前言 所谓固液分离,系指从悬浮液中分离出固相和液相迄今为 止,固液分离设备(过滤机械和离心机械)广泛应用于国民经济 的各领域和许多不同的工艺过程,并能实现以下月的:回收有用 固体(废弃液体),回收液体(废弃固体)回收固体和液体,固体 和液体均不回收(例如防止水的污染) 近年来,由于电力、石油化工、食品加工、生物工程、精细 加、环保水处理等部门中新技术的不断发展,对固液分离技术 与装备提出了新的挑战和更高要求,不仅要求提供更多更新的品 种和规格,而且迫切需要在分离效率能有更大的提高鉴丁 此,本书在编写过程中不仅加强了对固液分离过程的原理、设备 以及与之相关的诸多重要问题的论述;而且还重点介绍了固液分 离与水处理设备的工业应用以及结构设计问题因此,本书对相 关专业的工程技术人员,特别是对从事现场操作、设备设计以及 试验安装和制造等方面的工程师大有裨益 本书的许多章节先后在东北电力学院和北京化工大学的研 究生和高年级本科生中作过专题讲座,并在国内外许多关专业 刊物(例如《工业水处理》、《过滤与分离》《流体工程》《化与 通用机械》、《iltraion&《FilaioSeation《Chem.Eng.Res.De》《Chem.Eng.Res.Des》等)上 发表过。在成书过程中,除取材于作者发表的论文以及过去编印 的讲义外,还特别参考了国内外知名刊物和作(已详尽列在书 后的参考文献中),力求反映最新的科研成果并做到理论和实践 相结合。限于作者水平和经验,书中的缺点和差错在所难免,真 诚希望广大读者批评指正
作者简介 刘凡清吉林电力学院敦授,吉林省环境科学学会副理事 长,吉林省环保产业协会常务理事,国家有突出荧献的中青年专 家。九十年代创建飞特公司,现任上海凡清环境程有限公司董 事长、总经理。多年从事工业水处理设备的研究与应用推广。八 十年代发明高效纤维过滤器,获国家发明三等奖、联合国发明创 新科技之星奖,并被列为国家级重点科技新产品,取得中、美、 德、芬兰、英、意、法、∏等国专利。从八十年代至今发表了大 量学术论文及专著、取得了较好的社会和经济效益。主要论著有 《工业锅炉水处理及水质分析》、《LY-高效过滤器的研制》、《水 的预处理与活性炭的冉生》、《JLY-高效过滤器滤层状态及其对 过滤性能的影响》、《IY-高效过滤器水头损失公式的推导》、《高 效纤维过滤器的凉理及应用》、《LLY-高效过滤器效率公式的建 立》、《LY一高效过滤器的工业应用》、《企业行为对环境的彰 响》等。 范徳顺北京化τ大学机械τ程学院副教授,化学I业机械 设备标准化技术委员会委员,一直从事离心机、混合机和过滤器 的教学和设计研究工作,并取得多项国家专利。主持设计的 WJ-540式进动高心机荣获1996年北京市科学技术进步奖。主 要论著有《材料力学解法技巧》、《离心机》及《实用应力分析》等, 后者荣获1998年度北京市科学技术(科技专著)进步奖 黄钟北京化工大学机械工程学院教授,从事应用力学的 教学和研究工作。主要论著有《机械强度与剛度计算》、《材料力学 解法技巧》及《实用应力分析》等,其中《实用应力分析》荣获1998 年度北京市科学技术(科技专著)进步奖
符号说明 A面积、常数 M质量、力矩 a面积、常数、距离、绝m质量、质量比 对加速度 N转速 B常数、变化系数 n指数、个数、压缩系数 b实验常数 C滤液浓度、校正因子 P功率 p压力 D筒径 Q体积流量 d粒径、直径 表观速度 E R半径、阻力 空隙比 半径 F力、可滤性参数 振荡力 ∫摩擦系数、分离因数 s表面积 G级效率 T动能 g重力常数 时间 H总压头、滤饼层高度 U平均速度 h过滤层高度 1转动惯量 ↓体积 U速度、体积 J轴转动惯量 W l0因体颗粒重量 K常数、惯量比 渗透率 x坐标 L长度 1长度 坐标
