制藥化工原理第三章第三節(jié) 過濾

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、過濾機的生產(chǎn)能力第三節(jié)

過濾2023/11/2一、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

被截留住的固體物質(zhì)

濾渣（濾餅）

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。2023/11/2

2、過濾方式過濾

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

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。

2023/11/23、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)足夠的機械強度，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，以及金屬絲織成的網(wǎng)能截留的粒徑的范圍較寬，從幾十μm到1μm。2023/11/2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1～3μm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?。◣资蘭到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。2023/11/24、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行過濾，在過濾介質(zhì)上形成一層由助濾劑組成的濾餅。2023/11/2二、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：2023/11/2de∝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）am2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)2023/11/2濾液通過餅床層的流速與壓強降的關(guān)系為：（2）在與過濾介質(zhì)層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：（3）將（1）、（3）代入（2）并寫成等式2023/11/2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?！^濾速度表達式2、過濾速率

過濾速率過濾速度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定義表達式2023/11/23、濾餅的阻力

令——濾餅的比阻，1/m2

(4)令——濾餅阻力（5）速度＝推動力∕阻力2023/11/2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)，通常把過濾介質(zhì)的阻力視為常數(shù)。2023/11/2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)的總壓強降，稱為過濾壓強差。也稱為過濾設(shè)備的表壓強。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。(6)2023/11/2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

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。2023/11/25、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值不同。2023/11/2（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。2023/11/2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。2023/11/2三、恒壓過濾

恒壓過濾：在恒定壓強差下進行的過濾操作。恒壓過濾時，濾餅不斷變厚致使阻力逐漸增加。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）。則過濾速率變?yōu)椋?023/11/2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

θe→θ+θeVe→V+Ve2023/11/2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)榱?023/11/2——恒壓過濾方程K——過濾常數(shù)

由物料特性及過濾壓強差所決定，m2/sθe和qe

——

介質(zhì)常數(shù)

反映過濾介質(zhì)阻力大小，s及m3/m2

當(dāng)介質(zhì)阻力可以忽略時，例2023/11/2例：過濾一種固體顆體積分數(shù)為0.1的懸浮液,濾餅含水的體積分數(shù)為0.5,顆粒不可壓縮,經(jīng)實驗測定濾餅比阻為1.3×1011m-2,水的粘度為1.0×10-3Pa.s。在壓強差恒為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,可再得濾液多少？解：1）過濾時間2023/11/2∵濾布阻力可忽略2)求過濾時間加倍時的濾液量2023/11/2四、過濾常數(shù)的測定

1、恒壓下K、qe、θe的測定

實驗原理：

由恒壓過濾方程微分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量q（按單位面積計）的數(shù)據(jù)，然后算出一系列的Δθ與Δq的對應(yīng)值2023/11/2θq0000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)進行標(biāo)繪，可得到一斜率為2/K，截距為2qe/K的直線。求得2023/11/22023/11/22、壓縮性指數(shù)s的測定

由兩端取對數(shù)，得＝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。2023/11/2五、過濾設(shè)備

1、板框壓濾機1）板框壓濾機的構(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。2023/11/2濾板的作用：支持濾布和提供濾液流出的通道。濾板洗滌板：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2023/11/22023/11/22023/11/22）板框壓濾機的操作板框壓濾機為間歇操作，每個操作循環(huán)由裝合、過濾、洗滌、卸餅、清理5個階段組成。

懸浮液在指定壓強下經(jīng)濾漿通路由濾框角上的孔道并行進入各個濾框，

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。

2023/11/22023/11/2

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（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。板框壓濾機的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，設(shè)備緊湊，過濾面積大而占地小，操作壓強高，濾餅含水少，對各種物料的適應(yīng)能力強。缺點是間歇手工操作，勞動強度大，生產(chǎn)效率低。2023/11/22023/11/22、加壓葉濾機

葉濾機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。葉濾機也為間歇操作，過濾時濾葉安裝在能承受內(nèi)壓的密閉機殼內(nèi)。濾漿用泵送到機殼內(nèi)，穿過濾布進入絲網(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。

葉濾機的優(yōu)點是設(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。

2023/11/22023/11/23、轉(zhuǎn)筒真空過濾機1）轉(zhuǎn)筒真空過濾機的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)筒真空過濾機是工業(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，筒的下部進入濾漿中，圓筒沿徑向分割成若干扇形格，每個都有單獨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行過濾、洗滌、吸干、吹松、卸餅等項操作2023/11/22023/11/22）分配頭的結(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)。2023/11/2扇形格轉(zhuǎn)至12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，隨后由刮刀將濾餅卸除。扇形格16、17的位置稱為吹松區(qū)及卸2023/11/2料區(qū)，18為不工作區(qū)。如此連續(xù)運轉(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)筒過濾機所得濾餅中的液體含量很少低于10%，?？蛇_30%左右。轉(zhuǎn)筒真空過濾機的優(yōu)點是能連續(xù)自動操作，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。缺點是附屬設(shè)備較多，投資費用高，過濾面積不大。過濾推動力有限，不易過濾高溫的懸浮液。2023/11/22023/11/22023/11/2六、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：

單位時間內(nèi)消耗的洗水容積，以表示。洗滌時間：洗滌速率與過濾終了時的過濾速率有關(guān)，這個關(guān)系取決于濾液設(shè)備上采用的洗滌方式。2023/11/2葉濾機采用的置換洗滌法，洗水與過濾終了時的濾液流過的路徑就完全相同。當(dāng)操作壓強差和洗水與濾液粘度相同時板框過濾機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2023/11/2當(dāng)操作壓強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、過濾壓強差有明顯差異時，所需的過濾時間可進行校正。2023/11/2七、過濾機生產(chǎn)能力的計算過濾機的生產(chǎn)能力：單位時間的濾液體積或濾渣體積，m3/s1、間歇過濾機的計算

一個操作周期時間為生產(chǎn)能力為在間歇過濾機的生產(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。2023/11/2由恒壓過濾時，每次過濾所需時間對于葉濾機,令a為洗滌液量與濾液量的比值，那么洗滌液量為aV，洗滌時間為:2023/11/2以θ對V求導(dǎo)，令，得——生產(chǎn)能力最大的條件如果過濾介質(zhì)阻力可以忽略不計，可得時，生產(chǎn)能力最大。即。如不進行洗滌，則時，生產(chǎn)能力最大。2023/11/2對于板框壓濾機，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板框壓濾機過濾一種含固體顆粒為25kg/m3的懸浮液，在過濾機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，所用濾布與實驗時的相同，料漿溫度為25℃，每次過濾到濾餅充滿濾框為止，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，2023/11/2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。求此板框壓濾機的生產(chǎn)能力，并討論此板框壓濾機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xkg,水的密度按1000kg/m3考慮。x=518kg2023/11/21m3濾餅中固相顆粒質(zhì)量為1930-518=1412kg設(shè)每1m3濾液中含水ykg

y=991.5kg

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:

2023/11/2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2023/11/2洗滌液體積生產(chǎn)能力2023/11/2根據(jù)獲得最大生產(chǎn)