化工原理 過濾

1、化工原理課件 過濾第1頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3 過濾混合物均相混合物：所需分離的物質在同一相中，不能用機械 的方法分離；非均相混合物：具有一個以上的相，可以用機械的方 法分離。相界面兩側的物質性質不同。固體固體：固體混合物固體液體：懸浮液固體氣體：含塵氣體液體氣體：含霧氣體液體液體：乳濁液非均相混合物第2頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1 過濾（Filteration） 3.1.1 概述 過濾是在外力作用下，利用過濾介質使懸浮液中的液體通過，而固體顆粒被截留在介質上，從而實現(xiàn)固液分離的一種單元操作。過濾介質具有多孔結構，可以截留固體

2、物質，而讓液體通過；我們把待過濾的懸浮液成為濾漿（Slurry），而過濾后分離出的固體稱為濾渣或濾餅（Filter cake），通過過濾介質的液體稱為濾液（Filtrate）。 （1）過濾介質（Filter medium）： 過濾介質應具有以下特性：多孔性，足夠的機械強度，盡可能小的流動阻力，耐腐蝕性，耐熱性，易于再生。 工業(yè)上常見的過濾介質：織物介質、堆積介質、多孔固體介質、多孔膜。 第3頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.1 概述 （2）過濾分類： 深層過濾（Deep bed filteration） 濾餅過濾（Cake filteration） 過濾介質懸浮液

3、深層過濾懸浮液濾餅過濾介質濾液濾餅過濾第4頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二 （3）過濾推動力： 重力（漏斗過濾）、壓力（加壓過濾）或真空（抽濾）、離心力（離心過濾）。 （4）濾餅的可壓縮性 （5）助濾劑 助濾劑本身就是一性能良好的過濾介質，是一種堅硬、不規(guī)則的小顆粒，它能形成結構疏松、空隙率大、不可壓縮的濾餅，很大程度改善過濾難度。助濾劑使用方法主要有兩種：混合、預涂。3.1.1 概述第5頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.2 過濾設備 過濾設備按生產(chǎn)壓差的方式不同分成兩大類: 壓濾和吸濾 如葉濾機、板框壓濾機，回轉真空過濾機等； 離心過濾

4、如各種間歇卸渣和連卸渣離心機。第6頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.2 過濾設備（1）板框壓濾機（Plate-and-frame type filter press） 結構與工作原理第7頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.2 過濾設備第8頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.2 過濾設備 流程第9頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.2 過濾設備 特點 優(yōu)點：結構簡單，過濾面積大（100100mm1500 1500mm）而占地省，過濾壓力高（可達1.5MPa），操作靈活，便于用耐腐蝕材

5、料制造，所得濾餅水分含量少，又能充分地洗滌。 缺點：間歇過濾，勞動強度大，適用于中小規(guī)模的生產(chǎn)及有特殊要求的場合。 橫穿洗滌（洗滌液的流通路徑是過濾濾液流通路徑的兩倍，洗滌液的流通截面積為過濾濾液流通截面積的一半；故洗滌速率為過濾終了速率的四分之一）。 第10頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.2 過濾設備（2）葉濾機（Leaf filter） 結構與工作原理： 第11頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.2 過濾設備流程 裝合、過濾、洗滌、卸渣、整理 特點 優(yōu)點：間歇過濾，單位地面所容納的過濾面積大，洗滌充分，生產(chǎn)能力比壓濾機大，機械化程

6、度高，勞動力省，密閉過濾，操作環(huán)境較好。 缺點：構造復雜，造價高，濾餅中粒度差別較大的顆?？赡芊謩e積聚于不同的高度，使洗滌不均勻。 置換洗滌（洗滌液的流通路徑與過濾濾液流通路徑相同，洗滌液的流通截面積與過濾濾液流通截面積相等；洗滌速率與過濾終了速率相等）。 第12頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二（3）轉筒真空過濾機（Rotary vacuum drum filter） 結構與工作原理： 3.1.2 過濾設備第13頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.2 過濾設備第14頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.2 過濾設備流

7、程 過濾、洗滌、吸干、吹松、卸渣特點 優(yōu)點：操作連續(xù)、自動 缺點：設備體積龐大，過濾面積相對較小，過濾、洗滌推動力小，洗滌不充分，適用于處理量大而容易過濾的懸浮液分離。 洗滌方式為置換洗滌。第15頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.3 過濾基本理論3.1.3.1 濾餅層特性 （1）濾餅層空隙率 空隙率反映了濾餅層中固體顆粒的堆積密度； ，顆粒堆積緊密，同樣流量下，阻力；，顆粒堆積疏松，同樣流量下，阻力。 第16頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.3 過濾基本理論（2）濾餅自由截面積分率A0 D dL 將濾餅層轉化為如圖所示的圓環(huán)柱，根據(jù)空

