（化工过程机械专业论文）邻氨基苯甲酸铜的动态过滤性能研究.pdf

摘要 本文通过以工业滤布作为旋叶动态压滤机过滤介质的过滤实验，对糖精生产 过程中的邻氨基苯甲酸铜溶液的动态过滤性能及过滤阻力进行了研究。 动态过滤是有别于传统过滤的新型过滤技术，具有可提高过滤速率、增大处 理量、并实现连续操作等特点；邻氨基苯甲酸铜颗粒粒度较细，平均粒度为 8 4 9 m ，邻氨基苯甲酸铜的滤饼具有定的触变性，剪切作用可使其粘度降低并 在较高的固相浓度下仍具有流动性，因此选用动态过滤不仅能得到较高的过滤速 率，减少操作时间，并且能得到更高浓度的滤浆。 本课题属于应用研究，首先根据物料的特性及过滤要求，通过实验考察了过 滤速率和截留特性，实验确定了旋叶动态压滤过程的适宜过滤介质，在此基础上 通过实验考查了不同操作条件对邻氨基苯甲酸铜旋叶动态的过滤速率及其衰减 的影响，得到了适宜的动态过滤操作条件( 叶轮转速：1 0 0 01 2 0 0 r m i n ，操作 压力：0 2 0 - - 0 2 5 m p a ) ，为以后的工业应用提供指导。论文还对滤布的清洗再 生进行了实验研究，提出了一种有效的过滤介质再生方法。 本文还从阻力模型出发，以实验数据为依据，通过对各种过滤阻力在动态过 滤过程中的形成与变化的研究分析，考查了不同操作参数对过滤阻力的影响，建 立了描述邻氨基苯甲酸铜溶液动态过滤速率变化的数学模型，理论值与实验值吻 合较好。 关键词：邻氨基苯甲酸铜，固液分离，旋叶压滤，过滤速率 a bs t r a c t b a s e do nt h ef i l t r a t i o ne x p e r i m e n to far o t a r yf i l t e rp r e s se q u i p p e dw i t ht h e f i l t r a t i o nf a b r i c ，t h i sp a p e rp m s e m sas t u d yo nt h ed y n a m i cf i l t r a t i o np e r f o r m a n c ea n d t h ef i l t r a t i o nr e s i s t a n c eo fc o p p e rb e n z o a t ed u r i n gt h ep r o d u c t i o no f s a c c h a r i ns o d i u m d i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lf i l t r a t i o nt e c h n i q u e s ，d y n a m i cf i l t r a t i o ni sam o d e m f i l t r a t i o nt e c h n i q u e ，w h i c hc a ni m p r o v ef i l t r a t er a t e ，e n l a r g eh a n d l i n gc a p a c i t ya n d a c h i e v ec o n t i n u o u sf i l t r a t i o n t h ep a r t i c l es i z eo fc o p p e rb e n z o a t ei sv e r ys m a l lw i t h a na v e r a g ev a l u eo f8 4 ，t m m o r e o v e r ，t h ec o p p e rb e n z o a t es o l u t i o ni st h i x o t r o p i ci n h i g hc o n c e n t r a t i o n w h i c hc a n b ec h a n g e df r o mv i s c o u ss t a t et of l u i d i z a t i o nu n d e rt h e h i g hs h e a rr a t e 。t h e r e f o r e ，t h ei m p l e m e n t a t i o no fd y n a m i cf i l t r a t i o n c a nn o to n l y b r i n g ah i g h e rf i l t r a t er a t ea n dal e s so p e r a t i o nt i m e ，b u ta l s op r o m o t et h e c o n c e n t r a t i o no ft h es o l u t i o n t h i sp r e s e n ts t u d yb e l o n g st oa p p l i e ds t u d y f i r s tb ys t u d y i n gt h ei n t e r c e p t i o nr a t e 锄df i l t r a t i o nr a t eo ft h ef i l t r a t i o