非均相物系分离精选课件.ppt

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1、关于非均相物系分离第一页，本课件共有47页 本章学习要求：1本章学习目的 通过本章的学习，要重点掌握沉降和过滤这两种机械分离操作的原理、过程计算、典型设备的结构与特性。2 本章应掌握的内容 a 沉降分离（包括重力沉降和离心沉降）的原理、过程计算。b 过滤操作的原理、过滤的计算第二页，本课件共有47页均相混合物：物系内部各处物料性质均匀而不存在相界面均相混合物：物系内部各处物料性质均匀而不存在相界面（如溶液、混合气体等）。（如溶液、混合气体等）。非均相混合物：物系内部有隔开两相的界面存在而界面两侧的非均相混合物：物系内部有隔开两相的界面存在而界面两侧的物料性质截然不同（含尘气体、含雾气体、悬浮液

2、、乳浊液、物料性质截然不同（含尘气体、含雾气体、悬浮液、乳浊液、泡沫液等）。泡沫液等）。沉降操作：依靠某种力的作用，利用分散物质与分散介质的密度沉降操作：依靠某种力的作用，利用分散物质与分散介质的密度差异，使之发生相对运动而分离的过程。差异，使之发生相对运动而分离的过程。机械分离方法（按流动方式不同）：沉降和过滤。机械分离方法（按流动方式不同）：沉降和过滤。沉降作用力：重力（重力沉降）和惯性离心力（离心沉降）。沉降作用力：重力（重力沉降）和惯性离心力（离心沉降）。第三页，本课件共有47页3.1 概述1 流体对固体颗粒的绕流2 悬浮液的形成含有固体颗粒的液体称为悬浮液。生产中液固分离的目的：得到

3、含液量比较少的固体产品，即低的液体损失率；或得到含固体颗粒比较少的清液，即低的固体损失率。第四页，本课件共有47页3.2 沉降分离 沉降概述沉降分离是常见的液固分离方法。沉降分离是常见的液固分离方法。沉降分离：以颗粒和液体间的沉降分离：以颗粒和液体间的密度差密度差为基础的分离方法。为基础的分离方法。沉降过程自由沉降自由沉降:颗粒间相互影响可忽略（稀悬浮液初期沉降）颗粒间相互影响可忽略（稀悬浮液初期沉降）干扰沉降干扰沉降:颗粒间相互影响不能忽略（浓悬浮液中期）颗粒间相互影响不能忽略（浓悬浮液中期）压缩沉降压缩沉降:颗粒已沉降在一起，靠颗粒自身重量将间隙中的颗粒已沉降在一起，靠颗粒自身重量将间隙中

4、的液体挤出，颗粒层压缩（沉降末期）液体挤出，颗粒层压缩（沉降末期）第五页，本课件共有47页球形颗粒的自由沉降阻力系数影响沉降速度的因素沉降速度的计算重力沉降是利用流体中的固体颗粒受地球吸引力场的作用而发生的沉降过程3.2.1 重力沉降第六页，本课件共有47页颗粒在流体中受到三个力的作用，如下所示：颗粒在流体中受到三个力的作用，如下所示：曳力曳力F Fd d质量力质量力Fg 浮力浮力FbFb Fg=mg（重力）（重力），或，或Fg=mac（离心力）（离心力）Fb=m g/p 式中式中 为曳力系数为曳力系数3.2.1.1 球形颗粒的自由沉降颗粒在沉降过程中的颗粒在沉降过程中的受力分析受力分析第七页

5、，本课件共有47页 根据牛顿第二运动定律，颗粒所受三个力的合力应等于颗粒的质量与加速度的乘积，即将表面光滑的刚性球形颗粒置于静止的流体介质中，若颗粒的密度大于流体的密度，则颗粒将在流体中降落或或由此可得沉降速度第八页，本课件共有47页 阻力系数根据阻力随颗粒雷诺数变化的规律，可分为三个区域：滞流区或斯托克斯定律区（10-4Rep2)过渡区或艾仑定律区（1Rep103）一般用于粒径小于一般用于粒径小于50m的颗粒的颗粒第九页，本课件共有47页湍流区或牛顿定律区（103Ret2105）一般用于粒径大于一般用于粒径大于1.5mm的颗粒的颗粒第十页，本课件共有47页 影响沉降速度的因素影响沉降速度的因

