礦大北京化工原理3-05

1、1第三節(jié)第三節(jié) 過濾過濾 是分離是分離液液-固固、氣氣-固固甚至甚至氣氣-液液(霧霧)等非均相物等非均相物系的最普遍又行之有效的單元操作之一。系的最普遍又行之有效的單元操作之一。 工業(yè)上，過濾不僅能分離粗、細(xì)顆粒，也可以工業(yè)上，過濾不僅能分離粗、細(xì)顆粒，也可以分離分離細(xì)菌細(xì)菌、病毒病毒和和高分子高分子。 與沉降相比，濾液的清潔度高、濾餅的含水量與沉降相比，濾液的清潔度高、濾餅的含水量比沉降槽底流的低，且攔截的顆粒更細(xì)。常將沉降比沉降槽底流的低，且攔截的顆粒更細(xì)。常將沉降槽底流送入過濾機(jī)槽底流送入過濾機(jī)(如污水廠的污泥脫水如污水廠的污泥脫水)，降低排，降低排放污泥的含水量，便于輸送、焚燒等后處理

2、。放污泥的含水量，便于輸送、焚燒等后處理。 本章本章以懸浮液為對(duì)象以懸浮液為對(duì)象進(jìn)行討論。其結(jié)果同樣適進(jìn)行討論。其結(jié)果同樣適用于用于氣體為介質(zhì)的氣體為介質(zhì)的非均相物系。非均相物系。 2過濾的過濾的關(guān)鍵構(gòu)件關(guān)鍵構(gòu)件 具有豐富細(xì)微孔道的具有豐富細(xì)微孔道的“過濾介質(zhì)過濾介質(zhì)”。將混合物置于。將混合物置于“介質(zhì)介質(zhì)”一側(cè)，其一側(cè)，其中的易流動(dòng)相在推動(dòng)力作用下穿過介質(zhì)，進(jìn)入另中的易流動(dòng)相在推動(dòng)力作用下穿過介質(zhì)，進(jìn)入另一側(cè)，實(shí)現(xiàn)分離。一側(cè)，實(shí)現(xiàn)分離。濾漿濾漿濾渣濾渣(濾餅濾餅)介質(zhì)介質(zhì)濾液濾液 過濾時(shí)的過濾時(shí)的推動(dòng)力推動(dòng)力：重力過濾重力過濾濾漿濾漿(介介)層層 p；壓差過濾壓差過濾加壓加壓 / 真空；真空

3、；離心過濾離心過濾離心力。離心力。 3一、過濾分類一、過濾分類 過濾介質(zhì)過濾介質(zhì)織物、多孔固體或多孔膜。過織物、多孔固體或多孔膜。過濾初時(shí)濾液混濁，濾初時(shí)濾液混濁，“架橋架橋”使流道更狹窄，濾液使流道更狹窄，濾液逐逐漸變清，濾餅形成后，濾液便澄清了。顯然，漸變清，濾餅形成后，濾液便澄清了。顯然，有有效過濾靠的是濾餅效過濾靠的是濾餅而非濾介。當(dāng)然，餅層厚度而非濾介。當(dāng)然，餅層厚度L增加使流道增加使流道 l 增長(zhǎng)，流阻增長(zhǎng)，流阻R增加。增加。適用于固體體積分率適用于固體體積分率1%的懸浮液。的懸浮液。 按按機(jī)理機(jī)理分為分為“表面過濾表面過濾”和和“深床過深床過濾濾”表面過濾表面過濾(濾餅過濾或餅層

4、過濾濾餅過濾或餅層過濾)4深床過濾深床過濾(深層過濾深層過濾) 過濾介質(zhì)過濾介質(zhì)砂子或砂子、礫石砂子或砂子、礫石混級(jí)或其它堆積介質(zhì)。介質(zhì)層較厚，里面形成長(zhǎng)而曲混級(jí)或其它堆積介質(zhì)。介質(zhì)層較厚，里面形成長(zhǎng)而曲折的流道。通常處理顆粒直徑折的流道。通常處理顆粒直徑流道直徑的懸浮液。流道直徑的懸浮液。 過濾時(shí)，顆粒隨流體進(jìn)入孔道靠過濾時(shí)，顆粒隨流體進(jìn)入孔道靠攔截?cái)r截、慣性碰慣性碰撞撞、擴(kuò)散沉積擴(kuò)散沉積、重力沉積重力沉積及及靜電效應(yīng)靜電效應(yīng)等使顆粒沉積在等使顆粒沉積在濾介的孔道中，與流體分開。濾介的孔道中，與流體分開。 多用于處理量大、顆粒細(xì)小含量甚微的物料，多用于處理量大、顆粒細(xì)小含量甚微的物料，如自來