nf a b r i c s ，as u i t a b l ef i l t r a t i o nf a b r i ci sc h o s e na st h e f i l t e rm e d i u ma c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fc o p p e rb e n z o a t ea n dt h ef i l t e re x p e c t t h eb e s tp o s s i b l eo p e r a t i n gc o n d i t i o n ( w i t hr o t a t er a t eo f10 0 0t o 12 0 0r m i na n d p r e s s u r eo f0 2 0t o0 2 5 m p a ) i se x p e c t e db ye x a m i n i n gt h e i n f l u e n c eo nt h ef i l t r a t i o n r a t ea n di t sa t t e n u a t i o ni nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，w h i c hc a np r o v i d eg u i d a n c ef o rf u t u r e i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s m e a n w h i l e ，t h er e c o v e r ye f f e c to ft h ef i l t e rf a b r i c i sa l s o s t u d i e d a n da ne f f i c i e n tr e g e n e r a t i o nm e t h o di sp r o p o s e d b a s e do nt h er e s i s t a n c em o d e la n de x p e r i m e n t a ld a t a ，am a t h e m a t i cm o d e li s b u i l tt od e s c r i b et h ef i l t r a t er a t eo fc o p p e rb e n z o a t es o l u t i o nb ys t u d y i n gt h ef o r m a t i o n o rc h a n g eo ff i l t r a t i o nr e s i s t a n c ea n da n a l y z i n gt h ee f f e c to fo p e r a t i o np a r a m e t e r so n f i l t r a t i o nr e s i s t a n c ed u r i n gt h ed y n a m i cf i l t e rp r o c e s s t h et h e o r e t i c a lv a l u ei s i n c o i n c i d e n c ew i t ht h ee x p e r i m e n t a lv a l u e k e yw o r d s ：c o p p e rb e n z o a t e ，s o l i d l i q u i ds e p a r a t i o n ，r o t a r yf i l t e rp r e s s ，f i l t r a t er a t e 天津大学硕士学位论文 符号说明 符号说明 操作压力，m p a ； 滤布纯阻力，m ； 沉积层阻力，m ； 浓差极化阻力，聊； 工作阻力，挪； 过滤累加阻力，m ； 稳态累加过滤阻力，m ； 孔壁吸附阻力，m ； 过滤介质堵塞阻力，m 一； 浓差极化比阻，( 肌堙) ； 浓差极化层质量，k g ； 溶质沉积层比阻，( m k g ) ； 溶质沉积层质量，k g ： 截留率； 实际截留率； 表观截留率； 传质系数； 过滤介质表面的固形物浓度，； 流体的动力粘度，m p a j ； 水的粘度，m p a s ； 浓度边界层厚度，m ； 主体液浓度，； 叶轮转速，r m i n ： 过滤速率，m 3 ( m 2 h ) ； 4 6 肚 吃如足兄k 心 虬 吩如 k 巳 心万 g 以 以 天津大学硕士学位论文 符号说明 j 。 砗 乞 j 。 己厂( ，) u 氐 c f p f 么 a ，b f u r q h r l 您 k l ，k 2 ，k 3 ，k 4 p 、g f 滤布的透水率，聊3 ( m 2 h ) ； 总过滤阻力，m 一； 临界极化时间，h ； 稳态过滤速率，m 3 ( m 2 h ) ； 流体剪切速率，m s ； 流体平均剪切速率，m s ： 投料量，l ； 初始料液密度，g l c m 3 ； 滤液平均固形物浓度，； 滤液密度，g l c m 3 ： 有效过滤面积，观2 ； 回归系数； 温度，； 滤布表面流体周向流速，m s , 滤布表面流体径向流速，m s ： 物料进料流量，m 3 h ； 叶轮侧面距滤布表面的距离，m ； 滤布有效内半径，m ； 滤布有效外半径，m ； 回归系数； 回归系数 时间，h 4 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：金毛 签字日期： 。