6、素1.1.颗粒的体积浓度颗粒的体积浓度当颗粒的体积浓度小于0.2%时，理论计算值的偏差在1%以内，当颗粒浓度较高时便发生干扰沉降2.2.器壁效应器壁效应3.3.颗粒形状的影响颗粒形状的影响当容器尺寸远远大于颗粒尺寸时，器壁效应可忽略，否则需加以考虑同一种固体物质，球形或近球形颗粒比同体积非球形颗粒的沉降快一些。第十一页，本课件共有47页试差法由于在计算出ut之前Rep的大小未知，因此要通过试差确定应该选取的计算公式。即：先假设沉降属于某一流型，则可直接选用与该流型相应的沉降速度公式计算，然后按求出的ut检验Ret值是否在原假设的流型范围内。摩擦数群法该法是将 与雷诺数的关系曲线加以转换，使其两

7、个坐标轴之一与雷诺数的关系曲线加以转换，使其两个坐标轴之一变成不包含变成不包含ut的无量纲数群，进而便可得ut 沉降速度的计算沉降速度的计算第十二页，本课件共有47页（1 1）工作原理）工作原理 气体入室气体入室减速减速颗粒的沉降运动颗粒的沉降运动&随气体运动随气体运动沉降运动时间沉降运动时间 1%1%）的场合。）的场合。深层过滤 固体颗粒并不形成滤饼，而是沉积于较厚的粒状对滤介质床层内部的过固体颗粒并不形成滤饼，而是沉积于较厚的粒状对滤介质床层内部的过滤操作。滤操作。深床过滤主要用于净化含固量很少（深床过滤主要用于净化含固量很少（0.1%0.1%）流体，如水）流体，如水净化等。净化等。3、饼

8、层过滤与深床过滤第十八页，本课件共有47页过滤操作示意图过滤操作方式过滤操作分为间歇式与连续式。根据过滤推动力的方式，又有加压过滤、真空过滤和离心过滤4、过滤的操作第十九页，本课件共有47页3.4.1.1 3.4.1.1 物料衡算物料衡算3.4.1 过滤过程计算悬浮液中质量分数与体积分数的关系：悬浮液中质量分数与体积分数的关系：V V悬悬：为获得滤液量为获得滤液量V V并形成厚度为并形成厚度为L L的滤饼时所消耗的悬浮液总量（的滤饼时所消耗的悬浮液总量（m m3 3）；）；：为滤饼空隙率（为滤饼空隙率（m m3 3）；）；L L：滤饼厚度（滤饼厚度（m m）；）；V：滤液量：滤液量(m3)；q

9、 q：通过单位面积的滤液总量：通过单位面积的滤液总量(m(m3 3/m/m2 2)；:悬浮液固体体积分数（悬浮液固体体积分数（m m3 3固体固体/m/m3 3悬浮液）悬浮液）w w:悬浮液固体质量分数（悬浮液固体质量分数（KgKg固体固体/Kg/Kg悬浮液）；悬浮液）；第二十页，本课件共有47页a:a:滤液通道细小曲折，形成不规则的网状结构；滤液通道细小曲折，形成不规则的网状结构；b:b:随着过滤进行，滤饼厚度不断增加，流动阻力逐渐增大，因随着过滤进行，滤饼厚度不断增加，流动阻力逐渐增大，因而过滤属非稳态操作；而过滤属非稳态操作；C:C:细小而密集的颗粒层提供了很大的液固接触面，滤液的流动大

