化工原理 第三章 过滤

1、2020/7/4,第四节过滤一、过滤操作的基本概念二、过滤基本方程式三、恒压过滤四、过滤常数的测定五、过滤设备六、滤饼的洗涤七、过滤机的生产能力,第三章沉降与过滤,2020/7/4,一、过滤的基本概念,1、什么是过滤,固液混合，外力驱动，多孔介质，颗粒截留，液体通过,2020/7/4,2、过滤的概念,过滤在外力作用下，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、液分离的单元操作。,驱使液体通过过滤介质的推动力可以有重力、压力（或压差）和离心力，工业过程中经常采用的是压力；过滤操作的目的可能是为了获得清净的液体产品，也可能是为了得到固体产品；洗涤的作用：回

2、收滤饼中残留的滤液或除去滤饼中的可溶性盐。,其中多孔介质称为过滤介质；所处理的悬浮液称为滤浆；滤浆中被过滤介质截留的固体颗粒称为称为滤饼或滤渣；通过过滤介质后的液体称为滤液；,几点说明：,2020/7/4,3、过滤的分类,（1）按粒子的尺度过滤与超滤,过滤：宏观尺度，过滤悬浮液；,超滤：微观尺度，用超滤膜将大小不同的分子分开。,（2）按操作过程中的推动力,加压过滤；减压过滤；常压过滤；离心过滤。,2020/7/4,（3）按截留颗粒的方式,深层过滤,适合对象固体颗粒粒径较小、含量极少（固相体积分率在0.1%以下）的悬浮液。（如自来水厂的处理过程）,过滤原理悬浮液中的颗粒尺寸比介质孔道的尺寸小得多

3、，颗粒容易进入介质孔道。但由于孔道弯曲细长，颗粒随流体在曲折孔道中流过时，在表面力和静电力的作用下附着在孔道壁上。,过滤特征过滤时并不在介质上形成滤饼，固体颗粒沉积于过滤介质的内部。,2020/7/4,滤饼过滤,适合对象固体颗粒的尺寸大多都比介质的孔道大，固相含量稍高（固相体积分率在1%以上）的悬浮液。,过滤原理过滤时悬浮液置于过滤介质的一侧，在过滤操作的开始阶段，会有部分小颗粒进入介质孔道内，并可能穿过孔道而不被截留，使滤液仍然是混浊的。随着过程的进行，发生“架桥现象”，颗粒在介质上逐步堆积，形成了一个颗粒层，称为滤饼。,过滤特征在滤饼形成之后，它便成为对其后的颗粒起主要截留作用的介质。因此

4、，不断增厚的滤饼才是真正有效的过滤介质，穿过滤饼的液体则变为澄清的液体。,工业过程中一般为滤饼过滤。,2020/7/4,架桥现象,2020/7/4,过滤介质应具有下列条件：（1）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；（2）物理化学性质稳定，耐热，耐化学腐蚀；（3）足够的机械强度，使用寿命长；（4）价格便宜。,4、过滤介质滤饼的支承物,工业常用的过滤介质主要有：（1）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。,2020/7/4,（4）多孔膜：由高分子材料制成，膜很薄（几十m到20

5、0m），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。,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。,（2）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，能截留13m的颗粒。,（3）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。,2020/7/4,2020/7/4,5、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，

6、阻力增大。,（1）滤饼的种类,助滤剂一般用于可压缩滤饼。,2020/7/4,对于可压缩滤饼，过滤阻力在过滤压力提高时明显增大，过滤压力越大，这种情况会越严重。另外，悬浮液中所含的颗粒都很细，刚开始过滤时这些细粒进入介质的孔道中会将孔道堵死，即使未严重到这种程度，这些很细颗粒所形成的滤饼对液体的透过性也很差，即阻力大，使过滤困难。为解决上述两个问题，工业过滤时常采用助滤剂。,（2）助滤剂的作用,加入助滤剂后，可以改变滤饼的结构，增加滤饼的刚性，使形成的滤饼不仅结构疏松，而且几乎是不可压缩的滤饼。,2020/7/4,（4）助滤剂的加入方法,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

