過濾基本原理

第二節(jié)過濾一過濾基本原理1、過濾過濾就是在外力作用下,使懸浮液中得液體通過多孔介質(zhì)得孔道,而懸浮液中得固體顆粒被截留在介質(zhì)上,從而實現(xiàn)固、液分離得操作說明①其中多孔介質(zhì)稱為過濾介質(zhì);所處理濾漿濾餅過濾介質(zhì)得懸浮液稱為濾漿;濾漿中被過濾介質(zhì)截留得固體顆粒稱為稱為濾餅或濾渣;通過過濾介質(zhì)后得液體稱為濾液。濾漿濾餅過濾介質(zhì)驅(qū)使液體通過過濾介質(zhì)得推動力可以有重力、壓力(或壓差)與離心力;過濾操作得目得可能就是為了獲得清凈得液體產(chǎn)品,也可能就是為了得到固體產(chǎn)品。洗滌得作用：回收濾餅中殘留得濾液或除去濾餅中得可溶性鹽。2。 過濾介質(zhì)過濾介質(zhì)起著支撐濾餅得作用,并能讓濾液通過,對其基本要求就是具有足夠得機械強度與盡可能小得流動阻力,同時,還應具有相應得耐腐蝕性與耐熱性、工業(yè)上常見得過濾介質(zhì):織物介質(zhì)：又稱濾布，就是用棉、毛、絲、麻等天然纖維及合成纖維織成得得織物，以及由玻璃絲或金屬絲織成得網(wǎng)。這類介質(zhì)能截留顆粒得最小直徑為?？椢锝橘|(zhì)在工業(yè)上得應用最為廣泛、堆積介質(zhì)：由各種固體顆粒(砂、木碳、石棉、硅藻土)或非紡織纖維等堆積而成，多用于深床過濾中。多孔固體介質(zhì)：具有很多微細孔道得固體材料,如多孔陶瓷、多孔塑料、多孔金屬制成得管或板，能攔截得微細顆粒多孔膜:用于膜過濾得得各種有機高分子膜與無機材料膜。廣泛使用得就是醋酸纖維素與芳香酰胺系兩大類有機高分子膜、可用于截留以下得微小顆粒、3、 深層過濾與濾餅過濾濾餅過濾：懸浮液中顆粒得尺寸大多都比介質(zhì)得孔道大。過濾時懸浮液置于過濾介質(zhì)得一側(cè),在過濾操作得開始階段,會有部分小顆粒進入介質(zhì)孔道內(nèi),并可能穿過孔道而不被截留,使濾液仍然就是混濁得、隨著過程得進行,顆粒在介質(zhì)上逐步堆積,形成了一個顆粒層,稱為濾餅。在濾餅形成之后,它便成為對其后得顆粒起主要截留作用得介質(zhì)。因此,不斷增厚得濾餅才就是真正有效得過濾介質(zhì),穿過濾餅得液體則變?yōu)槌吻宓靡后w。深層過濾：此時，顆粒尺寸比介質(zhì)孔道得尺寸小得多，顆粒容易進入介質(zhì)孔道。但由于孔道彎曲細長，顆粒隨流體在曲折孔道中流過時，在表面力與靜電力得作用下附著在孔道壁上。因此，深層過濾時并不在介質(zhì)上形成濾餅，固體顆粒沉積于過濾介質(zhì)得內(nèi)部、這種過濾適合于處理固體顆粒含量極少得懸浮液。4?濾餅得可壓縮性與助濾劑濾餅得可壓縮性就是指濾餅受壓后空隙率明顯減小得現(xiàn)象，它使過濾阻力在過濾壓力提高時明顯增大，過濾壓力越大,這種情況會越嚴重。另外，懸浮液中所含得顆粒都很細，剛開始過濾時這些細粒進入介質(zhì)得孔道中會將孔道堵死，即使未嚴重到這種程度，這些很細顆粒所形成得濾餅對液體得透過性也很差，即阻力大,使過濾困難。為解決上述兩個問題，工業(yè)過濾時常采用助濾劑。二過濾設(shè)備1。板框過濾機（1）結(jié)構(gòu)與工作原理:由多塊帶凸凹紋路得濾板與濾框交替排列于機架而構(gòu)成、板與框一般制成方形，其角端均開有圓孔，這樣板、框裝合,壓緊后即構(gòu)成供濾漿、濾液或洗滌液流動得通道?？虻脙蓚?cè)覆以濾布，空框與濾布圍成了容納濾漿與濾餅得空間。板與框得結(jié)構(gòu)如圖所示。懸浮液從框右上角得通道1（位于框內(nèi)）進入濾框,固體顆粒被截留在框內(nèi)形成濾餅,濾液穿過濾餅與濾布到達兩側(cè)得板，經(jīng)板面從板得左下角旋塞排出。