化工原理第三章第三節(jié)講稿課件-002

第三章

非均相物系分離一、過濾操作的基本概念二、過濾基本方程式三、恒壓過濾四、過濾常數(shù)的測(cè)定五、過濾設(shè)備六、濾餅的洗滌七、過濾機(jī)的生產(chǎn)能力第三節(jié)

過濾2023/7/201標(biāo)題添加點(diǎn)擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容點(diǎn)擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容總體概述點(diǎn)擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容標(biāo)題添加點(diǎn)擊此處輸入相關(guān)文本內(nèi)容2一、過濾操作的基本概念1、過濾的概念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。過濾操作中所處理的懸浮液濾漿

通過多孔介質(zhì)的液體

濾液

被截留住的固體物質(zhì)

濾渣（濾餅）

實(shí)現(xiàn)過濾操作的外力有重力、壓力、離心力，化工中應(yīng)用最多的是壓力過濾。2023/7/203

2、過濾方式過濾

深層過濾

濾餅過濾

固體顆粒的沉積發(fā)生在較厚的粒狀過濾介質(zhì)床層內(nèi)部，懸浮液中的顆粒直徑小于床層直徑，當(dāng)顆粒隨流體在床層的曲折孔邊穿過時(shí)，便粘附在過濾介質(zhì)上。適用于懸浮液中顆粒甚小且含量甚微（固相體積分率在0.1%以下）的場(chǎng)合

固體顆粒成餅層狀沉積于過濾介質(zhì)表面，形成濾餅

適用于處理固相含量稍高（固相體積分率在1%以上）的懸浮液。

2023/7/2043、過濾介質(zhì)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(dāng)?shù)男?，?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)格便宜工業(yè)常用的過濾介質(zhì)主要有

a)

織物介質(zhì)：又稱濾布，包括有棉、毛、絲等天然纖維，玻璃絲和各種合成纖維制成的織物，以及金屬絲織成的網(wǎng)能截留的粒徑的范圍較寬，從幾十μm到1μm。2023/7/205優(yōu)點(diǎn)：織物介質(zhì)薄，阻力小，清洗與更新方便，價(jià)格比較便宜，是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的過濾介質(zhì)。b)多孔固體介質(zhì)：如素?zé)沾桑瑹Y(jié)金屬．塑料細(xì)粉粘成的多孔塑料，棉花餅等這類介質(zhì)較厚，孔道細(xì)，阻力大，能截留1～3μm的顆粒。c)

堆積介質(zhì)：由各種固體顆粒（砂、木炭、石棉粉等）或非編織的纖維（玻璃棉等）堆積而成，層較厚。d)多孔膜：由高分子材料制成，膜很?。◣资蘭到200μm），孔很小，可以分離小到0.05μm的顆粒,應(yīng)用多孔膜的過濾有超濾和微濾。2023/7/2064、助濾劑濾餅不可壓縮濾餅:

顆粒有一定的剛性，所形成的濾餅并不因所受的壓力差而變形可壓縮濾餅:

顆粒比較軟，所形成的濾餅在壓差的作用下變形，使濾餅中的流動(dòng)通道變小，阻力增大。加入助濾劑可減少可壓縮濾餅的流動(dòng)阻力加入方法預(yù)涂

將助濾劑混在濾漿中一起過濾

用助濾劑配成懸浮液，在正式過濾前用它進(jìn)行過濾，在過濾介質(zhì)上形成一層由助濾劑組成的濾餅。2023/7/207二、過濾基本方程式1、濾液通過餅層的流動(dòng)

空隙率:單位體積床層中的空隙體積，用ε表示。

ε=空隙體積/床層體積m3/m3顆粒比表面積：?jiǎn)挝惑w積顆粒所具有的表面積，用a表示。

a=顆粒表面積/顆粒體積

de=4×水力半徑=4×管道截面積/潤(rùn)濕周邊顆粒床層的當(dāng)量直徑可寫為：2023/7/208de∝流通截面積×流道長(zhǎng)度∕潤(rùn)濕周邊長(zhǎng)度×流道長(zhǎng)度de∝流道容積∕流道表面積取面積為1m2厚度為1m的濾餅考慮：床層體積＝1×1＝1m3

