（化工过程机械专业论文）湿法磷酸料浆分层过滤新工艺研究.pdf

湿法磷酸料浆分层过滤新工艺研究 化工过程机械专业 研究生陈红燕指导教师雷明光 本文在传统的湿法磷酸生产中磷酸料浆混合过滤的基础上，提出了分层过 滤的新工艺。该工艺为提高湿法磷酸料浆过滤性能，促进磷酸生产的发展具有 极大的作用。 本文介绍了湿法磷酸生产中磷酸料浆的分层过滤实验。根据固液分离的基 本原理，将磷酸料浆经过水力旋流器分级和分股，再将分级和分股后的轻、重 液，通过分层延时加料形成分层过滤。过滤实验的装鼍则是采用真空泵和真空 布氏漏斗。 过滤实验所用料浆是根据不同的浓度进行配置的。采取正交试验，对影响 磷酸料浆分层过滤性能的主要因素进行了实验研究。实验考虑的因素包括：过 滤真空度、过滤温度、磷酸料浆浓度、分层加料延缓时间、轻液中的固相平均 粒径。 本文实验结果为：与传统的混合过滤相比较，该新工艺可显著提高磷酸料 浆的过滤强度达1 6 左右：在分层过滤新工艺中，影响磷酸料浆过滤性能的主 要因素是过滤真空度、过滤温度、料浆浓度和轻液中固相平均粒径，其次是分 层加料延缓时间：分层过滤的优化操作条件是：过滤真空度宜控制在6 5 k p 。左 右，过滤温度宣控制在6 8 。c 8 0 。c 之间，料浆浓度宜控制在9 0 0 9 l 左右，轻 液中固相平均粒径宜控制在8 3 1 微米左右，分层加料延缓时间宜控制在6 秒 左右；对实验数据按最小二乘法回归拟合，建立了磷酸料浆过滤速度的经验数 学模型。 本实验结果可用于湿法磷酸生产中料浆过滤设计和操作的理论依据，可用 于磷酸工业生产的放大和优化。 关键词：湿法磷酸、分层过滤、过滤强度、正交试验 i i s t u d y o ht h en e ws t r a t i f i e df i l t r a t i o np r o c e s so f p h o s p h o r i c a c i d s l u r r y v i aw e tm e t h o d m a j o r i nc h e m i c a l p r o c e s s i n gm a c h i n e r y g r a d u a t e ：c h e nh o n g y a na d v i s o r ：l e im i n g g u a n g b a s e do nt h em i x e df i l t r a t i o no fp h o s p h o r i ca c i ds l u r r yi nt h ec o n v e n t i o n a l m a n u f a c t u r i n go f w e t - p r o c e s sp h o s p h o r i ca c i d an e w s t r a t i f i e df i l t r a t i o np r o c e s sw a s a d v a n c e di nt h i sa r t i c l e t h i sw o u l d g r e a t l yi m p r o v e t h ef i l t e r a b i l i t yo f w e t * p r o c e s s p h o s p h o r i ca c i ds l u r r y , a n d i nt u m p l a y as i g n i f i c a n tr o l ei np r o m o t i n gt h ep r o d u c t i o n o f p h o s p h o r i ca c i d t h es t r a t i f i e df i l t r a t i o ne x p e r i m e n to np h o s p h o r i ca c i ds l u r r yw a si n t r o d u c e di n t h ef w s ts e c t i o no ft h i sa r t i c l e a c c o r d i n gt o t h ef u n d a m e n t a l p r i n c i p l e s o f s o l i d - l i q u i ds e p a r a t i o n ，t h ep h o s p h o r i c a c i ds l u r r yw a s s e p a r a t e db yh y d r o c y c l o n e t o f o r mt h i na n dt h i c ks l u r r i e s ，w h i c hw e r es t r a t i f i e d f i l t e r e db ys t e p w i s ef e e d i n go f s l u r r i e s au a c u u mp u m pw a s e m p l o y e d f o rf i l t r a t i o n t h es l u r r i e su s e df o rf i l t r a t i o nw