化工原理講稿(上冊(cè))-應(yīng)化第三章沉降與過濾2課件

第三節(jié)過濾一.過濾的基本概念二.過濾的基本方程式三.過濾設(shè)備及其操作四.過濾計(jì)算一、過濾的基本概念利用重力或在壓力差的作用下，使懸浮液通過多孔性過濾介質(zhì)，將固體顆粒截留，從而實(shí)現(xiàn)固-液分離的單元操作。1.過濾的基本概念濾漿——液固懸浮液，過濾的原料；濾液——過濾后得到的液體產(chǎn)品；濾餅——過濾后得到的固體產(chǎn)品；過濾介質(zhì)—起過濾作用的多孔性的物質(zhì)織物介質(zhì)：最常用的過濾介質(zhì)，工業(yè)上稱為濾布(網(wǎng))。由天然纖維、玻璃纖維、合成纖維或者金屬絲編織而成；可截留的最小顆粒視網(wǎng)孔大小而定，一般在幾到幾十（5～65μm）微米范圍。一、過濾的基本概念多孔膜：由特殊工藝合成的聚合物薄膜，最常見的是醋酸纖維膜與聚酰胺膜。膜過濾屬精密過濾或超濾，可以分離5nm的微粒。一、過濾的基本概念2.過濾方式過濾介質(zhì)為織物、多孔材料或膜等，孔徑可大于最小顆粒的粒徑。過濾初期，部分小顆?？赡軙?huì)進(jìn)入或穿過介質(zhì)的小孔，后因顆粒的架橋作用使介質(zhì)的孔徑縮小形成有效的阻擋。被截留在介質(zhì)表面的顆粒形成濾渣層（濾餅），隨濾餅的形成，真正起過濾介質(zhì)作用的是濾餅，而非過濾介質(zhì)本身，故稱作濾餅過濾。表面過濾(濾餅過濾)：深層過濾：小于介質(zhì)孔隙的顆粒可進(jìn)入到介質(zhì)內(nèi)部，在長而曲折的孔道中被截留并附著于介質(zhì)之上。深層過濾無濾餅形成，主要用于凈化含固量很少（<0.1%）的流體，如水的凈化、煙氣除塵等。過濾介質(zhì)一般為介質(zhì)層較厚的濾床類（如沙層、硅藻土、核桃殼等）。特性：能形成多孔餅層的剛性顆粒，提高濾餅滲透性，減小阻力；一定的化學(xué)穩(wěn)定性；操作壓差的范圍內(nèi)不可壓縮性。應(yīng)用范圍：以獲得濾液為目的時(shí)可考慮加入助濾劑，當(dāng)濾餅作為產(chǎn)品要回收時(shí)則不可用。3.濾餅的壓縮性和助濾劑過濾速率：單位時(shí)間獲得的濾液體積，m3/s4.過濾速率和過濾速度過濾速度：單位時(shí)間內(nèi)通過單位過濾面積的濾液量，m3/（m2·s）,m/s(一)濾液通過濾餅的流動(dòng)實(shí)際流速u∝過濾速度dV/(A·dτ)，流道長l∝濾餅厚度L，孔道的平均直徑d難以測量，故引入比例系數(shù)r，將這些因素統(tǒng)統(tǒng)并入比例系數(shù)r內(nèi)，則：層流流動(dòng)：二.

