真空过滤实验报告

浙江大学化学实验报告课程名称：过程工程原理实验甲实验名称：真空过滤实验指导教师：专业班级：姓名：学号：同组学生：实验日期：实验地点：1/10一、实验目的1）熟悉真空过滤机的构造和操作方法；2）通过真空过滤实验，验证过滤基本理论；3）学会测定过滤常数K，𝑞𝑒，𝜏𝑒及压缩性指数s的方法；4）了解过滤压力对过滤速率的影响。二、试验流程与装置1-恒温滤浆槽；2-过滤漏斗；3-搅拌电机；4-计量筒；5-真空压力表6-缓冲罐；7-真空泵图1真空过滤试验流程示意图称取一定量的CaCO3，在恒温滤浆槽内配制一定浓度的CaCO3悬浮液，用电动搅拌器进行均匀搅拌，启动真空泵，使系统内形成真空达到指定值，然后打开过滤漏斗上的球阀使浆液在压差推动下流入过滤漏斗，经过滤后青叶流入量筒计量。三、基本原理过滤是以某种多孔物质为介质来处理悬浮液以达到固、液分离的一种操作过程，即在外力的作用下，悬浮液中的液体通过固体颗粒层（滤渣层）及多孔介质的孔道而固体颗粒被截留下来形成滤渣层，从而实现固、液分离。因此，过滤操作本质上是流体通过固体颗粒层的流动，而这个固体颗粒层（滤渣层）的厚度随着过滤的进行而不断增加，故在恒压过滤操作中，过滤速度不断降低。过滤速度u定义为单位时间单位过滤面积内通过过滤介质的滤液量。影响过滤速度的主要因素除过滤推动力（压强差）∆p、滤饼厚度L外，还有滤饼和悬浮液的性质、悬浮液温度、过滤介质的阻力等。过滤时滤液流过滤渣和过滤介质的流动过程基本上处在层流流动范围2/10内，因此，可利用流体通过固定床压降的简化模型，寻求滤液量与时间的关系，可得过滤速度计算式：u=dVAdτ=𝑑𝑞𝑑𝜏=𝐴∆𝑝1−𝑠𝜇𝑟𝐶(𝑉+𝑉𝑒)=𝐴∆𝑝1−𝑠𝜇𝑟′𝐶′(𝑉+𝑉𝑒)………………(1)式中：u—过滤速度，m/sV—通过过滤介质的滤液量，𝑚3𝜏–过滤时间，s𝑞—通过单位面积过滤介质的滤液量，𝑚3/𝑚2A—过滤面积，𝑚2∆𝑝—过滤压力（表压），𝑃𝑎𝑠—滤渣压缩性系数，𝜇—滤液的黏度，𝑃𝑎∙𝑠𝑟—滤渣比阻，1/𝑚2𝐶—单位滤液体积的滤渣体积，𝑚3/𝑚3𝑉𝑒—过滤介质的当量滤液体积，𝑚3𝑟′--滤渣比阻，𝐶′--单位滤液体积的滤渣质量，𝑘𝑔/𝑚3对于一定的悬浮液，在恒温和恒压下过滤时，𝜇、𝑟、𝐶和∆𝑝都恒定，为此令：K=2∆𝑝1−𝑠𝜇𝑟𝐶…………………………(2)于是式（1）改写为：dVdτ=𝐾𝐴22(𝑉+𝑉𝑒)……………………(3)式中，K为过滤常数，由物料特性及过滤压差所决定，𝑚2/𝑠将式（3）分离变量积分，整理得：∫(𝑉+𝑉𝑒)𝑑(𝑉+𝑉𝑒)𝑉+𝑉𝑒𝑉𝑒=12𝐾𝐴2∫𝑑𝜏𝜏0……………………(4)即：𝑉2+2𝑉𝑉𝑒=𝐾𝐴2𝜏…………………………(5)将式（4）中的积分极限改为从0到𝑉𝑒和从0到𝜏𝑒积分，则：𝑉𝑒2=𝐾𝐴2𝜏𝑒…………………………(6)将式（5）和式（6）相加，得：(𝑉+𝑉𝑒)2=𝐾𝐴2(𝜏+𝜏𝑒)……………………(7)式中，𝜏𝑒为虚拟过滤时间，相当于滤出滤液量𝑉𝑒所需的时间，s再将式（7）微分，得：2(𝑉+𝑉𝑒)𝑑𝑉=𝐾𝐴2𝑑𝜏……………………(8)将式（8）写成差分形式，则：∆𝜏∆𝑞=2𝐾𝑞̅+2𝐾𝑞𝑒………………………………(9)式中：∆𝑞—每次测定的单位过滤面积滤液体积，𝑚3/𝑚23/10∆𝜏—每次测定的滤液体积∆𝑞所对应的时间，s𝑞̅—相邻两个𝑞值的平均值，𝑚3/𝑚2以∆𝜏∆𝑞⁄为纵坐标，𝑞̅为横坐标将式（9）标绘成一条直线，可得该直线的斜率和截距，斜率：S=2𝐾；截距：I=2𝐾𝑞𝑒则，K=2𝑆,𝑚2/𝑠；𝑞𝑒=𝐾𝐼2=𝐼𝑆,𝑚3；𝜏𝑒=𝑞𝑒2𝐾=𝐼2𝐾𝑆2,𝑠改变过滤压差∆𝑝，可测得不同的K值，由K的定义是（2）两边取对数得：lgK=(1−s)lg(∆p)+B……………………（10）在实验压差范围内，若B为常数，则lgK~lg(∆p)的关系在直角坐标上应是一条直线，斜率为1−s，可得滤饼压缩性指数s。