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 1m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。
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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 1m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 用清液置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 结构新颖的过滤装置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 板框的四角位置形成连 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置的出液旋塞排出，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 洗涤板 非洗涤板 洗涤液 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 1 2 3 滤液 流出 5 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。 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 XASL /630-UB系列 嵌入式滤布的滤板 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。 ÂË ½¬ 1 3 ÂË Òº 2 ÓÙ Äà 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。 ÂË ½¬ 1 3 ÂË Òº 2 ÓÙ Äà 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 6 4 7 III 5 3 a.转动盘 I b.固定盘 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 ÂË ± ýÏ µ́ Ó Ï ¡Ï Ò́ º ÂË ± ýÍ Ñ Ë® ÂË ± ýÍ Ñ Ë® ÂË ½¬ ¼Ó Èë Ï Ë́ ® Å Ï̈ Ò́ º Õæ ¿Õ · Ö Åä Æ÷ Î Ḯ ¡Ê ͵ Ä Ä Ò̧ º ÂË ² ¼ ¸ É Ôï ¿Õ Æǿ µ Èë ÂË ± ýÍ Ñ Ë® ÂË ² ¼ Ï ´¾ » ÂË ± ýÐ ¶ Ï Â 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 置时，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 r2。 分离因素：同一质量的流体所受的离心力与重力之比 mr 2 r 2 u T2 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。在适当的轴向位置引入洗水洗涤滤饼，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： dV 3 AdeV p1 u Adt 1501 2 L 2 对滤饼层 式中 deV、A、 是滤饼颗粒及滤饼床层特征参数，令 150 1 r 3 A d eV 2 2 滤饼比阻(单位厚度滤饼的阻力)，m-2 滤饼阻力 R rL 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 用当量滤液体积 Ve 表达成 r mLm r A dV Ap Adt rV Ve Ve dV A2 p dt rV 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 滤饼常数： r0 单位压差下的滤饼比阻，不可压缩滤饼 s=0。 k 1 r0 A 2 p kA2 p dV dt r0 V Ve V Ve 1 s 1 s —— 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 恒压差 压力差 p 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： 离心泵 恒 速 箭头所指为 时间增加方向 ËÙ Â ÊdV/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 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 q V A - 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 Q1 V Q2 恒压过滤曲线上任一点与 原点O联线的斜率即为Q 。 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 t opt ,2 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。 dV V t opt d t K 2k p 1 s A 2 p kA2 p dV dt r0 V Ve V Ve 1 s 1 s t opt 过滤终了时的速率 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 d V 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 V 2 2aV 2 tD 2 KA KA2 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 t opt 如滤饼又不需进行洗涤，即 a=0，则有 t opt t D tD 1 2a 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。 2 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 60 t n 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 V KA2 每周期可得的滤液量为 V V 1 生产能力 Q t 60 n 60 若忽略介质阻力，则 V 2 2VVe KA2t 60 Ve2 Ve n 60 KA2 n n2Ve2 Ve n m3 / s V V 1 Q 60KA2n 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 2 dp p g ut 18 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 筒中静置一段时间即会从上到下出现四个分区。 100 清液区 界面高度£ ¥ A 75 50 A A A A B B 25 浓缩区 B C C C 0 t0 A 均匀沉降区 C=C0 D D D t1 t2 t3 C 沉聚区 D D D t4 t5 t6 时间 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置换运动 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 L 气体 出口 u V B ut V H 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 除尘后 气体 含尘气体 1 2 3 粉尘 除尘后 气体 含尘气体 1 2 3 粉尘 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 18V p gLB 18uH 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置以使料 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-固体系置于加速度为 r2 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 2 dp p r 2 ur 18 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 清洁气体 排气管 B B 含尘气体 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-固流态化装置的尾气处理。 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。 0 xii xi 为进口气体中粒径为 di 的颗粒的质量 分率。 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 2 r d c ( p )u i2 ur d c p 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 实验测定的粒级效率曲线 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 f 0.5 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 位置处，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 S B H1 A S 2 D1 D 2 H 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。 CLP/B 型旋风分离器 旋风分离器的分类 D1 A S H1 D 2 d H 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 510m 以下的干燥的非纤维颗粒粉尘。 阻力系数在 7.5-9 之间。 B E 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型外置旋风分离器 PV型单级旋风分离器 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 油化工装置中如丙烯腈、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 R 悬浮液 R0 清液溢流 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 2p 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 L L R 2 R 02 L R 2 R 02 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 d p s L R 2 R 02 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 18V ln R R 0 2L s R 2 R 02 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 2 1 4 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 管式电除尘器 4 3 1 5 连接高压电源 洁净气体出口 不放电的高压电极 收尘区 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。 2 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