化工原理第三章过滤

1第一节过滤原理及设备一、过滤原理１．过滤（Filtration）过滤：是将悬浮液中的固、液两相有效地加以分离的常用方法。过滤的目的：获得清净的液体或获得作为产品的固体颗粒。过滤操作：是利用重力或人为造成的压差使悬浮液通过多孔性过滤介质，悬浮液中的固体颗粒被截留，滤液则穿过介质流出。2滤浆：未过滤的悬浮液过滤介质：多孔物质滤液：通过过滤介质的液体滤饼：被截留的固体颗粒层32、过滤方式滤饼过滤：固相体积占10%以上。深层过滤：固相体积在0.1％以下。3.过滤介质(PorousMedium)滤饼的支撑物。“架桥”现象。在滤饼过滤中，真正发挥分离作用的是滤饼，而不是过滤介质。过滤开始通常进行回流操作。4常用过滤介质类型织物介质：天然纤维织物，合成纤维织物，玻璃丝、金属、丝织物堆积介质：细砂、木炭、石棉、硅藻土等多孔固体介质：多孔陶瓷、多孔塑料、金属烧结板等5３．滤饼（Cake）由被截留的固体颗粒垒积而成的颗粒床层。不可压缩滤饼：构成滤饼的颗粒不易变形，滤饼空隙不因操作压差增大而改变。可压缩滤饼：颗粒易变形，空隙随操作压差增大而减小，液体流动阻力增大。过滤性能差。6助滤剂为改善滤饼的过滤性能，在过滤介质表面（或滤浆中）加入另一种质地坚硬不易变形的固体颗粒，形成较疏松的滤饼。这种颗粒称作助滤剂。基本要求：⑴良好的渗透性，较低的流动阻力；⑵不与滤浆发生化学反应，不溶于液相；⑶在操作压差范围内不可压缩。74、颗粒床层的特性众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒层称为固定床。1)固体颗粒（SolidParticle）固体颗粒影响流体流动的特性主要表现在颗粒的大小、形状、表面积上。8球形颗粒（SphericalParticle）体积：（m3）ｄp－球体直径（m）表面积：（m2）比表面积：（1/m）3pd6V2pdSpd6VSa球92)颗粒床层特性空隙率：空隙体积与颗粒床层体积之比。它反映床层中颗粒堆积的疏密程度。床层颗粒床层VVV影响因素：颗粒物性、形状、粒度分布、填充方式等10床层比表面：单位体积床层中所有颗粒的表面积。1a1VS1VSVSaB粒粒粒粒床层粒11上节重点内容回顾1.滤饼过滤中，真正发挥分离作用的是。A滤饼B过滤介质A2.什么叫固定床层的空隙率？空隙体积与颗粒床层体积之比。它反映床层中颗粒堆积的疏密程度。3.什么叫床层的比表面积单位体积床层中所有颗粒的表面积。12３)床层的各向同性若颗粒是非球形，各颗粒的定向应是随机的，此时可以认为床层是各向同性的。各向同性床层的一个重要特点：床层横截面上可供流体通过的空隙面积与床层截面之比在数值上等于空隙率ε。壁效应：壁面附近空隙率大于床层内部的现象。对于直径较大的床层，壁效应可以忽略，近似认为各截面上空隙率相同。135.滤饼的洗涤某些过滤过程需要回收滤饼中残留的滤液或除去滤饼中的可溶性盐，则在过滤过程结束时用清水或其他液体通过滤饼流动，称为洗涤。a-b置换洗涤146.过滤过程的特点过滤过程中，床层厚度在变化，可按拟定态过程处理。设过滤设备的过滤面积为A、在过滤时间为τ时所获得的滤液量为V过滤速率u---单位时间、单位过滤面积所得的滤液量ddqAddVuAVq式中为通过单位过滤面积的滤液总量，m3/m215二、过滤设备（Filter）１．板框式压滤机（PlateFrameFilter）结构：由板（洗涤板、非洗涤板）和滤框构成，如图。主要参数：过滤面积，板框尺寸、数量，操作压力等。特点：结构紧凑，过滤面积大，操作压差高，可过滤细小颗粒或粘度较大的物料。但劳动强度大，操作环境差。16２．箱式压滤机（BoxFilter）结构：仅由滤板构成。主要参数：同上。