流道容積＝1×ε＝εm3

流道表面積＝顆粒體積×顆粒比表面＝（1－ε）am2所以床層的當(dāng)量直徑為：濾液通過餅層的流動(dòng)常屬于層流流型，(1)2023/7/209濾液通過餅床層的流速與壓強(qiáng)降的關(guān)系為：（2）在與過濾介質(zhì)層相垂直的方向上床層空隙中的濾液流速u1與按整個(gè)床層截面積計(jì)算的濾液平均流速u之間的關(guān)系為：（3）將（1）、（3）代入（2）并寫成等式2023/7/2010比例常數(shù)K’與濾餅的空隙率、粒子形狀、排列及粒度范圍等因素有關(guān)。對(duì)于顆粒床層的層流流動(dòng)，K’值可取為5。——過濾速度表達(dá)式2、過濾速率

過濾速率過濾速度單位時(shí)間通過單位過濾面積的濾液體積單位時(shí)間獲得的濾液體積稱為過濾速率定義表達(dá)式2023/7/20113、濾餅的阻力

令——濾餅的比阻，1/m2

(4)令——濾餅阻力（5）速率＝推動(dòng)力∕阻力2023/7/2012由R＝rL可知，比阻r是單位厚度濾餅的阻力，數(shù)值上等于粘度為1Pa.s的濾液以1m/s的平均流速通過厚度為1m的濾餅層時(shí)，所產(chǎn)生的壓強(qiáng)降。反映了顆粒形狀、尺寸及床層空隙率對(duì)濾液流動(dòng)的影響床層空隙率ε愈小及顆粒比表面積α愈大，則床層愈致密，對(duì)流體流動(dòng)的阻滯作用也愈大。4、過濾介質(zhì)的阻力

過濾介質(zhì)的阻力也與其厚度及本身的致密程度有關(guān)，通常把過濾介質(zhì)的阻力視為常數(shù)。2023/7/2013濾液穿過過濾介質(zhì)層的速度關(guān)系式：式中：ΔP=ΔPC+ΔPm，代表濾餅與過濾介質(zhì)兩側(cè)的總壓強(qiáng)降，稱為過濾壓強(qiáng)差。也稱為過濾設(shè)備的表壓強(qiáng)?？捎脼V液通過串聯(lián)的濾餅與過濾介質(zhì)的總壓強(qiáng)降來表示過濾推動(dòng)力，用兩層的阻力之和來表示總阻力。(6)2023/7/2014設(shè)想以一層厚度為L(zhǎng)e的濾餅來代替過濾介質(zhì)，故（6）式可寫為式中：Le——過濾介質(zhì)的當(dāng)量濾餅厚度，或稱為虛擬濾餅厚度，m在一定的操作條件下，以一定介質(zhì)過濾一定懸浮液時(shí)，Le為定值，但同一介質(zhì)在不同的過濾操作中，Le值不同。2023/7/20155、過濾基本方程式濾餅厚度L與當(dāng)時(shí)已經(jīng)獲得的濾液體積V之間的關(guān)系為：c——濾餅體積與相應(yīng)的濾液體積之比，無因次，m3/m3。同理：Ve——過濾介質(zhì)的當(dāng)量濾液體積，或稱虛擬濾液體積，m3在一定的操作條件下，以一定介質(zhì)過濾一定的懸浮液時(shí)，Ve為定值，但同一介質(zhì)在不同的過濾操作中，Ve值不同。2023/7/2016（7）式就可以寫成——過濾速率的一般關(guān)系式

可壓縮濾餅的情況比較復(fù)雜，它的比阻是兩側(cè)壓強(qiáng)差的函數(shù)，

s——濾餅的壓縮性指數(shù)，無因次。s=0～1,對(duì)于不可壓縮濾餅，s=0。2023/7/2017對(duì)于可壓縮濾餅，過濾速率——過濾基本方程式適用于可壓縮濾餅及不可壓縮濾餅。對(duì)于不可壓縮濾餅，s=0。2023/7/2018三、恒壓過濾

恒壓過濾：在恒定壓強(qiáng)差下進(jìn)行的過濾操作。恒壓過濾時(shí)，濾餅不斷變厚致使阻力逐漸增加。但推動(dòng)力ΔP恒定，過濾速率逐漸變小。對(duì)于一定的懸浮液，μ,r’及c均可視為常數(shù)。令k——表征過濾物料特性的常數(shù)，（m4/N.s）。則過濾速率變?yōu)椋?023/7/2019積分得：假定獲得體積為Ve濾液所需的虛擬過濾時(shí)間為θe,則積分的邊界條件為：過濾時(shí)間濾液體積

