對(duì)應(yīng)的孔道。濾板的作用一方面支撐濾布，另一方面提供濾液流出的通道，為此板面制成凸凹形狀。濾板又分為洗滌板和非洗滌板，其區(qū)別在于洗滌板左上角孔與板面兩側(cè)相通，洗水可由此進(jìn)入。為便于組裝時(shí)識(shí)別，在濾板和濾框外側(cè)鑄有小鈕或其它標(biāo)志，過(guò)濾板為一鈕板，洗滌板為三鈕板，濾

37、框具有二鈕。過(guò)濾機(jī)組裝時(shí)按鈕數(shù)1-2-3-2-1-2的順序排列板與框。板框過(guò)濾機(jī)為間歇操作，每一操作循環(huán)由組裝、過(guò)濾、洗滌、卸餅、清理五個(gè)階段組成。板框組裝完畢，開(kāi)始過(guò)濾，濾漿在指定壓強(qiáng)下由濾框角上的濾漿通道并行進(jìn)入各個(gè)濾框，濾液分別穿過(guò)濾框兩側(cè)的濾布，沿濾板面上的溝槽至濾液出口排出；顆粒則被濾布截留在框內(nèi)，待濾渣充滿每個(gè)框后，停止進(jìn)料過(guò)濾結(jié)束。關(guān)閉進(jìn)料漿閥及濾液出口閥。 洗滌時(shí)洗水從洗滌板角上的洗水通道并行進(jìn)入各洗滌板的兩側(cè)，在壓強(qiáng)差推動(dòng)下先穿過(guò)一層濾布和整個(gè)濾餅層，再穿過(guò)板框過(guò)濾機(jī)為間歇操作，每一操作循環(huán)由組裝、過(guò)濾、洗滌、卸餅、清理五個(gè)階段組成。板框組裝完畢，開(kāi)始過(guò)濾，濾漿在指定壓強(qiáng)下由濾框角上的濾漿通道并行進(jìn)入各個(gè)濾框，濾液分別穿過(guò)濾框兩側(cè)的濾布，沿濾板面上的溝槽至濾液出口排出；顆粒則被濾布截留在框內(nèi)