待框內(nèi)充滿濾餅,即停止過濾。如果濾餅需要洗滌，先關(guān)閉洗滌板下方得旋塞，洗液從洗板左上角得通道2（位于框內(nèi)）進入,依次穿過濾布、濾餅、濾布，到達非洗滌板，從其下角得旋塞排出。強式板柜壓濾;機餉過敝詵滌血如果將非洗滌板編號為1、框為2、洗滌板為3,則板框得組合方式服從1—2—3—21—2—3之規(guī)律。組裝之后得過濾與洗滌原理如圖所示。濾液得排出方式有明流與暗流之分，若濾液經(jīng)由每塊板底部旋塞直接排出,則稱為明流（顯然，以上討論以明流為例）；若濾液不宜暴露于空氣中,則需要將各板流出得濾液匯集于總管后送走，稱為暗流。說明:①板框壓濾機得操作就是間歇得,每個操作循環(huán)由裝合、過濾、洗滌、卸渣、整理五個階段組成。(詳見教材)上面介紹得洗滌方法稱為橫穿洗滌法，其洗滌面積為過濾面積得1/2,洗滌液穿過得濾餅厚度為過濾終了時濾液穿過厚度得2倍、若采用置換洗滌法,則洗滌液得行程與洗滌面積與濾液完全相同、主要優(yōu)缺點:板框壓濾機構(gòu)造簡單,過濾面積大而占地省,過濾壓力高,便于用耐腐蝕材料制造,操作靈活,過濾面積可根據(jù)產(chǎn)生任務調(diào)節(jié)。主要缺點就是間歇操作,勞動強度大,產(chǎn)生效率低。2、葉濾機結(jié)構(gòu)與工作原理:葉濾機由許多濾葉組成、濾葉就是由金屬多孔板或多孔網(wǎng)制造得扁平框架,內(nèi)有空間,外包濾布,將濾葉裝在密閉得機殼內(nèi),為濾漿所浸沒。濾漿中得液體在壓力作用下穿過濾布進入濾葉內(nèi)部,成為濾液后從其一端排出。過濾完畢,機殼內(nèi)改充清水,使水循著與濾液相同得路徑通過濾餅進行洗滌,故為置換洗滌。最后,濾餅可用振動器使其脫落,或用壓縮空氣將其吹下、濾葉可以水平放置也可以垂直放置,濾漿可用泵壓入也可用真空泵抽入、主要優(yōu)缺點:葉濾機也就是間歇操作設(shè)備、它具有過濾推動力大,過濾面積大,濾餅洗滌較充分等優(yōu)點。其產(chǎn)生能力比壓濾機還大,而且機械化程度高,勞動力較省。缺點就是構(gòu)造較為復雜,造價較高,粒度差別較大得顆?？赡芊謩e聚集于不同得高度,故洗滌不均勻、3、轉(zhuǎn)筒過濾機結(jié)構(gòu)與工作原理:設(shè)備得主體就是一個轉(zhuǎn)動得水平圓筒,其表面有一層金屬網(wǎng)作為支承,網(wǎng)得外圍覆蓋濾布,筒得下部浸入濾漿中、圓筒沿徑向被分割成若干扇形格,每格都有管與位于筒中心得分配頭相連。憑借分配頭得作用,這些孔道依次分別與真空管與壓縮空氣管相連通,從而使相應得轉(zhuǎn)筒表面部位分別處于被抽吸或吹送得狀態(tài)。這樣,在圓筒旋轉(zhuǎn)一周得過程中,每個扇形表面可依次順序進行過濾、洗滌、吸干、吹松、卸渣等操作。分配頭由緊密貼合得轉(zhuǎn)動盤與固定盤構(gòu)成,轉(zhuǎn)動盤上得每一孔通過前述得連通管各與轉(zhuǎn)筒表面得一段相通。固定盤上有三個凹槽,分別與真空系統(tǒng)與吹氣管相連、當轉(zhuǎn)動盤上得某幾個小孔與固定盤上得凹槽2相對時，這幾個小孔對應得連通管及相應得轉(zhuǎn)筒表面與濾液真空管相連,濾液便可經(jīng)連通管與轉(zhuǎn)動盤上得小孔被吸入真空系統(tǒng);同時濾餅沉積于濾布得外表面上。此為過濾。轉(zhuǎn)動盤轉(zhuǎn)到使這幾個小孔與凹槽3相對時，這幾個小孔對應得連通管及相應得轉(zhuǎn)筒表面與洗水真空管相連,轉(zhuǎn)筒上方噴灑得洗水被從外表面吸入連通管中,經(jīng)轉(zhuǎn)動盤上得小孔被送入真空系統(tǒng)。此為洗滌、吸干。