青海大学非均相物系课件第4章第3、4、5节过滤离心机气体其它净制方法

1、2021-11-3第四章第四章 非均相物系分离非均相物系分离一、过滤操作的基本概念一、过滤操作的基本概念二、过滤基本方程式二、过滤基本方程式三、恒压过滤三、恒压过滤四、过滤常数的测定四、过滤常数的测定五、过滤设备五、过滤设备六、滤饼的洗涤六、滤饼的洗涤七、过滤机的生产能力七、过滤机的生产能力第三节第三节 过滤过滤2021-11-3一、过滤操作的基本概念一、过滤操作的基本概念1、过滤的概念过滤的概念过滤过滤 利用能让液体通过而截留固体颗粒的多孔介质（过滤介质），使悬浮液中固液得到分离的单元操作。 过滤操作中所处理的悬浮液 滤浆 通过多孔介质的液体 滤液 被截留住的固体物质 滤渣（滤饼） 实现过滤

2、操作的外力有重力、压力、离心力， 化工中应用最多的是压力过滤。滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤2021-11-3 2、过滤方式、过滤方式过滤 深层过滤 滤饼过滤 固体颗粒的沉积发生在较厚的粒状过滤介质床层内部，悬浮液中的颗粒直径小于床层直径，当颗粒随流体在床层的曲折孔边穿过时，便粘附在过滤介质上。 适用于悬浮液中颗粒甚小且含量甚微（固相体积分率在0.1%以下）的场合 固体颗粒成饼层状沉积于过滤介质表面，形成滤饼 适用于处理固相含量稍高（固相体积分率在1%以上）的悬浮液。 架桥2021-11-3料浆滤液过滤介质深层过滤示意图深层过滤示意图架桥现象架桥现象滤饼过滤滤饼过滤示意图示意图2021-11-3

3、 3、过滤介质、过滤介质 过滤介质是滤饼的支承物，应具有下列条件： a) 多孔性，孔道适当的小，对流体的阻力小，又能截住要分离的颗粒。 b) 物理化学性质稳定，耐热，耐化学腐蚀。 c)足够的机械强度，使用寿命长 d) 价格便宜工业常用的过滤介质主要有 a) 织物介质：又称滤布，包括有棉、毛、丝等天然纤维，玻璃丝和各种合成纤维制成的织物，以及金属丝织成的网能截留的粒径的范围较宽，从几十m到1m。2021-11-3优点：织物介质薄，阻力小，清洗与更新方便，价格比较便宜，是工业上应用最广泛的过滤介质。b)多孔固体介质：如素烧陶瓷，烧结金属塑料细粉粘成的多孔塑料，棉花饼等 这类介质较厚，孔道细，阻力大

4、，能截留13m的颗粒。c) 堆积介质：由各种固体颗粒（砂、木炭、石棉粉等）或非编织的纤维（玻璃棉等）堆积而成，层较厚。d) 多孔膜：由高分子材料制成，膜很薄（几十m到200m），孔很小，可以分离小到0.05m的颗粒,应用多孔膜的过滤有超滤和微滤。2021-11-34、助滤剂 滤饼不可压缩滤饼: 颗粒有一定的刚性，所形成的滤饼并不因所受的压力差而变形 可压缩滤饼: 颗粒比较软，所形成的滤饼在压差的作用下变形，使滤饼中的流动通道变小，阻力增大。加入助滤剂可减少可压缩滤饼的流动阻力加入方法预涂 将助滤剂混在滤浆中一起过滤 用助滤剂配成悬浮液，在正式过滤前用它进行过滤，在过滤介质上形成一层由助滤剂组成

