化工原理第三章過濾-最新版本.ppt

第四節(jié)過濾 過濾 在外力的作用下 懸浮液中的液體通過多孔介質(zhì)的孔道而固體顆粒被截留下來 從而實現(xiàn)固 液分離的操作 過濾目的 從懸浮液中分離出固體顆粒 實現(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 在某些場合 過濾是沉降的后繼操作 濾漿 slurry 原懸浮液 濾餅 filtercake 截留的固體物質(zhì) 過濾介質(zhì) filteringmedium 多孔物質(zhì) 濾液 filterate 通過多孔通道的液體 過濾操作示意圖 濾餅過濾 一 兩種過濾方式 1 濾餅過濾 一 懸浮液的過濾 濾餅過濾過程 剛開始 有細小顆粒通過孔道 濾液混濁 開始后 迅速發(fā)生 架橋現(xiàn)象 顆粒被攔截 濾液澄清 注意 所選過濾介質(zhì)的孔道尺寸一定要使 架橋現(xiàn)象 能夠發(fā)生 所以 在濾餅過濾時真正起過濾作用的是濾餅本身 而非過濾介質(zhì) 固體含量較高的懸浮液 特點 顆粒 粒子 并不形成濾餅 沉積于介質(zhì)內(nèi)部 過濾對象 懸浮液中的固體顆粒小而少 過濾介質(zhì) 堆積較厚的粒狀床層 過濾原理 顆粒尺寸 介質(zhì)通道尺寸 顆粒通過細長而彎曲的孔道 靠靜電和分子的作用力附著在介質(zhì)孔道上 應(yīng)用 適于處理生產(chǎn)能力大而懸浮液中顆粒小而且含量少 顆粒的體積百分數(shù) 0 1 濾餅不為產(chǎn)品的場合 如水處理和酒的過濾 2 深層過濾 二 過濾介質(zhì) 過濾介質(zhì)應(yīng)具有如下性質(zhì) 過濾介質(zhì)的作用 濾餅過濾 促使濾餅的形成 并支承濾餅 1 多孔性 液體流過的阻力小 2 孔道大小適當 能發(fā)生架橋現(xiàn)象 3 有足夠的機械強度 使用壽命長 4 耐腐蝕性和耐熱性 5 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 以及金屬絲織成的網(wǎng)能截留的粒徑的范圍較寬 從幾十 m到1 m 優(yōu)點 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?燒結(jié)金屬 塑料細粉粘成的多孔塑料 棉花餅等 這類介質(zhì)較厚 孔道細 阻力大 能截留1 3 m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 膜很薄 幾十 m到200 m 孔很小 可以分離小到0 05 m的顆粒 應(yīng)用多孔膜的過濾有超濾和微濾 隨著過濾的進行 濾餅的厚度增大 濾液的流動阻力亦逐漸增大 導(dǎo)致濾餅兩側(cè)的壓強差增大 濾餅的壓縮性對壓強差有較大影響 濾餅分為可壓縮濾餅和不可壓縮濾餅 不可壓縮濾餅 某些懸浮液中的顆粒所形成的濾餅具有一定的剛性 濾餅的空隙結(jié)構(gòu)不會因為操作壓差的增大而變形 可壓縮濾餅 濾餅因為操作壓差的增大而發(fā)生不同程度的變形 濾餅中的流動通道縮小 流動阻力增加 克服濾餅壓縮性的手段 助濾劑的加入 可以增大濾餅的空隙率 對于所處理的懸浮液顆粒比較細小而且粘度很大時 效果尤為明顯 三 助濾劑 助濾劑的組成 不可壓縮的粉狀或纖維狀固體 使用方法 適用場合 以獲得清潔濾液為目的才使用 當濾餅是產(chǎn)品時不能使用助濾劑 混入懸浮液 