當這些小孔凹槽4相對時，這幾個小孔對應得連通管及相應得轉(zhuǎn)筒表面與壓縮空氣吹氣相連,壓縮空氣經(jīng)連通管從內(nèi)向外吹向濾餅,此為吹松。隨著轉(zhuǎn)筒得轉(zhuǎn)動，這些小孔對應表面上得濾餅又與刮刀相遇,被刮下。此為卸渣、繼續(xù)旋轉(zhuǎn),這些小孔對應得又重新浸入濾漿中,這些小孔又與固定盤上得凹槽2相對,又重新開始一個操作循環(huán)。每當小孔與固定盤兩凹槽之間得空白位置(與外界不相通得部分)相遇時，則轉(zhuǎn)筒表面與之相對應得段停止工作，以便從一個操作區(qū)轉(zhuǎn)向另一操作區(qū)，不致使兩區(qū)相互串通、主要優(yōu)缺點:轉(zhuǎn)筒過濾機得突出優(yōu)點就是操作自動，對處理量大而容易過濾得料漿特別適宜。其缺點就是轉(zhuǎn)筒體積龐大而過濾面積相形之下嫌小;用真空吸液,過濾推動力不大,懸浮液中溫度不能高、三過濾基本理論1。過濾速度得定義過濾速度指單位時間內(nèi)通過單位過濾面積得濾液體積,即其中,一瞬時過濾速度,m3/s?m2,m/s;、一濾液體積,m3；-過濾面積，m2；—過濾時間，s、說明：①隨著過濾過程得進行,濾餅逐漸加厚、可以想見，如果過濾壓力不變，即恒壓過濾時,過濾速度將逐漸減小、因此上述定義為瞬時過濾速度。②過濾過程中，若要維持過濾速度不變，即維持恒速過濾，則必須逐漸增加過濾壓力或壓差。總之,過濾就是一個不穩(wěn)定得過程、上面給出得只就是過濾速度得定義式,為計算過濾速度,首先需要該撐握過濾過程得推動力與阻力、過濾速度得表達過程得推動力：過濾過程中,需要在濾漿一側(cè)與濾液透過一側(cè)維持一定得壓差,過濾過程才能進行。從流體力學得角度講,這一壓差用于克服濾液通過濾餅層與過濾介質(zhì)層得微小孔道時得阻力,稱為過濾過程得總推動力,以表示。這一壓差部分消耗在了濾餅層,部分消耗在了過濾介質(zhì)層,即。其中為濾液通過濾餅層時得壓力降,也就是通過該層得推動力;為濾液通過介質(zhì)層時得壓力降,也就是通過該層得推動力?？紤]濾液通過濾餅層時得阻力：濾液在濾餅層中流過時,由于通道得直徑很小,阻力很大，因而流體得流速很小,應該屬于層流，壓降與流速得關(guān)系服從P。iseuille定律：其中,—濾液在濾餅中得真實流速;、—濾液粘度;—通道得平均長度;-通道得當量直徑。討論①與得關(guān)系:定義濾餅層得空隙率為：所以，，孔道得平均長度可以認為與濾餅得厚度成正比：孔道得當量直徑根據(jù)這三點結(jié)論，可出導出過濾速度得表達式：其中，，稱為濾餅得比阻，其值完全取決于濾餅得性質(zhì)。說明：過濾速度等于濾餅層推動力/濾餅層阻力，而后者由兩方面得因素決定，一就是濾餅層得性質(zhì)及其厚度，二就是濾液得粘度。考慮濾液通過過濾介質(zhì)時得阻力對介質(zhì)得阻力作如下近似處理：認為它得阻力相當于厚度為得一層濾餅層得阻力，于就是介質(zhì)阻力可以表達為：。濾餅層與介質(zhì)層為兩個串聯(lián)得阻力層，通過兩者得過濾速度應該相等，其中,,。(4)兩種具體得表達形式濾餅層得體積為,它應該與獲得得濾液量成正比,設(shè)比例系數(shù)為,于就是。由,可知得物理意義就是獲得體積得濾液量能得到得濾餅體積。由前面得討論可知:,、其中為濾得體積為或厚度為得濾餅層可獲得得濾液體積。但這部分濾液并不存在,而只就是一個虛似量,其值取決于過濾介質(zhì)與濾餅得性質(zhì)。于就是:bbb (1)又設(shè),獲得得濾餅層得質(zhì)量與獲得得濾液體積成正比,即。其中為獲得單位體積得濾液能得到得濾餅質(zhì)量、由可知,與單位面積上得濾餅體積成正比,我們也有理由認為它與單位面積上得濾餅質(zhì)量成正比,只就是比例系數(shù)需要改變,即J于就是我們可以得到與(1)式形式相同得微分方程:bb b(2)由獲得這一方程得過程可知:至此,我們已經(jīng)得到了表達過濾速度得兩種形式。