化工原理第三章过滤-最新版本.ppt

第四节过滤 过滤 在外力的作用下 悬浮液中的液体通过多孔介质的孔道而固体颗粒被截留下来 从而实现固 液分离的操作 过滤目的 从悬浮液中分离出固体颗粒 实现过滤操作的外力有重力 压力 离心力 化工中应用最多的是压力过滤 在某些场合 过滤是沉降的后继操作 滤浆 slurry 原悬浮液 滤饼 filtercake 截留的固体物质 过滤介质 filteringmedium 多孔物质 滤液 filterate 通过多孔通道的液体 过滤操作示意图 滤饼过滤 一 两种过滤方式 1 滤饼过滤 一 悬浮液的过滤 滤饼过滤过程 刚开始 有细小颗粒通过孔道 滤液混浊 开始后 迅速发生 架桥现象 颗粒被拦截 滤液澄清 注意 所选过滤介质的孔道尺寸一定要使 架桥现象 能够发生 所以 在滤饼过滤时真正起过滤作用的是滤饼本身 而非过滤介质 固体含量较高的悬浮液 特点 颗粒 粒子 并不形成滤饼 沉积于介质内部 过滤对象 悬浮液中的固体颗粒小而少 过滤介质 堆积较厚的粒状床层 过滤原理 颗粒尺寸 介质通道尺寸 颗粒通过细长而弯曲的孔道 靠静电和分子的作用力附着在介质孔道上 应用 适于处理生产能力大而悬浮液中颗粒小而且含量少 颗粒的体积百分数 0 1 滤饼不为产品的场合 如水处理和酒的过滤 2 深层过滤 二 过滤介质 过滤介质应具有如下性质 过滤介质的作用 滤饼过滤 促使滤饼的形成 并支承滤饼 1 多孔性 液体流过的阻力小 2 孔道大小适当 能发生架桥现象 3 有足够的机械强度 使用寿命长 4 耐腐蚀性和耐热性 5 价格便宜 工业常用的过滤介质主要有a 织物介质 又称滤布 包括有棉 毛 丝等天然纤维 玻璃丝和各种合成纤维制成的织物 以及金属丝织成的网能截留的粒径的范围较宽 从几十 m到1 m 优点 织物介质薄 阻力小 清洗与更新方便 价格比较便宜 是工业上应用最广泛的过滤介质 b 多孔固体介质 如素烧陶瓷 烧结金属 塑料细粉粘成的多孔塑料 棉花饼等 这类介质较厚 孔道细 阻力大 能截留1 3 m的颗粒 c 堆积介质 由各种固体颗粒 砂 木炭 石棉粉等 或非编织的纤维 玻璃棉等 堆积而成 层较厚 d 多孔膜 由高分子材料制成 膜很薄 几十 m到200 m 孔很小 可以分离小到0 05 m的颗粒 应用多孔膜的过滤有超滤和微滤 随着过滤的进行 滤饼的厚度增大 滤液的流动阻力亦逐渐增大 导致滤饼两侧的压强差增大 滤饼的压缩性对压强差有较大影响 滤饼分为可压缩滤饼和不可压缩滤饼 不可压缩滤饼 某些悬浮液中的颗粒所形成的滤饼具有一定的刚性 滤饼的空隙结构不会因为操作压差的增大而变形 可压缩滤饼 滤饼因为操作压差的增大而发生不同程度的变形 滤饼中的流动通道缩小 流动阻力增加 克服滤饼压缩性的手段 助滤剂的加入 可以增大滤饼的空隙率 对于所处理的悬浮液颗粒比较细小而且粘度很大时 效果尤为明显 三 助滤剂 助滤剂的组成 不可压缩的粉状或纤维状固体 使用方法 适用场合 以获得清洁滤液为目的才使用 当滤饼是产品时不能使用助滤剂 混入悬浮液 助滤剂混入待滤的悬浮液一起过滤 预涂 预先制备只含助滤剂颗粒的悬浮液并先行过 常用的助滤剂 硅藻土 珍珠岩 石棉 炭粉等 要求 作助滤剂的物质应能较好地悬浮于料液中 且颗粒大小合适 助滤剂中还不应含有可溶于滤液的物质 以免污染滤液 四 悬浮液量 固体量 滤液量与滤渣量的关系 滤液量悬浮液中所含液体量 滤液 密度 体积V悬浮液液体湿滤渣 密度 c干渣 密度 p 总物料 悬浮液质量 滤渣量 滤液量 固体物料 悬浮液中固体量 滤渣中固体量 物料衡算 对于指定的悬浮液 获得一定量的滤液必定形成相应量的滤饼 悬浮液量 滤液量和滤饼量用以下的物料衡算式求出 C 含1kg干滤渣的湿滤渣质量 即湿滤渣质量与干滤渣质量之比 X 