第七章非均相物系分离资料课件.ppt
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- 第七 均相 分离 资料 课件
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1、2/16/2023第第第第第第七七七七七七章章章章章章 非均相物系分离非均相物系分离非均相物系分离非均相物系分离非均相物系分离非均相物系分离一、过滤操作的基本概念二、表面过滤基本理论1、过滤基本方程2、过滤过程的计算3、过滤常数的测定4、滤饼的洗涤5、过滤机的生产能力三、深层过滤的基本理论过过过过过过 滤滤滤滤滤滤2/16/2023第一节第一节第一节第一节第一节第一节 过滤操作的基本概念过滤操作的基本概念过滤操作的基本概念过滤操作的基本概念过滤操作的基本概念过滤操作的基本概念1、过滤的概念过滤是分离液体和气体非均相混合物的常用方法。过滤是分离液体和气体非均相混合物的常用方法。过滤过滤:混合物中
2、的流体在混合物中的流体在推动力(重力、压力、推动力(重力、压力、离心力离心力)作用下作用下,通过能让液体流过而截留固体颗粒通过能让液体流过而截留固体颗粒的的多孔介质(过滤介质),多孔介质(过滤介质),使悬浮液中固液得到使悬浮液中固液得到分离的单元操作。分离的单元操作。滤浆:滤浆:通过多孔介质的液体。通过多孔介质的液体。滤液:滤液:被截留住的固体物质。被截留住的固体物质。滤渣(滤饼):滤渣(滤饼):过滤操作中所处理的悬浮液。过滤操作中所处理的悬浮液。2/16/2023 2、过滤介质、过滤介质 过滤介质是滤饼的支承物过滤介质是滤饼的支承物,应具有下列条件:,应具有下列条件:a)多孔性多孔性,孔道适
3、当的小,对流体的阻力小,又,孔道适当的小,对流体的阻力小,又能截住要分离的颗粒。能截住要分离的颗粒。b)物理化学性质稳定,物理化学性质稳定,耐热,耐化学腐蚀。耐热,耐化学腐蚀。c)足够的机械强度足够的机械强度,使用寿命长,使用寿命长 d)价格便宜价格便宜工业常用的过滤介质主要有:工业常用的过滤介质主要有:a)织物介质:织物介质:又称又称滤布滤布,包括有棉、毛、丝等天,包括有棉、毛、丝等天然纤维,玻璃丝和各种合成纤维制成的织物,以然纤维,玻璃丝和各种合成纤维制成的织物,以及金属丝织成的网及金属丝织成的网能截留的粒径的范围较宽,从能截留的粒径的范围较宽,从几十几十m到到1m2/16/2023优点:
4、优点:织物介质薄,阻力小,清洗与更新方便,价织物介质薄,阻力小,清洗与更新方便,价格比较便宜,是工业上应用最广泛的过滤介质。格比较便宜,是工业上应用最广泛的过滤介质。b)多孔固体介质多孔固体介质:如素烧陶瓷,烧结金属塑料细:如素烧陶瓷,烧结金属塑料细粉粘成的多孔塑料,棉花饼等粉粘成的多孔塑料,棉花饼等 这类介质较厚,孔道细,阻力大,这类介质较厚,孔道细,阻力大,能截留能截留13m的颗粒的颗粒c)堆积介质:堆积介质:由各种固体颗粒(砂、木炭、石棉粉由各种固体颗粒(砂、木炭、石棉粉等)或非编织的纤维(玻璃棉等)堆积而成,层较等)或非编织的纤维(玻璃棉等)堆积而成,层较厚。厚。d)多孔膜多孔膜:由高
5、分子材料制成,膜很薄(几十:由高分子材料制成,膜很薄(几十m到到200m),孔很小,可以分离小到),孔很小,可以分离小到0.05m的颗粒的颗粒,应用多孔膜的过滤有超滤和微滤。应用多孔膜的过滤有超滤和微滤。2/16/2023表面过滤(滤饼过滤)表面过滤(滤饼过滤)(见图(见图4-7a)过滤时悬浮液置于过滤介质的一侧。过滤介质)过滤时悬浮液置于过滤介质的一侧。过滤介质常用多孔织物,其网孔尺寸未必一定须小于被截留的颗粒常用多孔织物,其网孔尺寸未必一定须小于被截留的颗粒直径。在过滤操作开始阶段,会有部分颗粒进入过滤介质直径。在过滤操作开始阶段,会有部分颗粒进入过滤介质网孔中发生架桥现象(图网孔中发生架