e r ef o r m u l a t e di nd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so f p h o s p h o r i ca c i d u s i n go r t h o g o n a lt e s t s , t h ep r i m a r yf a c t o r s ，s u c ha sd e g r e e o f v a c u u ma p p l i e d , f i l t r a t i o nt e m p e r a t u r e ，c o n c e n t r a t i o no f p h o s p h o r i ca c i ds l u r r y , t h e d e l a y e dt i m eo fs t e p w i s ef e e d 啦，a n da v e r a g es o l i dp a r t i c l e s i z ei nt h i ns l u r r y ； i n f l u e n c i n g t h es t r a t i f i e df i l t e r a b i l i t yo f p h o s p h o r i ca c i ds l u r r yw e r ei n v e s t i g a t e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a t ：a sc o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lm i x e d f i l t r a t i o n ，t h i st e c h n o l o g y c a n r e m a r k a b l y e n h a n c et h ef i l t r a t i o n i n t e n s i t y o f i p h o s p h o r i c a c i d s l u r r y d u r i n gt h e s t r a t i f i e d f i l t r a t i o n ，t h ev a c u u md e g r e eo f f i l t r a t i o n f i l t r a t i o n t e m p e r a t u r e a n d s l u r r y c o n c e n t r a t i o na r e a m o n gt h e m o s t i m p o r t a n tf a c t o r si n f l u e n c i n gt h e s t r a t i f i e d f i l t e r a b i l i t yo fp h o s p h o r i ca c i ds l u r r y , f o l l o w e db yt h ea v e r a g es o l i dp a r t i c l es i z e ，a n df i n a l l yt h es t e p w i s ed e l a y e df e e d i n g t i m eh a saw e a ke f f e c to nt h ef i l t r a t i o ns t r e n g t h t h eo p t i m a lo p e r a t i o nc o n d i t i o n sf o r s t r a t i f i e df i l t r a t i o na r ei n d i c a t e da sf o l l o w s ：t h ed e g r e eo fv a c h k l l t tf i l t r a t i o ns h o u l d b ec o n t r o l l e da ta b o u t6 5 k p a , t h ef i l t r a t i o nt e m p e r a t u r es h o u l dl i eb e t w e e n6 8a n d8 0 o c ，a n dt h es t e p w i s ed e l a y e df e e d i n gt i m es h o u l da p p r o x i m a t e l y b e6s e c o n d s t h e e x p e r i m e n t a ld a t aa r er e g r e s s i o n f i r e du s i n gl e a s ts q u a r em e t h o dt oe s t a b l i s ha n e m p i r i c a lm a t h e m a t i c a lm o d e l f o rf i l t r m i o nr a t eo f p h o s p h o r i ca c i ds l u r r y t h e s er