化工原理第三章-过滤

一、重力沉降原理

一)自由重力沉降——沉降速度表达式a)层流区或斯托克斯(stokes)定律区（10–4＜Re0<2）——斯托克斯公式b)过渡区或艾伦定律区（Allen）（2＜Re0<500）

——艾伦公式

重力沉降分离

c)湍流区或牛顿定律区（Nuton）（500＜Re0＜2×105）

——牛顿公式

假设沉降属于层流区

u0

Re0

Re0＜2

u0为所求Re0＞2艾伦公式（牛顿公式）常用沉降速度的计算：

二）干扰沉降二、重力沉降分离设备一）降尘室---气固体系——降尘室使颗粒沉降的条件——降尘室的生产能力二）分级器三）沉降槽---用于分离出液-固混合物一、过滤操作的基本概念二、过滤基本理论三、过滤设备四、滤饼的洗涤五、过滤机的生产能力第四节过滤1、过滤的概念1）定义：在外力作用下，使悬浮液中的液体通过多孔介质的孔道，而悬浮液中的固体颗粒被截留在介质上，从而实现固、液分离的操作。

说明:①推动力：重力、压力（或压差）和离心力；②目的:获得清净的液体产品，或者得到固体产品；一、过滤操作的基本概念2）过滤的相关术语滤浆：过滤操作中所处理的原始悬浮液滤液：通过多孔介质后的液体滤渣（滤饼）：被截留住的固体颗粒堆积层2、过滤方式1）饼层过滤2）深层过滤3）膜过滤√浓缩液进料液渗透液1）饼层过滤要求颗粒的直径大多要比过滤介质的孔道大，随着过滤的进行，固体颗粒沉积于过滤介质表面而形成滤饼。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。2）深层过滤

颗粒尺寸比介质的孔道小很多，但孔道弯曲细长，颗粒进入后很容易被截流，同时这种过滤是在过滤介质内部进行的，介质表面无滤饼形成。过滤用的介质为粒状床层或素烧（不上釉的）陶瓷筒或板。此法适用于从液体中除去很小量的固体微粒，例如饮用水的净化。3、过过滤介介质（1）对过过滤介介质的的性能能要求求a)多孔性性，对流流体的的阻力力小，，又能能截住住要分分离的的颗粒粒,孔道又又不宜宜大。。b)物理化化学性性质稳稳定，，耐热，，耐化化学腐腐蚀。。c)足够的的机械械强度度，使用用寿命命长d)价格便便宜（2）工业业上常常用的的过滤滤介质质的种种类①织物介介质(又称②堆积介介质③多孔固固体介介质④多孔膜膜①织物物介质质：滤布，，用棉棉、毛毛、丝丝、麻麻等天天然纤纤维及及合成成纤维维织成成的织织物，，由玻玻璃丝丝或金金属丝丝织成成的网网。能能截留留颗粒粒的最小直直径为为5-65m。工业上上的应应用最最为广广泛。②堆积介介质：由各种种固体颗颗粒（砂砂、、木木碳碳、、石石棉棉、、硅硅藻藻土土））或或非非纺纺织织纤纤维维等等堆堆积积而而成成，，多多用用于于深深床床过过滤滤中中。。③多多孔孔固固体体介介质质：具具有有很很多多微微细细孔孔道道的的固固体体材材料料，，如如多多孔孔陶陶瓷瓷、、多多孔孔塑塑料料、、多多孔孔金金属属制制成成的的管管或或板板，，能能拦拦截截1-3m的微微细细颗颗粒粒。。