7 年占月2 l 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞叁堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：金篆 签字日期：弘7 年乡月1 日 翮虢西磁 擀日7 啪加 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 研究背景 第一章文献综述 糖精钠( 邻氨酰苯磺酰亚胺钠，俗称糖精) 是一种常见的食品添加剂，被广 泛应用于日常生活和食品加工行业。生产糖精钠的主要原料为苯酐、液氨、次氯 酸钠、甲醇、硫酸铜、碳酸氢钠等，生产工艺如图1 1 所示。 图1 1 糖精钠生产工艺流程图 f i g 1 - 1f l o wp a t hd i a g r a mo fs a c c h a r i ns o d i u m 铜 糖精钠生产流程长、原料种类多、投入产出比大，排出的废液浓度高、成分 复杂、污染严重，回收生产废液中的有用物质，既减少了污染物排放，又降低了 生产成本。邻氨基苯甲酸废水中邻氨基和甲醇的含量较高，硫酸铜废酸水中的铜 含量也较高，每天生产2 0 t 糖精钠，排放的邻氨基苯甲酸、甲醇和铜分别达到 4 4 2 t 、1 1 5 t 和0 5 6 t 。 硫酸铜废酸水是酸性废水，回收甲醇后的邻氨基苯甲酸废水系碱性废水，因 此处理该2 股废水可利用生成邻氨基苯甲酸铜沉淀的原理。将2 股废水混合，如 图1 2 所示，通过反应沉淀、碱溶、酸溶、碱析等步骤回收邻氨基苯甲酸和氢氧 化铜，可实现废水中资源的有效回收和综合利用，处理后的废水可直接进入处理 站进行综合处理p j 。 将两股废水在反应釜内混合，严格控制反应温度、p h 值等工艺指标，生成 邻氨基苯甲酸铜沉淀，经过过滤脱水可得到含水率6 5 的邻氨基苯甲酸铜的滤饼 半成品，铜和邻氨基苯甲酸的回收率达到9 9 5 以上，废水的c o d 下降为 1 2 5 0 m g l 左右。经处理的废水可直接进入处理站进行综合处理，达标后排放。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 图1 - 2 废液回收工艺流程图 r i g 1 - 2f l o wp a t hd i a g r a mo f r e c o v e r yo fd i s c h a r g el i q u i d 本课题就是对硫酸铜溶液和邻氨基废水反应后产生的邻氨基苯甲酸铜溶液 的过滤过程进行研究。邻氨基苯甲酸铜颗粒较细，该物料为触变性物料，在含固 量为2 0 左右时呈固态，在剪切作用下可由粘稠状态变为流动性较大的状态，而 剪切作用取消后，要滞后一段时间才恢复到原来状态。这是由于絮凝网络经剪切 破坏后，重新形成网络需要一定时间。 采用传统的滤饼过滤技术，不仅过滤速率较慢，达到所要求的浓度需要较长 时间，有时甚至达不到过滤要求，并且操作环境较为恶劣，工人劳动强度较大， 不能实现连续操作。因此可以考虑使用动态过滤技术，动态过滤时料浆平行于过 滤介质表面而流动，使固体颗粒不易积存于过滤介质表面，因而可以保持高的过 滤速率。同时动态过滤的高剪切作用也能改变物料的流动状态，降低物料的粘度。 所以与传统的滤饼过滤技术相比，动态过滤不仅可以大幅提高过滤速率，减少操 作时间，同时也能得到更高浓度的滤浆。 1 2 动态过滤机理及操作特点 1 2 1 动态过滤机理 动态过滤技术是七十年代在传统的固定滤饼层过滤的基础上发展起来的一 种固液分离新技术，但其过滤机理与固定滤饼层过滤有着明显差别。如图1 3 所 示，固定滤饼层过滤，料浆所含的固体颗粒的运动方向垂直于过滤介质表面流动， 使滤饼层增厚，随之过滤阻力增大。它是靠增加过滤推动力来提高过滤速率的， 对于可压缩物料当压力增加到一定值时，由于颗粒的变形和孔隙率变小，过滤阻 力就上升，从而导致过滤速率的不断下降，因此对于某些难以过滤物料不是靠单 纯提高过滤压力就能达到有效液固分离的。 2， 天津大学硕士学位论文第章文献综述 动态过滤时悬浮液处于运动状态下，通过各种方法限制滤饼的成长，从而成 为薄层滤饼或无滤饼情况下的过滤：动态过滤使料浆平行于过滤介质表面而流 动，既利用了一部分物料在运动状态下粘度减小易于过滤的特点，叉利用流动料 浆的高速流动，使固体颗粒不易积存于过滤介质表面，因而可| 三【保持高的过滤速 率。 _ - _ _ _ - - _ - ii ： ： j 固定游饼层过滤动态过滤 过滤卉质 图1 - 3 过渡机理的比较 f i g l 一3c o m p a r i s o no f f i l w a l i o nm e c h a r i i c s 动态旋叶压滤机其结构如图1 _ 4 所示，它由许多交替放置的叶轮和滤板组成 构成许多滤室。 