单位质量悬浮液中所含干滤渣质量 得到1m3滤液所形成的干滤渣质量 kg 干渣 m3 滤液 而湿滤渣体积 干滤渣体积 液体体积 取含1kg干滤渣的湿滤渣为基准 取1kg悬浮液为基准 p 固体的密度 c 湿滤渣的密度 液体的密度 kg干渣 kg悬浮液 湿滤渣质量与滤液体积的比值 C C kg湿渣 m3滤液 湿滤渣体积与滤液体积的比值 m3湿渣 m3滤液 例3 4已知湿滤渣 干滤渣及滤液的密度分别为 c 1400kg m3 p 2600kg m3 1000kg m3 试求湿滤渣与其中所含干渣的质量比 若1kg悬浮液中含固体颗粒0 04kg 试求与1m3滤液所对应的干渣质量为多少 解 1 由 2 已知X 0 4kg 干渣 kg 悬浮液 所以C 2 15kg 湿渣 kg 干渣 例 已知某悬浮液中固相的质量分率为0 139 固相密度为2200kg m3 液相为水 每1m3滤饼中含500kg水 其余全为固相 求滤饼体积与滤液体积之比 1 以1m3滤饼为基准 解 1m3滤饼中 水 500kg 固体 体积0 5m3 需要滤浆的质量为 质量1100kg 化工原理 课件 第三章非均相物系的分离 生成的滤液质量为 7913 7 500 1100 6313 7kg 2 以1kg悬浮液为基准 1kg悬浮液中 水 0 861kg 固体 0 139kg 颗粒体积 每1m3滤饼中含500kg水 即固相体积分率为0 5 滤饼体积 滤饼中含水 则1kg悬浮液生成的滤液质量为 0 861 0 0632 0 798kg 3 设得到1m3滤液可得到xm3滤饼 解得 二 过滤速率基本方程式 设过滤设备的过滤面积为A 过滤时间为 时所获得的滤液体积为V 过滤速度 单位时间 单位过滤面积所得滤液体积 即 如果想保持一定的过滤速度 可以随着过滤操作的进行 逐渐增大压力差 来克服逐渐增大的过滤阻力 所以过滤速度可写成 滤饼过滤过程中 滤饼逐渐增厚 流动阻力也随之逐渐增大 则过滤速率逐渐减小 所以过滤过程属于不稳定的流动过程 过滤推动力 压力差 L p1 p2 过滤阻力 滤饼阻力 过滤介质阻力 PC 饼层压差 Pm 过滤介质压差 RCRm 对于滤饼层内不规则的通道 可以简化成由许多平行的细管 当量直径为de 组成 细管长度与床层高度成正比 细管内表面积之和等于滤饼内全部颗粒的外表面积 细管的全部流动空间等于滤饼内的全部空隙体积 滤液通过饼层的流动 颗粒床层的特性可用空隙率 当量直径等物理量来描述 空隙率 单位体积床层中的空隙体积称为空隙率 式中 床层的空隙率 m3 m3 式中 颗粒的比表面 m2 m3 比表面积 单位体积颗粒所具有的表面积称为比表面积 颗粒床层的特性 依照第一章中非圆形管的当量直径定义 当量直径为 式中de 床层流道的当量直径 m 故对颗粒床层直径应可写出 滤液通过饼层的流动常属于滞流流型 可以仿照圆管内滞流流动的泊稷叶公式 哈根方程 来描述滤液通过滤饼的流动 则滤液通过饼床层的流速与压强降的关系为 式中u1 滤液在床层孔道中的流速 m s L 床层厚度 m pc 滤液通过滤饼层的压强降 pa 阻力与压强降成正比 因此可认为上式表达了过滤操作中滤液流速与阻力的关系 在与过滤介质相垂直的方向上 床层空隙中的滤液流速u1与按整个床层截面积计算的滤液平均流速u之间的关系为 上式中的比例常数K 与滤饼的空隙率 颗粒形状 排列及粒度范围诸因素有关 对于颗粒床层内的滞流流动 K 值可取为5 式中V 滤液量 m3 t 过滤时间 s A 过滤面积 m2 过滤速率为 任一瞬间的过滤速度为 过滤速度 单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积 m3 m2 s 过滤速率 单位时间内获得的滤液体积 m3 s 过滤基本方程 R 滤饼阻力 1 