1、7.1 固液分离过程的特点,第七章 固液分离设备的放大规律及方法,3）促进固体颗粒与液体产生相对运动的推动力，主要有重力、离心力、磁场力、外界压力差等；主要阻力为液体的粘滞力（黏度）和湍流阻力等。,1）固液分离作业属于物理过程，不涉及化学反应。 在分离体系中主要有三种类型（沉降、过滤、流态化），见P359。 可以看出，液体和固体至少要有一相是运动的，才能完成整个固液分离作业，其主要原因是为了造成固体和液体之间的相对运动。,2）在固液分离作业中，一般液体是连续相，固体是分散相；但在过滤的吹干作业中，认为固体为连续相，液体为分散相。,第七章 固液分离设备的放大规律及方法,7.2 固液分离的热力学分
2、析 在热力学中，熵是表示系统内分子排列无序化程度的参数，排列越有序，系统的熵就越低。 根据热力学原理可以推出单位体积悬浮液的比熵ssL为： ssL= (7-5) 其中 为进料中固体颗粒的体积浓度，m3m-3；,第七章 固液分离设备的放大规律及方法,7.2.1 熵指数,按照理想状态，固液分离过程是应该得到纯净的固体和液体，而体系的熵由初始值（此时固体颗粒的体积浓度为 ）降为0（此时底流中固体颗粒的体积浓度为 ，而溢流中固体颗粒的体积浓度 ）。,但是实际操作中，不可能获得纯净的固体和液体。为了衡量分离的效果，可以定义初始系统的熵为100%，则分离后系统的熵降低的程度可以看作系统的分离效率。,第七章
3、 固液分离设备的放大规律及方法,7.2.1 熵指数此时，分离效率就定义为熵指数Es，数学表达式为： Es=SF-(Su+So)/SF (7-6) 其中S为流体的总熵，如果采用单位体积悬浮液的比熵ssL，则式（7-6）为：Es=QFsF-Qusu-(QF-Qu)so/QFsF或 （7-7）,第七章 固液分离设备的放大规律及方法,7.2.2 固液分离判据 对于一个非流动系统在恒温恒容条件下，有（7-8） 如果是一个自发的过程，则A为负，同时U、S也为负，应有-TS1时，分离过程可自发进行； 当K1时，分离过程不可能进行。 根据一些理想假设，可以得出系统的熵变为： S=-kNln（Vo/Vu） （7
4、-11） 其中k为波耳兹曼常数，1.3810-23J/K；N为系统内固体颗粒的数目；Vo上清液体积；Vu为底流体积。,第七章 固液分离设备的放大规律及方法,7.2.2 固液分离判据 对于单粒度，互无作用力的颗粒，其内能的变化即为系统内位能的变化，在沉降过程中，位能变化为： U=-NVp（H/2-h/2） （7-12） 其中，Vp为单个颗粒的体积，即 ； 为固液密度差，即 ；H和h为分离前后的高度。 综合（7-10）（7-12）可有：（7-13） 分离的判据在很大程度上依赖于沉降高度H和颗粒直径d的大小。例7-1。,第七章 固液分离设备的放大规律及方法,7.3 建立一个高效的实验室 在实际的固液
5、分离生产之前，工艺流程及技术参数的确定必须依靠实验室的可靠数据来作为基础。 一般一个高效的实验室应该能够完成以下性能测试： （1）颗粒的基础物理性质，包括密度、粒度、粒度分布及形状系数；比重瓶测定密度，筛分实验。 （2）不同浓度、不同温度下颗粒在液体中的沉降性能及液体黏度随温度的变化；沉降实验。 （3）过滤性能实验，包括过滤、抽干、淋洗等；过滤实验。 （4）过滤介质如滤布，助滤剂如硅藻土、膨润土的性能等。 （5）絮凝剂的筛选及使用前的配制。,第七章 固液分离设备的放大规律及方法,7.3 建立一个高效的实验室实验室必须具备的仪器和设备： （1）沉降试验用的：带刻度量筒、短管和长管； （2）过滤试
6、验用的布氏漏斗和抽滤瓶； （3）多型号的滤布和滤纸； （4）实验室用的真空泵、空压机、离心机。,第七章 固液分离设备的放大规律及方法,7.3 建立一个高效的实验室辅助设施： （1）絮凝剂、凝聚剂及调配设备； （2）助滤剂如硅藻土、膨润土等； （3）普通的光学显微镜，各种天平； （4）黏度计、比重计和比重瓶； （5）标准套筛。,第七章 固液分离设备的放大规律及方法,7.7固液分离中的工艺放大与风险 在现代的工业生产中，一种产品往往需要复杂的流程才能被制造出来。为了最终达到所需要的产品质量与产量，每一个生产单元必须选择适当的设备，并对设备在实际运转中的数据提前进行预计，这就是工艺放大。固液分离作为