6、桥现象(图4-7b),也有少量颗粒穿过介质),也有少量颗粒穿过介质而混与滤液中。随着滤渣的逐步堆积,在介质上形成一个而混与滤液中。随着滤渣的逐步堆积,在介质上形成一个滤渣层,称为滤渣层,称为滤饼滤饼。不断增厚的滤饼才是真正有效的过滤。不断增厚的滤饼才是真正有效的过滤介质,而穿过滤饼的液体则变为清净的介质,而穿过滤饼的液体则变为清净的滤液滤液。通常,在操。通常,在操作开始阶段所得到滤液是浑浊的,须经过滤饼形成之后返作开始阶段所得到滤液是浑浊的,须经过滤饼形成之后返回重滤。回重滤。3、过滤方式、过滤方式2/16/2023深层过滤深层过滤 颗粒尺寸比介质孔道小的多,孔道弯曲细长,颗颗粒尺寸比介质孔道
7、小的多,孔道弯曲细长,颗粒进入孔道后容易被截留。同时由于流体流过时粒进入孔道后容易被截留。同时由于流体流过时所引起的挤压和冲撞作用。颗粒紧附在孔道的壁所引起的挤压和冲撞作用。颗粒紧附在孔道的壁面上。介质表面无滤饼形成,过滤是在介质内部面上。介质表面无滤饼形成,过滤是在介质内部进行的。进行的。2/16/2023 3、过滤方式、过滤方式过滤过滤 深层过滤深层过滤 表面过滤(滤饼过滤)表面过滤(滤饼过滤)适用于悬浮液中颗粒甚小且含量甚微(固适用于悬浮液中颗粒甚小且含量甚微(固相体积分率在相体积分率在0.1%以下)的场合以下)的场合。如水的如水的净化,烟气除尘等。净化,烟气除尘等。适用于处理固相含量稍
8、高(固相体积分率适用于处理固相含量稍高(固相体积分率在在1%以上)的悬浮液。或用于过滤速度以上)的悬浮液。或用于过滤速度较慢、滤饼容易形成的情况。较慢、滤饼容易形成的情况。2/16/2023 1)重力过滤 2)真空过滤 3)压力差过滤 4)离心过滤 4、按促使流体流动的推动力分类、按促使流体流动的推动力分类2/16/20235、助滤剂、助滤剂 滤饼滤饼不可压缩滤饼不可压缩滤饼:颗粒有一定的刚性,所形成的滤饼颗粒有一定的刚性,所形成的滤饼并不因所受的压力差而变形并不因所受的压力差而变形。可压缩滤饼可压缩滤饼:颗粒比较软,所形成的滤饼在压差的作颗粒比较软,所形成的滤饼在压差的作用下变形,使滤饼中的
9、流动通道变小,用下变形,使滤饼中的流动通道变小,阻力增大。阻力增大。加入助滤剂:可减少可压缩滤饼的流动阻力加入助滤剂:可减少可压缩滤饼的流动阻力,增加过滤速率。增加过滤速率。助滤剂助滤剂是一种坚硬而形状不规则的小颗粒,能形成结构疏松是一种坚硬而形状不规则的小颗粒,能形成结构疏松而且几乎是不可压缩的滤饼。常用作助滤剂的物质有:硅藻而且几乎是不可压缩的滤饼。常用作助滤剂的物质有:硅藻土、珍珠岩、炭粉、石棉粉等。土、珍珠岩、炭粉、石棉粉等。加入方法加入方法预涂:预涂:将助滤剂混在滤浆中一起过滤将助滤剂混在滤浆中一起过滤 用助滤剂配成悬浮液,在正式过滤前用它进用助滤剂配成悬浮液,在正式过滤前用它进行过
10、滤,在过滤介质上形成一层由助滤剂组行过滤,在过滤介质上形成一层由助滤剂组成的滤饼。成的滤饼。2/16/2023 第二节第二节第二节第二节第二节第二节 表面过滤的基本理论表面过滤的基本理论表面过滤的基本理论表面过滤的基本理论表面过滤的基本理论表面过滤的基本理论一、过滤基本方程式一、过滤基本方程式一、过滤基本方程式一、过滤基本方程式一、过滤基本方程式一、过滤基本方程式1、滤液通过饼层的流动的过滤速度过滤速度:过滤速度:单位时间通过单位过滤面积的滤液体积。单位时间通过单位过滤面积的滤液体积。AdtdVu 滤液滤液悬浮液悬浮液过滤介质过滤介质滤滤饼饼p 滤液滤液悬浮液悬浮液过滤介质过滤介质滤饼滤饼Lp