滤 圈1 4 旋叶堆滤机结构示意图 f i g1 4s t m c m mo f l h er o t a q 。f i l t e r 每个滤室由旋转的叶轮分为两级，悬浮液在叶轮与滤布的间隙流动，逐数通 过逐级增浓，各级流出滤液可在滤槽内汇集流出。由于叶轮带动悬浮液高速旋 转，使之对滤饼产生剪切作用从而阻止其生长，降低过滤阻力，因此可以保持 很高的过滤速率。 霄 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 2 2 动态过滤的操作特点 与传统的滤饼过滤相比较，动态过滤的操作特点可归纳为【1 2 】： ( 1 ) 将分批间歇过滤改为动态过滤以后，分离液相、增浓固相成为连续操 作，且其增浓程度可提高； ( 2 ) 对难过滤的物料( 如可压缩性大的、分散性高的，或者稍形成滤饼层 既造成很大过滤阻力的料浆) ，当料浆处于运动状态，且不存在滤饼层的状态下 过滤，过滤速率可以成倍增加； ( 3 ) 由于料浆处在运动状态下，所以洗涤时对固定滤饼层造成的洗液不存 在走短路或滞留在死区的现象，而使洗涤效率大大提高； ( 4 ) 滤渣在一定浓度下呈流动状态流出，省去了卸料装置的许多机构； ( 5 ) 设备占地面积小，结构紧凑，操作方便，减轻了操作工人的劳动强度， 改善了过滤操作环境的卫生条件。 1 2 3 几类主要过滤介质的发展 过滤过程中，由其表面或内部留住固体粒子的任何有渗透性的材料，称为过 滤介质，过滤介质对过滤的成败往往起着决定性的作用。 过滤介质种类较多、分类标准各异，但一般来说分为六类，即：滤芯，编织 过滤介质( 包括金属丝网及金属板网) ，刚性过滤介质，非织造类过滤介质，松 散介质，膜等六类。对于动态叶轮过滤，一般都使用紧密编织过滤介质或膜。编 织过滤介质主要包括金属丝网与工业滤布，下面主要阐述这几种过滤介质的发 展。 ( 1 ) 织造过滤介质 2 0 世纪中国以土布作过滤介质，在该世纪出现化纤滤布( 尼龙、涤纶、丙纶、 腈纶) 、玻璃纤维、无纺介质，由于其热性能、化学稳定性及力学性能都优于天 然织物，近3 0 年来，几乎全部代替天然织物； 随着液固分离技术的不断发展，对滤布的要求越来越高，滤布织造工艺也随 之进步。对新织出的滤布进行后续加工处理，以改善滤布的过滤特性，如增进它 的截留功能和卸饼能力、提高粒子捕捉率或是流体流动分配均匀等。加工处理的 方式及其目的如下： a 热处理：释放滤布应力，减少滤布收缩，提高滤布稳定性： b 砑光：使滤布表面光滑，增加粒子捕集效率： c 烧毛：烧去滤布上的细毛，主要用于短纤滤布； d 预缩水处理：增加滤布更好的形状稳定性； e 延展处理：保证滤带双边平行。 4 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 ( 2 ) 烧结金属丝网 以多层金属丝网为基础，通过轧制成形和高温烧结等工艺制备而成。丝网通 过高温烧结，形成冶金结合，材料结构强度高、刚性好，孔隙结构规则、稳定， 分布均匀、一致，透气性良好。烧结金属丝网多孔材料具有非对称结构。表现为 表层过滤特性；等效孔径：2 2 0 0 a m ，孔隙率：2 0 - - 4 0 。 ( 3 ) 金属纤维烧结毡 以直径为微米级的不锈钢、高温合金等的纤维为原料，通过布毡、压制和高 温烧结等工艺而制成。孔隙结构由金属纤维堆垛而成，形状复杂，基本为通孔。 纤维通过高温烧结，形成了冶金结合，材料结构强度较高，但仍具有良好的柔性、 可折叠。金属纤维毡多孔材料为均匀结构，表现为深层过滤特性。等效孔径范围： 0 5 - - 6 0 p r o ，孔隙率：3 5 - - 8 5 。它弥补了粉末过滤产品易碎、流量小的不 足，解决了滤纸和滤布不耐温、不耐压的问题，具有优异的过滤性能，是理想的 耐高温、耐腐蚀、高精度的过滤材料。 ( 4 ) 金属微孔膜 以超细金属粉末为基础，通过成型、表面处理和高温烧结等工艺制备而成。 孔隙结构亦由不规则颗粒堆垛而成，形状复杂，有开孔和盲孔，颗粒之间通过高 温烧结，具有较高的结构强度。但由于膜材料很薄( 约1 0 0 p m ) ，通常用强化支撑， 膜材料兼具深层和表面过滤分离特性。等效孔径范围：0 0 3 - 5 p m ，孔隙率：2 0 - 6 0 。金属微孔膜的材料有金属镍( 合金) 、不锈钢，结构形式有片式、管式 等。主要用于高精密的过滤过程，如军工、航天上的一些过滤过程。 ( 5 ) 陶瓷过滤介质 陶瓷过滤介质的开发在8 0 年代中首见于芬兰奥托昆普( o u t o k u m p u ) 申请的 专利，至9 0 年代已经出现以毛细作用为作用原理的c c 系列过滤机用于有色金 属，如c u 、a 1 、p b 、z n 、n i 等精矿的脱水。这种陶瓷过滤介质是由普通硬质高 密度陶瓷制成，其最主要的结构形式为管状或平板状，成分一般为硅铝酸盐、碳 化硅和氮化硅等，孔径从1 0 9 i n 到数百微米不等。 近年来开发的陶瓷膜过滤介质，它一般由数层陶瓷材料组成，可以分为支撑 层和过滤层两部分。