沉降与过滤

沉降与过滤

第三章沉降与过滤

第一节沉降

教学目标:

了解颗粒和颗粒群的特性及有关参数的计算方法.

理解重力沉降和离心沉降的意义,掌握颗粒在层流和团粒状态下自由沉降速度的计算公式.

掌握重力沉降设备的结构和工作原理.

掌握碟片式离心机,高速管式离心机,旋风分离器,旋液分离器等离心分设被的结构,工作原理及使用方法.

教学重点:

碟片式离心机,高速管式离心机,旋风分离器等离心分设被的结构,工作原理及使用方法.

教学难点:

自由沉降速度的计算公式的应用.

教学内容:

一,颗粒的基本性质

非均相体系的不连续相常常是固体颗粒.由于不同的条件和过程将形成不同性质的固体颗粒,且组成颗粒的成分不同则其理化性质也不同,所以在分离操作过程中就要采用不同的工艺,因而有必要认识颗粒的性质.

1.颗粒的特性

按照颗粒的机械性质可分为刚性颗粒和非刚性颗粒.如泥砂石子,无机物颗粒属于刚性颗粒.刚性颗粒变形系数很小,而细胞则是非刚性颗粒,其形状容易随外部空间条件的改变而改变.常将含有大量细胞的液体归属于非牛顿型流体.因这两类物质力学性质不同,所以在生产实际中应采用不同的分离方法.

如果按颗粒形状划分,则可分为球形颗粒和非球形颗粒.球形颗粒的体积为3——1

其表面积为 3——2

颗粒的表面积与其体积之比叫比表面积,用符号表示,单位.其计算式为:

将非球形颗粒直径折算成球形颗粒的直径,这个直径叫当量直径.在进行有关计算时,将代入相应的球形颗粒计算公式中即可.根据折算方法不同,当量直径的具体数值也不同.常见当量直径有:

体积当量直径de de= 3——3

表面积当量直径des des = 3——4

球形度形状系数φs= 3——5

2.颗粒群的特性

由大小不同的颗粒组成的集合称为颗粒群.在非均相体系中颗粒群包含了一系列直径和质量都不相同的颗粒,呈现出一个连续系列的分布,可以用标准筛进行筛分得到不同等级的颗粒.

1颗粒群的平均粒径

为便于对颗粒群的运动状态进行分析,根据统计学原理,计算颗粒平均粒径的公

式如下:

3——6

2颗粒的密度

由于颗粒之间有空隙,所以颗粒的密度就分为真密度和堆积密度.所谓颗粒的真

密度就是只计算颗粒群的真实体积所得到的密度,单位是.

所谓堆积密度就是由颗粒真实体积与空隙体积之和计算得到的密度,又称为表观密度,单位是kgm3.

通常,我们可以利用密度的大小对颗粒在非均相体系中的运动状态进行分析. 二,重力沉降及设备

颗粒受到重力加速度的影响而沉降的过程叫重力沉降.

1.颗粒沉降过程

如果颗粒在重力沉降过程中不受周围颗粒和器壁的影响,称为自由沉降.而固体

颗粒因相互之间影响而使颗粒不能正常沉降的过程称为干扰沉降.

固体颗粒在静止流体中,受到的作用力有重力,浮力和阻力.如果合力不为零,则

颗粒将做加速运动,表现为固体颗粒开始沉降.当颗粒加速沉降时,所受到的摩擦力和其他流体阻力的作用越来越大,当作用在颗粒上的合力为渐趋为零.所以颗

粒的沉降过程分为加速阶段和匀速沉降阶段.其中加速阶段时间很短,颗粒在短

时间内即达到最大速度.随着合力减小为零,颗粒进入匀速沉降阶段,保持匀速运动直至下沉到容器底部.因此颗粒在匀速沉降阶段的速度就近似地看作整个沉降

过程的速度.其表达式为:

3——7

式中——固体颗粒密度,

——流体的密度,

——沉降系数.

影响颗粒沉降速度的因素是多种多样的 .从式1——1可知,流体的密度越大,沉降速度越小,颗粒的密度越小,沉降速度越小.颗粒形状也是影响沉降的一个中要的因素.对于同一性质的固体颗粒,由于非球形颗粒的沉降阻力比球形颗粒的大

得多,因此其沉降速度较球形颗粒的要小一些.

当容器较小时,容器的壁面和底面均能增加颗粒沉降时的曳力,使颗粒的实际沉

降速度较自由沉降速度低.