特点：具有与板框压滤机相同的优点，并且自动化程度高。17３．袋滤机（Candle/Plate/LeafFilter）结构：网状框架外套滤布，固定于总滤液管上，滤槽密封。特点：过滤面积大，操作环境好，滤饼洗涤充分。但结构复杂，滤布更换较麻烦，设备造价高。18管式压滤机（TheCandleFilter）结构：网状框架，外面套一层滤布袋，多个框架连接于滤液总管。19操作：预涂，过滤，排浆，卸渣，清洗（再生）。20４．转筒过滤机（RotrayDrumFilter）结构（Constraction）:转鼓，分配头，滤浆槽，驱动装置。特点：自动连续操作，过滤速率较大。但过滤面积较小，过滤压差不大，附属设备较多，流程复杂。21工作循环（Cycle）：22操作过程（OperationProgram）23操作流程（OperationProgram）24第二节过滤过程计算一、过滤过程的数学描述1.物料衡算过滤面积---A,m2滤液量---V,m3通过单位过滤面积的滤液总量---qm3/m2滤饼厚度---L,m滤饼空隙率---ε滤液的密度---ρ固体颗粒的密度---ρp25悬浮液含固量---体积分数φ（m3固体/m3悬浮液）---质量分数w(kg固体/kg悬浮液)对颗粒在液体中不发生溶胀的物系，此两者关系为：/w1/w/wpp26qqAVLLAV）LA（1111BACKBACK1悬浮液过滤机滤液V滤饼LA液体LAε固体LA（1-ε）V+LA272、颗粒床层的压降固定床中颗粒间的空隙形成许多可供流体通过的细小通道。这些通道曲折、相互交联，截面大小、形状极不规则。流体通过如此复杂的通道阻力很难进行理论计算，必须依靠实验来解决问题。实验规划方法----数学模型法281）.床层的简化物理模型流体通过颗粒层的流动多为爬流状态，单位体积床层所具有的表面积对流动阻力有决定性的作用。可将床层中的不规则通道简化成长度为Le的一组等径、平行圆型通道，并规定：⑴细管的内表面积等于床层颗粒的全部表面⑵细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积⑶在原床层与简化床层空速u相等情况下，二者阻力或压降相同。29其当量直径为de浸润周边通道截面积4ed通道内表面积通道体积通道长度通道长度浸润周边通道截面积44ed30以１m3床层为例：通道的体积即空隙体积ε；忽略床层中因颗粒相互接触而彼此覆盖的表面积则：通道内表面积＝颗粒体积×颗粒比表面积＝（滤饼体积－空隙体积）×颗粒比表面积＝(1-ε)aade14......①312）.流体压降的数学模型简化的物理模型已将流体通过具有复杂几何边界的床层的压降简化为通过均匀圆管的压降，因此：……②u1—流体在细管内的流速u---空床流速（表观流速）……③221udLeeuuuu11或32将①③式代入②式，得：细管长度Le与床层高度L成正比，则上式可写成2318uaLLLe231ua'L，Pa滤饼两侧的修正压强差—333）.模型的检验和模型参数的估值康采尼(Kozeny）进行实验研究，发现在流速较低、雷诺数Re'2的情况下，实验数据能较好地符合下式Re''K'141441auuaudRe'eRe'---床层雷诺数K‘---康采尼常数34康采尼方程适用范围：Re'2ua.L322105欧根方程适用范围：Re'=0.17~4202323217511150ud.udLppBACK35影响床层压降的变量有三类：1、操作变量u2、流体物性μ和ρ3、床层特性ε和a其中影响最大的是εua'KL322136数学模型法主要步骤：1.将复杂的真实过程简化成易于用数学方程式描述的物理模型2.建立数学模型3.通过实验对数学模型的合理性进行检验并测定模型参数关键：在于合理简化，具体问题具体分析必须对于过程的内在规律特别是过程的特殊性有着深刻的理解。