过滤基本原理

第二节过滤一过滤基本原理1．过滤过滤是在外力作用下，使悬浮液中的液体通过多孔介质的孔道，而悬浮液中的固体颗粒被截留在介质上，从而实现固、液分离的操作。说明①其中多孔介质称为过滤介质；所处理的悬浮液称为滤浆；滤浆中被过滤介质截留的固体颗粒称为称为滤饼或滤渣；通过过滤介质后的液体称为滤液。②驱使液体通过过滤介质的推动力可以有重力、压力（或压差）和离心力；③过滤操作的目的可能是为了获得清净的液体产品，也可能是为了得到固体产品。④洗涤的作用：回收滤饼中残留的滤液或除去滤饼中的可溶性盐。2．过滤介质过滤介质起着支撑滤饼的作用，并能让滤液通过，对其基本要求是具有足够的机械强度和尽可能小的流动阻力，同时，还应具有相应的耐腐蚀性和耐热性。工业上常见的过滤介质：①织物介质：又称滤布，是用棉、毛、丝、麻等天然纤维及合成纤维织成的的织物，以及由玻璃丝或金属丝织成的网。这类介质能截留颗粒的最小直径为。织物介质在工业上的应用最为广泛。②堆积介质：由各种固体颗粒（砂、木碳、石棉、硅藻土）或非纺织纤维等堆积而成，多用于深床过滤中。③多孔固体介质：具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶瓷、多孔塑料、多孔金属制成的管或板，能拦截的微细颗粒④多孔膜：用于膜过滤的的各种有机高分子膜和无机材料膜。广泛使用的是醋酸纤维素和芳香酰胺系两大类有机高分子膜。可用于截留以下的微小颗粒。3．深层过滤和滤饼过滤（1）滤饼过滤：悬浮液中颗粒的尺寸大多都比介质的孔道大。过滤时悬浮液置于过滤介质的一侧，在过滤操作的开始阶段，会有部分小颗粒进入介质孔道内，并可能穿过孔道而不被截留，使滤液仍然是混浊的。随着过程的进行，颗粒在介质上逐步堆积，形成了一个颗粒层，称为滤饼。在滤饼形成之后，它便成为对其后的颗粒起主要截留作用的介质。因此，不断增厚的滤饼才是真正有效的过滤介质，穿过滤饼的液体则变为澄清的液体。（2）深层过滤：此时，颗粒尺寸比介质孔道的尺寸小得多，颗粒容易进入介质孔道。但由于孔道弯曲细长，颗粒随流体在曲折孔道中流过时，在表面力和静电力的作用下附着在孔道壁上。因此，深层过滤时并不在介质上形成滤饼，固体颗粒沉积于过滤介质的内部。这种过滤适合于处理固体颗粒含量极少的悬浮液。4．滤饼的可压缩性和助滤剂滤饼的可压缩性是指滤饼受压后空隙率明显减小的现象，它使过滤阻力在过滤压力提高时明显增大，过滤压力越大，这种情况会越严重。另外，悬浮液中所含的颗粒都很细，刚开始过滤时这些细粒进入介质的孔道中会将孔道堵死，即使未严重到这种程度，这些很细颗粒所形成的滤饼对液体的透过性也很差，即阻力大，使过滤困难。为解决上述两个问题，工业过滤时常采用助滤剂。二过滤设备1．板框过滤机（1）结构与工作原理：由多块带凸凹纹路的滤板和滤框交替排列于机架而构成。板和框一般制成方形，其角端均开有圆孔，这样板、框装合，压紧后即构成供滤浆、滤液或洗涤液流动的通道。框的两侧覆以滤布，空框与滤布围成了容纳滤浆和滤饼的空间。板和框的结构如图所示。悬浮液从框右上角的通道1（位于框内）进入滤框，固体颗粒被截留在框内形成滤饼，滤液穿过滤饼和滤布到达两侧的板，经板面从板的左下角旋塞排出。待框内充满滤饼，即停止过滤。如果滤饼需要洗涤，先关闭洗涤板下方的旋塞，洗液从洗板左上角的通道2（位于框内）进入，依次穿过滤布、滤饼、滤布，到达非洗涤板，从其下角的旋塞排出。②孔道的平均长度可以认为与滤饼的厚度成正比：③孔道的当量直径根据这三点结论，可出导出过滤速度的表达式：其中，，称为滤饼的比阻，其值完全取决于滤饼的性质。说明：过滤速度等于滤饼层推动力/滤饼层阻力，而后者由两方面的因素决定，一是滤饼层的性质及其厚度，二是滤液的粘度。（3）考虑滤液通过过滤介质时的阻力对介质的阻力作如下近似处理：认为它的阻力相当于厚度为的一层滤饼层的阻力，于是介质阻力可以表达为：。滤饼层与介质层为两个串联的阻力层，通过两者的过滤速度应该相等，其中，，。