第三章分离4_10-4-14ppt课件

.,1,第四节过滤,p,.,2,能量消耗比较低（与蒸发，干燥等非机械操作相比）,对于悬浮液。,.,3,过滤：以某种多孔物质为介质，在外力作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固、液分离的操作。,3.4.1过滤操作的基本概念,实现过滤操作的外力,重力压强差惯性离心力,化工中应用最多,.,4,滤浆：原悬浮液,滤饼：截留的固体物质,过滤介质：多孔物质,滤液：通过多孔通道的液体,过滤操作示意图(滤饼过滤),.,5,1.过滤方式,饼层过滤,悬浮液置于过滤介质的一侧，固体物沉积于介质表面而形成滤饼层。,饼层过滤深床过滤,.,6,滤饼层的形成“架桥”,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”，使小于孔道直径的细小颗粒也能被截拦，故当滤饼开始形成，滤液澄清。,.,7,在饼层过滤中，真正发挥截拦颗粒作用的主要是滤饼层而不是过滤介质。通常，过滤开始阶段得到的浑浊液，待滤饼形成后应返回滤浆槽重新处理。饼层过滤适用于处理固体含量较高(固相体积分率约在1以上)的悬浮液。,.,8,特点：颗粒(粒子)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,深床过滤,.,9,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的场合，如水处理和酒的过滤。,.,10,2.过滤介质过滤介质是滤饼的支承物，促使滤饼的形成,过滤介质：多孔物质,过滤介质应具有如下性质：,多孔性，液体流过的阻力小；有足够的机械强度；耐腐蚀性和耐热性；孔道大小适当，能发生架桥现象。,.,11,织物介质(又称滤布)包括由棉、毛、丝、麻等天然纤维及合成纤维制成的织物，以及由玻璃丝、金属丝等织成的网。这类介质能截留颗粒的最小直径为565m。织物介质在工业上应用最为广泛。,天然纤维滤布,镀锌铁丝网,过滤板上滤布,丙纶涤纶过滤袋,高性能静电滤袋,.,12,(2)堆积介质此类介质由各种固体颗粒(细砂、木炭、石棉、硅藻土)或非编织纤维等堆积而成，多用于深床过滤。,硅藻土壁材,硅藻土,石棉,.,13,(3)多孔固体介质这类介质是具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶瓷、多孔塑料及多孔金属制成的管或板，能截拦13m的微细颗粒。,泡沫蜂窝陶瓷,地下通信管道用一体多孔塑料管,热交换用多孔金属铝/铜/镍/锌/锡,.,14,3.滤饼的压缩性和助滤剂滤饼是由截留下的固体颗粒堆积而成的床层，随着操作的进行，滤饼的厚度与流动阻力都逐渐增加。,3-硝基邻苯二甲酸制备过程中的滤饼,150目滤布的脱水泥饼效果,酒糟渣脱水后的滤饼,.,15,不可压缩滤饼颗粒如果是不易变形的坚硬固体(如硅藻土、碳酸钙等)，则当滤饼两侧的压强差增大时，颗粒的形状和颗粒间的空隙都不发生明显变化，单位厚度床层的流动阻力可视作恒定.,轻质碳酸钙,硅藻土,.,16,(2)可压缩滤饼如果滤饼是由某些类似氢氧化物的胶体物质构成，则当滤饼两侧的压强差增大时，颗粒的形状和颗粒间的空隙便有明显的改变，单位厚度饼层的流动阻力随压强差加高而增大。,Fe(OH)3胶体,.,17,减少可压缩滤饼的流动阻力，将质地坚硬而能形成疏松饼层的固体颗粒(硅藻土、珍珠岩、石棉、炭粉等)混入悬浮液或预涂于过滤介质上，,助滤剂,预混或预涂的粒状物质。,使用前提颗粒细，容易堵死过滤介质的孔隙；所形成的滤饼在压差的作用下，孔隙变小，阻力增大，使过滤困难。,形成疏松饼层，使滤液得以畅流。,.,18,对助滤剂的基本要求：(1)应是能形成多孔饼层的刚性颗粒，使滤饼有良好的渗透性及较低的流动阻力。(2)应具有化学稳定性，不与悬浮液发生化学反应，也不溶于液相中。(3)在过滤操作的压强差范围内，应具有不可压缩性，以保持滤饼有较高的空隙率。,珍珠岩助滤剂,.,19,3.4.2过滤基本方程式,描述过滤速率（或过滤速度）与过滤推动力过滤面积料浆性质介质性质滤饼厚度等诸因素关系的数学表达式,.,20,1.滤液通过饼层的流动,饼层中滤液通道细小曲折，而且互相交联，形成不规则的网状结构随着过滤进行，滤饼厚度不断增加，流动阻力逐渐加大，因而过滤属于非稳态操作细小而密集的颗粒层提供了很大的液、固接触表面，滤液的流动大都在层流区,1)特点：,.,21,对于颗粒层中不规则的通道，可以简化成由一组当量直径为de的细管，而细管的当量直径可由床层的空隙率和颗粒的比表面积来计算。