化工原理第三章第三節(jié)講稿

1、2024/3/30,第三章 非均相物系分離,一、過濾操作的基本概念二、過濾基本方程式三、恒壓過濾四、過濾常數(shù)的測定五、過濾設(shè)備六、濾餅的洗滌七、過濾機(jī)的生產(chǎn)能力,第三節(jié) 過濾,,,,2024/3/30,一、過濾操作的基本概念,1、過濾的概念過濾,利用能讓液體通過而截留固體顆粒的多孔介質(zhì)（過濾介質(zhì)），使懸浮液中固液得到分離的單元操作。 過濾操作中所處理的懸浮液,濾漿,通過多孔介質(zhì)的液體,濾液,被截

2、留住的固體物質(zhì),濾渣（濾餅）,實(shí)現(xiàn)過濾操作的外力有重力、壓力、離心力， 化工中應(yīng)用最多的是壓力過濾。,2024/3/30,2、過濾方式,深層過濾,濾餅過濾,固體顆粒的沉積發(fā)生在較厚的粒狀過濾介質(zhì)床層內(nèi)部，懸浮液中的顆粒直徑小于床層直徑，當(dāng)顆粒隨流體在床層的曲折孔邊穿過時，便粘附在過濾介質(zhì)上。 適用于懸浮液中顆粒甚小且含量甚微（固相體積分率在0.1%以下）的場合,固體顆粒成餅層狀沉積于過濾介質(zhì)表面，形成濾餅

3、 適用于處理固相含量稍高（固相體積分率在1%以上）的懸浮液。,2024/3/30,3、過濾介質(zhì) 過濾介質(zhì)是濾餅的支承物，應(yīng)具有下列條件： a) 多孔性，孔道適當(dāng)?shù)男?，對流體的阻力小，又能截住要分離的顆粒。 b) 物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐熱，耐化學(xué)腐蝕。 c)足夠的機(jī)械強(qiáng)度，使用壽命長 d) 價格便宜工業(yè)常用的過濾介質(zhì)主要有 a) 織物介質(zhì)：又稱濾布，包括有棉、毛、絲等天然纖維，玻璃絲和各種合成纖維制成的織物，以及金

4、屬絲織成的網(wǎng)能截留的粒徑的范圍較寬，從幾十μm到1μm。,2024/3/30,優(yōu)點(diǎn)：織物介質(zhì)薄，阻力小，清洗與更新方便，價格比較便宜，是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的過濾介質(zhì)。b)多孔固體介質(zhì)：如素?zé)沾桑瑹Y(jié)金屬．塑料細(xì)粉粘成的多孔塑料，棉花餅等 這類介質(zhì)較厚，孔道細(xì)，阻力大，能截留1～3μm的顆粒。c) 堆積介質(zhì)：由各種固體顆粒（砂、木炭、石棉粉等）或非編織的纖維（玻璃棉等）堆積而成，層較厚。d) 多孔膜：由高分子材料制成，膜很?。◣?/p>

5、十μm到200μm），孔很小，可以分離小到0.05μm的顆粒,應(yīng)用多孔膜的過濾有超濾和微濾。,2024/3/30,4、助濾劑,濾餅,,不可壓縮濾餅:,顆粒有一定的剛性，所形成的濾餅并不因所受的壓力差而變形,可壓縮濾餅:,顆粒比較軟，所形成的濾餅在壓差的作用下變形，使濾餅中的流動通道變小，阻力增大。,加入助濾劑可減少可壓縮濾餅的流動阻力,加入方法,,預(yù)涂,將助濾劑混在濾漿中一起過濾,用助濾劑配成懸浮液，在正式過濾前用它進(jìn)行過濾，在過濾介質(zhì)

6、上形成一層由助濾劑組成的濾餅。,2024/3/30,二、過濾基本方程式,1、濾液通過餅層的流動 空隙率:單位體積床層中的空隙體積，用ε表示。 ε=空隙體積 / 床層體積 m3/m3顆粒比表面積：單位體積顆粒所具有的表面積，用a表示。 a=顆粒表面 / 顆粒體積 de=4×水力半徑=4×管道截面積 / 潤濕周邊顆粒床層的當(dāng)量直徑可寫為：,2024/3/30,de∝

