化工原理第三章3过滤

一、过滤操作的基本概念二、过滤设备三、过滤基本理论四、滤饼的洗涤五、过滤机的生产能力第四节过滤1、过滤的概念过滤利用多孔介质（过滤介质），使液体通过而截留固体颗粒，从而使悬浮液中固液得到分离的单元操作。过滤操作中所处理的原始悬浮液滤浆通过多孔介质后的液体滤液被截留住的固体颗粒堆积层滤渣（滤饼）实现过滤操作的外力有重力、压力、离心力，化工中应用最多的是压力过滤。一、过滤操作的基本概念滤饼过滤深层过滤两种过滤方式深层过滤这种过滤是在过滤介质内部进行的，介质表面无滤饼形成。过滤用的介质为粒状床层或素烧（不上釉的）陶瓷筒或板。此法适用于从液体中除去很小量的固体微粒，例如饮用水的净化。一、过滤操作的基本概念2、过滤方式滤浆滤饼过滤介质滤液----推动力：重力、压力、离心力滤饼过滤深层过滤两种过滤方式滤饼过滤一、过滤操作的基本概念固体颗粒成饼层状沉积于过滤介质表面而形成滤饼适用于处理固相含量稍高（固相体积分率在1%以上）的悬浮液3、过滤介质过滤介质是滤饼的支承物，应具有下列条件：a)多孔性，对流体的阻力小，又能截住要分离的颗粒,孔道又不宜大。b)物理化学性质稳定，耐热，耐化学腐蚀。c)足够的机械强度，使用寿命长d)价格便宜工业常用的过滤介质主要有a)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，从几十微米到1微米。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。b)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1～3μm的颗粒。c)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。d)多孔膜：由高分子材料制成，膜很薄（几十μm到200μm），孔很小，可以分离小到0.05μm的颗粒,应用多孔膜的过滤有超滤和微滤。4、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，阻力增大。加入助滤剂可减少可压缩滤饼的流动阻力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。（一）压滤机1、板框压滤机1）板框压滤机的构造由许多块带凹凸纹路的滤板与滤框交替排列组装于机而构成。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。滤框的两侧覆以滤布，围成容纳滤浆及滤饼的空间。二、过滤设备滤板的作用：支持滤布和提供滤液流出的通道。滤板洗涤板：非洗板：滤框：二钮滤板与滤框装合时，按钮数以1-2-3-2-1-2-3-2的顺序排列。三钮板一钮板2）板框压滤机的操作板框压滤机为间歇操作，每个操作循环由装合、过滤、洗涤、卸饼、清理5个阶段组成。在指定压强下经滤浆通路由滤框角上的孔道并行进入各个滤框，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。被滤布截留而沉积在滤布上，待滤饼充满全框后，停止过滤。悬浮液滤液颗粒洗涤时，先将洗涤板上的滤液出口关闭，洗涤水经洗水通路从洗涤半角上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，它的特点是洗涤水穿过的途径正好是过滤终了时滤液穿过途径的二倍。2）板框压滤机的操作优点：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。缺点：间歇手工操作，劳动强度大，生产效率低。1、板框压滤机2、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工业上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。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。扇形格转至12的位置时，洗涤水喷洒于滤饼上，此时扇形格与固定盘上的凹槽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5～40m2，浸没部分占总面积的30%～40%。转速可在一定范围内调整，通常为0.1～3r/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。优点：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：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。