流體通過(guò)顆粒層的流動(dòng)_2015_2

1、 過(guò)濾操作的原理過(guò)濾是在外力作用下，使懸浮液中的液體通過(guò)多孔介質(zhì)的孔道，而固體顆粒被截留在介質(zhì)上，從而實(shí)現(xiàn)固液分離的操作。其中多孔介質(zhì)稱(chēng)為過(guò)濾介質(zhì)，所處理的懸浮液稱(chēng)為濾漿。濾漿中被過(guò)濾介質(zhì)截留的固體顆粒稱(chēng)為濾渣或?yàn)V餅，濾漿中通過(guò)濾餅及過(guò)濾介質(zhì)的液體稱(chēng)為濾液。實(shí)現(xiàn)過(guò)濾操作的外力可以是重力、壓力差或者是慣性離心力，在生產(chǎn)中應(yīng)用最多的是以壓力差為推動(dòng)力的過(guò)濾。 過(guò)濾方式 （1）濾餅過(guò)濾 在過(guò)濾時(shí)固體物質(zhì)沉積于介質(zhì)表面而形成一個(gè)濾渣層，稱(chēng)為濾餅。不斷增厚的濾餅才是真正有效的過(guò)濾介質(zhì)。 過(guò)濾方式 (2)深層過(guò)濾 固體顆粒并不形成濾餅，而是沉積于較厚的過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)部。常用于凈化固體含量很少的懸浮液。 過(guò)濾介

2、質(zhì)織物介質(zhì)天然或合成纖維、金屬絲等編織成的濾布。最小截留5-65mm。多孔性固體介質(zhì)如燒結(jié)金屬（玻璃）等。最小截留1-3mm。堆積介質(zhì)由各種固體介質(zhì)堆積而成。處理含固體量很少的懸浮液。 濾布 濾布 濾餅的性質(zhì) 濾餅的壓縮性濾餅的空隙結(jié)構(gòu)并不因?yàn)椴僮鲏翰畹脑龃蠖冃?，這種濾餅稱(chēng)為不可壓縮濾餅。為減少可壓縮濾餅的阻力，可加入助濾劑以改變?yōu)V餅結(jié)構(gòu)，增加濾餅剛性。 濾餅的洗滌過(guò)濾過(guò)程結(jié)束后用清水或其他液體通過(guò)濾餅流動(dòng)，稱(chēng)為洗滌。 助濾劑（硅藻土） 助濾劑（珍珠巖） 過(guò)濾設(shè)備按產(chǎn)生壓差的不同可分為兩大類(lèi)。1） 壓濾和吸濾如葉濾機(jī)、板框壓濾機(jī)、回轉(zhuǎn)真空過(guò)濾機(jī)等。2） 離心過(guò)濾如三足離心機(jī) 三足離心機(jī) 三足

3、離心機(jī)2 葉濾機(jī)優(yōu)點(diǎn)：過(guò)濾面積大，設(shè)備緊湊，密閉操作，勞動(dòng)條件較好。不必每次循環(huán)裝卸濾布，勞動(dòng)強(qiáng)度也大大降低。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜， 造價(jià)較高。洗滌速率約為過(guò)濾終了時(shí)速率。 板框壓濾機(jī)1-固定頭；2-濾板；3-濾框；4-濾布；5-壓緊裝置 板框壓濾機(jī)洗滌板：三鈕板濾板濾框：二鈕一鈕板非洗板： 板框 板框?yàn)V布 板框2結(jié)構(gòu)：由交替排列的濾板、濾框與夾于板框之間的濾布疊合組裝壓緊而成。板框數(shù)視工藝要求在機(jī)座長(zhǎng)度范圍內(nèi)可靈活調(diào)節(jié)。組裝后，在板框的四角位置形成連通的流道，由機(jī)頭上的閥門(mén)控制懸浮液、濾液及洗液的進(jìn)出。清洗水料漿濾液清洗水漿料閥門(mén)開(kāi) 關(guān)啟 閉洗滌液板框壓濾機(jī)過(guò)濾操作：過(guò)濾階段懸浮液從通道進(jìn)入濾

4、框，濾液在壓力下穿過(guò)濾框兩邊的濾布、沿濾布與濾板凹凸表面之間形成的溝道流下，既可單獨(dú)由每塊濾板上設(shè)置的出液旋塞排出，稱(chēng)為明流式；也可匯總后排出，稱(chēng)為暗流式。非洗滌板洗滌板非洗滌板懸浮液洗滌操作：洗滌液由洗滌板上的通道進(jìn)入其兩側(cè)與濾布形成的凹凸空間，穿過(guò)濾布、濾餅和濾框另一側(cè)的濾布后 排出。洗滌液的行程（包括濾餅和濾布）約為過(guò)濾終了時(shí)濾液行程的2倍，故洗滌速率約為過(guò)濾終了速率的1/2 。洗滌終了，若有必要可引入壓縮空氣使濾餅脫濕后再折開(kāi)過(guò)濾機(jī)卸出濾餅，結(jié)束一次過(guò)濾操作。然后清洗、整理、重新組裝、準(zhǔn)備下一次操作。非洗滌板洗滌板非洗滌板洗滌液洗出液板 框 板 框 板 板框壓濾機(jī)操作簡(jiǎn)圖 明流和暗流濾