7、流通截面積×流道長度∕潤濕周邊長度×流道長度de∝流道容積∕流道表面積 取面積為1m2厚度為1m 的濾餅考慮：床層體積＝1×1＝1m3 流道容積＝1×ε＝εm3 流道表面積＝顆粒體積×顆粒比表面＝（1－ε）a m2所以床層的當(dāng)量直徑為 ：,濾液通過餅層的流動常屬于滯流流型 ，,(1),2024/3/30,濾液通過餅床層的流速與壓強(qiáng)降的關(guān)系為：,（2）,在與過濾介質(zhì)層相垂直的方

8、向上床層空隙中的濾液流速u1與按整個床層截面積計(jì)算的濾液平均流速u之間的關(guān)系為 ：,（3）,將（1）、（3）代入（2）并寫成等式,2024/3/30,比例常數(shù)K’與濾餅的空隙率、粒子形狀、排列及粒度范圍等因素有關(guān)。對于顆粒床層的滯流流動，K’值可取為5。,——過濾速度表達(dá)式,2、過濾速率,單位時間通過單位過濾面積的濾液體積,單位時間獲得的濾液體積稱為過濾速率,2024/3/30,3、濾餅的阻力,令,——濾餅的比阻，1/m2,(4),令,

9、——濾餅阻力,（5）,速度＝推動力∕阻力,2024/3/30,由R＝rL可知，比阻r是單位厚度濾餅的阻力， 數(shù)值上等于粘度為1Pa.s的濾液以1m/s的平均流速通過厚度為1m的濾餅層時，所產(chǎn)生的壓強(qiáng)降 。 反映了顆粒形狀、尺寸及床層空隙率對濾液流動的影響 床層空隙率ε愈小及顆粒比表面積α愈大，則床層愈致密，對流體流動的阻滯作用也愈大。4、過濾介質(zhì)的阻力 過濾介質(zhì)的阻力也與其厚度及本身的致密程度有關(guān)，通

10、常把過濾介質(zhì)的阻力視為常數(shù)。,2024/3/30,濾液穿過過濾介質(zhì)層的速度關(guān)系式 ：,式中：ΔP=ΔPC+ΔPm，代表濾餅與濾布兩側(cè)的總壓強(qiáng)降，稱為過濾壓強(qiáng)差。也稱為過濾設(shè)備的表壓強(qiáng) 。 可用濾液通過串聯(lián)的濾餅與濾布的總壓強(qiáng)降來表示過濾推動力，用兩層的阻力之和來表示總阻力。,(6),2024/3/30,設(shè)想以一層厚度為Le的濾餅來代替濾布，,故（6）式可寫為,式中：Le——過濾介質(zhì)的當(dāng)量濾餅厚度，或稱為虛擬濾餅厚度，m

11、 在一定的操作條件下，以一定介質(zhì)過濾一定懸浮液時，Le為定值，但同一介質(zhì)在不同的過濾操作中，Le值不同。,2024/3/30,5、過濾基本方程式 濾餅厚度L與當(dāng)時已經(jīng)獲得的濾液體積V之間的關(guān)系為：,ν——濾餅體積與相應(yīng)的濾液體積之比，無因次，m3/m3 。同理 ：,Ve——過濾介質(zhì)的當(dāng)量濾液體積，或稱虛擬濾液體積，m3 在一定的操作條件下，以一定介質(zhì)過濾一定的懸浮液時，Ve為定值，但同一介質(zhì)在不同的過濾操作中，Ve值不