（4）两种具体的表达形式滤饼层的体积为，它应该与获得的滤液量成正比，设比例系数为，于是。由，可知的物理意义是获得体积的滤液量能得到的滤饼体积。由前面的讨论可知：，。其中为滤得体积为或厚度为的滤饼层可获得的滤液体积。但这部分滤液并不存在，而只是一个虚似量，其值取决于过滤介质和滤饼的性质。于是： （1）又设，获得的滤饼层的质量与获得的滤液体积成正比，即。其中为获得单位体积的滤液能得到的滤饼质量。由可知，与单位面积上的滤饼体积成正比，我们也有理由认为它与单位面积上的滤饼质量成正比，只是比例系数需要改变，即；于是我们可以得到与（1）式形式相同的微分方程： （2）由获得这一方程的过程可知：至此，我们已经得到了表达过滤速度的两种形式。3．恒压过滤方程式前已述及，过滤操作可以在恒压变速或恒速变压的条件下进行，但实际生产中还是恒压过滤占主要地位。下面的讨论都限于恒压过滤。对式（1）或（2）分离变量，积分（以下以式（1）为例），式中的取决于流体的性质，滤饼比阻取决于滤饼的性质，取决于滤浆的浓度和颗粒的性质，积分时可将这三个与时间无关的量提到积分号外，而可以作为常数放在微分号内：积分，可得： （3）其中，称为过滤常数，m2/s。式（3）还可以写成如下形式： （4）其中，—单位过滤面积得到的滤液体积；说明：①恒压过滤方程式给出了过滤时间与获得的滤液量之间的关系。这一关系为抛物线，如图所示。值得注意的是，图中标出了两个坐标系，积分时横坐标采用了，纵坐标采用了，但实际得到的滤液量仍是。图中的为得到这一虚拟滤液量所需要的时间，因而也是一个虚拟时间。②由比阻的定义可以看出，其值与滤饼的空隙率及比例系数有关。如果滤饼不可压缩，则这两个量便与压力无关，则比阻便与压力无关，于是过滤常数便与压力无关。如果滤饼可压缩，则与压力有关，则在某一压力下测定的、、不能用于其它压力下的过滤计算。③平均比阻与压力之间有如下经验关系：或，其中称为压缩性指数，其值取决于滤饼的压缩性，若不可压缩，则，或为不随压力而变的常数。将这关系代入过滤常数的定义式可得：；另外，介质的阻力，所以。4．过滤常数的实验测定过滤计算必须在过滤常数具备的条件下才能进行。过滤常数、（或）的影响因素很多，包括：操作压力、滤饼及颗粒的性质、滤浆的浓度、滤液的性质、过滤介质的性质等，因此从理论上直接计算过滤常数比较困难，应该用实验的方法测定。（1）方法一：对式（4）进行微分可得：，整理得：将该式等号左边的微分用增量代替： （5）式（5）为一直线方程，它表明：对于恒压下过滤要测定的悬浮液，在实验中测出连续时间及以单位面积计的滤液累积量，然后算出一系列与的对应值，在直角坐标系中以/为纵坐标，以为横坐标进行标绘，可得一条直线。这条直线的斜率为，截距为（2）方法二：式（4）两边同除以可得：实验测定变量与上相同，即测出连续时间及以单位面积计的滤液累积量，以为横坐标，以为纵坐标，在直角坐标系中可得一条直线，该直线的斜率为，截距为。（3）讨论：①前已述及，过滤常数与诸多因素有关，只有当实际生产条件与实验条件完全相同时，实验测定的过滤常数才可用于生产设备的计算。这里最需要注意的就是操作压力，实际生产时的过滤压力可能有一些变化，实验应该在不同的压力测定过滤常数。②在一定的压力下测定过滤常数，并直接测出滤液的粘度和悬浮液的或后，还可根据的定义式反算出该压力下的比阻。多次进行这样的过程，可以得到一系列（）数据，在双对数坐标系中作图，由关系可知，应该得到一条直线，该直线的斜率为压缩性指数，截距为单位压力下的比阻。压缩性指数和比阻才是过滤理论研究的对象。四过滤计算1．间歇过滤机的计算（1）操作周期与生产能力：间歇过滤机的特点是在整个过滤机上依次进行一个过滤循环中的过滤、洗涤、卸渣、清理、装合等操作。在每一操作循环中，全部过滤面积只有部分时间在进行过滤，但是过滤之外的其它各步操作所占用的时间也必须计入生产时间内。一个操作周期内的总时间为：其中，—操作周期；—一个周期内的过滤时间；—一个操作周期内的洗涤时间；—操作周期内的卸渣、清理、装合所用的时间。