7、影响重要（投资、产量、质量、能耗、物耗、环保与安全）的一个工艺环节尤其更需要工艺放大。,固液分离的工艺放大必须包含以下四部分，并按先后顺序逐一进行。 * 工艺分析与实验室分析 * 现场工业试验 * 数据放大（scale-up） * 经验数据对比，最终性能保证的确认 工艺放大的这四步可以保证对生产要求的充分理解，从而得到良好的工艺放大结果，并把风险降到最低。,第七章 固液分离设备的放大规律及方法,7.7.1工艺分析与实验室分析 在工艺放大的这一阶段首先需要明确这一环节的生产任务，例如：离心分离、干燥、混合、洗涤、萃取、反应等。 其次，对于固液分离来说是确定适当的分离手段连续或间歇操作、单一功能或
8、多功能工厂、大批量或是小批量精细生产，同时应进行尽可能详细的物料分析。,通过与最终用户讨论并确定了生产任务与分离手段后，有关物料本身的测试就十分必要了。,以离心分离工艺为例,第七章 固液分离设备的放大规律及方法,7.7.1工艺分析与实验室分析,通常物料测试包括两部分，首先是不需要受现场条件制约在实验室即可独立进行的粒度分布、粘度测量、密度测量等物化性质试验。 接下来可以利用实验室规模的固液分离设备或干燥设备测试物料的脱水能力、干燥特点等参数。这样可以对构成过滤阻力或降低干燥速度的因素有更全面的理解。 通常这些因素包含有毛细作用、表面张力、物料电阻、极性作用和范德华力。,以离心分离工艺为例,第七
9、章 固液分离设备的放大规律及方法,7.7.1工艺分析与实验室分析,以离心分离工艺为例,图 1 试验用杯式离心机的定性试验,如图1 所示，物料在离心分离的过程中会受到不同的作用力。 利用图1所示的杯式离心机进行定性试验，可以得到工艺放大时所需要的转速、脱水/干燥时间、温度、滤网选择和洗涤比等参数。,第七章 固液分离设备的放大规律及方法,7.7.2现场工业试验 通过工艺分析与实验室分析确定了适当的设备形式后，就需要通过现场工业试验来确定如何才能达到最终所需要的产品质量。,以离心分离工艺为例,图2 推料离心机试验单元的组成,现场工业试验通常是用工业试验机来进行的。在某些情况下也直接用真正的工业生产设
10、备进行试验，这样所得到试验数据更接近真实情况。图2 介绍了推料式离心机进行工业试验时的必要配制。在试验过程中连续准确的测量是成功工业放大的关键所在。,第七章 固液分离设备的放大规律及方法,7.7.3数据放大 对现场工业试验中所得的数据进行有效处理是工艺放大的关键。整个固液分离过程被区分为若干个步骤，对应每一个步骤的试验数据的处理方法不尽相同。每一个单一步骤的放大结果都会影响到整个固液分离工序的最终处理能力与质量。,以离心分离工艺为例,图3刮刀离心机的工艺放大过程,图3 所示的是刮刀离心机的工艺放大过程中每一个单一步骤的放大过程（进料、洗涤、甩干）。 工艺放大是通过长期以来经过验证的数学模型来进
11、行的。这一模型是长期与用户交流生产经验和试验数据并总结出来的核心技术。,第七章 固液分离设备的放大规律及方法,7.7.4最终性能确认 为了确保工艺放大数据的准确性，所有放大结果在交付用户之前都要经过检验。 也就是说由另外的工作人员独立进行计算，并进行结果对比。 最后工艺放大的结果还要与相似的物料进行比对。,所有这四步工艺放大的过程都是为了将试验误差与风险最小化。但是正如实验一定会有误差一样，工艺放大也有其特定的风险。,第七章 固液分离设备的放大规律及方法,7.7.5工艺放大的风险,试验数据的采集范围不足有可能造成工艺放大的不准确。特别是对于新开发的产品或生产工艺来说，往往没有实际运行的工业化生
12、产，只有实验室内的小规模试验。在这种情况下，实验室内形成的物料的性质与将来实际工业化生产的物料性质可能会有较大的偏差，这就要求针对新工艺的工艺放大必须考虑适当的弹性余量。,第七章 固液分离设备的放大规律及方法,7.7.5工艺放大的风险,另外，工艺放大结果可能由于物料的性质超出了数学模型的计算范围而造成偏差。例如当物料的黏度大于3MPas时，毛细作用对固液分离造成的影响就超出了数学模型计算的范围。对于这种情况还需要更进一步的研究，目前还只能通过使用更接近真实设备尺寸的试验设备或加大试验数据的采集范围以减少误差。,课程复习,第一章 主要内容为固液分离的一些基本概念及手段。包括1.固液分离定义；2.