助濾劑混入待濾的懸浮液一起過濾 預(yù)涂 預(yù)先制備只含助濾劑顆粒的懸浮液并先行過 常用的助濾劑 硅藻土 珍珠巖 石棉 炭粉等 要求 作助濾劑的物質(zhì)應(yīng)能較好地懸浮于料液中 且顆粒大小合適 助濾劑中還不應(yīng)含有可溶于濾液的物質(zhì) 以免污染濾液 四 懸浮液量 固體量 濾液量與濾渣量的關(guān)系 濾液量懸浮液中所含液體量 濾液 密度 體積V懸浮液液體濕濾渣 密度 c干渣 密度 p 總物料 懸浮液質(zhì)量 濾渣量 濾液量 固體物料 懸浮液中固體量 濾渣中固體量 物料衡算 對于指定的懸浮液 獲得一定量的濾液必定形成相應(yīng)量的濾餅 懸浮液量 濾液量和濾餅量用以下的物料衡算式求出 C 含1kg干濾渣的濕濾渣質(zhì)量 即濕濾渣質(zhì)量與干濾渣質(zhì)量之比 X 單位質(zhì)量懸浮液中所含干濾渣質(zhì)量 得到1m3濾液所形成的干濾渣質(zhì)量 kg 干渣 m3 濾液 而濕濾渣體積 干濾渣體積 液體體積 取含1kg干濾渣的濕濾渣為基準 取1kg懸浮液為基準 p 固體的密度 c 濕濾渣的密度 液體的密度 kg干渣 kg懸浮液 濕濾渣質(zhì)量與濾液體積的比值 C C kg濕渣 m3濾液 濕濾渣體積與濾液體積的比值 m3濕渣 m3濾液 例3 4已知濕濾渣 干濾渣及濾液的密度分別為 c 1400kg m3 p 2600kg m3 1000kg m3 試求濕濾渣與其中所含干渣的質(zhì)量比 若1kg懸浮液中含固體顆粒0 04kg 試求與1m3濾液所對應(yīng)的干渣質(zhì)量為多少 解 1 由 2 已知X 0 4kg 干渣 kg 懸浮液 所以C 2 15kg 濕渣 kg 干渣 例 已知某懸浮液中固相的質(zhì)量分率為0 139 固相密度為2200kg m3 液相為水 每1m3濾餅中含500kg水 其余全為固相 求濾餅體積與濾液體積之比 1 以1m3濾餅為基準 解 1m3濾餅中 水 500kg 固體 體積0 5m3 需要濾漿的質(zhì)量為 質(zhì)量1100kg 化工原理 課件 第三章非均相物系的分離 生成的濾液質(zhì)量為 7913 7 500 1100 6313 7kg 2 以1kg懸浮液為基準 1kg懸浮液中 水 0 861kg 固體 0 139kg 顆粒體積 每1m3濾餅中含500kg水 即固相體積分率為0 5 濾餅體積 濾餅中含水 則1kg懸浮液生成的濾液質(zhì)量為 0 861 0 0632 0 798kg 3 設(shè)得到1m3濾液可得到xm3濾餅 解得 二 過濾速率基本方程式 設(shè)過濾設(shè)備的過濾面積為A 過濾時間為 時所獲得的濾液體積為V 過濾速度 單位時間 單位過濾面積所得濾液體積 即 如果想保持一定的過濾速度 可以隨著過濾操作的進行 逐漸增大壓力差 來克服逐漸增大的過濾阻力 所以過濾速度可寫成 濾餅過濾過程中 濾餅逐漸增厚 流動阻力也隨之逐漸增大 則過濾速率逐漸減小 所以過濾過程屬于不穩(wěn)定的流動過程 過濾推動力 壓力差 L p1 p2 過濾阻力 濾餅阻力 過濾介質(zhì)阻力 PC 餅層壓差 Pm 過濾介質(zhì)壓差 RCRm 對于濾餅層內(nèi)不規(guī)則的通道 可以簡化成由許多平行的細管 當量直徑為de 組成 細管長度與床層高度成正比 細管內(nèi)表面積之和等于濾餅內(nèi)全部顆粒的外表面積 細管的全部流動空間等于濾餅內(nèi)的全部空隙體積 