第3章非均相物系的分离-2-过滤

第3章非均相物系的分离——过滤Keywords:

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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。非均相混合物过滤介质纯净流体一、概述

1.过滤的基本概念

2.过滤过程二、过滤过程的计算

1.流体通过颗粒层的模型

2.过滤速率方程

3.过滤常数的确定三、本节小结

主要内容作业1：习题3-11,取K0=5.0作业2：见最后一页PPT一.概述过滤过程在化工中的应用：除杂质、得到产品。水平真空带式过滤机板框式压滤机1.过滤过程的基本概念滤浆：过滤操作中所处理的悬浮液；滤液：通过多孔介质的液体；滤渣（滤饼）：被截留住的固体物质；不可压缩滤饼、可压缩滤饼过滤介质：滤饼的支承物。滤浆滤饼过滤介质滤液2.过滤过程2.1固液分离过程深层过滤：固体量<0.1%滤饼过滤：固体量>1%深层过滤1）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。2.2影响过滤的因素过滤方式推动力：重力、离心力或压力差。2）过滤推动力（重力、压力差或离心力），相对于气体介质，液体介质的阻力大大增加，因此仅靠重力和离心力已经不足以分离大量的液固混合物。二、过滤过程的计算（非稳态过程）3）助滤剂，防止滤渣堆积过于密实，提高滤液过滤效率的物质，一般为粒径不一的惰性材料构成。常用助滤剂：硅藻土、珍珠岩、木炭、石棉粉。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定义表达式单位时间获得的滤液体积称为过滤速率1.流体通过颗粒层的模型

1.1.简化物理模型将流体流过颗粒层间不规则通道中的流动压降问题简化为一组当量的平行恒截面直管。1）当量长度为Le(与实际颗粒层的流动阻力相当)；2）总内表面积等于颗粒层所有颗粒的表面积之和；3）总流动空间等于颗粒层的所有空隙容积之和。2）当量直径为：则表观速度u和真实速度u’之间的关系为：定义床层空隙率ε为：1）表观速度和真实流速1.2数学模型滤液通过饼层的流动常属于层（滞）流流型：以1m3颗粒床层为例，有：a为颗粒的体积比表面积令则：3）过滤速度表达式过滤速度方程令l=K0L，将u、de代入得：4）直管组的压力降依Fanning公式，有：将de、u’代入上式得：r称为滤饼的比阻，，为与滤饼的结构有关的常数，s称为压缩指数，当滤饼不可压缩时，s＝0；当滤饼可压缩时，s=0.2～0.8。其中，K’称为Kozeny常数，一般K’=5.0；

Re’为流体在颗粒层空隙的雷诺数。式中λ’=λLe/8L,研究表明，在低雷诺数下，有：2.过滤速率方程滤饼的厚度L可以通过物料衡算求得：因此，有：实际过滤过程，可以分为两个过程：滤饼过滤过程和介质过滤过程。2.1微分式对于滤饼过滤过程，有：对于介质过滤过程，可把过滤阻力表示为滤液qe

通过当量滤饼厚度所产生的阻力，即令Le=cVe/A，则有：依据等比定理，有：或者令：称过滤常数，m2/s。得到过滤过程的微分方程：

2.2积分式1)恒压过滤过程此时，

，对微分式分离变量，并积分，有：或者或者为了计算方便，有时候把积分变量分别改为：于是有：或者当介质阻力可以忽略时，有：2)恒速过滤过程或者例题：某氧化镁厂在生产过程中生成含CaCO3和MgCO3固体的悬浮液。其中固体含量为20g/L，溶液为Mg(HCO3)2稀溶液，因为溶液很稀，其物性可按水考虑。现用板框压滤机进行压滤。板框尺寸为长0.8m，宽为0.8m，厚为0.1m，共10个框。用3B57A型离心泵输送加压，在过滤期间平均压差为0.45MPa，操作为恒压过滤，过滤1h得滤液26.24m3，经2h滤饼充满滤框得滤液37.75m3，所得滤饼含水25%(质量)，CaCO3和MgCO3固体的平均密度可取2000kg/m3。滤饼不进行洗涤，卸饼、拆装等辅助时间为0.5h。为了提高板框压滤机的生产能力，减少过滤所需的能耗，建议采用以下方案：先将悬浮液进行澄清，得到澄清液和增稠液。澄清液只含微量固体(可按无固体考虑)，增稠液含固体10%(质量)，再将澄清液进行过滤，然后过滤增稠液，试估算此方案可使板框压滤机的生产能力提高多少？(假设：改进方案操作时，平均操作压力、温度、滤饼含水量等均与原操作情况相同，滤饼不可压缩。)一、原生产能力：解：A＝0.8×0.8×10×2＝12.8m2充满滤框V饼＝0.8×0.8×10×0.1=0.64m3θ1=1hV1=26.24m3θ2=2hV2=37.75m3(充满滤框，V浆＝38.39m3）可以解出：以固相为基准对增稠液体进行衡算：充满滤框的V浆=38.39m3，增稠液体含固体90%：二、改造方案生产能力：1、求V稀，V稠①求K’：2、求θ稀以介质阻力为主的等速过滤3、求θ稠利用计算4、求Q′②求

q’e③求θ稠

2.3过滤常数qe

和K的确定

1.恒压下K、qe、θe的测定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Δθ与Δq的对应值。由恒压过滤方程微分实验原理：然后在直角坐标纸上以Δθ/Δq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。求得：由：θq△θ△q△θ/△q0000θ1q1θ1q1θ1/q1θ2q2θ2-θ1q2-q1(θ2-θ1)/(q2-q1)θ3q3θ3-θ2q3-q2(θ3-θ2)/(q3-q2)……………由实验测得的K值，可进一步确定滤饼比阻的值

r

，00.00300.0450.0150.0600.00750.009050010001500q2、压缩性指数s的测定

∴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B。由此可得到滤饼的压缩性指数s及物料特性常数K。由两端取对数，得三、过滤计算过滤计算的依据：（过滤速率方程）1.间歇过程周期进行，每一周期包括：过滤、滤渣洗涤、辅助操作时间Vh:生产能力，一周期中所得到的滤液量，m3/h恒压过滤计算式恒速过滤计算式或或1）过滤时间2)洗涤时间θW的计算对板框过滤机，一般采用横穿洗涤法，有：θF

可由速率方程求得。因此，有：当洗涤水的粘度、压差与滤液相差较大时，有：3)最优操作周期忽略介质阻力，有：且：于是有：令：解得：洗涤的总时间等于辅助时间时，压滤机的生产能力最由以上结论可以看出，当过滤与大。一.掌握流体通过颗粒床层的特点，掌握过滤过程的特点；二.了解流体通过颗粒床层压降的推导过程，掌握床层空隙率、比阻的概念；掌握比阻与压力之间的关系；三.掌握恒速过滤速率方程