5、液的排出形式有明流和暗流兩種。 板框壓濾機(jī)的規(guī)格我國(guó)已有板框壓濾機(jī)系列標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)定代號(hào)，如BMS20/63525，其中B表示板框壓濾機(jī)，M表示明流式（若為A，則表示暗流式），S表示手動(dòng)壓緊（若為Y，則表示液壓壓緊），20表示過(guò)濾面積為20m2，635表示濾框邊長(zhǎng)為635mm的正方形，25表示濾框的厚度為25mm。 過(guò)濾過(guò)程計(jì)算懸浮液含固量的表示方法有兩種，即質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（kg固體/kg懸浮液）和體積分?jǐn)?shù)f （m3固體/m3 懸浮液）。rp -固體顆粒的密度，r - 濾液的密度f(wàn) =wr pw / r p + (1- w)r 過(guò)濾過(guò)程計(jì)算設(shè)體積為V懸的懸浮液過(guò)濾后得體積為V的濾液和厚度為L(zhǎng)、過(guò)濾面積

6、為A、空隙率為e的濾餅。VV懸L總量衡算：固體物量衡算：V懸f = LA(1- e )(2)V 懸 = V + LA(1) 物料衡算將（1）式代入（2）式，可得： (V + LA)f = LA(1-e )整理得：L = fV1- e -fAV懸f = LA(1- e )(2)V 懸 = V + LA(1) 物料衡算（2）設(shè)通過(guò)單位過(guò)濾面積的累計(jì)濾液總量為q，則 q=V/A一般懸浮液中顆粒的體積分?jǐn)?shù)f較濾餅空隙率e小得多。L = fq1- eL = fq1- e -fL = fV1- e -fA 例題3-1實(shí)驗(yàn)室中過(guò)濾質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1的懸浮液，取濕濾餅100 g經(jīng)烘干后得干固體質(zhì)量為55 g。固

7、體顆粒的密度為3850 kg/m3，過(guò)濾在20oC及壓差0.05 MPa 下進(jìn)行。試求：（1） 懸浮液中顆粒的體積分?jǐn)?shù)f（2） 濾餅的空隙率e（3） 每m3濾液所形成的濾餅體積。L = fV1- e -fA 解答100g濕濾餅中固體體積V：固濕濾餅中水的體積V：水濾餅空隙率：LA =f= 0.132m3/ m3V1- e -f餅濾液L = fV1- e -fAe =V水= 0.759V水 + V固（100 - 55）10-3-53V水 =1000= 4.510m5510-3-53V固 =3850= 1.4310mf =wr p= 0.0281w / r p + (1- w)r 過(guò)濾速率過(guò)濾速率

8、 u 定義為單位時(shí)間、單位過(guò)濾面積所得的濾液量過(guò)濾操作時(shí)液體在濾餅空隙中的流動(dòng)多處于康采尼公式適用的低雷諾數(shù)范圍內(nèi)。dqe 31DPu =dt(1- e )2 a25mLDP= (1- e )2 a2KmuLe 3u =dV= dqAdtdt 過(guò)濾速率（2）r 反映了濾餅的特性，稱(chēng)為濾餅的比阻。dq =DPdtrmfq1e 3令=r5(1- e )a2dq =e 31 DP=e 3 1 DPdt(1- e )a25mfq5(1- e )a2mfq將L = fq代入上式，可得1- edqe 31DPu =dt(1- e )2 a25mL 過(guò)濾速率（3）過(guò)濾介質(zhì)的阻力的大小可看作是通過(guò)單位過(guò)濾面積

9、獲得某當(dāng)量濾液量qe所形成的虛擬濾餅的阻力。dq =DP1=DP2=DP1 + DP2dtrmfqrmfqermfq + rmfqedq =DPdtrmfq過(guò)濾速率 = 過(guò)程的推動(dòng)力（DP過(guò)程的阻力（rmfq 過(guò)濾速率（4） 設(shè)過(guò)濾的總壓差為 DP上式稱(chēng)為過(guò)濾速率基本方程。它表示某一瞬時(shí)的過(guò)濾速率與物系性質(zhì)、操作壓差及該時(shí)刻以前的累計(jì)濾液量之間的關(guān)系。q = VA2dV=KAdt2(V +Ve )dq =Kdt2(q + qe )令K = 2DPrmfdq =DP1 + DP2=DPdtrmfq + rmfqermf(q + qe ) 過(guò)濾常數(shù)K值與懸浮液的性質(zhì)及操作壓差有關(guān)。對(duì)指定的懸浮液，