11、 滤液滤液悬浮液悬浮液过滤介质过滤介质滤饼滤饼Lp 滤液滤液悬浮液悬浮液过滤介质过滤介质滤饼滤饼L2/16/20232、过滤速度与推动力的关系为、过滤速度与推动力的关系为:(Darcy定律)定律))(cmRRpu Rm:过滤介质的过滤阻力,:过滤介质的过滤阻力,m-1Rc:滤饼层的过滤阻力,:滤饼层的过滤阻力,m-1:滤液黏度,滤液黏度,Pas2/16/20233、过滤介质及滤饼的阻力、过滤介质及滤饼的阻力 设过滤介质和滤饼的厚度分别为设过滤介质和滤饼的厚度分别为 、L,单位,单位m;单位厚度的过滤介质或滤饼的阻力单位厚度的过滤介质或滤饼的阻力用用rm、r表示,表示,称之为称之为过滤比阻过滤比
12、阻。则:则:Rm=rmLm;Rc=rL)(rLLrpumm mL2/16/2023设想设想以一层厚度为以一层厚度为 的滤饼来代替过滤介质,的滤饼来代替过滤介质,memmRrLLr 故上式可写为故上式可写为 )()(eeLLrPrLrLPu 式中:式中:过滤介质的当量滤饼厚度,或称为虚拟滤饼厚度,过滤介质的当量滤饼厚度,或称为虚拟滤饼厚度,m;在一定的操作条件下,以一定介质过滤一定悬浮液时,在一定的操作条件下,以一定介质过滤一定悬浮液时,Le为定值,但同一介质在不同的过滤操作中,为定值,但同一介质在不同的过滤操作中,Le值不同。值不同。eLeL2/16/20234、过滤基本方程式、过滤基本方程式
13、 滤饼厚度滤饼厚度L与当时已经获得的与当时已经获得的滤液体积滤液体积V之间的关系为:之间的关系为:fVLA AfVL f滤饼体积与相应的滤液体积之比,无因次,滤饼体积与相应的滤液体积之比,无因次,m3/m3。即每过滤得到即每过滤得到1m3的滤液,产生的滤饼量为的滤液,产生的滤饼量为f m3。同理同理:AfVLee Ve过滤介质的当量滤液体积,或称虚拟滤液体积,过滤介质的当量滤液体积,或称虚拟滤液体积,m3 在一定的操作条件下,以一定介质过滤一定的悬浮液时,在一定的操作条件下,以一定介质过滤一定的悬浮液时,Ve为定值,但同一介质在不同的过滤操作中,为定值,但同一介质在不同的过滤操作中,Ve值不同
14、。值不同。2/16/2023上式就可以写成:上式就可以写成:得:得:)(AVVrfPAdtdVue )(eVVrfPAAdtdV 过滤速率的一般关系式过滤速率的一般关系式 可压缩滤饼的情况比较复杂,它的比阻是两侧压强差的函数,可压缩滤饼的情况比较复杂,它的比阻是两侧压强差的函数,sPrr)(0 s滤饼的压缩性指数滤饼的压缩性指数,无因次。,无因次。s=01,对于不对于不可压缩滤饼,可压缩滤饼,s=0。2/16/2023 代入上式,过滤速率代入上式,过滤速率 )(01esVVfrPAAdtdV 过滤基本方程式过滤基本方程式适用于可压缩滤饼及不可压缩滤饼。适用于可压缩滤饼及不可压缩滤饼。对于不可压
15、缩滤饼,对于不可压缩滤饼,s=0。2/16/2023smfrsp/,012K2过滤常数,过滤常数,令令 )(2VeVKAAdtdV 再用再用q、qe分别表示分别表示单位过滤面积的的滤液量和过单位过滤面积的的滤液量和过滤介质的虚拟滤液量滤介质的虚拟滤液量,即:,即:q=V/A,qe=Ve/A得:得:)(2eqqKdtdq )(01esVVfrPAAdtdV 则有:则有:过滤基本方程式过滤基本方程式表面过滤基本方程表面过滤基本方程表面过滤基本方程表面过滤基本方程2/16/2023二、过滤过程的计算二、过滤过程的计算二、过滤过程的计算二、过滤过程的计算二、过滤过程的计算二、过滤过程的计算 (一)恒压