支撑层由粗孔陶瓷组成，一般为平板状和管状，孔隙较大； 过滤层为陶瓷膜真正有效过滤的部分，一般由铝的氧化物薄膜组成，过滤层的孔 隙较小，材质比较致密，过滤精度能够达到纳米级，陶瓷膜以其优异的材料性能 而用于高温、高压、强腐蚀环境中，在精细化工和石油化工等领域具有较广的应 用前景。 5 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 3 过滤速率及其衰减的理论研究 在早期超滤研究中，基于对大分子稀溶液进行超滤，提出了分子筛模型。即 溶剂透过微孑l ，只有部分孔径足够大的微孔中才会出现溶质分子随溶剂流出，此 时，过滤速率以与旌加于两面的压力差凹成正比，表示为： 以= 等p ( 1 - 1 ) 式中，k ，为过滤介质的渗透性参数；三为过滤介质的厚度，1 1 1 。 实际上超滤速率与压差有关，但并非简单的线性关系。近几十年来，逐渐形 成三个基本模型来描述超滤过程，即凝胶极化模型、渗透压模型和阻力模型。在 这三种模型中，后人研究得比较多的是阻力模型，发展也最成熟，其中所涉及的 参数相对比较容易通过实验取得，并且微滤过程采用的模型也是阻力模型，所以 下面主要介绍一下阻力模型的形成和发展。 1 3 1 阻力模型 类比于传统的滤饼过滤理论，在研究超滤过程，也有人用一系列阻力之和来 描述总的过滤阻力，从而提出边界层阻力模型，其数学表达式为： t ：竺(1-2)iv 2 = 一 l ( 心o + 足) 其中，足= 嘞+ 局+ 崛，a r m = r p + r 式中 如。一过滤介质纯阻力，m ；墨一累加阻力，m 一； 一浓差极化阻力，m ；玛一溶质沉积层阻力，m 一： 哦一阻力增加值，m ：r 。一过滤介质堵塞阻力，m ； r 一孔壁吸附阻力，l , n ；a p 一操作压力，m p a ； i t 一流体动力粘度，m p a j ； 也有将如。+ 战以如表示，称之为工作阻力。 阻力模型因其类比于滤饼过滤建立，公式比较直观，各种参数容易通过实验 测取，并且总阻力包括了各类阻力，适用范围较广，同时该模型也适用于稳态阶 段和快速下降阶段两个阶段过滤速率的预测计算。 对阻力模型主要是研究溶质沉积层阻力见和浓差极化阻力岛。w i j m a n s 等人经研究得出： 6 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 咒，= r ，( 工) 一d x ( 1 - 3 ) 式中，目夥是浓度边界层内溶剂的渗透率；万为浓度边界层厚度。 a s u k i 1 4 】等人引入等效比阻得出： r b z = a o t m 酎 ( 1 4 ) 式中，吃，是浓差极化比阻，m 堙；，是浓差极化层质量，堙m - 2 。 对于溶质沉积层阻力尬的研究是许多学者感兴趣的，其共同的基本观点是 在过滤介质表面沉积一层溶质分子层，该层在过滤过程中的阻力类似于滤饼过滤 中的滤饼阻力，并利用计算滤饼阻力的办法来解决如，即： 岛= 畅m d ( 1 - 5 ) 式中，为溶质沉积层比阻，m k e , ；尥为单位面积上的沉积层质量，姆m - 2 。 m a 的考虑是基于溶质层的形成和去除的相互作用，即： 蜀= m d = r d 一( 1 - 6 ) 式中，砌，心分别是溶质层的沉积和去除速率，堙m - 2 s 一；f 为过滤时间，s 。 k i m u m 和n a k a o i l 5 1 借助于溶质分子层的累积和凝胶极化模型得出： 警讲g * c 6 n 专 ( 1 7 ) d f【一。 g u t m a l l 【1 6 1 引用了两个新的概念，雷诺通量j r ( t h er e y n o l dn u x ) 和湍流扰动机 理( t h et u r b u l e n c eb u r s tt h e o r y ) ，得出： 警咄c 6 爷y m d ( 1 - 8 ) 式中，j r = 足+ 譬，x 是沉积常数：夕是经验湍流扰动因子；，是过滤介质表面 处的剪切应力，n m - 2 ；鸩是稳态下的沉积质量，堙m - 2 。 s u k i 对b s a 溶液的过滤速率衰减进行研究得出： 警：k 4 ( m a - 鸩) ( 1 - 9 ) d f 式中，是沉积速度常数。由式得出： m d = m d ( 1 - e - 即) ( 1 1 0 ) 所以 玛= 鸩( 1 一e - k , r )( 1 1 1 ) 导出 7 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 肛币x 两等面瓦( 1 - - 司e - k r ( 1 - 1 2 ) - ，1 ，= ：_ ll - l2l i 吃+ ，+ 心+ ) i r s u k i 的研究表明，公式( 1 1 2 ) 所描述的过滤速率随时间的变化关系与实验 吻合良好，但该公式参数由实验数据关联并由特定物料得出，因此其使用范围有 待确定。上述几个对沉积层阻力，浓差极化层阻力的求取公式没有阐述阻力产生 的机理，没有考查过滤介质性质、物料性质，只是机械地考查表面沉积层和浓差 极化层对过滤速率产生的阻力作用。这样公式中的一些参数也无法从理论上计 算，只能依靠实验关联。 