濾液通過餅層的流動 顆粒床層的特性可用空隙率 當量直徑等物理量來描述 空隙率 單位體積床層中的空隙體積稱為空隙率 式中 床層的空隙率 m3 m3 式中 顆粒的比表面 m2 m3 比表面積 單位體積顆粒所具有的表面積稱為比表面積 顆粒床層的特性 依照第一章中非圓形管的當量直徑定義 當量直徑為 式中de 床層流道的當量直徑 m 故對顆粒床層直徑應(yīng)可寫出 濾液通過餅層的流動常屬于滯流流型 可以仿照圓管內(nèi)滯流流動的泊稷葉公式 哈根方程 來描述濾液通過濾餅的流動 則濾液通過餅床層的流速與壓強降的關(guān)系為 式中u1 濾液在床層孔道中的流速 m s L 床層厚度 m pc 濾液通過濾餅層的壓強降 pa 阻力與壓強降成正比 因此可認為上式表達了過濾操作中濾液流速與阻力的關(guān)系 在與過濾介質(zhì)相垂直的方向上 床層空隙中的濾液流速u1與按整個床層截面積計算的濾液平均流速u之間的關(guān)系為 上式中的比例常數(shù)K 與濾餅的空隙率 顆粒形狀 排列及粒度范圍諸因素有關(guān) 對于顆粒床層內(nèi)的滯流流動 K 值可取為5 式中V 濾液量 m3 t 過濾時間 s A 過濾面積 m2 過濾速率為 任一瞬間的過濾速度為 過濾速度 單位時間內(nèi)通過單位過濾面積的濾液體積 m3 m2 s 過濾速率 單位時間內(nèi)獲得的濾液體積 m3 s 過濾基本方程 R 濾餅阻力 1 m 其計算式為 對于不可壓縮濾餅 濾餅層中的空隙率 可視為常數(shù) 顆粒的形狀 尺寸也不改變 因而比表面a亦為常數(shù) 則有 式中r 濾餅的比阻 1 m2 其計算式為 R rL 1 過濾速度與濾餅阻力 比阻r 單位厚度濾餅的阻力 在數(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)生的壓強降 比阻反映了顆粒特性 形狀 尺寸及床層空隙率 對濾液流動的影響 床層空隙率 愈小及顆粒比表面a愈大 則床層愈致密 對流體流動的阻滯作用也愈大 通常把過濾介質(zhì)的阻力視為常數(shù) 仿照濾液穿過濾餅層的速度方程則可寫出濾液穿過過濾介質(zhì)層的速度關(guān)系式 式中 pm 過濾介質(zhì)上 下游兩側(cè)的壓強差 Pa Rm 過濾介質(zhì)阻力 l m 由于很難劃定過濾介質(zhì)與濾餅之間的分界面 更難測定分界面處的壓強 在操作過程中總是把過濾介質(zhì)與濾餅聯(lián)合起來考慮 2過濾速度與介質(zhì)的阻力 通常 濾餅與濾布的面積相同 所以兩層中的過濾速度應(yīng)相等 則 上式表明 可用濾液通過串聯(lián)的濾餅與濾布的總壓強降來表示過濾推動力 用兩層的阻力之和來表示總阻力 式中 p 濾餅與濾布兩側(cè)的總壓強差 稱為過濾壓強差 假設(shè) 厚度為Le的濾餅產(chǎn)生的阻力與濾布相同 而過程仍能完全按照原來的速率進行 則 rLe Rm 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 式中Le 過濾介質(zhì)的當量濾餅厚度 或稱虛擬濾餅厚度 m 式中 v 濾餅體積與相應(yīng)的濾液體積之比 無因次 LA vV 若每獲得1m3濾液所形成的濾餅體積為vm3 則任一瞬間的濾餅厚度L與當時已經(jīng)獲得的濾液體積V之間的關(guān)系為 同理 如生成厚度為Le的濾餅所應(yīng)獲得的濾液體積以Ve來表示 則 