10、都细小而密集的颗粒层提供了很大的液固接触面，滤液的流动大都在滞流区。在滞流区。一、滤液的流动一、滤液的流动3.4.1.2 3.4.1.2 过滤基本方程过滤基本方程1 1、滤液通过滤饼层流动的特点、滤液通过滤饼层流动的特点第二十一页，本课件共有47页 对于颗粒层不规则的通道可简化为长度为对于颗粒层不规则的通道可简化为长度为L L的一组平行细管，细管的一组平行细管，细管长度随滤饼层的厚度而变，细管的当量直径可由床层的孔隙率和颗长度随滤饼层的厚度而变，细管的当量直径可由床层的孔隙率和颗粒的比表面积来计算。粒的比表面积来计算。：床层的空隙率，：床层的空隙率，m m3 3/m/m3 3；a:a:颗粒比表

11、面积，颗粒比表面积，m m2 2/m/m3 3;2 2、当量长度的计算、当量长度的计算第二十二页，本课件共有47页规定：规定：1 1、细管的全部流动空间等于床层的空隙容积。、细管的全部流动空间等于床层的空隙容积。2 2、细管的内表面积等于床层中颗粒的全部表面积。、细管的内表面积等于床层中颗粒的全部表面积。对于滤液通过平行细管的滞流流动，可用泊谡叶方程加以描述：对于滤液通过平行细管的滞流流动，可用泊谡叶方程加以描述：即即 或或3 3、过滤基本方程、过滤基本方程u u1 1 ：滤液在床层孔道中的流速，：滤液在床层孔道中的流速，m/s;m/s;u:u:滤液平均流速（按整个床层截面积计算）滤液平均流速

12、（按整个床层截面积计算）u u1 1=u/，m/sL:L:床层厚度，床层厚度，m m；P Pc c：压强降，：压强降，Pa;Pa;第二十三页，本课件共有47页过滤速率过滤速率过滤速度过滤速度单位时间获得的滤液体积单位时间获得的滤液体积,m3/s。单位时间通过单位过滤面积上的滤液体积，单位时间通过单位过滤面积上的滤液体积，m/s。若过滤过程中其他因素维持不变，则由于滤饼厚度不断增加若过滤过程中其他因素维持不变，则由于滤饼厚度不断增加过滤速度会逐渐变小。任一瞬间的过滤速率应写成如下形式过滤速度会逐渐变小。任一瞬间的过滤速率应写成如下形式二、过滤速度与过滤速率二、过滤速度与过滤速率第二十四页，本课件

13、共有47页滤饼阻力过滤介质三、过滤阻力三、过滤阻力r:r:滤饼的比阻，滤饼的比阻，1/m1/m2 2;R:;R:滤饼阻力，滤饼阻力，1/m1/m第二十五页，本课件共有47页过滤总过程为方便起见，假设过滤介质对滤液流动的阻力相当于厚度为Le的滤饼层的阻力，即 则上式可写为第二十六页，本课件共有47页用滤液体积来表示滤饼厚度：用滤液体积来表示滤饼厚度：v:每获得每获得1m1m3 3滤液所形成的滤饼体积为滤液所形成的滤饼体积为vm3。则：则：同理：同理：四、四、不可压缩滤饼的过滤基本方程不可压缩滤饼的过滤基本方程V:V:滤液体积，滤液体积，m m3;3;V Ve e:过滤介质的当量体积，（如生成厚度

14、为过滤介质的当量体积，（如生成厚度为L Le e的滤饼所应获得的滤液体积）的滤饼所应获得的滤液体积）,m,m3 3:滤饼体积与相应的滤液体积之比，滤饼体积与相应的滤液体积之比，m3/m3第二十七页，本课件共有47页考虑滤饼的可压缩性考虑滤饼的可压缩性一般情况下一般情况下s=0.2s=0.20.80.8，不，不可压缩滤饼可压缩滤饼s=0s=0五、五、可压缩滤饼的过滤基本方程可压缩滤饼的过滤基本方程第二十八页，本课件共有47页 若过滤过程中保持过滤推动力（压差）不变，则称为若过滤过程中保持过滤推动力（压差）不变，则称为恒压过滤恒压过滤。对于指定滤浆的恒压过滤，对于指定滤浆的恒压过滤，K K为常数。

