化工原理 第三章 机械分离与固体流态化

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1、第三章机械分离与固体流态化3.1过滤3.2沉降3.3固体流态化3.1过滤3.1.1概述3.1.2过滤基本方程3.1.3过滤常数的测定3.1.4滤饼洗涤3.1.5过滤设备及过滤计算3.1.1概述滤饼过滤其基本原理是在外力（重力、压力、离心力）作用下，使悬浮液中的液体通过多孔性介质，而固体颗粒被截留，从而使液、固两相得以分离，如图3-1所示。3.1.1概述1．过滤介质过滤过程所用的多孔性介质称为过滤介质，过滤介质应具有下列特性：多孔性、孔径大小适宜、耐腐蚀、耐热并具有足够的机械强度。工业用过滤介质主要有织物介质（如棉、麻、丝、毛、合成纤维、金属丝

2、等编织成的滤布）、多孔性固体介质（如素瓷板或管、烧结金属等）。固体颗粒被过滤介质截留后，逐渐累积成饼（称为滤饼），如前图3-2所示。3.1.1概述2．过滤推动力在过滤过程中，滤液通过过滤介质和滤饼层流动时需克服流动阻力，因此，过滤过程必须施加外力。外力可以是重力、压力差，也可以是离心力，其中以压力差和离心力为推动力的过滤过程在工业生产中应用较为广泛。3.1.1概述3．滤饼的压缩性和助滤剂（1）压缩性若形成的滤饼刚性不足，则其内部空隙结构将随着滤饼的增厚或压差的增大而变形，空隙率减小，称这种滤饼为可压缩滤饼，反之，若滤饼内部空隙结构不变形，则称

3、为不可压缩滤饼。3.1.1概述3．滤饼的压缩性和助滤剂（2）助滤剂若滤浆中所含固体颗粒很小，或者所形成的滤饼孔道很小，又若滤饼可压缩，随着过滤进行，滤饼受压变形，都使过滤阻力很大而导致过滤困难。可采用助滤剂以改善滤饼的结构，增强其刚性。助滤剂通常是一些不可压缩的粉状或纤维状固体，能形成结构疏松的固体层。常用的助滤剂有：硅藻土、纤维粉末、活性炭、石棉等。3.1.2过滤基本方程将孔道视为长度均为le的一组平行细管，流体在细管中的平均流速u1，同时考虑到滤饼较薄，广义压力降可近似用压力降代替，则：式中u1流体的真实流速，m/s；p1通过滤饼的

4、压力降，N/m2；滤液的粘度，Ns/m2；de滤饼层孔道的当量直径，m；le孔道的平均长度，m。（3－1）3.1.2过滤基本方程在单位时间内通过单位过滤面积的滤液量为瞬时过滤速度u：式中q单位过滤面积所得的滤液量，q=V/A，m3/m2；A过滤面积，m2。V——滤液量令表示滤饼层空隙率（=空隙体积/滤饼层体积），则：取le=CL，式3-1中的de采用水力当量直径，则：3.1.2过滤基本方程令颗粒比表面积a=颗粒表面积/颗粒体积，则：将上述几式式代入式3-1，整理得：r称为滤饼的比阻，与滤饼的结构有关。可压缩滤饼的s大约为0.

5、20.8。不可压缩滤饼s=0。于是式3-2可写成：（3－2）式中p1为过滤推动力，rL可视为滤饼阻力。（3－3）3.1.2过滤基本方程将介质阻力折合成厚度为Le的滤饼阻力，式3-3成为：滤饼层厚度L为（3－4）令代入（3-4)中得或式中——过滤基本方程（3－5）（3－4a）3.1.2过滤基本方程1．恒压过滤若过滤过程中保持过滤推动力（压差）不变，则称为恒压过滤。对于指定滤浆的恒压过滤，K为常数，积分式3-5得：或若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为：3.1.2过滤基本方程2．恒速过滤若过滤时保持过滤速度不变，则过滤过程为恒速过滤。

6、代入式3-5中得：若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为：对恒速过滤，有或3.1.3过滤常数的测定过滤计算要有过滤常数K、qe或Ve作依据。由不同物料形成的悬浮液，其过滤常数差别很大。即使是同一种物料，由于操作条件不同、浓度不同，其过滤常数亦不尽相同。过滤常数一般要由实验来测定。将恒压过滤积分方程改写成：此式表明，/q与q之间具有线性关系，实验中记录不同过滤时间内的单位面积滤液量q，将/q对q作图，得一直线，直线的斜率为1/K，截距为2qe/K，由此可求出K、qe。用上述方法可以测出不同压差条件下的K值，再根据K与p关系式3-4a

7、，有可见logK与logp成直线关系，由直线的斜率可求出压缩指数s。3.1.3过滤常数的测定例3-1过滤常数测定CaCO3粉末与水的悬浮液在恒定压差1.17105Pa及25℃下进行过滤，试验结果列于表3-1，过滤面积为400cm2，求此压差下的过滤常数K和qe。表3-1恒压过滤试验中的V数据过滤时间s6.819.034.553.476.0102.0滤液体积Vl0.51.01.52.02.53.03.1.4滤饼洗涤1．洗涤速度若洗涤压力与过滤终了时的操作压力相同式中、w分别为滤液、洗涤液的粘度，L、Lw分别为过滤终了时滤饼厚度、洗

8、涤时穿过的滤饼厚度。由过滤基本方程可知：式中V是过滤终了时的滤液量洗涤速度：3.1.4滤饼洗涤2．洗涤时间w设洗涤液用量为Vw，则洗涤时间：3.1.5过滤设备及过