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1、会计学1液固分离设备解析液固分离设备解析3 3 液固分离设备液固分离设备n n3.1 3.1 概述概述 3.1.1 3.1.1 基本概念基本概念 3.1.2 3.1.2 液固两相流性质及特点液固两相流性质及特点n n3.2 3.2 沉降分离及设备沉降分离及设备 3.2.1 3.2.1 重力沉降重力沉降(地球引力地球引力)3.2.2 3.2.2 离心沉降离心沉降(离心力离心力)n n3.3 3.3 过滤分离及设备过滤分离及设备 3.3.1 3.3.1 过滤分离过滤分离 3.3.2 3.3.2 过滤机过滤机大型平底沉降槽大型平底沉降槽四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第1页/共58页3.1
2、3.1 概概 述述3.1.1 基本概念n n1.1.物相体系概念物相体系概念n n2.2.非均相物系分离的目的非均相物系分离的目的 回收分散物质（结晶母液中分离晶粒，赤泥的分离）回收分散物质（结晶母液中分离晶粒，赤泥的分离）净制分散介质（除去含尘气体中的尘粒）净制分散介质（除去含尘气体中的尘粒）劳动保护和环境卫生等。劳动保护和环境卫生等。n n3.3.分离方法分离方法 沉降沉降(包括重力沉降和离心沉降包括重力沉降和离心沉降)过滤过滤(包括重力过滤，压力过滤，真空过滤和离心过滤包括重力过滤，压力过滤，真空过滤和离心过滤)离心分离离心分离(包括离心沉降和离心过滤包括离心沉降和离心过滤)混合物混合物
3、混合物混合物均相物系均相物系(如酒精溶液，空气如酒精溶液，空气)非均相物系非均相物系气态非均相物系气态非均相物系(如含尘和含雾的气体如含尘和含雾的气体)液态非均相物系液态非均相物系(如悬浮液如悬浮液,乳浊液乳浊液,泡沫液等泡沫液等)四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第2页/共58页3.1.2 3.1.2 液固两相流性质及特点液固两相流性质及特点液固两相流性质及特点液固两相流性质及特点 3.1.2.1 3.1.2.1 固体微粒的物理性质固体微粒的物理性质 颗粒大小的表示方法：颗粒大小的表示方法：一般用粒径或当量直径一般用粒径或当量直径 颗粒大小的测定方法：颗粒大小的测定方法：显微镜测定、筛
4、分和沉降速度显微镜测定、筛分和沉降速度 颗粒形状：颗粒形状：用球形度用球形度(s s)表示表示 颗粒的密度与堆积密度：颗粒的密度与堆积密度：真密度和假密度真密度和假密度 (kg/m(kg/m3 3)颗粒填充特性颗粒填充特性(孔隙率孔隙率):):约为约为0.4;0.4;由实验确定由实验确定 摩擦角摩擦角安息角安息角安息角安息角注入角注入角(1 1):):将颗粒注入时得到圆锥状堆积斜坡与底面的夹角将颗粒注入时得到圆锥状堆积斜坡与底面的夹角 排出角排出角(2 2):):颗粒从圆筒容器底的中心排出时所得颗粒从圆筒容器底的中心排出时所得 到的漏斗形外底角；通常到的漏斗形外底角；通常 1 1 2 2滑动角
5、滑动角滑动角滑动角：当颗粒开始在倾斜壁面滑动下来时，该壁面当颗粒开始在倾斜壁面滑动下来时，该壁面 与水平面的夹角与水平面的夹角，滑动角比安息角小滑动角比安息角小滑动角比安息角小滑动角比安息角小四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第3页/共58页3.1.2.2 3.1.2.2 颗粒与流体相对运动时所受的阻力颗粒与流体相对运动时所受的阻力n n只要颗粒与流体之间有相对运动，就会有阻力产生。只要颗粒与流体之间有相对运动，就会有阻力产生。球形颗粒所受的阻力球形颗粒所受的阻力(F(Fd d):):F Fd d=A A u u2 2/2/2 A A颗粒在运动方向上的投影面积，颗粒在运动方向上的投影面积
6、，流体密度，流体密度，/m/m3 3 u u颗粒与流体的相对运动速度，颗粒与流体的相对运动速度，m/sm/s 无因次阻力系数：无因次阻力系数：=f f(Re)=(Re)=f f(d(dp pu u /)Re Re 雷诺准数，雷诺准数，d dp p颗粒直径；颗粒直径；流体的粘度。流体的粘度。此函数关系由实验测定。球形颗粒此函数关系由实验测定。球形颗粒 的实验数据的实验数据(见图见图3-1)3-1)。非球形颗粒：非球形颗粒：当量直径当量直径(d(de e):):d de e=(6V=(6Vp p/)1/31/3 Vp=(Vp=(/6)d/6)de e 3 3，V Vp p任意形状颗粒的体积，任意形