0→θe

0→Veθe→θ+θeVe→V+Ve2023/7/2020積分兩式，并令K=2kΔP1-s

兩式相加，得：——恒壓過濾方程式

表明：恒壓過濾時(shí)，濾液體積與過濾時(shí)間的關(guān)系為拋物線方程當(dāng)介質(zhì)阻力可以忽略時(shí)，Ve=0，θe=0，過濾方程式則變?yōu)榱?023/7/2021——恒壓過濾方程K——過濾常數(shù)

由物料特性及過濾壓強(qiáng)差所決定，m2/sθe和qe——

介質(zhì)常數(shù)

反映過濾介質(zhì)阻力大小，s及m3/m2

當(dāng)介質(zhì)阻力可以忽略時(shí)，例2023/7/2022例：過濾一種固體顆體積分?jǐn)?shù)為0.1的懸浮液,濾餅含水的體積分?jǐn)?shù)為0.5,顆粒不可壓縮,經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定濾餅比阻為1.3×1011m-2,水的粘度為1.0×10-3Pa.s。在壓強(qiáng)差恒為9.8×104Pa的條件下過濾,假設(shè)濾布阻力可以忽略,試求：1）每m2過濾面積上獲得1.5m3濾液所需的過濾時(shí)間。2）如將此過濾時(shí)間延長(zhǎng)一倍,可再得濾液多少？解：1）過濾時(shí)間2023/7/2023∵濾布阻力可忽略2)求過濾時(shí)間加倍時(shí)的濾液量2023/7/2024四、過濾常數(shù)的測(cè)定

1、恒壓下K、qe、θe的測(cè)定

實(shí)驗(yàn)原理：

由恒壓過濾方程微分對(duì)于一定恒壓下過濾的懸浮液，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2023/7/2025θq0000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。求得2023/7/20262023/7/20272、壓縮性指數(shù)s的測(cè)定

由兩端取對(duì)數(shù)，得＝常數(shù)∴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,直線的斜率為1-s，截距為lg(2k)。由此可得到濾餅的壓縮性指數(shù)s及物料特性常數(shù)k。2023/7/2028五、過濾設(shè)備

1、板框壓濾機(jī)1）板框壓濾機(jī)的構(gòu)造

由許多塊帶凹凸紋路的濾板與濾框交替排列組裝于機(jī)而構(gòu)成。

濾板和濾框多做成正方形，角上均開有小孔，組合后即構(gòu)成供濾漿和洗滌水流通的孔道。濾框的兩側(cè)覆以濾布，圍成容納濾漿及濾餅的空間。2023/7/2029濾板的作用：支持濾布和提供濾液流出的通道。濾板洗滌板：非洗板：濾框：二鈕濾板與濾框裝合時(shí)，按鈕數(shù)以1-2-3-3-1-2的順序排列。三鈕板一鈕板2023/7/20302023/7/20312023/7/20322）板框壓濾機(jī)的操作板框壓濾機(jī)為間歇操作，每個(gè)操作循環(huán)由裝合、過濾、洗滌、卸餅、清理5個(gè)階段組成。

懸浮液在指定壓強(qiáng)下經(jīng)濾漿通路由濾框角上的孔道并行進(jìn)入各個(gè)濾框，

濾液分別穿過濾框兩側(cè)的濾布，沿濾板板面的溝道至濾液出口排出。

顆粒被濾布截留而沉積在濾布上，待濾餅充滿全框后，停止過濾。

2023/7/2033三鈕洗滌板2023/7/2034

洗滌時(shí)，先將洗滌板上的濾液出口關(guān)閉，洗滌水經(jīng)洗水通路從洗滌半角上的孔道并行進(jìn)入各個(gè)洗滌板的兩側(cè)。

洗滌水在壓差的推動(dòng)力下先穿過一層濾布及整個(gè)框厚的濾餅，然后再穿過一層濾布，最后沿濾板（一鈕板）板面溝道至濾液出口排出。稱為橫穿洗滌法，它的特點(diǎn)是洗滌水穿過的途徑正好是過濾終了時(shí)濾液穿過途徑的二倍。板框壓濾機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，設(shè)備緊湊，過濾面積大而占地小，操作壓強(qiáng)高，濾餅含水少，對(duì)各種物料的適應(yīng)能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是間歇手工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。2023/7/20352023/7/20362、加壓葉濾機(jī)