④多多孔孔膜膜：：用于于膜膜过过滤滤的的的的各各种种有机机高高分分子子膜膜和和无无机机材材料料膜膜。醋醋酸酸纤纤维维素素和和芳芳香香酰酰胺胺系系两两大大类类有有机机高高分分子子膜膜。。可可用用于于截截留留1m以下下的的微微小小颗颗粒粒。4、、滤滤饼饼的的压压缩缩性性及及助助滤滤剂剂滤饼饼不可可压压缩缩滤滤饼饼:颗粒粒有有一一定定的的刚性性，当当滤滤饼饼两两侧侧的的压压力力差差增增大大时时，，颗颗粒粒的的形形状状和和颗颗粒粒间间的的空隙隙不不会会发发生生明明显显变变化化，单单位位厚厚度度床床层层的的流动动阻阻力力可可视视作作恒恒定定。可压压缩缩滤滤饼饼:颗粒粒比较较软软，当当滤滤饼饼两两侧侧的的压压力力差差增增大大时时，，颗颗粒粒的的形形状状和和颗颗粒粒间间的的空隙隙会会有有明明显显的的改改变变，单单位位厚厚度度饼饼层层的的流流动动阻力力随随压压力力差差增增大大而而增增大大。1）滤滤饼饼的的可可压压缩缩性性加入入助助滤滤剂剂可减少可压缩滤滤饼的流动阻力力加入方法法预涂将助滤剂剂混在滤滤浆中一一起过滤滤用助滤剂剂配成悬悬浮液，，在正式式过滤前前用它进进行过滤滤，在过过滤介质质上形成成一层由由助滤剂剂组成的的滤饼。。2）助滤剂剂助滤剂是某种质质地坚硬硬而能形形成疏松松饼层的的固体颗颗粒或纤纤维状物物质，将将其混入入悬浮液液或预涂涂于过滤滤介质上上，可以以改善饼饼层的性性能，使使滤液得得以畅流流。（一）过过滤速度度定义：单单位时间间通过单单位过滤滤面积的的滤液体体积u---瞬时过滤滤速率，，m3·m-2·s-1即m·s-1q--单位过滤滤面积所所得的滤滤液量，，q=V/A，m3·m-2二、过滤滤的基本本理论说明：随着过滤滤过程的的进行，，滤饼逐渐渐加厚，过滤阻力力不断增增加，可以想想见，如如果过滤滤压力不不变，即即恒压过过滤时，，过滤速度将逐逐渐减小小。因此上上述定义义为瞬时过滤滤速度。。1.空隙率:单位体积积床层中中的空隙隙体积，，用ε表示。ε=空隙体积积/床床层体体积m3/m32.颗粒比表表面积：：单位体积积颗粒所所具有的的表面积积，用a表示。a=颗粒表面面/颗颗粒体体积3.管道的当当量直径径：de=4×水力半径径=4××管道截截面积/润润湿周边边（二）涉涉及的几几个术语语（三）过过滤基本本方程1、滤液液通过滤滤饼层的的流动特特点实际过滤滤过程中中，随着着过滤的的进行，，滤饼的的厚度不不断增加加，流动动阻力逐逐渐加大大。因因此，是是一个非非稳态流流动。1）非稳态态过程2）层流流流动滤饼层是是由许多多细小颗颗粒堆积积而成，，这些颗颗粒提供供了很大大的液，，固接触触表面，，液体在在滤饼层层的流动动速度很很慢，因因此，滤滤液在滤滤饼层的的流动是是层流流动动。(1)流流体的流流动空间间等于床床层中颗颗粒之间间的全部部空隙体体积。(2)细细管的内内表面积积等于全全部颗粒粒的表面面积。简化模型型：假定：2、过滤基基本方程程的推导导

