过滤常数的测定实验.docx

过滤常数的测定实验一.实验内容测定恒压操作条件下的过滤常数K，qe。二.实验目的（1） 学习并掌握应用数学模型法处理工程实际问题的研究方法。（2） 了解过滤设备的构造和操作方法。（3） 学习并掌握实验测定过滤常数的基本原理和方法，了解测定过滤常数的工程意义。三.实验基本原理广义的讲，过滤式借助于能将固体物截留而让流体通过的（过滤）多孔介质将固体物从液体或气体中分离出来的单元操作，工业上过滤多指液固系统的分离。过滤过程的本质是流体通过固定颗粒层（滤饼）的流动，只不过在过滤过程中，固定颗粒层的厚度不断增加，流体流动阻力也不断增大，因此，在推动力（压差）不变的情况下，单位时间内通过过滤介质的液体量也在不断减少。如果将单位时间内通过过滤面积的滤液量定义为过滤速率，即 (1) (1a)式（1）中 V通过过滤介质的滤液量，m3；A过滤面积，m2；过滤时间，s；过滤速率，m/s；q通过单位过滤面积的滤液量，m3/m2。可以预测，在恒定压差下，过滤速率dqd与过滤时间、滤液量q与滤液时间将有如图7-1所示的关系。图7-1 过滤速率和滤液量与时间的关系 尽管过滤是一个流体力学问题，但在过滤过程中，影响过滤速率的主要因素除了推动力（压差）大小、滤饼厚度外，尚有滤饼、悬浮液（含有固定颗粒的原料液）性质、悬浮液温度、过滤介质的阻力等诸多因素，因此难以直接采用流体在圆管中流动的有关计算公式来计算过滤速率和阻力等问题。如第1章第2节中所阐述的那样，对于过滤问题，可以根据过程的本质和特征对实际过程作出适当简化，从而可以采用适当的数学方程（模型）对方程进行描述。比较过滤过程与流体通过固定床的流动可知，过滤速率即为流体经过固定床的表观速度，同时，液体在细小颗粒构成的滤饼空隙中的流动属于低雷诺数范围。因此，可利用流体通过固定床压降的简化数学模型，寻求滤液量与时间的关系。根据1.2章节的推导，在低雷诺数下，过滤速率可用康采尼（Kozeny）公式表示 (2)式（2）中 K 与滤饼空隙率、颗粒形状、排列方式等有关的常数，当Re2时，K =5；滤饼的孔隙率，m3/m3；a颗粒的比表面积，m2/m3；p压差，即过滤推动力，MPa； 滤液黏度，Pas；L滤饼厚度，m。根据物料衡算并考虑到过滤介质的阻力，可以导得过滤基本方程式 (3)式(3)中 滤饼比阻1/m2,对可压缩滤饼，=0pS,S称为压缩指数；悬浮液中的固含量，kg/m3清液；液体黏度，Pas；qe为形成与过滤介质阻力相当的滤饼层的虚拟滤液量。为了简便起见，式（3）可改写为dqd=K2q+qe (4) (4a)或 (4b)式（4）中的K，qe都称为过滤常数。在恒压操作条件下，p为常数，对式（4）积分，可得 (5)此即为恒压过滤方程。若知道了K，qe，即可在过滤设备、过滤操作条件一定时，计算过滤一定的滤液量所需的操作时间；或者在过滤时间、过滤条件一定时，计算为完成一定生产任务所需的过滤设备的（面积）大小。通常前者称为操作计算，后者称为设计计算。显然，只要做少量的实验，求得q之间的关系，即可通过实验数据的处理得出K和qe。为此，将式(5)变换成如下形式 （6）实验时，只要保持过滤压力（差）不变，测得对应不同过滤时间所得到的滤液量，以 q 对q在直角坐标系中作图，得一直线，读取直线斜率 1K 和截距2Kqe，即可求得过滤常数K和qe，或者利用计算机直接对q 对q的数据进行线性拟合，求得1K 和2Kqe，进而算得K和qe。在组织实验时，由于过滤开始时在过滤介质上固体颗粒尚未形成滤饼，如若实验一开始即以恒压操作，部分颗粒就可能因过滤推动力较大穿过过滤介质而得不到清液。因此，在实验开始后，首先在较小压力下操作片刻，待固体颗粒在过滤介质上形成滤饼后，再在预定的压力下操作至结束。若在恒压过滤前的1时间内已通过了q1的滤液量，则在1至和q1至q范围内将式(4)积分，整理后可得-1q-q1=1Kq+q1+2Kqe (7)式(7)表明，q+q1和 -1q-q1 为线性关系，采用与式（6）同样的处理方法，亦可方便地求得K和qe。