,2)用数学方程式对滤液流动加以描述，常将复杂的实际流动过程加以简化：,.,22,描述滤液流动的数学方程式(康采尼公式)：,u：按整个床层截面积计算的滤液平均流速，ms；pc：流体通过管道时产生的压强降，Pa；：床层空隙率；a：比表面积，1/m；L：滤饼层厚度，m；：流体粘度，Pas。,.,23,2、过滤速率和过滤速度,过滤速度：单位时间通过单位过滤面积的滤液体积。过滤速率：单位时间获得的滤液体积.,过滤速度是单位过滤面积上的过滤速率二者不要混淆,dV/Ad,dV/d,.,24,若过滤进程中其它因素维持不变，则由于滤饼厚度不断增加而使过滤速度逐渐变小。任一瞬间的过滤速度应写成如下形式：,而过滤速率为：,式中V滤液量，m3.；,过滤时间，s；,A过滤面积，m2,.,25,3、滤饼的阻力对于不可压缩滤饼，滤饼层中的空隙率e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,反映了颗粒的特性，其值随物料而不同,.,26,若以r代表其倒数，,r-滤饼的比阻，1/m2,r=,比阻r是单位厚度滤饼的阻力在数值上等于粘度为1Pas的滤液以lm/s的平均流速通过厚度为lm的滤饼层时所产生的压强降比阻反映了颗粒形状、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,.,27,则式,可写成,r=,.,28,说明：,（1）上式表明：任一瞬时的过滤速度与滤饼两侧的压强差成正比，与滤饼厚度和滤液粘度成反比；,（2）将R称为过滤过程的阻力，包括滤液的粘度和滤饼阻力R，随着过滤的进行而增大；,m代表滤液的影响因素，rL代表滤饼的影响因素,速度=推动力/阻力,.,29,说明：,（3）比阻r与颗粒的形状、尺寸、均匀度等有关，对不可压缩性滤饼，可认为是常数，其物理意义是：,即单位粘度、单位速度、通过1m厚度的滤饼时产生的压降。,c:cake,.,30,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,4.过滤介质的阻力,m:medium,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,.,31,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。,.,32,假设：用厚度为Le的滤饼来代替滤布，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；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。,.,33,直径为0.1mm的球形颗粒状物质悬浮于水中，用过滤方法予以分离。过滤时形成不可压缩滤饼，其空隙率为60。试求滤饼的比阻r。又知此悬浮液中固相所占的体积分率为10，求每m2过滤面积上获得0.5m3滤液时的滤饼阻力R。,解：(1)求滤饼的比阻r,又已知滤饼的空隙率,球形颗粒的比表面积,所以r=1.333x10101/m2,r=,e=0.6,6x104m2m3,.,34,(2)求滤饼的阻力RR=rL每平方米过滤面积上获得0.5m3滤液时的滤饼厚度L，可以通过对滤饼、滤液及滤浆中的水分作物料衡算求得。过滤时水的密度没有变化故：滤液体积+滤饼中水的体积=料浆中水的体积即0.5+1x0.60L=(0.5+Lxl)(1-0.1)解得L=0.1667m则RrL=1.333x1010 x0.1667=2.22x1091/m,.,35,式中：v滤饼体积与相应的滤液体积之比，无因次。,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：,5.过滤基本方程式,.,36,此式为过滤速率与各有关因素间的一般关系式，适用于不可压缩滤饼,.,37,对于可压缩滤饼，其比阻r与压强差有关。,式中r单位压强下滤饼的比阻，1/m2p过滤压强差，Pas滤饼的压缩性指数，无因次。,表3-5典型物料的压缩指数s,.,38,上式称为过滤基本方程式，它对各种过滤情况均适用,最终可得,可压缩滤饼：s=0-1不可压缩滤饼，s=0,.,39,过滤操作的典型方式：恒压过滤恒速过滤先恒速后恒压过滤,.,40,定义：过滤操作在恒定压强下进行时称为恒压过滤。