e s u l t sc a nb ef u n c t i o n e da st h et h e o r e t i c a lf u n d a m e n t a l sf o rd e s i g na n d o p e r a t i o no fs l u r r yf i l t r a t i o n i nt h em a n u f a c t u r i n go fw e t - p r o c e s sp h o s p h o r i ca c i d ， a n da l s oc a l lb ea p p l i e di nt h ea m p l i f i c a t i o na n do p t i m i z a t i o no f i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n o f p h o s p h o r i c a c i d k e y w o r d s ：w e t p r o c e s sp h o s p h o r i c a c i d ；s t r a t i f i e d - f i l t r a t i o n ；f i l t r a t i o ni n t e n s i t y ； o r t h o g o n a l t e s t s 明川大学硕上学位论文 1 绪论 1 1 本课题研究的实际意义 对磷酸料浆进行分层过滤处理的目的在于更有效地除去磷酸料浆中的磷 石膏，该课题是一个有推广价值的应用性研究。 磷元素是植物生长的重要养分。磷肥加工过程就是把植物不易吸收的磷酸 钙分解成植物能摄取的含磷肥料的过程。磷酸是磷肥工业中一个重要的中间产 品，而过滤过程在湿法磷酸生产中是一个关键的生产步骤。磷酸生产技术发展 较快，有热法和湿法两种l l 】。但由于前者能耗高，价格贵，故世界各地的磷酸 工业仍以湿法为主。湿法是用硫酸分解磷矿石，分离硫酸钙后得到的液体即为 磷酸。其化学反应式为 2 】： c a s f ( p 0 4 ) 3 + 5 h z s o _ 4 + 5 n h 2 0 - 3 h 3 p 0 4 + 5 c a s 0 4 n h 2 0 + i - i ff 图1 - 1 湿法磷酸( 二水物流程) 1 一配酸器2 一鼓风机3 一泵4 一泵槽5 一吸收塔6 一分布器 7 一气液分离器8 一滤液槽9 一盘式过滤机1 0 一洗液槽 l i 一二、三级洗液槽1 2 一鼓风机1 3 一单槽反应器 l l 妇j 1 1 大学硕士学位论文 根据生成硫酸钙水合物情况的不同，可将磷酸湿法生产流程分为二水物流 程、半水一二水物流程和二水一半水物流程。而二水物法是目前世界上应用最 广泛的一种方法。图l 一1 即为二水物流程图1 3 j 。 由图1 - 1 可知，来自反应槽的萃取料浆，经翻盘式过滤机过滤和洗涤，滤液 为萃取磷酸，滤饼即为结晶的硫酸钙( 通常称为磷石膏) 。为了提高磷酸的收 得率，硫酸钙必须经过二级或三级逆流洗涤，以使硫酸钙带出的磷酸尽可能少 而回收的洗涤液浓度尽可能高。 在我国湿法磷酸生产工艺中，使用的原料大部分是中低品位磷矿，而目前 中低品位磷矿湿法磷酸料浆过滤强度偏低、过滤设备生产能力不高的现状，严 重阻碍了磷铵工业继续扩大生产规模的前进步伐。为了适应磷酸、磷铵工业发 展的需要，急需提高现有过滤设备的过滤强度和生产能力。 所以，提高湿法磷酸料浆过滤性能，在磷肥生产中具有良好的经济和社会 效益。本技术的开发成功，对磷酸生产的发展具有极大的促进作用。 1 2 国内外湿法磷酸料浆过滤处理概况 湿法磷酸于1 8 7 0 一1 8 7 2 年间在德国首次投产以来，迄今已有1 0 0 多年的 历史。从那时起，国外对湿法磷酸料浆过滤的研究就开始了，特别是欧美一些 国家，已发表了许多论文和专利；国内对这方面的研究则是从五十年代才逐步 开始的。 因在我国湿法磷酸生产工艺中，使用的原料大部分为中低品位磷矿。中低 品位磷矿不仅p 2 0 5 含量偏低，而且也含有有害杂质，这些杂质使得萃取磷酸生 产过程中形成的磷石膏结晶较小，往往给传统的磷酸料浆过滤操作带来许多困 难。为了减轻由于中低品位磷矿杂质的存在给磷酸萃取过程及料浆过滤过程带 来的严重影响，首先需要强化磷酸萃取过程及结晶过程，以便提高磷酸萃取效 率及改善磷石膏结晶状况。对此，已有研究者做过研究，如合理调控酸解工艺 条件及添加适量的有机或无机改性剂等，不过这些研究结果表明，以上措施对 根本改善中低品位矿磷酸料浆的过滤性能效果还不理想。 目前，国内外在湿法磷酸生产中除使用翻盘式过滤机以外，还在使用真空 转台式过滤机和水平真空带式过滤机1 4 】。真空转台式过滤机由于对硫酸钙晶体 过滤性能有严格要求，而且部分滤渣必须采用湿法排渣，因而应用较少，主要 2 四川i 丈学硕士学位论文 用于少量的引进项目。水平真空带式过滤机与翻盘式过滤机相比具有生产强度 高，过滤、洗涤区调整方便，滤布易于清洗，生产能力稳定，易于卸饼和对物 料适应性好等诸多优点，因而在湿法磷酸生产中应用发展很快。 