化工原理第三章过滤3-2

第四节过滤过滤：在外力的作用下，悬浮液中的液体通过多孔介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固、液分离的操作。过滤目的：从悬浮液中分离出固体颗粒。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。在某些场合，过滤是沉降的后继操作。滤浆(slurry)：原悬浮液。滤饼(filtercake)：截留的固体物质。过滤介质(filteringmedium)：多孔物质。滤液(filterate)：通过多孔通道的液体。过滤操作示意图(滤饼过滤)（一）两种过滤方式1.滤饼过滤一、悬浮液的过滤滤饼过滤过程：刚开始：有细小颗粒通过孔道，滤液混浊。开始后：迅速发生“架桥现象”，颗粒被拦截，滤液澄清。架桥现象注意：所选过滤介质的孔道尺寸一定要使“架桥现象”能够发生。所以，在滤饼过滤时真正起过滤作用的是滤饼本身，而非过滤介质。固体含量较高的悬浮液特点：颗粒(粒子)并不形成滤饼,沉积于介质内部。深层过滤过滤对象：悬浮液中的固体颗粒小而少。过滤介质：堆积较厚的粒状床层。过滤原理：颗粒尺寸介质通道尺寸，颗粒通过细长而弯曲的孔道，靠静电和分子的作用力附着在介质孔道上。应用：适于处理生产能力大而悬浮液中颗粒小而且含量少（颗粒的体积百分数0.1%)，滤饼不为产品的场合,如水处理和酒的过滤。2.深层过滤(二）过滤介质过滤介质应具有如下性质：过滤介质的作用(滤饼过滤)：促使滤饼的形成，并支承滤饼。（1）多孔性，液体流过的阻力小；（2）孔道大小适当，能发生架桥现象；（3）有足够的机械强度,使用寿命长；（4）耐腐蚀性和耐热性（5）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μm到1μm。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。随着过滤的进行，滤饼的厚度增大，滤液的流动阻力亦逐渐增大，导致滤饼两侧的压强差增大。滤饼的压缩性对压强差有较大影响。滤饼分为可压缩滤饼和不可压缩滤饼。不可压缩滤饼：某些悬浮液中的颗粒所形成的滤饼具有一定的刚性，滤饼的空隙结构不会因为操作压差的增大而变形。可压缩滤饼：滤饼因为操作压差的增大而发生不同程度的变形，滤饼中的流动通道缩小，流动阻力增加。克服滤饼压缩性的手段：加入助滤剂改变滤饼的结构增加刚性助滤剂的加入，可以增大滤饼的空隙率，对于所处理的悬浮液颗粒比较细小而且粘度很大时，效果尤为明显。（三）助滤剂助滤剂的组成：不可压缩的粉状或纤维状固体。使用方法：适用场合：以获得清洁滤液为目的才使用，当滤饼是产品时不能使用助滤剂。①混入悬浮液：助滤剂混入待滤的悬浮液一起过滤。②预涂：预先制备只含助滤剂颗粒的悬浮液并先行过。常用的助滤剂：硅藻土、珍珠岩、石棉、炭粉等。要求：作助滤剂的物质应能较好地悬浮于料液中，且颗粒大小合适，助滤剂中还不应含有可溶于滤液的物质，以免污染滤液。（四）悬浮液量、固体量、滤液量与滤渣量的关系滤液量悬浮液中所含液体量滤液，密度ρ，体积V悬浮液液体湿滤渣，密度ρc干渣，密度ρp总物料：悬浮液质量=滤渣量+滤液量固体物料：悬浮液中固体量=滤渣中固体量物料衡算对于指定的悬浮液，获得一定量的滤液必定形成相应量的滤饼。悬浮液量、滤液量和滤饼量用以下的物料衡算式求出。C—含1kg干滤渣的湿滤渣质量。即湿滤渣质量与干滤渣质量之比。X—单位质量悬浮液中所含干滤渣质量。ω—得到1m3滤液所形成的干滤渣质量。