7、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的滤饼。,（3）常用的助滤剂坚硬且形状不规则的小固体颗粒,硅藻土；珍珠岩；石棉；炭粉、纸浆粉等。,2020/7/4,6、悬浮液量、固体量、滤液量及滤渣量之间的关系,C湿滤渣与其中所含干渣的质量比。（kg湿渣/kg干渣）,2020/7/4,（1）湿滤渣密度c的计算,由：湿滤渣体积干滤渣体积滤液体积以1kg干渣为基准，故：,（2）干渣质量与滤液体积的比值w,由过滤所得到的滤液体积量确定干渣质量。,设：X悬浮液中固体颗粒的质量分数，kg固体/kg悬浮液。,以1kg悬浮液为基准，故：,2020/7/4,（3）湿滤渣质量与滤液体积的比值（

8、wC）,（4）湿滤渣体积与滤液体积的比值（v）,由过滤所得到的滤液体积量确定湿滤渣的体积。,由过滤所得到的滤液体积量确定湿滤渣质量。,2020/7/4,二、过滤基本方程式,1、过滤速率与过滤速度的定义,过滤速率单位时间内所得到的滤液体积量，m3/s。表达式为：,过滤速度单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积，表达式为：,式中：u瞬时过滤速度，m3/sm2，m/s；V滤液体积，m3；A过滤面积，m2；过滤时间，s。,2020/7/4,两点说明：,随着过滤过程的进行，滤饼逐渐加厚。可以想见，如果过滤压力不变，即恒压过滤时，过滤速度将逐渐减小。因此上述定义为瞬时过滤速度。（恒压变速过程）,过滤过程中，

9、若要维持过滤速度不变，即维持恒速过滤，则必须逐渐增加过滤压力或压差。（恒速变压过程）,因此，过滤是一个不稳定的过程。即不存在既恒压又恒速的过程。,2020/7/4,2、过滤速度的表达,其中：pc滤液通过滤饼层时的压力降，也是通过该层的推动力；pm滤液通过介质层时的压力降，也是通过该层的推动力。,（1）过程的推动力,过滤过程中，需要在滤浆一侧和滤液透过一侧维持一定的压差，过滤过程才能进行。从流体力学的角度讲，这一压差用于克服滤液通过滤饼层和过滤介质层的微小孔道时的阻力，称为过滤过程的总推动力，以p表示。,这一压差部分消耗在了滤饼层，部分消耗在了过滤介质层，即：,2020/7/4,当滤液在滤饼层中

10、流过时，由于通道的直径很小，阻力很大，因而流体的流速很小，应该属于层流，压降与流速的关系服从Poiseuille(泊谡叶）定律：,其中，u滤液在滤饼中的真实流速；滤液粘度；l通道的平均长度；d通道的平均直径。,（2）滤液通过滤饼层时的速度,2020/7/4,（3）滤饼层的过滤速度,且写成等式，即：,滤饼层过滤速度计算式,式中Vc滤饼层体积；r比例系数，称为滤饼比阻，其值取决于滤饼的性质。,2020/7/4,（4）滤饼层的阻力,由：比较,可知：滤饼层阻力为RcrVc/A,而：Vc=vV,滤饼层阻力Rc=rvV/A,式中V滤液体积量；v单位体积滤液所对应的滤饼体积。,2020/7/4,（5）过滤介

11、质阻力,仿照滤饼阻力的确定方法，将过滤介质的阻力表示为：,Rm=rvVe/A,式中Ve当量滤液体积。指过滤介质所产生的阻力与某一体积的滤饼层的阻力相等时，获得该滤饼层所得到的滤液量。,注意：Ve是一个虚拟量，在过滤过程中并不会出现。因为，再过滤开始前，过滤介质就已经存在。其值取决于过滤介质和滤饼的性质。,2020/7/4,（6）过滤速率（速度）方程,滤液通过滤饼层及过滤介质的总推动力为：,通过滤饼层及过滤介质的总阻力为：,由此可知：,过滤速度方程,过滤速率方程,2020/7/4,三、恒压过滤,过滤操作的方式可分为：,实际生产中恒压过滤占主要地位，主要是易于控制。,恒压过滤的特点：在恒定压强差下

