第3章非均相物系的分離-2-過濾

第3章非均相物系的分離——過濾Keywords:

filtration,filtrate,filtercake過濾(Filtration)過濾:

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

1.過濾的基本概念

2.過濾過程二、過濾過程的計算

1.流體通過顆粒層的模型

2.過濾速率方程

3.過濾常數(shù)的確定三、本節(jié)小結(jié)

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

a)多孔性,孔道適當小,對流體的阻力小,又能截住要分離的顆粒;b)物理化學性質(zhì)穩(wěn)定，耐熱，耐化學腐蝕;c)足夠的機械強度，使用壽命長;d)價格便宜。2.2影響過濾的因素過濾方式推動力：重力、離心力或壓力差。2）過濾推動力（重力、壓力差或離心力），相對于氣體介質(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、過濾過程的計算（非穩(wěn)態(tài)過程）3）助濾劑，防止濾渣堆積過于密實，提高濾液過濾效率的物質(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。過濾速率過濾速度單位時間通過單位過濾面積的濾液體積定義表達式單位時間獲得的濾液體積稱為過濾速率1.流體通過顆粒層的模型

1.1.簡化物理模型將流體流過顆粒層間不規(guī)則通道中的流動壓降問題簡化為一組當量的平行恒截面直管。1）當量長度為Le(與實際顆粒層的流動阻力相當)；2）總內(nèi)表面積等于顆粒層所有顆粒的表面積之和；3）總流動空間等于顆粒層的所有空隙容積之和。2）當量直徑為：則表觀速度u和真實速度u’之間的關(guān)系為：定義床層空隙率ε為：1）表觀速度和真實流速1.2數(shù)學模型濾液通過餅層的流動常屬于層（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）過濾速度表達式過濾速度方程令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稱為濾餅的比阻，，為與濾餅的結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，s稱為壓縮指數(shù)，當濾餅不可壓縮時，s＝0；當濾餅可壓縮時，s=0.2～0.8。其中，K’稱為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.過濾速率方程濾餅的厚度L可以通過物料衡算求得：因此，有：實際過濾過程，可以分為兩個過程：濾餅過濾過程和介質(zhì)過濾過程。2.1微分式對于濾餅過濾過程，有：對于介質(zhì)過濾過程，可把過濾阻力表示為濾液qe

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

2.2積分式1)恒壓過濾過程此時，

，對微分式分離變量，并積分，有：或者或者為了計算方便，有時候把積分變量分別改為：于是有：或者當介質(zhì)阻力可以忽略時，有：2)恒速過濾過程或者例題：某氧化鎂廠在生產(chǎn)過程中生成含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，因為溶液很稀，其物性可按水考慮。現(xiàn)用板框壓濾機進行壓濾。板框尺寸為長0.8m，寬為0.8m，厚為0.1m，共10個框。用3B57A型離心泵輸送加壓，在過濾期間平均壓差為0.45MPa，操作為恒壓過濾，過濾1h得濾液26.24m3，經(jīng)2h濾餅充滿濾框得濾液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。濾餅不進行洗滌，卸餅、拆裝等輔助時間為0.5h。為了提高板框壓濾機的生產(chǎn)能力，減少過濾所需的能耗，建議采用以下方案：先將懸浮液進行澄清，得到澄清液和增稠液。澄清液只含微量固體(可按無固體考慮)，增稠液含固體10%(質(zhì)量)，再將澄清液進行過濾，然后過濾增稠液，試估算此方案可使板框壓濾機的生產(chǎn)能力提高多少？(假設(shè)：改進方案操作時，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充滿濾框V餅＝0.8×0.8×10×0.1=0.64m3θ1=1hV1=26.24m3θ2=2hV2=37.75m3(充滿濾框，V漿＝38.39m3）可以解出：以固相為基準對增稠液體進行衡算：充滿濾框的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)阻力為主的等速過濾3、求θ稠利用計算4、求Q′②求

q’e③求θ稠

2.3過濾常數(shù)qe

和K的確定

1.恒壓下K、qe、θe的測定對于一定恒壓下過濾的懸浮液，測出延續(xù)的時間及濾液的累計量q（按單位面積計）的數(shù)據(jù)，然后算出一系列的Δθ與Δq的對應(yīng)值。由恒壓過濾方程微分實驗原理：然后在直角坐標紙上以Δθ/Δq為縱坐標，以q為橫坐標進行標繪，可得到一斜率為2/K，截距為2qe/K的直線。求得：由：θq△θ△q△θ/△q0000θ1q1θ1q1θ1/q1θ2q2θ2-θ1q2-q1(θ2-θ1)/(q2-q1)θ3q3θ3-θ2q3-q2(θ3-θ2)/(q3-q2)……………由實驗測得的K值，可進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的測定

∴l(xiāng)gK與lg(△p)的關(guān)系在對數(shù)坐標紙上標繪時應(yīng)是直線,直線的斜率為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。由兩端取對數(shù)，得三、過濾計算過濾計算的依據(jù)：（過濾速率方程）1.間歇過程周期進行，每一周期包括：過濾、濾渣洗滌、輔助操作時間Vh:生產(chǎn)能力，一周期中所得到的濾液量，m3/h恒壓過濾計算式恒速過濾計算式或或1）過濾時間2)洗滌時間θW的計算對板框過濾機，一般采用橫穿洗滌法，有：θF

可由速率方程求得。因此，有：當洗滌水的粘度、壓差與濾液相差較大時，有：3)最優(yōu)操作周期忽略介質(zhì)阻力，有：且：于是有：令：解得：洗滌的總時間等于輔助時間時，壓濾機的生產(chǎn)能力最由以上結(jié)論可以看出，當過濾與大。一.掌握流體通過顆粒床層的特點，掌握過濾過程的特點；二.了解流體通過顆粒床層壓降的推導過程，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.掌握恒速過濾速率方程