7、状颗粒的体积，mm3 3。球形系数球形系数:s s=与该颗粒体积相等的球形颗粒表面积与该颗粒体积相等的球形颗粒表面积任意形状颗粒的表面积任意形状颗粒的表面积(s对对 的影响见图的影响见图3-1)四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第4页/共58页图图3-1 阻力系数与颗粒雷诺数的关系阻力系数与颗粒雷诺数的关系曲线大致可分为三个区域，各区域的曲线可分别用下述计算式表示：曲线大致可分为三个区域，各区域的曲线可分别用下述计算式表示：层流区层流区(10-4 Re 1)=24/Re Stokes 过渡区过渡区(1 Re 500)=10/(Re)1/2 Allen 湍流区湍流区(500 Re 1 =8
8、18.51 显然，颗粒沉降不是在层流区。显然，颗粒沉降不是在层流区。四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第10页/共58页再设在过渡区沉降，则再设在过渡区沉降，则再设在过渡区沉降，则再设在过渡区沉降，则0 =4 g2(1-2)2/(225 2)1/3dp =4(9.81)2(2500-998.2)2/(2251.0110-3998.2)1/310-3 =0.156 m/s校核校核校核校核ReRe :Re=dput/=1.010-30.157998.2/(1.0110-3)=157属于过渡区属于过渡区属于过渡区属于过渡区(1 Re 500(1 Re 500)，故所设正确。，故所设正确。，故所
9、设正确。，故所设正确。四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第11页/共58页2.2.沉降分离沉降分离 悬浮液的分离方法及性质悬浮液的分离方法及性质悬浮液的分离方法悬浮液的分离方法:沉降法、过滤法及离心分离法。沉降法、过滤法及离心分离法。悬浮液的性质悬浮液的性质:温度、密度、浓度、固体悬浮物的粒度和悬浮物的特性温度、密度、浓度、固体悬浮物的粒度和悬浮物的特性 温度：温度：温度高，粘度小的悬浮液容易分离；温度高，粘度小的悬浮液容易分离；悬浮液密度：悬浮液密度：kg/mkg/m3 3 悬浮液体积流量：悬浮液体积流量：QQm m=Q+Q=Q+Qs s mm3 3/s/s Q Q、QQs s分别为溶
10、液与干固体颗粒的流量，分别为溶液与干固体颗粒的流量，在悬浮液中在悬浮液中(2 2-1 1)越大，越大，分离越容易。分离越容易。浓度浓度(悬浮液中干固体颗粒所占的百分数悬浮液中干固体颗粒所占的百分数)体体 积积 浓浓 度：度：M=M=QQs s/QQmm 体积固液比：体积固液比：M=M=QQs s/QQ 质质 量量 浓浓 度：度：m=m=WWs s/WWm m=s s QQs s/(/(mm Q Qm m )=()=(s s/m m)MM 质量固液比：质量固液比：m=m=WWs s/WW =s s QQs s/(/(Q Q )=()=(s s/)M)M四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第1
11、2页/共58页固体悬浮物的粒度固体悬浮物的粒度固体悬浮物的粒度固体悬浮物的粒度(固体颗粒的粒径固体颗粒的粒径固体颗粒的粒径固体颗粒的粒径)：粒径越大越易分离，沉速度越大。粒径越大越易分离，沉速度越大。粒径越大越易分离，沉速度越大。粒径越大越易分离，沉速度越大。悬浮物的特性：悬浮物的特性：悬浮物的特性：悬浮物的特性：颗粒轮廓清晰，坚硬，且不易变形，也不易相互粘附或与其它粒子粘结，最易分离；颗粒轮廓清晰，坚硬，且不易变形，也不易相互粘附或与其它粒子粘结，最易分离；颗粒轮廓清晰，坚硬，且不易变形，也不易相互粘附或与其它粒子粘结，最易分离；颗粒轮廓清晰，坚硬，且不易变形，也不易相互粘附或与其它粒子粘结
12、，最易分离；胶状物质胶状物质胶状物质胶状物质(如赤泥粒子如赤泥粒子如赤泥粒子如赤泥粒子),),沉降性能很差沉降性能很差沉降性能很差沉降性能很差;加适量的加适量的加适量的加适量的絮凝剂絮凝剂絮凝剂絮凝剂。.无机絮凝剂无机絮凝剂无机絮凝剂无机絮凝剂：石灰，硫酸，明矾，苛性钠，盐酸和氯化锌等。：石灰，硫酸，明矾，苛性钠，盐酸和氯化锌等。：石灰，硫酸，明矾，苛性钠，盐酸和氯化锌等。：石灰，硫酸，明矾，苛性钠，盐酸和氯化锌等。.天然高分子絮凝剂：天然高分子絮凝剂：天然高分子絮凝剂：天然高分子絮凝剂：淀粉和含淀粉的蛋白质物质，如马铃薯，玉米粉，红薯粉及动物胶体。淀粉和含淀粉的蛋白质物质，如马铃薯，玉米粉，
