环境化工第七章过滤讲稿

2020/7/171第七章过滤一、过滤操作的基本概念二、过滤基本方程式三、恒压过滤四、过滤常数的测定五、过滤设备六、滤饼的洗涤七、过滤机的生产能力2020/7/172•“过滤”是用来做什么的？•分离液体或气体非均相混合物的常用方法。实验室里用到过“过滤”吗？“过滤”与“沉降”有什么区别？2020/7/173一、过滤操作的基本概念1、过滤的概念过滤利用能让流体（多为液体）通过而截留固体颗粒的多孔介质（过滤介质），在推动力的作用下，使流体（悬浮液）中固液得到分离的单元操作。推动力实现过滤操作的外力有重力、压力、离心力，应用最多的是压力过滤。2020/7/174滤浆通过多孔介质的液体滤液被截留住的固体物质滤渣（滤饼）过滤操作中所处理的悬浮液2020/7/1752、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，孔道适当的小，对流体的阻力小，又能截住要分离的颗粒。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μm到1μm。2020/7/176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。2020/7/1772020/7/1783、过滤的分类深层过滤（滤饼过滤）表面过滤过滤介质的孔要比待过滤液体中的固体颗粒的粒径小固体颗粒被过滤介质截留，成饼层状沉积于过滤介质表面，形成滤饼表面过滤按过滤机理分类2020/7/179过滤介质的孔道中可能会有细小的颗粒进入，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。应用污泥脱水给水中的慢滤池大气除尘中的袋滤器随着过滤的进行，细小的颗粒在孔道中架桥，形成滤饼，成为过滤介质。2020/7/1710深层过滤固体颗粒并不形成滤饼，而是沉积在较厚的粒状过滤介质床层内部，悬浮液中的颗粒直径小于床层直径，当颗粒随流体在床层的曲折孔边穿过时，便粘附在过滤介质上。适用于悬浮液中颗粒甚小且含量甚微（固相体积分率在0.1%以下）的场合2020/7/1711深层过滤应用水处理：快滤池2020/7/1712图5-19压力滤池进水排气管压力线出水滤头入孔挡板煤层砂层压力滤池压力表2020/7/1713深层过滤——实验装置图2020/7/1714按促使流体流动的推动力分类重力过滤真空过滤压力过滤2020/7/17154、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。2020/7/1716AddVu(1))(cmRRPu（2）二、过滤基本方程Darcy定律：速度＝推动力∕阻力rLRLrRcmmm,(3)2m:,－过滤比阻，rrm)(rLLrPumm（3）Ruth过滤方程2020/7/1717由R＝rL可知，比阻r是单位厚度滤饼的阻力，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。反映了颗粒形状、尺寸及床层空隙率对滤液流动的影响床层空隙率ε愈小及颗粒比表面积α愈大，则床层愈致密，对流体流动的阻滞作用也愈大。4、过滤介质的阻力Rm过滤介质的阻力也与其厚度及本身的致密程度有关，通常把过滤介质的阻力视为常数。2020/7/1718滤液穿过过滤介质层的速度关系式：式中：ΔP=ΔPC+ΔPm，代表滤饼与滤布两侧的总压强降，称为过滤压强差。也称为过滤设备的表压强。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。)()(mmmcRRpRRppAddV2020/7/1719设想以一层厚度为Le的滤饼来代替滤布，meRrL故（3）式可写为）4（)()(eeLLrPrLrLPAddVu式中：Le——过滤介质的当量滤饼厚度，或称为虚拟滤饼厚度，m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。2020/7/17205、过滤基本方程式滤饼厚度L与当时已经获得的滤液体积V之间的关系为：fVLAAfVLf——滤饼体积与相应的滤液体积之比，无因次，m3滤饼/m3滤液。Ve——过滤介质的当量滤液体积，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。AfVLee同理：2020/7/1721（4）式就可以写成)(AVVrfPAddVue)(2eVVrfPAddV——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=0.2～0.8,对于不可压缩滤饼，s=0。)(eVVrfPAu2020/7/1722对于可压缩滤饼，过滤速率)(012esVVfrPAddV——过滤基本方程式适用于可压缩滤饼及不可压缩滤饼。对于不可压缩滤饼，s=0。)(01esVVfrPAu2020/7/1723三、恒压过滤恒压过滤：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。对于一定的悬浮液，μ,r0及f均可视为常数。frk01令k——表征过滤物料特性的常数，（m4/N.s）。)