12、同。,2024/3/30,（7）式就可以寫成,——過濾速率的一般關(guān)系式,可壓縮濾餅的情況比較復(fù)雜，它的比阻是兩側(cè)壓強(qiáng)差的函數(shù)，,s——濾餅的壓縮性指數(shù)，無因次。s=0～1,對于不可壓縮濾餅，s=0。,2024/3/30,對于可壓縮濾餅，過濾速率,——過濾基本方程式,適用于可壓縮濾餅及不可壓縮濾餅。 對于不可壓縮濾餅，s=0。,2024/3/30,三、恒壓過濾,恒壓過濾：在恒定壓強(qiáng)差下進(jìn)行的過濾操作。 恒壓過濾時，濾餅不斷變厚致

13、使阻力逐漸增加。但推動力ΔP恒定，過濾速率逐漸變小。 對于一定的懸浮液，μ,r’及ν均可視為常數(shù)。,令,k——表征過濾物料特性的常數(shù)，（m4/N.s）。,2024/3/30,積分得 ：,假定獲得體積為Ve濾液所需的虛擬過濾時間為θe,則積分的邊界條件為： 過濾時間 濾液體積 0 →θe 0→Ve

14、 θe→θ+θe Ve→V+Ve,2024/3/30,積分兩式，并令 K=2kΔP1-s,兩式相加，得：,——恒壓過濾方程式,表明：恒壓過濾時，濾液體積與過濾時間的關(guān)系為拋物線方程 當(dāng)介質(zhì)阻力可以忽略時，Ve=0，θe=0，過濾方程式則變?yōu)?令,2024/3/30,——恒壓過濾方程,K ——過濾常數(shù),由物料特性及過濾壓強(qiáng)差所決定 ，m2/s,θe和qe —— 介質(zhì)常數(shù),反映過濾介

15、質(zhì)阻力大小 ，s及m3/m2,當(dāng)介質(zhì)阻力可以忽略時，,例,2024/3/30,例：過濾一種固體顆體積分?jǐn)?shù)為0.1的懸浮液,濾餅含水的體積分?jǐn)?shù)為0.5,顆粒不可壓縮,經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定濾餅比阻為1.3×1011m-2,水的粘度為1.0×10-3Pa.s。在壓強(qiáng)差恒為9.8×104Pa的條件下過濾,假設(shè)濾布阻力可以忽略,試求：1）每m2過濾面積上獲得1.5m3濾液所需的過濾時間。2）如將此過濾時間延長一倍,可再得濾

16、液多少？解：1）過濾時間,2024/3/30,∵濾布阻力可忽略,2)求過濾時間加倍時的濾液量,2024/3/30,四、過濾常數(shù)的測定,1、恒壓下K、qe、θe的測定 實(shí)驗(yàn)原理：,對于一定恒壓下過濾的懸浮液，測出延續(xù)的時間及濾液的累計(jì)量q（按單位面積計(jì)）的數(shù)據(jù)，然后算出一系列的Δθ與Δq的對應(yīng)值,2024/3/30,0,0,0,,,然后在直角坐標(biāo)紙上從Δθ/Δq為縱坐標(biāo)，以q為橫坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)繪，可得到一斜率為2/K，截距為2qe/K的直

17、線。,求得,2024/3/30,2024/3/30,2、壓縮性指數(shù)s的測定,＝常數(shù),∴l(xiāng)gk與lg(△p)的關(guān)系在對數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)繪時應(yīng)是直線,直線的斜率為1-s，截距為lg(2k)。由此可得到濾餅的壓縮性指數(shù)s及物料特性常數(shù)k。,2024/3/30,五、過濾設(shè)備,1、板框壓濾機(jī)1）板框壓濾機(jī)的構(gòu)造 由許多塊帶凹凸紋路的濾板與濾框交替排列組裝于機(jī)而構(gòu)成。 濾板和濾框多做成正方形 ，角上均開有小孔，組合后即構(gòu)成供

18、濾漿和洗滌水流通的孔道。濾框的兩側(cè)覆以濾布，圍成容納濾漿及濾餅的空間。,2024/3/30,濾板的作用：支持濾布和提供濾液流出的通道。,洗滌板：,非洗板：,濾框：二鈕 濾板與濾框裝合時，按鈕數(shù)以1-2-3-3-1-2的順序排列。,三鈕板,一鈕板,2024/3/30,2024/3/30,2024/3/30,2）板框壓濾機(jī)的操作 板框壓濾機(jī)為間歇操作，每個操作循環(huán)由裝合、過濾、洗滌、卸餅、清理5個階段組成。 懸浮