1 3 本课题研究的目的 我国中低品位磷矿p 2 0 ，含量偏低，且含有有害杂质，使得磷酸生产中形 成的磷石膏结晶较小，形状不规则，给传统的过滤过程带来很多困难。如使滤 布形成穿透和堵塞，使滤饼孔隙率减小，结构不疏松等1 5 j 。穿透不仅使滤液含 固量增加，直接影响成品酸的质量，而且给磷酸的储运及深加工等都造成困难； 堵塞则使过滤难以顺利进行，造成过滤强度下降，滤渣含湿量增高。不仅导致 洗涤困难，而且p 2 0 5 损失严重，直接影响到磷酸工业的技术经济指标。因此， 对磷酸料浆分层过滤效果的研究就是本课题研究的主要目标。 图1 - 2 实验流程图 1 一真空泵2 一真空表3 一干燥瓶4 一缓冲瓶5 一阀门 6 一真空布氏漏斗7 一轻液槽8 - 重液槽 8 我们根据固液分离的基本原理，将磷酸料浆经过旋流器分级和分股，再将 分级和分股后的轻、重液，通过分步加料形成分层过滤，分别对温度、真空度、 3 四j 1 l 大学碗1 一学位论文 料浆浓度、轻液中的固相平均粒径等参数对过滤强度的影响进行实验研究，并 试图得到磷酸料浆过滤速度的经验数学模型。实验流程如图1 2 所示。 本课题就是通过模拟实际的过滤系统进行实验，得出了过滤过程的数学模 型和优化操作条件。因此本课题的研究成功，就具有广泛的适应性，有利于磷 酸生产的大型化和优化操作，扩大了社会经济效益。由于采用旋流器对料浆进 行分级和分股，已是一种比较成熟的工艺，因此本文只侧重于过滤实验的描述。 四川大学硕十学位论文 2 文献综述及实验分析 2 1 水力旋流器简介 2 1 1 水力旋流器分级的基本原理 水力旋流器的应用包括固液分离、液气分离、固固分离、液液分离、固液 气三相同时分离以及其他应用。水力旋流器作为分离分级设备的基本工作原理 是基于离心沉降作用。当待分离的两相混合液以一定的压力从旋流器上部周边 切向进入器内后，产生强烈的旋转运动，由于轻相和重相存在密度差，所受的 离心力、向心浮力和流体拽力的大小不同，受离心沉降作用，大部分重相经旋 流器底流口排出，而大部分轻相则由溢流口排出，从而达到分离的目的。 2 1 2 水力旋流器的操作控制因素 因为在水力旋流器众多的影响因素中，作为操作控制变量的主要是以下四 个：压力降、底流口、进料固相浓度和固相粒度分布【6 l ，而当工艺条件确定之 后，般用于旋流器操作控制的主要就是压力降和旋流器的底流口。而操作控 制的目标主要是旋流器分离性能的指标，包括：生产能力、分离效率、分股比 和底流浓度。 2 1 2 1 操作压力控制的影响 水力旋流器的结构参数确定以后，对要分离处理的物料，用体积流量表示 的生产能力与压力降之间有明确关系，即两者之间相互关联，随压力降的增加， 生产能力也相应增加。同时，旋流器内流体的周向速度加大，离心作用加强， 而使分离效率提高，并且旋流器的分离级效率曲线向左偏移，分离粒度减小， 旋流器的溢流的含固量降低，而底流固相含量增高。 水力旋流器底流与溢流分股比调节是许多工艺过程中满足水平衡要求的 指标。影响水力旋流器分股比或水量分布最主要的因素是排口比。所以通过调 节排臼比，来满足系统工艺水平衡是常用的方法。但对于结构确定的旋流器， 一般都存在一最佳排口比范围。在排口比确定的情况下，底流和溢流的分股比 随操作压力的增加略有降低。所以通过调节旋流器的操作压力，在定范围内 也可以满足分股比调节要求。而对旋流器分股比的影响，压力降和排口比相比 较，排口比的影响要显著得多，所以在满足分离要求前提下，分股比调节一般 5 四j i i 大学硕士学位论文 首先是旋流器的排口比，即通过调节旋流器底流口大小改变旋流器的分股比。 2 1 2 2 旋流器底流口控制的影响 旋流器底流口的调节对旋流器的稳定操作具有重要意义。这是因为旋流 器底流口的变化直接影响到旋流器底流的浓度和分离粒度；且相对于溢流口， 因其插入端在旋流器的内部而难以改变，底流口的调节容易实现。此外，旋流 器进料和操作条件的变化，都会敏感地反映在底流的浓度和排料形状上。所以， 底流口调节成为旋流器操作中压力调节之外的另一重要调节方法。 改变底流口最显著的影响是旋流器的分股比，调节底流口的大小，直接改 变旋流器的排口比：其次底流口的变化还对旋流器分离粒度和分离效率有很大 影响，随底流口尺寸的减小，一般分离粒度增大，而分离效率降低。因此常将 底流口底流卸料的流型作为判断旋流器正常操作的依据。一种较普遍的观点是 底流口卸料是喷洒型时，底流口尺寸对分离粒度没有明显影响，只有当底流口 卸料由喷洒型向绞绳型转变时，底流口固相的分离粒度才有明显变化。p l i 札【7 l 对绞绳型卸料的深入研究发现：底流口绞绳型卸料对旋流器的分离性能，在高 浓度进料条件下最为显著，而在低浓度进料时，基本无影响，其分离粒度基本 保持不变。 2 2 颗粒和液体的性质 2 2 1 颗粒的性质嘲 2 2 1 1 粒径和粒度分布 1 等价直径 在过滤技术中，固体颗粒的形状、尺寸及密度是体现颗粒性质的三个要素。 这三者的结合，决定着颗粒是否能被某种过滤介质所截留，还决定着沉降速度 ( 据此决定分离方法) 及滤液的清洁度。 滤浆中的颗粒形状是不规则的，只能用等价球直径表示其尺寸。对于实际 颗粒，其等价直径可取为有等价体积的球，或有等价表面积的球，或有等价沉 降速度的球的直径。 2 形状系数 表示实际颗粒形状的最简单方法，是将其与球体比较。