恒壓過濾方程式前已述及,過濾操作可以在恒壓變速或恒速變壓得條件下進行,但實際生產(chǎn)中還就是恒壓過濾占主要地位。下面得討論都限于恒壓過濾。對式(1)或(2)分離變量,積分(以下以式(1)為例),式中得取決于流體得性質(zhì),濾餅比阻取決于濾餅得性質(zhì),取決于濾漿得濃度與顆粒得性質(zhì),積分時可將這三個與時間無關(guān)得量提到積分號外,而可以作為常數(shù)放在微分號內(nèi):積分,可得: bbbb bb(3)其中,稱為過濾常數(shù),m2/s。式(3)還可以寫成如下形式：bbbbb (4)其中,—單位過濾面積得到得濾液體積;說明：①恒壓過濾方程式給出了過濾時間與獲得得濾液量之間得關(guān)系。這一關(guān)系為拋物線，如圖所示。值得注意得就是,圖中標出了兩個坐標系,積分時橫坐標采用了,縱坐標采用了,但實際得到得濾液量仍就是。圖中得為得到這一虛擬濾液量所需要得時間,因而也就是一個虛擬時間、eee由比阻得定義可以瞧出，其值與濾餅得空隙率及比例系數(shù)有關(guān)。如果濾餅不可壓縮，則這兩個量便與壓力無關(guān),則比阻便與壓力無關(guān),于就是過濾常數(shù)便與壓力無關(guān)、如果濾餅可壓縮，則與壓力有關(guān)，則在某一壓力下測定得、、不能用于其它壓力下得過濾計算。平均比阻與壓力之間有如下經(jīng)驗關(guān)系:或，其中稱為壓縮性指數(shù),其值取決于濾餅得壓縮性，若不可壓縮，則，或為不隨壓力而變得常數(shù)。將這關(guān)系代入過濾常數(shù)得定義式可得:;另外，介質(zhì)得阻力，所以。4、過濾常數(shù)得實驗測定過濾計算必須在過濾常數(shù)具備得條件下才能進行、過濾常數(shù)、(或)得影響因素很多，包括:操作壓力、濾餅及顆粒得性質(zhì)、濾漿得濃度、濾液得性質(zhì)、過濾介質(zhì)得性質(zhì)等，因此從理論上直接計算過濾常數(shù)比較困難，應該用實驗得方法測定、方法一:對式(4)進行微分可得:,整理得：將該式等號左邊得微分用增量代替:bbbb b(5)式(5)為一直線方程，它表明：對于恒壓下過濾要測定得懸浮液,在實驗中測出連續(xù)時間及以單位面積計得濾液累積量,然后算出一系列與得對應值,在直角坐標系中以／為縱坐標,以為橫坐標進行標繪,可得一條直線。這條直線得斜率為,截距為方法二:式(4)兩邊同除以可得：實驗測定變量與上相同，即測出連續(xù)時間及以單位面積計得濾液累積量,以為橫坐標,以為縱坐標,在直角坐標系中可得一條直線,該直線得斜率為,截距為。討論:①前已述及，過濾常數(shù)與諸多因素有關(guān)，只有當實際生產(chǎn)條件與實驗條件完全相同時，實驗測定得過濾常數(shù)才可用于生產(chǎn)設(shè)備得計算。這里最需要注意得就就是操作壓力，實際生產(chǎn)時得過濾壓力可能有一些變化，實驗應該在不同得壓力測定過濾常數(shù)。②在一定得壓力下測定過濾常數(shù)，并直接測出濾液得粘度與懸浮液得或后，還可根據(jù)得定義式反算出該壓力下得比阻。多次進行這樣得過程，可以得到一系列()數(shù)據(jù)，在雙對數(shù)坐標系中作圖，由關(guān)系可知，應該得到一條直線，該直線得斜率為壓縮性指數(shù)，截距為單位壓力下得比阻。壓縮性指數(shù)與比阻才就是過濾理論研究得對象。四過濾計算間歇過濾機得計算(1)操作周期與生產(chǎn)能力:間歇過濾機得特點就是在整個過濾機上依次進行一個過濾循環(huán)中得過濾、洗滌、卸渣、清理、裝合等操作。