第二章 过滤、离心与膜分离设备.

Chapter2非均相物系的分离重点：过滤和沉降的基本理论、基本方程难点：过滤基本方程的应用、过滤设备均相物系(honogeneoussystem):均相混合物。物系内部各处均匀且无相界面。如溶液和混合气体都是均相物系。自然界的混合物分为两大类：非均相物系(non-honogeneoussystem):非均相混合物。物系内部有隔开不同相的界面存在，且界面两侧的物料性质有显著差异。如：悬浮液、乳浊液、泡沫液属于液态非均相物系，含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。第一节概述分散相：分散物质。在非均相物系中，处于分散状态的物质。连续相：分散介质。包围着分散物质而处于连续状态的流体。非均相物系由分散相和连续相组成要实现分离，必须使分散相和连续相之间发生相对运动。因此，非均相物系的分离操作遵循流体力学的基本规律。非均相物系的分离原理：非均相物系分离的理论基础：根据两相物理性质(如密度等)的不同而进行的分离。由于非均相物的两相间的密度等物理特性差异较大，因此常采用机械方法进行分离。按两相运动方式的不同，机械分离大致分为沉降和过滤两种操作。通常先造成一个两相物系，再用机械分离的方法分离，如蒸馏，萃取等。非均相物系的分离方法：均相物系的分离方法：过滤介质:过滤采用的多孔物质；滤浆:所处理的悬浮液；滤液:通过多孔通道的液体；滤饼或滤渣:被截留的固体物质。以某种多孔物质为介质，在外力的作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的单元操作。第二节过滤一、过滤操作的基本概念1过滤(filtration)滤浆(slurry)：原悬浮液。滤饼(filtercake)：截留的固体物质。过滤介质(filteringmedium)：多孔物质。滤液(filterate)：通过多孔通道的液体。过滤操作示意图(滤饼过滤)滤饼过滤过程：刚开始：有细小颗粒通过孔道，滤液混浊。开始后：迅速发生“架桥现象”，颗粒被拦截，滤液澄清。所以，在滤饼过滤时真正起过滤作用的是滤饼本身，而非过滤介质。2过滤方式过滤的操作基本方式有两种：滤饼过滤和深层过滤2.1滤饼过滤(cakefiltration)：饼层过滤架桥现象注意：所选过滤介质的孔道尺寸一定要使“架桥现象”能够过发生。饼层过滤适于处理固体含量较高的悬浮液。特点：颗粒(粒子)沉积于介质内部。深层过滤过滤对象：悬浮液中的固体颗粒小而少。过滤介质：堆积较厚的粒状床层。过滤原理：颗粒尺寸介质通道尺寸，颗粒通过细长而弯曲的孔道，靠静电和分子的作用力附着在介质孔道上。应用：适于处理生产能力大而悬浮液中颗粒小而且含量少的场合，如水处理和酒的过滤。2.2深层过滤(deepbedfiltration)：深床过滤织物介质(又称滤布)由棉、毛、麻、丝等天然纤维及合成纤维制成的织物，以及玻璃丝、金属丝等织成的网；过滤介质的分类：堆积介质由各种固体颗粒（细砂、硅藻土等）堆积而成，多用于深床过滤；多孔固体介质这类介质具有很多细微孔道，如多孔陶瓷、多孔塑料等。多用于含少量细微颗粒的悬浮液，如白酒等的精滤。3过滤介质过滤介质应具有如下性质：过滤介质的作用(滤饼过滤)：促使滤饼的形成，并支承滤饼。（1）多孔性，液体流过的阻力小；（2）有足够的强度；（3）耐腐蚀性和耐热性；（4）孔道大小适当，能发生架桥现象。不可压缩滤饼：若颗粒由不易变形的坚硬固体组成，则当压强差增大时，滤饼的结构不发生明显变化，单位厚度滤饼的流动阻力可视作恒定，这类滤饼称为不可压缩滤饼。随着过滤的进行，滤饼的厚度增大，滤液的流动阻力亦逐渐增大，导致滤饼两侧的压强差增大。滤饼的压缩性对压强差有较大影响。可压缩滤饼：若滤饼为胶体物质时，当压强差增大时，滤饼则被压紧，使单位厚度滤饼的流动阻力增大，此类滤饼称为可压缩滤饼。4滤饼的压缩性和助滤剂助滤剂：对于可压缩滤饼，为了使过滤顺利进行，可以将质地坚硬而能形成疏松滤饼的另一种固体颗粒混入悬浮液或预涂于过滤介质上，以形成疏松饼层，使得滤液畅流，该种颗粒状物质就称为助滤剂。常用的助滤剂：硅藻土、珍珠岩、石棉、炭粉等。助滤剂的基本要求：1、能形成多孔饼层的刚性颗粒，使滤饼有良好的渗透性及较低的流体阻力。2、具有化学稳定性。3、在操作压强范围内具有不可压缩性。选择助滤剂应考虑以下几点（1）粒度。（2）助滤剂的品种。应根据过滤介质选择助滤剂品种。使用粗目滤网时易泄漏，可选择石棉粉、纤维素或二者的混合物，可有效地防止泄漏；采用细目滤布时，可使用细硅藻土；若采用粗粒硅藻土，则悬浮液中的细微颗粒仍将透过预涂层到达滤布表面，从而使过滤阻力增大。滤饼较厚时（50～100mm），为了防止龟裂，可加入1％～5％纤维素或活性炭。3)用量。间歇操作时，助滤剂预涂层的厚度应不小于2mm。连续过滤机中根据过滤速度确定。加入悬浮液中的量，使用硅藻土时，通常细粒为500g／m3，粗粒700一1000g／m3；中等粒度700g／m3，应均匀分散于悬浮液中而不沉淀，故一般设置搅拌混合槽。另外，若助滤剂中的某些成分会溶于酸性或碱性液体中，对产品有影响时，使用前对助滤剂应进行酸洗或碱洗。dpde对于颗粒层中不规则的通道，可以简化成由一组当量直径为de的细管，而细管的当量直径可由床层的空隙率和颗粒的比表面积来计算。二、过滤的基本理论1滤液通过饼层的流动颗粒床层的特性可用空隙率、当量直径等物理量来描述。空隙率：单位体积床层中的空隙体积称为空隙率。式中ε——床层的空隙率，m3/m3。床层总体积床层空隙体积式中α——颗粒的比表面，m2/m3。颗粒体积颗粒表面积a比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积称为比表面积。2颗粒床层的特性依照第一章中非圆形管的当量直径定义，当量直径为：流道长度润湿周边长流道长度流道截面积edade)1(流道表面积流道容积润湿周边长管道截面积水力半径44ed式中de——床层流道的当量直径，m故对颗粒床层直径应可写出：Lpduce)(21232dlupAF滤液通过饼层的流动常属于滞流流型，可以仿照圆管内滞流流动的泊稷叶公式(哈根方程)来描述滤液通过滤饼的流动，则滤液通过饼床层的流速与压强降的关系为：式中u1—滤液在床层孔道中的流速，m/s；L—床层厚度，m,Δpc—滤液通过滤饼层的压强降，pa；阻力与压强降成正比，因此可认为上式表达了过滤操作中滤液流速与阻力的关系。在与过滤介质相垂直的方向上，床层空隙中的滤液流速u1与按整个床层截面积计算的滤液平均流速u之间的关系为：uu1)()1(1223LpaKuc上式中的比例常数K′与滤饼的空隙率、颗粒形状、排列及粒度范围诸因素有关。对于颗粒床层内的滞流流动，K′值可取为5。ade)1(Lpduce)(21)()1(5223LpaAddVuc)()1(5223LpAaddVc式中V——滤液量，m3；θ——过滤时间，s；A——过滤面积，m2。过滤速率为：任一瞬间的过滤速度为：过滤速度:单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积，m3/m2s。过滤速率:单位时间内获得的滤液体积，m3/s。3过滤速率R——滤饼阻力，1/m,其计算式为：RprLpAddVcc322)1(5ar)()1(5223LpaAddVuc对于不可压缩滤饼，滤饼层中的空隙率ε可视为常数，颗粒的形状、尺寸也不改变，因而比表面a亦为常数，则有式中r——滤饼的比阻，1/m2,其计算式为：R=rL4滤饼阻力比阻r单位厚度滤饼的阻力；在数值上等于粘度为1Pa·s的滤液以1m/s的平均流速通过厚度为1m的滤饼层时所产生的压强降；比阻反映了颗粒特性(形状、尺寸及床层空隙率)对滤液流动的影响；床层空隙率ε愈小及颗粒比表面a愈大，则床层愈致密，对流体流动的阻滞作用也愈大。