四、实验步骤1.实验前准备操作1）检查管道连接口有没有漏气，抱箍有没有松动；2）检查设备上各电器设备是否工作正常；3）检查计量筒是否标记正确；4）确认真空泵开关、恒温槽加热开关处于关闭状态；5）接通电源；6）关闭设备上所有阀门。2.实验过程操作1）配料：实验室提前准备好并完成了加料。2）搅拌：开机搅拌电机进行搅拌，控制好搅拌速度为100r/min.3）系统抽真空：先打开缓冲罐放空阀，在开启真空泵，然后通过调节缓冲罐放空阀开度，使系统内真空度达到指定值（0.06M𝑃𝑎、0.05M𝑃𝑎、0.04M𝑃𝑎）.注意：真空度一般在0.04M𝑃𝑎~0.06M𝑃𝑎之间，如果真空度过小则放空阀开度大，使真空泵在畅通大气下工作，此时工作时间一般为三分钟以内；如果过大则导致管道连接处承载压力过大，使连接处有气体进入。真空泵长时间使用后，如果真空度过大会导致泵出口有大量白烟冒出，此时应减小真空度或停泵冷却。4）过滤：打开过滤漏斗上的球阀，使滤浆槽内浆液在压强差的推动下通过过滤漏斗过滤，清液流入计量筒内。此时，真空压力表指示过滤真空度。5）每次实验时计量筒留有一定的液体1cm作为零液位，不同真空度下需要相同的零液位。在打开过滤漏斗上的球阀的同时开始计时，每次∆h取2cm，记录到达这一高度所需时间，测量10个读数停止实验。注意：计量筒内液位不得超过缓冲罐管口的高度，防止液体吸入真空泵。4/106）完成实验后，停真空泵，关闭过滤漏斗上的球阀，打开放液阀排出计量筒内的清液，但不要排净，需要留有一定的零液位，高度和第一次实验选取的高度相同。卸下过滤漏斗、滤布进行清洗，清洗时滤布不要折。清晰完成后安装好滤布、漏斗，然后进入下一个真空度实验。3.实验结束操作1）停真空泵，关闭搅拌电机，切断总电源；2）打开计量筒排液阀，排净计量筒内清液；3）排净恒温滤浆槽的滤液；4）清洗实验设备。五、实验数据处理与结果1.原始数据过滤面积：0.00363𝑚2;计量筒截面积：0.00196𝑚2压力表读数/M𝑃𝑎∆p/M𝑃𝑎h/cmτ/s-0.060.0600212.74489.206152.578227.7110311.9012389.1114474.8216572.9818673.8920766.5522873.73-0.050.0500226.18471.406125.258184.6610248.3512313.6714385.6716471.4618551.2020652.4922734.97-0.040.04005/10222.28485.536150.448221.3610300.8112381.8414466.7716560.4118660.8220764.5322887.122.数据计算以∆p=0.06M𝑃𝑎，h=4cm为例计算：q=0.00196×0.04÷0.00363=0.021598𝑚3/𝑚2∆τ=89.2−12.74=76.46s∆q=0.00196×0.02÷0.00363=0.010799𝑚3/𝑚2∆τ∆q=76.46÷0.010799=7080.352s/m同理，h=6cm时，q=0.0323987/𝑚2则，𝑞̅=(0.021598+0.032397)÷2=0.026997𝑚3/𝑚2于是可得下面计算表：∆p/M𝑃𝑎h/cmq/(𝑚3𝑚2)𝑞̅/(𝑚3𝑚2)∆τ/s∆q/(𝑚3𝑚2)∆τ∆q/(𝑠𝑚)0.06020.0107990.005399500.01079940.0215980.01619834776.467080.35260.0323970.02699724563.375868.19180.0431960.03779614375.146958.117100.0539940.04859504184.197