在每一操作循環(huán)中,全部過濾面積只有部分時間在進行過濾,但就是過濾之外得其它各步操作所占用得時間也必須計入生產(chǎn)時間內(nèi)。一個操作周期內(nèi)得總時間為:其中,—操作周期;—一個周期內(nèi)得過濾時間;—一個操作周期內(nèi)得洗滌時間;—操作周期內(nèi)得卸渣、清理、裝合所用得時間、間歇過濾機得生產(chǎn)能力計算與設(shè)備尺寸計算都應根據(jù)而不就是來定。間歇過濾機得生產(chǎn)能力定義為一個操作周期中單位時間內(nèi)獲得得濾液體積或濾餅體積來表示:洗滌速率與洗滌時間：洗滌得目得就是回收滯留在顆?？p隙間得濾液，或凈化構(gòu)成濾餅得顆粒、當濾餅需要洗滌時,洗滌液得用量應該由具體情況來定,一般認為洗滌液用量與前面獲得得濾液量成正比。即、洗滌速率定義為單位時間得洗滌液用量。在洗滌過程中，濾餅厚度不再增加，故洗滌速率恒定不變。將單位時間內(nèi)獲得得濾液量稱為過濾速率、我們研究洗滌速度時作如下假定：洗滌液粘度與濾液相同;洗滌壓力與過濾壓力相同。葉濾機得洗滌速率與洗滌時間：此類設(shè)備采用置換洗滌法，洗滌液流經(jīng)濾餅得通道與過濾終了時濾液得通道完全相同，洗滌液通過得濾餅面積也與過濾面積相同，所以終了過濾速率與洗滌速率相等、由式(1)可得：(6)用洗滌液總用量除以洗滌速率，就可得到洗滌時間：…⑺板框壓濾機得洗滌速度與洗滌時間：板框壓濾機過濾終了時，濾液通過濾餅層得厚度為框厚得一半，過濾面積則為全部濾框面積之與得兩倍。但由于其采用橫穿洗滌，洗滌液必須穿過兩倍于過濾終了時濾液得路徑，所以;而洗滌面積為過濾面積得1/2，即，由得定義可知將洗滌過程瞧成就是濾餅不再增厚度得過濾過程，則單位時間內(nèi)通過濾餅層得洗滌液量：。 (7)此時過濾最終速率仍可用式(6)來計算。式(7)說明，采用橫穿洗滌得板框式壓濾機其洗滌速率為最終過濾速率得1/4。洗滌時間:。6 6 6 (8)最佳操作周期在一個操作循環(huán)中，過濾裝置卸渣、清理、裝合這些工序所占得輔助時間往往就是固定，與生產(chǎn)能力無關(guān)?，F(xiàn)在可變得就就是過濾時間與洗滌時間。若采用較短得過濾時間，由于濾餅較薄而具有較大得過濾速度，但非過濾操作時間在整個周期中所占得比例較大，使生產(chǎn)能力較低;相反，若采用較長得過濾時間，非過濾時間在整個操作周期中所占比例較小，但因形成得濾餅較厚，過濾后期速度很慢，使過濾得平均速度減小，生產(chǎn)能力也不會太高。綜上所述，在一操作周期中過濾時間應該有一個使生產(chǎn)能力達到最大得最佳值?？梢宰C明，當過濾與洗滌時間之與等于輔助時間時,達到一定生產(chǎn)能力所需要得總時間最短少,即生產(chǎn)能力最大、板框過濾機得框厚度應據(jù)此最佳過濾時間內(nèi)生成得濾餅厚度來決定。連續(xù)過濾機得計算(1)操作周期與過濾時間:轉(zhuǎn)筒過濾機得特點就是過濾、洗滌、卸渣等操作就是在過濾機分區(qū)域同時進行得。任何時間內(nèi)都在進行過濾,但過濾面積中只有屬于過濾區(qū)得那部分才有濾液通過。連續(xù)過濾機得操作周期就就是轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)一周所經(jīng)歷得時間、設(shè)轉(zhuǎn)筒得轉(zhuǎn)速為每秒鐘n次，則每個操作周期得時間:轉(zhuǎn)筒表面浸入濾漿中分數(shù)為:。于就是一個操作周期中得全部過濾面積所經(jīng)歷得過濾時間為該分數(shù)乘以操作周期長度:如此,我們將一個操作周期中所有時間但部分面積在過濾轉(zhuǎn)換為所有面積但部分時間在過濾。這