第3章非均相物系的分離-2-過(guò)濾

第3章非均相物系的分離——過(guò)濾Keywords:

filtration,filtrate,filtercake過(guò)濾(Filtration)過(guò)濾:

利用能讓液體通過(guò)而截留固體顆粒的多孔介質(zhì)（過(guò)濾介質(zhì)），使懸浮液中固液得到分離的單元操作。非均相混合物過(guò)濾介質(zhì)純凈流體一、概述

1.過(guò)濾的基本概念

2.過(guò)濾過(guò)程二、過(guò)濾過(guò)程的計(jì)算

1.流體通過(guò)顆粒層的模型

2.過(guò)濾速率方程

3.過(guò)濾常數(shù)的確定三、本節(jié)小結(jié)

主要內(nèi)容作業(yè)1：習(xí)題3-11,取K0=5.0作業(yè)2：見(jiàn)最后一頁(yè)P(yáng)PT一.概述過(guò)濾過(guò)程在化工中的應(yīng)用：除雜質(zhì)、得到產(chǎn)品。水平真空帶式過(guò)濾機(jī)板框式壓濾機(jī)1.過(guò)濾過(guò)程的基本概念濾漿：過(guò)濾操作中所處理的懸浮液；濾液：通過(guò)多孔介質(zhì)的液體；濾渣（濾餅）：被截留住的固體物質(zhì)；不可壓縮濾餅、可壓縮濾餅過(guò)濾介質(zhì)：濾餅的支承物。濾漿濾餅過(guò)濾介質(zhì)濾液2.過(guò)濾過(guò)程2.1固液分離過(guò)程深層過(guò)濾：固體量<0.1%濾餅過(guò)濾：固體量>1%深層過(guò)濾1）過(guò)濾介質(zhì)，是濾餅的支承物，應(yīng)具有下列條件：

a)多孔性,孔道適當(dāng)小,對(duì)流體的阻力小,又能截住要分離的顆粒;b)物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐熱，耐化學(xué)腐蝕;c)足夠的機(jī)械強(qiáng)度，使用壽命長(zhǎng);d)價(jià)格便宜。2.2影響過(guò)濾的因素過(guò)濾方式推動(dòng)力：重力、離心力或壓力差。2）過(guò)濾推動(dòng)力（重力、壓力差或離心力），相對(duì)于氣體介質(zhì)，液體介質(zhì)的阻力大大增加，因此僅靠重力和離心力已經(jīng)不足以分離大量的液固混合物。二、過(guò)濾過(guò)程的計(jì)算（非穩(wěn)態(tài)過(guò)程）3）助濾劑，防止濾渣堆積過(guò)于密實(shí)，提高濾液過(guò)濾效率的物質(zhì)，一般為粒徑不一的惰性材料構(gòu)成。常用助濾劑：硅藻土、珍珠巖、木炭、石棉粉。過(guò)濾速率過(guò)濾速度單位時(shí)間通過(guò)單位過(guò)濾面積的濾液體積定義表達(dá)式單位時(shí)間獲得的濾液體積稱(chēng)為過(guò)濾速率1.流體通過(guò)顆粒層的模型

1.1.簡(jiǎn)化物理模型將流體流過(guò)顆粒層間不規(guī)則通道中的流動(dòng)壓降問(wèn)題簡(jiǎn)化為一組當(dāng)量的平行恒截面直管。1）當(dāng)量長(zhǎng)度為L(zhǎng)e(與實(shí)際顆粒層的流動(dòng)阻力相當(dāng))；2）總內(nèi)表面積等于顆粒層所有顆粒的表面積之和；3）總流動(dòng)空間等于顆粒層的所有空隙容積之和。2）當(dāng)量直徑為：則表觀(guān)速度u和真實(shí)速度u’之間的關(guān)系為：定義床層空隙率ε為：1）表觀(guān)速度和真實(shí)流速1.2數(shù)學(xué)模型濾液通過(guò)餅層的流動(dòng)常屬于層（滯）流流型：以1m3顆粒床層為例，有：a為顆粒的體積比表面積令則：3）過(guò)濾速度表達(dá)式過(guò)濾速度方程令l=K0L，將u、de代入得：4）直管組的壓力降依Fanning公式，有：將de、u’代入上式得：r稱(chēng)為濾餅的比阻，，為與濾餅的結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，s稱(chēng)為壓縮指數(shù)，當(dāng)濾餅不可壓縮時(shí)，s＝0；當(dāng)濾餅可壓縮時(shí)，s=0.2～0.8。其中，K’稱(chēng)為Kozeny常數(shù)，一般K’=5.0；

Re’為流體在顆粒層空隙的雷諾數(shù)。式中λ’=λLe/8L,研究表明，在低雷諾數(shù)下，有：2.過(guò)濾速率方程濾餅的厚度L可以通過(guò)物料衡算求得：因此，有：實(shí)際過(guò)濾過(guò)程，可以分為兩個(gè)過(guò)程：濾餅過(guò)濾過(guò)程和介質(zhì)過(guò)濾過(guò)程。2.1微分式對(duì)于濾餅過(guò)濾過(guò)程，有：對(duì)于介質(zhì)過(guò)濾過(guò)程，可把過(guò)濾阻力表示為濾液qe

通過(guò)當(dāng)量濾餅厚度所產(chǎn)生的阻力，即令Le=cVe/A，則有：依據(jù)等比定理，有：或者令：稱(chēng)過(guò)濾常數(shù)，m2/s。得到過(guò)濾過(guò)程的微分方程：