kg(干渣)/m3(滤液)而湿滤渣体积=干滤渣体积+液体体积取含1kg干滤渣的湿滤渣为基准：取1kg悬浮液为基准：Ρp:固体的密度Ρc:湿滤渣的密度Ρ:液体的密度11CCPC/1CXXkg干渣/kg悬浮液湿滤渣质量与滤液体积的比值ωCωC——kg湿渣/m3滤液湿滤渣体积与滤液体积的比值ｖ——m3湿渣/m3滤液cC例3-4已知湿滤渣、干滤渣及滤液的密度分别为ρc=1400kg/m3，ρp=2600kg/m3，ρ=1000kg/m3。试求湿滤渣与其中所含干渣的质量比?若1kg悬浮液中含固体颗粒0.04kg，试求与1m3滤液所对应的干渣质量为多少？10001260011400CC)(/)(8.4304.015.21100004.013滤液干渣mkgCXX解：(1)由（2）已知X=0.4kg(干渣)/kg(悬浮液)11CCPC所以C=2.15kg(湿渣)/kg(干渣)例：已知某悬浮液中固相的质量分率为0.139，固相密度为2200kg/m3，液相为水，每1m3滤饼中含500kg水，其余全为固相。求滤饼体积与滤液体积之比。(1)以1m3滤饼为基准。解：1m3滤饼中水：500kg固体：体积0.5m3需要滤浆的质量为kg7.7913139.01100质量1100kg，《化工原理》课件——第三章非均相物系的分离生成的滤液质量为7913.7-500-1100＝6313.7kg158.03137.61(2)以1kg悬浮液为基准1kg悬浮液中水：0.861kg固体：0.139kg颗粒体积：351032.62200139.0m每1m3滤饼中含500kg水，即固相体积分率为0.5。滤饼体积：34510264.121032.6m滤饼中含水：kg0632.010500264.14则1kg悬浮液生成的滤液质量为158.010798.010264.1340.861-0.0632＝0.798kg(3)设得到1m3滤液可得到xm3滤饼22005.0x139.022005.0x10005.0x1000解得：158.0x二、过滤速率基本方程式设过滤设备的过滤面积为A，过滤时间为τ时所获得的滤液体积为V，式中：为单位过滤面积得到的滤液体积，m3/m2过滤速度：单位时间、单位过滤面积所得滤液体积。即：如果想保持一定的过滤速度，可以随着过滤操作的进行，逐渐增大压力差，来克服逐渐增大的过滤阻力。所以过滤速度可写成：滤饼过滤过程中，滤饼逐渐增厚，流动阻力也随之逐渐增大，则过滤速率逐渐减小，所以过滤过程属于不稳定的流动过程。过滤阻力过滤推动力过滤速度过滤推动力——压力差悬浮液滤饼过滤介质滤液pcpmpLp1p2pmcppp过滤阻力=滤饼阻力+过滤介质阻力ΔPC：饼层压差；ΔPm：过滤介质压差RCRmdpde对于滤饼层内不规则的通道，可以简化成由许多平行的细管（当量直径为de）组成，细管长度与床层高度成正比；细管内表面积之和等于滤饼内全部颗粒的外表面积；细管的全部流动空间等于滤饼内的全部空隙体积。滤液通过饼层的流动颗粒床层的特性可用空隙率、当量直径等物理量来描述。空隙率：单位体积床层中的空隙体积称为空隙率。式中ε——床层的空隙率，m3/m3。床层总体积床层空隙体积式中α——颗粒的比表面，m2/m3。颗粒体积颗粒表面积a比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积称为比表面积。颗粒床层的特性依照第一章中非圆形管的当量直径定义，当量直径为：流道长度润湿周边长流道长度流道截面积edade)1(流道表面积流道容积润湿周边长管道截面积水力半径44ed式中de——床层流道的当量直径，m故对颗粒床层直径应可写出：Lpduce)(21232dlupAF滤液通过饼层的流动常属于滞流流型，可以仿照圆管内滞流流动的泊稷叶公式(哈根方程)来描述滤液通过滤饼的流动，则滤液通过饼床层的流速与压强降的关系为：式中u1—滤液在床层孔道中的流速，m/s；L—床层厚度，m,Δpc—滤液通过滤饼层的压强降，pa；阻力与压强降成正比，因此可认为上式表达了过滤操作中滤液流速与阻力的关系。