张兆祥【17 】在w i j m a m s 等人研究的基础上，考虑到因浓度梯度引起的渗透压 差对有效推动力的减小，提出： ： 竺二全垒( 1 - 1 3 ) ，- v = ! 巳一 ( 如。十r + 局+ 见+ r 。) 式中 一主体液与滤液间的渗透压力差( m p a ) r m o 一纯阻力 ( 1 m ) 风一传质边界层的流体力学阻力( 1 m ) 岛一溶质层阻力( 1 m ) r a 一孔壁吸附阻力( 1 m )如一堵塞阻力 ( 1 m ) 在压力差不大的时候可忽略心与b ，稀浓度溶液忽略如，则得到： 三竺二全塾(1-14)jv 三 竺 ( 如。+ 兄) 式中为过滤介质两侧的渗透压差( m p a ) 。 给定物料和某一选定操作条件，其浓度边界层基本不变，扩散迁移速度为常 数，并等于稳态操作时的溶质向过滤介质表面的对流传递速率，导出下式： 砌盎，号= 警觑c 矗，专 m 、j v j 。i j vj 口，r w o、j q 1 ) v e jj q 、j 。 其中，j o ：a p _ - a 7 r b p 1 ( t o o 式中五一初始过滤速率( 聊3 r a 一2 h - 1 ) c 6 一主体液浓度， 厶一稳态过滤速率( 胁3 m _ 2 h 1 ) 口一沉积层等效比阻( m k g ) 这是对衰减过程的研究，利用上武可以在测出初始与稳态过滤速率下，导出 衰减期任意时刻的过滤速率。 郭永银在阻力模型的基础上，用稳态时的累加阻力r 跏积体现主体液浓度 g 对过滤速率 的影响，导出： 8 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 足= 足m 罪( 1 一e 一厂啪4 ) r 蝤= 蔫 ( 1 1 6 ) 得到 1 心 式5 币r 5 m 砭百硼 u 。7 lo + 足懈( 1 一e 吖6 。) i 。 式中a 、b 、厂m 、力为系数。这是考虑了主体液浓度以及过滤速率的衰减， 可计算各个时刻过滤速率，但是咫与r 的关系式是半经验公式，仅体现在数 值上的联系，没有从理论深度解释，还有待证实。 1 3 2 微滤模型 目前的微滤模型一般是指微滤阻力模型，g r e e n 和b e l f o r t 1 9 1 在超滤模型的基 础上就十字流微孔过滤提出： 。心 ，= 一 ( 足口嗔+ r ) 4 ：掣 ( 1 1 8 ) 4 、 一 矿2 j ：彳j v d t 式中，莎为沉积边界层厚度，m ；口为比阻，m - 2 ；c 为溶液体积浓度，；彳 为有效过滤面积，m 2 ；k 为系数；矿为滤液体积，小3 。 李吉林2 0 1 试图在介于超滤阻力和滤饼阻力模型的基础上提出一个适合于微 孔过滤的阻力模型。他基于超滤阻力模型提出： ：垒一 ( 1 1 9 1 ( 心o + + 心+ 丝，) 、7 式中，r m 。为纯阻力，m 一；r ，为传质边界层的流体力学阻力，m ：玛为溶质 沉积层阻力，m 一；z r r n 为过滤介质阻力增加值。 类比于滤饼阻力模型提出的溶质沉积层阻力为： 岛= l( 1 2 0 ) 式中，为溶质沉积层比阻，棚- 2 ；三为溶质沉积层厚度，m 。由文献【1 4 】得到： p 翟一e 靠。) ( 1 2 1 ) 【k l = 2 j i c 力 、 式中，r 为稳态下溶质沉积层厚度，m ；k 为沉积速率常数；6 l 为系数，类比于 滤饼层厚度提出： 9 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 r = k c 4 ( 刀，) 6( 1 2 2 ) 式中的a ，b 为系数。由此得到任意时刻任意半径处溶质层阻力为： b = k c 4 ( 刀厂) 6 ( 1 一e - k ：) ( 1 2 3 ) 实验中他发现在过滤过程中，下式成立： 肥a 等c m 2 4 ， 【厂= l 钆，1 4 3 式中， a l ，a 2 、a 3 为系数，由实验回归得到，因此得到微滤速率方程为： ( 1 - 2 5 ) 李吉林的模型是借助于超滤模型和微滤模型提出的，有其理论基础，但其没 有从过滤介质的性质，溶质和溶液性质上找出微滤模型与超滤阻力模型及滤饼阻 力模型之间的关系，公式的准确性有待进一步验证。 1 3 3 过滤速率的衰减 随着过滤的进行，过滤介质被阻塞，沉积层被压实，过滤阻力增大，导致过 滤速率随时间的延长而降低。 t t o d a 【2 1 】认为平均过滤速率随时间的衰减可分为三种类型：t 一。型，e 一”型 及二者的结合型，可用下式表示 q = q 1 t e - 卜u ( 1 2 6 ) 式中，g 为t 时刻平均过滤速率，m 3 ( m 2 h ) ；q ，为f = 1 时的平均过滤速度， m 3 ( m 2 h ) ；口、1 ，为衰减系数，与物料和操作压力有关。 f m t i l l e r t 2 2 】认为过滤速度的衰减满足下式： q = q 1 t ”( 1 2 7 ) 式中符号同前。 严悌英f 2 3 】的研究表明稳态过滤速度的衰减可用下式表示： g ( f ) = q o - k t ( 1 2 8 ) 式中，g ( f ) 为t 时刻的过滤速率，m 3 ( m 2 ) ；q 。+ 为初始虚拟过滤速率， m 3 ( m 2 h ) ；k 为衰减系数，与物料性质及操作条件有关。 