2、转筒真空过滤机（一）过滤速度定义：单位时间通过单位过滤面积的滤液体积ddqAddVuu---瞬时过滤速率，m3·m-2·s-1即m·s-1q--单位过滤面积所得的滤液量，q=V/A，m3·m-2三、过滤的基本理论（二）过滤基本方程1、滤液通过滤饼层的流动1）细管的内表面积之和等于滤饼内颗粒的全部表面积；2）细管的全部流动空间等于滤饼内的全部空隙体积。空隙率:单位体积滤饼中的空隙体积，用ε表示。ε=空隙体积/滤饼体积Vcm3/m3滤饼比表面积：单位体积滤饼层所具有的表面积，aB。颗粒比表面积：细管的流动空间=细管的全部内表面=)1(aaBacVccBVaVa)1(滤液通过饼层的流动常属于层流，虚拟细管中的阻力损失21132eefdulpp)1(4ade(1)de=4×管道截面积/润湿周边虚拟细管的当量直径可写为：在与过滤介质层相垂直的方向上床层空隙（虚拟细管）中的滤液流速u1与按整个床层截面积计算的滤液平均流速u之间的关系为：/1uu（3）le=K0L（2）•将（1）、（3）式带入（2）式，整理得令r称为滤饼的比阻，与滤饼的比表面、孔隙率有关，对不可压缩滤饼，r为常数LpaKAddVu12203)1(2阻力推动力。则，rLpAddVumaK122203r1)1(2滤饼厚度L与当时已经获得的滤液体积V之间的关系为：cVLAAcVLc——获得单位体积滤液时，在过滤介质上被截留的滤饼体积，无因次，m3滤饼/m3滤液。同理：AcVLeeVe——滤出厚度为Le的一层滤饼所获得的滤液量，或称虚拟滤液体积，m3在一定的操作条件下，以一定介质过滤一定的悬浮液时，Ve为定值，但同一介质在不同的过滤操作中，Ve值不同。)(21eeLLrprLprLpAddVu)(eVVrcPAAddV——过滤速率的一般关系式可压缩滤饼的情况比较复杂，它的比阻是两侧压强差的函数，sPrr)(0s——滤饼的压缩性指数，无因次。s=0～1,对于不可压缩滤饼，s=0。)(22eVVKAddV——过滤基本方程式对于可压缩滤饼，过滤速率crpKs012（三）恒压过滤方程式间歇过滤方式：恒压、恒速或变速变压恒压过滤：在恒定压强差下进行的过滤操作。恒压过滤时，滤饼不断变厚致使阻力逐渐增加。但推动力ΔP恒定，过滤速率逐渐变小。对基本过滤方程积分，得222KAVVVe——恒压过滤方程式表明：恒压过滤时，滤液体积与过滤时间的关系为抛物线方程。当介质阻力可以忽略时，Ve=0，θe=0，过滤方程式则变为22KAVAVqAVqee及令Kq2Kqqqe22——恒压过滤方程K——过滤常数由物料特性及过滤压强差所决定，m2/seqKqKq2115001000q500000.0250.050.075q斜率1/K截距2qe/KCpsKlog)1(logcrpKs012恒压时：Kqqqe22logp~logK作图求出压缩指数s/q~q图（四）过滤常数的测定滤饼洗涤的目的：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：单位时间单位面积内消耗的洗水容积，洗涤阻力洗涤推动力wAddV)(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。四、滤饼洗涤当洗涤压力与最终过滤时的操作压力相同时ALLAddVddVLLAddVAddV)()()()(或叶滤机采用的置换洗涤法，洗水与过滤终了时的滤液流过的路径就完全相同。板框过滤机采用的是横穿洗涤法，洗水所横穿过的滤饼厚度2倍于最终过滤时滤液所通过的厚度。而供洗水流通的面积仅为过滤面积的一半。eeweLLLL)(2)(AAw21所以，洗涤速率只有最终过滤速率的1/4过滤机的生产能力：单位时间的滤液体积或滤渣体积，m3/s1、间歇过滤机的计算一个操作周期时间为RWc生产能力为RWVQ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。五、生产能力的计算2、最佳操作周期及最大生产能力一个周期内过滤时间有一最佳值，使生产能力最大。在此最佳过滤时间内生成的滤饼厚度，应是设计压滤机时决定最适宜框厚的根据。RWVQ将上式对V求导数，并令导数等于0，即可求得wRKAJVKAV22222在忽略介质阻力的条件下，当过滤时间与洗涤时间之和等于辅助时间时，间歇过滤机的生产能力最大。例3-6：在实验装置中过滤钛白的水悬浮液，过滤压力为0.3MPa，求得过滤常数为：K=5*10-5m2·s-1，qe=0.01m3·m-2.又测出滤饼体积与滤液体积之比为c=0.08m3·m-3.现要用工业型板框压滤机过滤同样的料液，过滤压力、所用滤布与实验相同。滤框长宽厚已知，过滤面积为33m2，框内总容积0.76m3.试计算：（1）过滤进行到框内全部充满滤饼所需的时间；（2）过滤后用总滤液量体积的1/10清水进行洗涤，求洗涤时间；（3）洗涤后卸渣、清理、重装共需40min，求每台压滤机的生产能力，以滤饼计算。大纲要求•掌握重力沉降和过滤的基本概念、基本原理、基本方程和基本计算方法。•了解板框过滤机、转筒过滤机的基本结构和操作方法