5、水廠的水凈化、煙氣除塵或合成氣除霧。如自來水廠的水凈化、煙氣除塵或合成氣除霧。5 按按過濾過程介質(zhì)與濾餅的變化情況過濾過程介質(zhì)與濾餅的變化情況分為分為“澄澄清清過濾過濾”、“濾餅過濾濾餅過濾”和和“限制濾餅增長(zhǎng)的過限制濾餅增長(zhǎng)的過濾濾”澄清過濾澄清過濾 特指除去流體中少量顆粒而獲得純凈的特指除去流體中少量顆粒而獲得純凈的液體。多數(shù)是深床過濾。液體。多數(shù)是深床過濾。 濾餅過濾濾餅過濾 見前。見前。限制濾餅增長(zhǎng)的過濾限制濾餅增長(zhǎng)的過濾裝置中設(shè)移動(dòng)的刮片裝置中設(shè)移動(dòng)的刮片，使餅層始終限制在刮片與，使餅層始終限制在刮片與濾介間隙范圍內(nèi)，使過濾在較高的速率下大體保持濾介間隙范圍內(nèi)，使過濾在較高的速率下大

6、體保持恒定。生產(chǎn)能力比傳統(tǒng)方式的過濾機(jī)提高很多。恒定。生產(chǎn)能力比傳統(tǒng)方式的過濾機(jī)提高很多。6雙功能過濾雙功能過濾 過濾過程快速循環(huán)進(jìn)行，濾餅積過濾過程快速循環(huán)進(jìn)行，濾餅積累到一定厚度累到一定厚度(很薄很薄)就停止過濾，抖動(dòng)濾介使濾就停止過濾，抖動(dòng)濾介使濾餅脫落，接著進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。餅脫落，接著進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。錯(cuò)流過濾錯(cuò)流過濾 濾漿流向與濾液流向垂直。使過濾濾漿流向與濾液流向垂直。使過濾始終在不積或少積濾餅的條件下進(jìn)行，過濾速率始終在不積或少積濾餅的條件下進(jìn)行，過濾速率始終較高。濾漿不可過稠。始終較高。濾漿不可過稠。7 按按操作方式操作方式分為分為“間歇過濾間歇過濾”和和“連續(xù)過連續(xù)過濾濾”間歇

7、過濾間歇過濾 過濾的同時(shí)不能卸料。隨餅層過濾的同時(shí)不能卸料。隨餅層 濾濾液通過餅層的流阻液通過餅層的流阻 ( p/L) 過濾速率過濾速率 濾濾液流出量液流出量 。如：。如：板框壓濾機(jī)板框壓濾機(jī)和和加壓液濾機(jī)加壓液濾機(jī)中的中的操作。操作。 連續(xù)過濾連續(xù)過濾 濾液、濾渣同時(shí)排出。如：濾液、濾渣同時(shí)排出。如：轉(zhuǎn)筒真轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)空過濾機(jī)和和活塞推料離心機(jī)活塞推料離心機(jī)中的操作。中的操作。8二、過濾介質(zhì)二、過濾介質(zhì) 足夠的機(jī)械強(qiáng)度、盡小的流阻及耐腐蝕、足夠的機(jī)械強(qiáng)度、盡小的流阻及耐腐蝕、耐熱性。耐熱性。介質(zhì)介質(zhì)織物織物堆積介質(zhì)堆積介質(zhì) 多孔固介多孔固介 多孔膜多孔膜*濾渣濾渣dmin565 m13 m

8、0.005 m9三、濾餅的壓縮性和助濾劑三、濾餅的壓縮性和助濾劑 由由堅(jiān)硬固體顆粒堅(jiān)硬固體顆粒(如：硅藻土、碳酸鈣等如：硅藻土、碳酸鈣等)形形成濾餅，增大其兩側(cè)的壓差時(shí)，顆粒的形狀和顆成濾餅，增大其兩側(cè)的壓差時(shí)，顆粒的形狀和顆粒間隙均無顯著變化，即單位厚度餅層的流阻粒間隙均無顯著變化，即單位厚度餅層的流阻比阻比阻r 恒定恒定“不可壓縮濾餅不可壓縮濾餅”。s =0。 由如氫氧化物的由如氫氧化物的膠體物質(zhì)膠體物質(zhì)構(gòu)成的濾餅，隨構(gòu)成的濾餅，隨 p ，顆粒發(fā)生形變并擠壓流道，且隨，顆粒發(fā)生形變并擠壓流道，且隨 p r “可壓縮濾餅可壓縮濾餅”。s =0110減小減小“可壓縮濾餅可壓縮濾餅” 流阻的方法