15、为常数。3.4.1.3 3.4.1.3 恒压过滤恒压过滤令令则则k:k:表征过滤物料特性的常数，表征过滤物料特性的常数，m m4 4/N.s/N.s；K K：滤饼常数，：滤饼常数，m m2 2/s(/s(由物料特性及过滤压强所决定由物料特性及过滤压强所决定的常数的常数)0 e 0Vee-+e VeV+Ve令令第二十九页，本课件共有47页若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为：若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为：则则0 e 0Vee-+e VeV+Ve第三十页，本课件共有47页若过滤时保持过滤速度不变，则过滤过程为若过滤时保持过滤速度不变，则过滤过程为恒速过滤恒速过滤。若过滤介质阻力

16、可忽略不计，则以上两式简化为：若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为：对恒速过滤，有对恒速过滤，有 或或 3.4.1.4 3.4.1.4 恒速过滤恒速过滤第三十一页，本课件共有47页恒压下恒压下K、qe、e的测定的测定将恒压过滤方程式将恒压过滤方程式微分得微分得即在恒压过滤条件下即在恒压过滤条件下，/q 与与 q 的函数关系是以的函数关系是以 1/K 为斜率为斜率、2qe/K 为为截距的直线，实验测得不同过滤时间单位过滤面积的累积滤液量截距的直线，实验测得不同过滤时间单位过滤面积的累积滤液量 q，即可由上式回归出即可由上式回归出 K 和和 qe。3.4.1.5 3.4.1.5 过滤常数的测

17、定过滤常数的测定第三十二页，本课件共有47页q0000然后在直角坐标纸上从/q为纵坐标，以q为横坐标进行标绘，可得到一斜率为2/K，截距为2qe/K的直线。求得第三十三页，本课件共有47页截距2qe/K斜率为斜率为1/K第三十四页，本课件共有47页压缩性指数压缩性指数s s的测定的测定由过滤常数由过滤常数 K K 的定义式的定义式 lgklgk与与lglg(p)p)的关系在对数坐标纸上标绘时应是直线的关系在对数坐标纸上标绘时应是直线,直线的斜直线的斜率为率为1-1-s s，截距为截距为lglg(2k2k)。由此可得到滤饼的压缩性指数由此可得到滤饼的压缩性指数s s及物料及物料特性常数特性常数k

18、 k。第三十五页，本课件共有47页板框压滤机板框压滤机 板与框的结构如右图所板与框的结构如右图所示，四角均开有孔，组示，四角均开有孔，组装叠合后分别构成滤浆装叠合后分别构成滤浆通道、滤液通道和洗涤通道、滤液通道和洗涤液通道。液通道。3.4 过滤设备第三十六页，本课件共有47页滤浆由总管入框框内形成滤饼滤液穿过饼和布经每板上旋塞排出(明流)从板流出的滤液汇集于某总管排出(暗流)第三十七页，本课件共有47页横穿洗涤：洗涤液由总管入板滤布滤饼滤布非洗涤板排出洗涤面积=(1/2)过滤面积洗涤液的行程（包括滤饼和滤布）=2终了时滤液行程的倍。洗涤速率=1/4过滤终了速率第三十八页，本课件共有47页第三十

19、九页，本课件共有47页 叶滤机也是间歇操作设备，具有过滤推动力大、单位地面所容纳的叶滤机也是间歇操作设备，具有过滤推动力大、单位地面所容纳的过滤面积大、滤饼洗涤较充分等优点。其生产能力比板框压滤机大，而过滤面积大、滤饼洗涤较充分等优点。其生产能力比板框压滤机大，而且机械化程度高，劳动力较省，密闭过滤，操作环境较好。其缺点是构且机械化程度高，劳动力较省，密闭过滤，操作环境较好。其缺点是构造较复杂、造价较高。造较复杂、造价较高。叶滤机是由许多滤叶组成。滤叶为内有金属网的扁平框架，外包叶滤机是由许多滤叶组成。滤叶为内有金属网的扁平框架，外包滤布，将滤叶装在密闭的机壳内（加压式），为滤浆所浸没。滤浆中