12、进行操作。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。,（1）恒压变速；,（2）恒速变压；,（3）先恒速后恒压。,2020/7/4,1、恒压过滤方程式,据,条件：恒压p=const设备一定A=const过滤介质一定Ve=const悬浮液一定r、v=const,令,过滤常数,则,2020/7/4,边界条件：0V0=VV,令qV/A单位过滤面积得到的滤液体积；qe=Ve/A过滤常数，单位过滤面积获得的虚拟滤液体积量。,2020/7/4,几点讨论：,（1）两式均称为恒压过滤方程式；,（2）反映了过滤一定时间后，所能得到的滤液量；,（3）此方程为一元二次方程，曲线形状为

13、抛物线型。,（4）由于是非线性关系，过滤开始时，一定时间内可得到较多的滤液量，随着过滤的进行，同样长的时间，得到的滤液量越来越少（阻力增大），若要得到相同的滤液量（恒速过滤），则只有增大推动力（p）。,2020/7/4,2020/7/4,（5）由比阻r的定义可以看出，其值与滤饼的空隙率及比例系数有关。如果滤饼不可压缩，则这两个量便与压力无关，则比阻便与压力无关，于是过滤常数K便与压力无关。如果滤饼可压缩，则r,K,qe与压力有关，则在某一压力下测定的r、K、qe不能用于其它压力下的过滤计算。,（6）平均比阻与压力之间有如下经验关系：rr0ps，其中s称为压缩性指数，其值取决于滤饼的压缩性，若不

14、可压缩，则s=0，r0为不随压力而变的常数。将这关系代入过滤常数的定义式可得：,过滤常数与压力之关系,2020/7/4,过滤计算必须在过滤常数具备的条件下才能进行。过滤常数K、qe（或Ve）的影响因素很多，包括：操作压力、滤饼及颗粒的性质、滤浆的浓度、滤液的性质、过滤介质的性质等，因此从理论上直接计算过滤常数比较困难，应该用实验的方法测定。,2、过滤常数的实验测定,两种测定方法,（1）方法一：对q2+2qqe=K进行微分可得：,整理后可得：,2020/7/4,将该式等号左边的微分用差分（增量）代替：,上式为一直线方程，它表明：对于恒压下过滤要测定的悬浮液，在实验中测出连续时间及以单位面积计的滤

15、液累积量q，然后算出一系列与q的对应值，在直角坐标系中以/q为纵坐标，以q为横坐标进行标绘，可得一条直线。,这条直线的斜率为:2/K,直线的截距为:2qe/K,2020/7/4,2020/7/4,对于恒压下过滤要测定的悬浮液，在实验中测出连续时间及以单位面积计的滤液累积量q，以q为横坐标，以/q为纵坐标，在直角坐标系中可得一条直线。,（2）方法二：将q2+2qqe=K两边同除以Kq可得：,该直线的斜率为:1/K,该直线的截距为：2qe/K,2020/7/4,测定步骤：,在一定压力P和过滤面积A下，测定滤液量V与过滤时间的数据：,123n,VV1V2V3Vn,数据处理：用V除以A,即q=V/A转

16、换，则有：,qq1q2q3qn,/q1/q12/q23/q3n/qn,然后以q为横坐标，以/q为纵坐标作图，可得到一条直线，读取该直线的斜率与截距。,2020/7/4,2020/7/4,1、板框压滤机,四、过滤设备,滤框的两侧覆以滤布，空框与滤布围成了容纳滤浆和滤饼的空间。,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。,由许多块带凹凸纹路的滤板与滤框交替排列组装而构成。,（1）板框压滤机的构造,2020/7/4,2020/7/4,板框过滤机实物图片,2020/7/4,（2）滤板与滤框,滤框：一般为方形，右上角的圆孔为滤浆（悬浮液）通道，此通道与框内相通，使滤浆