19、液在指定壓強(qiáng)下經(jīng)濾漿通路由濾框角上的孔道并行進(jìn)入各個濾框， 濾液分別穿過濾框兩側(cè)的濾布，沿濾板板面的溝道至濾液出口排出。 顆粒被濾布截留而沉積在濾布上，待濾餅充滿全框后，停止過濾。,2024/3/30,2024/3/30,洗滌時，先將洗滌板上的濾液出口關(guān)閉 ，洗滌水經(jīng)洗水通路從洗滌半角上的孔道并行進(jìn)入各個洗滌板的兩側(cè)。 洗滌水在壓差的推動力下先穿過一層濾布及整個框厚的濾餅，然后再穿過一層濾布，最后沿濾板（

20、一鈕板）板面溝道至濾液出口排出。稱為橫穿洗滌法，它的特點(diǎn)是洗滌水穿過的途徑正好是過濾終了時濾液穿過途徑的二倍。板框壓濾機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，設(shè)備緊湊，過濾面積大而占地小，操作壓強(qiáng)高，濾餅含水少，對各種物料的適應(yīng)能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是間歇手工操作，勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。,2024/3/30,2024/3/30,2、加壓葉濾機(jī) 葉濾機(jī)是由許多不同寬度的長方形濾葉裝合而成。濾葉由金屬絲網(wǎng)制造，內(nèi)部具有空間，外罩濾布。

21、 葉濾機(jī)也為間歇操作，過濾時濾葉安裝在能承受內(nèi)壓的密閉機(jī)殼內(nèi)。濾漿用泵送到機(jī)殼內(nèi)，穿過濾布進(jìn)入絲網(wǎng)構(gòu)成的中空部分，然后匯集到下部總管而后流出。顆粒沉積在濾布上，形成濾餅，當(dāng)濾餅積到一定厚度，停止過濾。 洗滌時，洗水的路徑與濾液相同，這種洗滌方法稱為置換洗滌法。 葉濾機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備緊湊，密閉操作，勞動條件較好，每次循環(huán)濾布不用裝卸，勞動力較省。,2024/3/30,2024/3/30,3、轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)1）

22、轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)的結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)是工業(yè)上應(yīng)用最廣的一種連續(xù)操作的過濾設(shè)備。設(shè)備的主體是一個能轉(zhuǎn)動的水平圓筒，圓筒表面有一層金屬網(wǎng)，網(wǎng)上覆蓋濾布，筒的下部進(jìn)入濾漿中，圓筒沿徑向分割成若干扇形格，每個都有單獨(dú)的孔道通至分配頭上。圓筒轉(zhuǎn)動時，憑借分配頭的作用使這些孔道依次分別與真空管及壓縮空氣管相通，因而在回轉(zhuǎn)一周的過程中每個扇形格表面即可順序進(jìn)行過濾、洗滌、吸干、吹松、卸餅等項(xiàng)操作,2024/3/30,2024/3/30,2）分

23、配頭的結(jié)構(gòu)及工作原理 分配頭由緊密貼合著的轉(zhuǎn)動盤與固定盤構(gòu)成，轉(zhuǎn)動盤隨筒體一起旋轉(zhuǎn)，固定盤內(nèi)側(cè)面各凹槽分別與各種不同作用的管道相通。 如圖。 當(dāng)扇形格1開始進(jìn)入濾漿內(nèi)時，轉(zhuǎn)動盤上相應(yīng)的小孔道與固定盤上的凹槽f相對，從而與真空管道連通，吸走濾液。圖上扇形格1至7所處的位置稱為過濾區(qū)。扇形格轉(zhuǎn)出濾漿槽后，仍與凹槽f相通，繼續(xù)吸干殘留在濾餅中的濾液。扇形格8至10所處的位置稱為吸干區(qū)。,2024/3/30,扇形格轉(zhuǎn)至1