如果滤饼是可压缩的，则可在实验中改变过滤压力（差）p，测的不同的K值，由K的定义式（4b）两边取对数得lgK=1-Slgp+lg(2/0) (8) 将K与p在双对数坐标绘得一直线，直线的斜率为1-S，由此可得滤饼的压缩指数S。将S代入式（8），又可求出滤饼的比阻。要说明的是，虽然p是过滤的推动力，增大p可使过滤速率增大，但过滤速率亦与过滤阻力有关。工业上，经常采用减少阻力办法来强化过滤操作，例如采用性能良好的过滤介质，在原料悬浮液中添加硅藻土、活性炭等改善滤饼的结构，或加入其它有机的，无机的添加剂以减少悬浮液的黏度等措施，而这些也是过滤问题研究的重点内容。四实验设计 实验方案 用轻质碳酸钙（CaCO3）粉和水配制的悬浮液做实验物料，以压缩空气为过滤动力源，测定不同过滤时间与之对应的滤液量，通过对实验数据的处理即可求得过滤常数。 测试点及检测方法 实验中需记录的原始数据有过滤时间和对应的滤液量V以及过滤面积A。如果滤液量以质量计量，还应测定滤液的温度以便计算其体积流量。 过滤时间用两只秒表交替计时。 滤液用量与计量桶连接的重量传感器测定并用数字仪表显示。控制点及调节方法 实验中应保持连续不断地向过滤器供料，同时要控制过滤压力稳定，为此，需设置流量控制阀和压缩空气压力调节阀。 实验装置和流程 主要设备过滤器：自制单板框圆形过滤器过滤介质：致密帆布滤布供料泵配料桶滤液收集桶流量控制阀和压力调节阀压力表温度计滤液计量秤和秒表 其流程如图7-2所示将碳酸钙(CaCO3）放入配料桶内配制成浓度约为1.035%1.055%（波美度）的悬浮液，由供料泵打循环，使浆液不致沉淀，将悬浮原料液通过管路送入过滤器过滤，滤液流入计量桶，过滤完毕后，亦可用清水洗涤或压缩空气吹干滤饼。五实验操作要点装配过滤器实验用的过滤器依装配顺序由支撑底座、底板、滤布、板框、预分布板和盖板组成。（1）滤布在放至底板之前要用水浸湿。（2）将过滤器各部件按顺序装好后，用螺丝将上盖拧紧，应注意要按对角顺序紧固螺丝。（3）向过滤器内线通入自来水并开通压缩空气试漏，若泄露严重，须拆下各部件重新安装。 过滤实验操作（1）记录滤液桶初始重量，若实验开始前滤液桶存液过多，应先排放掉一部分。（2）开启供料阀向过滤器送料，注意控制缓冲罐液位不超过2/3。与此同时，打开过滤器盖板上方的排气阀，排除滤框内空气后再将其关闭。（3）利用压缩空气阀门或供料阀调节过滤压力，对于本实验物系，过滤操作压力在0.020.08MPa为宜。（4）注意实验初始阶段并非恒压操作，而是接近恒速操作。因此，可采用2只秒表交替计时，当确定并记录下恒压开始时间1和相应的滤液量V1（q1）后，随即记录恒压操作下一系列的和V。建议当滤液桶中出现第一滴滤液时，即开始计时。（5）当滤液量很少，确定滤饼已充满滤框中，可结束实验。六实验数据处理和结果分析讨论（1）以累计的滤液量q对时间作图，得出q与之间的关系（即过滤曲线）。（2）根据过滤曲线，以 -1q-q1对q+q1作图，求出K和qe，并与计算机采用最小二乘法线性拟合的结果进行比较。（3）对实验结果进行讨论分析并从中得出结论，提出自己的建议或设想。（4）对实验结果进行误差分析，并寻找原因。原始数据记录：过滤器 内径d 150mm 框厚 H 15mm 清液计量桶D 124mm物流 物质碳酸钙悬浮液 8-10B第一次过滤实验序号过滤时间/s清液高度h/cm序号过滤时间/s清液高度h/cm104.00 12529.50 25.74.20 1377.310.00 39.75.00 1483.110.50 421.95.50 1573.211.00 518.36.00 1690.211.50 616.86.50 1795.612.00 722.47.00 1871.612.50 829.87.50 1979.013.00 930.08.00 20143.913.50 1043.38.50 