化工单元操作--过滤

过滤 3过滤 3 1过滤 Filteration 3 1 1概述过滤是在外力作用下 利用过滤介质使悬浮液中的液体通过 而固体颗粒被截留在介质上 从而实现固液分离的一种单元操作 过滤介质具有多孔结构 可以截留固体物质 而让液体通过 我们把待过滤的悬浮液成为滤浆 Slurry 而过滤后分离出的固体称为滤渣或滤饼 Filtercake 通过过滤介质的液体称为滤液 Filtrate 1 过滤介质 Filtermedium 过滤介质应具有以下特性 多孔性 足够的机械强度 尽可能小的流动阻力 耐腐蚀性 耐热性 易于再生 工业上常见的过滤介质 织物介质 堆积介质 多孔固体介质 多孔膜 3 1 1概述 2 过滤分类 深层过滤 Deepbedfilteration 滤饼过滤 Cakefilteration 3 过滤推动力 重力 漏斗过滤 压力 加压过滤 或真空 抽滤 离心力 离心过滤 4 滤饼的可压缩性 5 助滤剂助滤剂本身就是一性能良好的过滤介质 是一种坚硬 不规则的小颗粒 它能形成结构疏松 空隙率大 不可压缩的滤饼 很大程度改善过滤难度 助滤剂使用方法主要有两种 混合 预涂 3 1 1概述 3 1 2过滤设备 过滤设备按生产压差的方式不同分成两大类 压滤和吸滤如叶滤机 板框压滤机 回转真空过滤机等 离心过滤如各种间歇卸渣和连卸渣离心机 3 1 2过滤设备 1 板框压滤机 Plate and frametypefilterpress 结构与工作原理 3 1 2过滤设备 3 1 2过滤设备 流程 装合 过滤 洗涤 卸渣 整理 1232123212321 3 1 2过滤设备 特点优点 结构简单 过滤面积大 100 100mm 1500 1500mm 而占地省 过滤压力高 可达1 5MPa 操作灵活 便于用耐腐蚀材料制造 所得滤饼水分含量少 又能充分地洗涤 缺点 间歇过滤 劳动强度大 适用于中小规模的生产及有特殊要求的场合 横穿洗涤 洗涤液的流通路径是过滤滤液流通路径的两倍 洗涤液的流通截面积为过滤滤液流通截面积的一半 故洗涤速率为过滤终了速率的四分之一 3 1 2过滤设备 2 叶滤机 Leaffilter 结构与工作原理 3 1 2过滤设备 流程装合 过滤 洗涤 卸渣 整理 特点优点 间歇过滤 单位地面所容纳的过滤面积大 洗涤充分 生产能力比压滤机大 机械化程度高 劳动力省 密闭过滤 操作环境较好 缺点 构造复杂 造价高 滤饼中粒度差别较大的颗粒可能分别积聚于不同的高度 使洗涤不均匀 置换洗涤 洗涤液的流通路径与过滤滤液流通路径相同 洗涤液的流通截面积与过滤滤液流通截面积相等 洗涤速率与过滤终了速率相等 3 转筒真空过滤机 Rotaryvacuumdrumfilter 结构与工作原理 3 1 2过滤设备 3 1 2过滤设备 3 1 2过滤设备 流程过滤 洗涤 吸干 吹松 卸渣 特点优点 操作连续 自动缺点 设备体积庞大 过滤面积相对较小 过滤 洗涤推动力小 洗涤不充分 适用于处理量大而容易过滤的悬浮液分离 洗涤方式为置换洗涤 3 1 3过滤基本理论 3 1 3 1滤饼层特性 1 滤饼层空隙率 空隙率反映了滤饼层中固体颗粒的堆积密度 颗粒堆积紧密 同样流量下 阻力 颗粒堆积疏松 同样流量下 阻力 3 1 3过滤基本理论 2 滤饼自由截面积分率A0 将滤饼层转化为如图所示的圆环柱 根据空隙率和自由截面积分率的定义 有 3 1 3过滤基本理论 3 