在与过滤介质相垂直的方向上，床层空隙中的滤液流速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：uu1)()1(1223LpaKuc上式中的比例常数K′与滤饼的空隙率、颗粒形状、排列及粒度范围诸因素有关。对于颗粒床层内的滞流流动，K′值可取为5。ade)1(Lpduce)(21)()1(5223LpaAdtdVuc)()1(5223LpAadtdVc式中V——滤液量，m3；t——过滤时间，s；A——过滤面积，m2。过滤速率为：任一瞬间的过滤速度为：过滤速度:单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积，m3/m2s。过滤速率:单位时间内获得的滤液体积，m3/s。过滤基本方程R——滤饼阻力，1/m,其计算式为：RprLpAdtdVcc322)1(5ar)()1(5223LpaAdtdVuc对于不可压缩滤饼，滤饼层中的空隙率ε可视为常数，颗粒的形状、尺寸也不改变，因而比表面a亦为常数，则有式中r——滤饼的比阻，1/m2,其计算式为：R=rL1.过滤速度与滤饼阻力比阻r单位厚度滤饼的阻力；在数值上等于粘度为1Pa·s的滤液以1m/s的平均流速通过厚度为1m的滤饼层时所产生的压强降；比阻反映了颗粒特性(形状、尺寸及床层空隙率)对滤液流动的影响；床层空隙率ε愈小及颗粒比表面a愈大，则床层愈致密，对流体流动的阻滞作用也愈大。通常把过滤介质的阻力视为常数，仿照滤液穿过滤饼层的速度方程则可写出滤液穿过过滤介质层的速度关系式：mmRpAdtdV式中Δpm——过滤介质上、下游两侧的压强差，Pa；Rm——过滤介质阻力，l/m由于很难划定过滤介质与滤饼之间的分界面，更难测定分界面处的压强，在操作过程中总是把过滤介质与滤饼联合起来考虑。2过滤速度与介质的阻力通常，滤饼与滤布的面积相同。所以两层中的过滤速度应相等，则：)()(mmmcRRpRRppAdtdV上式表明，可用滤液通过串联的滤饼与滤布的总压强降来表示过滤推动力，用两层的阻力之和来表示总阻力。式中：Δp—滤饼与滤布两侧的总压强差，称为过滤压强差。假设：厚度为Le的滤饼产生的阻力与滤布相同，而过程仍能完全按照原来的速率进行，则：rLe=Rm在一定的操作条件下，以一定介质过滤一定悬浮液时，Le为定值；但同一介质在不同的过滤操作中，Le值不同。)()(eeLLrprLrLpAdtdV式中Le——过滤介质的当量滤饼厚度，或称虚拟滤饼厚度，m。式中：v—滤饼体积与相应的滤液体积之比，无因次。AvVLLA=vV若每获得1m3滤液所形成的滤饼体积为vm3，则任一瞬间的滤饼厚度L与当时已经获得的滤液体积V之间的关系为：AvVLee同理，如生成厚度为Le的滤饼所应获得的滤液体积以Ve来表示，则式中Ve——过滤介质的当量滤液体积，或称虚拟滤液体积，m3。3.过滤基本方程式注意：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不同。AVVrvpAdtdVe过滤阻力过滤推动力2)(2)(AVVrveepVVrvpAdtdV上式适用于不可压缩滤饼。对于可压缩滤饼其比阻r与压强差有关。上式称为过滤基本方程式，它对各种过滤情况均适用。式中r′——单位压强下滤饼的比阻，1/m2Δp——过滤压强差，pas——滤饼的压缩性指数，无因此。一般情况下，s=0~1。对于不可压缩滤饼，s=0。)(12esVVvrpAdtdV根据上两式可得r=r′(Δp)s影响过滤速度的因素：（1）推动力p加压过滤、真空过滤、重力过滤、离心过滤（2）滤液的性质滤液黏度↓，过滤速度u↑