葉濾機(jī)是由許多不同寬度的長(zhǎng)方形濾葉裝合而成。濾葉由金屬絲網(wǎng)制造，內(nèi)部具有空間，外罩濾布。葉濾機(jī)也為間歇操作，過濾時(shí)濾葉安裝在能承受內(nèi)壓的密閉機(jī)殼內(nèi)。濾漿用泵送到機(jī)殼內(nèi)，穿過濾布進(jìn)入絲網(wǎng)構(gòu)成的中空部分，然后匯集到下部總管而后流出。顆粒沉積在濾布上，形成濾餅，當(dāng)濾餅積到一定厚度，停止過濾。洗滌時(shí)，洗水的路徑與濾液相同，這種洗滌方法稱為置換洗滌法。

葉濾機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備緊湊，密閉操作，勞動(dòng)條件較好，每次循環(huán)濾布不用裝卸，勞動(dòng)力較省。

2023/7/20372023/7/20383、轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)1）轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)是工業(yè)上應(yīng)用最廣的一種連續(xù)操作的過濾設(shè)備。設(shè)備的主體是一個(gè)能轉(zhuǎn)動(dòng)的水平圓筒，圓筒表面有一層金屬網(wǎng)，網(wǎng)上覆蓋濾布，筒的下部進(jìn)入濾漿中，圓筒沿徑向分割成若干扇形格，每個(gè)都有單獨(dú)的孔道通至分配頭上。圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，憑借分配頭的作用使這些孔道依次分別與真空管及壓縮空氣管相通，因而在回轉(zhuǎn)一周的過程中每個(gè)扇形格表面即可順序進(jìn)行過濾、洗滌、吸干、吹松、卸餅等項(xiàng)操作2023/7/20392023/7/20402）分配頭的結(jié)構(gòu)及工作原理分配頭由緊密貼合著的轉(zhuǎn)動(dòng)盤與固定盤構(gòu)成，轉(zhuǎn)動(dòng)盤隨筒體一起旋轉(zhuǎn)，固定盤內(nèi)側(cè)面各凹槽分別與各種不同作用的管道相通。如圖。當(dāng)扇形格1開始進(jìn)入濾漿內(nèi)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)盤上相應(yīng)的小孔道與固定盤上的凹槽f相對(duì)，從而與真空管道連通，吸走濾液。圖上扇形格1至7所處的位置稱為過濾區(qū)。扇形格轉(zhuǎn)出濾漿槽后，仍與凹槽f相通，繼續(xù)吸干殘留在濾餅中的濾液。扇形格8至10所處的位置稱為吸干區(qū)。2023/7/2041扇形格轉(zhuǎn)至12的位置時(shí)，洗滌水噴灑于濾餅上，此時(shí)扇形格與固定盤上的凹槽g相通，經(jīng)另一真空管道吸走洗水。扇形格12、13所處的位置稱為洗滌區(qū)。扇形格11對(duì)應(yīng)于固定盤上凹槽f與g之間,不與任何管道相連通，該位置稱為不工作區(qū)。當(dāng)扇形格由一區(qū)轉(zhuǎn)入另一區(qū)時(shí)，因有不工作區(qū)的存在，使操作區(qū)不致相互串通。扇形格14的位置稱為吸干區(qū)，15為不工作區(qū)。扇形格16、17與固定盤凹槽h相通，與壓縮空氣管道相連，壓縮空氣從內(nèi)向外穿過濾布而將濾餅吹松，隨后由刮刀將濾餅卸除。扇形格16、17的位置稱為吹松區(qū)及卸2023/7/2042料區(qū)，18為不工作區(qū)。如此連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，整個(gè)轉(zhuǎn)筒表面上便構(gòu)成了連續(xù)的過濾操作。轉(zhuǎn)筒的過濾面積一般為5～40m2，浸沒部分占總面積的30%～40%。轉(zhuǎn)速可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，通常為0.1～3r/min。濾餅厚度一般保持在40mm以內(nèi)，轉(zhuǎn)筒過濾機(jī)所得濾餅中的液體含量很少低于10%，?？蛇_(dá)30%左右。轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是能連續(xù)自動(dòng)操作，省人力，生產(chǎn)能力大，適用于處理易含過濾顆粒的濃懸浮液。缺點(diǎn)是附屬設(shè)備較多，投資費(fèi)用高，過濾面積不大。過濾推動(dòng)力有限，不易過濾高溫的懸浮液。2023/7/20432023/7/20442023/7/2045六、濾餅的洗滌