对于形状不规则的 6 四川人学硕士学位论文 实际颗粒，其表面积可用k a d 2 表示，体积可用k v d 3 表示，单位体积所占的表 面积可用k 捆2 k , z 1 3 = k ；a 表示。任何形状的实际颗粒与球形的差别可用形状系 数磁、k ，及k 这三个常数来表示。 3 粒度分布 粒度分布代表着不同直径的颗粒占总颗粒的比率，常用直方图或累积分布 曲线表示。曲线下面的面积代表颗粒的数目。在粒度累积分布曲线上，可直接 读出中径值( 5 0 的值) ，其最大粒度恰好对应着1 0 0 ，就是说，最大粒度及 以下粒度一共占1 0 0 的累积百分数。 2 2 1 2 粒度数据的应用 将粒度分析的结果用在固液分离中有以下四个目的：( 1 ) 评价滤液的品质； ( 2 ) 评价过滤介质的性能；( 3 ) 评价滤饼的品质：( 4 ) 预测固液分离中的颗 粒的轨迹。 2 2 l 3 颗粒的密度 在重力或离心力作用下，颗粒的沉降速度正比于颗粒与液体的密度差。可 见，密度也是表示颗粒性质的重要参数之一。 2 2 2 液体的性质【9 】 2 2 2 1 液体的密度 重力过滤和离心沉降等固液分离操作，都是利用固液两相的密度差实现 的。值得注意的是，温度会影响液体的密度，固体的溶解量变化也能改变液体 的密度。 2 。2 。2 2 液体的粘度 液体的粘度对固液分离过程影响颇大。通过改变温度，可降低液体的粘度， 从而提高过滤速度，降低滤饼中的含液量。此外，掺入可与之混合的低粘度液 体也能降低粘度。前一方法对高粘度液体，如高分子量的有机化合物特别有效， 对一般液体，如水，也很有效，例如将水从2 0 c 提高到5 0 c 时，粘度降低4 5 。 后一方法用的较少，一般在石油脱蜡中使用。 7 i ! i j 川大学硕士学位论文 2 2 2 3 液体的表面张力 液体润湿固体表面的难易程度取决二于二其表面张力。这些固体可以是分散性 固体颗粒，也可以是滤布、滤网或其他过滤介质。显然，难润湿的过滤介质会 妨碍过滤。当然，对难润湿的颗粒而言，其滤饼的含液量必定低。 2 2 2 4 液体的挥发性 液体的挥发性越大，采用真空过滤机的可能性就越小，因为滤液可能挥发 成蒸气进入真空泵，并在那里被压缩而重新液化，这既影响了真空度，也会造 成有价值溶剂的损失。 液体的沸点是液体挥发性的判据。一般液体的沸点均列在化工手册中，但 某些溶液的沸点是随其组成或浓度而改变的。通常采用密闭加压过滤机来处理 挥发性大的料浆。 2 3 过滤的基本原理 2 3 1 过滤过程的基本特l 生 2 3 1 1 过滤过程的特点 过滤可定义为使悬浮液通过截留颗粒的可渗透性介质而实现的固液分离过 程。 为了得到通过过滤介质的液流，应该在过滤介质两边保持一定的压强降； 从原理上来说，这个压强降是怎么得来的并不重要，而推动力有四种类型，即 重力、真空负压力、正压力和离心力。 从物理学的观点来看，过滤操作属于流动过程，即多相流体通过多孔介质 的流动过程。这一过程有两个特点： ( 1 ) 流体通过多孔介质的流动是属于极慢流动，即滞流运动。影响这种 流动有两类因素：一类为宏观的流体力学因素，诸如过滤介质特性、滤饼结构、 压差、滤液的粘度等；另一类为微观物化因素，如电动现象、毛细现象、絮凝 现象等。固体粒径越大，宏观因素影响越占主导地位：固体粒径越小，则微观 物化因素的影响越占主导地位。由此可见，影响过滤的因素十分复杂，单从理 论上来分析，处理这一过程非常困难。 ( 2 ) 悬浮液中的固体粒子是连续不断地沉积在介质内部孔隙中或介质表 r 四川人学硕士学位论文 面上，沉积在介质表面上的滤饼不断受到压缩，因此随着过滤的进行，流动阻 力是不断增加的。 2 3 1 2 过滤过程的分类 工业上过滤过程一般分为两大类：滤饼过滤和深层过滤。 ( 1 ) 滤饼过滤：滤浆流向过滤介质时，大于或相近于过滤介质孔隙的固 体颗粒先以架桥方式在介质表面形成初始层，其孔隙通道比过滤介质孔隙更 小，能截留住更小的颗粒，因此其后沉积的固体颗粒便逐渐在初始层上形成一 定厚度的滤饼。滤饼对流动产生的阻力远大于过滤介质所引起的阻力。工业上 的过滤过程大多属于滤饼过滤。 ( 2 ) 深层过滤：固体粒子被截留于介质内部的孔隙中。在介质表面一般 不形成滤饼。这种过滤常用在料浆极稀，固体粒子粒径极细的场合。使用深层 过滤时，料浆浓度一般低于o 1 ( 体积浓度) 。浓度大于1 的料浆一般采用 滤饼过滤。对于浓度为o 1 1 的料浆，可以采用添加助滤剂或预滤层过滤。 深层过滤时，固体颗粒直径小于过滤介质孔径。在介质表面上不希望形成滤饼， 因为那样将会增加床层压降，缩短操作周期。 滤饼过滤和深层过滤的特点是不一样的。滤饼过滤阻力的增加是滤饼增厚 所致，而深层过滤的阻力增加，则是过滤介质阻力增加之故。对于滤饼过滤的 操作，当过滤开始时滤液必须克服管道和介质对流动产生的阻力。当过滤介 质表面上形成滤饼后，还必须克服滤饼和过滤介质的联合阻力。滤布和滤饼的 联合阻力往往比单独的滤布和滤饼阻力加起来要大。因为有部分固体粒子不可 避免地嵌入滤布之中。滤饼沉积到相当厚度时，滤饼阻力起主导作用，这时介 质阻力可略而不计。对于深层过滤，随着料浆中的固体粒子被截留，床层阻力 逐渐增加。当床层压降增加到一个最大允许值时，过滤必须停止。 