5、的滤饼。 2021-11-31.滤液通过饼层的流动滤液通过饼层的流动 简化流动模型：232l upd 232pdul层流直管中流动阻力 泊稷叶Poiseulle公式二、过滤基本方程式二、过滤基本方程式 滤饼层中流动特点：I )滤渣层中存在曲折流动通道，流体在同一截面上的流速分布很不均匀。（基本事实1）II )通道很小、流速很低。（基本事实2）III)滤液通过饼层的流动为层流。（基本假定）2021-11-3实际流动简化流动模型 u u1 L l de 流体在固定床内流动的简化模型 为便于用数学方法描述滤液的流动，常将复杂的实际流动过程加以简化2021-11-3空隙率空隙率:单位体积床层中的空隙体

6、积，用表示。 =空隙体积 / 床层体积 m3/m3颗粒比表面积：颗粒比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积，用a表示。 a=颗粒表面 / 颗粒体积 de=4水力半径=4管道截面积 / 润湿周边颗粒床层的当量直径可写为：2021-11-3de流通截面积流道长度润湿周边长度流道长度de流道容积流道表面积 取面积为1m2厚度为1m 的滤饼考虑：床层体积111m3 流道容积1m3 流道表面积颗粒体积颗粒比表面积（1）a m2(流道表面积颗粒表面：忽略重叠）所以床层的当量直径为 ：滤液通过饼层的流动常属于滞流流型 ，lpdu322 )1 (ade(1)2021-11-3滤液通过饼床层的流速与压强降的关系为

7、： 21Lpduce（2） 在与过滤介质层相垂直的方向上床层空隙中的滤液流速u1与按整个床层截面积计算的滤液平均流速u之间的关系为 ： /1uu （3） 将（1）、（3）代入（2）并写成等式 )()1 (1223LpaKuc 2Lpduce2021-11-3 比例常数K与滤饼的空隙率、粒子形状、排列及粒度范围等因素有关。对于颗粒床层的滞流流动，K值可取为5。 )()1 (5223LPauc过滤速度表达式过滤速度表达式2、过滤速率、过滤速率 过滤速率过滤速度单位时间通过单位过滤面积的滤液体积 单位时间获得的滤液体积称为过滤速率 定义)()1 (5223LPaAddVuc)()1 (5223LPA

8、addVc表达式2021-11-33、滤饼的阻力、滤饼的阻力 令 322)1 (5ar滤饼的比阻，1/m2 rLPAddVc(4)令 rLR 滤饼阻力RPAddVc（5）速度推动力阻力 )()-1 (5223LPauc2021-11-3 由RrL可知，比阻r是单位厚度滤饼的阻力，数值上等于粘度为1Pa.s的滤液以1m/s的平均流速通过厚度为1m的滤饼层时，所产生的压强降 。 反映了颗粒形状、尺寸及床层空隙率对滤液流动的影响 床层空隙率愈小及颗粒比表面积愈大，则床层愈致密，对流体流动的阻滞作用也愈大,即阻力越大。4、过滤介质的阻力、过滤介质的阻力 过滤介质的阻力也与其厚度及本身的致密程度有关，通

9、常把过滤介质的阻力视为常数。 322)1 (5ar2021-11-3滤液穿过过滤介质层的速度关系式 ：mmRPAddV 式中：P=PC+Pm，代表滤饼与滤布两侧的总压强降，称为过滤压强差。也称为过滤设备的表压强 。 可用滤液通过串联的滤饼与滤布的总压强降来表示过滤推动力，用两层的阻力之和来表示总阻力。 )()(mmmcRRpRRppAddV(6)2021-11-3设想以一层厚度为Le的滤饼来代替滤布， meRrL 故（6）式可写为 ）（7 )()(eeLLrPrLrLPAddV式中：Le过滤介质的当量滤饼厚度，或称为虚拟滤饼厚度，m 在一定的操作条件下，以一定介质过滤一定悬浮液时，Le为定值，