9、：流阻的方法：將另一種質(zhì)地堅(jiān)硬、能形成疏松餅層的固體作將另一種質(zhì)地堅(jiān)硬、能形成疏松餅層的固體作為為助濾劑助濾劑，混入懸浮液混入懸浮液；預(yù)先在過濾介質(zhì)上預(yù)先在過濾介質(zhì)上構(gòu)成一層不可壓縮的餅層構(gòu)成一層不可壓縮的餅層預(yù)涂預(yù)涂。但在助濾劑。但在助濾劑與濾液不互溶和不發(fā)生化反時(shí)，該兩法對(duì)濾液無與濾液不互溶和不發(fā)生化反時(shí)，該兩法對(duì)濾液無影響。影響。對(duì)濾液對(duì)濾液 流阻流阻 的情況，可以考慮加入助的情況，可以考慮加入助劑劑“破粘破粘”的辦法，此時(shí)應(yīng)考慮濾液是否受影響。的辦法，此時(shí)應(yīng)考慮濾液是否受影響。113-3-2 過濾基本方程式過濾基本方程式 一、濾液通過餅層的流動(dòng)一、濾液通過餅層的流動(dòng) 由于顆粒堆積的隨意

10、性，使餅層中的流道很由于顆粒堆積的隨意性，使餅層中的流道很不規(guī)則。但相對(duì)較大過濾面積而言，細(xì)小、曲折不規(guī)則。但相對(duì)較大過濾面積而言，細(xì)小、曲折的流道在餅層任意截面上的總面積可視為恒定。的流道在餅層任意截面上的總面積可視為恒定。為此，可將為此，可將不規(guī)則流道簡(jiǎn)化成一組直徑為不規(guī)則流道簡(jiǎn)化成一組直徑為de、長(zhǎng)、長(zhǎng)為為 l 的平行細(xì)管的平行細(xì)管(如圖如圖)。dpde12鑒于濾液在餅層中的流動(dòng)常處滯流區(qū)，鑒于濾液在餅層中的流動(dòng)常處滯流區(qū)， /44ArdHealAl)1(11 流流道道表表面面積積流流道道容容積積仿照仿照泊謖葉公式泊謖葉公式：描述濾液通過描述濾液通過餅層餅層的流動(dòng)情況的流動(dòng)情況Lpduc

11、e )(21 (3-33)ade)1(4 (3-32)lpdu 32)(2 (1-46)流道的流道的13L l 流阻流阻 為保持一定的為保持一定的 u ， pc ， pc間接的反映了流阻的大小。即間接的反映了流阻的大小。即(3-33)表達(dá)了表達(dá)了濾液流速濾液流速u與流阻間的關(guān)系。與流阻間的關(guān)系。 而：而： u1 = u / (3-34)將將(3-32)和和(3-34)代入代入(3-33)： LpaKuc 223)1(1(3-35) 與與 、顆粒形狀、排、顆粒形狀、排列及粒度范圍等有關(guān)，餅列及粒度范圍等有關(guān)，餅層內(nèi)滯流時(shí)層內(nèi)滯流時(shí)=5。Lpduce )(21 ade)1(4 14二、過濾速率二、

12、過濾速率 過濾速率過濾速率u：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)獲得的濾液體積單位時(shí)間內(nèi)獲得的濾液體積dV/d ，m3/s。過濾速度過濾速度u：?jiǎn)挝贿^濾面積上的過濾速率，單位過濾面積上的過濾速率，m/s:結(jié)合結(jié)合(3-35)，過濾速率式過濾速率式： LpAaddVc 223)1(51(3-35c) LpaKuc 223)1(1AddVu/ddquq=V/A15三、濾餅的阻力三、濾餅的阻力 反映了濾餅顆反映了濾餅顆粒的特性。對(duì)于粒的特性。對(duì)于不可壓縮濾餅不可壓縮濾餅，該部分為常量；，該部分為常量；對(duì)于對(duì)于可壓縮濾餅可壓縮濾餅，該部分隨，該部分隨 、a而變化。而變化。 濾餅比阻濾餅比阻 r 為其倒數(shù)：為其倒數(shù)：過濾速率式