13、红薯粉及动物胶体。淀粉和含淀粉的蛋白质物质，如马铃薯，玉米粉，红薯粉及动物胶体。淀粉和含淀粉的蛋白质物质，如马铃薯，玉米粉，红薯粉及动物胶体。.合成高分子絮凝剂：合成高分子絮凝剂：合成高分子絮凝剂：合成高分子絮凝剂：离子和非离子型高分子聚合物，如聚丙烯酰胺，羰基纤维和聚乙烯醇等。离子和非离子型高分子聚合物，如聚丙烯酰胺，羰基纤维和聚乙烯醇等。离子和非离子型高分子聚合物，如聚丙烯酰胺，羰基纤维和聚乙烯醇等。离子和非离子型高分子聚合物，如聚丙烯酰胺，羰基纤维和聚乙烯醇等。四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第13页/共58页 悬浮液的沉降过程：悬浮液的沉降过程：间歇沉降过程间歇沉降过程(见下图
14、见下图)表观沉降速度表观沉降速度(t t ):):清液区与均一浓度区界面的下降速度清液区与均一浓度区界面的下降速度 (0.5(0.5为受阻干扰系数为受阻干扰系数)当当Re 1Re 1时，以斯托克斯公式计算时，以斯托克斯公式计算 粗粒固体区的压缩时间粗粒固体区的压缩时间(r r):):底流压缩到满足出料要求的液固比所需时间，底流压缩到满足出料要求的液固比所需时间，s s 图图 中中1-清液区清液区2-均一浓度区均一浓度区3-浓度及粒度不均区浓度及粒度不均区4-粗粒固体区粗粒固体区四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第14页/共58页3.2.2 3.2.2 3.2.2 3.2.2 沉降槽的结构
15、及设计沉降槽的结构及设计沉降槽的结构及设计沉降槽的结构及设计四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第15页/共58页图图图图3-4 3-4 单层沉降槽结构单层沉降槽结构单层沉降槽结构单层沉降槽结构 单层沉降槽：其结构和工作原理见图单层沉降槽：其结构和工作原理见图3-43-4。3.2.2.1 3.2.2.1 3.2.2.1 3.2.2.1 沉降槽的结构沉降槽的结构沉降槽的结构沉降槽的结构四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第16页/共58页 多层沉降槽多层沉降槽多层沉降槽多层沉降槽 其结构和工作原理见图其结构和工作原理见图其结构和工作原理见图其结构和工作原理见图3-53-5。h h00 +
16、h+h s s=(h+h=(h+h00+h)h)h=h(h=h(s s-)/；或；或 h=h=h h /(s s-)h h相邻两层泥浆渣面之间的高度，相邻两层泥浆渣面之间的高度，m；h h0 0上层清液区高度，上层清液区高度，m；h h相邻两层间溢流管内清液面的高度差，相邻两层间溢流管内清液面的高度差，m；s 沉渣的密度，沉渣的密度，kg/m3;清液的密度，清液的密度，kg/m3图3-5 多层沉降槽结构hh0h四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第17页/共58页.洗涤沉降洗涤沉降洗涤沉降洗涤沉降n n沉降槽除了作液固相分离设沉降槽除了作液固相分离设备之外，常用作备之外，常用作沉渣洗涤设沉
17、渣洗涤设备备，通过洗涤可以回收底流，通过洗涤可以回收底流中残存的有价值的清液，如中残存的有价值的清液，如拜尔法生产氧化铝的赤泥中拜尔法生产氧化铝的赤泥中常残存有大量的常残存有大量的NaNa2 2OO及及AlAl2 2OO3 3等溶质，就用沉降槽作洗涤等溶质，就用沉降槽作洗涤槽进行逆流洗涤。在洗涤中槽进行逆流洗涤。在洗涤中要求尽量少用洗水，以免破要求尽量少用洗水，以免破坏生产系统的水量平衡，所坏生产系统的水量平衡，所以采用反向洗涤或逆流洗涤。以采用反向洗涤或逆流洗涤。其流程如图所示。其流程如图所示。各洗涤槽溢流所含溶质浓度各洗涤槽溢流所含溶质浓度c1、c2和和c3，质量分数；，质量分数；各洗涤槽
18、溢流量各洗涤槽溢流量G1、G2和和G3，kg(溶液溶液)kg-1(干固体干固体)；四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第18页/共58页.沉降过滤槽沉降过滤槽沉降过滤槽沉降过滤槽 n n带过滤装置的沉降槽称为沉降过程滤槽。带过滤装置的沉降槽称为沉降过程滤槽。此种槽此种槽(图图3-2-15)3-2-15)中挂有多排过滤管，滤管中挂有多排过滤管，滤管直径直径150-200mm150-200mm，长，长1200-1500mm1200-1500mm，管壁有，管壁有小孔，外套滤布，滤布可拆换，整个过滤小孔，外套滤布，滤布可拆换，整个过滤装置浸没在沉降槽中矿浆的液面下。过滤装置浸没在沉降槽中矿浆的液面
19、下。过滤装置有装置有20-2520-25排，每排由排，每排由4-64-6根过滤管组成，根过滤管组成，过滤管与水平支管相连，水平支管与真空过滤管与水平支管相连，水平支管与真空及压缩空气分配室相通，能自动更换。当及压缩空气分配室相通，能自动更换。当停止使用真空而转换为压缩空气时，滤渣停止使用真空而转换为压缩空气时，滤渣即落到槽底，由刮泥器将沉泥移向排泥口。即落到槽底，由刮泥器将沉泥移向排泥口。n n沉降过滤槽与一般沉降槽相比，可加速沉沉降过滤槽与一般沉降槽相比，可加速沉降过程并获得液固比较低的浓泥，与真空降过程并获得液固比较低的浓泥，与真空过滤机相比，生产能力较大，能耗低，但过滤机相比，生产能力较
