过滤设备的详细介绍3(1)

离心过滤是以离心力为推动力来分离悬浮液中固、液两相的过滤操作。固相颗粒在离心力场中为过滤介质所截留,并不断堆积在过滤介质上形成多孔性滤饼,液体在离心力的作用下通过所形成的滤饼及过滤介质而实现固、液分离。

离心过滤均以滤饼过滤方式进行分离操作,形成的滤饼有固定层状态(如三足式离心机)和移动层状态(如活塞推料离心机、螺旋卸料离心机)两种类型。

离心过滤过程一般分为过滤阶段和洗涤、脱水阶段。

(1) 离心力场中滤饼固有渗透率的测定滤饼渗透率与滤饼孔隙率的三次方成比例,因此孔隙率稍有改变,就会使渗透率明显地变化。由于处于离心力场中的滤饼受到由离心力产生的相当大的压紧力,因此在真空实验条件下所测定的滤饼渗透率不能应用于离心过滤,必须在离心力场中测定滤饼的渗透率。

通常采用的在离心力场中测定滤饼渗透率的方法为蔡特施(K.Zeitsch)法,其实验装置的滤杯如图8-111所示。滤杯由透明材料制成,杯身刻有刻度,杯底有一多孔板, 上置金属丝网和滤布,滤杯置于实验用离心机内进行测定。

图8-111 测定固有渗透率用的滤杯装置

测定实验分两步进行: ①将要过滤的悬浮液加入滤杯中,并使其在工业操作所要求的离心力下旋转,以得到与工业分离条件相同的压缩滤饼。悬浮液的加入量应适当,务使滤饼厚度超过20mm。②再将用真空过滤或其他方法所得的澄清滤液加满滤杯,并在与上述试验条件相同的离心力下旋转,同时用闪频观测仪观测液体表面,测量该液面从滤杯顶端刻度移至滤饼表面所需的时间,并根据下式来计算固有渗透率:

(8-152)

式中k--固有渗透率

H0＝r B-R--测量开始时滤布上方的液面高度

δc＝r B-r s--滤饼厚度

R--滤液表面半径

r s--滤饼表面半径

r B--过滤介质半径

Z--分离因素

ρ--液体密度

τ--H0-H i液位的澄清滤液通过滤饼层所需时间

由固有渗透率k即可求出滤饼比阻a

(8-153)

式中K--滤饼的渗透率,在滤饼压缩性小时可视为常数,等于整个滤饼层的平均值

K=μk (8-154)

μ--液体黏度

ρs--固体密度

ε--滤饼层孔隙率

图8-112 过滤离心机转鼓内加料后物料分布情况

在离心过滤过程所形成的滤饼中,颗粒的分布呈径向分级的现象,大颗粒富集于过滤介质一侧,而小颗粒则富集于滤饼表层一侧。用离心过滤方式进行渗透试验表明,滤饼的比阻随时间的增加而升高。

同样的物料,在离心机中的滤饼比阻要比一般压力过滤的比阻大,而且滤饼厚度有变化。为了正确选择离心机,就必须通过试验进行测定并放大。

离心机过滤操作的滤饼,比阻极限值为3×1010m/ kg,只有比阻小于此值的物料才宜采用离心过滤操作。

(2) 离心过滤速率和过滤时间过滤离心机转鼓内的物料分布如图8-112所示,离心过滤过程一般分为过滤阶段和脱水阶段。在过滤阶段,液面从R0降至滤饼表面层R s处;在脱水阶段,液面进一步降至过滤介质附近(R)。

由于离心过滤的推动力是离心力,所以滤饼内的推动力和流道面积随着回转半径的增加而加大。离心力不

仅在滤饼表面产生静水压力,而且在滤液流过滤饼时增加了静水力压力的压头。在一般过滤式离心机中,滤饼在转鼓壁过滤介质处逐步形成。随着滤饼厚度的增加,过滤面积缩小,液体表观流速变化,因而流动滤液的动能也在变化。所以离心过滤速率必然与滤饼特性、离心力场的作用和转鼓结构等因素有关。

①离心过滤速率: 由流体通过颗粒层的达西定律推导出离心过滤速率的计算式如下:

(8-155)

式中φ--过滤速率

k--滤饼固有渗透率

L--转鼓高度

ρ--液体密度

ω--转鼓角速率

R--过滤介质半径

R0--滤液表面半径

R s--滤饼表面半径

上述公式是在滤饼阻力比较高的情况下忽略介质阻力时常用,而在滤饼阻力较低时会产生一定程度的误差。

②离心过滤时间: 是指液体沿径向成环状透过环状滤饼时,液层从R0处降至R s处所需时间,过滤时间的计算式如下:

(8-156)

(3)离心脱水离心脱水是在离心力场中除去湿润颗粒层(滤饼层)中含有的液体。除去的液体主要是颗粒间隙内因表面张力而含有的颗粒外液。离心脱水的实质是气相渗入颗粒层后的液相流动,或者是气液两相在颗粒层内的双相流动。离心脱水的目的是尽量降低离心过滤或洗涤后的滤饼层中最终含液量,以提高收得率并减少后道干燥过程的水分蒸发负荷。

①湿润颗粒层内含液率分布: 在脱水过程中,湿润颗粒层内残留液的状态如图8-113 所示。颗粒层内的液体有两类:(a)存在于颗粒内部的粒子内液;(b)存在于颗粒表面上及颗粒间隙中的粒子外液。粒子内液是存在于颗粒内部空隙中的充填状态的液体和化学或胶体化学结合状态的液体。若颗粒为可压缩性的,则由于离心力使颗粒相互挤压变形而压榨挤出一部分粒子内液;若颗粒为不可压缩性的,则其粒子内液不可能离心脱水。粒子外液是:a附着于颗粒表面及滞留于颗粒表面凹洼中的附着液; b存在于颗粒之间接触点周围的夹持液; c颗粒层底部由于毛细管作用而含有的毛细管上升液。

图8-113 粒子层含液率分布

由图8-113可知,颗粒层沿重力场作用方向的含液分布由低含液量区、过渡区和饱和区所组成。整个颗粒层的颗粒之间间隙构成了形状复杂的毛细通道。存在的液体为颗粒表面的附着液及颗粒之间接触点的夹持液的上层,称之为低含液量区;含液率随高度上升而减少的中层,称之为过渡区;颗粒间隙充满了毛细管上升液的底层,称之为饱和区。

饱和区的高度小,但由于毛细管作用而含液率高,离心脱水的主要目的是除去在重力场下残留的毛细管作用上升液,使饱和区的高度为零。

②饱和度: 离心脱水的分离对象是颗粒外部的液体,即存在于颗粒层空隙中的液体,一般用饱和度来表示颗粒层内的含液率。

饱和度S是存在于颗粒层内的液体体积与整个颗粒层空隙体积之比。

饱和度S与滤饼的湿基及干基含液率W1、W2的关系式为:

(8-157)

(8-157a)

式中ε--空隙率

ρ--液体密度

ρs--颗粒密度

整个颗粒层平均饱和度∞,可根据图8-113的含液率(饱和度)分布而由下式求出:

(8-158)