化工原理第三章---过滤

一、重力沉降原理一)自由重力沉降3)(40sdgu——沉降速度表达式a)层流区或斯托克斯(stokes)定律区（10–4＜Re02）1820sdu——斯托克斯公式b)过渡区或艾伦定律区（Allen）（2＜Re0500）6.000Re269.0sgdu——艾伦公式重力沉降分离c)湍流区或牛顿定律区（Nuton）（500＜Re0＜2×105）gdus74.10——牛顿公式假设沉降属于层流区1820sduu000ReduRe0Re0＜2u0为所求Re0＞2艾伦公式（牛顿公式）常用沉降速度的计算：二）干扰沉降二、重力沉降分离设备一）降尘室---气固体系0uHuL——降尘室使颗粒沉降的条件000uABLuVs——降尘室的生产能力二）分级器三）沉降槽---用于分离出液-固混合物一、过滤操作的基本概念二、过滤基本理论三、过滤设备四、滤饼的洗涤五、过滤机的生产能力第四节过滤1、过滤的概念1）定义：在外力作用下，使悬浮液中的液体通过多孔介质的孔道，而悬浮液中的固体颗粒被截留在介质上，从而实现固、液分离的操作。说明:①推动力：重力、压力（或压差）和离心力；②目的:获得清净的液体产品，或者得到固体产品；一、过滤操作的基本概念2）过滤的相关术语滤浆：过滤操作中所处理的原始悬浮液滤液：通过多孔介质后的液体滤渣（滤饼）：被截留住的固体颗粒堆积层2、过滤方式1）饼层过滤2）深层过滤3）膜过滤√(a)饼层过滤(b)架桥现象图3-18饼层过滤浓缩液进料液渗透液1）饼层过滤要求颗粒的直径大多要比过滤介质的孔道大，随着过滤的进行，固体颗粒沉积于过滤介质表面而形成滤饼。适用于处理固相含量稍高（固相体积分率在1%以上）的悬浮液。(a)饼层过滤(b)架桥现象图3-18饼层过滤2）深层过滤颗粒尺寸比介质的孔道小很多，但孔道弯曲细长，颗粒进入后很容易被截流，同时这种过滤是在过滤介质内部进行的，介质表面无滤饼形成。过滤用的介质为粒状床层或素烧（不上釉的）陶瓷筒或板。此法适用于从液体中除去很小量的固体微粒，例如饮用水的净化。3、过滤介质（1）对过滤介质的性能要求a)多孔性，对流体的阻力小，又能截住要分离的颗粒,孔道又不宜大。b)物理化学性质稳定，耐热，耐化学腐蚀。c)足够的机械强度，使用寿命长d)价格便宜（2）工业上常用的过滤介质的种类①织物介质(又称滤布)②堆积介质③多孔固体介质④多孔膜①织物介质：滤布，用棉、毛、丝、麻等天然纤维及合成纤维织成的织物，由玻璃丝或金属丝织成的网。能截留颗粒的最小直径为5-65m。工业上的应用最为广泛。②堆积介质：由各种固体颗粒（砂、木碳、石棉、硅藻土）或非纺织纤维等堆积而成，多用于深床过滤中。③多孔固体介质：具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶瓷、多孔塑料、多孔金属制成的管或板，能拦截1-3m的微细颗粒。④多孔膜：用于膜过滤的的各种有机高分子膜和无机材料膜。醋酸纤维素和芳香酰胺系两大类有机高分子膜。可用于截留1m以下的微小颗粒。4、滤饼的压缩性及助滤剂滤饼不可压缩滤饼:颗粒有一定的刚性，当滤饼两侧的压力差增大时，颗粒的形状和颗粒间的空隙不会发生明显变化，单位厚度床层的流动阻力可视作恒定。可压缩滤饼:颗粒比较软，当滤饼两侧的压力差增大时，颗粒的形状和颗粒间的空隙会有明显的改变，单位厚度饼层的流动阻力随压力差增大而增大。1）滤饼的可压缩性加入助滤剂可减少可压缩滤饼的流动阻力加入方法预涂将助滤剂混在滤浆中一起过滤用助滤剂配成悬浮液，在正式过滤前用它进行过滤，在过滤介质上形成一层由助滤剂组成的滤饼。2）助滤剂助滤剂是某种质地坚硬而能形成疏松饼层的固体颗粒或纤维状物质，将其混入悬浮液或预涂于过滤介质上，可以改善饼层的性能，使滤液得以畅流。