20、大，能耗低，但沉泥的液固比较高。沉泥的液固比较高。槽体分配头及传动装置搅拌器过滤管悬浮液进料口滤液出口浓泥出口四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第19页/共58页3.2.2.2 3.2.2.2 3.2.2.2 3.2.2.2 沉降槽的设计沉降槽的设计沉降槽的设计沉降槽的设计n n主要有：沉降槽生产能力主要有：沉降槽生产能力（QQ）、面积、面积(A)(A)和高度（和高度（H)H).先做间歇沉降实验确定先做间歇沉降实验确定 表观沉降速度表观沉降速度(0 0)：清液区与均一浓度区界面的下降速度。：清液区与均一浓度区界面的下降速度。粗粒固体区的压缩时间粗粒固体区的压缩时间(t tr r)：底流压
21、缩到满足出料要求的液固：底流压缩到满足出料要求的液固比所需时间，比所需时间，s s。四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第20页/共58页.沉降槽生产能力沉降槽生产能力n n以矿浆中纯液量而言，当无液体损失时，矿浆中的总液量为：以矿浆中纯液量而言，当无液体损失时，矿浆中的总液量为：QQ0 0=Q=Q1 1+Q+Q2 2式中：式中：QQ0 0矿浆中总液量，矿浆中总液量，mm3 3hh-1-1；QQ1 1 澄清液溢流量，澄清液溢流量，mm3 3hh-1-1 ；QQ2 2 沉渣中含液量，沉渣中含液量，mm3 3hh-1-1 ；n n在沉降槽中，如澄清液层高度为在沉降槽中，如澄清液层高度为h h，
22、则沉降槽澄清液的生产，则沉降槽澄清液的生产能力可用下式计算：能力可用下式计算：式中：式中：AA沉降槽的沉降面积，沉降槽的沉降面积，mm2 2；hh澄清液层高度，澄清液层高度，mm；tt澄清时间，澄清时间，h h。四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第21页/共58页.沉降槽面积(A)的确定 式中：A A沉降槽的沉降面积，沉降槽的沉降面积，mm2 2;q qmm悬浮液的质量流量，悬浮液的质量流量，kg/s;kg/s;c c0 0、c c1 1悬浮液的固体浓度和沉渣中的固体浓度，悬浮液的固体浓度和沉渣中的固体浓度，kg/mkg/m3 3;mm 悬浮液的密度，悬浮液的密度，kg/mkg/m3 3
23、;实际沉降速度，实际沉降速度，m/s;m/s;1.33 1.33经验修正系数。经验修正系数。四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第22页/共58页.沉降槽高度沉降槽高度(H)(H)的确定：包括压缩区的高度的确定：包括压缩区的高度HHP Pa.a.粗粒固体区粗粒固体区(压缩区压缩区)的高度的高度(H(HP P):):HHP P 压缩区高度，压缩区高度，m;m;QQmm压缩区内液固比的平均值。压缩区内液固比的平均值。t tr r压缩时间压缩时间 (底流压缩到满足出料要求的液固比所需时间底流压缩到满足出料要求的液固比所需时间)，s;s;WW 单位时间进入槽内的固体质量，单位时间进入槽内的固体质量
24、，kg/h;kg/h;原始矿浆中固体及液体密度，原始矿浆中固体及液体密度，kgmkgm-3-3 b.b.沉降槽高度沉降槽高度(H)(H)：H=(0.3 H=(0.3 2 2)+2)+2 0.7+1.750.7+1.75 HHP P 0.3 0.3 2 2为清液区高度；为清液区高度；mm 2 2 0.70.7为加料区及浓度不均区的高度；为加料区及浓度不均区的高度；mm 1.75 1.75为安全系数为安全系数。四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第23页/共58页3.2.3 3.2.3 离心沉降离心沉降离心沉降离心沉降(离心力离心力离心力离心力)n n重力沉降设备占地面积大，材料消耗多，重力沉
25、降设备占地面积大，材料消耗多，沉降终速小，效率不高，仅适用于处理大沉降终速小，效率不高，仅适用于处理大量的稀悬浮液。为了提高固液分离能力，量的稀悬浮液。为了提高固液分离能力，工业上广泛采用离心分离设备，水力旋流工业上广泛采用离心分离设备，水力旋流器或称为旋液分离器是其中一种。器或称为旋液分离器是其中一种。n n水力旋流器的结构与旋风分离器大致相同，水力旋流器的结构与旋风分离器大致相同，其基本原理也相似。如图其基本原理也相似。如图 示：示：料浆进入之后在圆筒部分高速旋转，沿料浆进入之后在圆筒部分高速旋转，沿筒壁一面作圆周运动，一面向下运动，筒壁一面作圆周运动，一面向下运动，固体颗粒的密度较液体大
