化工原理讲稿(上册)-应化第三章沉降与过滤2课件

第三节过滤一.过滤的基本概念二.过滤的基本方程式三.过滤设备及其操作四.过滤计算一、过滤的基本概念利用重力或在压力差的作用下，使悬浮液通过多孔性过滤介质，将固体颗粒截留，从而实现固-液分离的单元操作。1.过滤的基本概念滤浆——液固悬浮液，过滤的原料；滤液——过滤后得到的液体产品；滤饼——过滤后得到的固体产品；过滤介质—起过滤作用的多孔性的物质织物介质：最常用的过滤介质，工业上称为滤布(网)。由天然纤维、玻璃纤维、合成纤维或者金属丝编织而成；可截留的最小颗粒视网孔大小而定，一般在几到几十（5～65μm）微米范围。一、过滤的基本概念多孔膜：由特殊工艺合成的聚合物薄膜，最常见的是醋酸纤维膜与聚酰胺膜。膜过滤属精密过滤或超滤，可以分离5nm的微粒。一、过滤的基本概念2.过滤方式过滤介质为织物、多孔材料或膜等，孔径可大于最小颗粒的粒径。过滤初期，部分小颗粒可能会进入或穿过介质的小孔，后因颗粒的架桥作用使介质的孔径缩小形成有效的阻挡。被截留在介质表面的颗粒形成滤渣层（滤饼），随滤饼的形成，真正起过滤介质作用的是滤饼，而非过滤介质本身，故称作滤饼过滤。表面过滤(滤饼过滤)：深层过滤：小于介质孔隙的颗粒可进入到介质内部，在长而曲折的孔道中被截留并附着于介质之上。深层过滤无滤饼形成，主要用于净化含固量很少（<0.1%）的流体，如水的净化、烟气除尘等。过滤介质一般为介质层较厚的滤床类（如沙层、硅藻土、核桃壳等）。特性：能形成多孔饼层的刚性颗粒，提高滤饼渗透性，减小阻力；一定的化学稳定性；操作压差的范围内不可压缩性。应用范围：以获得滤液为目的时可考虑加入助滤剂，当滤饼作为产品要回收时则不可用。3.滤饼的压缩性和助滤剂过滤速率：单位时间获得的滤液体积，m3/s4.过滤速率和过滤速度过滤速度：单位时间内通过单位过滤面积的滤液量，m3/（m2·s）,m/s(一)滤液通过滤饼的流动实际流速u∝过滤速度dV/(A·dτ)，流道长l∝滤饼厚度L，孔道的平均直径d难以测量，故引入比例系数r，将这些因素统统并入比例系数r内，则：层流流动：二.

过滤基本方程式Hagon-Poiseuille⒉滤饼的比阻r：单位：物义：说明：当粘度为1Pa·s的滤液以1m3/(m2·s)的过滤速度通过厚度为1m的滤饼层的压力损失。滤饼不可压缩：r’－单位压力差下的滤饼比阻，1/m2；s－滤饼的压缩性指数，s≤1。r=f（滤饼结构特性）；滤饼可压缩：（二）过滤基本方程式过滤介质层：认为介质产生的阻力与厚度为Le的滤饼层产生的阻力相等，引入过滤介质的当量滤饼厚度Le，则过滤介质的阻力=rμLe/A滤饼可压缩：定义饼液比：则：C＝滤饼体积/滤液体积V，m3饼/m3液过滤基本方程式（二）过滤基本方程式（三）恒压过滤悬浮液一定，μ、r’、C可视为常数令：表示悬浮液物性的常数k----滤饼常数恒压过滤，Δp1-s为常数（三）恒压过滤（三）恒压过滤令q=V/A，qe=Ve/A，令─恒压过滤方程式过滤常数说明：①(V+Ve)—(τ+τe)为一抛物线；②忽略过滤介质的阻力：Ve＝0，qe=0，则过滤基本方程式变为：③qe、τe称为介质常数，与K都称为过滤常数。例3-7在实验室中用一片过滤面积为0.1m2的滤叶对某种颗粒在水中的悬浮液进行试验，过滤压差为67kPa，过滤5min后得滤液1L，又过滤5min得滤液0.6L，若再过滤5min，可再得滤液多少?（四）恒速过滤恒速过滤即dV/dτ为常数：仍令：注：①K虽仍称为常数，但随压差△P而变；②恒速过滤很少维持到底，因随着过滤时间增加，压差持续增大，对设备不利。恒速过滤基本方程三、过滤常数的测定恒压过滤：(q+qe)2=K(τ+τe)微分：过滤常K和当量滤液体积Ve或qe等都由过滤物系的性质决定，需由实验测定。△τ/△q～q的函数关系是以2/K为斜率、2qe/K为截距的直线，实验测得不同时刻单位过滤面积的累积滤液量q，即可由上式回归出K和qe，τe

