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1、过滤,3 过滤,3.1 过滤（Filteration）,3.1.1 概述 过滤是在外力作用下，利用过滤介质使悬浮液中的液体通过，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的一种单元操作。过滤介质具有多孔结构，可以截留固体物质，而让液体通过；我们把待过滤的悬浮液成为滤浆（Slurry），而过滤后分离出的固体称为滤渣或滤饼（Filter cake），通过过滤介质的液体称为滤液（Filtrate）。（1）过滤介质（Filter medium）：过滤介质应具有以下特性：多孔性，足够的机械强度，尽可能小的流动阻力，耐腐蚀性，耐热性，易于再生。工业上常见的过滤介质：织物介质、堆积介质、多孔固体介质、多孔膜
2、。,3.1.1 概述,（2）过滤分类：深层过滤（Deep bed filteration）滤饼过滤（Cake filteration）,（3）过滤推动力：重力（漏斗过滤）、压力（加压过滤）或真空（抽滤）、离心力（离心过滤）。（4）滤饼的可压缩性（5）助滤剂 助滤剂本身就是一性能良好的过滤介质，是一种坚硬、不规则的小颗粒，它能形成结构疏松、空隙率大、不可压缩的滤饼，很大程度改善过滤难度。助滤剂使用方法主要有两种：混合、预涂。,3.1.1 概述,3.1.2 过滤设备,过滤设备按生产压差的方式不同分成两大类:压滤和吸滤 如叶滤机、板框压滤机，回转真空过滤机等；离心过滤 如各种间歇卸渣和连卸渣离心机。
3、,3.1.2 过滤设备,（1）板框压滤机（Plate-and-frame type filter press）结构与工作原理,3.1.2 过滤设备,3.1.2 过滤设备,流程,装合、过滤、洗涤、卸渣、整理，,3.1.2 过滤设备,特点 优点：结构简单，过滤面积大（100100mm1500 1500mm）而占地省，过滤压力高（可达1.5MPa），操作灵活，便于用耐腐蚀材料制造，所得滤饼水分含量少，又能充分地洗涤。缺点：间歇过滤，劳动强度大，适用于中小规模的生产及有特殊要求的场合。横穿洗涤（洗涤液的流通路径是过滤滤液流通路径的两倍，洗涤液的流通截面积为过滤滤液流通截面积的一半；故洗涤速率为过滤终了
4、速率的四分之一）。,3.1.2 过滤设备,（2）叶滤机（Leaf filter）结构与工作原理：,3.1.2 过滤设备,流程 装合、过滤、洗涤、卸渣、整理 特点 优点：间歇过滤，单位地面所容纳的过滤面积大，洗涤充分，生产能力比压滤机大，机械化程度高，劳动力省，密闭过滤，操作环境较好。缺点：构造复杂，造价高，滤饼中粒度差别较大的颗粒可能分别积聚于不同的高度，使洗涤不均匀。置换洗涤（洗涤液的流通路径与过滤滤液流通路径相同，洗涤液的流通截面积与过滤滤液流通截面积相等；洗涤速率与过滤终了速率相等）。,（3）转筒真空过滤机（Rotary vacuum drum filter）结构与工作原理：,3.1.2
5、 过滤设备,3.1.2 过滤设备,3.1.2 过滤设备,流程 过滤、洗涤、吸干、吹松、卸渣特点 优点：操作连续、自动 缺点：设备体积庞大，过滤面积相对较小，过滤、洗涤推动力小，洗涤不充分，适用于处理量大而容易过滤的悬浮液分离。洗涤方式为置换洗涤。,3.1.3 过滤基本理论,3.1.3.1 滤饼层特性（1）滤饼层空隙率,空隙率反映了滤饼层中固体颗粒的堆积密度；，颗粒堆积紧密，同样流量下，阻力；，颗粒堆积疏松，同样流量下，阻力。,3.1.3 过滤基本理论,（2）滤饼自由截面积分率A0,将滤饼层转化为如图所示的圆环柱，根据空隙率和自由截面积分率的定义，有：,3.1.3 过滤基本理论,（3）滤饼比表面