10、但同一介质在不同的过滤操作中，Le值不同。2021-11-35、过滤基本方程式、过滤基本方程式 滤饼厚度L与当时已经获得的滤液体积V之间的关系为： VLAAVL滤饼体积与相应的滤液体积之比，无因次，m3/m3 。同理 ：AvVLeeVe过滤介质的当量滤液体积，或称虚拟滤液体积，m3 在一定的操作条件下，以一定介质过滤一定的悬浮液时，Ve为定值，但同一介质在不同的过滤操作中，Ve值不同。2021-11-3（7）式就可以写成 )(AVVrvPAddVe)(2eVVrvPAddV过滤速率的一般关系式 可压缩滤饼的情况比较复杂，它的比阻是两侧压强差的函数， sPrr)( s滤饼的压缩性指数，无因次。s

11、=01,对于不可压缩滤饼，s=0。2021-11-3 对于可压缩滤饼，过滤速率 )(12esVVrPAddV过滤基本方程式过滤基本方程式适用于可压缩滤饼及不可压缩滤饼。 对于不可压缩滤饼，s=0。2021-11-3过滤的强化过滤的强化： v1)与r和s有关，对于可压缩滤饼，加助滤剂，空隙率增大，s减小；v2)提高过滤面积A，但过滤面积过大，设备费用高，滤布的承压能力降低；v3)提高推动力，但要提高推动力，必须加输送设备，投资费用提高；v4)提高温度，使液体的黏度降低，过滤速率提高，则有些过滤设备加保温层。 )V(VrPAddVes122021-11-3三、三、过滤过滤操作操作1、恒压过滤：恒压

12、过滤：在恒定压强差下进行的过滤操作。 恒压过滤时，滤饼不断变厚致使阻力逐渐增加。但推动力P恒定，过滤速率逐渐变小。 对于一定的悬浮液，,r及均可视为常数。 rk1令k表征过滤物料特性的常数，（m4/N.s）。 )(12esVVrPAddV则过滤速率变为：esVVPkAddV122021-11-3积分得 ：dPkAVVse12)(假定获得体积为Ve滤液所需的虚拟过滤时间为e,则积分的边界条件为： 过滤时间 滤液体积 0 e 0Ve e+e VeV+Ve)()()(0120eeeseVedPkAVVdVV)()()(12eeeeesVVVeedPkAVVdVV2021-11-3积分两式，并令 K=

13、2kP1-s eeKAV22222KAVVVe两式相加，得：)()(22eeKAVV恒压过滤方程式恒压过滤方程式 表明：恒压过滤时，滤液体积与过滤时间的关系为抛物线方程 当介质阻力可以忽略时，Ve=0，e=0，过滤方程式则变为 22KAVAVqAVqee及令2021-11-3eeKq2Kqqqe 22）（）（eeKqq2 恒压过滤方程恒压过滤方程K 过滤常数 由物料特性及过滤压强差所决定 ，m2/s e和qe 介质常数 反映过滤介质阻力大小 ，s及m3/m2 当介质阻力可以忽略时，Kq 22021-11-3例：过滤一种固体颗体积分数为0.1的悬浮液,滤饼含水的体积分数为0.5,颗粒不可压缩,经

14、实验测定滤饼比阻为1.31011m-2,水的粘度为1.010-3Pa.s。在压强差恒为9.8104Pa的条件下过滤,假设滤布阻力可以忽略,试求：1）每m2过滤面积上获得1.5m3滤液所需的过滤时间。2）如将此过滤时间延长一倍,可再得滤液多少？解：1）过滤时间33/25. 05 . 0/1 . 0115 . 0/1 . 01mm2021-11-3smrPKs/10625. 0103 . 1100 . 11081. 9222311341滤布阻力可忽略 Kq 2sKq3221065 . 1 s3752)求过滤时间加倍时的滤液量s75037522Kq3312. 2750106m5 . 112. 2qq