空床速度（表观速度）

u

u

L

le

de

u1

流体在固定床内流动的简化模型

讨论：设滤饼的的体积为为Vc，颗粒的的比表面面积为a①u1与u的关系定义滤饼饼层的空空隙率为为：所以（1）②孔道的的平均长长度可以以认为与与滤饼的的厚度成成正比：：le=K0L（2）③孔道的当当量直径（3）④滤液通通过滤饼层层时的阻力力（层流流）------哈根-泊谡叶方程程（4）将（2），（3），（4）式带入（（1）式，整理理得r称为滤饼的的比阻，指指的是单位位厚度上滤滤饼的阻力力，与滤饼饼的比表面面、孔隙率率有关，对对不可压缩缩滤饼，r为常数令：同理，通过过过滤介质质的速度表表达式可写写为：则：设每获得单单位体积滤滤液时，被被截留在过过滤介质上上的滤饼体体积为c（m3滤饼/m3滤液），则则Ve——滤出厚度为为Le的一层滤饼饼所获得的的滤液量，，或称虚拟拟滤液体积积，m3同理：——过滤速速度的一般般关系式（不可压缩流流体）可压缩滤饼饼的情况比比较复杂，，它的比阻是两侧压强强差的函数数，s——滤饼的压缩缩性指数，无因次。。s=0～1,对于不可压压缩滤饼，，s=0（表3-2）。——过滤速速度的一般般关系式（不可压缩及及可压缩流流体）-----过滤基本方方程过滤常数，，由实验测测定△pu------滤液量V～过滤时间的关系（四）恒压过过滤方程式恒压过滤：在恒定压强差差下进行的过过滤操作。恒压过滤时，，滤饼不断变变厚致使阻力力逐渐增加。。但但推动力ΔP恒定，过滤速率逐渐渐变小。过滤操作方式式：恒压过滤恒速过滤先恒速后恒压的复合操作方方式特点：K为常数，过滤速度愈愈来愈小。△pu表观速度积分得：或若过滤介质阻阻力可忽略不不计，则或恒压过滤方程对基本过滤方方程积分，得得K——过滤常数由物料特性及及过滤压强差差所决定，，m2/s复习：1.过滤的定义及及相关术语（（滤浆；滤液液；滤饼；过过滤介质）2.过滤基本方式式（滤饼过滤滤；深层过滤滤；膜过滤））3.过滤介质（织织物介质；堆堆积介质；多多孔固体介质质；多孔膜））4.滤饼的可压缩缩性及助滤剂剂5.过滤基本方程程式恒压过滤方程程：或恒压时：/q~q图（五）过滤常常数的测定（（K和qe）logp~logK作图求出压缩缩指数s压缩指数s的确定:例3-5，P108过滤设备三、过滤设备备以压力差为推动动力：如板框压滤机、叶滤机、回转真空过滤滤机等；以离心力为推推动力：如各各种离心机。。（一）板框压压滤机1）板框压滤滤机的构造由许多块带凹凹凸纹路的滤板与滤框交替排列组装装于机而构成成。板框压滤机滤板和滤框多做成正方形形，角上均均开有小孔，组合后即构构成供滤浆和和洗涤水流通通的孔道。滤滤框的两侧覆覆以滤布，围围成容纳滤浆浆及滤饼的空空间。滤板的作用：支持滤布和和提供滤液流流出的通道。。滤板洗涤板：非洗板：滤框：二钮三钮板一钮板滤框的作用：提供滤浆流流入的通道和和收集滤渣。。滤板与滤框装装合方式：按钮数以1-2-3-2-1-2-3-2的顺序排列。。2）板框压滤滤机的操作板框压滤机为为间歇操作，每个操作循循环由装合、、过滤、洗涤涤、卸饼、清清理5个阶段段组成。悬浮液在指定压强下下经滤浆通路路由滤框角上上的孔道并行行进入各个滤滤框。滤液分别穿过滤框框两侧的滤布布，沿滤板板板面的沟道至至滤液出口排排出颗粒被滤布截留而而沉积在滤布布上，待滤饼饼充满全框后后，停止过滤滤。洗板板框压滤机框非洗板洗板滤液流出悬浮液入口洗板板框压滤机框非洗板洗板洗涤液流出洗涤液入口横穿洗涤法：：洗涤时，先将洗涤板板上的滤液出出口关闭，，洗涤水经洗洗水通路从洗洗涤半角上的的孔道并行进进入各个洗涤涤板的两侧。。特点：洗涤水穿过的的途径正好是是过滤终了时时滤液穿过途途径的二倍。洗涤液行程与与滤液相同。。洗涤面=过滤面置换洗涤：优点：结构简单，制制造容易，设设备紧凑，过过滤面积大而而占地小，操操作压强高，，滤饼含水少少，对各种物物料的适应能能力强。缺点：间歇手工操作作，劳动强度度大，生产效效率低。叶滤机由许多多滤叶组成。。滤叶内有空空间，外包滤滤布，将滤叶叶装在密闭的的机壳内，为为滤浆所浸没没。1）滤浆中的液液体在压力作作用下穿过滤滤布进入滤叶叶内部，成为为滤液后从其其一端排出（过滤）。2）过滤完毕，，机壳内改充充清水，使水水循着与滤液液相同的路径径通过滤饼进进行洗涤，故故为置换洗涤涤（洗涤涤）。3）最后后，滤滤饼可可用振振动器器使其其脱落落，或或用压压缩空空气将将其吹吹下（卸渣渣）。滤叶可可以水平放放置也也可以以垂直直放置置，滤浆浆可用用泵压入入也可可用真真空泵泵抽入入。2、加压压叶滤滤机优点:叶滤机机也是是间歇歇操作作设备备。