796.166120.0647930.05939393977.217149.804140.0755920.07019283785.717936.921160.0863910.08099173698.169089.816180.0971900.091790634100.919344.472200.1079890.10258953292.668580.505220.1187880.113388430107.189925.0870.05020.0107990.005399500.01079940.0215980.01619834745.224187.46460.0323970.02699724553.854986.62080.0431960.03779614359.415501.4876/10100.0539940.04859504163.695897.824120.0647930.05939393965.326048.765140.0755920.070192837726667.347160.0863910.08099173685.797944.329180.0971900.09179063479.747384.087200.1079890.102589532101.299379.661220.1187880.11338843082.487637.8160.04020.0107990.005399500.01079940.0215980.01619834763.255857.07960.0323970.02699724564.916010.79880.0431960.03779614370.926567.337100.0539940.04859504179.457357.232120.0647930.05939393981.037503.543140.0755920.07019283784.937864.691160.0863910.08099173693.648671.255180.0971900.091790634100.419298.171200.1079890.102589532103.719603.758220.1187880.113388430122.5911352.08未排除较大误差数据时利用Excel作图可得：y=34341x+5747.9R²=0.794802000400060008000100001200000.020.040.060.080.10.12Δτ/Δq/s/mq/m0.06MPa7/10显然，0.06M𝑃𝑎时的第一组数据和第九组数据偏离趋势线较远；0.05M𝑃𝑎时的第十组数据偏离趋势线较远；导致𝑅2过小，则除去这几组数据后重新处理，利用Excel作图得到：y=43762x+3728.1R²=0.851301000200030004000500060007000800090001000000.020.040.060.080.10.12Δτ/Δq/s/mq/m0.05MPay=51949x+4642.7R²=0.953702000400060008000100001200000.020.040.060.080.10.12Δτ/τq/s/mq/m0.04MPa8/10由上表可得到∆𝜏∆𝑞~𝑞̅的关系式如下：y=45332x+5010.2R²=0.912402000400060008000100001200000.020.040.060.080.10.12Δτ/Δq/s/mq/m0.06MPay=51882x+3362.7R²=0.92501000200030004000500060007000800090001000000.020.040.060.080.10.12Δτ/Δq/s/mq/m0.05MPay=5194