2 3 1 3 过滤类型的确定 ( 1 ) 滤饼过滤的确定：当悬浮液的体积含量在1 以上，需截留住大于l 微米的粒子时，应采用滤饼过滤，而不是深层过滤。只有预敷层过滤比较特殊， 其过滤机理属于滤饼过滤，但过滤目的却是为了获得澄清液：当悬浮液质量分 数低于5 时，其滤饼形成速度不超过1 2 7 m m m i n ，当悬浮液质量分数低于o ，】 9 四川大学硕士学位论文 时，不能形成滤饼。 ( 2 ) 深层过滤的确定：深层过滤适于质量分数在几个百万分之至o 叭 的悬浮液的过滤，目的在于获得澄清液，过滤精度为数十微米。 对于体积质量分数在0 o l 一1 的悬浮液，应分两种情况来确定过滤类 型：如果质量分数接近1 ，则将悬浮液先行浓缩，然后进行滤饼过滤；如果 质量分数接近o 0 1 ，则应先进行澄清，然后进行深层过滤。 2 3 2 过滤基本方程 滤饼分为不可压缩与可压缩滤饼两类。所谓不可压缩滤饼是指滤饼的特征 参数不受颓粒压缩力的影响：可压缩滤饼则受固体颗粒压缩力的影响。当滤饼 呈不可压缩时，一定体积的滤饼所产生的流动阻力，既不显著地受固粒压缩力 的影响，也不明显地受固体粒子沉积速度的影响。对于可压缩滤饼，滤饼两端 的压强差或流动速率的增加，都将促使形成更为紧密的滤饼，因而具有较大的 阻力。所以，可压缩性很大的物料，只能略微增加压强，使过滤速率作有限的 增加。如果超过某一临界压强，过滤速率反而减少。 2 3 2 1 不可压缩滤饼过滤基本方程 不可压缩滤饼是一种理想状态。工业上涉及的滤饼一般都是可压缩的。但 是，流体通过均匀的不可压缩颗粒床层的流动。则是比较复杂的、非均匀的、 可压缩层床的基础。不可压缩的颗粒层床，实质上是一种简化了的过滤模型。 它假设固体颗粒在床层中是静止的：床层孔隙率是均匀不变的；通过床层的流 体平均线速度也是不变的。 1 ( d v 、尸 j l 面j 2 瓦丽 ( 2 。1 ) a 一过滤面积，单位为m 2 ； v 一总滤液量，单位为m 3 ； t 一过滤时间，单位为s ： a p 一滤饼和过滤介质的总压强降，单位为p a ； 1 0 四川大学硕士学位论义 一滤液的粘度，单位为r s ： a 。一滤饼的质量比阻，单位为m k g ； 国一单位过滤面积上截留的干滤饼质量，单位为k g m 2 ； r 。一过滤介质的阻力，单位为m 。 上式即为通常所见的不可压缩滤饼基本过滤方程，也就是人们所熟知的鲁 恩过滤方程。工业上所遇见的滤饼或多或少总是可以被压缩一些，但有的滤饼 可压缩性很小，可以当作不可压缩滤饼来处理，并直接应用上式，也不会产生 很大的误差。因此，在本实验的条件范围内，我们假设过滤操作所得的滤饼为 不可压缩滤饼。 很显然，根据上式，如果能设法降低液相粘度和滤饼比阻，将使过滤阻力 下降，过滤强度提高。 2 。3 2 ，2 可压缩滤饼的过滤基本方程 工业上涉及的滤饼一般都是可压缩滤饼按可压缩程度可分为：极度可压 缩性絮团、高度可压缩的滤饼、适度可压缩的滤饼和接近不可压缩滤饼，除絮 团外，君三种可压缩程度不等的滤饼的过滤压力p 与滤液流速的关系示于图 2 1 。 图2 1 可压缩性不同的滤饼特性 1 一不可压缩滤饼；2 一中等可压缩滤饼；3 一高可压缩滤饼 。-。- 四川大学硕士学位论文 存在差异的根本原因在于，在可压缩滤饼中，其比阻和孔隙率都不是常量。 它们不仅是过滤压力的函数，而且与滤饼内空间位置有关。同时，在可压缩性 滤饼中，由于滤饼的孔隙率是沿滤液流动方向减少的，而且颗粒向过滤介质移 动时也将挤出部分滤液，因此可压缩性滤饼中任一时刻的滤液流速也不是常数 而是沿滤液流动方向递增的。研究表明，对于浓料浆过滤，或过滤时间很短时， 忽略滤液沿程速度的变化，将产生5 1 5 的误差，只有料浆重量浓度低于 1 0 时，才允许将滤液沿程速度视为常数。 过滤方程式 “= 面d v j l = i i j a 调p d 4“i 口m + a 。， 其中 上6 t m , = 壶r 掣4a 。 1 7 。一滤饼平均比阻，单位为m k g 。 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 式中d ( a p 。) 和a 。的函数关系，需要由试验确定。通常，采用压缩渗透室， 或用压力传感器式的钡4 试仪器。 2 3 2 3 影响过滤的基本因素 衡量过滤效果的指标是过滤设备的处理能力或通过能力、滤渣残液和滤液 中固含量。理想的情况是此三项指标均达最佳，而通常是难以做到的。在某一 操作条件下常常是欲提高设备的处理能力，滤饼( 渣) 残液和滤液中的固含量 将会升高。影响过滤效果的基本因素可分为两大类：物料性质及其调带瓠设备 及工况条件。前者中如物料粒度及粒度组成、料浆浓度、温度、助滤剂添加等， 其中物料粒度是最基本的，又是难调制的。设备因素中包括设备的选型、过滤 介质、工作压差、过滤总时间和脱干、压榨、洗涤等时间的分配、搅拌器工作 情况等，无疑又以设备选型和工作压力最为重要。 通常定义设备的处理能力为单位时间、单位过滤面积所获得的滤液体积 l ( m 2 r a i n ) 1 ( 目的产物为有价液体) ；或单位时间、单位过滤面积所截留的 滤饼质量 k g ( m 2 h ) 1 ( 目的产物为有价的固相物料) 。 