滤饼比表面积aB和颗粒比表面积S0 3 1 3过滤基本理论 3 1 3 2滤液通过滤饼层的流动流动阻力可用哈根 泊谡叶方程表示 式中l 滤饼孔道的平均长度 m u 为滤饼孔道中滤液的流速 m s de 为孔道的当量直径 m 3 1 3过滤基本理论 将以上关系代入哈根 泊谡叶方程 3 1 3过滤基本理论 滤饼的空隙率 r 所以对可压缩滤饼推动力不同时 比阻也不同 由于滤液流过滤饼而对滤饼中的颗粒产生向前的压缩力 压紧力 使得滤饼表面空隙率较大 而内部的空隙率较小 阻力较大 因此空隙率 比阻不仅与过滤推动力有关 还与滤饼层的位置有关 它们在滤饼中的不同位置分布是不均匀的 且上式过滤速率只考虑了滤饼的过滤阻力 还未考虑过滤介质的过滤阻力 3 1 3过滤基本理论 3 1 3 3过滤基本方程式 1 可压缩滤饼 3 1 3过滤基本理论 比阻的另一种表达方法定义 3 1 3过滤基本理论 3 1 3 4恒压过滤 Constantpressurefiltration 若在过滤过程中保持过滤推动力恒定 那么在过滤初始阶段 滤饼还未形成时 过滤阻力小 过滤速率大 随着过滤的进行 滤饼厚度不断增大 过滤阻力增大 过滤速率下降 这种过滤方式为恒压过滤 若要保证过滤过程的过滤速率恒定 那么在过滤过程中应不断提高过滤的推动力 这种操作方式为恒速过滤 Constantratefiltration 若过滤过程中压力和速率均无法恒定则为变压变速过滤 恒压过滤如线 1 所示 压力恒定 速率不断下降 恒速过滤如线 2 所示 速率恒定 过滤压力不断提高 线 5 为系统阻力 包括过滤系统管道阻力和滤饼阻力 变压变速过滤 当管道阻力 滤饼阻力时 则变压变速过滤趋向于恒压过滤 如线 3 所示 当管道阻力 滤饼阻力时 则过滤压力和过滤速率变化明显 如线 4 所示 3 1 3过滤基本理论 在工业应用实际中采用哪种操作方式 恒压 恒速 先恒速后恒压 先恒压后恒速 3 1 3过滤基本理论 K称为过滤常数 m2 s 与滤液性质 悬浮液浓度 温度 过滤压力 压缩性指数等因素有关 对一定的悬浮液在恒压条件下过滤 压力差 滤液粘度 悬浮液浓度 滤饼比阻 压缩性指数等为常数 即为常数 那么过滤基本方程为 3 1 3过滤基本理论 e为过滤得到滤液量所花的时间 它与Ve一样是虚拟量 反映过滤介质阻力的大小 积分上式 3 1 3过滤基本理论 当过滤介质阻力与滤饼阻力相比较小可以忽略 Le 0 Ve 0 e 0时 3 1 3过滤基本理论 3 1 3 5过滤参数的测定 1 过滤常数 Filtrationconstant 的测定过滤常数与过滤体系 操作条件有关 通常由恒压过滤实验测定 其测定方法主要有两种 微分法 3 1 3过滤基本理论 3 1 3过滤基本理论 积分法 3 1 3过滤基本理论 注意 在实验测定过程中微分法测定的是一定时间段内时间 滤液量的变化量 而积分法是测定实验过程中某时刻滤液的总量 微分法在理论上做了近似不如积分法准确 在实验过程中要保证最终得到的关系线为直线 也就是过滤常数恒定 必须注意哪些问题 保证 r c s p等参数即悬浮液体系 温度 浓度 过滤方式 过滤介质 过滤压力等在过滤过程中维持恒定 过滤常数是在一定过滤压力下测定的 它能否用于其他过滤压力的计算呢 3 1 3过滤基本理论 若比阻r与参数c没有变化则 若为不可压缩滤饼则 滤饼多具有可压缩性 且实验条件往往与实际操作条件不同如悬浮液的浓度 温度 