动力粘度、摩擦系数 z坐标 运动粘度 a平均比阻、实验常数、压力分布函数 角度 p液体密度 β指数、实验常数、角度Σ当量沉降面积、求和号 度 σ比沉积量 差值、孔隙直径 z环向分量 ε孔隙度 φ、ψ角度 3无因次压力 y角度、球度 角速度 角度、时间 角速度 λ无因次径向坐标
目 录 第一章总论··· .......... (1) 1-1离心分离过程的分类 (1) 1-2离心机的分类及应用 (4) 1-3过滤过程的分类 ...............· (11) 1-4过滤机的分类 ... (13) 1-5工业水处理 ·... (17) 第二章渗流物理和过滤理论 (21) 2-!多孔介质及其特征量 (22) 2-2孔隙度的测量方法 (24) 2-3达西定律 (27) 2-4滤饼的阻力与压缩性 (34) 2-5过滤过程的类型 (41) 2-6深层过滤的机理··· (46) 2-7计算过滤器压力降的主要方法(54) 第三章过滤式离心机·(60) 3-1三足式离心机 (60) 3-2离心力卸料离心机 (72) 3-3反跳环式离心机 ..................... (82) 3-4振动式离心机 ·........· (88) 3-5控制环离心机· (95) 3-6过滤式螺旋卸料离心机 .............. (106) 3-7双级活塞推料离心机 .................... (108) 1
3-8上悬式自动卸料离心机(111) 第四章进动离心机·(115) 4-1工作原理 .......( (116) 4-2消振原理及措施…… (121) 4-3章动角的调节和停留时间计算 (130) 4-4料层分布 (141) 4-5工业应用·· (143) 5-6物料滑动速度的测量技术 (153) 第五章沉降式离心机 (156) 5-1离心沉降理论 ··(156) 5-2管式离心机 ··(168) 5-3盘式离心机 (175) 5-4螺旋卸料沉降式离心机 (178) 5-5无孔转鼓离心机 ·..... -(181) 5-6设备选择的影响因素 (183) 第六章水力旋流器 (185) 6-1旋液的流型 (185) 6-2悬浮颗粒的运动分析 (187) 6-3效率预测 ... .......(189) 6-4压强降 ................. (193) 6-5设计参数的合理选择 (195) 6-6理论能力系数 ............... (199) 6-7盘式旋流器 ............... (200) 第七章相似理论与类比设计(202) 7-1量纲分析法简介 ......... .(202) Ⅱ
7-2相似准则(210) 7-3在固液分离中的应用 (212) 第八章粒状滤料过滤装置 (217) 8-1粒状介质过滤机理 (217) 8-2过滤材料 (221) 8-3过滤过程中的水头损失 (226) 8-4滤层的清洗与配水系统 (229) 8-5压力式过滤器 (234) 8-6各种滤池 (239) 8-7混凝过滤 (244) 第九章纤维深层过滤器 (248) 9-1纤维球过滤器 (249) 9-2高效纤维过滤器 (266) 9-3其他纤维过滤器 (279) 第十章加压过滤···· ···· (292) 10-1加压式转鼓过滤机 ........... (292) 10-2 压滤机 ······· ............. (296) 10-3多级旋叶压滤机 (312) 第十一章真空过滤机···· (316) 11-1水平带式真空过滤机 .......... (316) 11-2转鼓真空过滤机 ............ (321) 11-3转盘真空过滤机 (328) 11-4浓缩过滤机 (330) 11-5水平转翻盘真空过滤机 ....................... (333) Ⅲ