10、只有當(dāng)操作壓差不變時(shí)K值才是常數(shù)。常數(shù)r反映了濾餅的特性，稱(chēng)為濾餅的比阻。其數(shù)值大小可反映過(guò)濾操作的難易程度。式中r0、s均為實(shí)驗(yàn)常數(shù)。s稱(chēng)為壓縮指數(shù)。對(duì)于不可壓縮濾餅，s=0。表明不可壓縮濾餅的比阻 r 僅取決于懸浮液的物理性質(zhì)。r = r DP s0K = 2DPrmf 間歇過(guò)濾的濾液量和過(guò)濾時(shí)間的關(guān)系將上式積分，可求出過(guò)濾時(shí)間t與累計(jì)濾液量q之間的關(guān)系。過(guò)濾可采取不同的操作方式，濾餅性質(zhì)也不相同（可壓縮或不可壓縮），故上式積分須視具體情況進(jìn)行。過(guò)濾過(guò)程的典型操作方式有兩種：一是在恒壓差、變速率的條件下進(jìn)行，稱(chēng)為恒壓過(guò)濾；一是在恒速率， 變壓差的條件下進(jìn)行，稱(chēng)為恒速過(guò)濾。dq =Kdt2(

11、q + qe ) 恒速過(guò)濾方程 恒速過(guò)濾V 2 + VV= KA2te2q2 + qq= K te2q =Kt2(q + qe )dq =K= const. dt2(q + qe ) 恒壓過(guò)濾 恒壓過(guò)濾恒壓過(guò)濾下，K為常數(shù)。V 2 + 2VV= KA2teq2 + 2qq= Kteq=qt =t Kq=0 (q + qe )dq = t =02 dtdq =K (q + q )dq = K dt dt2(q + q )e2e 恒壓過(guò)濾若在恒壓過(guò)濾下之前，已在其他條件下過(guò)濾了一段時(shí)間t1，并獲得了濾液量q1。(V 2 -V 2 ) + 2V (V -V ) = KA2 (t -t )1e11(q

12、2 - q2 ) + 2q (q - q ) = K(t -t )1e11q=qt =tKq=q (q + qe )dq = t =tdt112(q + q )dq = K dte2 過(guò)濾常數(shù)K的測(cè)定恒壓過(guò)濾下：不同的過(guò)濾時(shí)間t，記取單位過(guò)濾面積所得的濾液量q。t=1 q + 2 qe qKKq2 + 2qq= Kte 恒速和恒壓過(guò)濾若整個(gè)過(guò)濾過(guò)程都是在恒速條件下進(jìn)行，在操作后期壓力會(huì)很高，可能引起過(guò)濾設(shè)備泄露或動(dòng)力設(shè)備超負(fù)荷。若整個(gè)過(guò)濾過(guò)程都是在恒壓條件下進(jìn)行，則過(guò)濾剛開(kāi)始時(shí)，濾布表面無(wú)濾餅層，過(guò)濾阻力較小，較高的壓力會(huì)使細(xì)小的顆粒通過(guò)介質(zhì)而使濾液渾濁，或阻塞介質(zhì)孔道而使阻力增大。 先恒速后恒壓過(guò)濾裝置實(shí)際過(guò)濾操作中多采用先恒速后恒壓的復(fù)合式操作方式。采用正位移泵，過(guò)濾初期維持恒定速率，泵出口表壓強(qiáng)逐漸升高。若經(jīng)過(guò)t時(shí)間（獲得體積VR的濾液）后，表壓力達(dá)到能使支路閥自動(dòng)開(kāi)啟的給定數(shù)值，此 時(shí)支路閥開(kāi)啟，開(kāi)始有部分料漿返回泵的入口，進(jìn)入壓濾機(jī)的料漿流量逐漸減小，而壓濾機(jī)入口表壓力維持恒定。這后一階段的操作即為恒壓過(guò)濾。 例題20oC恒壓過(guò)濾某種懸浮液，操作壓差為9.81103Pa。懸浮液中固相體積分?jǐn)?shù)為1%，固相為直徑0.1mm的 球形顆粒，此操作壓力差下過(guò)濾，可得空隙率為0.6 的濾餅，假設(shè)濾餅不可壓縮，濾液的粘度跟清水相同。試求：（1） 過(guò)濾常數(shù)K（2） 若將操作壓強(qiáng)增大