24、2的位置時，洗滌水噴灑于濾餅上，此時扇形格與固定盤上的凹槽g相通，經(jīng)另一真空管道吸走洗水。扇形格12、13所處的位置稱為洗滌區(qū)。扇形格11對應(yīng)于固定盤上凹槽f與g之間,不與任何管道相連通，該位置稱為不工作區(qū)。 當(dāng)扇形格有一區(qū)轉(zhuǎn)入另一區(qū)時，因有不工作區(qū)的存在，使操作區(qū)不致相互串通。扇形格14的位置稱為吸干區(qū)，15為不工作區(qū)。扇形格16、17與固定盤凹槽h相通，在與壓縮空氣管道相連，壓縮空氣從內(nèi)向外穿過濾布而將濾餅吹松，隨后由

25、刮刀將濾餅卸除。扇形格16、17的位置稱為吹松區(qū)及卸,2024/3/30,料區(qū)，18為不工作區(qū)。如此連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，整個轉(zhuǎn)筒表面上便構(gòu)成了連續(xù)的過濾操作。 轉(zhuǎn)筒的過濾面積一般為5～40m2，浸沒部分占總面積的30%～40%。轉(zhuǎn)速可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，通常為0.1～3r/min。濾餅厚度一般保持在40mm以內(nèi)，轉(zhuǎn)筒過濾機(jī)所得濾餅中的液體含量很少低于10%，?？蛇_(dá)30%左右。 轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是能連續(xù)自動操

26、作，省人力，生產(chǎn)能力大，適用于處理易含過濾顆粒的濃懸浮液。 缺點(diǎn)是附屬設(shè)備較多，投資費(fèi)用高，過濾面積不大。過濾推動力有限，不易過濾高溫的懸浮液。,2024/3/30,2024/3/30,2024/3/30,六、濾餅的洗滌,濾餅洗滌的目的：為了回收濾餅里存留的濾液，或者凈 化構(gòu)成濾餅顆粒。,1、洗滌速率 洗滌速率：,洗滌時間：,洗滌速率與過濾終了時的過濾速率有關(guān)，這

27、個關(guān)系取決于濾液設(shè)備上采用的洗滌方式。,2024/3/30,葉濾機(jī)采用的置換洗滌法，洗水與過濾終了時的濾液流過的路徑就完全相同。 當(dāng)操作壓強(qiáng)差和洗水與濾液粘度相同時,板框過濾機(jī)采用的是橫穿洗滌法，洗水橫穿兩層濾布及整個厚度的濾餅，流徑長度約為過濾終了時濾液流動的兩倍。而供洗水流通的面積僅為過濾面積的一半,2024/3/30,當(dāng)操作壓強(qiáng)差和洗水與濾液粘度相同時,當(dāng)洗水粘度、洗水表壓與濾液粘度、過濾壓強(qiáng)差有明顯差異時，所需的過濾時

28、間可進(jìn)行校正。,2024/3/30,七、過濾機(jī)生產(chǎn)能力的計(jì)算,過濾機(jī)的生產(chǎn)能力 ：,單位時間的濾液體積或?yàn)V渣體積，m3/s,1、間歇過濾機(jī)的計(jì)算 一個操作周期時間為,生產(chǎn)能力為,在間歇過濾機(jī)的生產(chǎn)中，總是力求獲得最大的生產(chǎn)能力，因此，對于間歇過濾過程來說，合理選擇每個循環(huán)中的過濾時間，可以得到最大的生產(chǎn)能力。,2024/3/30,由,恒壓過濾時，每次過濾所需時間,對于葉濾機(jī) ,令a為洗滌液量與濾液量的比值，那么洗滌液量為aV，洗