373、过滤速率（FilterRate）单位时间单位过滤面积得到的滤液体积。(m3/m2.s)ddqAddVu过滤速率(q=V/A)38由康采尼公式可得：ua.L322105La.ddqu223105qa.qa.ddqu232231051105∵qL1391）.滤饼阻力（ResistanceofCake）假设滤饼不可压缩，则空隙率ε为常数。颗粒形状、尺寸不变，比表面积ａ也是常数。令210513a.r过程阻力过程推动力qrddq过滤速率：40Δψ－滤饼（床层）两侧的压差，过滤推动力。ｒ－滤饼的比阻，表示了固体颗粒及滤饼结构对过滤速率的影响，可反应过滤操作的难易。对于不可压缩滤饼：r仅取决于悬浮液的物理性质，对于可压缩滤饼：Δψ↑，r↑srr）（0s—压缩指数不可压缩滤饼s=0可压缩滤饼s=0.2~0.8412）．过滤介质的阻力（ResistanceofMedium）过滤介质阻力的大小可视为通过单位过滤面积获得某当量滤液量qe所形成的虚拟滤饼层的阻力。通过过滤介质层的过滤速率：eqrddq2Δψ2－过滤介质两侧的压差rφμqe－过滤介质阻力42通过过滤介质层的过滤速率与通过滤饼的过滤速率相等。即：eeqqrqqrddq21eqrqrddq21故：Δψ－滤饼与过滤介质两侧的总压差，过滤总推动力。433）过滤常数由式可知，影响过滤速率的物性参数很多，包括悬浮液的性质（φ、μ等），及滤饼特性（ε、a，以r表示）。这些参数在一般恒压过滤中保持恒定，可将其归并为一常数，令rK2BACK用实验直接测得—参数归并法。K，qe称为过滤常数,由实验测定。44上节重点内容回顾1.为什么要对滤饼进行洗涤？某些过滤过程需要回收滤饼中残留的滤液或除去滤饼中的可溶性盐，则在过滤过程结束时用清水或其他液体通过滤饼流动，称为洗涤。452.板框压滤机的特点：结构紧凑，过滤面积大，操作压差高，可过滤细小颗粒或粘度较大的物料。劳动强度大，操作环境差。3.过滤速率u的定义单位时间、单位过滤面积所得的滤液量上节重点内容回顾：4、请说出下式中每一个符号的物理含义rK2464）过滤速率基本方程式（TheBaseEquation）V－滤液体积（m3），Ve=Aqe－形成与过滤介质阻力相等的滤饼层所得的滤液量（虚拟量）（m3）。此方程表示某一瞬时的过滤速率与物系性质、操作压差及该时刻以前的累计滤液量之间的关系，同时也表明了过滤介质阻力的影响。eeeVVKAddVqqKqqrddq22222或47二、间歇过滤过程（滤液量与过滤时间的关系）１．恒速过滤（Cons.RateFilter）.Consqq2Kddqeeqq2Kq2Kqqqe22e2A2KVVV2Kq222A2KV即：恒速过滤方程：或若忽略介质阻力：或48２．恒压过滤（Cons.PressureFilter）恒压过滤时Ｋ为常数oq0ed2KdqqqKqq2qe22e2KAVV2VKq222KAV恒压过滤方程：或若忽略介质阻力：或rK2eqqKddq249例1：某板框过滤机过滤面积为0.4m2，在恒压条件下过滤，４小时后得到80m3滤液，过滤介质阻力忽略不计，试求：１.若其他条件不变，过滤面积增加1倍，滤液Ｖ＝？２.若其他条件不变，操作时间缩短1倍，滤液Ｖ＝？３.若其他条件不变，操作压差增大1倍，且滤饼不可压缩，滤液Ｖ＝？50解：因介质阻力不计，故恒压方程：V2=KA2τ⑴过滤面积增加1倍，其余不变由方程802=K×0.42×4得Ｋ＝10000（m2/h）∵rK2同一过程，压差不变，Ｋ值不变故：V2=10000A2τ51当Ａ＝0.8（m2）时：)m(1604100008.0V3或V'/V=A'/A=2V2=KA2τV'=80×2=16