m 其计算式为 对于不可压缩滤饼 滤饼层中的空隙率 可视为常数 颗粒的形状 尺寸也不改变 因而比表面a亦为常数 则有 式中r 滤饼的比阻 1 m2 其计算式为 R rL 1 过滤速度与滤饼阻力 比阻r 单位厚度滤饼的阻力 在数值上等于粘度为1Pa s的滤液以1m s的平均流速通过厚度为1m的滤饼层时所产生的压强降 比阻反映了颗粒特性 形状 尺寸及床层空隙率 对滤液流动的影响 床层空隙率 愈小及颗粒比表面a愈大 则床层愈致密 对流体流动的阻滞作用也愈大 通常把过滤介质的阻力视为常数 仿照滤液穿过滤饼层的速度方程则可写出滤液穿过过滤介质层的速度关系式 式中 pm 过滤介质上 下游两侧的压强差 Pa Rm 过滤介质阻力 l m 由于很难划定过滤介质与滤饼之间的分界面 更难测定分界面处的压强 在操作过程中总是把过滤介质与滤饼联合起来考虑 2过滤速度与介质的阻力 通常 滤饼与滤布的面积相同 所以两层中的过滤速度应相等 则 上式表明 可用滤液通过串联的滤饼与滤布的总压强降来表示过滤推动力 用两层的阻力之和来表示总阻力 式中 p 滤饼与滤布两侧的总压强差 称为过滤压强差 假设 厚度为Le的滤饼产生的阻力与滤布相同 而过程仍能完全按照原来的速率进行 则 rLe Rm 在一定的操作条件下 以一定介质过滤一定悬浮液时 Le为定值 但同一介质在不同的过滤操作中 Le值不同 式中Le 过滤介质的当量滤饼厚度 或称虚拟滤饼厚度 m 式中 v 滤饼体积与相应的滤液体积之比 无因次 LA vV 若每获得1m3滤液所形成的滤饼体积为vm3 则任一瞬间的滤饼厚度L与当时已经获得的滤液体积V之间的关系为 同理 如生成厚度为Le的滤饼所应获得的滤液体积以Ve来表示 则 式中Ve 过滤介质的当量滤液体积 或称虚拟滤液体积 m3 3 过滤基本方程式 注意 在一定的操作条件下 以一定介质过滤一定的悬浮液时 Ve为定值 但同一介质在不同的过滤操作中 Ve不同 上式适用于不可压缩滤饼 对于可压缩滤饼其比阻r与压强差有关 上式称为过滤基本方程式 它对各种过滤情况均适用 式中r 单位压强下滤饼的比阻 1 m2 p 过滤压强差 pas 滤饼的压缩性指数 无因此 一般情况下 s 0 1 对于不可压缩滤饼 s 0 根据上两式可得 r r p s 影响过滤速度的因素 1 推动力 p加压过滤 真空过滤 重力过滤 离心过滤 2 滤液的性质滤液黏度 过滤速度u 3 滤饼层的性质滤饼的厚度 空隙率 比表面积等 定义 过滤操作在恒定压强下进行时称为恒压过滤 滤饼不断变厚 阻力逐渐增加 推动力 p恒定 过滤速率逐渐变小 过滤操作的两种典型方式 恒压过滤和恒速过滤 特点 三 恒压过滤 1 滤液体积于过滤时间的关系 恒压过滤时 如图 滤液体积V 过滤时间 O O曲线表示 与过滤介质阻力对应的虚拟 当量 滤液体积Ve与虚拟过滤时间 e的关系 当 p不变 即恒压 悬浮液一定 r v 和Ve一定 时 积分过滤方程式 得 令 q V A 单位面积上的滤液量qe Ve A 单位面积上的当量滤液量 为常数则改写成q与 的关系式 令 化为 恒压过滤方程式 过滤常数 方程 都是 基本方程式 恒压过滤方程式 若过滤介质阻力可忽略不计 则 或 K是由物料特性及过滤压强差所决定的常数 称为滤饼常数 其单位为m2 s Ve或qe是反映过滤介质阻力大小的常数 称为介质常数 其单位分别为m3与m3 m2 二者总称为过滤常数 其值由实验测定 2 过滤常数的测定 K qe 实验测定过滤常数一般在恒压下进行 将基本方程式 两侧各项均除以qK 得 q和q之间具有线形关系 1 K为斜率 2qe K为截距 由此可知 只要测出不同过滤时间 时单位过滤面积所得的滤液量q 即可由上式求得K和qe 注意 与悬浮液的性质 温度 压力差有关 只有在工业生产条件和实验条件一致时 