流体通过颗粒层的流动_2015_2

1、 过滤操作的原理过滤是在外力作用下，使悬浮液中的液体通过多孔介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的操作。其中多孔介质称为过滤介质，所处理的悬浮液称为滤浆。滤浆中被过滤介质截留的固体颗粒称为滤渣或滤饼，滤浆中通过滤饼及过滤介质的液体称为滤液。实现过滤操作的外力可以是重力、压力差或者是惯性离心力，在生产中应用最多的是以压力差为推动力的过滤。 过滤方式 （1）滤饼过滤 在过滤时固体物质沉积于介质表面而形成一个滤渣层，称为滤饼。不断增厚的滤饼才是真正有效的过滤介质。 过滤方式 (2)深层过滤 固体颗粒并不形成滤饼，而是沉积于较厚的过滤介质内部。常用于净化固体含量很少的悬浮液。 过滤介

2、质织物介质天然或合成纤维、金属丝等编织成的滤布。最小截留5-65mm。多孔性固体介质如烧结金属（玻璃）等。最小截留1-3mm。堆积介质由各种固体介质堆积而成。处理含固体量很少的悬浮液。 滤布 滤布 滤饼的性质 滤饼的压缩性滤饼的空隙结构并不因为操作压差的增大而变形，这种滤饼称为不可压缩滤饼。为减少可压缩滤饼的阻力，可加入助滤剂以改变滤饼结构，增加滤饼刚性。 滤饼的洗涤过滤过程结束后用清水或其他液体通过滤饼流动，称为洗涤。 助滤剂（硅藻土） 助滤剂（珍珠岩） 过滤设备按产生压差的不同可分为两大类。1） 压滤和吸滤如叶滤机、板框压滤机、回转真空过滤机等。2） 离心过滤如三足离心机 三足离心机 三足

3、离心机2 叶滤机优点：过滤面积大，设备紧凑，密闭操作，劳动条件较好。不必每次循环装卸滤布，劳动强度也大大降低。缺点：结构比较复杂， 造价较高。洗涤速率约为过滤终了时速率。 板框压滤机1-固定头；2-滤板；3-滤框；4-滤布；5-压紧装置 板框压滤机洗涤板：三钮板滤板滤框：二钮一钮板非洗板： 板框 板框滤布 板框2结构：由交替排列的滤板、滤框与夹于板框之间的滤布叠合组装压紧而成。板框数视工艺要求在机座长度范围内可灵活调节。组装后，在板框的四角位置形成连通的流道，由机头上的阀门控制悬浮液、滤液及洗液的进出。清洗水料浆滤液清洗水浆料阀门开 关启 闭洗涤液板框压滤机过滤操作：过滤阶段悬浮液从通道进入滤

4、框，滤液在压力下穿过滤框两边的滤布、沿滤布与滤板凹凸表面之间形成的沟道流下，既可单独由每块滤板上设置的出液旋塞排出，称为明流式；也可汇总后排出，称为暗流式。非洗涤板洗涤板非洗涤板悬浮液洗涤操作：洗涤液由洗涤板上的通道进入其两侧与滤布形成的凹凸空间，穿过滤布、滤饼和滤框另一侧的滤布后 排出。洗涤液的行程（包括滤饼和滤布）约为过滤终了时滤液行程的2倍，故洗涤速率约为过滤终了速率的1/2 。洗涤终了，若有必要可引入压缩空气使滤饼脱湿后再折开过滤机卸出滤饼，结束一次过滤操作。然后清洗、整理、重新组装、准备下一次操作。非洗涤板洗涤板非洗涤板洗涤液洗出液板 框 板 框 板 板框压滤机操作简图 明流和暗流滤

5、液的排出形式有明流和暗流两种。 板框压滤机的规格我国已有板框压滤机系列标准及规定代号，如BMS20/63525，其中B表示板框压滤机，M表示明流式（若为A，则表示暗流式），S表示手动压紧（若为Y，则表示液压压紧），20表示过滤面积为20m2，635表示滤框边长为635mm的正方形，25表示滤框的厚度为25mm。 过滤过程计算悬浮液含固量的表示方法有两种，即质量分数w（kg固体/kg悬浮液）和体积分数f （m3固体/m3 悬浮液）。rp -固体颗粒的密度，r - 滤液的密度f =wr pw / r p + (1- w)r 过滤过程计算设体积为V悬的悬浮液过滤后得体积为V的滤液和厚度为L、过滤面积

6、为A、空隙率为e的滤饼。VV悬L总量衡算：固体物量衡算：V悬f = LA(1- e )(2)V 悬 = V + LA(1) 物料衡算将（1）式代入（2）式，可得： (V + LA)f = LA(1-e )整理得：L = fV1- e -fAV悬f = LA(1- e )(2)V 悬 = V + LA(1) 物料衡算（2）设通过单位过滤面积的累计滤液总量为q，则 q=V/A一般悬浮液中颗粒的体积分数f较滤饼空隙率e小得多。L = fq1- eL = fq1- e -fL = fV1- e -fA 例题3-1实验室中过滤质量分数为0.1的悬浮液，取湿滤饼100 g经烘干后得干固体质量为55 g。固