,推动力p恒定滤饼不断变厚阻力逐渐增加过滤速率逐渐变小,特点：,3.4.3恒压过滤,.,41,对于一定的悬浮液，若、r及v可视为常数，令,k：表征过滤物料特性的常数，m4/（Ns）,过滤基本方程可写成：,恒压过滤方程式的推导,恒压过滤时，压强差p不变，k、A、s、Ve又都是常数，再令,K=2kp1-s,.,42,虚拟过滤阶段：没有滤液，则V=0，上式简化为过滤介质阻力表达的速率方程。即,则积分的边界条件为过滤时间滤液体积,0-Ve,0-qe,对上式积分得,.,43,有效过滤阶段：Ve，qe(常数)则积分的边界条件为过滤时间滤液体积,0+VeV+Ve,0+qeq+qe,对上式积分得到,.,44,二式相加,(V+Ve)2=KA2(+e),（1）,(1)和(2)式都称为恒压过滤方程式,当过滤介质阻力可以忽略时e=0时，则Ve=0,V2=KA2,（2）,虚拟过滤阶段,有效过滤阶段,.,45,(V+Ve)2=KA2(+e),表明恒压过滤时滤液体积与过滤时间的关系为抛物线方程。,V2=KA2,Ob段：实在的过滤时间与实在的滤液体积V之间的关系。OeO段：与介质阻力相对应的虚拟过滤时间e与虚拟过滤体积Ve之间的关系,.,46,又令q=V/A，qe=Ve/A,K：由物料特性及过滤压强差决定的过滤常数，m2/s。K=2kp1-s,qe2=Keq2+2qqe=K,也称为恒压过滤方程式。,(q+qe)2=K(+e),e与qe：反映过滤介质阻力大小的常数，均称为介质常数，其单位分别为s及m3m2，K、e与qe三者总称过滤常数。,当介质阻力可以忽略时，qe=0，qe=0,.,47,拟在9.81x103pa的恒定压强差下过滤例1(不可压缩滤饼)中的悬浮液。已知在水的粘度为1.0 x10-3Pas，过滤介质阻力可以忽略，试求：(1)每平方米过滤面积上获得1.5m3滤液所需的过滤时间；(2)若将此过滤时间延长一倍，可再得滤液多少?,解：(1)求过滤时间已知过滤介质阻力可以忽略时的恒定过滤方程式为,单位面积上所得滤液量q=1.5m3/m2，过滤常数K=2kp1-s,直径为0.1mm的球形颗粒状物质悬浮于水中，用过滤方法予以分离。,.,48,对于不可压缩滤饼，s=0，r=r=常数，则K,已知,Dp=9.81x103Pa,又根据例1的计算，可知滤饼体积与滤液体积之比为=0.1667/0.5=0.333m3m2则K=4.42x10-3m2s所以,=509s,m=1.0 x10-3Pas,r=1.333x1010m2,.,49,(2)过滤时间加倍时增加的滤液量,=2x509=1018s,q-q=2.12-1.5=0.62m3/m2即每平方米过滤面积上将再得0.62m3滤液。,=2.12m3m2,.,50,3.4.4恒速过滤与先恒速后恒压过滤,过滤设备(如板框压滤机)内部空间的容积是一定的，当料浆充满此空间后，供料的体积流量就等于滤液流出的体积流量，即过滤速率。所以，当用排量固定的正位移泵向过滤机供料而未打开支路阀时，过滤速率便是恒定的。维持速率恒定的过滤方式称为恒速过滤。,.,51,恒速过滤时q-（或V-）关系为一通过原点的直线,q=uRV=AuR,恒速过滤时的过滤速度为：,.,52,在一定的操作条件下，、r、v、uR、qe均为常数，故有：,对不可压缩滤饼，由过滤基本方程可写出：,上式表明：对于不可压缩滤饼进行恒速过滤时，其压强差随过滤时间成直线增加。所以，在实践中很少采用完全恒速过滤的方法。,p=rvuR2+rvuRqe=a+b,.,53,操作过程：开始，0R时，采用恒速过滤，可在阻力还不太高时获得较多的滤液VR当表压强已经升至能使支路阀自动开启的给定数值的时间R时，开始有部分料浆返回泵的入口，进入压滤机入口的表压强维持恒定。R时，改为恒压过滤，以免压强过高。,经常采用先恒速后恒压的复合式操作方法,先恒速后恒压的过滤装置1正位移泵2支路阀3过滤机,.,54,积分并将K=2kp1-s代入得,特别注意：上两式中V为获得的总滤液量，而不是恒压阶段获得的滤液量。,在过滤时间从0到R时，计算方法与恒速过滤相同。而从时间R到时，得到的滤液量从VR到V，故积分式为：,.,55,几种操作方式下的过滤方程比较表,K=2kDp1-s,r=rDp1-s,.,56,在某指定的压强差下对一定料浆进行恒压过滤时，式中的过滤常数K、qe、qe可通过恒压过滤实验测定,