26、，在旋转时固体颗粒的密度较液体大，在旋转时受更大的离心力受更大的离心力(F(Fc c)作用作用;颗粒沿器壁颗粒沿器壁向下运动到达排渣口，成为底流而排向下运动到达排渣口，成为底流而排出，清液由上部中心溢流口出去。在出，清液由上部中心溢流口出去。在中心部分有一个空气柱形成，此处为中心部分有一个空气柱形成，此处为负压状态。负压状态。圆柱 锥体 排渣口 出口管 入口管 四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第24页/共58页3.2.3.1 3.2.3.1 离心分离因素离心分离因素离心分离因素离心分离因素(K(Kc c)n n1.1.离心力离心力(F(Fc c):):m-m-球形颗粒的质量球形颗粒的质
27、量,;-球形颗粒的角速度球形颗粒的角速度,rad/s,rad/s r-r-球形颗粒到旋转轴心的距离球形颗粒到旋转轴心的距离,m;,m;n-n-球形颗粒的转速球形颗粒的转速(r/min)(r/min)；n n2.2.重力（重力（F Fg g）:F Fg g=mg=mgn n3.3.离心分离因素离心分离因素KcKc：同一颗粒所受的离心力与重力之比：同一颗粒所受的离心力与重力之比 K Kc c：表示离心力大小的指标。：表示离心力大小的指标。四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第25页/共58页3.2.3.2 3.2.3.2 水力旋流器中水力旋流器中水力旋流器中水力旋流器中u u、u ur r、u
28、 ua a与与与与r r关系关系关系关系 n n水力旋流器可作固液相分离用，亦可作为分级设备。水力旋水力旋流器可作固液相分离用，亦可作为分级设备。水力旋流器中流体运动规律比较复杂，目前尚不能用简单的数学式流器中流体运动规律比较复杂，目前尚不能用简单的数学式表达：图表达：图3-2-17(a)3-2-17(a)、(b)(b)、(c)(c)分别表示水力旋流器中流体的切线分别表示水力旋流器中流体的切线速度速度u u，径向速度，径向速度u ur r，及轴向速度，及轴向速度u ua a与半径与半径r r的关系的关系:n n图图 (a)(a)为切线速度为切线速度u u 随着距中心线的距离减小而增大，在接近随
29、着距中心线的距离减小而增大，在接近气柱中心时很快下降。除接近气柱那一部分液体外，旋流器气柱中心时很快下降。除接近气柱那一部分液体外，旋流器中液体的切线速度中液体的切线速度u u 与旋转半径与旋转半径r r之关系可用下式之关系可用下式 表示：表示：n n值在值在0.5-0.90.5-0.9之间，平均可取之间，平均可取0.64 0.64 四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第26页/共58页n n图图 (b)(b)为径向速度为径向速度u ur r分量，距轴心愈远，分量，距轴心愈远，u ur r愈增大。而径向加速度愈增大。而径向加速度a ar rrr-2.5-2.5，即，即旋转半径旋转半径r r
30、愈小，愈小，a ar r愈大，径向加速度为悬浮物分离的重要因素，故圆锥形部愈大，径向加速度为悬浮物分离的重要因素，故圆锥形部分起着重要的分离作用。因此，也说明水力旋流器应向小直径发展。分起着重要的分离作用。因此，也说明水力旋流器应向小直径发展。n n图图 (c)(c)表示轴向速度表示轴向速度u ua a分量，在靠近筒壁附近轴向速度方向向下，而在靠近中分量，在靠近筒壁附近轴向速度方向向下，而在靠近中心附近，方向是向上的，故在中间有一处轴向速度为零。由此分界，外部为心附近，方向是向上的，故在中间有一处轴向速度为零。由此分界，外部为下降流，内部为上升流。粗细颗粒分别进入底流及溢流，故旋流器可用于分下
31、降流，内部为上升流。粗细颗粒分别进入底流及溢流，故旋流器可用于分级。级。图中：图中：图中：图中：1-1-旋流器壁；旋流器壁；旋流器壁；旋流器壁；2-2-溢流管；溢流管；溢流管；溢流管；3-3-气柱气柱气柱气柱 四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院uu urru uaa第27页/共58页3.2.3.3 3.2.3.3 3.2.3.3 3.2.3.3 水力旋流器（旋液分离器）水力旋流器（旋液分离器）水力旋流器（旋液分离器）水力旋流器（旋液分离器）水力旋流器的结构及原理如图水力旋流器的结构及原理如图3-83-8所示。所示。n n水力旋流器可作固液分离用，亦可作水力旋流器可作固液分离用，亦可作为为
