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)③脱水阶段的滤液除去量: 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,主要是因表面张力而存在于颗粒间隙内的颗粒外液,因此脱水阶段的滤液除去量为:Q=π·L·ε(R2-R s2)(1-S∞) (8-159)④平均饱和区高度: 严格地讲,颗粒层在液体中浸泡状态下的毛细管上升高度与颗粒层底液面上升状态的相当饱和区高度是不同的,但这种差异在工程上往往可忽略不计而看作是一致的。

在此前提下,不少研究工作者提出了不少相当饱和区高度h s的关系式,可在有关文献中查考。

⑤残留平衡饱和度: 在处于脱水平衡状态的低含液量区内,颗粒层内存在着夹持液和表面附着液,以S W·S A分别表示两者的当量饱和度,则残留平衡饱和度S∞为:S∞＝S W+S A (8-160)式中S W--用饱和度表示的夹持液的含液率S A--用饱和度表示的附着液的含液率一般取S W≤0.1,大多数情况取S W<0.1,特别对较大的结晶颗粒进行离心甩干时,可以认为S W>>S A。

⑥离心脱水过程:假设颗粒层高度H与毛细管上升液的高度h s的比值很大,而且没有干燥的影响,则从颗粒层间隙中全部充满液体的状态开始,在重力场中或在离心力场中进行脱水到平衡状态的过程如图8-114所示。

图8-114 脱水过程中层内含液率分布的变化在脱水初期[图中(1)],颗粒层的液位H下降,即液面下的液体单相流支配着脱水速度。

在脱水后期[图中(2)],液位从H降至Z,在H～Z区间由于进入空气,液体在粒子表面呈膜状流动,称为膜状流态区间。

在Z～0区间的粒子间隙内的液体虽为单相流,但受毛细管上升引力的作用,因此脱水的推动力为表观静压头Z减去毛细管上升高度,这意味着Z～0区间为毛细管流态区间。

因此,膜状流态和毛细管流态成为决定脱水速度的因素。

在重力场中的脱水平衡状态为[图中(3)],有一饱和区高度hs。

在离心力场中的脱水平衡状态为[图中(4)],通常hs几乎为零。

在脱水过程的任意时刻,颗粒层内存在的液量是平衡状态的残留液量,为粒子表面的膜状流及液面下的单相流之和V=V∞+V f+V zV∞＝A(H-h)εS∞V z＝Ah/ε (8-161)式中V--任意时刻的全液量,m3V∞--平衡状态下的残留液量,m3V f--膜状流的液量,m3V z--液面下单相流的液量,m3A--颗粒层的脱水面积,m2h--液面高度,m因此在时间t整个颗粒层的平均饱和度t为:在脱水后期,h≈h s,因此S1＝S∞+S f式中S∞--低液量区的含液率,即残留平衡饱和度h s--当量饱和区高度H--颗粒层高度S f--膜状流动的液体的饱和度(4) 过滤离心机的操作循环间歇式过滤离心机的操作循环如图8-115所示,通常包括:空转鼓加速(第一次加速),加料,再次加速到全速(第二次加速),全速运转(分离、洗涤、脱水),减速和卸料等步骤。

图8-115 间歇操作过滤离心机典型操作循环1-第一次加速阶段2-加料阶段3-第二次加速阶段4-洗涤阶段5-脱水阶段6-减速阶段7-卸料阶段①空转鼓加速: 启动离心机并加速到加料时所要求的转速。

②加料: 加料速度取决于物料的固相浓度和液相滤出速度。

必须保证在电机不超载,转鼓上形成均匀分布的滤饼层以免引起离心机不平衡的前提下,尽可能快地进行加料,以缩短加料时间。

③第二次加速: 转鼓再次加速到全速运转,进行物料的分离。

④全速运转: 全速运转可分为:洗涤、脱水两个阶段。

a. 洗涤阶段: 用少量洗涤液,最大限度地置换存留于滤饼中的母液并洗去杂质。

洗涤液的用量一般通过试验确定。

b. 脱水阶段: 液面穿过滤饼层向前推进而脱水。

减速步骤的操作特性与电机特性、离心机制动系统吸收能量的速率有关,要凭经验加以协调。

⑤卸料: 卸料的时间受多种因素的影响。

8.5.4.2 过滤离心机类型过滤式离心机的种类有: 三足式、上悬式、刮刀卸料式、活塞推料式、离心力卸料式、振动式、翻袋式和螺旋卸料式等。

我国现有过滤式离心机的种类及其运转方式、滤饼型式、卸料方式等见表8-42。

表8-42 各种过滤离心机分类图8-116 上部卸料三足式离心机1-底盘2-支柱3-缓冲弹簧4-摆杆5-转鼓体6-转鼓底7-拦液板8-机盖9-主轴10-轴承座11-制动器把手12-外壳13-电动机14-三角皮带轮15-制动轮16-滤液出口17-机座三足式离心机广泛应用于食品工业中,如味精、柠檬酸及其他有机酸生产中的结晶与母液的分离。

图8-117 上悬式过滤离心机我国国家标准规定三足式离心机的基本参数为: 转鼓直径335～2000mm,工作容积7.5L～100L,转鼓转速600～3350r/min,分离因数400～2120,主电机功率约 2.2kW～37kW,除人工、手动卸料以外,自动方式可采用电力、液力或其他传动形式。