8、隙率和自由截面積分率的定義，有： 第17頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.3 過濾基本理論（3）濾餅比表面積aB和顆粒比表面積 S0第18頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.3 過濾基本理論3.1.3.2 濾液通過濾餅層的流動 流動阻力可用哈根泊謖葉方程表示： 式中 l 濾餅孔道的平均長度，m； u為濾餅孔道中濾液的流速， m/s； de 為孔道的當量直徑，m。 第19頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.3 過濾基本理論將以上關系代入哈根泊謖葉方程： 濾餅兩側的壓力差濾餅的比阻（Lewis Specific

9、filtration resistance） 第20頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.3 過濾基本理論 濾餅的空隙率，r，所以對可壓縮濾餅推動力不同時，比阻也不同；由于濾液流過濾餅而對濾餅中的顆粒產(chǎn)生向前的壓縮力（壓緊力），使得濾餅表面空隙率較大，而內(nèi)部的空隙率較小，阻力較大；因此空隙率、比阻不僅與過濾推動力有關，還與濾餅層的位置有關，它們在濾餅中的不同位置分布是不均勻的。且上式過濾速率只考慮了濾餅的過濾阻力，還未考慮過濾介質的過濾阻力。第21頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.3 過濾基本理論3.1.3.3 過濾基本方程式（1）可壓縮

10、濾餅 當量濾液量，m3 同理當量濾餅層厚度，m 壓縮性指數(shù)第22頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.3 過濾基本理論（2）不可壓縮濾餅 S = 0 比阻的另一種表達方法 定義：無論如何定義，過濾的阻力是不變的，所以： 即比阻（Ruth Specific filtration resistance），m/kg 第23頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.3 過濾基本理論3.1.3.4 恒壓過濾（Constant pressure filtration） 若在過濾過程中保持過濾推動力恒定，那么在過濾初始階段，濾餅還未形成時，過濾阻力小，過濾速率

11、大，隨著過濾的進行，濾餅厚度不斷增大，過濾阻力增大，過濾速率下降；這種過濾方式為恒壓過濾。 若要保證過濾過程的過濾速率恒定，那么在過濾過程中應不斷提高過濾的推動力，這種操作方式為恒速過濾（Constant rate filtration ）。 若過濾過程中壓力和速率均無法恒定則為變壓變速過濾。 第24頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二 恒壓過濾如線（1）所示，壓力恒定，速率不斷下降； 恒速過濾如線（2）所示，速率恒定，過濾壓力不斷提高； 線（5）為系統(tǒng)阻力，包括過濾系統(tǒng)管道阻力和濾餅阻力； 變壓變速過濾，當管道阻力濾餅阻力時，則變壓變速過濾趨向于恒壓過濾，如線（3）所示；

12、當管道阻力濾餅阻力時，則過濾壓力和過濾速率變化明顯，如線（4）所示。 （3）（4）（5）（2）（1）壓力速率3.1.3 過濾基本理論 在工業(yè)應用實際中采用哪種操作方式？恒壓？恒速？先恒速后恒壓？先恒壓后恒速？ 第25頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.3 過濾基本理論令，k與濾液性質、懸浮液濃度、溫度等有關 K稱為過濾常數(shù)，m2/s，與濾液性質、懸浮液濃度、溫度、過濾壓力、壓縮性指數(shù)等因素有關；對一定的懸浮液在恒壓條件下過濾，壓力差、濾液粘度、懸浮液濃度、濾餅比阻、壓縮性指數(shù)等為常數(shù)，即為常數(shù)，那么過濾基本方程為： 第26頁，共49頁，2022年，5月20日，0點4

13、6分，星期二3.1.3 過濾基本理論 e為過濾得到濾液量所花的時間，它與Ve一樣是虛擬量（反映過濾介質阻力的大?。?，積分上式 第27頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.3 過濾基本理論 當過濾介質阻力與濾餅阻力相比較小可以忽略， Le= 0、Ve= 0、e= 0時，令單位過濾面積上所得到的濾液量，m3/m2； 過濾介質阻力不可忽略過濾介質阻力可忽略第28頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.3 過濾基本理論3.1.3.5 過濾參數(shù)的測定（1）過濾常數(shù)（Filtration constant）的測定 過濾常數(shù)與過濾體系、操作條件有關，通常由恒

14、壓過濾實驗測定；其測定方法主要有兩種。 微分法： 用近似代替 第29頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.3 過濾基本理論第30頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.3 過濾基本理論積分法： 第31頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.3 過濾基本理論注意： 在實驗測定過程中微分法測定的是一定時間段內(nèi)時間、濾液量的變化量，而積分法是測定實驗過程中某時刻濾液的總量；微分法在理論上做了近似不如積分法準確； 在實驗過程中要保證最終得到的關系線為直線，也就是過濾常數(shù)恒定，必須注意哪些問題？ 保證、r、c、s、p等參數(shù)即懸浮液