13、中的過濾速率式中的比阻比阻 r 反映了單位餅層厚度反映了單位餅層厚度L產(chǎn)生的阻力。產(chǎn)生的阻力。223)1(5a 322/)1(5 ar 速速率率阻阻力力推推動(dòng)動(dòng)力力則則： RAprLpAddVcc )/1( LpAaddVc 223)1(5116四、過濾介質(zhì)的阻力四、過濾介質(zhì)的阻力 過濾初時(shí)，介質(zhì)的阻力不可小視；但隨餅層過濾初時(shí)，介質(zhì)的阻力不可小視；但隨餅層的增厚，其影響逐漸減弱甚至可以忽略不計(jì)。的增厚，其影響逐漸減弱甚至可以忽略不計(jì)。 濾介濾介的的致密度致密度及及厚度厚度、濾漿濾漿的特性的特性不同的不同的過濾介質(zhì)阻力。不過，過濾介質(zhì)阻力。不過，一旦確定濾介和物料，介一旦確定濾介和物料，介質(zhì)阻

14、力可視為常數(shù)質(zhì)阻力可視為常數(shù)。仿照濾液穿過。仿照濾液穿過“濾餅濾餅”時(shí)的時(shí)的速度計(jì)算式寫出濾液穿過速度計(jì)算式寫出濾液穿過“濾介濾介”時(shí)的時(shí)的速度速度 u 式式：mmRpAddV / (3-39)17p1p2Lpcppm懸浮液濾餅過濾介質(zhì)濾液過濾速率 =過濾推動(dòng)力過濾阻力推動(dòng)力p= pc+ pm阻力R= Rc+ Rm18將濾餅和濾介聯(lián)合考慮將濾餅和濾介聯(lián)合考慮，有：，有： 此式更明確了此式更明確了只有只有濾餅濾餅的的 、a，濾液濾液的的 ，濾介濾介都是某一確定值時(shí)，濾介阻力才為常數(shù)都是某一確定值時(shí)，濾介阻力才為常數(shù)。)()(/mmmcRRpRRppAddVu (3-40) 若若將濾介表示成與濾餅

15、有相同將濾介表示成與濾餅有相同 r 的物質(zhì)的物質(zhì)，對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的當(dāng)量厚度為當(dāng)量厚度為L(zhǎng)e，即，即Rm=rLe 。上式為：。上式為：)(/eLLrpAddV (3-41)19p168 例例3-8 直徑為直徑為0.1mm的球形顆粒狀物的球形顆粒狀物料懸浮于水中，用過濾分離。屆時(shí)形成不可壓料懸浮于水中，用過濾分離。屆時(shí)形成不可壓縮濾餅，其縮濾餅，其 =60%，求：求：r ；濾漿的固相濾漿的固相體積分率為體積分率為10%，求：獲濾液，求：獲濾液 0.5 m3/ m2濾介時(shí)濾介時(shí)的濾餅阻力的濾餅阻力R。32432/106/6)6/(mmddda 322/)1(5 ar 210324210333. 16 .

16、 0/)106()6 . 01 ( 5 m解：解： 求求r ：小球比表面積小球比表面積20 R=rL 單位過濾面積上，濾餅厚度與濾液?jiǎn)挝贿^濾面積上，濾餅厚度與濾液體積、濾餅體積、濾餅 以及濾漿的濃度有關(guān)。以及濾漿的濃度有關(guān)。對(duì)水作物料對(duì)水作物料衡算衡算求出求出:)1 .01)(15 .0(15 .0 LL 19101022. 21667. 010333. 1 mrLRL=0.1667m濾液體積濾液體積+濾餅中水的體積濾餅中水的體積=相應(yīng)濾漿中水的體積相應(yīng)濾漿中水的體積21五、過濾基本方程式五、過濾基本方程式 設(shè)每獲得設(shè)每獲得1 m3 濾液濾液，有，有v m3 濾餅濾餅，則任一瞬，則任一瞬間間濾餅厚度濾餅厚度L 與當(dāng)時(shí)與當(dāng)時(shí)已獲濾液體積已獲濾液體積V 的關(guān)系為：的關(guān)系為： LA=vV L= vV /A (3-42)對(duì)應(yīng)的濾介對(duì)應(yīng)的濾介：(3-