才能直接使用实验测定的过滤常数K和qe 例3 5含有CaCO3质量分数为13 9的水悬浮液 用板框过滤机在20 下进行过滤适用 过滤面积为0 1m 实验数据列于附表中 试求过滤常数K与qe 解 两种压力下的K与qe分别计算如下 1 压差为3 43 104Pa 可见 不同压差下测得的过滤常数数值不同 例3 6想用一台工业用板框压滤机过滤例3 5中的含CaCO3粉末的悬浮液 在表压10 3 104 20 条件下过滤3小时得到6m3滤液 所用过滤介质和例3 5的相同 试求所需要的过滤面积 解 例3 5中已求出表压10 3 104时的过滤常数 可用恒压过滤基本方程式求出所需要的过滤面积 所以 过滤面积 例 一台板框压滤机的过滤面积为0 2m2 在表压150kpa下以恒压操作方式过滤某一悬浮液 2小时后得滤液40m3 已知滤渣不可压缩 过滤介质阻力忽略 求 若其它情况不变 而过滤面积加倍 可得滤液多少 若表压加倍 2小时后可得滤液多少 若其它情况不变 将操作时间缩短为1小时 所得滤液多少 分析 由于过滤介质阻力忽略 所以选用公式 1 过滤面积加倍 则 2 表压加倍 则 3 过滤时间缩短为1小时 则 2VVe 0 例 在实验室用一片过滤面积为0 1m2的滤叶对某种颗粒在水中悬浮液进行实验 过滤压强差为500mmHg 过滤5分钟得滤液1升 又过滤5分钟得滤液0 6升 若再过滤5分钟 可得滤液多少升 分析 已知两组滤液体积和时间 求另一组过滤时间下的体积 则选用公式 实际滤液量为 工业上使用的典型过滤设备 按操作方式分类 间歇过滤机 连续过滤机 按操作压强差分类 压滤 吸滤和离心过滤 板框压滤机 间歇操作 转筒真空过滤机 连续操作 过滤式离心机 四 过滤设备 结构 滤板 滤框 夹紧机构 机架等组成 滤板 凹凸不平的表面 凸部用来支撑滤布 凹槽是滤液的流道 滤板右上角的圆孔 是滤浆通道 左上角的圆孔 是洗水通道 1板框压滤机 洗涤板 左上角的洗水通道与两侧表面的凹槽相通 使洗水流进凹槽 非洗涤板 洗水通道与两侧表面的凹槽不相通 排列方式 板 框交替 个数可调 1 2 3 2 1 2 操作周期 组装 过滤 洗涤 卸渣 整理 操作方式 间歇操作 板框过滤机的操作是间歇式的 每个操作循环由装合 过滤 洗涤 卸渣 整理五个阶段 过滤过程 1 装合 将板与框按1 2 3 2 1 2 3的顺序 滤板的两侧表面放上滤布 然后用手动的或机动的压紧装置固定 使板与框紧密接触 2 过滤 用泵把滤浆送进右上角的滤浆通道 由通道流进每个滤框里 滤液穿过滤布沿滤板的凹槽流至每个滤板下角的阀门排出 固体颗粒积存在滤框内形成滤饼 直到框内充满滤饼为止 3 洗涤 将洗水送入洗水通道 经洗涤板左上角的洗水进口 进入板的两侧表面的凹槽中 然后 洗水横穿滤布和滤饼 最后由非洗涤板下角的滤液出口排出 在此阶段中 洗涤板下角的滤液出口阀门关闭 4 卸渣 整理打开板框 卸出滤饼 洗涤滤布及板 框 在洗液粘度与滤液粘度相近的情况下 且在压差相同时 洗涤速率约为过滤终了速率的1 4 结构简单 价格低廉 占地面积小 过滤面积大 可根据需要增减滤板的数量 调节过滤能力 对物料的适应能力较强 由于操作压力较高 3 10kg cm2 对颗粒细小而液体粘度较大的滤浆 也能适用 间歇操作 生产能力低 卸渣清洗和组装阶段需用人力操作 劳动强度大 所以它只适用于小规模生产 近年出现了各种自动操作的板框压滤机 使劳动强度得到减轻 板框压滤机的特点 1 结构 转筒真空过滤机结构示意图 2转筒真空过滤机 转筒及分配头的结构 工作过程 18格分成6个工作区1区 1 7格 过滤区 2区 8 10格 滤液吸干区 3区 12 13格 洗涤区 4区 14格 洗后吸干区 5区 16格 吹松卸渣区 6区 17格 滤布再生区