15、23/62. 0mm2021-11-3对于不可压缩滤饼对于不可压缩滤饼.constuqqrpddqRe2RRepr ur u qab 2 2、恒速过滤与先恒速后恒压过滤、恒速过滤与先恒速后恒压过滤2Rar u Rebr u q （1）恒速过滤：过滤速度恒定压强差与时间关系压强差与时间关系2021-11-3esVVPkAddV12K=2kP1-s )+(2=2eVVKAddV恒速过滤，则)+(2=2eVVKAVddV恒速过滤的过滤方程式为：KAVVVe2221=+注意：恒速过滤的过滤方程式中的注意：恒速过滤的过滤方程式中的K不是常数不是常数恒速过滤的过滤方程式？KAVVVe22=2+恒压过滤方程

16、：2021-11-30-0-R R恒速过滤，获得滤液体积为恒速过滤，获得滤液体积为V VR R22edVKAdVV)()(2)(222RReRKAVVVVV（2 2）先恒速后恒压）先恒速后恒压恒压过滤 R VRV2021-11-3四、四、过滤常数的测定过滤常数的测定 1、恒压下、恒压下K、qe、e的测定的测定 实验原理：实验原理： 由恒压过滤方程 )()2eeKqq（微分 Kddqqqe)(2eqKqKq22 对于一定恒压下过滤的悬浮液，测出延续的时间及滤液的累计量q（按单位面积计）的数据，然后算出一系列的与q的对应值2021-11-3qqq000011q11q11q22q1212qq 121

17、2qq 然后在直角坐标纸上从/q为纵坐标，以q为横坐标进行标绘，可得到一斜率为2/K，截距为2qe/K的直线。eeKq2求得e2021-11-3q/2021-11-32、压缩性指数、压缩性指数s的测定的测定 由 spkK12两端取对数，得 )2lg()lg()1 (lgkpsKvrk1常数lgk与lg(p)的关系在对数坐标纸上标绘时应是直线,直线的斜率为1-s，截距为lg(2k)。由此可得到滤饼的压缩性指数s及物料特性常数k。 2021-11-3常见过滤设备间歇过滤机连续过滤机操作方式采用的压强差吸滤过滤机离心过滤机三足式及活塞推料、卧式刮刀卸料为离心过滤机板框过滤机和叶滤机为间歇压滤型过滤机

18、转筒真空过滤机则为吸滤型连续过滤机分类:压滤过滤机五、五、过滤设备过滤设备 2021-11-31、板框压滤机（间歇压滤型）、板框压滤机（间歇压滤型）1）板框压滤机的构造）板框压滤机的构造 由许多块带凹凸纹路的滤板与滤框交替排列组装于机而构成。 滤板和滤框多做成正方形 ，角上均开有小孔，组合后即构成供滤浆和洗涤水流通的孔道。滤框的两侧覆以滤布，围成容纳滤浆及滤饼的空间。 2021-11-3滤板的作用：支持滤布和提供滤液流出的通道。 滤板洗涤板：过滤板： 过滤框：二钮 滤板与滤框装合时，按钮数以1-2-3-2-1-2的顺序排列。 三钮板 一钮板 2021-11-32）板框压滤机的操作）板框压滤机的操作 悬浮液在指定压强下经滤浆通路由滤框角上的孔道并行进入各个滤框， 滤液分别穿过滤框两侧的滤布，沿滤板板面的沟道至滤液出口排出。 颗粒被滤布截留而沉积在滤布上，待滤饼充满全框后，停止过滤。 过滤操作演示2021-11-3滤液的排出方式有明流和暗流之分，若滤液经由每块板底部旋塞直接排出，则称为明流（显然，以上讨论以明流为例）；若滤液不宜暴露于空气中，则需要将各板流出的滤液汇集于总管后送走，称为暗流。2021-11-3 洗涤时，先将洗涤板上的滤液出口关闭，洗涤水经洗水通路从洗涤半角上的孔道并行进入各个洗涤板的两侧。 洗涤水在压差的推动力下先穿过一层滤布及整个框厚的滤饼，然后