21208.514.00 1150.59.00 第二次过滤实验序号过滤时间/s清液高度h/cm序号过滤时间/s清液高度h/cm103.90 942.77.50 27.63.90 1040.38.00 325.24.50 1146.18.50 418.85.00 1282.89.00 520.75.50 1382.09.50 620.06.00 1455.110.00 725.26.50 15101.310.50 828.77.00 16244.811.00 数据处理：以第一次过滤实验为例进行计算滤液量V=D22h过滤面积A=d22=3.140.15022=1.7710-2m2则1=5.7sV1=3.140.12422(4.2-4.0)10-2=2.4110-5m3q1=V1A=2.4110-51.7710-2=1.3610-3m3/m2将计算结果列于下表hVqq+q1-1q-q115.41.000.0001210.0068340.0082011774.27537.31.500.0001810.0102510.0116173556.99255.62.000.0002410.0136680.0150344056.64772.42.500.0003020.0170840.0184514243.62694.83.000.0003620.0205010.0218684656.492124.63.500.0004220.0239180.0252855272.384154.64.000.0004830.0273350.0287025733.902197.94.500.0005430.0307520.0321196540.698248.45.000.0006040.0341690.0355367398.909300.45.500.0006640.0375860.0389538136.608377.76.000.0007240.0410030.0423699385.428460.86.500.0007850.044420.04578610570.745347.000.0008450.0478360.04920311368.7624.27.500.0009050.0512530.0526212398.12719.88.000.0009660.054670.05603713396.88791.48.500.0010260.0580870.05945413852.17870.49.000.0010860.0615040.06287114378.781014.39.500.0011470.0649210.06628815869.941222.810.000.0012070.0683380.06970518173.53以q对作图以-1q-q1对q+q1作图，得：得K=1243968=4.1010-6qe=515.564.1010-62=1.05710-3同理对第二次过滤实验进行处理可得得K=1217630=4.6010-6qe=428.224.6010-62=9.83810-4实验心得本次实验原理较为简单，操作也不复杂。在进行过程中，水入口阀打不开，造成无法进行洗涤实验。调节气压时，阻力过大，导致进气管爆开。不过还好老师通过对气管的改进，防止了较大规模的爆炸。使用双秒表需要事先提前熟练，以防手忙脚乱。且实验过程中发现滤饼并未完全充满板框便已停止实验，误差较大。误差分析读数误差，操作误差七思考题（1）过滤刚开始时，为什么滤液经常是浑浊的？答：过滤介质中微孔通道的直径可能大于悬浮液中部分颗粒直径，因此，过滤初期会有一些小颗粒穿过而使滤液浑浊。但是颗粒会在孔道中迅速发生“架桥”现象，使小于孔道直径的细小颗粒也能被拦截，并开始形成滤饼，由此滤液变清，过滤才能有效进行。（2）在恒压过滤中，为什么初期阶段不采取恒压操作？答“因为初期阶段需要生成滤饼，等滤饼有一定厚度之后才能开始恒压操作。（3）如果滤液的粘度比