（一）过滤速度定义：单位时间通过单位过滤面积的滤液体积ddqAddVuu---瞬时过滤速率，m3·m-2·s-1即m·s-1q--单位过滤面积所得的滤液量，q=V/A，m3·m-2二、过滤的基本理论说明：随着过滤过程的进行，滤饼逐渐加厚，过滤阻力不断增加，可以想见，如果过滤压力不变，即恒压过滤时，过滤速度将逐渐减小。因此上述定义为瞬时过滤速度。1.空隙率:单位体积床层中的空隙体积，用ε表示。ε=空隙体积/床层体积m3/m32.颗粒比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积，用a表示。a=颗粒表面/颗粒体积3.管道的当量直径：de=4×水力半径=4×管道截面积/润湿周边（二）涉及的几个术语（三）过滤基本方程1、滤液通过滤饼层的流动特点实际过滤过程中，随着过滤的进行，滤饼的厚度不断增加，流动阻力逐渐加大。因此，是一个非稳态流动。1）非稳态过程2）层流流动滤饼层是由许多细小颗粒堆积而成，这些颗粒提供了很大的液，固接触表面，液体在滤饼层的流动速度很慢，因此，滤液在滤饼层的流动是层流流动。(1)流体的流动空间等于床层中颗粒之间的全部空隙体积。(2)细管的内表面积等于全部颗粒的表面积。简化模型：假定：2、过滤基本方程的推导空床速度（表观速度）真实速度1puuLledeu1流体在固定床内流动的简化模型讨论：设滤饼的体积为Vc，颗粒的比表面积为a①u1与u的关系定义滤饼层的空隙率为：滤饼层的总体积滤饼层的空隙体积滤饼的截面积滤液体积流量u滤饼截面积滤饼空隙率滤液体积流量面积滤饼截面中空隙部分的滤液体积流量1u所以（1）uu1②孔道的平均长度可以认为与滤饼的厚度成正比：le=K0L（2）③孔道的当量直径颗粒体积比表面积空隙率滤饼层体积颗粒表面积空隙体积润湿周边长流通截面积444LLde14空隙率1滤饼层体积比表面积空隙率滤饼层体积4a（3）④滤液通过滤饼层时的阻力（层流）21132eefdulpp------哈根-泊谡叶方程（4）•将（2），（3），（4）式带入（1）式，整理得LpaKAddVu12203)1(2阻力推动力。则，rLpAddVumaK122203r1)1(2r称为滤饼的比阻，指的是单位厚度上滤饼的阻力，与滤饼的比表面、孔隙率有关，对不可压缩滤饼，r为常数令：)(21eeLLrprLprLpAddVu同理，通过过滤介质的速度表达式可写为：eLrpLrpu22则：设每获得单位体积滤液时，被截留在过滤介质上的滤饼体积为c（m3滤饼/m3滤液），则AcVLAcVLeeVe——滤出厚度为Le的一层滤饼所获得的滤液量，或称虚拟滤液体积，m3同理：)(eVVrcPAAddV——过滤速度的一般关系式（不可压缩流体）可压缩滤饼的情况比较复杂，它的比阻是两侧压强差的函数，sPrr)(0s——滤饼的压缩性指数，无因次。s=0～1,对于不可压缩滤饼，s=0（表3-2）。——过滤速度的一般关系式（不可压缩及可压缩流体）esVVcrAp01AddVcrpKs012令eVVKAddV22eqqKddq2-----过滤基本方程过滤常数，由实验测定△pu------滤液量V～过滤时间的关系（四）恒压过滤方程式恒压过滤：在恒定压强差下进行的过滤操作。恒压过滤时，滤饼不断变厚致使阻力逐渐增加。但推动力ΔP恒定，过滤速率逐渐变小。过滤操作方式：恒压过滤恒速过滤先恒速后恒压的复合操作方式过滤阻力过滤推动力AddVueVVKA2特点：K为常数，过滤速度愈来愈小。222KAVVVe△pu表观速度积分得：或Kqqqe22若过滤介质阻力可忽略不计，则22KAV或Kq2恒压过滤方程对基本过滤方程积分，得K——过滤常数由物料特性及过滤压强差所决定，m2/s复习：1.过滤的定义及相关术语（滤浆；滤液；滤饼；过滤介质）2.过滤基本方式（滤饼过滤；深层过滤；膜过滤）3.过滤介质（织物介质；堆积介质；多孔固体介质；多孔膜）4.滤饼的可压缩性及助滤剂5.