。四、过滤设备及其操作按操作的特点按推动力来源间歇式过滤机连续式过滤机重力过滤机加压过滤机真空过滤机离心过滤机分类3.洗涤操作：置换洗涤：（一）间歇式过滤机－板框压滤机当洗液粘度与滤液相同时，有过滤基本方程式可知：洗涤速率等于过滤终了速率置换洗涤易造成洗液走短路，洗涤效果不好，为了提高洗涤效果，可采用横穿洗涤。洗涤液洗出液框板框板洗涤板非洗涤板板非洗涤板洗涤液的行程（包括滤饼和滤布）约为过滤终了时滤液行程的2倍，而流通面积却为其1/2，故洗涤速率约为过滤终了速率的1/4。洗涤液洗出液框板框板洗涤板非洗涤板板非洗涤板（一）间歇式过滤机－板框压滤机横穿洗涤滤板和滤框可为铸铁、碳钢、不锈钢、塑料及木材等，聚乙烯和聚丙烯是目前较为广泛使用的材料。常用规格的板框其厚度为25~100mm,边框长为0.2~1.5m，框数由生产所需定，由数个至上百个不等。板框压滤机的操作压强一般在0.3~0.8Mpa之间。优点：结构简单紧凑，过滤面积大并可承受较高的压差。缺点：间歇式操作，所费的装、折、清洗时间较长，劳动强度大，生产效率较低。板框式压滤机主要用于含固量较多的悬浮液过滤。4.特点：板框压滤机的型式：嵌入式滤布的滤板XASL/630-UB系列XAZ/2000-UB系列XAZ/800-UB系（二）叶滤机由起过滤作用的滤叶和起密闭作用的筒体构成，操作为间歇式。滤叶有圆形和矩形等多种形式，由金属丝网组成的框架上覆以滤布构成，使用时可将多块平行排列的滤叶组装成一体插入箱体内。1.结构与原理：悬浮液被加压送入或借真空泵进行抽吸，滤液穿过滤布进入丝网构成的中空部分并汇集于下部总管流出，颗粒则沉积在滤布上形成滤饼，当滤饼达到一定厚度时停止过滤。视悬浮液的性质和操作压强的大小，滤饼厚度通常在5~35mm之间。过滤结束后，通入洗涤液对滤饼进行洗涤，洗涤液的行程和流通面积与过滤终了时滤液的行程和流通面积相同，在洗涤液与滤液的性质接近的情况下，洗涤速率约为过滤终了时速率。可用振动或压缩空气及清水等反吹卸滤渣。2.操作：优点：过滤面积大，设备紧凑，密闭操作，劳动条件较好。不必每次循环装卸滤布，劳动强度也大大降低。缺点：结构比较复杂，造价较高。3.特点：（二）叶滤机叶滤机的型式：