32、分级设备分级设备用。水力旋流器的设备直用。水力旋流器的设备直径愈小径愈小,分离颗粒的极限直径愈小，效分离颗粒的极限直径愈小，效率也愈高。当率也愈高。当DD为为4mm4mm时时,分离粒径可分离粒径可小到小到1 1 10 10 m m。n n水力旋流器中固体颗粒沿壁面的快速水力旋流器中固体颗粒沿壁面的快速运动会造成严重的运动会造成严重的磨损磨损，固应采用耐，固应采用耐磨材料制造。磨材料制造。n n减小锥角，增加圆筒部分高度均有助减小锥角，增加圆筒部分高度均有助于改进分离，锥角一般为于改进分离，锥角一般为15 15 20 20。n n旋流器的生产能力大，通常设备旋流器的生产能力大，通常设备直径直径为
33、为0.1 0.1 1 m1 m，其处理量每分钟可达数，其处理量每分钟可达数百立方米。如右表：百立方米。如右表：d d为进料口直径，为进料口直径，DD为旋流器直径为旋流器直径水力旋流器直径和参数水力旋流器直径和参数d/D对产能对产能(1min-1)的影响的影响直径直径D/mmd/D0.100.150.200.250.30125-303848632504560759512550090120150190-1000180240300-四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第28页/共58页 1.一直径为1.5 mm，密度为2500 kg/m3的玻璃球在20的水中沉降，试求其沉降速度。已知：20时水=
34、998.2 kg/m3,=1.0110-3 Pas。2.说明沉降槽的生产能力与其槽帮高度的关系。课堂作业课堂作业四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第29页/共58页3.4 3.4 过滤分离过滤分离n n沉降操作往往需要很长时间，且无法将液体中悬浮的固体微沉降操作往往需要很长时间，且无法将液体中悬浮的固体微粒完全分离干净。而过滤不但分离的速度快，而且滤饼中的粒完全分离干净。而过滤不但分离的速度快，而且滤饼中的液体含量较沉降物少，故过滤是分离悬浮液普遍而有效的方液体含量较沉降物少，故过滤是分离悬浮液普遍而有效的方法。法。n n过滤操作原理过滤操作原理 :借助一种截留固体颗粒而让液体通过的多孔
35、借助一种截留固体颗粒而让液体通过的多孔介质将固体颗粒从悬浮液中分离出来的过程称为过滤。介质将固体颗粒从悬浮液中分离出来的过程称为过滤。n n通常将这种多孔介质称为通常将这种多孔介质称为过滤介质过滤介质。过滤介质可以是细砂、。过滤介质可以是细砂、织物、纸或多孔固体织物、纸或多孔固体(如陶瓷如陶瓷)等，大多数采用织物，如尼龙、等，大多数采用织物，如尼龙、麻布、玻璃丝布、铁丝网布等。即使过滤介质不是布，也习麻布、玻璃丝布、铁丝网布等。即使过滤介质不是布，也习惯地称之为过滤布。过滤介质的孔径经常稍大于被分离固体惯地称之为过滤布。过滤介质的孔径经常稍大于被分离固体颗粒的平均直径。颗粒的平均直径。四川大学
36、化学工程学院四川大学化学工程学院第30页/共58页3.4.1 3.4.1 3.4.1 3.4.1 悬浮液的过滤悬浮液的过滤悬浮液的过滤悬浮液的过滤n n 两种过滤方式两种过滤方式 深层过滤：用较厚的粒状床层做成的过滤介质深层过滤：用较厚的粒状床层做成的过滤介质(如砂层如砂层)。如自来水的净。如自来水的净化，污水处理。化，污水处理。(一般一般C0.1%)C1%)(C1%)。图图3-17 过滤示意图过滤示意图图图3-18 架桥现象架桥现象四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第31页/共58页n n 过滤介质过滤介质 织物介质：棉织物介质：棉,麻麻,丝丝,毛及各种合成纤维织成的滤布。或铜，不毛及
37、各种合成纤维织成的滤布。或铜，不锈钢等金属丝编织的滤网。锈钢等金属丝编织的滤网。堆积的粒状介质：由砂，木炭等堆积成较厚的床层，用于深层堆积的粒状介质：由砂，木炭等堆积成较厚的床层，用于深层过滤。过滤。多孔性介质：陶瓷，塑料，金属等粉末烧结成型而制得的多孔多孔性介质：陶瓷，塑料，金属等粉末烧结成型而制得的多孔性板状或管状介质。性板状或管状介质。n n过滤介质的选择，要根据悬浮液中液体性质（例如，酸，碱过滤介质的选择，要根据悬浮液中液体性质（例如，酸，碱性），固体颗粒含量与粒度，操作压力与温度及过滤介质的机性），固体颗粒含量与粒度，操作压力与温度及过滤介质的机械强度与价格等因素考虑。械强度与价格等
38、因素考虑。四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第32页/共58页n n 助滤剂助滤剂(回收滤渣不适宜回收滤渣不适宜)n n当含有胶体的悬浮液过滤时，因颗粒的形状及颗粒间的孔道随压强变化而当含有胶体的悬浮液过滤时，因颗粒的形状及颗粒间的孔道随压强变化而改变滤孔，往往被颗粒堵塞。在这种情况下，液体的流通受到阻碍，甚至闭改变滤孔，往往被颗粒堵塞。在这种情况下，液体的流通受到阻碍，甚至闭塞。为改变这种状况，加入一种性质坚硬在一般压强下不变形的粒状物质，塞。为改变这种状况，加入一种性质坚硬在一般压强下不变形的粒状物质，通常称为通常称为助滤剂助滤剂。其类型有：。其类型有：硅藻土硅藻土：硅藻土经干燥或煅
39、烧，粉碎，筛分而得到。：硅藻土经干燥或煅烧，粉碎，筛分而得到。珍珠岩珍珠岩：珍珠岩粉末在：珍珠岩粉末在10001000下迅速加热膨胀后，经粉碎，筛分而得到粒下迅速加热膨胀后，经粉碎，筛分而得到粒度均匀的颗粒。度均匀的颗粒。石棉石棉：石棉粉与少量硅藻土混合而成。：石棉粉与少量硅藻土混合而成。活性炭粉，纸浆粉活性炭粉，纸浆粉等。等。n n 助滤剂使用方法：助滤剂使用方法：先把助滤剂单独配成悬浮液先把助滤剂单独配成悬浮液,过滤过滤,先形成一层助滤剂层。先形成一层助滤剂层。在悬浮液中加入助滤剂在悬浮液中加入助滤剂(添加量为固体颗粒重量的添加量为固体颗粒重量的0.5%)0.5%)。四川大学化学工程学院四
40、川大学化学工程学院第33页/共58页3.4.2 3.4.2 过滤速率基本方程式过滤速率基本方程式过滤速率基本方程式过滤速率基本方程式过滤速度过滤速度=过滤推动力过滤推动力/过滤阻力过滤阻力=p/Rp/R过滤推动力就是压力差过滤推动力就是压力差(p):p):p=p=p pc c+p pmm;过滤阻力包括滤饼阻力和过滤介质阻力过滤阻力包括滤饼阻力和过滤介质阻力(如图如图3-19)3-19)。滤液流过滤饼层内的细微孔道的速度滤液流过滤饼层内的细微孔道的速度(u)(u)类似于流体在圆管内类似于流体在圆管内的层流流动：的层流流动：图图 3-19 过滤的推动力与阻过滤的推动力与阻力力四川大学化学工程学院四
41、川大学化学工程学院第34页/共58页滤饼中滤液的过滤速度：滤饼中滤液的过滤速度：滤饼中滤液的过滤速度：滤饼中滤液的过滤速度：式中：式中：式中：式中：u uc c滤液在毛细孔道内的流速滤液在毛细孔道内的流速滤液在毛细孔道内的流速滤液在毛细孔道内的流速,u uc c dV/(AddV/(Ad ););p pc c 滤液通过滤饼层的压力降；滤液通过滤饼层的压力降；滤液通过滤饼层的压力降；滤液通过滤饼层的压力降；滤液的粘度；滤液的粘度；滤液的粘度；滤液的粘度；l l滤饼层中的毛细管孔道的平均长度；滤饼层中的毛细管孔道的平均长度；滤饼层中的毛细管孔道的平均长度；滤饼层中的毛细管孔道的平均长度；l l L
42、 L;L L滤饼层的厚度；滤饼层的厚度；滤饼层的厚度；滤饼层的厚度；L L wV/A;AwV/A;A过过过过滤面积；滤面积；滤面积；滤面积；ww单位单位单位单位体积滤液的干滤饼质量；体积滤液的干滤饼质量；体积滤液的干滤饼质量；体积滤液的干滤饼质量；V V滤液的体积；滤液的体积；滤液的体积；滤液的体积；d d毛细管的平均直径毛细管的平均直径毛细管的平均直径毛细管的平均直径(为定值为定值为定值为定值)；r r滤饼的比阻滤饼的比阻滤饼的比阻滤饼的比阻(m/kg,(m/kg,比例系数比例系数比例系数比例系数)考虑过滤介质，则考虑过滤介质，则考虑过滤介质，则考虑过滤介质，则滤液的滤液的滤液的滤液的过滤速
43、度：过滤速度：过滤速度：过滤速度：滤液的滤液的滤液的滤液的过滤速率：过滤速率：过滤速率：过滤速率：V Ve e 当量滤液量当量滤液量当量滤液量当量滤液量(过滤介质的相当于得过滤介质的相当于得过滤介质的相当于得过滤介质的相当于得V Ve e 滤液时滤饼层的阻力滤液时滤饼层的阻力滤液时滤饼层的阻力滤液时滤饼层的阻力)。四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第35页/共58页恒压过滤和恒速过滤恒压过滤和恒速过滤恒压过滤和恒速过滤恒压过滤和恒速过滤n n 恒压过滤方程式：即恒压过滤方程式：即 p p为常数为常数令令 K=2 K=2 p p/(r/(r w)w)，(K K为为过滤常数过滤常数，包括物性
44、常数及压强参数，包括物性常数及压强参数)积分积分:为为0 0 ，V V为为Ve Ve+V,Ve Ve+V,得得 :式中式中V Ve e用类似方法积分，用类似方法积分，从从0 0 e e （虚拟的过滤时间）虚拟的过滤时间）s s；V Ve e从从0 V0 Ve e,得：得：V Ve e2 2=K =K A A2 2 e e ；两式相加得：两式相加得：(V+VV+Ve e)2 2=K =K A A2 2(+e e););令令 q=V/A,qq=V/A,qe e=V=Ve e/A:/A:q q2 2+2q+2qe eq=Kq=K;或或 (q+qq+qe e)2 2=K(=K(+e e););四川大学
45、化学工程学院四川大学化学工程学院第36页/共58页n n 恒速过滤方程式：恒速过滤方程式：u=Ku=Ku u（常数）（常数）则则 ：四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第37页/共58页 先恒速后恒压过滤方程式先恒速后恒压过滤方程式（实质上是恒压过滤为主，恒压过滤的起点为恒速过滤的终点）（实质上是恒压过滤为主，恒压过滤的起点为恒速过滤的终点）令：令：V VR R代表恒速过滤阶段终了瞬间的滤液体积；代表恒速过滤阶段终了瞬间的滤液体积；R R代表恒速过滤阶段终了瞬间的过滤时间。代表恒速过滤阶段终了瞬间的过滤时间。积分，积分，从从 R R ，V V从从V VR R V,V,得得 (V(V2 2-
46、V-VR R2 2)+2Ve(V-V)+2Ve(V-VR R)=K )=K A A2 2 (-R R)或或 (q(q2 2-q-qR R2 2)+2q)+2qe e(q-q(q-qR R)=K()=K(-R R)(V-V(V-VR R),(),(-R R)分别代表恒速阶段转入恒压阶段后所获得的滤液体积及所经分别代表恒速阶段转入恒压阶段后所获得的滤液体积及所经历的过滤时间。历的过滤时间。n n该复合过滤方式是为了避免过滤初期因压差过大而引起滤布堵塞和破损。该复合过滤方式是为了避免过滤初期因压差过大而引起滤布堵塞和破损。即过滤初期保持恒定速率使压差逐步升高至系统允许的最大值，然后在即过滤初期保持恒
47、定速率使压差逐步升高至系统允许的最大值，然后在恒定的最大压强差下操作。恒定的最大压强差下操作。四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第38页/共58页3.2.3 3.2.3 过滤设备过滤设备过滤设备过滤设备n n 板框压滤机板框压滤机(如图如图3-213-21)洗涤速率洗涤速率(dV/d(dV/d)约为最终过滤速率约为最终过滤速率(dV/d(dV/d)E E 的的1/41/4。dV/ddV/d=(=(1/4)(dV/d1/4)(dV/d)E E操作压力一般为操作压力一般为3 3 10kg/cm10kg/cm2 2.可调节过滤能力可调节过滤能力,但劳动强度大，多为间歇操作。但劳动强度大，多为间
48、歇操作。图图图图3-21 3-21 板框压滤机的过滤与洗涤板框压滤机的过滤与洗涤板框压滤机的过滤与洗涤板框压滤机的过滤与洗涤四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第39页/共58页四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第40页/共58页第41页/共58页立盘过滤机立盘过滤机立盘过滤机立盘过滤机四川大学化学工程学院四川大学化学工程学院第42页/共58页【例例例例3-23-2】有一实验装置，在有一实验装置，在有一实验装置，在有一实验装置，在3 3 101055PaPa的压强下过滤含钛白的水悬浮液，测得过滤常数的压强下过滤含钛白的水悬浮液，测得过滤常数的压强下过滤含钛白的水悬浮液，测得过滤常数的
49、压强下过滤含钛白的水悬浮液，测得过滤常数K=5K=5 1010-5-5mm22/s,q/s,qee=0.01 m=0.01 m33/m/m22,ee=2s=2s。又测得滤饼与滤液的体积比又测得滤饼与滤液的体积比又测得滤饼与滤液的体积比又测得滤饼与滤液的体积比 w=w=0.08 m0.08 m33/m/m33,拟在生产中采用拟在生产中采用拟在生产中采用拟在生产中采用BMY50-810/25BMY50-810/25 型板框压滤机来过滤此悬浮液，过滤压强与所用滤布均和实验相同，按标准，这一型号的板框压滤机滤框空间的长与宽均为型板框压滤机来过滤此悬浮液，过滤压强与所用滤布均和实验相同，按标准，这一型号
50、的板框压滤机滤框空间的长与宽均为型板框压滤机来过滤此悬浮液，过滤压强与所用滤布均和实验相同，按标准，这一型号的板框压滤机滤框空间的长与宽均为型板框压滤机来过滤此悬浮液，过滤压强与所用滤布均和实验相同，按标准，这一型号的板框压滤机滤框空间的长与宽均为810mm810mm，框的厚度为，框的厚度为，框的厚度为，框的厚度为25 mm,25 mm,共共共共3838个框个框个框个框,过滤面积为过滤面积为过滤面积为过滤面积为50m50m22,框内总容量为框内总容量为框内总容量为框内总容量为0.615 m0.615 m33。试求试求试求试求:过滤至框内全部充满滤渣所需过滤时间；过滤至框内全部充满滤渣所需过滤时