前人对过滤速率的衰减做了大量的研究，但都只是一种数值上关联和描述， 并没有进行些理论上的推导计算，物料的性质和操作条件上的影响隐含于各项 1 0 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 系数之中，因此对过滤速率的衰减尚需进一步的研究。 1 4 截留率的理论研究 截留率是微滤研究的一个主要内容，截留率的好坏直接影响到产品质量，其 理论研究与过滤速率的研究相比尚显不足。目前的工作仅是针对球型蛋白分子的 截留特性进行的。 1 9 3 6 年，f e r r y f “1 假设膜孔为垂直于膜面得圆柱形孔，同时不存在吸附和堵 塞且溶质与孔壁无摩擦，提出位阻截流理论，并给出了截留率r 与分子半径口 和膜孔半径，之间的关系式： 骘= 1 一鲁= 【兄( 2 一五) 】2 ( 1 - 2 9 ) 其中五：旦 式中，g 为料浆的浓度( ) ；c ，为滤液的浓度 - 碍 幽 趱 捌 o 8 0 6 0 4 0 2 0 0 02 4 68 时间t ( 1 1 ) 图3 1 稳态过滤速率的衰减曲线 f i g ，3 - 1c u r v eo f f i l t r a t i o nr a t ed e c l i n e 表3 3 过滤速率随时间的回归结果 t a b l e3 - 3r e l a t i o nb e t w e e nt i m ea n df i l t r a t i o nr a t e 操作条件 临界时间 叶轮转速操作压力 回归结果 料浆浓度 ( h ) ( r m i n ) ( m p a ) 4 0 0 0 2 1 3 0 0 2 6 6 7 5xt - o 0 8 4 1 4o 41 1 0 0 00 11 3 0 0 5 9 2 0 7 f 卸1 3 3 7 40 5 7 1 0 0 00 0 51 3 0 0 4 3 7 81xt 卸1 醐0 6 3 8 0 00 15 0 3 9 0 5 4xt - o 嗽7 40 3 7 4 0 00 25 0 3 4 4 21xt - o 0 5 4 5 80 3 5 1 0 0 00 2 l o 0 3 0 7 6 5 f _ 0 1 加1 2 o 5 9 3 4 动态过滤速率的影响参数 影响动态过滤速率的参数主要有叶轮转速、操作压力以及料浆浓度，下面分 别分析这三种参数对过滤速率的影响，分析影响过滤速率的原因，并得出邻氨基 苯甲酸铜溶液在动态过滤过程中的适宜操作条件。 天津大学硕士学位论文第三章实验结果与分析 3 4 1 叶轮转速n 的影响 乙o 4 5 曼o 4 0 e 一0 3 5 糌o 3 0 幽 耀o 2 5 掣o - 2 0 2 0 0 4 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 0 叶轮转速n ( r i m i n ) 图3 2 叶轮转速对过滤速率的影响 f i g 3 - 2e f f e c to f d i s kr o t a t i o nr a t eo nf i l t r a t i o nr a t e 图3 2 是在同一压力的条件下研究不同转速下过滤速率的变化。由图3 2 可 知，叶轮转速对过滤速率的影响较大，是影响过滤速率变化的一个主要参数。在 一定的操作压力下，过滤速率山随着叶轮的转速n 的上升而增大，因为转速的 上升会导致滤布表面流体剪切速率提高，从而对限制溶质沉积层的增长以及控制 浓差极化都起到积极的作用( 这点从实验中可以看出，当转速达到8 0 0 r r a i n 或 更高的时侯，滤布表面几乎没有明显的滤饼存在) ，使其过滤阻力降低，从而提 高过滤速率：另一方面随着转速的提高，流体剪切作用加强导致料液的粘度降低， 粘度降低会导致过滤阻力降低，进而增大实际过滤过程的推动力。所以对于邻氨 基苯甲酸铜溶液的动态过滤，应选择高转速，以得到较高的过滤速率；对于本实 验装置，当转速达到1 0 0 0 r m i n 以上的时候，过滤速率也是随着转速的增大而不 断增大，只是增大的趋势有所放缓，这主要是因为转速过高，一方面可以限制滤 饼的成长，另一方面在一定程度上也会造成滤布的阻塞加剧，从而造成过滤速率 增长趋势放缓。由于本实验系统叶轮能达到的最高转速为1 2 5 0 r m i n ，所以对于 本实验系统，叶轮转速应选择1 0 0 0 1 2 0 0 r m i n 为宜。 天津大学硕士学位论文第三章实验结果与分析 3 4 2 操作压力么p 的影响 j t q 一 弓 豫 捌 耀 翅 0 0 50 1 00 1 50 2 0 操作压力p ( m p a ) 图3 3 操作压力对过滤速率的影响 f i g 3 - 3e f f e c to fp r e s s u r e0 1 1f i l t r a t i o nr a t e 图3 3 是在同一转速的条件下研究不同压力下过滤速率的变化。从图3 3 中 可以看出，压力对过滤速率的影响并不大，过滤速率并不随压力的增大而一直增 大，反而压力过大，过滤速率还会有下降的趋势，但考虑到阻力模型 ，= p ( 辟) ，仍把操作压力p 当作是个重要影响参数。