16、过滤:在恒定压强差下进行的过滤操作。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,过滤速率逐渐变小。对于一定的悬浮液,K可视为常数。)(22eVVKAdtdV 2/16/2023积分得积分得:dtKAdVVVteV020)(2积分的积分的边界条件边界条件为:为:过滤时间过滤时间 滤液体积滤液体积 0 t 0V tKAVVVe222 tKAqqqe222 恒压过滤方程式恒压过滤方程式 同理可得:同理可得:2/16/2023表明:表明:恒压过滤时,滤液体积与过滤时间的关恒压过滤时,滤液体积与过滤时间的关系为抛物线方程系为抛物线方程 tKAV22 讨论:讨论:1、当过滤介质阻力可忽略时、
17、当过滤介质阻力可忽略时Ktq 22、当积分区域为、当积分区域为t0t,V0V,则有:,则有:)()(2)(020202ttKAVVVVVe tKAVVVe222 tKAqqqe222 2/16/2023例:例:过滤一种固体颗粒体积分数为过滤一种固体颗粒体积分数为0.1的悬浮液的悬浮液,滤饼含滤饼含水的体积分数为水的体积分数为0.5,颗粒不可压缩颗粒不可压缩,经实验测定滤饼比阻经实验测定滤饼比阻为为1.310-11m-2,水的粘度为水的粘度为1.010-3Pa.s。在压强差恒为。在压强差恒为9.8104Pa的条件下过滤的条件下过滤,假设滤布阻力可以忽略假设滤布阻力可以忽略,试求:试求:1)每)每
18、1m2过滤面积上获得过滤面积上获得1.5m3滤液所需的过滤时间。滤液所需的过滤时间。2)如将此过滤时间延长一倍)如将此过滤时间延长一倍,可再得滤液多少?可再得滤液多少?解:解:1)过滤时间)过滤时间33/25.05.0/1.0115.0/1.01mmf 2/16/2023smfrPKs/10625.0103.1100.11081.92223113401 滤布阻力可忽略滤布阻力可忽略 Ktq 2sKqt3221065.1 s375 2)求过滤时间加倍时的滤液量求过滤时间加倍时的滤液量stt75037522 tKq 3312.2750106m 5.112.2 qq23/62.0mm 2/16/20
19、23(二)恒速过滤(二)恒速过滤常数常数 )(2eqqKdtdq常数常数 )(2eVVKAAdtdVtAKVVeVtKeqqq22222 得:得:值得注意的是:恒速过滤过程中压力降是变化的,值得注意的是:恒速过滤过程中压力降是变化的,因此过滤系数因此过滤系数K随时间而变化,式中的随时间而变化,式中的K应是近似平应是近似平均值。均值。2/16/2023四、过滤常数的测定四、过滤常数的测定四、过滤常数的测定四、过滤常数的测定四、过滤常数的测定四、过滤常数的测定 1、恒压下K、qe的测定 实验原理:eqKqKqt21 对于一定恒压下过滤的悬浮液,测出延续的时间及对于一定恒压下过滤的悬浮液,测出延续的
20、时间及滤液的累计量滤液的累计量q(按单位面积计)的数据,然后算出一(按单位面积计)的数据,然后算出一系列的系列的t与与q的对应值的对应值,作直线的斜率和截距可求。作直线的斜率和截距可求。2/16/20232/16/20232、压缩性指数、压缩性指数s的测定的测定 BpsK )lg()1(lglgk与与lg(p)的关系在对数坐标纸上标绘时应是的关系在对数坐标纸上标绘时应是直线直线,直线的斜率为直线的斜率为1-s。由此可得到滤饼的压缩性。由此可得到滤饼的压缩性指数指数s。两边求对数两边求对数对对frsp012K 2/16/2023五、滤饼的洗涤五、滤饼的洗涤 滤饼洗涤的目的:滤饼洗涤的目的:为了回