当颗粒的体积浓度0.2% 时,颗粒之间的相互干扰也是降低沉降速度的重要因素. 如果颗粒是在流动的流体中沉降,则颗粒的沉降速度需要根据流体的流动状态来

确定,可以参阅有关资料进行计算.

2.沉降室结构简介

工业上进行重力沉降的设备主要有沉降室和沉降槽.这里只对沉降室作简单介绍. 如图3—2所示为工业用沉降气体悬浮颗粒的设备.其结构非常简单.含尘气体以一定流速进入沉降室后,因气流通道横截面积扩大而流速减小,气体中的悬浮颗

粒受重力作用而沉降下来,达到与气体分离的目的.沉降室的长度L与高度H的比例要恰当,要保证气体在沉降室流动的时间内,颗粒能够沉降到沉降室的底部.

大型沉降室常用来进行废气处理.为了提高沉降室生产能力,可在沉降室内安装

多层搁盘,使颗粒沉降在搁盘上.这样有效地利用了空间,提高了沉降生产力. 三, 离心沉降

1.离心沉降速度

当颗粒处于离心场时,将受到四个力的作用,即重力,惯性离心力,向心力和阻力,

如图3—3所示.与其他三种力相比,微小颗粒所受的重力太小,可不予考虑.根据牛顿运动定律,当颗粒所受的惯性离心力,向心力和阻力平衡时,颗粒在径向上将保持匀速运动而沉降到器壁.在匀速沉降阶段的径向速度就是颗粒在此位置上的离心沉降速度.其计算式为:

3——8

其中是离心场的离心加速度.由上式可看到离心沉降速度随旋转半径R的变化而变化.半径增大则沉降速度减小.

离心加速度与重力加速度之比叫离心分离因数,用表示.它是离心分离设备的重要性能指标.其定义式为

3——9

值愈高,离心沉降效果愈好.常用离心机的值在几十至几千之间,高速管式离心机的可达到数万至数十万,分离能力强.值的大小说明了离心机的分离能力要比重力沉降设备的分离能力强.

四,离心沉降设备

用于离心沉降分离的设备可分为实验室用瓶式离心机和工业用无孔转鼓离心机两种类型.其中无孔转鼓离心机可分为三足式离心机,碟片式离心机,高速管式离心机;旋风分离器主要用于气体中颗粒的分离.现分述如下:

1.三足式沉降离心机

三足式沉降离心机结构如图3—4所示.整机由外壳,转鼓,传动主轴,底盘等部件组成,机体悬挂在机座的三根支杆上.由于有弹簧装置起减振作用,在运行时非常平稳.沉降式三足离心机的转鼓壁上无孔,由传动轴驱动作一定速度的旋转,混悬液进入转鼓后也随之旋转,从而产生了强大的离心力.在离心力的作用下,重液部分被甩向转鼓壁,残留在转鼓壁上或者沉积于转鼓底部的集液槽里.当集液槽里积累了一定量的重液后,需要停机卸掉.有从上部卸料和从下部卸料两种方式.从上部卸料的称为人工上部卸料三足式离心机,从下部卸料的称为人工下部卸料三足离心机.

人工卸料三足式离心机对物料适应性强,操作方便,结构简单,制造成本低,是目前工业上广泛采用的离心分离设备.其缺点是需间歇或周期性循环操作,卸料阶段需减速或停机,不能连续生产.又因转鼓体积大,分离因数小,对微细颗粒分离不完全,需要用高分离因数的离心机配合使用才能达到分离目的.

2.碟片式离心机

在生物制造行业,广泛地使用碟片式离心机进行各种生物物质的分离.整机由转轴,转鼓及几十到一百多倒锥形碟片等主要部件组成.碟片直径一般为,其上有沿圆周分布垂直贯通的孔,碟片之间的间距为,如图3—5所示.碟片的作用是缩短固体颗粒或液滴沉降距离,扩大转鼓的沉降面积,提高离心分离能力.

含固相的液体称为重液,不含固相的液体称为轻液,重轻两种液体分别从不同的出口排出.当启动离心机并转动平稳后,从进料口进料,进入的料液分布在碟片之间.随着转鼓连同碟片高速旋转时,碟片间悬浮液中的颗粒因有较大的质量,先沉降于碟片内腹面,然后向转鼓壁方向移动,形成重液,随后被挤压至转鼓颈部,从重液出口排出.需要注意的是,在分离含固体颗粒的混悬液时,要求固体颗粒要小,浓度要低.

碟片式离心机也可以用来分离两种不同密度的液体,即进行液——液分离.其分离原理和过程与固——液分离过程一致.

碟片式离心机的转速一般为4000～7000rmin,分离因素可达4000～10000,特别