式中Ve 過濾介質(zhì)的當量濾液體積 或稱虛擬濾液體積 m3 3 過濾基本方程式 注意 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不同 上式適用于不可壓縮濾餅 對于可壓縮濾餅其比阻r與壓強差有關(guān) 上式稱為過濾基本方程式 它對各種過濾情況均適用 式中r 單位壓強下濾餅的比阻 1 m2 p 過濾壓強差 pas 濾餅的壓縮性指數(shù) 無因此 一般情況下 s 0 1 對于不可壓縮濾餅 s 0 根據(jù)上兩式可得 r r p s 影響過濾速度的因素 1 推動力 p加壓過濾 真空過濾 重力過濾 離心過濾 2 濾液的性質(zhì)濾液黏度 過濾速度u 3 濾餅層的性質(zhì)濾餅的厚度 空隙率 比表面積等 定義 過濾操作在恒定壓強下進行時稱為恒壓過濾 濾餅不斷變厚 阻力逐漸增加 推動力 p恒定 過濾速率逐漸變小 過濾操作的兩種典型方式 恒壓過濾和恒速過濾 特點 三 恒壓過濾 1 濾液體積于過濾時間的關(guān)系 恒壓過濾時 如圖 濾液體積V 過濾時間 O O曲線表示 與過濾介質(zhì)阻力對應(yīng)的虛擬 當量 濾液體積Ve與虛擬過濾時間 e的關(guān)系 當 p不變 即恒壓 懸浮液一定 r v 和Ve一定 時 積分過濾方程式 得 令 q V A 單位面積上的濾液量qe Ve A 單位面積上的當量濾液量 為常數(shù)則改寫成q與 的關(guān)系式 令 化為 恒壓過濾方程式 過濾常數(shù) 方程 都是 基本方程式 恒壓過濾方程式 若過濾介質(zhì)阻力可忽略不計 則 或 K是由物料特性及過濾壓強差所決定的常數(shù) 稱為濾餅常數(shù) 其單位為m2 s Ve或qe是反映過濾介質(zhì)阻力大小的常數(shù) 稱為介質(zhì)常數(shù) 其單位分別為m3與m3 m2 二者總稱為過濾常數(shù) 其值由實驗測定 2 過濾常數(shù)的測定 K qe 實驗測定過濾常數(shù)一般在恒壓下進行 將基本方程式 兩側(cè)各項均除以qK 得 q和q之間具有線形關(guān)系 1 K為斜率 2qe K為截距 由此可知 只要測出不同過濾時間 時單位過濾面積所得的濾液量q 即可由上式求得K和qe 注意 與懸浮液的性質(zhì) 溫度 壓力差有關(guān) 只有在工業(yè)生產(chǎn)條件和實驗條件一致時 才能直接使用實驗測定的過濾常數(shù)K和qe 例3 5含有CaCO3質(zhì)量分數(shù)為13 9的水懸浮液 用板框過濾機在20 下進行過濾適用 過濾面積為0 1m 實驗數(shù)據(jù)列于附表中 試求過濾常數(shù)K與qe 解 兩種壓力下的K與qe分別計算如下 1 壓差為3 43 104Pa 可見 不同壓差下測得的過濾常數(shù)數(shù)值不同 例3 6想用一臺工業(yè)用板框壓濾機過濾例3 5中的含CaCO3粉末的懸浮液 在表壓10 3 104 20 條件下過濾3小時得到6m3濾液 所用過濾介質(zhì)和例3 5的相同 試求所需要的過濾面積 解 例3 5中已求出表壓10 3 104時的過濾常數(shù) 可用恒壓過濾基本方程式求出所需要的過濾面積 所以 過濾面積 例 一臺板框壓濾機的過濾面積為0 2m2 在表壓150kpa下以恒壓操作方式過濾某一懸浮液 2小時后得濾液40m3 已知濾渣不可壓縮 過濾介質(zhì)阻力忽略 求 若其它情況不變 而過濾面積加倍 可得濾液多少 