過濾基本方程式Hagon-Poiseuille⒉濾餅的比阻r：單位：物義：說明：當(dāng)粘度為1Pa·s的濾液以1m3/(m2·s)的過濾速度通過厚度為1m的濾餅層的壓力損失。濾餅不可壓縮：r’－單位壓力差下的濾餅比阻，1/m2；s－濾餅的壓縮性指數(shù)，s≤1。r=f（濾餅結(jié)構(gòu)特性）；濾餅可壓縮：（二）過濾基本方程式過濾介質(zhì)層：認(rèn)為介質(zhì)產(chǎn)生的阻力與厚度為Le的濾餅層產(chǎn)生的阻力相等，引入過濾介質(zhì)的當(dāng)量濾餅厚度Le，則過濾介質(zhì)的阻力=rμLe/A濾餅可壓縮：定義餅液比：則：C＝濾餅體積/濾液體積V，m3餅/m3液過濾基本方程式（二）過濾基本方程式（三）恒壓過濾懸浮液一定，μ、r’、C可視為常數(shù)令：表示懸浮液物性的常數(shù)k----濾餅常數(shù)恒壓過濾，Δp1-s為常數(shù)（三）恒壓過濾（三）恒壓過濾令q=V/A，qe=Ve/A，令─恒壓過濾方程式過濾常數(shù)說明：①(V+Ve)—(τ+τe)為一拋物線；②忽略過濾介質(zhì)的阻力：Ve＝0，qe=0，則過濾基本方程式變?yōu)椋孩踧e、τe稱為介質(zhì)常數(shù)，與K都稱為過濾常數(shù)。例3-7在實(shí)驗(yàn)室中用一片過濾面積為0.1m2的濾葉對(duì)某種顆粒在水中的懸浮液進(jìn)行試驗(yàn)，過濾壓差為67kPa，過濾5min后得濾液1L，又過濾5min得濾液0.6L，若再過濾5min，可再得濾液多少?（四）恒速過濾恒速過濾即dV/dτ為常數(shù)：仍令：注：①K雖仍稱為常數(shù)，但隨壓差△P而變；②恒速過濾很少維持到底，因隨著過濾時(shí)間增加，壓差持續(xù)增大，對(duì)設(shè)備不利。恒速過濾基本方程三、過濾常數(shù)的測定恒壓過濾：(q+qe)2=K(τ+τe)微分：過濾常K和當(dāng)量濾液體積Ve或qe等都由過濾物系的性質(zhì)決定，需由實(shí)驗(yàn)測定?！鳓?△q～q的函數(shù)關(guān)系是以2/K為斜率、2qe/K為截距的直線，實(shí)驗(yàn)測得不同時(shí)刻單位過濾面積的累積濾液量q，即可由上式回歸出K和qe，τe

。四、過濾設(shè)備及其操作按操作的特點(diǎn)按推動(dòng)力來源間歇式過濾機(jī)連續(xù)式過濾機(jī)重力過濾機(jī)加壓過濾機(jī)真空過濾機(jī)離心過濾機(jī)分類3.洗滌操作：置換洗滌：（一）間歇式過濾機(jī)－板框壓濾機(jī)當(dāng)洗液粘度與濾液相同時(shí)，有過濾基本方程式可知：洗滌速率等于過濾終了速率置換洗滌易造成洗液走短路，洗滌效果不好，為了提高洗滌效果，可采用橫穿洗滌。洗滌液洗出液框板框板洗滌板非洗滌板板非洗滌板洗滌液的行程（包括濾餅和濾布）約為過濾終了時(shí)濾液行程的2倍，而流通面積卻為其1/2，故洗滌速率約為過濾終了速率的1/4。洗滌液洗出液框板框板洗滌板非洗滌板板非洗滌板（一）間歇式過濾機(jī)－板框壓濾機(jī)橫穿洗滌濾板和濾框可為鑄鐵、碳鋼、不銹鋼、塑料及木材等，聚乙烯和聚丙烯是目前較為廣泛使用的材料。常用規(guī)格的板框其厚度為25~100mm,邊框長為0.2~1.5m，框數(shù)由生產(chǎn)所需定，由數(shù)個(gè)至上百個(gè)不等。板框壓濾機(jī)的操作壓強(qiáng)一般在0.3~0.8Mpa之間。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單緊湊，過濾面積大并可承受較高的壓差。缺點(diǎn)：間歇式操作，所費(fèi)的裝、折、清洗時(shí)間較長，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率較低。板框式壓濾機(jī)主要用于含固量較多的懸浮液過濾。4.特點(diǎn)：板框壓濾機(jī)的型式：嵌入式濾布的濾板XASL/630-UB系列XAZ/2000-UB系列XAZ/800-UB系（二）葉濾機(jī)由起過濾作用的濾葉和起密閉作用的筒體構(gòu)成，操作為間歇式。