15、體系、溫度、濃度、過濾方式、過濾介質、過濾壓力等在過濾過程中維持恒定； 過濾常數(shù)是在一定過濾壓力下測定的，它能否用于其他過濾壓力的計算呢？ 第32頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.3 過濾基本理論若比阻r與參數(shù)c沒有變化則 若為不可壓縮濾餅則 濾餅多具有可壓縮性，且實驗條件往往與實際操作條件不同如懸浮液的濃度、溫度、壓力等等，所以要將實驗測定的過濾常數(shù)應用于實際生產(chǎn)，必須利用以上各式進行校正；但校正前必須確定壓縮性指數(shù)s。 第33頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.3 過濾基本理論（2）壓縮性指數(shù)（Compressibility coe

16、fficient）的測定 第34頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.3 過濾基本理論 例 擬用一板框壓濾機在3kgf/cm2壓強下過濾某懸浮液，過濾常數(shù)為710-5m2/s ，qe=0.015 m3/m2，現(xiàn)要求每一操作周期得到10m3濾液，過濾時間為0.5h，濾餅不可壓縮，且濾餅與濾液體積比c=0.03 m3/m3 ，求： （1）需要多大過濾面積； （2）如果操作壓力提高至6 kgf/cm2 ，現(xiàn)有一臺板框壓濾機，每個框的尺寸為635 635 25mm，要求每個過濾周期得到的濾液量仍為10m3，過濾時間不超過0.5h，至少需要多少個濾框才能滿足要求。 第35頁，共

17、49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.3 過濾基本理論3.1.3.6 洗滌速率和洗滌時間 （1）洗滌速率 洗滌速率為單位時間的洗滌液用量。在洗滌過程中，濾餅厚度不再增加，故洗滌過程的阻力不變，洗滌速率為常數(shù)。 第36頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.3 過濾基本理論 連續(xù)過濾機和葉濾機 此類過濾機的洗滌方式是置換洗滌，其特點是： 當過濾濾液粘度與洗滌液粘度相等 ，過濾終了壓力與洗滌壓力相等時 ，洗滌速率與過濾終了速率相等： 第37頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.3 過濾基本理論 板框過濾機此類過濾機采用橫穿洗滌方

18、式，其特點是： 同樣比較過濾終了速率和洗滌速率，當過濾濾液粘度與洗滌液粘度相等W =E，過濾終了壓力與洗滌壓力相等pW= p E時，洗滌速率為過濾終了速率的四分之一 ：第38頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.3 過濾基本理論（2）洗滌時間 為了相互區(qū)別，過濾時間用F表示，洗滌時間用W、輔助時間用R表示。洗滌時間為： 式中VW為洗滌液的用量，m3；置換洗滌和橫穿洗滌速率可合并寫成： 置換洗滌 =1橫穿洗滌 =1/4第39頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.3 過濾基本理論討論： 當過濾介質阻力可以忽略時 洗滌速率與洗滌時間計算中置換洗滌

19、=1，橫穿洗滌 =1/4的成立條件？ W =E，pW = pE； 若W E，pW pE，則W如何計算？第40頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.3 過濾基本理論 例 用板框壓濾機過濾某懸浮液，該過濾機共有12個框，框邊長300mm，厚25mm，在過濾開始3min內(nèi)恒速過濾，當壓力升高到392kPa（表壓）后恒壓操作，又經(jīng)過15min濾框被充滿，然后在343kPa（表壓）下洗滌10min，求：在每個操作周期內(nèi)（1）收集到的濾液量；（2）洗滌液用量。 此懸浮液曾在一過濾面積為0.05m2的真空葉濾機內(nèi)進行試驗，試驗在66.66kPa真空度下進行，5min獲得濾液250ml，又過了5min再得到濾液150ml，濾餅不可壓縮，過濾介質阻力在葉濾機和板框壓濾機中相同。 第41頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.4 過濾機的生產(chǎn)能力 生產(chǎn)能力可以以單位時間過濾得到的濾液或濾渣體積量來表示，沒有特別說明情況下以前者表示，Q，m3濾液/h。 （1）間歇過濾機生產(chǎn)能力 F，L，V，但濾液在過濾后期增加量不大而洗滌速率，W、R相應，Q； F，L，V，W、R所占比重， Q。 因此必然存在最佳的過濾時間，使得過濾生產(chǎn)能力達到最大。 第42頁，共49頁，2022年，5月20日，0點46分，星期二3.1.4 過濾機的生產(chǎn)能力