第十二章 过滤介质·· (336) 12-1过滤介质分类 (336) 12-2过滤介质的选择方法 (351) 12-3织物的精加工和性能试验 (355) 第十三章膜分离方法简介··· (358) 13-1膜分离过程的传递机理 .. (358) 13-2膜的结构特性 (363) 13-3典型的膜分离设备 (369) 13-4错流微滤膜分离 (377) 13-5膜污染的机理及防止措施 ...................... (381) 参考文献 (385) V
第一章总论 过滤( filtration)与分离( separation)统称为固液分离( solid-iq uid separation),它是一种重要的单元操作。人们之所以对它产生 浓厚的兴趣,主要是因为,第一,固液分离装置已成为一种量大 面广的通用设备,广泛地应用于国民经济的各个方面;第二,固 液分离的适用领域到目前为止仍在不断扩大并显示出巨大的经济 效益和社会效益。 固液分离技术的国际性活动也非常活跃,继首次世界过滤会 议1974年在巴黎召开之后,1979年又在伦敦举行了第二届会议。 由英国过滤学会主办的过滤技术会议和大型展览会也规定每逢奇 数年举行。起初这些会议所讨论的内容范围很窄,涉及面不广 以后则面貌一新,开始涉及到适应时代发展而不断获得进步的固 液分离新技术、新设备和新工艺,以及节能、资源的有效利用以 及环保等社会呼声很高的课题。为适应社会上不断高涨的降低能 耗的要求,目前迫切需要开发高分离速度、高脱水度、高分离精 度的高性能固液分离技术。 作为总论,本章首先介绍固液分离概况以及离心机和过滤机 的分类和应用,在以后诸章将对它们进行比较深入的专论。 1-1离心分离过程的分类 借助离心机所产生的离心力场来分离非均相物系,是一种极 为有效的方法,并称之为离心分离,它是许多新的工业过程的基 础。离心分离方法可以相当精确和迅速地分离极不相同的非均相 液态物系,例如原油和聚氯乙烯树脂悬浮液、润滑油和铵盐、煤 泥和淀粉悬浮液、变压器油和酵母悬浮液。 1
般来说,工业悬浮液和矿浆可以用两种方法进行离心分 离:第一种方法是采用分散相的体积力(离心惯性力)进行分离; 第二种方法则是利用分散介质和部分分散相的体积力进行分离。 第一种情况所使用的设备为无孔转鼓离心机,而第二种则采用有 孔转鼓离心机。 尽眢离心力场的特性决定了这些过程间存在着重大差异,但 仍可将无孔转鼓的分离与重力场中的澄清过程相比,有孔转鼓的 离心分离可与矿浆等的过滤或压滤过程进行类比。 采用无孔转鼓离心分离悬浮液和矿浆的过程又可以分为离心 澄清和离心沉降。前者是指借助于离心机来有效地消除液体中含 有为数不多(小于5%)杂质的过程。这一过程可以视为在离心力 场作用下液体中固相颗粒的自由沉降。例如,从清漆和润滑油中 清除污垢和杂质,以便使清漆和润滑油再生;从丁醇中离析氧化 钛以及从液体中分离出细菌等均可称作离心澄清 离心沉降则是分离含有大量固相的悬浮液的过程,例如从煤 泥中分离出水分,从污水中离析出固相等都属于离心沉降过程。 离心沉降一般分为三个过程:(1)固相沉降;(2)沉渣压实;(3)从沉 渣孔隙中部分清除液体。 采用有孔转鼓离心分离悬浮液和矿浆的过程称为离心过滤。 它是靠离心惯性力场的作用而实现固液分离的。在一般情况下, 它可分为下列三个过程:(1)过滤和形成滤渣,即在液体通过离心 机转鼓多孔壁时将悬浮于液体的颗粒分离出来;(2)从所形成的滤 渣中压出液体;(3)从滤渣中排除由分子力所保留的那部分残余 液体。 形成滤渣的离心过滤与普通过滤极为相似,过滤后即能从滤 渣中压出液体并同时将滤渣压实,然后再排除颗粒各接触处以及 颗粒表面所剩余的液体。例如,从洗涤液中分离间硫氮杂茚硫醇 和从母液中分离亚硝基酚就是经过上述三个过程的离心过滤的 实例