若表壓加倍 2小時后可得濾液多少 若其它情況不變 將操作時間縮短為1小時 所得濾液多少 分析 由于過濾介質(zhì)阻力忽略 所以選用公式 1 過濾面積加倍 則 2 表壓加倍 則 3 過濾時間縮短為1小時 則 2VVe 0 例 在實驗室用一片過濾面積為0 1m2的濾葉對某種顆粒在水中懸浮液進行實驗 過濾壓強差為500mmHg 過濾5分鐘得濾液1升 又過濾5分鐘得濾液0 6升 若再過濾5分鐘 可得濾液多少升 分析 已知兩組濾液體積和時間 求另一組過濾時間下的體積 則選用公式 實際濾液量為 工業(yè)上使用的典型過濾設(shè)備 按操作方式分類 間歇過濾機 連續(xù)過濾機 按操作壓強差分類 壓濾 吸濾和離心過濾 板框壓濾機 間歇操作 轉(zhuǎn)筒真空過濾機 連續(xù)操作 過濾式離心機 四 過濾設(shè)備 結(jié)構(gòu) 濾板 濾框 夾緊機構(gòu) 機架等組成 濾板 凹凸不平的表面 凸部用來支撐濾布 凹槽是濾液的流道 濾板右上角的圓孔 是濾漿通道 左上角的圓孔 是洗水通道 1板框壓濾機 洗滌板 左上角的洗水通道與兩側(cè)表面的凹槽相通 使洗水流進凹槽 非洗滌板 洗水通道與兩側(cè)表面的凹槽不相通 排列方式 板 框交替 個數(shù)可調(diào) 1 2 3 2 1 2 操作周期 組裝 過濾 洗滌 卸渣 整理 操作方式 間歇操作 板框過濾機的操作是間歇式的 每個操作循環(huán)由裝合 過濾 洗滌 卸渣 整理五個階段 過濾過程 1 裝合 將板與框按1 2 3 2 1 2 3的順序 濾板的兩側(cè)表面放上濾布 然后用手動的或機動的壓緊裝置固定 使板與框緊密接觸 2 過濾 用泵把濾漿送進右上角的濾漿通道 由通道流進每個濾框里 濾液穿過濾布沿濾板的凹槽流至每個濾板下角的閥門排出 固體顆粒積存在濾框內(nèi)形成濾餅 直到框內(nèi)充滿濾餅為止 3 洗滌 將洗水送入洗水通道 經(jīng)洗滌板左上角的洗水進口 進入板的兩側(cè)表面的凹槽中 然后 洗水橫穿濾布和濾餅 最后由非洗滌板下角的濾液出口排出 在此階段中 洗滌板下角的濾液出口閥門關(guān)閉 4 卸渣 整理打開板框 卸出濾餅 洗滌濾布及板 框 在洗液粘度與濾液粘度相近的情況下 且在壓差相同時 洗滌速率約為過濾終了速率的1 4 結(jié)構(gòu)簡單 價格低廉 占地面積小 過濾面積大 可根據(jù)需要增減濾板的數(shù)量 調(diào)節(jié)過濾能力 對物料的適應(yīng)能力較強 由于操作壓力較高 3 10kg cm2 對顆粒細小而液體粘度較大的濾漿 也能適用 間歇操作 生產(chǎn)能力低 卸渣清洗和組裝階段需用人力操作 勞動強度大 所以它只適用于小規(guī)模生產(chǎn) 近年出現(xiàn)了各種自動操作的板框壓濾機 使勞動強度得到減輕 板框壓濾機的特點 1 結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)筒真空過濾機結(jié)構(gòu)示意圖 2轉(zhuǎn)筒真空過濾機 轉(zhuǎn)筒及分配頭的結(jié)構(gòu) 工作過程 18格分成6個工作區(qū)1區(qū) 1 7格 過濾區(qū) 2區(qū) 8 10格 濾液吸干區(qū) 3區(qū) 12 13格 洗滌區(qū) 4區(qū) 14格 洗后吸干區(qū) 5區(qū) 16格 吹松卸渣區(qū) 6區(qū) 17格 濾布再生區(qū)