濾餅洗滌的目的：為了回收濾餅里存留的濾液，或者凈化構(gòu)成濾餅顆粒。1、洗滌速率

洗滌速率：

單位時(shí)間內(nèi)消耗的洗水容積，以表示。洗滌時(shí)間：洗滌速率與過濾終了時(shí)的過濾速率有關(guān)，這個(gè)關(guān)系取決于濾液設(shè)備上采用的洗滌方式。2023/7/2046葉濾機(jī)采用的置換洗滌法，洗水與過濾終了時(shí)的濾液流過的路徑就完全相同。當(dāng)操作壓強(qiáng)差和洗水與濾液粘度相同時(shí)板框過濾機(jī)采用的是橫穿洗滌法，洗水橫穿兩層濾布及整個(gè)厚度的濾餅，流徑長(zhǎng)度約為過濾終了時(shí)濾液流動(dòng)的兩倍。而供洗水流通的面積僅為過濾面積的一半2023/7/2047當(dāng)操作壓強(qiáng)差和洗水與濾液粘度相同時(shí)當(dāng)洗水粘度、洗水表壓與濾液粘度、過濾壓強(qiáng)差有明顯差異時(shí)，所需的過濾時(shí)間可進(jìn)行校正。2023/7/2048七、過濾機(jī)生產(chǎn)能力的計(jì)算過濾機(jī)的生產(chǎn)能力：?jiǎn)挝粫r(shí)間的濾液體積或?yàn)V渣體積，m3/s1、間歇過濾機(jī)的計(jì)算

一個(gè)操作周期時(shí)間為生產(chǎn)能力為在間歇過濾機(jī)的生產(chǎn)中，總是力求獲得最大的生產(chǎn)能力，因此，對(duì)于間歇過濾過程來說，合理選擇每個(gè)循環(huán)中的過濾時(shí)間，可以得到最大的生產(chǎn)能力。2023/7/2049由恒壓過濾時(shí)，每次過濾所需時(shí)間對(duì)于葉濾機(jī),令J為洗滌液量與濾液量的比值，那么洗滌液量為JV，洗滌時(shí)間為:2023/7/2050以θ對(duì)V求導(dǎo)，令，得——生產(chǎn)能力最大的條件如果過濾介質(zhì)阻力可以忽略不計(jì)，可得時(shí)，生產(chǎn)能力最大。即。如不進(jìn)行洗滌，則時(shí)，生產(chǎn)能力最大。2023/7/2051對(duì)于板框壓濾機(jī)，也可用此法求最大生產(chǎn)能力，但是，由于洗滌速率與最終過濾速率不同,2J2應(yīng)改為8J2。例：用一臺(tái)BMS/625-26板框壓濾機(jī)過濾一種含固體顆粒為25kg/m3的懸浮液，在過濾機(jī)入口處濾漿的表壓為3.39×105Pa,已測(cè)得在此壓力下K=1.86×10-4，qe=0.0282，所用濾布與實(shí)驗(yàn)時(shí)的相同，料漿溫度為25℃，每次過濾到濾餅充滿濾框?yàn)橹?，然后用清水洗滌濾餅，洗水溫度及表壓與濾漿相同，體積為濾液體積的8%，每次卸渣，清理，2023/7/2052裝合等輔助操作時(shí)間為15min。已知固相顆粒密度為2930kg/m3，又測(cè)得濕濾餅的密度為1930kg/m3。求此板框壓濾機(jī)的生產(chǎn)能力，并討論此板框壓濾機(jī)是否在最佳操作狀態(tài)下操作。解：

總過濾面積濾框總?cè)莘e已知1m3濾餅的質(zhì)量為1930kg，其中含水xkg,水的密度按1000kg/m3考慮。x=518kg202