2.2積分式1)恒壓過(guò)濾過(guò)程此時(shí)，

，對(duì)微分式分離變量，并積分，有：或者或者為了計(jì)算方便，有時(shí)候把積分變量分別改為：于是有：或者當(dāng)介質(zhì)阻力可以忽略時(shí)，有：2)恒速過(guò)濾過(guò)程或者例題：某氧化鎂廠(chǎng)在生產(chǎn)過(guò)程中生成含CaCO3和MgCO3固體的懸浮液。其中固體含量為20g/L，溶液為Mg(HCO3)2稀溶液，因?yàn)槿芤汉芟?，其物性可按水考慮。現(xiàn)用板框壓濾機(jī)進(jìn)行壓濾。板框尺寸為長(zhǎng)0.8m，寬為0.8m，厚為0.1m，共10個(gè)框。用3B57A型離心泵輸送加壓，在過(guò)濾期間平均壓差為0.45MPa，操作為恒壓過(guò)濾，過(guò)濾1h得濾液26.24m3，經(jīng)2h濾餅充滿(mǎn)濾框得濾液37.75m3，所得濾餅含水25%(質(zhì)量)，CaCO3和MgCO3固體的平均密度可取2000kg/m3。濾餅不進(jìn)行洗滌，卸餅、拆裝等輔助時(shí)間為0.5h。為了提高板框壓濾機(jī)的生產(chǎn)能力，減少過(guò)濾所需的能耗，建議采用以下方案：先將懸浮液進(jìn)行澄清，得到澄清液和增稠液。澄清液只含微量固體(可按無(wú)固體考慮)，增稠液含固體10%(質(zhì)量)，再將澄清液進(jìn)行過(guò)濾，然后過(guò)濾增稠液，試估算此方案可使板框壓濾機(jī)的生產(chǎn)能力提高多少？(假設(shè)：改進(jìn)方案操作時(shí)，平均操作壓力、溫度、濾餅含水量等均與原操作情況相同，濾餅不可壓縮。)一、原生產(chǎn)能力：解：A＝0.8×0.8×10×2＝12.8m2充滿(mǎn)濾框V餅＝0.8×0.8×10×0.1=0.64m3θ1=1hV1=26.24m3θ2=2hV2=37.75m3(充滿(mǎn)濾框，V漿＝38.39m3）可以解出：以固相為基準(zhǔn)對(duì)增稠液體進(jìn)行衡算：充滿(mǎn)濾框的V漿=38.39m3，增稠液體含固體90%：二、改造方案生產(chǎn)能力：1、求V稀，V稠①求K’：2、求θ稀以介質(zhì)阻力為主的等速過(guò)濾3、求θ稠利用計(jì)算4、求Q′②求

q’e③求θ稠

2.3過(guò)濾常數(shù)qe

和K的確定

1.恒壓下K、qe、θe的測(cè)定對(duì)于一定恒壓下過(guò)濾的懸浮液，測(cè)出延續(xù)的時(shí)間及濾液的累計(jì)量q（按單位面積計(jì)）的數(shù)據(jù)，然后算出一系列的Δθ與Δq的對(duì)應(yīng)值。由恒壓過(guò)濾方程微分實(shí)驗(yàn)原理：然后在直角坐標(biāo)紙上以Δθ/Δq為縱坐標(biāo)，以q為橫坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)繪，可得到一斜率為2/K，截距為2qe/K的直線(xiàn)。求得：由：θq△θ△q△θ/△q0000θ1q1θ1q1θ1/q1θ2q2θ2-θ1q2-q1(θ2-θ1)/(q2-q1)θ3q3θ3-θ2q3-q2(θ3-θ2)/(q3-q2)……………由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的K值，可進(jìn)一步確定濾餅比阻的值

r

，00.00300.0450.0150.0600.00750.009050010001500q2、壓縮性指數(shù)s的測(cè)定

∴l(xiāng)gK與lg(△p)的關(guān)系在對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)繪時(shí)應(yīng)是直線(xiàn),直線(xiàn)的斜率為1-s，截距為B。由此可得到濾餅的壓縮性指數(shù)s及物料特性常數(shù)K。由兩端取對(duì)數(shù)，得三、過(guò)濾計(jì)算過(guò)濾計(jì)算的依據(jù)：（過(guò)濾速率方程）1.間歇過(guò)程周期進(jìn)行，每一周期包括：過(guò)濾、濾渣洗滌、輔助操作時(shí)間Vh:生產(chǎn)能力，一周期中所得到的濾液量，m3/h恒壓過(guò)濾計(jì)算式恒速過(guò)濾計(jì)算式或或1）過(guò)濾時(shí)間2)洗滌時(shí)間θW的計(jì)算對(duì)板框過(guò)濾機(jī)，一般采用橫穿洗滌法，有：θF

可由速率方程求得。因此，有：當(dāng)洗滌水的粘度、壓差與濾液相差較大時(shí)，有：3)最優(yōu)操作周期忽略介質(zhì)阻力，有：且：于是有：令：解得：洗滌的總時(shí)間等于輔助時(shí)間時(shí)，壓濾機(jī)的生產(chǎn)能力最由以上結(jié)論可以看出，當(dāng)過(guò)濾與大。一.掌握流體通過(guò)顆粒床層的特點(diǎn)，掌握過(guò)濾過(guò)程的特點(diǎn)；二.了解流體通過(guò)顆粒床層壓降的推導(dǎo)過(guò)程，掌握床層空隙率、比阻的概念；掌握比阻與壓力之間的關(guān)系；三.掌握恒速過(guò)濾速率方程