1、3 流体与粒子间的相对运动,概述,1）非均相物系各处物理性质和化学性质没有差异且无相界面的物系，称为均相物系。各处物理性质和化学性质有差异且有稳定相界面的物系，称为非均相物系。在非均相物系中，处于分散状态的物质称为分散相（分散物质）；处于连续状态的物质称为连续相（分散介质）。本章主要介绍分散相与连续相之间相对运动所遵循的规律及其分离问题。 2）非均相物系分离操作在工业上的应用利用分散相与连续相具有不同的物理性质，用机械方法将其分离的操作称为非均相物系分离。工业上的非均相分离常用于以下几个方面。,概述,（1）回收分散物质； （2）净化分散介质；（3）废气、废液中有害物质的处理，以满足环境保护的要
2、求。 常见分离方法有过滤、沉降等操作。,3.1 过滤,3.1. 1 过滤操作的基本概念过滤是以一种多孔性的物体作为过滤介质，在外力的作用下，使悬浮液中液体穿过介质孔道流出，而固体颗粒被过滤介质截留，实现液固分离的操作。见过滤操作示意（图3-1）。过滤操作中所处理的悬浮液称为滤浆或料浆；通过介质的液体称为滤液；被截留在介质上的固体颗粒称为滤渣或滤饼。过滤操作是利用重力、离心力或压强差作为推动力，来克服滤液通过过滤介质和滤饼的流动阻力。 1）过滤方式（1）饼层过滤悬浮液中的固体颗粒被截留在过滤介质的一侧，并形成一个逐渐增厚滤饼层的过滤操作。见饼层过滤（图3-1） 。饼层过滤的开始阶段，一些细小的颗
3、粒会穿过介质的孔道混,3.1 过滤,入滤液，一些颗粒在介质孔道中发生架桥现象，见图架桥现象（ 3-2） 。随着过滤的进行，被介质截留的颗粒形成滤饼，不断增厚的滤饼才是有效的过滤介质，此时所获得的滤液才是清液。因此饼层过滤的特点是过滤过程阻力随滤饼增厚而增大。（2）深层过滤 悬浮液中的固体颗粒不在介质的一侧形成滤饼层，而是沉积于较厚的粒状介质内部的过滤操作。见图深层过滤（华化图4-8）特点是过滤过程中阻力不变。 2）过滤介质过滤操作中，用于截留悬浮液固体颗粒，而使得液体能顺利通过的多孔状物质称为过滤介质。对过滤介质的要求是：有足够的机械强度、流体阻力小、具有相应的耐热性和耐腐蚀性。,3.1 过滤
4、,工业上常用的过滤介质有如下几种： （1）织物介质（2）堆积介质（3）多孔性固体介质 3）滤饼的压缩性和助滤剂 （1）滤饼的压缩性当操作压强差变大时，滤饼内的空隙结构、颗粒形状不变，单位厚度滤饼层的流体阻力恒定，这种滤饼称为不可压缩滤饼。当操作压强差变大时，滤饼内的空隙结构、颗粒形状有着不同程度的变化，流动通道缩小，滤饼层的流体阻力急骤增大，这种滤饼称为可压缩滤饼。（2）助滤剂为了减少可压缩滤饼的流动阻力，通常用某种质地坚硬的粒,3.1 过滤,状物质掺入悬浮液（掺滤）或预涂（预敷）在过滤介质上，使过滤形成的滤饼较为疏松且为不可压缩，这种粒状物质称为助滤剂。对助滤剂的基本要求是：刚性，能承受一定
5、的压力不变形；多孔性，能形成高空隙率的滤饼；化学稳定性好。常见的助滤剂有：硅藻土、膨胀珍珠岩、纤维素等。 3.1.2 滤液通过滤饼层的流动滤液在滤饼层内网络状通道中的流动情况极为复杂，但液体在其中的流速很低，常属层流流动。为了研究方便，可认为滤液是通过一组当量直径为 de，长度为 l 的直管内作层流流动。这样滤液通过滤饼层时流速与压强降之间的关系，可用哈根泊稷叶公式来表示,3.1 过滤,3.1.3 过滤基本方程式 1）过滤速率和过滤速度,式中 u1 滤液在床层孔道中的真实流速， m s-1；de 通道的当量直径， m；l 通道长度，m；pc 滤液通过滤饼层的压降，Pa； 滤液粘度， Pa s。