间歇过滤机的生产能力计算和设备尺寸计算都应根据而不是来定。间歇过滤机的生产能力定义为一个操作周期中单位时间内获得的滤液体积或滤饼体积来表示：（2）洗涤速率和洗涤时间：洗涤的目的是回收滞留在颗粒缝隙间的滤液，或净化构成滤饼的颗粒。当滤饼需要洗涤时，洗涤液的用量应该由具体情况来定，一般认为洗涤液用量与前面获得的滤液量成正比。即。洗涤速率定义为单位时间的洗涤液用量。在洗涤过程中，滤饼厚度不再增加，故洗涤速率恒定不变。将单位时间内获得的滤液量称为过滤速率。我们研究洗涤速度时作如下假定：洗涤液粘度与滤液相同；洗涤压力与过滤压力相同。①叶滤机的洗涤速率和洗涤时间：此类设备采用置换洗涤法，洗涤液流经滤饼的通道与过滤终了时滤液的通道完全相同，洗涤液通过的滤饼面积也与过滤面积相同，所以终了过滤速率与洗涤速率相等。由式（1）可得：（6）用洗涤液总用量除以洗涤速率，就可得到洗涤时间： （7）②板框压滤机的洗涤速度和洗涤时间：板框压滤机过滤终了时，滤液通过滤饼层的厚度为框厚的一半，过滤面积则为全部滤框面积之和的两倍。但由于其采用横穿洗涤，洗涤液必须穿过两倍于过滤终了时滤液的路径，所以；而洗涤面积为过滤面积的1/2，即，由的定义可知将洗涤过程看成是滤饼不再增厚度的过滤过程，则单位时间内通过滤饼层的洗涤液量： （7）此时过滤最终速率仍可用式（6）来计算。式（7）说明，采用横穿洗涤的板框式压滤机其洗涤速率为最终过滤速率的1/4。洗涤时间： （8）（3）最佳操作周期在一个操作循环中，过滤装置卸渣、清理、装合这些工序所占的辅助时间往往是固定，与生产能力无关。现在可变的就是过滤时间和洗涤时间。若采用较短的过滤时间，由于滤饼较薄而具有较大的过滤速度，但非过滤操作时间在整个周期中所占的比例较大，使生产能力较低；相反，若采用较长的过滤时间，非过滤时间在整个操作周期中所占比例较小，但因形成的滤饼较厚，过滤后期速度很慢，使过滤的平均速度减小，生产能力也不会太高。综上所述，在一操作周期中过滤时间应该有一个使生产能力达到最大的最佳值。可以证明，当过滤与洗涤时间之和等于辅助时间时，达到一定生产能力所需要的总时间最短少，即生产能力最大。板框过滤机的框厚度应据此最佳过滤时间内生成的滤饼厚度来决定。2．连续过滤机的计算（1）操作周期与过滤时间：转筒过滤机的特点是过滤、洗涤、卸渣等操作是在过滤机分区域同时进行的。任何时间内都在进行过滤，但过滤面积中只有属于过滤区的那部分才有滤液通过。连续过滤机的操作周期就是转筒旋转一周所经历的时间。设转筒的转速为每秒钟n次，则每个操作周期的时间：转筒表面浸入滤浆中分数为：。于是一个操作周期中的全部过滤面积所经历的过滤时间为该分数乘以操作周期长度：如此，我们将一个操作周期中所有时间但部分面积在过滤转换为所有面积但部分时间在过滤。这样，转筒过滤机的计算方法便于间歇取得一致。（2）生产能力转筒过滤机是在恒压操作的。设转筒面积为，一个操作周期中（即旋转一周）单位过滤面积的所得滤液量为，则转筒过滤机的生产能力为：而可由恒压过滤方程求得：上式可以变为： 于是 （9）当滤布的阻力可以忽略时，，式（9）可以变为： （10）式（9）和（10）可用于转筒过滤机生产能力的计算。说明：旋转过滤机的生产能力首先取决于转筒的面积；对于特定的过滤机，提高转速和浸入角度均可提高其生产能力。但浸入角度过大会引起其它操作的面积减小，甚至难以操作；若转速过大，则每一周期中的过滤时间很短，使滤饼太薄，难于卸渣，且功率消耗也很大。合适的转速需要通过实验来确定。例题2在试验装置中过滤钛白（）的水悬浮液，过滤压力为（表压），求得过滤常数如下：，。又测出滤渣体积与滤液体积之比。现要用工业压滤机过滤同样的料液，过滤压力及所用滤布亦与实验时相同。压滤机型号为BMY33/810-45。机械工业部标准TH39-62规定：B代表板框式，M代表明流，Y代表采用液压压紧装置。这一型号设备滤框空处长