压力等等 所以要将实验测定的过滤常数应用于实际生产 必须利用以上各式进行校正 但校正前必须确定压缩性指数s 3 1 3过滤基本理论 2 压缩性指数 Compressibilitycoefficient 的测定 3 1 3过滤基本理论 例拟用一板框压滤机在3kgf cm2压强下过滤某悬浮液 过滤常数为7 10 5m2 s qe 0 015m3 m2 现要求每一操作周期得到10m3滤液 过滤时间为0 5h 滤饼不可压缩 且滤饼与滤液体积比c 0 03m3 m3 求 1 需要多大过滤面积 2 如果操作压力提高至6kgf cm2 现有一台板框压滤机 每个框的尺寸为635 635 25mm 要求每个过滤周期得到的滤液量仍为10m3 过滤时间不超过0 5h 至少需要多少个滤框才能满足要求 3 1 3过滤基本理论 3 1 3 6洗涤速率和洗涤时间 1 洗涤速率洗涤速率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 故洗涤过程的阻力不变 洗涤速率为常数 3 1 3过滤基本理论 连续过滤机和叶滤机此类过滤机的洗涤方式是置换洗涤 其特点是 当过滤滤液粘度与洗涤液粘度相等 过滤终了压力与洗涤压力相等时 洗涤速率与过滤终了速率相等 3 1 3过滤基本理论 板框过滤机此类过滤机采用横穿洗涤方式 其特点是 同样比较过滤终了速率和洗涤速率 当过滤滤液粘度与洗涤液粘度相等 W E 过滤终了压力与洗涤压力相等 pW pE时 洗涤速率为过滤终了速率的四分之一 3 1 3过滤基本理论 2 洗涤时间为了相互区别 过滤时间用 F表示 洗涤时间用 W 辅助时间用 R表示 洗涤时间为 式中VW为洗涤液的用量 m3 置换洗涤和横穿洗涤速率可合并写成 3 1 3过滤基本理论 讨论 当过滤介质阻力可以忽略时 洗涤速率与洗涤时间计算中置换洗涤 1 横穿洗涤 1 4的成立条件 W E pW pE 若 W E pW pE 则 W如何计算 3 1 3过滤基本理论 例用板框压滤机过滤某悬浮液 该过滤机共有12个框 框边长300mm 厚25mm 在过滤开始3min内恒速过滤 当压力升高到392kPa 表压 后恒压操作 又经过15min滤框被充满 然后在343kPa 表压 下洗涤10min 求 在每个操作周期内 1 收集到的滤液量 2 洗涤液用量 此悬浮液曾在一过滤面积为0 05m2的真空叶滤机内进行试验 试验在66 66kPa真空度下进行 5min获得滤液250ml 又过了5min再得到滤液150ml 滤饼不可压缩 过滤介质阻力在叶滤机和板框压滤机中相同 3 1 4过滤机的生产能力 生产能力可以以单位时间过滤得到的滤液或滤渣体积量来表示 没有特别说明情况下以前者表示 Q m3滤液 h 1 间歇过滤机生产能力 F L V 但滤液在过滤后期增加量不大而洗涤速率 W R相应 Q F L V W R所占比重 Q 因此必然存在最佳的过滤时间 使得过滤生产能力达到最大 3 1 4过滤机的生产能力 3 1 4过滤机的生产能力 当过滤介质阻力忽略不计时 不论其它条件如何 若不进行洗涤 W 0 J 0 则 不论其它条件如何 3 1 4过滤机的生产能力 2 连续过滤机生产能力 3 1 4过滤机的生产能力 过滤周期 C 转速为n 转 s 则 定义沉浸度 恒压过滤方程 3 1 4过滤机的生产能力 讨论 若过滤介质阻力可以忽略 Ve 0 qe 0 e 0则 若n 则Q 但 F