它它具有有过滤滤推动动力大大，过过滤面面积大大，滤滤饼洗洗涤较较充分分等优优点。。其产产生能能力比比压滤滤机还还大，，而且且机械械化程程度高高，劳劳动力力较省省。缺点:构造较较为复复杂，，造价价较高高，粒粒度差差别较较大的的颗粒粒可能能分别别聚集集于不不同的的高度度，故故洗涤涤不均均匀。。2、转筒筒真空空过滤滤机1）转转筒真真空过过滤机机的结结构转筒真真空过过滤机机是工工业上上应用用最广广的一一种连续操操作的的过滤滤设备备。设备的的主体体是一一个能能转动动的水水平圆圆筒，，圆筒筒表面面有一一层金金属网网，网网上覆覆盖滤滤布，，筒的的下部部进入入滤浆浆中，，圆筒筒沿径径向分分割成成若干干扇形形格，，每个个都有有单独独的孔孔道通通至分分配头头上。。圆筒筒转动动时，，凭借借分配配头的的作用用使这这些孔孔道依依次分分别与与真空空管及及压缩缩空气气管相相通，，因而而在回回转一一周的的过程程中每每个扇扇形格格表面面即可可顺序序进行行过滤滤、洗洗涤、、吸干干、吹吹松、、卸饼饼等项项操作作。2）分分配头头的结结构及及工作作原理理分配头头由紧紧密贴贴合着着的转动盘盘与固定盘盘构成，，转动动盘随随筒体体一起起旋转转，固固定盘盘内侧侧面各各凹槽槽分别别与各各种不不同作作用的的管道道相通通。①当转转动盘盘上的的某几几个小小孔与与固定定盘上上的凹凹槽2相对时时，这这几个个小孔孔对应应的连连通管管及相相应的的转筒筒表面面与滤滤液真真空管管相连连，滤滤液便便可经经连通通管和和转动动盘上上的小小孔被被吸入入真空空系统统；同同时滤滤饼沉沉积于于滤布布的外外表面面上。。此为过过滤。②转动动盘转转到使使这几几个小小孔与与凹槽槽3相对时时，这这几个个小孔孔对应应的连连通管管及相相应的的转筒筒表面面与洗洗水真真空管管相连连，转转筒上上方喷喷洒的的洗水水被从从外表表面吸吸入连连通管管中，，经转转动盘盘上的的小孔孔被送送入真真空系系统。。此为为洗洗涤涤、、吸吸干干。③当当这这些些小小孔孔凹凹槽槽4相对对时时，，这这几几个个小小孔孔对对应应的的连连通通管管及及相相应应的的转转筒筒表表面面与与压压缩缩空空气气吹吹气气相相连连，，压压缩缩空空气气经经连连通通管管从从内内向向外外吹吹向向滤滤饼饼，，此为为吹吹松松。。④随随着着转转筒筒的的转转动动，，这这些些小小孔孔对对应应表表面面上上的的滤滤饼饼又又与与刮刮刀刀相相遇遇，，被被刮刮下下。。此为为卸卸渣渣。。继续续旋旋转转，，这这些些小小孔孔对对应应的的又又重重新新浸浸入入滤滤浆浆中中，，这这些些小小孔孔又又与与固固定定盘盘上上的的凹凹槽槽2相对对，，又又重重新新开开始始一一个个操操作作循循环环。。⑤每每当当小小孔孔与与固固定定盘盘两两凹凹槽槽之之间间的的空空白白位位置置（（与与外外界界不不相相通通的的部部分分））相相遇遇时时，，则则转转筒筒表表面面与与之之相相对对应应的的段段停停止止工工作作，，以以便便从从一一个个操操作作区区转转向向另另一一操操作作区区，，不不致致使使两两区区相相互互串串通通。。转筒的过滤面面积一般为5～40m2，浸没部分占总总面积的30%～40%。转速可在一一定范围内调调整，通常为为0.1～3r/min。滤饼厚度一般般保持在40mm以内，转筒过过滤机所得滤滤饼中的液体体含量很少低低于10%，，常可达30%左右。优点：能连续自动操操作，省人力力，生产能力力大，适用于于处理易含过过滤颗粒的浓浓悬浮液。缺点：附属设备较多多，投资费用用高，过滤面面积不大。过过滤推动力有有限，不易过过滤高温的悬悬浮液。四、滤饼洗涤涤洗涤速率：特点：洗涤时推动力力、阻力不变变，洗涤速度度为常数。滤饼洗涤的目目的：为了回收滤饼饼里存留的滤滤液，或者净净化构成滤饼饼颗粒。单位时间内消消耗的洗水容容积洗涤时间：洗涤液量洗涤速率与过过滤终了时的的过滤速率有有关，这个关关系取决于滤滤液设备上采采用的洗涤方式。叶滤机采用的的置换洗涤法，洗水与过滤滤终了时的滤滤液流过的路路径就完全相相同。当操作作压强强差和和洗水水与滤滤液粘粘度相相同时时横穿洗洗涤法法：洗水横横穿两两层滤滤布及及整个个厚度度的滤滤饼，，流径径长度度约为为过滤滤终了了时滤滤液流流动的的两倍倍。而而供洗洗水流流通的的面积积仅为为过滤滤面积积的一一半。当操作作压强强差和和洗水水与滤滤液粘粘度相相同时时当洗水水粘度度、洗洗水表表压与与滤液液粘度度、过过滤压压强差差有明明显差差异时时，所所需的的过滤滤时间间可进进行校校正。。过滤机机的生生产能能力：：单位时时间的的滤液液体积积或滤滤渣体体积，，m3/s1、间间歇过过滤机机的计计算一个操操作周周期时时间为为：生产能能力为为：