20、滤布，将滤叶装在密闭的机壳内（加压式），为滤浆所浸没。滤浆中液体在压力差作用下穿过滤布进入滤叶内部，成为滤液从其周边引出。液体在压力差作用下穿过滤布进入滤叶内部，成为滤液从其周边引出。过滤完毕，机壳内改充清水，使水循着与滤液相同的路径通过滤饼，过滤完毕，机壳内改充清水，使水循着与滤液相同的路径通过滤饼，进行置换洗涤。进行置换洗涤。叶滤机叶滤机第四十页，本课件共有47页第四十一页，本课件共有47页3.5 洗涤速率与洗涤时间叶滤机叶滤机洗水与过滤终了时的滤液流过路径基叶滤机洗水与过滤终了时的滤液流过路径基本相同，洗涤面积与过滤面积也相同，所以本相同，洗涤面积与过滤面积也相同，所以洗涤速率与过滤速率

21、大致相同洗涤速率与过滤速率大致相同洗涤时间洗涤时间第四十二页，本课件共有47页板框式过滤机洗涤面积洗涤面积=(1/21/2)过滤面积过滤面积洗涤速率洗涤速率=1/4=1/4过滤终了速率过滤终了速率第四十三页，本课件共有47页3.6 过滤设备生产能力过滤机的生产能力过滤机的生产能力：单位时间的滤液体积或滤渣体积，：单位时间的滤液体积或滤渣体积，m m3 3/s/s1、间歇式过滤机的生产能力一个操作周期的时间：设备生产能力：设备生产能力：过滤时间；：过滤时间；W ：洗涤时间；：洗涤时间；D ：辅助时间（组装、卸渣及清洗滤布等）：辅助时间（组装、卸渣及清洗滤布等）第四十四页，本课件共有47页 助滤剂

22、：助滤剂：改变滤饼结构，使之较为疏松且不被压缩，则可提高改变滤饼结构，使之较为疏松且不被压缩，则可提高过滤与洗涤速率。助滤剂多为刚性较好的多孔性粒状或纤维过滤与洗涤速率。助滤剂多为刚性较好的多孔性粒状或纤维状材料，如常用的硅藻土、膨胀珍珠岩、纤维素等状材料，如常用的硅藻土、膨胀珍珠岩、纤维素等絮凝剂：絮凝剂：使分散的细颗粒凝聚成团从而更容易过滤。絮凝剂有聚合使分散的细颗粒凝聚成团从而更容易过滤。絮凝剂有聚合电解质类的如明胶、聚丙烯酰胺等，其长链高分子结构为固体颗电解质类的如明胶、聚丙烯酰胺等，其长链高分子结构为固体颗粒架桥而成絮团；也有无机电解质类的絮凝剂，其作用为破坏颗粒架桥而成絮团；也有无

23、机电解质类的絮凝剂，其作用为破坏颗粒表面的双电层结构使颗粒依靠范德华力而聚并成团粒表面的双电层结构使颗粒依靠范德华力而聚并成团流动或机械搅动：流动或机械搅动：限制滤饼厚度的增长，或者借用离心力使滤饼在带限制滤饼厚度的增长，或者借用离心力使滤饼在带锥度的转鼓中自动移动等动态过滤技术，也可以有效地提高过滤锥度的转鼓中自动移动等动态过滤技术，也可以有效地提高过滤速率速率增大过滤面积、提高转速、缩短辅助操作时间、改善过滤特性以提增大过滤面积、提高转速、缩短辅助操作时间、改善过滤特性以提高过滤和洗涤速率。高过滤和洗涤速率。3.4.1.6 3.4.1.6 提高过滤生产能力的措施提高过滤生产能力的措施第四十五页，本课件共有47页例：拟在9.81103的恒定压差下过滤直径为0.1mm球形颗粒物质悬浮于水中，颗粒比表面积为6104m2/m3，过滤时形成不可压缩滤饼，其空隙率为60，此悬浮液中固相所占的体积分率为10，已知水的粘度为110-3Pa.s，过滤介质阻力可以忽略，求1.滤饼的比阻r。2.每平方米过滤面积上获得1.5m3滤液所需的过滤时间。3.若将此过滤时间延长一倍，可再得多少滤液？第四十六页，本课件共有47页感感谢谢大大家家观观看看第四十七页，本课件共有47页