过滤设备处理能力和滤饼残液均受过滤速率影响，易过滤物料有很高的过 滤速率，在此条件下可望得到高处理量和低滤饼湿含量。 1 2 i ! 【】j i l 大学硕士学位论文 鲁思过滤方程和由此导出的滤饼比阻关系式均表明，在一定过滤压差下， 过滤速率主要取决于物料粒度大小及组成，当然还与料浆浓度、滤液粘度和过 滤介质阻力有关。 1 固体颗粒粒度 划分物料粒度标准常因作业性质而异，在本领域内，通常大粒是指1 0 3 1 0 4 1 t m ；粗粒为1 0 2 1 0 3u m ；细粒为1 0 1 0 2 u m ：微粒为o 1 1 0 u m ；胶粒 为0 0 1 0 1u “j o j 0 物料粒度对过滤速率的影响是多方面的，而最主要的是影响滤饼的孔隙状 态，或者说，滤饼的孔隙大小及孔隙率取决于滤饼的物料粒度及组成。 人们已提出许多关于粒状多孔介质渗透性和其物料粒度间关系的模型。 但都不十分完美。例如，鲁默 1 1 曾得到一个等径球粒的物理渗透系数k ( c m 2 ) 和球径d 。( c m ) 的关系式( d 。= o 2 o 0 3 9 m m ) 。 k = 6 5 4 1 0 。d ，2 ( 2 - 4 ) 同时发现，棱角状颗粒和等径球粒的实测结果极为相近，说明颗粒形状 对k 值影响不大。但上式对非均匀粒群却不适用。 显然，粒度越小的粒群，单位体积内的颗粒数越多，粒间孔隙越小，粒群 层的渗透性越低。但实验也表明，粒群的粒度组成或级配对粒闯孔隙大小及孔 隙率的影响常更大，为此也提出一些与粒度组成有关的关系式，但也不够完善 且较复杂】。 根据因次分析，k 。c l 2 ( l 为长度因次) ，并结合较多的研究结果，通常 还可用 k = m d 2 ( c m 2 或m 2 )( 2 5 ) 表示滤饼渗透性和粒度问的关系，式中m 为系数，d 为物料粒度，可取为d j 。、 d s o 和“等。 3 滤层渗透性系数k 足= i 南( 2 - 6 ) k ，& 。i l 一i 式中s o 为滤饼物料的比表面积，并知s o o c l d ；k l 为无因次经验数，通常取k l = 5 0 【1 3 】。上式的模型既体现了渗透性和物料粒度的关系，同时把孔隙率明显提 出来，因为e 不仅取决于物料粒度而且与压差等许多因素有关。由上式可见， 若滤饼孔隙率由o 7 降低至0 6 ，即减小1 4 3 ，而k 值却减小了2 8 2 倍。说 四川大学硕。1 学位论文 明滤饼孔隙率对其渗透性的影响甚至大于物料粒度的影响。 2 料浆粘度 工业生产中流体的粘度变化范围非常大，如水在2 0 时的粘度为 0 0 0 1 p a s 。液体粘度的变化与温度有关，温度升高，液体粘度下降。而粘度 越高，流动性越差，即过滤速率与液体粘度成反比，实验结果与之一致【”l 。 在石油化工和食品等工业中，过滤中的滤液常为非牛顿体，它们的流变性 遵循所谓的功率定律，即 f = k y “( 2 7 ) 式中一剪切应力： y 一剪切率； n 一流态指数，n i 。n 值越小，流体的非牛顿性越强： k _ 流体的稠度系数。 可导出非牛顿流体的过滤方程 “”= p i k ( r 。，+ r 。) ( 2 培) 式中y 。为符合功率定律流体的平均过滤比阻。 ，。：面粤( 2 - 9 )h r 0 r ) d e , 对粘稠浆体， y 。，= j s y 。 式中y 。一考虑了滤饼内液流状态的平均过滤比阻； i 厂与料浆浓度和液体流变性有关的系数。研究表明，n 值越小，料浆 浓度对j 。值的影响越小，显然，n 值越接近1 ，j g 值越小。 料浆中的固体颗粒越细，浓度越大，其粘度随之越高，而滤饼水分也随之 增大。 3 过滤压差与料浆浓度 过滤压差为影响过滤速率的最基本因素。对于不可压缩滤饼，过滤速率与 过滤压力成正比；对可压缩滤饼，滤饼孔隙率和过滤比阻是过滤压力的函数。 深入的研究还表呀1 6 1 ：( 1 ) 料浆浓度影响孔隙率、比阻和过滤压力间的关系： ( 2 ) 滤饼孔隙率、进而滤饼比阻随过滤时间延长而变化，并和过滤压力有关。 l4 四川大学硕士学位论文 这些规律，不仅出现于可压缩滤饼，甚至出现于不可压缩性滤饼中。 根据f m 蒂利的研究【1 7 】，对可压缩滤饼，比阻和压力的关系为： rd 、” a = i1 + f 1 5 j ( 2 _ l o ) 滤饼孔隙率和压力的关系为： h ：( 1 - - c o i i + 吖 由此可得到 一) 尚( h 玎 式中，oo 、eo 、p 。均为经验常数，p 。为作用于固体颗粒上的总曳压力，n 为压缩性系数，1 3 为经验指数。该式比较全面地反映了滤饼比阻、孔隙率和压 缩性及压力间的关系。在固定的过滤条件下，滤饼孔隙率越小，滤饼比阻越大， 可以推测出，料浆浓度的影响应包含于oo 、eo 及匕等项中。 人们早已发现，料浆浓度显著地影响过滤阻力1 8 l 。在低浓度时，细小颗粒 极易随着流线直接进入滤布的孑l 眼中，或穿过、或堵塞、或覆盖其上，使过滤 介质孔眼很快被堵塞，故称之为阻塞过滤。随着料浆浓度的提高，将会有更多 的颗粒接近或到达过滤介质的孔眼中，由于互相干扰，绝大部分颗粒不能进入 孔眼而在其上成拱架桥，使滤孔可在较长时间内不被严重堵塞。