29、滌時間為:,2024/3/30,——生產(chǎn)能力最大的條件,2024/3/30,對于板框壓濾機(jī)，也可用此法求最大生產(chǎn)能力，但是，由于洗滌速率與最終過濾速率不同,,2a應(yīng)改為8a。,例：用一臺BMS/635-25板框壓濾機(jī)過濾一種含固體顆粒為25kg/m3的懸浮液，在過濾機(jī)入口處濾漿的表壓為3.39×105Pa,已測得在此壓力下K=1.86×10-4，qe=0.0282，所用濾布與實(shí)驗(yàn)時的相同，料漿溫度為25℃， 每次過濾

30、到濾餅充滿濾框?yàn)橹?，然后用清水洗滌濾餅，洗水溫度及表壓與濾漿相同，體積為濾液體積的8%，每次卸渣，清理，,2024/3/30,裝合等輔助操作時間為15min。已知固相顆粒密度為2930kg/m3，又測得濕濾餅的密度為1930kg/m3。求此板框壓濾機(jī)的生產(chǎn)能力，并討論此板框壓濾機(jī)是否在最佳操作狀態(tài)下操作。解：,總過濾面積,濾框總?cè)莘e,已知1m3濾餅的質(zhì)量為1930kg，其中含水x kg,水的密度按1000kg/m3考慮。,x=518k

31、g,2024/3/30,1m3濾餅中固相顆粒質(zhì)量為1930-518=1412 kg設(shè)每1m3濾液中含水ykg,y=991.5 kg,生成1m3濾餅所需的濾漿質(zhì)量為,生成1m3濾餅的濾液的質(zhì)量為：（57412-1930）=55482kg濾液體積為:,2024/3/30,濾框全部充滿時的濾液體積為,過濾終了時單位面積濾量為,代入,過濾終了時濾液的速率,2024/3/30,洗滌液體積,生產(chǎn)能力,2024/3/30,根據(jù)獲得最大生產(chǎn)能力的要

32、求，輔助操作時間應(yīng)為,這就是說實(shí)際所用過濾時間太長，對這種懸浮液，為提高生產(chǎn)能力。過濾時間應(yīng)短些。2、連續(xù)過濾機(jī)的生產(chǎn)能力 浸沒度:轉(zhuǎn)筒表面浸入濾漿中的分?jǐn)?shù)，以φ表示。 φ＝浸沒角度/360°,2024/3/30,若轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速為n r/min,轉(zhuǎn)筒回轉(zhuǎn)一周所用時間：,整個轉(zhuǎn)筒表面上任何一小塊過濾面積所經(jīng)歷的過濾時間為：,從生產(chǎn)能力的角度來看,一臺總過濾面積為A，浸沒角度為φ，轉(zhuǎn)速為n r/

33、min的連續(xù)式轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)，與一臺同樣條件下操作的過濾面積為A，操作周期為T=60/n，每次過濾時間,的間歇式板框壓濾機(jī)是等效的。,轉(zhuǎn)筒每轉(zhuǎn)一周所得濾液的體積為：,2024/3/30,生產(chǎn)能力：,當(dāng)濾布阻力可以忽略不計(jì)時,其中：,D-轉(zhuǎn)筒直徑 L-轉(zhuǎn)筒的長度,轉(zhuǎn)速n愈高，浸沒度愈大，生產(chǎn)能力愈大。,2024/3/30,例：用轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)于50kPa真空度下過濾密度為1220kg/m3的某種水懸浮液，操作條件下的過濾常數(shù)K=5.2&

34、#215;10-6m2/s，過濾介質(zhì)的阻力可忽略不計(jì)。已知，每次獲得1m3濾液生成的濾渣中含有固相590kg，固相密度為2200kg/m3，轉(zhuǎn)筒直徑為1.75m，寬度為0.92m，轉(zhuǎn)筒浸沒度1/3，其轉(zhuǎn)速為0.5r/min，試求：1) 過濾機(jī)的生產(chǎn)能力。2) 轉(zhuǎn)筒表面最終濾餅厚度δ。,2024/3/30,解：,1）,2）要求濾餅厚度，應(yīng)先通過物量衡算求得濾餅體積與濾液體積之比ν以1m3懸浮液為準(zhǔn)，設(shè)其中固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為xw,2024