NYB系列高效板式密闭过滤机MYB型全自动板式密闭过滤机SYB系列水平叶片过滤机WYB系列卧式叶片过滤机叶滤机的型式：

（三）连续式过滤机－转筒真空过滤机1－转筒；2－滤饼；3－割刀；4－分配头；5－吸走滤液的真空凹槽；6－吸走洗水的真空凹槽；7－通入压缩空气的凹槽；I－过滤区；II－洗涤脱水区；III－卸渣区1.结构与原理：转筒旋转一周，每一个扇形过滤室依次完成真空过滤、洗涤、和压缩空气吹松、刮刀卸料等全部操作，相应分为过滤区、洗涤区、卸料区等几个不同的工作区域。转筒转速多在0.1～3r/min，浸入悬浮液中的吸滤面积约占总表面的30～40%。滤饼厚度范围大约3～40mm。2.过滤操作：优点：连续进料，操作自动化，生产能力大，改变转速即可调节滤饼厚度。缺点：过滤面积小，设备投资大，过滤推动力有限，滤饼含液量较大，常达30%。3.特点：五、过滤计算可以分为设计型计算与操作型计算两种类型。（1）设计型计算给定或已知的参数：过滤时间τ，滤液量V，△P。计算目的：求所需要的过滤面积A。（2）操作型计算已知设备尺寸和参数，给定操作条件（或给定生产任务），核算该过程设备可以完成的生产任务（或求取相应的操作条件）。操作型计算均涉及到过滤机生产任务即生产能力的问题。（一）板框压滤机恒压过滤计算⒈生产能力：板框压滤机的操作循环过滤机单位时间所获得的滤液量，Q，m3/s过滤洗涤卸饼、清洗滤布，组装得到滤液不能得到滤液不能得到滤液生产能力：（一）板框压滤机恒压过滤计算过滤时间洗涤时间辅助时间一个操作周期的总时间在一个操作周期内，过滤时间τ可根据过滤设备的条件及恒压过滤方程式计算（一）板框压滤机恒压过滤计算当操作情况及设备均一定时，Cl和C2为常数。辅助时间τD要视过滤机和过滤操作情况而定。滤饼的洗涤时间：由于洗液中不含有固体颗粒，故洗涤过程不再有滤饼生成，洗涤速率（dV/dτ）w不变。洗涤方式置换洗涤横穿洗涤如果洗液与滤液粘度相同：置换洗涤：洗涤速率与过滤终了速率相同；横穿洗涤：洗涤速率是过滤终了速率的1/4。置换洗涤时间：洗液体积为：洗涤时间：洗涤速率：横穿洗涤时间：洗液体积为：洗涤时间：洗涤速率：说明：①若μW≠μ，△PW≠△P，则应进行校正：②忽略介质阻力：Ve=0，则C2=0：③生产中应尽量缩短辅助操作时间τD以提高生产能力。横穿洗涤置换洗涤④τ、τW与V有关，V↑，τ↑，τW↑。V由生产任务所定。⑤若τ↑→V↑，但滤饼厚度L↑，平均过滤速率↓→Q↓；⑥τ↓→L↓，平均过滤速率↑，τW↓，但V↓，而τD一定且在一个周期内所占比例↑→Q↓。从上面的分析可知，对恒定过滤每一操作周期中必定存在一最佳的过滤时间τopt使Q最大。因此存在一个最佳操作周期。 说明：以生产上常见的横穿洗涤为例：即欲使生产能力Q为最大，则dQ/dV=02.最佳过滤时间与最大生产能力：当过滤介质阻力可忽略不计时：不洗涤2.最佳过滤时间与最大生产能力：结论（板框压滤机）：忽略介质阻力，滤饼不洗涤，当过滤时间τ=辅助时间τD时，生产能力Q最大；忽略介质阻力，滤饼进行洗涤，当τ+τW=τD时，生产能力Q最大：若忽略介质阻力，滤饼进行洗涤，应取τ+τW略大于τD。例题3-8某工厂以板框压滤机在恒压下过滤一种悬浮液，滤框为方形，边长1m，厚25mm，过滤机总的过滤面积为30m2，在目前操作情况下，当滤框充满滤饼时，每m2过滤面积得滤液1.4m3，需要时间3h，且滤饼未加洗涤。装卸滤框等辅助时间为0.67h，设过滤介质的阻力可以忽略，试求：(1)此机的生产能力。(2)若以1/3滤液体积的洗涤水以横穿洗涤方式洗涤滤饼，洗涤水的粘度与滤液相同，此机的生产能力将降低多少?(3)今有人建议将现用滤框厚度减半，其他情况不变，滤饼的洗涤仍以1/3滤液体积的洗涤水进行，改装以后此机生产能力有何变化。(4)若达到最大生产能力，滤框厚度应为多少？例题2炼油厂润滑油白土精制车间，用板框压滤机分离润滑油与白土，已知共有22块滤框。滤框的长和宽均为800mm，过滤压力差为1.96×105Pa，过滤常数K=2.5×10-5m2/S。实验测得悬浮液经同样条件过滤后，滤饼与滤液的体积之比为0.075m3/m3。忽略过滤介质阻力，滤饼不可压缩，清理和组装每对框和板需要4min的时间。试求(1)过滤30min时所得滤液的体积；(2)若用滤液体积的20%的洗液在相同的压力下对滤饼进行横穿洗涤，洗液的粘度与滤液相同，求板框压滤机能达到的最大生产能力是多少？(3)若达到最大生产能力，滤框厚度应为多少毫米？（洗液用量同上）(4)若过滤和洗涤的压力差降到9.8×104Pa，其他条件不变，最大生产能力为原来的多少？（二）转筒真空过滤机的计算转筒真空过滤机的特点是连续过滤，其生产能力Q的计算也要以一个操作周期即转筒旋转一周所经历的时间T为基准。但全部转鼓面积中只有浸入悬浮液中的那部分面积有滤液通过，属于过滤面积。浸没度：设转筒的转速为n，以转速n(转/分)匀速旋转的过滤机，转筒旋转一周所用的时间为1/n，而转筒任意表面在旋转一周的过程中从进入滤浆到离开滤浆的过滤时间为：＝浸入滤浆的表面积/转筒的总表面积此时，一台总过滤面积为A、浸没度为、转速为n的连续式真空过滤机，与一台在同样条件下操作的过滤面积为A、操作周期为T＝1/n、每次过滤时间为τ＝

/n的间歇式板框过滤机是等效的。（二）转筒真空过滤机的计算由：忽略介质阻力：真空过滤机过滤方程式真空过滤机生产能力①n↑→Q↑,但τ=/n↓，滤饼太薄，不易从转鼓表面刮下（一般L=3~5mm才易刮下），而且也使转动功率消耗增大。合适的转速需根据具体情况由实验决定，一般n=0.1~3转/min；②↑→Q↑，但转筒表面洗涤、卸饼等区域所占的区域便相应减小，过甚时亦会导致操作上的困难，一般=30~40%。讨论：忽略介质阻力：例题3-9某转筒真空过滤机的过滤面积为2m2，转速为1r/min，转筒的浸没角度为90O(如图所示)