此时，阻力一 流体体积曲线保持线性，这种情况称为成饼过滤。换言之，成饼过滤所用料浆 浓度均较高。 l 斯瓦罗夫斯基1 1 9 指出，预先将料浆浓缩，可以降低滤饼阻力。因为高浓 度料浆易在过滤介质表面形成粒间架桥。用水平带式真空过滤机过滤氢氧化铝 时，得出的滤饼比阻经验关系式 口= 1 3 4 7 1 0 1 。c - 0 8 e 3 1f 2 1 3 1 式中c 一料浆浓度( g l ) 。 此式适用于c 在5 5 8 0g l 的范围内。用珏滤机过滤无机材料时，上式中 的常数项为9 1 4 3 7 8 0 ，指数项为0 0 8 1 9 2 。 据r j 韦克曼的研究f j6 ，料浆浓度对过滤压力和滤饼比阻的影响如下2 2 、 阳川大学硕t 学位论立 2 3 图。图2 2 及图2 3 所示的试验是在板框压滤枫上进行的。两图曲线都表明， 不同压力、不同浓度的条件下滤饼比阻的变化规律比较复杂。浓度越低，微细 颗粒对孔隙的填充作用越充分，滤饼比阻越高；而在较高压力下，料浆浓度越 高，越易形成低孔隙率e 的滤饼，因而滤饼比阻也随之增大。 日 2 - 哑 丑 拄 麓 霸 弘 量 i 皇 ￥ 圈 墨 s 麓 露 牛 过t 压力d k n ，丑) 图2 - 2 过滤压力与滤饼比阻关系 辩浆散度s ( “t 量) 图2 3 料浆浓度与滤饼比阻的关系 图2 - 4 1 2 0 1 是高浓度料浆过滤时，过滤压力对过滤速率的影响。显然，过滤 机在处理高浓度料浆时，仅仅由于排液量少，就可以得到较高的以固体量计的 处理能力。图中曲线表明，随着料浆浓度增加，才逐渐显示出q 一p 的线性 关系。 1 6 凹川大学硕士学位论文 窖 e e ： e 6 删 剐 嵌 蛙 匿 鬟 求 * 盎 糟 图2 - 4 赤铁矿滤饼水分与p 、q 的关系 虚线一滤饼水分，c = 5 5 ，s o = o 8 7 5 6 m 2 c m 3 ；实线一同体处理量， s o = 0 7 2 1 4 m 2 c m 3 ；l 、2 、3 、4 线的浓度c ( ) 一6 5 、5 5 、4 5 、3 5 另一方面虽然提高料浆浓度可提高过滤机处理能力，但在某些情况下( 例 如处理含泥量较高或微细颗粒较多的料浆) ，可能会因为浓度高、粒度细而使 粘度增大，从而导致处理能力下降。因而在浓度与过滤机处理能力关系曲线上 很可能存在最大值。 叫川大学硕士学位论文 3 实验过程 3 1 实验方案 任何过滤实验的基本目的都是在于获得与固液分离操作有关的该体系性 质方面的资料和数据。根据真空分层过滤实验在处理磷酸料浆中的地位和作 用，对真空分层过滤实验提出了不同的要求。在本实验中，由于影响磷酸料浆 过滤强度的因素较多，我们采取正交试验的设计方法，选取l 2 5 ( 5 6 ) 正交表来 安排实验。 3 1 1 实验要求得到的结果 ( 1 ) 分层过滤与混合过滤的过滤效果的比较； ( 2 ) 操作温度、过滤真空度对过滤效果的影响： ( 3 ) 磷酸料浆浓度对过滤效果的影响； ( 4 ) 轻液中固相平均粒径及分层加料延缓时间对过滤效果的影响 ( 5 ) 磷酸料浆真空分层过滤的最佳操作条件； ( 6 ) 建立磷酸料浆真空分层过滤速度的经验数学模型。 3 1 2 评价过滤效果的指标 滤液的过滤速度 3 1 3 测试手段 分层真空过滤实验采用2 0 0 9 干燥的磷石膏，加含p 2 0 5 为2 8 的磷酸配成 的料样进行实验，模拟水力旋流器控制轻、重液的分离粒度和分股比，水银温 度计控制料样温度，秒表计时，过滤速度采用布氏漏斗真空系统钡9 定，采用烘 箱烘干法干燥湿滤饼。 3 2 实验装置、仪器及药品 3 2 1 实验物料 由德阳化工厂提供的磷石膏和磷酸以不同的比例配置而成。该固体的粒度 范围为1 2 3 7 5 微米，其平均粒径为9 7 7 微米。 四川大学硕十学位论文 3 2 2 实验仪器 分析测试仪器有：电子天平、真空泵、压力表、秒表、水银温度计、恒温 干燥箱等。主要项目及仪器见表3 1 。 表3 - 1 实验仪器 序号仪器型号产地 i 电子天平j a 2 0 0 1上海 2 真空泵2 x z 一1台：j 1 1 1 i 3真空表y 6 0成都 4 秒表5 0 3上海 5 水银温度计 o 一1 0 0 成都 6 恒温干燥箱i ) 6 2 0 0 0 2重庆 3 2 3 实验装置 实验装置见图l 一2 。 3 2 4 实验步骤 因滤饼阻力还随滤饼厚度的增大而增大，但如果为了降低阻力而减小滤饼 厚度，势必要提高过滤机转速或减小料浆加入量。过滤机加转降低了料浆在过 滤机中的停留时间，对过滤和洗涤是不利的，减小料浆加入量则直接影响到设 备的生产能力。而且料层太薄还容易形成短路。综合各种因素，在本实验中， 我们取滤饼厚度为3 0 毫米【3 8 1 。 在分层过滤实验中，轻液和重液的浓度都对过滤强度有影响，我们使轻液 和重液的浓度都和总的磷酸料浆浓度相等，并由此可确定出轻、重液的体积比。 下面实验中提到的料浆浓度也就是轻液和重液的浓度。 1 取2 0 0 9 干燥的磷石膏，加含p 2 0 5 为2 8 的磷酸配成1 0 0 0 9 ( 磷石膏) l ( 磷酸) 的磷酸料浆。 2 将磷酸料浆加热到8 0 。 3 模拟水力旋流器按