过滤基本方程式eVVKAddV22eqqKddq2恒压过滤方程：222KAVVVe或Kqqqe22eqKqKq2115001000q500000.0250.050.075q斜率1/K截距2qe/K恒压时：Kqqqe22/q~q图（五）过滤常数的测定（K和qe）CpsKlog)1(logcrpKs012logp~logK作图求出压缩指数s压缩指数s的确定:例3-5，P108过滤设备三、过滤设备以压力差为推动力：如板框压滤机、叶滤机、回转真空过滤机等；以离心力为推动力：如各种离心机。（一）板框压滤机1）板框压滤机的构造由许多块带凹凸纹路的滤板与滤框交替排列组装于机而构成。板框压滤机滤板和滤框多做成正方形，角上均开有小孔，组合后即构成供滤浆和洗涤水流通的孔道。滤框的两侧覆以滤布，围成容纳滤浆及滤饼的空间。滤板的作用：支持滤布和提供滤液流出的通道。滤板洗涤板：非洗板：滤框：二钮三钮板一钮板滤框的作用：提供滤浆流入的通道和收集滤渣。滤板与滤框装合方式：按钮数以1-2-3-2-1-2-3-2的顺序排列。2）板框压滤机的操作板框压滤机为间歇操作，每个操作循环由装合、过滤、洗涤、卸饼、清理5个阶段组成。悬浮液在指定压强下经滤浆通路由滤框角上的孔道并行进入各个滤框。滤液分别穿过滤框两侧的滤布，沿滤板板面的沟道至滤液出口排出颗粒被滤布截留而沉积在滤布上，待滤饼充满全框后，停止过滤。洗板板框压滤机框非洗板洗板滤液流出悬浮液入口洗板板框压滤机框非洗板洗板洗涤液流出洗涤液入口横穿洗涤法：洗涤时，先将洗涤板上的滤液出口关闭，洗涤水经洗水通路从洗涤半角上的孔道并行进入各个洗涤板的两侧。特点：洗涤水穿过的途径正好是过滤终了时滤液穿过途径的二倍。板框压滤机.swf洗涤液行程与滤液相同。洗涤面=过滤面置换洗涤：优点：结构简单，制造容易，设备紧凑，过滤面积大而占地小，操作压强高，滤饼含水少，对各种物料的适应能力强。缺点：间歇手工操作，劳动强度大，生产效率低。叶滤机由许多滤叶组成。滤叶内有空间，外包滤布，将滤叶装在密闭的机壳内，为滤浆所浸没。1）滤浆中的液体在压力作用下穿过滤布进入滤叶内部，成为滤液后从其一端排出（过滤）。2）过滤完毕，机壳内改充清水，使水循着与滤液相同的路径通过滤饼进行洗涤，故为置换洗涤（洗涤）。3）最后，滤饼可用振动器使其脱落，或用压缩空气将其吹下（卸渣）。滤叶可以水平放置也可以垂直放置，滤浆可用泵压入也可用真空泵抽入。2、加压叶滤机滤浆滤液滤叶的构造优点:叶滤机也是间歇操作设备。它具有过滤推动力大，过滤面积大，滤饼洗涤较充分等优点。其产生能力比压滤机还大，而且机械化程度高，劳动力较省。缺点:构造较为复杂，造价较高，粒度差别较大的颗粒可能分别聚集于不同的高度，故洗涤不均匀。2、转筒真空过滤机1）转筒真空过滤机的结构转筒真空过滤机是工业上应用最广的一种连续操作的过滤设备。设备的主体是一个能转动的水平圆筒，圆筒表面有一层金属网，网上覆盖滤布，筒的下部进入滤浆中，圆筒沿径向分割成若干扇形格，每个都有单独的孔道通至分配头上。圆筒转动时，凭借分配头的作用使这些孔道依次分别与真空管及压缩空气管相通，因而在回转一周的过程中每个扇形格表面即可顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸饼等项操作。回转真空过滤机上的转筒过滤区洗涤区吹干区卸渣区2）分配头的结构及工作原理分配头由紧密贴合着的转动盘与固定盘构成，转动盘随筒体一起旋转，固定盘内侧面各凹槽分别与各种不同作用的管道相通。①当转动盘上的某几个小孔与固定盘上的凹槽2相对时，这几个小孔对应的连通管及相应的转筒表面与滤液真空管相连，滤液便可经连通管和转动盘上的小孔被吸入真空系统；同时滤饼沉积于滤布的外表面上。此为过滤。②转动盘转到使这几个小孔与凹槽3相对时，这几个小孔对应的连通管及相应的转筒表面与洗水真空管相连，转筒上方喷洒的洗水被从外表面吸入连通管中，经转动盘上的小孔被送入真空系统。此为洗涤、吸