随着操作压力的增 大，一方面会增大推动力，另一方面沉积层在压力作用下也会被压实从而使过滤 阻力增大。实际过滤速率随压力的改变应是这两种趋势的混合作用。从压力升高， 过滤速率的变化趋势来看，压力对过滤速率的影响有一个临界值的存在。当操作 压力肿大于临界压力值后，增大压力对改善过滤速率没有作用，所以实际操作 压力应选择在临界压力值之内。因此在实际生产工程中，并不是压力越大，推动 力越大，过滤速率就越大，而应综合考虑压力的影响，选取合适的操作压力。对 本物料来说，操作压力选在0 2 m p a - 、一0 2 5 m p a 为宜。 从图中还可以看出，在低转速下，过滤速率随压力变化较小，因为在低转速 下，滤布表面流体剪切作用较小，滤布表面溶质沉积层相对较厚，这样在压力作 用下被压实的效应较为明显；而在高转速时，由于流体剪切作用加剧，滤布表面 溶质沉积层相对较薄，因而压实效应较为次要，此时的操作压力提高，过滤推动 力显著提高，而阻力变化相对减弱，于是过滤速率随压力的增大而增高，这与实 验所得一致。 天津大学硕士学位论文 第三章实验结果与分析 3 4 3 固形物浓度g 的影响 图3 - 4 是在同一转速下分析不同浓度对过滤速率的影响，从图中可以看出， 物料浓度对过滤速率的影响较大。在物料浓度较低时，过滤速率较快，当浓度逐 渐增大的时候，过滤速率也随之降低，特别是当浓度达到1 5 ( 此时固形物浓度 为2 3 ，因为里面含有部分可溶性溶质) 以后的时候过滤速率有极大的下降，当 邻氨基苯甲酸铜物料浓度超过2 0 以上时，物料储罐中的物料几乎没有流动性 了，其过滤速率也急剧降低。这主要是因为随着浓度的不断增大，粘度也不断增 大，导致沉积层增厚和浓差极化效应加剧外，在一定的操作压力胪下，固形物 浓度升高还会导致滤布两侧溶质组分的渗透压差增大，这样施加于滤布两侧 有效推动力( a p = p a 1 1 ) 就会相应地降低，其结果必定导致过滤速率的下降。 f e 哗 焉 e 、一 之 静 幽 紫 翅 051 01 52 0 物料浓度c ( ) 图3 _ 4 固形物浓度对过滤速率的影响 f i g 3 - 4e f f e c to ft h ec o n c e n t r a t i o no nf i l t r a t i o nr a t e 经过多次实验表明，邻氨基苯甲酸铜悬浮液在固定浓度过滤时，其过滤速率 能很快稳定在某一恒定值，基本不再继续衰减。然而当变浓度增浓时，却发现在 整个过滤过程中都有衰减，如图3 5 所示( 从过滤速率进入稳态之后开始计时) ， 图3 5 是在1 0 0 0 r m i n ，0 2 m p a 的操作条件下进行的浓缩实验，从图中可以看出， 随着过滤的不断进行，物料浓度不断增大，其过滤速率也不断下降。在这种变浓 度过滤过程中有意设立了几个不同浓度下的恒浓度过滤操作，发现其过滤速率仍 基本不衰减，保持在某一恒定值。进入稳态过滤阶段后，滤布的堵塞与吸附已相 对处于一个动态平衡阶段，过滤速率的衰减主要是由于循环液浓度的升高而导致 滤布表面溶质沉积层阻力和浓差极化阻力增大造成的。 天津大学硕士学位论文第三章实验结果与分析 f 与 q e e 、- 一 之 静 蚓 煺 捌 0 6 0 5 o 1 02 0 4 06 08 01 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 时间_ 【( m i n ) 图3 5 增浓实验中过滤速率随时间的变化 f i g 3 - 5r e l a t i o n s h i pb e t w e e nf i l t r a t i o nr a t ea n dt i m ei nd c n s i f ye x p e r i m e n t 3 4 4 滤液温度 在动态过滤过程中，由于旋转圆盘对物料的剪切作用，使得物料温度上升， 滤液粘度相应的降低，从阻力模型五= p ( 辟) 看出，过滤速率与滤液粘度成 反比，因而料液温度上升会导致过滤速率显著提高，导致过滤速率提高。反复实 验表明，其过滤速率随温度的变化是很敏感的，图3 - 6 是在增浓实验过程中测得 的温度随时间变化的曲线( 室温为2 1 ) 。 4 0 3 5 3 0 2 5 p i - 。- - 2 0 蜊 赠1 5 1 0 5 o 0 00 51 01 52 o 时间t ( h ) 图3 - 6 温度随过滤时间的变化 f i g 3 - 6r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt i m ea n dt e m p e r a t u r e 2 6 天津大学硕士学位论文 第三章实验结果与分析 从图中可以看出，在过滤初期温度上升较慢，而在过滤后期温度上升趋势则 加快，主要是因为随着过滤的进行，浓度不断增大，粘度升高，叶轮需要克服流 体阻力所做的功也会越大，因此会产生大量的热，进而导致温度上升较快。 在实验中测得了滤液粘度随温度的变化( 如图3 7 所示) 。 艿 面 也 一 置 型 耀 1 8 1 7 1 6 1 5 1 o o 9 0 8 51 01 52 02 53 03 , 54 0 温