濾葉有圓形和矩形等多種形式，由金屬絲網(wǎng)組成的框架上覆以濾布構(gòu)成，使用時(shí)可將多塊平行排列的濾葉組裝成一體插入箱體內(nèi)。1.結(jié)構(gòu)與原理：懸浮液被加壓送入或借真空泵進(jìn)行抽吸，濾液穿過濾布進(jìn)入絲網(wǎng)構(gòu)成的中空部分并匯集于下部總管流出，顆粒則沉積在濾布上形成濾餅，當(dāng)濾餅達(dá)到一定厚度時(shí)停止過濾。視懸浮液的性質(zhì)和操作壓強(qiáng)的大小，濾餅厚度通常在5~35mm之間。過濾結(jié)束后，通入洗滌液對(duì)濾餅進(jìn)行洗滌，洗滌液的行程和流通面積與過濾終了時(shí)濾液的行程和流通面積相同，在洗滌液與濾液的性質(zhì)接近的情況下，洗滌速率約為過濾終了時(shí)速率?？捎谜駝?dòng)或壓縮空氣及清水等反吹卸濾渣。2.操作：優(yōu)點(diǎn)：過濾面積大，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。3.特點(diǎn)：（二）葉濾機(jī)葉濾機(jī)的型式：

NYB系列高效板式密閉過濾機(jī)MYB型全自動(dòng)板式密閉過濾機(jī)SYB系列水平葉片過濾機(jī)WYB系列臥式葉片過濾機(jī)葉濾機(jī)的型式：

（三）連續(xù)式過濾機(jī)－轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)1－轉(zhuǎn)筒；2－濾餅；3－割刀；4－分配頭；5－吸走濾液的真空凹槽；6－吸走洗水的真空凹槽；7－通入壓縮空氣的凹槽；I－過濾區(qū)；II－洗滌脫水區(qū)；III－卸渣區(qū)1.結(jié)構(gòu)與原理：轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)一周，每一個(gè)扇形過濾室依次完成真空過濾、洗滌、和壓縮空氣吹松、刮刀卸料等全部操作，相應(yīng)分為過濾區(qū)、洗滌區(qū)、卸料區(qū)等幾個(gè)不同的工作區(qū)域。轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速多在0.1～3r/min，浸入懸浮液中的吸濾面積約占總表面的30～40%。濾餅厚度范圍大約3～40mm。2.過濾操作：優(yōu)點(diǎn)：連續(xù)進(jìn)料，操作自動(dòng)化，生產(chǎn)能力大，改變轉(zhuǎn)速即可調(diào)節(jié)濾餅厚度。缺點(diǎn)：過濾面積小，設(shè)備投資大，過濾推動(dòng)力有限，濾餅含液量較大，常達(dá)30%。3.特點(diǎn)：五、過濾計(jì)算可以分為設(shè)計(jì)型計(jì)算與操作型計(jì)算兩種類型。（1）設(shè)計(jì)型計(jì)算給定或已知的參數(shù)：過濾時(shí)間τ，濾液量V，△P。計(jì)算目的：求所需要的過濾面積A。（2）操作型計(jì)算已知設(shè)備尺寸和參數(shù)，給定操作條件（或給定生產(chǎn)任務(wù)），核算該過程設(shè)備可以完成的生產(chǎn)任務(wù)（或求取相應(yīng)的操作條件）。操作型計(jì)算均涉及到過濾機(jī)生產(chǎn)任務(wù)即生產(chǎn)能力的問題。（一）板框壓濾機(jī)恒壓過濾計(jì)算⒈生產(chǎn)能力：板框壓濾機(jī)的操作循環(huán)過濾機(jī)單位時(shí)間所獲得的濾液量，Q，m3/s過濾洗滌卸餅、清洗濾布，組裝得到濾液不能得到濾液不能得到濾液生產(chǎn)能力：（一）板框壓濾機(jī)恒壓過濾計(jì)算過濾時(shí)間洗滌時(shí)間輔助時(shí)間一個(gè)操作周期的總時(shí)間在一個(gè)操作周期內(nèi)，過濾時(shí)間τ可根據(jù)過濾設(shè)備的條件及恒壓過濾方程式計(jì)算（一）板框壓濾機(jī)恒壓過濾計(jì)算當(dāng)操作情況及設(shè)備均一定時(shí)，Cl和C2為常數(shù)。輔助時(shí)間τD要視過濾機(jī)和過濾操作情況而定。濾餅的洗滌時(shí)間：由于洗液中不含有固體顆粒，故洗滌過程不再有濾餅生成，洗滌速率（dV/dτ）w不變。