21、收滤饼里存留的滤液,或为了回收滤饼里存留的滤液,或者净化构成滤饼颗粒。者净化构成滤饼颗粒。1、洗涤速度、洗涤速度 洗涤速度:洗涤速度:洗涤速率与洗涤速率与过滤终了时的过滤速率过滤终了时的过滤速率有关,这个关有关,这个关系取决于滤液设备上采用的系取决于滤液设备上采用的洗涤方式洗涤方式。单位时间单位洗涤面积消耗的洗涤液单位时间单位洗涤面积消耗的洗涤液容积容积,以,以 表示。表示。wAdtdVWwFwLLAdtdVAdtdV 终终,)()(2/16/2023 叶滤机叶滤机采用的采用的置换洗涤法置换洗涤法,洗水与过滤终了时的滤液流,洗水与过滤终了时的滤液流过的路径就完全相同。过的路径就完全相同。当操作
22、压强差和洗水与滤液粘度相同时当操作压强差和洗水与滤液粘度相同时 )()(2)()(01,eseFwVVfrPAVVKAAdtdVAdtdV 终终 板框过滤机板框过滤机采用的是采用的是横穿洗涤法横穿洗涤法,洗水横穿两层滤布,洗水横穿两层滤布及整个厚度的滤饼,流径长度约为过滤终了时滤液流动的及整个厚度的滤饼,流径长度约为过滤终了时滤液流动的两倍。而供洗水流通的面积仅为过滤面积的一半。两倍。而供洗水流通的面积仅为过滤面积的一半。EeweLLLL)(2)(AAw21 2/16/2023当操作压强差和洗水与滤液粘度相同时当操作压强差和洗水与滤液粘度相同时)(8)(41)(221)(2,01eFeswVV
23、KAdtdVLLrPAdtdV 终终 当洗水粘度、洗水表压与滤液粘度、过滤压强差当洗水粘度、洗水表压与滤液粘度、过滤压强差有明显差异时,所需的过滤时间可进行校正。有明显差异时,所需的过滤时间可进行校正。2/16/20232、洗涤时间、洗涤时间为洗涤液用量。为洗涤液用量。wVwdtdVwVwt,)(2/16/2023六、过滤机生产能力的计算六、过滤机生产能力的计算六、过滤机生产能力的计算六、过滤机生产能力的计算六、过滤机生产能力的计算六、过滤机生产能力的计算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,m3/s 1、间歇过滤机的生产能力、间歇过滤机
24、的生产能力 一个操作周期时间为:一个操作周期时间为:DWFTtttt 生产能力为:生产能力为:DWFVtttVq 在间歇过滤机的生产中,总是力求获得最大的生产在间歇过滤机的生产中,总是力求获得最大的生产能力,因此,对于间歇过滤过程来说,合理选择每能力,因此,对于间歇过滤过程来说,合理选择每个循环中的过滤时间,可以得到最大的生产能力。个循环中的过滤时间,可以得到最大的生产能力。2/16/2023 。V由生产任务所定由生产任务所定若若 但滤饼厚度但滤饼厚度 ,平均过滤速率,平均过滤速率 ,一定,一定,的幅度,的幅度,。平均过滤速率平均过滤速率 ,但,但 ,而,而 一定一定且在一个周期内所占比例且在
25、一个周期内所占比例 ,幅度小于幅度小于 的幅度,的幅度,从上面的分析可知,对恒定过滤每一操作周期中必定存从上面的分析可知,对恒定过滤每一操作周期中必定存在一最佳的过滤时间在一最佳的过滤时间 使使 最大。因此存在一个最佳最大。因此存在一个最佳操作周期操作周期 。WWVV、与 有关,V,L WD,V的幅度小于Q L,WV DV Q optQQ 1、间歇过滤机的生产能力、间歇过滤机的生产能力2/16/2023例:例:用一台装有用一台装有26个个BMS/625mm625mm26mm板框的板框的压滤机过滤一种含固体颗粒为压滤机过滤一种含固体颗粒为25kg/m3的悬浮液,在过滤机的悬浮液,在过滤机入口处滤
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