6、积aB和颗粒比表面积 S0,3.1.3 过滤基本理论,3.1.3.2 滤液通过滤饼层的流动 流动阻力可用哈根泊谡叶方程表示：,式中 l 滤饼孔道的平均长度，m；u为滤饼孔道中滤液的流速，m/s；de 为孔道的当量直径，m。,3.1.3 过滤基本理论,将以上关系代入哈根泊谡叶方程：,3.1.3 过滤基本理论,滤饼的空隙率，r，所以对可压缩滤饼推动力不同时，比阻也不同；由于滤液流过滤饼而对滤饼中的颗粒产生向前的压缩力（压紧力），使得滤饼表面空隙率较大，而内部的空隙率较小，阻力较大；因此空隙率、比阻不仅与过滤推动力有关，还与滤饼层的位置有关，它们在滤饼中的不同位置分布是不均匀的。且上式过滤速率只考虑
7、了滤饼的过滤阻力，还未考虑过滤介质的过滤阻力。,3.1.3 过滤基本理论,3.1.3.3 过滤基本方程式（1）可压缩滤饼,3.1.3 过滤基本理论,比阻的另一种表达方法 定义：,3.1.3 过滤基本理论,3.1.3.4 恒压过滤（Constant pressure filtration）若在过滤过程中保持过滤推动力恒定，那么在过滤初始阶段，滤饼还未形成时，过滤阻力小，过滤速率大，随着过滤的进行，滤饼厚度不断增大，过滤阻力增大，过滤速率下降；这种过滤方式为恒压过滤。若要保证过滤过程的过滤速率恒定，那么在过滤过程中应不断提高过滤的推动力，这种操作方式为恒速过滤（Constant rate filt
8、ration）。若过滤过程中压力和速率均无法恒定则为变压变速过滤。,恒压过滤如线（1）所示，压力恒定，速率不断下降；恒速过滤如线（2）所示，速率恒定，过滤压力不断提高；线（5）为系统阻力，包括过滤系统管道阻力和滤饼阻力；变压变速过滤，当管道阻力滤饼阻力时，则变压变速过滤趋向于恒压过滤，如线（3）所示；当管道阻力滤饼阻力时，则过滤压力和过滤速率变化明显，如线（4）所示。,3.1.3 过滤基本理论,在工业应用实际中采用哪种操作方式？恒压？恒速？先恒速后恒压？先恒压后恒速？,3.1.3 过滤基本理论,K称为过滤常数，m2/s，与滤液性质、悬浮液浓度、温度、过滤压力、压缩性指数等因素有关；对一定的悬浮
9、液在恒压条件下过滤，压力差、滤液粘度、悬浮液浓度、滤饼比阻、压缩性指数等为常数，即为常数，那么过滤基本方程为：,3.1.3 过滤基本理论,e为过滤得到滤液量所花的时间，它与Ve一样是虚拟量（反映过滤介质阻力的大小），积分上式,3.1.3 过滤基本理论,当过滤介质阻力与滤饼阻力相比较小可以忽略，Le=0、Ve=0、e=0时，,3.1.3 过滤基本理论,3.1.3.5 过滤参数的测定（1）过滤常数（Filtration constant）的测定 过滤常数与过滤体系、操作条件有关，通常由恒压过滤实验测定；其测定方法主要有两种。微分法：,3.1.3 过滤基本理论,3.1.3 过滤基本理论,积分法：,3
10、.1.3 过滤基本理论,注意：在实验测定过程中微分法测定的是一定时间段内时间、滤液量的变化量，而积分法是测定实验过程中某时刻滤液的总量；微分法在理论上做了近似不如积分法准确；在实验过程中要保证最终得到的关系线为直线，也就是过滤常数恒定，必须注意哪些问题？保证、r、c、s、p等参数即悬浮液体系、温度、浓度、过滤方式、过滤介质、过滤压力等在过滤过程中维持恒定；过滤常数是在一定过滤压力下测定的，它能否用于其他过滤压力的计算呢？,3.1.3 过滤基本理论,若比阻r与参数c没有变化则,若为不可压缩滤饼则,滤饼多具有可压缩性，且实验条件往往与实际操作条件不同如悬浮液的浓度、温度、压力等等，所以要将实验测定