17、进入框内。左上角的圆孔是洗水通道，不与框内相通。在框外铸有两个钮。,滤板：两侧表面均做成纵横交错的沟槽，形成凹凸不平的表面，凸出部分用来支撑滤布，凹槽是滤液的流道。其右上角的圆孔为滤浆通道，左上角的圆孔为洗水通道。（与滤框相同）,2020/7/4,（3）滤板的两种类型洗涤板与非洗涤板,洗涤板：左上角的洗水通道与两侧表面的凹槽相同，可使洗水进入凹槽。通常在板的外侧铸有三个钮。,非洗涤板：左上角的洗水通道与两侧表面的凹槽不相通。通常在板的外侧铸有一个钮。,（4）板框的组合方式,按钮数以1-2-3-2-1-2的顺序排列。,2020/7/4,2020/7/4,洗涤板,非洗涤板,滤框（注意右上角的通道）

18、,2020/7/4,（5）板框压滤机的操作,板框压滤机一般为间歇操作，每个操作循环由5个阶段组成，即：,组装；,过滤；,洗涤；,卸饼；,整理。,2020/7/4,悬浮液在指定压强下经滤浆通道由滤框角右上角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。,过滤阶段,在此阶段，洗涤板与非洗涤板下角的阀门全部打开。,2020/7/4,洗涤阶段,洗涤时，先将洗涤板上的滤液出口阀关闭，洗涤水经洗水通路从左上角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，然后再穿过一层滤

19、布，最后沿滤板（一钮板）板面沟道至滤液出口排出。称为横穿洗涤法。,洗涤的目的：,（1）回收滤饼中残留的滤液；,（2）除去滤饼中的可溶性盐。,2020/7/4,2020/7/4,板框压滤机的优点：结构简单，制造容易；设备紧凑，过滤面积大而占地小；操作压强高，滤饼含水少，对各种物料的适应能力强。,（6）板框压滤机的特点,板框压滤机的缺点：间歇操作，生产能力低；手工操作，劳动强度大，生产效率低。,2020/7/4,2020/7/4,2、加压叶滤机叶滤机是由许多不同宽度的长方形滤叶装合而成。滤叶由金属丝网制造，内部具有空间，外罩滤布。叶滤机也为间歇操作，过滤时滤叶安装在能承受内压的密闭机壳内。滤浆用泵

20、送到机壳内，穿过滤布进入丝网构成的中空部分，然后汇集到下部总管而后流出。颗粒沉积在滤布上形成滤饼，当滤饼积到一定厚度，停止过滤。洗涤时，洗水的路径与滤液相同，这种洗涤方法称为置换洗涤法。叶滤机的优点是设备紧凑，密闭操作，劳动条件较好，每次循环滤布不用装卸，劳动力较省。,2020/7/4,2020/7/4,3、转筒真空过滤机1）转筒真空过滤机的结构转筒真空过滤机是应用最广的一种连续操作的过滤设备。设备的主体是一个能转动的水平圆筒，圆筒表面有一层金属网，网上覆盖滤布；筒的下部进入滤浆中，圆筒沿径向分割成若干扇形格，每个都有单独的孔道通至分配头上。圆筒转动时，凭借分配头的作用使这些孔道依次分别与真空

21、管及压缩空气管相通，因而在回转一周的过程中每个扇形格表面即可顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸饼等项操作。,2020/7/4,2020/7/4,2）分配头的结构及工作原理分配头由紧密贴合着的转动盘与固定盘构成，转动盘随筒体一起旋转，固定盘内侧面各凹槽分别与各种不同作用的管道相通。如图。当扇形格1开始进入滤浆内时，转动盘上相应的小孔道与固定盘上的凹槽f相对，从而与真空管道连通，吸走滤液。图上扇形格1至7所处的位置称为过滤区。扇形格转出滤浆槽后，仍与凹槽f相通，继续吸干残留在滤饼中的滤液。扇形格8至10所处的位置称为吸干区。,2020/7/4,扇形格转至12的位置时，洗涤水喷洒于滤饼上，此时扇形格