(012esVVfrPAddV则过滤速率变为：esVVPkAddV122020/7/1724积分得：dPkAVVse12)(假定获得体积为Ve滤液所需的虚拟过滤时间为θe,则积分的边界条件为：过滤时间滤液体积0→θe0→Veθe→θ+θeVe→V+Ve)()()(0120eeeseVedPkAVVdVV)()()(12eeeeesVVVeedPkAVVdVV2020/7/1725积分两式，并令K=2kΔP1-s22eeKAV)13.2.7(222aKAVVVe两式相加，得：)()(22eeKAVV——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)14.2.7(22aKAVAVqAVqee及令2020/7/1726eeKq2)13.2.7(22bKqqqe）（）（eeKqq2——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/sθe和qe——介质常数反映过滤介质阻力大小，s及m3/m2当介质阻力可以忽略时，Kq2fμrΔPKS0122020/7/1727例：过滤一种固体颗体积分数为0.1的悬浮液,滤饼含水的体积分数为0.5,颗粒不可压缩,经实验测定滤饼比阻为1.3×1011m-2,水的粘度为1.0×10-3Pa.s。在压强差恒为9.8×104Pa的条件下过滤,假设滤布阻力可以忽略,试求：1）每m2过滤面积上获得1.5m3滤液所需的过滤时间。2）如将此过滤时间延长一倍,可再得滤液多少？解：1）过滤时间2020/7/1728smfrPKs/10625.0103.1100.11081.92223113401∵滤布阻力可忽略Kq2sKq3221065.1s3752)求过滤时间加倍时的滤液量s75037522Kq3312.2750106m5.112.2qq23/62.0mm33/25.05.0/1.0115.0/1.01mmf2020/7/1729四、过滤常数的测定1、恒压下K、qe、θe的测定实验原理：由恒压过滤方程)()2eeKqq（微分Kddqqqe)(2eqKqKq22对于一定恒压下过滤的悬浮液，测出延续的时间及滤液的累计量q（按单位面积计）的数据，然后算出一系列的Δθ与Δq的对应值2020/7/1730θqqq000011q11q11q22q1212qq1212qq然后在直角坐标纸上从Δθ/Δq为纵坐标，以q为横坐标进行标绘，可得到一斜率为2/K，截距为2qe/K的直线。eeKq2求得e2020/7/17312、压缩性指数s的测定由spkK12两端取对数，得)2lg()lg()1(lgkpsKfrk01＝常数∴lgK与lg(△p)的关系在对数坐标纸上标绘时应是直线:直线的斜率为1-s，截距为lg(2k)。由此可得到滤饼的压缩性指数s及物料特性常数k。2020/7/1732恒速过滤.constAVAddVu)(2)(01eesVVKAVVfrPAAddV2221KAVVVeKqqqe212恒速过滤，K随变化而变P2020/7/1733•例7.2.22020/7/1734六、滤饼的洗涤滤饼洗涤的目的：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：单位时间内消耗的洗水容积，以wddV)/(表示。洗涤时间：)(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。2020/7/1735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。当操作压强差和洗水与滤液粘度相同时)(2)()(2,eEwVVKAddVddV终板框过滤机采用的是横穿洗涤法，洗水横穿两层滤布及整个厚度的滤饼，流径长度约为过滤终了时滤液流动的两倍。而供洗水流通的面积仅为过滤面积的一半EeweLLLL)(2)(AAw212020/7/1736当操作压强差和洗水与滤液粘度相同时)('221)(1eswLLrPAddVEddV)(41)(82eVVKA当洗水粘度、洗水表压与滤液粘度、过滤压强差有明显差异时，所需的过滤时间可进行校正。))(('2020/7/1737七、过滤机生产能力的计算过滤机的生产能力：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DWT生产能力为DWVQ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。2020/7/1738由222KAVVVe恒压过滤时，每次过滤所需时间VKAVVKAe22221对于叶滤机,令a为洗涤液量与滤液量的比值，那么洗涤液量为aV，洗涤时间为:VKAaVVKAaVVKAaVeew222222)(2DeeVKAaVVKAaVKAVVKAV222222222212020/7/1739以θ对V求导，令0dVd，得22221KAaKAVD2122222VKAaVKAD——生产能力最大的条件如果过滤介质阻力可以忽略不计，可得)21(aD时，生产能力最大。即wD。如不进行洗涤，则D时，生产能力最大。2020/7/1740对于板框压滤机，也可用此法求最大生产能力，但是