13、固液分离的目的；3.固液分离方法分类；4.固液分离所包含的两类因素或参数；5.固液分离的辅助手段（ 分离助剂、磁性分离、电场分离、动态过滤、浮选、凝聚与絮凝技术）例：判断题 实现固液分离的基本要点是固液两相同时运动,；实现固液分离的基本要点是使固液两相间产生相对运动,课程复习,第二章 主要内容为固体颗粒的物理性质及分布特性；颗粒粒度分布的表达方式；颗粒粒度(组成)对于固液分离过程的影响。 例：简答题 颗粒粒度分布的三种表示方法。,粒群中各种粒度颗粒的分布情况就构成了粒度分布。一般有三种表示方法。 1.特征量法；如平均粒度、-200目含量百分数等，该方法简单、直观、方便，但不能反映实际分布情况。
14、 2.表格法；以列表的方式表示不同粒级的含量，较全面。 3.公式法。用适当的数学公式描述粒群的粒度分布，全面、准确。 实际工作中表格法用的最多，特征量多是从表格中的数据获得，公式法则是从表格数据推导出相应的数学公式以描述物料的粒度分布。,课程复习,第三章 主要内容为液相（水）的性质及固液体系的性质；沉降与过滤的简要介绍；胶体的凝聚与絮凝（原理）；颗粒间的相互作用；胶体表面的双电层模型及其应用。例：选择题 1. 下面几种固体物料中赋存的水份形式，哪种是最难脱除的？ A 自由水 B 毛细水 C 表面水 D 自来水 2. 悬浮体系中颗粒表面带电的机理有三种，下面哪个不是？ A 优先溶解机理 B 优先
15、吸附机理 C 优先合成机理 D 电离作用机理,答案：C；C,课程复习,第四章 主要内容为过滤的基本理论与实践。 过滤设备的分类；真空过滤机的特点及分类；压滤机的特点及分类；滤布及助滤剂的性能；助滤剂的分类及使用。 例：简答题 真空过滤的特点与真空过滤机的工作周期分别是什么？,答：真空过滤是借在过滤介质一侧造成一定程度的负压（真空）而使滤液排出实现固液分离。真空过滤的特点：a.推动力小，一般为0.050.08MPa，某些场合可达0.09 MPa；b.过滤速度较慢；c.滤饼的含水量较高；d.能在相对简单的机械条件下连续操作，工作指标良好。 真空过滤机的工作周期： a成饼阶段b脱水阶段c洗涤阶段d压
16、实阶段e干燥阶段f卸饼阶段。,课程复习,第五章 主要内容为沉降的基本理论与实践；重力浓缩模型；浓密机参数的计算。 例：简答题 科-克来文杰提出了浓密机稳态沉降模型，主要论点是什么？,答：主要论点是： （1）自由沉降区的浓度等于进入浓密机的悬浮液的初始浓度；等速沉降区，即B区：固体浓度等于进料悬浮液中固体的浓度。 （2）在自由沉降区内颗粒呈群体以相同速度沉降，称之为区域沉降，以区别于两相流中的固体颗粒的自由沉降； （3） 区域沉降的特点是区内每一个截面均以同一速度下降，同一层的颗粒应当以同一速度下降，而且各层均相同； （4） 悬浮液在自由沉降区（B区）的沉降速度只是该区浓度的函数，而与颗粒大小、
17、密度无关。,课程复习,第六章 主要内容为固液分离的洗涤效率。 例：计算题 某浓密机底流矿浆采用多级逆流洗涤，进料中溶液量为100m3s-1，溶质质量浓度为1 kgm-3，洗涤效率为96.8%，各级操作条件相同，每级的底流液量为100 m3s-1，洗水量为200 m3s-1，洗水中不含溶质，求（1）洗涤级数；（2）洗涤后底流液和洗液的溶质浓度。,课程复习,解：由公式 n=log（ - ）/（1- ）/log -1 已知yin=1 kgm-3，yw=0，Lin=100 m3s-1，Li=100 m3s-1，Vw=200 m3s-1， =96.8%； 所以 = Vw / Li =2， = Li /
18、Lin =1； 故n=log（ - ）/（1- ）/log -1 =log（2-96.8%）/（1-96.8%）/log-1=1.509/0.301-1 =4； yn=（2-1）/（24+1-1）1=1/31=0.032 kgm-3； y1=（24-1）/（24+1-1）1=15/31=0.484 kgm-3。,课程复习,第七章 主要内容为固液分离的热力学；固液分离中的工艺放大与风险 。 例：计算题 一悬浮体系中，进料固体的体积浓度为3%，温度25，沉降高度1m， =1.5103kg/m3，分离粒径为0.1微米的粒子，请判断分离过程能否自动进行。,课程复习,解： 分离判据 ；已知：g=9.80m/s2， =1.5103kg/m3，T=273+25=298K，H=1.0m，d=10-7m，k=1.3810-23J/K， =0.03；将以上数据代入公式 中，得 K=4477326/17272=2591； 所以分离过程可以自动进行。,