22、与固定盘上的凹槽g相通，经另一真空管道吸走洗水。扇形格12、13所处的位置称为洗涤区。扇形格11对应于固定盘上凹槽f与g之间,不与任何管道相连通，该位置称为不工作区。当扇形格有一区转入另一区时，因有不工作区的存在，使操作区不致相互串通。扇形格14的位置称为吸干区，15为不工作区。扇形格16、17与固定盘凹槽h相通，在与压缩空气管道相连，压缩空气从内向外穿过滤布而将滤饼吹松，随后由刮刀将滤饼卸除。扇形格16、17的位置称为吹松区及卸,2020/7/4,料区，18为不工作区。如此连续运转，整个转筒表面上便构成了连续的过滤操作。转筒的过滤面积一般为540m2，浸没部分占总面积的30%40%。转速可在

23、一定范围内调整，通常为0.13r/min。滤饼厚度一般保持在40mm以内，转筒过滤机所得滤饼中的液体含量很少低于10%，常可达30%左右。转筒真空过滤机的优点是能连续自动操作，省人力，生产能力大，适用于处理易含过滤颗粒的浓悬浮液。缺点是附属设备较多，投资费用高，过滤面积不大。过滤推动力有限，不易过滤高温的悬浮液。,2020/7/4,2020/7/4,2020/7/4,六、滤饼的洗涤,滤饼洗涤的目的：为了回收滤饼里存留的滤液，或者净化构成滤饼颗粒。,1、洗涤速率洗涤速率：,洗涤时间：,洗涤速率与过滤终了时的过滤速率有关，这个关系取决于滤液设备上采用的洗涤方式。,2020/7/4,叶滤机采用的置换

24、洗涤法，洗水与过滤终了时的滤液流过的路径完全相同。当操作压强差、洗水与滤液粘度相同时：,板框过滤机采用的是横穿洗涤法，洗水横穿两层滤布及整个厚度的滤饼，流径长度约为过滤终了时滤液流动的两倍，而供洗水流通的面积仅为过滤面积的一半，则：,2020/7/4,当操作压强差、洗水与滤液粘度相同时：,当洗水粘度、洗水表压与滤液粘度、过滤压强差有明显差异时，所需的过滤时间可进行校正：,2020/7/4,七、过滤机生产能力的计算,过滤机的生产能力：,单位时间的滤液体积或滤渣体积，m3/s,1、间歇过滤机的计算一个操作周期时间为,生产能力为,在间歇过滤机的生产中，总是力求获得最大的生产能力，因此，对于间歇过滤过

25、程来说，合理选择每个循环中的过滤时间，可以得到最大的生产能力。,2020/7/4,由,恒压过滤时，每次过滤所需时间,对于叶滤机,令a为洗涤液量与滤液量的比值，那么洗涤液量为aV，洗涤时间为:,2020/7/4,生产能力最大的条件,2020/7/4,对于板框压滤机，也可用此法求最大生产能力，但是，由于洗涤速率与最终过滤速率不同,2a应改为8a。,例：用一台BMS/635-25板框压滤机过滤一种含固体颗粒为25kg/m3的悬浮液，在过滤机入口处滤浆的表压为3.39105Pa,已测得在此压力下K=1.8610-4，qe=0.0282，所用滤布与实验时的相同，料浆温度为25，每次过滤到滤饼充满滤框为止，然后用清水洗涤滤饼，洗水温度及表压与滤浆相同，体积为滤液体积的8%，每次卸渣，清理，,2020/7/4,装合等辅助操作时间为15min。已知固相颗粒密度为2930kg/m3，又测得湿滤饼的密度为1930kg/m3。求此板框压滤机的生产能力，并讨论此板框压滤机是否在最佳操作状态下操作。解：,总过滤面积,滤框总容积,已知1m3滤饼的质量为1930kg，其中含水xkg,水的密度按1000kg/m3考虑。,x=518kg,2020/7/4,1m3滤饼中固相颗粒质量为1930-518=