7、体颗粒的密度为3850 kg/m3，过滤在20oC及压差0.05 MPa 下进行。试求：（1） 悬浮液中颗粒的体积分数f（2） 滤饼的空隙率e（3） 每m3滤液所形成的滤饼体积。L = fV1- e -fA 解答100g湿滤饼中固体体积V：固湿滤饼中水的体积V：水滤饼空隙率：LA =f= 0.132m3/ m3V1- e -f饼滤液L = fV1- e -fAe =V水= 0.759V水 + V固（100 - 55）10-3-53V水 =1000= 4.510m5510-3-53V固 =3850= 1.4310mf =wr p= 0.0281w / r p + (1- w)r 过滤速率过滤速率

8、 u 定义为单位时间、单位过滤面积所得的滤液量过滤操作时液体在滤饼空隙中的流动多处于康采尼公式适用的低雷诺数范围内。dqe 31DPu =dt(1- e )2 a25mLDP= (1- e )2 a2KmuLe 3u =dV= dqAdtdt 过滤速率（2）r 反映了滤饼的特性，称为滤饼的比阻。dq =DPdtrmfq1e 3令=r5(1- e )a2dq =e 31 DP=e 3 1 DPdt(1- e )a25mfq5(1- e )a2mfq将L = fq代入上式，可得1- edqe 31DPu =dt(1- e )2 a25mL 过滤速率（3）过滤介质的阻力的大小可看作是通过单位过滤面积

9、获得某当量滤液量qe所形成的虚拟滤饼的阻力。dq =DP1=DP2=DP1 + DP2dtrmfqrmfqermfq + rmfqedq =DPdtrmfq过滤速率 = 过程的推动力（DP过程的阻力（rmfq 过滤速率（4） 设过滤的总压差为 DP上式称为过滤速率基本方程。它表示某一瞬时的过滤速率与物系性质、操作压差及该时刻以前的累计滤液量之间的关系。q = VA2dV=KAdt2(V +Ve )dq =Kdt2(q + qe )令K = 2DPrmfdq =DP1 + DP2=DPdtrmfq + rmfqermf(q + qe ) 过滤常数K值与悬浮液的性质及操作压差有关。对指定的悬浮液，

10、只有当操作压差不变时K值才是常数。常数r反映了滤饼的特性，称为滤饼的比阻。其数值大小可反映过滤操作的难易程度。式中r0、s均为实验常数。s称为压缩指数。对于不可压缩滤饼，s=0。表明不可压缩滤饼的比阻 r 仅取决于悬浮液的物理性质。r = r DP s0K = 2DPrmf 间歇过滤的滤液量和过滤时间的关系将上式积分，可求出过滤时间t与累计滤液量q之间的关系。过滤可采取不同的操作方式，滤饼性质也不相同（可压缩或不可压缩），故上式积分须视具体情况进行。过滤过程的典型操作方式有两种：一是在恒压差、变速率的条件下进行，称为恒压过滤；一是在恒速率， 变压差的条件下进行，称为恒速过滤。dq =Kdt2(

11、q + qe ) 恒速过滤方程 恒速过滤V 2 + VV= KA2te2q2 + qq= K te2q =Kt2(q + qe )dq =K= const. dt2(q + qe ) 恒压过滤 恒压过滤恒压过滤下，K为常数。V 2 + 2VV= KA2teq2 + 2qq= Kteq=qt =t Kq=0 (q + qe )dq = t =02 dtdq =K (q + q )dq = K dt dt2(q + q )e2e 恒压过滤若在恒压过滤下之前，已在其他条件下过滤了一段时间t1，并获得了滤液量q1。(V 2 -V 2 ) + 2V (V -V ) = KA2 (t -t )1e11(q

12、2 - q2 ) + 2q (q - q ) = K(t -t )1e11q=qt =tKq=q (q + qe )dq = t =tdt112(q + q )dq = K dte2 过滤常数K的测定恒压过滤下：不同的过滤时间t，记取单位过滤面积所得的滤液量q。t=1 q + 2 qe qKKq2 + 2qq= Kte 恒速和恒压过滤若整个过滤过程都是在恒速条件下进行，在操作后期压力会很高，可能引起过滤设备泄露或动力设备超负荷。若整个过滤过程都是在恒压条件下进行，则过滤刚开始时，滤布表面无滤饼层，过滤阻力较小，较高的压力会使细小的颗粒通过介质而使滤液浑浊，或阻塞介质孔道而使阻力增大。 先恒速后恒压过滤装置实际过滤操作中多采用先恒速后恒压的复合式操作方式。采用正位移泵，过滤初期维持恒定速率，泵出口表压强逐渐升高。若经过t时间（获得体积VR的滤液）后，表压力达到能使支路阀自动开启的给定数值，此 时支路阀开启，开始有部分料浆返回泵的入口，进入压滤机的料浆流量逐渐减小，而压滤机入口表压力维持恒定。这后一阶段的操作即为恒压过滤。 例题20oC恒压过滤某种悬浮液，操作压差为9.81103Pa。悬浮液中固相体积分数为1%，固相为直径0.1mm的 球形颗粒，此操作压力差下过滤，可得空隙率为0.6 的滤饼，假设滤饼不可压缩，滤液的粘度跟清水相同。试求：（1） 过滤常数K（2） 若将操作压强增大