6、对一定的悬浮液， de为一个常数；而通道长度与滤饼厚度L成正比。上式可写为如下比例关系：,3.1 过滤,A1应与过滤面积A成正比，所以,又因为,所以过滤速率与滤液通过滤饼的压强降之间关系可写为,单位时间内获得的滤液体积称为过滤速率（dV/d），单位为m3s-1。单位时间通过单位过滤面积的滤液体积称为过滤速度dV/（Ad ），单位为ms-1。设滤饼任意截面上全部孔道截面积为A1 ，则有,3.1 过滤,令R=rL，上式可写为,式中 1/r比例系数；r单位厚度滤饼的阻力，简称比阻，单位为1m-2； 过滤时间，s；V滤液体积量， m-3；A过滤面积， m2。由上式得知：过滤速度的大小与其推动力成正比，
7、与其阻力成反比；过滤阻力大小取决于滤液性质和滤饼层的性质。,3.1 过滤,式中 r0单位压差下的比阻， 1m-2；p滤饼的压强差，Pa；s滤饼压缩性指数， s =01。滤饼的压缩性越大， s值越大。 2）过滤基本方程实际过滤操作中，滤液是串联通过滤饼层和过滤介质，过滤阻力为两者阻力之和，滤液通过过滤介质的速度与压降之间的关系亦可写,比阻的数值大小反映了滤液通过滤饼层的难易程度。物理意义为：粘度为1Pas的滤液以1 1m-1的流速通过1m厚滤饼层时所产生的阻力。 对不可压缩滤饼，比阻r为常数 。对可压缩滤饼，其数值随操作压差的增大而增加，可用下式表示其关系：,3.1 过滤,式中 pm过滤介质两侧
8、的压差，Pa；Rm过滤介质的阻力，1m-1。当滤液通过滤饼层和过滤介质的面积相同，速度相等时，根据加和定律，可写为,式中p为滤饼层与过滤介质两侧的压降，（R+Rm）称为过滤的总推动力；则为过滤过程的总阻力。设滤液通过过滤介质的阻力相当于通过厚度为Le的滤饼层所产生的阻力，则Le称为该过滤介质的当量厚度，则Rm=rLe，其过滤速度,为如下的表达式,3.1 过滤,设每获得单位体积滤液所形成的滤饼体积为 v m3，则有vV =LA或 L= vV /A,同理有Le=vVe /A式中Ve称为过滤介质的当量滤液体积或虚拟滤液体积，单位为m3。因此，过滤速度可写为以下形式,可写为,3.1 过滤,令,则过滤基
9、本方程式为,过滤基本方程式适用于可压缩滤饼和不可压缩滤饼。 3.1.4 过滤时间与滤液量之间的关系过滤操作有两种典型的方式：一种是在恒压差、变速率的条件下进行，称为恒压过滤；一种是在恒速率、变压差条件下进行，称为恒速过滤。,过滤速率为,3.1 过滤,恒速过滤方程为,令 q=V/A ， qe=Ve/A。 q和qe分别表示单位过滤面积上所获得的滤液体积和当量滤液体积。恒速过滤方程为,1）恒速过滤恒速过滤时过滤速率保持恒定，过滤推动力不断增大。即,3.1 过滤,设获得虚拟滤液体积为Ve 时所需的时间为e，获得实际滤液体V 时所需的实际时间为 ，则有,积分后分别得,2）恒压过滤在恒压差条件下，K为一常
10、数，将过滤基本方程分离变量，写为积分式。,3.1 过滤,两式相加得,又可写为,3.1 过滤,恒压过滤方程式中的K、 e和qe均称为过滤常数，单位分别为m2s-1，s 和 m3m-2 。其数值由实验确定。,3）先恒速后恒压过滤设恒速过滤时间为R ，所得滤液量为VR 。对过滤基本方程积分可得,当过滤介质可忽略不计时， qe =0，e=0。恒压过滤方程可写为,3.1 过滤,式中qR=VR /A， q=V /A。例3-1 在9.81103Pa的恒压差下过滤某悬浮液。所得的滤饼为不可压缩，其单位压差比阻为1.333 1010 1m-2，每获得1m3滤液可获得0.333m3 滤饼层，已知滤液水的粘度为1.