11、的过滤常数应用于实际生产，必须利用以上各式进行校正；但校正前必须确定压缩性指数s。,3.1.3 过滤基本理论,（2）压缩性指数（Compressibility coefficient）的测定,3.1.3 过滤基本理论,例 拟用一板框压滤机在3kgf/cm2压强下过滤某悬浮液，过滤常数为710-5m2/s，qe=0.015 m3/m2，现要求每一操作周期得到10m3滤液，过滤时间为0.5h，滤饼不可压缩，且滤饼与滤液体积比c=0.03 m3/m3，求：（1）需要多大过滤面积；（2）如果操作压力提高至6 kgf/cm2，现有一台板框压滤机，每个框的尺寸为635 635 25mm，要求每个过滤周期得
12、到的滤液量仍为10m3，过滤时间不超过0.5h，至少需要多少个滤框才能满足要求。,3.1.3 过滤基本理论,3.1.3.6 洗涤速率和洗涤时间（1）洗涤速率 洗涤速率为单位时间的洗涤液用量。在洗涤过程中，滤饼厚度不再增加，故洗涤过程的阻力不变，洗涤速率为常数。,3.1.3 过滤基本理论,连续过滤机和叶滤机 此类过滤机的洗涤方式是置换洗涤，其特点是：,当过滤滤液粘度与洗涤液粘度相等，过滤终了压力与洗涤压力相等时，洗涤速率与过滤终了速率相等：,3.1.3 过滤基本理论,板框过滤机此类过滤机采用横穿洗涤方式，其特点是：,同样比较过滤终了速率和洗涤速率，当过滤滤液粘度与洗涤液粘度相等W=E，过滤终了压
13、力与洗涤压力相等pW=p E时，洗涤速率为过滤终了速率的四分之一：,3.1.3 过滤基本理论,（2）洗涤时间 为了相互区别，过滤时间用F表示，洗涤时间用W、辅助时间用R表示。洗涤时间为：,式中VW为洗涤液的用量，m3；置换洗涤和横穿洗涤速率可合并写成：,3.1.3 过滤基本理论,讨论：当过滤介质阻力可以忽略时,洗涤速率与洗涤时间计算中置换洗涤=1，横穿洗涤=1/4的成立条件？W=E，pW=pE；若W E，pW pE，则W如何计算？,3.1.3 过滤基本理论,例 用板框压滤机过滤某悬浮液，该过滤机共有12个框，框边长300mm，厚25mm，在过滤开始3min内恒速过滤，当压力升高到392kPa（
14、表压）后恒压操作，又经过15min滤框被充满，然后在343kPa（表压）下洗涤10min，求：在每个操作周期内（1）收集到的滤液量；（2）洗涤液用量。此悬浮液曾在一过滤面积为0.05m2的真空叶滤机内进行试验，试验在66.66kPa真空度下进行，5min获得滤液250ml，又过了5min再得到滤液150ml，滤饼不可压缩，过滤介质阻力在叶滤机和板框压滤机中相同。,3.1.4 过滤机的生产能力,生产能力可以以单位时间过滤得到的滤液或滤渣体积量来表示，没有特别说明情况下以前者表示，Q，m3滤液/h。,（1）间歇过滤机生产能力,F，L，V，但滤液在过滤后期增加量不大而洗涤速率，W、R相应，Q；F，L
15、，V，W、R所占比重，Q。因此必然存在最佳的过滤时间，使得过滤生产能力达到最大。,3.1.4 过滤机的生产能力,3.1.4 过滤机的生产能力,当过滤介质阻力忽略不计时（不论其它条件如何）,若不进行洗涤W=0，J=0，则（不论其它条件如何）,3.1.4 过滤机的生产能力,（2）连续过滤机生产能力,3.1.4 过滤机的生产能力,过滤周期C，转速为n（转/s），则,定义沉浸度,恒压过滤方程,3.1.4 过滤机的生产能力,讨论：若过滤介质阻力可以忽略，Ve=0，qe=0，e=0 则,若n，则Q；但F，L不利于卸渣，故一般要求滤饼厚度不小于35mm；浸没面积，F，Q；但其他操作时间相应缩短，操作困难（如洗涤不充分），故一般浸没分率=3040%。滤饼厚度与转筒转速关系(忽略介质阻力情况),3.2 离心分离（Centrifugation）,离心力大小：,转鼓直径D（或r），n，Fr，对分离有利。按其所产生的离心力与重力之比，即分离因数的大小分类：常速离心机：KC50000。按分离方式，可分为：过滤式离心机（转鼓壁有孔）沉降式离心机（转鼓壁无孔）分离式离心机,
