文档介绍：固液分离
——沉降、离心、过滤
《生化分离工程》
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3. 固液分离
沉降
离心
过滤
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由于固液悬浮液中的分散相和连续相具有不同的物理性质,故工业上一般都采用机械方法将两相进行分离。要实现这种分离,必须使分散相和连续相之间发生相对运动。
根据两相运动方式的不同,机械分离可按两种操作方式进行:一、液体受限制,而固体颗粒在作相对运动的过程,包括浮选、重力沉降(通常称为沉降分离)和离心沉降(离心分离)等操作。重力沉降的推动作用是重力,一般也称为沉降分离;离心沉降的推动力主要是惯性离心力,一般也称为离心分离。二、固体颗粒受限制而液体作相对动的过程称为过滤。实现过滤操作的外力可以是重力、压强差或惯性离心力。因此,过滤又可分为重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤。对于这两种机械分离,前者取决于固体颗粒和液体两相之间的密度差,而后者实现的前提是应具有过滤介质。
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沉降
沉降是固液悬浮液失稳的一种现象,因为固体和液体间有密度差存在,若固体和液体间的密度差大于零,固体颗粒在悬浮液中受重力的作用下沉,经过一定时间的沉降,悬浮液分为上部澄清的液体层及下部被液体浸透的固体带。沉降作为一种固液分离的方法,广泛应用在制药、环保、化工、矿业、冶金等许多工业领域。
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利用重力沉降性质进行固液分离,由于借助的是地心引力而无须外加能量,理论上讲是最经济的方法。当然若欲达到有效的分离,首先须提供足够的沉降面积,其次为了加快固体颗粒的终端沉降速度,需采用凝聚与絮凝技术。而对于由更小的颗粒及粘度较高的溶液构成的悬浮液,仅靠絮凝技术仍难以达到固液分离的要求时,则需要人为引入离心力以增强固体颗粒沉降的推动力,即为离心沉降。
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沉降分离理论
沉降分离只是一个物理过程,属于过程工程中的一个单元操作。
沉降速度是固液分离理论中的一个重要的基本概念。如果实现沉降过程的推动力是重力,则称重力沉降速度;若推动力为离心力则称离心沉降速度。
下面着重介绍重力沉降速度的计算公式。
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设想一个表面光滑的球形颗粒置于静止的流体介质中,若颗粒的密度ρs大于流体的密度ρ,则颗粒将在流体中作下沉运动。显然,作用于颗粒上有三种力(见图1):
图1 下沉颗粒的受力分析
●
Fd
Fb
Fg
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●
Fd
Fb
Fg
重力
浮力
阻力
式中
d ——粒径;
ζ——阻力系数,无因次量;
A —颗粒在垂直于运动方向的平面上的投影面积,对于球形颗粒A=π/4d2;
υ——颗粒与流体间的相对运动速度。
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按牛顿定律,应用
或
式中m、a分别为颗粒的质量和加速度。
(1)
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颗粒的沉降过程应分为两个阶段,起初为加速阶段,而后为等速阶段。等速阶段中颗粒相对于流体的速度υt 称为沉降速度(terminal settling velocity),它是加速阶段终了时颗粒相对于流体的速度。
由于工业上沉降操作所处理的颗粒较小,因而颗粒与流体间的接触面积相对甚大,故阻力随速度增长很快,可在极短时间内便与净重力接***衡,所以在重力沉降过程中,加速阶段常可忽略不计。
于是,在式1中令a=0后,即可导出沉降速度的计算公式:
(2)
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