11、0 10-3Pas，过滤介质阻力可以忽略不计，试求：（1）每平方米过滤面积上获得1.5m3 滤液所需的过滤时间；（2）若将此过滤时间延长一倍，可再得滤液多少？解： （1）过滤时间 过滤介质阻力可以忽略时恒压过滤方程式为q2=K 单位面积上所获得滤液量 q =1.5 m3 m-2，由下式确定过滤常数K,3.1 过滤,m2s-1,所需过滤时间为,s,（2）过滤时间加倍时所增加的滤液量,s,m3 m-2,m3 m-2,对于不可压缩的滤饼，压缩性系数s=0，比阻 r 0= 1.333 1010 1m-2=常数，由题意可知v = 0.333m3 m-3 ，压差为9.81103Pa。,3.1 过滤, =1
12、0min时, =20min时,联立以上两式，可得qe=2 m3 m-2 ，K=9.6 m2min-1，写出该过滤过程的过滤方程为,例3-2 在恒压下对某悬浮液进行过滤，过滤面积为0.5m2，过滤10min，得滤液4L，再过滤10min，得滤液2L，若要再得到2L滤液，又需要多少时间？解：当过滤时间为10min时，q=4/0.5=8 m3 m-2当过滤时间为20min时，q=6/0.5=12 m3 m-2 由恒压过滤方程 q2+2qeq=K 得,3.1 过滤,min,所需时间为 33.3-20=13.3 min,3.1.5 过滤常数的测定 1）过滤常数K、 e 和qe 的测定恒压条件下，过滤方程
13、可写为以下形式,此式说明在恒压条件下，/q与q之间为直线关系，直线斜率为,若要再得到2L滤液， q=8/0.5=16 m3 m-2,3.1 过滤,2）单位压差下的比阻 r0 和压缩性系数 s 的测定 必须注意，过滤常数K与操作压差有关，只有在实验条件与工业生产条件相同时才能直接使用。如能利用实验找出比阻与压差之间的关系，实验数据将具有更广泛的应用价值。,因为,所以,（a）,1/K，截距为2qe/K。做实验测得不同过滤时间内与单位过滤面积上所获得的滤液量q ，以/q为纵坐标， q为横坐标作图，如图/q q的关系（华化4-21）。可得出K和qe。再代入下 式中，即可得到e 。,3.1 过滤,对上式
14、两边取对数，可得log r = s logp + log r0 （b）首先测得几个不同压差p下的K值，然后用（a）式计算出不同p下的 r 值，再以logp为横坐标， log r为纵坐标作图可得一直线，如图log r logp的关系（华化4-22） 。由（b）式可知，该直线的斜率为 s ，截距为log r0 ，由此得r0与s 值。 3.1.6 滤饼的洗涤为了回收滤饼中残留的滤液以获得洁净的固体产品。通常在过滤结束后用某种液体对滤饼进行洗涤。单位时间内消耗的洗涤液体积称为洗涤速率，以（dV/d）W 表示，若每次过滤后洗涤液用量为VW ，则洗涤时间 W 为,又有,3.1 过滤,洗涤液在滤饼中的流动与
15、滤液在滤饼中的流动极为相似，故洗涤速率方程可仿过滤基本方程写为,由于洗涤过程中滤饼的不再增厚，洗涤速率为一常数。若洗涤时压差与过滤最终压差相同，洗涤液粘度与滤液粘度相近，则洗涤速率与过滤最终速率（dV/d ）E 存在着一定的关系，具体关系过滤设备类型及其洗涤方式。 3.1.7 过滤设备与操作 1）压滤和吸滤式设备,3.1 过滤,若介质阻力忽略不计，则有,（1）叶滤机叶滤机是一个间歇操作的过滤设备，主要部件是圆形或矩形的滤叶。见叶滤机及滤叶的示意图（ 图3-3）。叶滤机的洗涤液与滤液的流动途径完全相同，洗涤面积等于过滤面积，若洗涤压差pW等于过滤最终压差 pE，洗涤液粘度W等于滤液粘度 ，则有,
16、3.1 过滤,叶滤机采用密闭操作，过滤面积大，速度快，洗涤效果好，劳动条件优越。由于采用密闭加压操作，设备结构复杂，造价较高，尽管所用的滤布不用频繁装卸，但破损时更换较为麻烦。（2）板框压滤机板框压滤机也是一个间歇操作的过滤设备，由滤板和滤框交替排列组装于机架上而构成，组装情况见板框压滤机（图3-4） 。板和框一般制成正方形，结构见滤板与滤框（图3-5） 。板框压滤机的操作见板框压滤机（素材库）。板框压滤机的滤液和洗涤液的流动情况见板框压滤机操作简图（华化图4-13） 。,3.1 过滤,板框压滤机在过滤终了时，洗液通过滤饼层的厚度为滤液通过滤饼层最终厚度的两倍，洗涤面积则为过滤面积的一半，即（
17、L+Le）W = 2 （L+Le）EAW=A/2 若若洗涤压差pW等于过滤最终压差 pE，洗涤液粘度W等于滤液粘度 ，则有,3.1 过滤,板框压滤机操作压强较高（3at10at），适用范围广，常用于固体颗粒含量高、颗粒较细或滤液粘度较大的悬浮液的分离。设备结构紧凑，过滤面积较大。但由于装卸、清洗多为手工操作，生产效率低，劳动强度大，滤布损耗大。（3）回转真空过滤机回转真空过滤机是一连续式的过滤设备，装置见回转真空过滤机简图（图3-7） 。回转真空过滤机的主体部分为转鼓，转鼓表面覆盖一层金属网，网上覆以滤布。转鼓内沿径向分成若干扇形小室，小室内压强高低由分配头控制，分配头由转动盘和固定盘构成，见
18、分配头（图3-8） 。转鼓在旋转过程中，处于过滤和洗涤脱水区的扇形小室内的压强，利用分配头控制与真空滤液槽相通，压强为负压，在真空情况下抽吸滤液和洗液，以分离悬浮液中固体颗粒和洗涤滤饼；处于卸渣区的扇形小室内的压强为正压，以吹松滤饼层，,3.1 过滤,利于卸渣。其运转情况见回转真空过滤机（素材库） 。回转真空过滤机操作连续、自动、节省人力，生产能力大，但过滤面积不大，真空吸滤压差较低，滤饼含液量较高，且洗涤不充分。又因真空操作，物料温度不宜太高。该设备多使用于对过滤压差要求不高、处理量很大的悬浮液。（4）过滤机的生产能力 间歇式过滤机的生产能力 间歇式过滤机的一个操作周期包括三个部分：即过滤时
19、间 ；洗涤时间W以及卸渣、清洗滤布和组装时间 D ，每一个操作周期时间为T= + W + D 间歇式过滤机的生产能力指的是在单位时间内获得的滤液体积，用符号Q表示。即,3.1 过滤,若过滤介质阻力可忽略，则,回转真空过滤机的生产能力主要与转鼓的面积、转速、浸没度以及操作压强有关。 2）离心过滤设备离心式过滤设备主要部件是转鼓，转鼓上开有许多小孔，鼓内壁覆以滤布，悬浮液加入鼓内并随之旋转，以旋转液体产生的径向压差为过滤推动力，液体受离心力的作用被甩出而颗粒被截留在鼓, 连续过滤机的生产能力 对回转真空过滤机，若转鼓转速为n，单位为1s-1；转鼓的浸没度为，则生产能力为,3.1 过滤,内。离心过滤可分为间歇和连操作。 （1）三足式离心机三足式离心机是一种常用立式人工卸料间歇式离心机，其结构见三足式离心机（图3-9） 。 （2）刮刀卸料式离心机刮刀卸料式离心机的结构和运转见刮刀卸料式离心机（素材库） 。 （3）活塞往复式卸料离心机活塞往复式卸料离心机的结构和运转见活塞推料式离心机（素材库） 。 其他类型离心机见立式进动卸料离心机和卧式进动卸料离心机（素材库） 。,