洗滌方式置換洗滌橫穿洗滌如果洗液與濾液粘度相同：置換洗滌：洗滌速率與過濾終了速率相同；橫穿洗滌：洗滌速率是過濾終了速率的1/4。置換洗滌時(shí)間：洗液體積為：洗滌時(shí)間：洗滌速率：橫穿洗滌時(shí)間：洗液體積為：洗滌時(shí)間：洗滌速率：說明：①若μW≠μ，△PW≠△P，則應(yīng)進(jìn)行校正：②忽略介質(zhì)阻力：Ve=0，則C2=0：③生產(chǎn)中應(yīng)盡量縮短輔助操作時(shí)間τD以提高生產(chǎn)能力。橫穿洗滌置換洗滌④τ、τW與V有關(guān)，V↑，τ↑，τW↑。V由生產(chǎn)任務(wù)所定。⑤若τ↑→V↑，但濾餅厚度L↑，平均過濾速率↓→Q↓；⑥τ↓→L↓，平均過濾速率↑，τW↓，但V↓，而τD一定且在一個(gè)周期內(nèi)所占比例↑→Q↓。從上面的分析可知，對(duì)恒定過濾每一操作周期中必定存在一最佳的過濾時(shí)間τopt使Q最大。因此存在一個(gè)最佳操作周期。 說明：以生產(chǎn)上常見的橫穿洗滌為例：即欲使生產(chǎn)能力Q為最大，則dQ/dV=02.最佳過濾時(shí)間與最大生產(chǎn)能力：當(dāng)過濾介質(zhì)阻力可忽略不計(jì)時(shí)：不洗滌2.最佳過濾時(shí)間與最大生產(chǎn)能力：結(jié)論（板框壓濾機(jī)）：忽略介質(zhì)阻力，濾餅不洗滌，當(dāng)過濾時(shí)間τ=輔助時(shí)間τD時(shí)，生產(chǎn)能力Q最大；忽略介質(zhì)阻力，濾餅進(jìn)行洗滌，當(dāng)τ+τW=τD時(shí)，生產(chǎn)能力Q最大：若忽略介質(zhì)阻力，濾餅進(jìn)行洗滌，應(yīng)取τ+τW略大于τD。例題3-8某工廠以板框壓濾機(jī)在恒壓下過濾一種懸浮液，濾框?yàn)榉叫?，邊長1m，厚25mm，過濾機(jī)總的過濾面積為30m2，在目前操作情況下，當(dāng)濾框充滿濾餅時(shí)，每m2過濾面積得濾液1.4m3，需要時(shí)間3h，且濾餅未加洗滌。裝卸濾框等輔助時(shí)間為0.67h，設(shè)過濾介質(zhì)的阻力可以忽略，試求：(1)此機(jī)的生產(chǎn)能力。(2)若以1/3濾液體積的洗滌水以橫穿洗滌方式洗滌濾餅，洗滌水的粘度與濾液相同，此機(jī)的生產(chǎn)能力將降低多少?(3)今有人建議將現(xiàn)用濾框厚度減半，其他情況不變，濾餅的洗滌仍以1/3濾液體積的洗滌水進(jìn)行，改裝以后此機(jī)生產(chǎn)能力有何變化。(4)若達(dá)到最大生產(chǎn)能力，濾框厚度應(yīng)為多少？例題2煉油廠潤滑油白土精制車間，用板框壓濾機(jī)分離潤滑油與白土，已知共有22塊濾框。濾框的長和寬均為800mm，過濾壓力差為1.96×105Pa，過濾常數(shù)K=2.5×10-5m2/S。實(shí)驗(yàn)測得懸浮液經(jīng)同樣條件過濾后，濾餅與濾液的體積之比為0.075m3/m3。忽略過濾介質(zhì)阻力，濾餅不可壓縮，清理和組裝每對(duì)框和板需要4min的時(shí)間。試求(1)過濾30min時(shí)所得濾液的體積；(2)若用濾液體積的20%的洗液在相同的壓力下對(duì)濾餅進(jìn)行橫穿洗滌，洗液的粘度與濾液相同，求板框壓濾機(jī)能達(dá)到的最大生產(chǎn)能力是多少？(3)若達(dá)到最大生產(chǎn)能力，濾框厚度應(yīng)為多少毫米？（洗液用量同上）(4)若過濾和洗滌的壓力差降到9.8×104Pa，其他條件不變，最大生產(chǎn)能力為原來的多少？（二）轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)的計(jì)算轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)的特點(diǎn)是連續(xù)過濾，其生產(chǎn)能力Q的計(jì)算也要以一個(gè)操作周期即轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)一周所經(jīng)歷的時(shí)間T為基準(zhