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化工原理PPT课件 第五章 颗粒-流体非均相物系的分离


第五章 颗粒-流体非均相物系分离

概 述
固-流非均相体系:结晶过程中的晶浆,浸取过程中的固态天 然产物与溶剂;催化反应过程中的固体催化剂与反应物。
分离过程工业应用:湿法磷酸工艺从产品酸中分离磷石膏、 流化催化石油裂解工艺从裂解气相中分离催化剂微粒等。 颗粒-流体非均相分离技术均基于颗粒与流体两相性质上的差 异,如颗粒尺度(过滤)和颗

粒与流体的密度差(沉降)。

液体与气体对颗粒物料分散特性差别很大,故常以液-固和气 -固体系加以区分。不过从两相流体力学原理的角度而言都是 共通的。 颗粒分散在液体中称悬浮液,分散在气体中称含尘气。小于 1?m的颗粒称为“胶质” (Colloid),分散在液体中称“溶胶” (Sol) ,分散在气体中则称“气溶胶”(Aerosol)。

过 滤
过滤操作的基本慨念 利用重力或压差使悬浮液通过多 孔性过滤介质,将固体颗粒截留, 从而实现固-液分离。
悬浮液 (滤浆) 滤饼 过滤介质

滤液

过滤的方式很多,适用的物系也很广泛,固-液、固-气、大 颗粒、小颗粒都很常见。 采用膜过滤(膜分离技术)可以分离10 nm尺度的大分子量蛋白 质和病毒粒子等。 无论采用何种过滤方式,均需使用过滤介质,在很多情况下, 过滤介质是影响过滤操作重要因素。

过滤介质

多孔、理化性质稳定、耐用和可反复使用

织物介质 最常用的过滤介质,工业上称为滤布(网),由天然 纤维、玻璃纤维、合成纤维或者金属丝编织而成。可截留的 最小颗粒视网孔大小而定,一般在几到几十微米范围。 多孔材料 制成片、板或管的各种多孔性固体材料,如素瓷、 烧结金属或玻璃、多孔性塑料以及滤纸和压紧的毡与棉等。 此类介质较厚,孔道细,能截留1~3mm的微小颗粒。 固体颗粒床层 由沙、木炭之类的固体颗粒堆积而成的床层, 称作滤床,用作过滤介质使含少量悬浮物的液体澄清。
多孔膜 由特殊工艺合成的聚合物薄膜,最常见的是醋酸纤 维膜与聚酰胺膜。膜过滤属精密过滤或超滤(ultrafiltration), 可以分离5nm的微粒。 根据工艺要求和悬浮液的性质以及颗粒浓度、粒度分布等多 方面因素选择合适的过滤介质及其组合方式,往往关系到过 滤操作的成败。

过滤过程的机理 滤饼过滤(表面过滤):过滤介质为织 物、多孔材料或膜等,孔径可大于最 小颗粒的粒径。过滤初期,部分小颗 粒可以进入或穿过介质的小孔,后因 颗粒的架桥作用使介质的孔径缩小形 成有效的阻挡。

被截留在介质表面的颗粒形成滤渣层(滤饼),透过滤饼层 的则是被净化了的滤液。 随滤饼的形成,真正起过滤介质作用的是滤饼,而非过滤介 质本身,故称作滤饼过滤。

滤饼过滤主要用于含固量较大(>1%)的场合。

过滤过程的机理 深层过滤:过滤介质一般为介质层较厚的滤床类(如沙层、 硅藻土等)。小于介质孔隙的颗粒可进入到介质内部,在长 而曲折的孔道中被截留并附着于介质之上。 深层过滤无滤饼形成,主要用于净化含固量很少(<0.1%) 的流体,如水的净化、烟气除尘等。

过滤的操作方式
过滤:过滤操作中的主要阶段,在过程中滤饼不断增厚、阻 力不断上升,流体的通过能力则不断减小; 洗涤:无论是以滤饼还是滤液为产品,都有必要在卸料之前 用清液臵换滤饼中存留的滤液并且洗涤滤饼; 脱湿:以滤饼为产品时洗涤后还可用压缩空气进行脱湿; 卸料:将滤饼从过滤介质上移去; 清洗过滤介质:使被堵塞的网孔“再生”,以便重复使用。 根据使用的过滤设备、过滤介质及所处理的物系的性质和产 品收集的要求,过滤操作分为: 间歇式:对以上各步骤分阶段操作; 连续式:连续操作完成全部或其中部分阶段。 根据提供过滤推动力的方式,又有重力过滤、加压过滤、真 空过滤和离心过滤之分,其目的都是克服过滤阻力。

过滤设备 过滤是化工、轻工、食品、制药和粉体材料等许多生产领域 应用最为广泛的单元操作之一,既有各种不同类型的系列化、 大型化、通用化的过滤设备载于手册与样本之中,更有许多 结构新颖的过滤装臵随过程工业的发展而不断问世,非教材 所能列数。 本节仅以工厂中最常见的板框压滤机、叶滤机、回转真空过 滤机、盘式过滤机和离心过滤机为例进行扼要介绍。

板框压滤机

通过直接给悬浮液加压,迫使其穿过过滤介 质来实现过滤的目的。其历史最久且已有超过100种以上的 结构,最为常见的是板框式压滤机。

结构:由交替排列的滤 板、滤框与夹于板框之 间的滤布叠合组装压紧 而成。板框数视工艺要 求在机座长度范围内可 灵活调节。组装后,在 板框的四角位臵形成连 通的流道,由机头上的 阀门控制悬浮液、滤液 及洗液的进出。

清洗水 料浆

滤液 清洗水 浆料 阀门

开 关 启 闭 洗涤液

板框压滤机
非洗涤板 洗涤板 非洗涤板

悬浮液

滤液
板 框 板 框 板

过滤操作:过滤阶段悬浮液从通道进入滤框,滤液在压力下 穿过滤框两边的滤布、沿滤布与滤板凹凸表面之间形成的沟 道流下,既可单独由每块滤板上设臵的出液旋塞排出,称为 明流式;也可汇总后排出,称为暗流式。

板框压滤机 洗涤操作:洗涤液由洗涤板 上的通道进入其两侧与滤布 形成的凹凸空间,穿过滤布、 滤饼和滤框另一侧的滤布后 排出。洗涤液的行程(包括 滤饼和滤布)约为过滤终了 时滤液行程的2倍,而流通 面积却为其1/2,故洗涤速率 约为过滤终了速率的1/4。
非洗涤板
洗涤液 洗涤板

非洗涤板

洗出液 板 框 板 框 板

洗涤终了,若有必要可引入压缩空气使滤饼脱湿后再折开过 滤机卸出滤饼,结束一次过滤操作。然后清洗、整理、重新 组装、准备下一次操作。

板框压滤机
滤液 流出

1

2

3

滤板和滤框可为铸铁、碳 钢、不锈钢、塑料及木材 等,聚乙烯和聚丙烯是目 前较为广泛使用的材料。

5

料液 压入 4

常用规格的板框其厚度为25~60mm,边框长为0.2~2.0m,框数 由生产所需定,由数个至上百个不等。

板框压滤机的操作压强一般在0.3~1.0Mpa之间。
优点:结构简单紧凑,过滤面积大并可承受较高的压差。 缺点:间歇式操作,所费的装、折、清洗时间较长,劳动强 度大,生产效率较低。 板框式压滤机主要用于含固量较多的悬浮液过滤。

板框压滤机

XAZ /2000-UB系列

嵌入式滤布的滤板

XASL /630-UB系列

XAZ /800-UB系

板框压滤机

XKZ系列全自动快开式压滤机

DY-Q 带式压榨过滤机

叶滤机 结构与原理:由起过滤作用 的滤叶和起密闭作用的筒体 构成,操作为间歇式。 滤叶有圆形和矩形等多种形 式,由金属丝网组成的框架 上覆以滤布构成,使用时可 将多块平行排列的滤叶组装 成一体插入箱体内。

滤浆

3

1

滤液

2
淤泥

叶滤机

操作:悬浮液被加压送入或借真空泵进 行抽吸,滤液穿过滤布进入丝网构成的 中空部分并汇集于下部总管流出,颗粒 则沉积在滤布上形成滤饼,当滤饼达到 一定厚度时停止过滤。视悬浮液的性质 和操作压强的大小,滤饼厚度通常在 5~35mm之间。

滤浆

3

1

滤液

2
淤泥

过滤结束后,根据要求可通入洗涤液对滤饼进行洗涤,洗涤 液的行程和流通面积与过滤终了时滤液的行程和流通面积相 同,在洗涤液与滤液的性质接近的情况下,洗涤速率约为过 滤终了时速率。可用振动或压缩空气及清水等反吹卸滤渣。 优点:过滤面积大,设备紧凑,密闭操作,劳动条件较好。 不必每次循环装卸滤布,劳动强度也大大降低。 缺点:结构比较复杂,造价较高。

叶滤机

NYB系列高效板式密闭过滤机

MYB型全自动板式密闭过滤机

叶滤机

WYB系列卧式叶片过滤机

SYB系列水平叶片过滤机

转筒真空过滤机
II 1 2 4 III 5 3
a.转动盘 b.固定盘

6 7

I

1-转筒; 2-滤饼; 3-割刀; 4-分配头 5-吸走滤液的真空凹槽; 6-吸走洗水的真空凹槽; 7-通入压缩空气的凹槽; I-过滤区; II-洗涤脱水区; III-卸渣区

结构与原理:转筒的多孔表面上覆盖滤布,内部分隔成互不 相通的若干扇形过滤室。转动盘与机架上的固定盘紧密贴合 构成分配头,转筒回转时各过滤室通过分配头依次与真空抽 滤系统、洗水抽吸回收系统和压缩空气反吹系统相通。 为了不使这些系统彼此串通,在固定盘上设有不与任何通道 相通的非开孔区。连续操作。

转筒真空过滤机 过滤操作:转筒旋转一周,每一个扇形过滤室依次完成真空 过滤、洗涤、脱水、吸干滤饼和压缩空气吹松、刮刀卸料、 反吹清洗表面等全部操作,相应分为过滤区、洗涤脱水区、 卸料区和表面再生区等几个不同的工作区域。 转筒转速多在0.1~3 r/min,浸入悬浮液中的吸滤面积约占总 表面的30~40%。滤饼厚度范围大约3~40mm。 优点:连续进料,操作自动化,便于在 转鼓表面预涂助滤剂后用于黏、 细物料的过滤。 缺点:过滤推动力有限,滤饼含液量较 大,常达30%。
转鼓真空过滤机

水平回转翻盘真空过滤机
滤饼洗涤
液 洗 稀

滤饼脱水 滤饼脱水 滤浆加入

洗水 浓洗液

真空分配器

未稀释的 母液

空气吹入

滤布 干燥

滤饼脱水 滤布洗净 滤饼卸下

结构与原理:沿园周分布排列的若干个扇形过滤盘,各通过 径向管道与中心分配头的转动盘相连。扇形过滤盘的多孔底 板上敷设滤布作为过滤介质。各扇形盘回转到不同的圆周位 臵时,借助于分配头依次进行真空抽滤、洗涤、脱水、翻盘 (吹气)卸渣和滤布清洗等全部操作。

带式水平真空过滤机

带式水平真空过滤机

DU 胶带真空水平过滤机工作原理

离心过滤机 结构与原理:在高速旋转的多孔转鼓内壁敷设滤布。悬浮液 中的液体在惯性离心力的作用下穿过颗粒层和滤布流到转鼓 外部空间。 推动力:设液层以与转鼓相同的半径 r 和角速度 ? 匀速旋转, 则液体中会产生沿半径向外的离心加速度 r?2。 分离因素:同一质量的流体所受的离心力与重力之比
2 mr? 2 r? 2 u T ?? ? ? mg g rg

分离因素与转鼓半径和转速的平方成正比,通常可达数百、 数千,超高速离心机甚至可达5万以上。

无论是过滤速度还是分离程度都比其它过滤方式大得多,因 此滤饼含液量少得多。

离心过滤机
3 1

4 2

7

6

5

1-转鼓; 2-活塞推送器; 3-原料液; 4-洗涤水; 5-脱水固体; 6-洗水; 7-滤液离心过滤机

单级活塞推料离心机示意图

离心过滤机有很多种类。上图是连续加料、分离、洗涤、卸 料的活塞推料离心机。推送器装在转鼓内部与转鼓一同旋转 并通过活塞杆与液压缸中往复运动的活塞相连。悬浮液由锥 形布料器均匀分布在转鼓端部区域,滤液经滤网和鼓壁上的 开孔甩出被收集,滤饼层则被往复运动的活塞推送器一段一 段地往前推送。在适当的轴向位臵引入洗水洗涤滤饼,洗液 分别收集,脱水后的滤饼则被推出机外。

离心过滤机

卧式活塞推料离心机 卧式刮刀离心机

三足式离心机

三足刮刀下离心机

过滤计算 过滤速度 对各种过滤操作方式与设备均可表示为:
u? dV A dt

式中:dV —— dt 时间内通过过滤面的滤液量; A —— 过滤面积; u —— 单位时间内通过单位过滤面积的滤液量。 以现象方程的形式可写成:
过滤通量? 过滤推动力 过滤阻力

过滤过程可视作流体通过固定床的流动,且液体在滤饼空隙 中的流动多属层流,可用低 Re 数的固定床流速与压降的公 式进行描述。

过滤速度

对于过滤阻力和过滤速度均随时间而变的滤饼过 滤过程,若任意瞬时滤饼的厚度为 L,相应的滤液累积体积 为 V,过滤速度为 u,对应的推动力为
?p ? ?p1 ? ?p 2

式中 ?p1 是通过滤饼的压降、 ? p2 是通过过滤介质的压降。 根据欧根方程,过滤速度 u 与 ?p1 和 ? p2 的关系式为: 对滤饼层
dV ? 3 ?? AdeV ? ?p1 u? ? Adt 150?1 ? ? ?2 L?
2

式中 deV、?A、? 是滤饼颗粒及滤饼床层特征参数,令 滤饼比阻(单位厚度滤饼的阻力),m-2 滤饼阻力
R ? rL

150 ?1 ? ? ? r? 3 ? ?? A d eV ?2
2

u?

dV ?p ?p ? 1 ? 1 Adt rL? R?

过滤速度

对过滤介质层

u?

dV ?p2 ?p2 ? ? Adt r m L m? R m?

式中:Lm 是过滤介质的厚度,rm 为过滤介质的比阻。 一般滤饼与过滤介质的过滤面积相等,过滤速度也相等。有
?p1 ?p2 dV ?p u? ? ? ? A d t rL? r m L m? rL? ? r m L m?

滤饼厚度随时间的变化可通过滤饼体积与滤液体积成正比的 关系而表达为
L?

?
A

V

? —— 与单位体积滤液相当的滤饼体积

过滤介质阻力一般为定值且与滤饼阻力相比较小,但在过滤 刚开始的一段时间滤饼很薄,过滤介质的阻力相对较大。 可表达为比阻与滤饼相等、厚度为Le 的当量滤饼的阻力,即
r m Lm ? r Le

过滤速度
r mLm ? r

用当量滤液体积 Ve 表达成
?
A Ve

dV A?p ? Adt r???V ? Ve ?

dV A2 ?p ? dt r???V ? Ve ?

滤饼压缩指数 s:比阻 r 与滤饼的可压缩性关系很大。不可 压缩滤饼 r 与 ?p 无关。可压缩滤饼在压差作用下变形,空 隙率减小,比阻上升,可表示为
r ? r0 ? ?p ?
s

r0 单位压差下的滤饼比阻,不可压缩滤饼 s=0。
k ? 1 r0 ??
1? s 1? s

滤饼常数:

A 2 ? ?p ? kA2 ? ?p ? dV ? ? dt r0?? ?V ? Ve ? V ? Ve

—— 过滤基本方程

代表任意瞬间的过滤速率与物性性质、操作压强差及累计滤 液量之间的关系。

过滤速率与压降关系曲线 过滤阻力随过滤介质表面上的 滤饼厚度的增加(滤液体积与 之成正比增加)而增加。 若保持过滤推动力不变,则过 滤速度必然下降。若对过滤推 动力加以控制,则可以获得三 种具有不同特性的操作方式:
恒压差

压力差 ?p

离心泵 恒 速

箭头所指为 时间增加方向

速率 dV/dt

恒压过滤 一般由保持恒压的压缩气体提供推动力 恒速过滤 一般由容积式泵提供推动力 变压变速过滤 一般由离心泵提供推动力,随过滤阻力增加 流量下降。

过滤计算的基本问题即是要确定过滤速度与推动力、阻力等 因素的具体关系。

过滤过程计算

对过滤基本方程积分,可得到累积滤液量 V 与操作时间和操作条件等因素的显函数,以便设计应用。
A 2 ? ?p ? kA2 ? ?p ? dV ? ? dt r0?? ?V ? Ve ? V ? Ve
1? s 1? s

各参数与时间的关系由 过滤操作特性决定。

例如:恒压过滤和恒速过滤。 恒压过滤 压差 ?p 为常数,对过滤基本方程积分可得到恒压过滤方程
V 2 ? 2VVe ? 2kA2 ? ?p ? t ? C ? KA2t ? C
1? s

K ? 2k ??p?

1? s

—— 过滤常数,m2/s

积分常数 C 根据恒压过滤起始时刻过滤介质上的滤饼厚度、 或者等价地用已经通过的滤液量 V1 确定。

过滤过程计算 若恒压过滤开始时过滤介质上无滤饼,即 t=0,V1=0,解出 积分常数 C=0,所以有
V 2 ? 2VVe ? KA2t

若恒压过滤开始时过滤介质上已经形成厚度为 L1 的滤饼、或 已经通过体积为 V1 的滤液,即 t=0,V=V1,有
C ? V12 ? 2VeV1

?V 2 ?V12 ? ? 2Ve ?V ?V1 ? ? KA2t
q? V A

如果用 q 代表单位面积累积通过的滤液体积,即
q ? 2qeq ? Kt
2

?q

2

- q1 ? ? 2q e ? q - q1? ? Kt
2

如果过滤介质的阻力与滤饼相比较小可以忽略不计,即 Ve=0, qe=0,上式可以简化。

过滤过程计算 恒速过滤

恒速过滤即 dV/(Adt) = uc 为常数,在此条件下累积滤液量与 过滤时间成正比
V ? Auct

q ? uct

讨论: 要保持恒速则过滤压差(推动力)需随滤饼增厚或累积滤液量 增加而增加,过滤终了阶段的操作压力会过高。 实际操作中一般以较低的恒速开始过滤操作,以便在过滤介 质上平稳而均匀地形成滤饼,并且减少颗粒穿透量、避免初 滤液浑浊或者网孔堵塞。待进入滤饼过滤阶段、压差上升到 一定值后,即转入恒压过滤直至终了。 这种过滤操作可以分段进行计算,也可以根据所采用的 ?p 随 V 的变化关系直接由过滤基本方程进行积分求解。

过滤常数 滤饼常数 k,滤饼压缩指数 s,当量滤液体积 Ve 或 qe 和过滤 常 K 等都由过滤物系固液两相性质决定,需由实验测定。
q ? 2qeq ? Kt
2

t q 2qe ? ? q K K

即在恒压过滤条件下,t/q 与 q 的函数关系是以 1/K 为斜率、 2qe/K 为截距的直线,实验测得不同时刻单位过滤面积的累 积滤液量 q,即可由上式回归出 K 和 qe。 由过滤常数 K 的定义式
K ? 2k ? ?p ?
1? s

lg K ? lg ? 2k ? ? ?1 ? s ? lg ? ?p ?

lgK ~ lg(?p) 为直线方程,斜率为 (1-s)、截距为lg(2k)。

在不同压差 ? p 下进行恒压过滤实验,求得一系列与之对应 的过滤常数 K,再通过上式回归出滤饼常数 k 和压缩指数 s。

过滤机的生产能力

一般以单位时间得到的滤液量 Q 表示,当以滤饼为产品时也 有用单位时间得到的滤饼量来表示。
间歇式过滤机 每一个操作循环包括过滤、洗涤和卸料清洗等辅助操作三个 阶段。如各阶段所用时间分别为 t, tw 和 tD,且在一个操作 循环中的过滤时间 t 内累积滤液量为 V,则
Q? V V ? ?t t ? tw ? t D

生产中应尽量缩短辅助操作时间 tD 以提高生产能力。 注意:对恒压过滤,过分增加过滤时间 t 在每一次循环中所 占比例,并不一定能提高 Q。因为恒压操作的过滤 速率随过滤时间的增长而下降。

间歇式过滤机的生产能力 恒压过滤曲线上任一点与 原点O联线的斜率即为Q 。

V

Q1

Q2

相切时该直线斜率最大, 即(tw+tD)一定,取切点对应 的 topt 为过滤终止时间,过 滤机的生产能力最大。

O

?tW ? t D ?1 ?tW ? tD ?2

t opt ,1
t opt ,2

?t

注意:该切点处的瞬时速率等于整个循环的平均速率,据此 可以求出topt。
K ? 2k ? ?p ?
1? s

dV V ? ? ? t ?opt d ? ? t ? ?
1? s 1? s

?t ?opt 过滤终了时的速率

A 2 ? ?p ? kA2 ? ?p ? dV ? ? dt r0?? ?V ? Ve ? V ? Ve

KA ? dV ? ? ? ? d t ?E 2 ?V ? Ve ? ?
2

间歇式过滤机的生产能力 由恒压过滤基本方程
2 2VVe V t? ? 2 KA KA2

2Ve ? ? 2V dt ? ? dV ? 2 2 ? ? KA KA ?

若洗涤液流动性质可视为与滤液相同,则间歇操作的叶滤机 的洗涤速率约为过滤终了时速率,而板框过滤机的洗涤速率 约为过滤终了时速率的1/4。 以 a 表示洗涤液用量 Vw 与滤液量 V 之比值,对叶滤机而言 洗涤时间 tw 为
2a 2 2aVe Vw ? ? V tw ? 2V 2 KA KA ? dV ? ? ? d t ?E ?

? 4aV 2aVe ? d tw ? ? dV ? 2 2 ? ? KA KA ?

V 2 2VV 2aV 2 2aVVe ? ? ? ? tD ?t ? 2 2 2 2 KA KA KA KA

2Ve ? ? 2V ? 4aV 2aVe ? d ? ? t ? ? d t ? d tw ? ? dV ? ? dV ? ? 2 2 ? 2 2 ? ? KA KA ? ? KA KA ?

间歇式过滤机的生产能力

经整理可得生产能力为最大时,辅助 时间与过滤终时滤液体积的关系
若忽略过滤介质阻力,则 t=V2/KA2,过 滤终时过滤时间与辅助时间的关系为

V 2 2aV 2 ? tD ? 2 KA KA2

t opt ?

tD 1 ? 2a

如滤饼又不需进行洗涤,即 a=0,则有

t opt ? t D

表示在此条件下要使生产能力最大,过滤时间(即有效生产 时间)应与辅助时间相等。
对板框过滤机上述推导及结果均成立,因为洗涤速率约为过 滤终了时速率的1/4 ,故仅需将式中的 2a 改为 8a。

连续式过滤机的生产能力 在生产周期的任一时刻,过滤机不同 部位同时进行着过滤、洗涤、卸饼和 清洗整备的操作。可将这种分区的概 念等价转换为分时。
?

旋转或水平回转过滤机,在 360°的范围内,起过滤作用的 表面所占的比例是一定的,如对转筒真空过滤机,即为其浸 没于料浆之中的部分占整个转筒表面的分率。 浸没度 ?:浸没部分所对应的圆心角 ? 与 2? 之比 以转速 n (转/分)匀速旋转的过滤机,? 等价于 过滤时间在旋转周期中所占的比例,故每周 期的有效过滤时间为
?? ? 2?

60? t? n

连续式过滤机的生产能力 恒压过滤,开始时过滤介质上无滤饼 每周期可得的滤液量为
V V 1 ? 生产能力 Q ? ? ?t 60 n 60

60? t? n

V 2 ? 2VVe ? KA2t
60? ? Ve2 ? Ve n

V ? KA2

?

60 KA2? n ? n2Ve2 ? Ve n

?

m3 / s

若忽略介质阻力,则

V V 1 Q? ? ? 60KA2?n ?t 60 n 60

转筒真空过滤机 Q 与 ?n 成正比,即转速高生产能力大。

在实际操作中,转速一般不会超过3转/分。原因是转速较高 时形成的滤饼薄且含液率高,这不仅会增加卸除滤饼的难度, 也将影响滤饼质量和滤液收率。

提高过滤生产能力的措施 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。 助滤剂: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 维状材料,如常用的硅藻土、膨胀珍珠岩、纤维素等。

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: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 效地提高过滤速率。

沉 降
沉降:悬浮在流体中的固体颗粒借助于外场作用力产生定向 运动,从而实现与流体相分离,或者使颗粒相增稠、流体相 澄清的一类操作。 按外场力的不同,可分为重力沉降、离心沉降和电沉降。
重力沉降 重力沉降:利用流体中的固体颗粒受重力作用而自然沉降的 原理,将颗粒和流体分离的过程。 由于颗粒与流体密度不同、所受的重力大小不一样,因此颗 粒会在重力方向上产生加速度;而一旦颗粒与流体之间发生 相对运动,颗粒在运动方向上必定受到流体的曳力。 自由沉降速度
dp ?? p ? ?? g ut ? 18?
2

层流区(Rep < 2)

重力沉降 重力沉降分离中,颗粒沉降速度的大小决定了流-固两相分 离的难易程度。 重力沉降速度正比于推动力 (?p-?)g 和颗粒粒径的平方 dp2。 当颗粒与流体的密度差不大、粒径也不大时,沉降速度会很 小,故低密度的细颗粒就很难分离。

自由沉降:流体中单颗粒的沉降。 干扰沉降:流体中颗粒的含量较大时,颗粒沉降时彼此相互 影响。液-固重力沉降分离中更为突出。 实验发现:在颗粒含量较多的浓悬浮液中,只要所含颗粒粒 径大小相差不超过6倍,则所有颗粒都将以大致相同的速度 沉降。其原因为颗粒与颗粒之间相互碰撞产生动量交换,使 大颗粒沉降受阻滞而小颗粒被加速。干扰沉降速度与颗粒浓 度有关。仅当颗粒浓度<0.2%,或者颗粒之间距离大于10~ 20倍粒径时,方可视为自由沉降。

重力沉降

干扰沉降的规律:混合均匀的悬浮液在直立圆 筒中静臵一段时间即会从上到下出现四个分区。
100 A 清液区 A B B B C C 0 D D D C C D D D A A 均匀沉降区 C=C0 浓缩区 沉聚区

界面高度%

75

A

A

50 25

t0

t1

t2

t3
时间

t4

t5

t6

A区:清液区; B区:均匀沉降区。该区颗粒分布均匀,浓度与原始悬浮液 相同(c=c0); C区:浓缩区。此区自上而下颗粒浓度增高、粒度也增大; D区:沉淀堆集的沉聚区。

重力沉降 随着沉降过程进行,A、D两区逐渐扩大,B区逐渐缩小,A、 B两区界面为清水与浑水的分界面,称为浑液面。该界面将 等速下行直至与B、C两区的界面合并,B区消失(t=t3 时)。 A、B界面相对于器壁下行的速度 uc 称为原始悬浮液中颗粒 的表观沉降速度。由于颗粒下降而引起的流体上升臵换运动 的存在,颗粒在流体中的沉降速度 ut 要大于表观沉降速度 uc。 临界沉降点:A、C界面下行直至C区消失(t=t5 时),体系只 有A、D两区且界面清晰。 沉淀压缩过程:沉淀区颗粒之间的间隙逐渐紧缩,液体被排 挤而上升到清液区。颗粒压紧阶段所需的时间往往很长。 壁效应:颗粒与容器壁面间的摩擦碰撞对颗粒的沉降速度产 生影响。颗粒粒径 dp 与容器直径 D 之比值越大,壁效应影 响越大。一般当 dp/D 大于 0.01 时,壁效应影响会使颗粒的 沉降速度减小。

降尘室
气体 进口 气体 出口
V ut H L u B V

降尘室:分离含尘气体中颗粒的重力沉降设备。

气体通过速度为 u,尘粒沉降速度为 ut。
若设颗粒的水平移动速度与气流速度相同,则颗粒通过长度 为 L 的降尘段的时间(停留时间)为 t = L/u,而粒径为 dp、沉 降速度为 ut 的颗粒从高度为 H 的顶部降至底部所需时间为 t’ = H/ut 。 使粒径为 dp 的颗粒在降尘室内 全部沉降的条件为 t = t’,即
L H ? u ut

降尘室

设备最大生产能力(即最大处理气体流量)为

V ? uHB ? ut LB

降尘室的生产能力理论上正比于颗粒的沉降速度和沉降方向 上的截面积、即降尘室底面积,而与沉降室的高度无关。
5

4
含尘气体

1 2
粉尘

除尘后 气体

含尘气体

1 2
粉尘

除尘后 气体

3

3
粉尘

? 工业上降尘设备多为扁平形状或一室多板结构。
? 同气速下,装有横向隔板的降沉室除尘效果更好。因为 隔板间基本上保持了相同的流动速度,而颗粒达到隔板 通道底部的沉降距离更短。 ? 为便于清灰,可将隔板装成可翻动或倾斜式。

降尘室

对一定结构尺寸的降尘室,当气体处理量一定时, 理论上该降尘室所能全部捕集的最小颗粒粒径为
dp min ? 18?V ? ? ? p ? ? ? gLB 18?uH ? ? p ? ? ? gL

若粒径为 dp 、沉降速度为 ut 的颗粒在时间 t 内降落高度 y 为
y ? ut t ? ut L u

若降尘段入口处颗粒分布均匀,定义该降尘室对粒径为 dp 的颗粒的分级效率 ?d 为
y ut t ut L LBut ?d ? ? ? ? H H uH V

对结构尺寸一定的降尘室设备,按上式可求出不同粒径颗粒 的分级效率或作出分级效率曲线。

沉降槽 间歇式和连续式。 悬浮液中颗粒浓度 较高,沉降多属于 干扰沉降。

沉降增稠时,自上而下可分成干扰沉降中的几个区。 设计连续操作的重力沉降槽,应根据工艺要求和物系的干扰 沉降性质,恰当地确定位于液面以下料浆的进口位臵以使料 浆均匀、缓和地分散到横截面上而不致引起大的扰动。 连续沉降过程固-液两相的运动规律与间歇过程并不完全相 同,利用间歇试验数据进行放大设计时应参考有关设计手册 选取安全系数。

离心沉降 重力降速度一般很小,故设备体积庞大。 将同样的流-固体系臵于加速度为 r?2 的离心力场中,颗粒的 沉降速度(如颗粒细小,Rep<2.0,服从斯托克斯定律)为
d ? p ? ? p ? ? ? r? 2 ur 18?
2

r 和? ?,离心分离因素 a ?,对密度差小、颗粒很细的流-固 体系采用离心沉降分离也可获得很高的分离效率。 注意:ur 的方向是径向向外,即为颗粒运动的绝对速度在径 向上的分量。颗粒在旋转流体中的运动,实际上是沿着半径 逐渐增大的螺旋形轨道前进的。 离心沉降分离设备:旋流(旋风或旋液)分离器和沉降离心机。 前者的特征是设备静止、流体旋转,后者则是机器带动流体 一起旋转。

旋风分离器 旋流器:旋风和旋液分离器 旋风分离器:用于气-固体系 旋液分离器:用于液-固体系 用途:适用于含颗粒浓度为0.01~ 500g/m3、粒度不小于5mm的气体 净化与颗粒回收操作,尤其是各种 气-固流态化装臵的尾气处理。
B
含尘气体

清洁气体 排气管

B

排尘

结构和工作原理:含尘气体以较高的线速度切向进入器内, 在外筒与排气管之间形成旋转向下的外螺旋流场,到达锥底 后以相同的旋向折转向上形成内螺旋流场直至达到上部排气 管流出。颗粒在内、外旋转流场中均会受离心力作用向器壁 方向抛出,在重力作用下沿壁面下落到排灰口被排出。
主要性能指标:颗粒分离效率和流体阻力损失。

旋风分离器的分离效率

分离效率是衡量气流在旋风分离器内净化程度的指标。 总效率:被旋风分离器除掉的总的颗粒质量占进口含尘气体 中全部颗粒质量的分率
? ?0 ? c1 c 2 c1

c1、c2 分别为进、出口气体中颗粒的 质量浓度(g/cm3)。

通常工业上用总效率表示旋风分离器的效率。
分效率(粒级效率):入口气体中某一粒级di的颗粒被旋风 分离器除掉的分率
? ?i ? c i1 c i 2 c i1

ci1、 ci2 分别为进、出口气体中平均粒 径为 di 的颗粒的质量浓度。 xi 为进口气体中粒径为 di 的颗粒的质量 分率。

?0 ? ? xi?i

旋风分离器的分离效率 总效率与设备的操作性能及颗粒的粒度分布有关。 同一台设备、同样的操作条件和同样的颗粒进口浓度,分 离粗颗粒时的总效率远高于分离细尘粒。 故粒级效率才能准确表达旋风分离器的工作性能。 假定颗粒的离心沉降最大距离为排气管外壁至外筒内壁的 径向间距,且与进气矩形管宽度 B 相同,则粒径为 dc 的颗 粒沉降分离所需的时间
18? B 18? rB t? ? 2 ? 2 ? p ? ? ? r ? 2 d c ( ? p ? ? )u i2 ur d c ? B

式中:对切线进气 r ? 2 ? ui2 r
dc (或 d100)—— 临界粒径。入口流速为 ui 的旋风分离器能够 全部除掉(即 ?i=100%)的最小颗粒粒径。

旋风分离器的分离效率 假定气体在旋风分离器内的旋转次数为 N(标准旋风分离器 可取 N=5)、平均旋转半径为,则其平均停留时间为
t ? 2? rN ui

根据

t ?t

的条件,忽略气体的密度,解出临界粒径为
dc ? 9? B ? u i ? pN

d c ? B ui

此式指出了旋风分离器结构和操作参数对分离效率的影响。 旋风分离器的尺寸越小,进口流速越高,能完全除尽的颗粒 直径就越小,分离效率越高。 粒级效率可以表达为颗粒直径与临界直径比值 di/dc 的函数
?i ? f ? d i d c ?

旋风分离器的分离效率 从理论上讲,凡直径大于 dc 的颗粒都能完全分离。 局部涡流:可将 d≥dc 的粒子在达到器壁前带走,或沉降后 又重新扬起; 聚结或靠旋风分离器外筒壁处进入:d<dc 的粒子也可从气 体中分离出来。 实际临界直径一般比计算值大。 工程上更多地采用分割直径 d50(粒级效率为 50% 的颗粒的 直径)来评价旋风分离器的性能。 d50 的物理意义:假定这样的颗粒在旋风分离器中会位于一 个假想的旋转柱面上,所受的离心力与流体对其径向运动的 阻力平衡,因此沉降于边壁和被气流带出的机率各半。 该参数可以更多地反映旋风分离过程特征,所以粒级效率采 用 d50 为基本量进行表达,即
? i ? f 1 ? d i d 50 ?

旋风分离器的分离效率
1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5

实验测定的粒级效率曲线

f f
1

?

0.4 0.3 0.2

0.1

0.2

0.3

0.4 0.5 0.6

0.8 1.0

2

3

4

5 6 7 8 9 10

d d c ? 或 d d 50 ?

作为预测,可以假想 d50 颗粒所在的旋转柱面位于颗粒沉降 距离的中点即 B/2 位臵处,所以
d 50 ? 9? B 2 d 100 d c ? ? ? u i ? pN 2 2

旋风分离器的阻力损失 旋风分离器的特点:流量大、压头低。 (1) 气体的膨胀或压缩引起的不可逆机械能损失; (2) 消耗于气流旋转的加速度损失; (3) 摩擦阻力损失以及各个部位的局部阻力损失等。 有理论或半理论式,但工程上主要采用经验公式:
?p ? ? 1 2 ?ui 2

阻力系数 ? 主要由旋风分离器的结构决定。同一结构型式、 不论其尺寸大小,阻力系数 ? 接近定值。常用型号的旋风分 离器 ? 值在 5.0~8.0 之间;

入口气速?,分离效率?,但阻力??,不经济。
压降一般控制在 0.5~2kPa 左右(入口气速 15~25m/s),采取 缩小直径、多台并联的方式满足分离效率与大气量的要求。

旋风分离器的分类 旋风分离器分类繁多,分类方法也各有不同。 按结构形式可分为:长锥体、圆筒体、扩散式以及旁通式。

我国已定型了多种旋风分离器,制定了标准系列,常用的有 CLT、CLT/A、CLP/A、CLP/B 以及 CLK 型等。
对各种型号的旋风分离器一般以圆筒直径 D 来表示其各部 分的比例尺寸,详细尺寸及性能指标可查阅有关资料手册。

旋风分离器的分类 CLP型:一种带旁路的旋风分离器, 有 A、B 两种形式。其特点为进气 口上沿梢低于筒体顶部,因此含 尘气体进入筒体后随之分为两路, 较大的颗粒随向下旋转的主流气 体运动,沉到筒壁落下;细微粒 则随一小部分气体在顶部旋转聚 集形成灰环,再随气流经旁路分 离室旋转向下并沿壁面落下。这 种结构的旋风分离器能促进细粉 尘的聚结,固对细粉的分离较高。 阻力系数一般为 6-7。
D1

S

2

B

H1

A

D

?
H
2

CLP/B 型旋风分离器

S

旋风分离器的分类 CLK 型:为扩散式旋风分离器,又称 带倒锥体的旋风除尘器,并在锥的底 部装有反射屏,反射屏可使已被分离 的粉尘沿着锥体与反射屏之间的环缝 落入灰斗,有效防止了上升的净化气 体重新把粉尘卷起带出,从而提高了 除尘效率。适用于捕集粒度在 510?m 以下的干燥的非纤维颗粒粉尘。 阻力系数在 7.5-9 之间。
D1
B

H1

S

D

H

d

2

?
E

A

旋风分离器的分类

PV型粗旋风分离器

PV型一、二级 旋风分离器 PV型单级旋风分离器

PV型外臵旋风分离器

旋风分离器的分类 新型高效低阻旋风分离器 主要用于石油、化工、肥料、冶金、 煤炭及环保的尾气除尘和高炉烟气净化、 颗粒回收等,目前已成功应用于氮肥厂 造气炉的除尘及煤粉回收,也可用于石 油化工装臵中如丙烯腈、苯酐、百菌清、 苯胺等作为流化床内旋风分离器用以回 收昂贵的细颗粒催化剂,以及钙镁磷肥 回转窑烘干、球磨系统的尾气除尘和高 炉烟气净化等。在正常工作状态下,气 固分离效率不小于99%,阻力不大于 1000Pa。。

旋风分离器的分类

为长岭炼油化工有限公 司制造的旋风分离器在 预组装

为九江石油化工 厂制造的旋风分 离器在预组装

为上海氯碱股份有限公 司制造的氧氯化反应旋 风分离器在预组装

旋风分离器的分类

立管式多管旋风分离器
用带导向叶片的 PDC 型高效分 离单管(可多达90根)组装成多 管并联的大型旋风分离器,用于 处理 600~700℃ 的含有微小催 化剂颗粒的高温烟气,其临界粒 径 dc≯8.0mm, 负 荷 可 达 1 5 0 0 Nm3/min, 分 离 总 效 率 ?0≥92%。此种型号的旋风分离器 已成为石油催化裂化反应的关键 设备。
气体进口 气体出口

螺旋内翼 分离器

粉尘出口

(a)

(b)

旋风分离器的分类 由许多根(40多根到100根不等)导 叶式旋风管并行地垂直安装在两 大块隔板之间,公用一个进气室、 排气室及排灰室。作为核心部件 的旋风管有EPVC型以及新一代 的PDC型和PSC型等,管径有50, 100,150,250,300mm等系列。 工业最常用的250mm旋风管的处 理 气 量 为 2 2 0 0 ~ 2 6 0 0 m3/h, 在 700℃下的压降不大于10kPa,可 基本除净7μm细粒,可保证烟气 轮机的叶片寿命高达5~7年以上, 烟气排放含尘浓度低于50~ 100mg/m3。

旋风分离器的分类

由许多根(100到300多根不等)切 流式旋风管平行地水平或倾斜安 装于两个同心圆壳上,构成公用 的进气室、排气室及排灰室等。 旋风管可设计成单切入口或多道 切向入口,单锥或双锥排尘,还 可分别采用扩锥形或分流型排气 芯管,结构型式多样以适应不同 压降(从1.2kPa到10kPa)和不同 效率(从切割粒径小于2μm可除 净6μm到切割粒径在5μm左右可 除净15μm)的需要。

沉降离心机 适用于各种悬浮液或乳浊液、尤其是粒度细小、密度差不大 的体系的分离。离心分离因素达 50,000 以上的超高速离心 机甚至可以使不同分子量的蛋白质分子在具有密度梯度的溶 液中分级。

转鼓 清液溢流 悬浮液

R

R0

沉降离心机工作原理

沉降离心机的生产能力与临界粒径 假定:沉降离心机内悬浮液在轴向呈“活塞流”,即从一端 进入转鼓、均匀分布在旋转液层的整个圆环横截面上,并以 均匀的轴向速度 u 向另一端推进。 悬浮液中的颗粒与液体之间无轴向滑动,即以与液体相同的 速度 u 作轴向运动。同时颗粒受离心力作用在径向作沉降运 动,在随液体到达出口端之前沉降到器壁,液体则溢流而出。 颗粒的径向沉降速度服从斯托克斯定律式
dr d 2 ? ? p ? ? p ? ? ? r? 2 ur dt 18?

从自由液面 r=R0 到器壁 r=R 是颗粒沉降的最大径向距离, 从上式可求出沉降所需的最大时间为
18? R ? dr t ?? ? 2 ln 2 ?R0 u r d p ? ? s ? ? ? ? R0
R

沉降离心机的生产能力与临界粒径 若离心机的沉降区长度为 L、生产能力为 V(m3/s)时,则 颗粒的平均停留时间为
2 2 L L? ? R 2 ? R 0 ? L? ? R 2 ? R 0 ? t ? ? ? 2 2 u u? ? R ? R 0 ? V

令 t ? t ,则可得柱形转鼓沉降离心机分离临界粒径为 dp 的悬 浮液的理论生产能力
2 2 2 d p ? ? s ? ? ? ? L? ? R 2 ? R 0 ? V? ? 18? ln ? R R 0 ?

或在沉降离心机生产能力一定的情况下求得其临界粒径(可 完全除去的最小粒径)
dc ?

?18?V ? ln ? R R 0 ? 2 ? ? 2L ? ? s ? ? ? ? R 2 ? R 0 ?

沉降离心机类型 工业上常见的沉降离心机根据其结构形式可分为四大类,在 此仅作一扼要介绍。 无孔转鼓离心机 间歇操作。悬浮 液由转鼓底部加入,随转鼓高速 旋转,在离心力作用下颗粒向转 鼓壁沉降,清液从内层溢流。随 着鼓壁上沉渣增厚,液体有效流 道面积减小,轴向流速增大,临 界粒径增大,溢流液澄清度降低, 到一定程度时则停止加料,降速 后用机械刮刀或停机后人工卸出 沉渣。
清液 沉 渣

常用于处理粒度为 5~40mm、固液密度差大于 0.05g/cm3、 固含量小于 10% 的悬浮液分离。

沉降离心机类型
3 4 2 1

悬浮液

溢 流

沉 渣

卧式螺旋卸料离心机示意图 1-螺旋送料器;2-机壳;3-转鼓;4-行星差速器

螺旋卸料沉降离心机 有卧式和立式两种。连续操作,悬浮 液经加料管由螺旋内筒进料孔进入,随同转鼓高速旋转,固 体沉降到鼓壁,由与转鼓有一定转速差的螺旋向小端输送并 排出,清液则由转鼓大端溢流而出。 分离因素可达 6000。可处理粒度 2mm~5mm,固含量小于 10%~50%,固液密度差大于 0.05g/cm3 的悬浮液。

沉降离心机类型

LW450x1350

LW500x2000

沉降离心机类型 碟式离心机(薄层分离沉降离心机) 转鼓内装有一叠随转鼓旋转的倒锥 形碟片,碟片间隙为0.5~1.5mm, 分离因素可达3000~10000。 悬浮液由中心管引入转鼓,分配在 碟片之间形成薄层流动。在离心力 作用下,颗粒沉降到碟片内侧表面 并向外滑动。清液则沿碟片外侧表 面向内流动。 碟片扩展了沉降面,缩短了沉降距 离,故具有较大的生产能力和较高 的分离效率,适于处理粒径0.1~ 100mm、固含量小于25%的悬浮液。

进料

溢流液

底液

喷嘴排渣碟式离心机

沉降离心机类型 管式离心机 特点是转鼓(管)直径小、 长度大、转速高、分离效率很高, 可以处理颗粒粒径为0.01mm的悬浮 液和难分离的乳浊液。 可连续操作,悬浮液或乳浊液由转 鼓下端加入,被转鼓内的纵向肋板 带动迅速达到与转鼓同角速度旋转。 在离心力作用下,颗粒或重液层甩 向鼓壁由重液出口引出,轻液则从 转鼓中心部位溢出。 离心分离因数可达65,000,工业上 可用于油水分离,实验室中可用于 分离微生物和蛋白质。

重相 出口

轻相 出口

进 料

管式离心机示意图

电沉降

分离效率很高、流动阻力很低
2 3 1 4

管式电除尘器

结构与工作原理:在金属圆管的中 心安放与高压直流电源相联的金属 丝作为放电极,圆管壁面接地作为 集尘极。在两极间施加1~6万伏的 直流电压。 当含尘气体从底部进入管内时,放 电极周围形成电晕放电使气体电离 产生大量自由电子和负离子,附着 在颗粒上使颗粒带负电。在电场力 的作用下带负电的颗粒向正极(集 尘极)管壁移动,在集尘极上失去 电荷成为中性粒子附于电极表面, 并借助振动脱落进入灰斗。

5

连接高压电源 洁净气体出口

不放电的高压电极

收尘区

收尘极 放电极

放电区 含尘气体入口

电沉降 颗粒电沉降运动过程也服从斯托克斯定律。 荷电量为 q 的颗粒在强度为 E 的电场所受的电场力为
F e ? qE

对粒径为 dp 的颗粒,当其所受的电场力与流体曳力相等时的 自由沉降速度为
ue ? qE 3?? d p

理论上,当颗粒随气流自下而上到达出口之前能够以 ue 的沉 降速度在径向走完全部沉降距离到达管壁则可实现分离。 由于电除尘器中颗粒的荷电量以及电场强度都是很复杂的物 理量,要确定颗粒在电场中的受力远比离心力场中困难。因 此电除尘器的设计主要依靠实验数据和经验公式。

电沉降


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