通常把过滤介质的阻力视为常数，仿照滤液穿过滤饼层的速度方程则可写出滤液穿过过滤介质层的速度关系式：mmRpAddV式中Δpm——过滤介质上、下游两侧的压强差，Pa；Rm——过滤介质阻力，l/m由于很难划定过滤介质与滤饼之间的分界面，更难测定分界面处的压强，在操作过程中总是把过滤介质与滤饼联合起来考虑。5过滤介质的阻力通常，滤饼与滤布的面积相同。所以两层中的过滤速度应相等，则：)()(mmmcRRpRRppAddV上式表明，可用滤液通过串联的滤饼与滤布的总压强降来表示过滤推动力，用两层的阻力之和来表示总阻力。式中：Δp—滤饼与滤布两侧的总压强差，称为过滤压强差。假设：厚度为Le的滤饼产生的阻力与滤布相同，而过程仍能完全按照原来的速率进行，则：rLe=Rm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，Le值不同。)()(eeLLrprLrLpAddV式中Le——过滤介质的当量滤饼厚度，或称虚拟滤饼厚度，m。式中：v—滤饼体积与相应的滤液体积之比，无因次。AvVLLA=vV若每获得1m3滤液所形成的滤饼体积为vm3，则任一瞬间的滤饼厚度L与当时已经获得的滤液体积V之间的关系为：AvVLee同理，如生成厚度为Le的滤饼所应获得的滤液体积以Ve来表示，则式中Ve——过滤介质的当量滤液体积，或称虚拟滤液体积，m3。三、过滤基本方程式注意：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，Ve不同。AVVrvpAddVe过滤阻力过滤推动力2)(2)(AVVrveepVVrvpAddV上式适用于不可压缩滤饼。对于可压缩滤饼其比阻r与压强差有关。上式称为过滤基本方程式，它对各种过滤情况均适用。式中r′——单位压强下滤饼的比阻，1/m2Δp——过滤压强差，pas——滤饼的压缩性指数，无因此。一般情况下，s=0~1。对于不可压缩滤饼，s=0。)(12esVVvrpAddV根据上两式可得r=r′(Δp)s定义：过滤操作在恒定压强下进行时称为恒压过滤。滤饼不断变厚；阻力逐渐增加；推动力Δp恒定；过滤速率逐渐变小。过滤操作的两种典型方式：恒压过滤和恒速过滤。特点：四、恒压过滤对于一定的悬浮液，若μ、r′及v可视为常数，令vrk1)(12esVVvrpAddV(V+Ve)dV=kA2Δp1-sd式中：k——表征过滤物料特性的常数，m4/（Ns）。过滤基本方程可写成：恒压过滤方程式的推导积分条件=0,V=0;=e,V=Ve;=,V=VeseVVeedpkAVVdVVe0120(1)和(2)式都称为恒压过滤方程式。令K=2kΔp1-s当=0时，则V=0(V+Ve)2=KA2(+e)（1）Ve2=KA2eV2+2VVe=KA2（2）又令q=V/A，qe=Ve/A恒压过滤方程式中的K称为过滤常数，由物料特性及过滤压强差决定。恒压过滤时V~的关系ooee+e+ebV+VeVV+VeVVe(q+qe)2=K(+e)q2+2qqe=K上两式也称为恒压过滤方程式。若维持过滤速率恒定，这样的过滤操作方式称为恒速过滤。常数RuqAVAddV恒速过滤时q-（或V-）关系为一直线。q=uRV=uRA恒速过滤时的过滤速度为：五、恒速过滤在一定的操作条件下，μ、r、v、uR、qe均为常数，故有：Reuqqrvpddq常数)(对不可压缩滤饼，由过滤基本方程可写出：上式表明：对于不可压缩滤饼进行恒速过滤时，其压强差随过滤时间成直线增加。所以，在实践中很少采用完全恒速过滤的方法。Δp=μrvuR2θ+μrvuRqe=a+b先恒速后恒压过滤是工业中常用的一种过滤方法。RRdpkAdVVVsVVe12在过滤时间从0到R时，计算方法与恒速过滤相同。而从时间R到时，得到的滤液