5沉降与过滤

注：q=V/A ，qe=Ve/A
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四 膜分离（膜过滤）
? （一）膜分离原理与膜组件
– 膜是介于两相流动相之间的一种凝固态物质 – 膜具有多孔结构，尺寸 nm ~ μm
பைடு நூலகம்
外壳
中空纤维束
超滤液出口
料液入口
浓缩液出口
中空纤维超滤膜组件
（二）膜分离分类
? 1. 微滤
– 孔径0.6~0.8μm，用于从液相或者气相中截留微粒、细菌、及其 它污染物，例如液体制剂的除菌
– 在电场及离子交换膜共同作用下，阴、阳离子选择性分离
（三） 气体净化
? 1. 机械除尘 ? (1) 重力除尘——重力降尘室 （几十个μm）
(2) 离心除尘（几个μm）
(3) 过滤除尘
2. 洗涤除尘
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洁净空气净化流程
PM2.5 ：指环境 空气中动力学当 量直径小于等于 ? 初效过滤器：粗(大)孔无纺布、金属丝网，21.50μμmm的以颗上粒颗物粒。 ? 中效过滤器：中、细孔无纺布、金属丝网， 1~10μm颗粒 ? 亚高效过滤器：玻璃纤维滤纸， 1~5μm颗粒，10万级洁净度 ? 高效过滤器：超细玻璃纤维滤纸， 0.3~1μm颗粒，10万级以上
? ? P ? ? PC ? ? Pm
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过滤基本方程
ν——每获得1m3滤液所形成的滤饼体积； m3
r ‘——单位压强差下滤饼的比阻， 1/m 2
s ——滤饼的压缩性指数，无因次 一般情况下， s=0~1。对于不可压缩滤 饼，s=0
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恒压过滤速率方程
? 恒压过滤常数K:
? V 2 +2Ve V = KA 2t ? q 2 +2qq e =Kt
隙率的惰性材料。硅藻土、珍珠岩粉
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过滤方式
? 过滤的操作基本方式 – 滤饼过滤 – 深层过滤
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过滤的推动力、阻力和程序
? 推动力：
– （1）重力过滤 利用滤浆本身的液柱高度 – （2）加压过滤 在滤浆表面加压 – （3）真空过滤 在过滤介质下方抽真空 – （4）离心过滤 利用惯性离心力，数千上万倍
三个力达到平衡时：
?
6
d p2r?
2(? p
?
?)??
?dp2
4
? ? ur 2
2
?
0
10
离心沉降速度
平衡时，颗粒在径向上相对于流体的离心沉降速度为： u r---离心沉降速度 u T---气体在分离器中流速
当颗粒所受的流体阻力处于斯托克斯区，离心沉降速度为:
ζ=24/ Re
u ? gd p 2 ( ? p ? ? )
t
18 ?
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离心沉降分离临界 粒径：
R/u r ≤ n·2πR/u
旋 液 分 离 器
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三 过滤
? 基本概念： 以多孔物质为介质，在 外力的作用下， 使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒 被截留在介质上，从而实现固液分离的单元操作
?过滤介质 : 过滤采用的多孔物质 ?滤浆: 所处理的悬浮液 ?滤液: 通过多孔通道的液体 ?滤饼或滤渣 : 被截留的固体物质 ?助滤剂：减小过滤阻力、提高滤饼的刚性和孔
（? p为颗粒密度）
当：F g - F b - F d =0时：
阻力 Fd
ut ?
4 gd p ( ? p ? ? )
3??
u
浮力 Fb
重力 Fg
4
沉降阻力系数 ξ
ξ
5
沉降速度计算
ζ=24/ Re 层流区（10-4< Re≤1） （斯托克斯区）
Re=(ρd put)/μ
u ? gd p 2 ( ? p ? ? )
第五章 沉降与过滤
目的：非均相混合物的分离（提纯、回收） 非均相混合物 (物系)：物系内部有相界面存在， 而在相界面两侧的物料性质截然不同的物系。 例：含尘气体、悬浮液、乳浊液、泡沫液
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主要内容
? 一 重力沉降 ? 二 离心沉降 ? 三 过滤 ? 四 膜过滤 ? 五 气体净化
一 重力沉降
运动的颗粒受力：重力、浮力和阻力
6
重力沉降分离
重力沉降分离临界粒径计算方法： h/u t ≤ l/u
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重力沉降槽（增浓器和澄清器）
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二 离心沉降
颗粒在离心力场中径向沉降方向上受力分析：
离心力
Fc
?
?
6
d p3?
p R?
2
浮力
Fb
?
?
6
d p3?R?
2
阻力
Fd
?
?
?d
2 p
??ur2
4
2
u 阻力 Fd
离心力 Fc
浮力 Fb
颗粒在离心力场中的受力分析
t
18 ?
过渡区（1<Re<103） （艾伦区）
5
ut
?
0 . 154
?d ? ?
?( 1.6
p
p
? ? 0.6
??
0 .4
)
g
? ? ?
7
ζ=0.44 湍流区（103<Re<105） （牛顿区）
u ? 3g(? p? ? )dp
t
?
计算方法——试差法 步骤：假设流型→采用对应公式计算→校核 Re及流型
? 2. 超滤
– 孔径0.02~0.03μm ，用于溶剂小分子与分子量在500以上的溶质 大分子的分离，例如液体制剂的净化
? 3. 纳滤
– 孔径一般为1~2nm ，截留有机物，透过小分子、无机离子
? 4. 反渗透
– 在压力作用下，特定分子或离子选择性透过半透膜，孔 100nm 以 下
? 5. 电渗析
? 过滤阻力：介质阻力， 滤饼阻力
? 过滤程序
– （1）过滤阶段 恒速过滤和恒压过滤 – （2）滤饼洗涤 – （3）滤饼挤压或干燥 – （4）滤饼卸除 回收滤饼
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过滤基本理论
1、过滤速率与过滤速度
过滤速率：单位时间内过滤面积 A上获得的滤液体积 过滤速度：单位时间单位过滤面积上获得滤液体积
V ? ? 滤液体积；
A ? ?过滤面积
t ? ? 过滤时间
dV m3 / s dt dV m / s Adt
2、滤液通过滤饼层的流动
（过滤过程分析）
P1
1
1
滤液在管内层流，则在 1-1，2-2截面
之间存在阻力→存在压力降ΔP
2 P2
2
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? P ? P1 ? P2 ? ?由两部分组成
滤饼层：? PC 介质层：? Pm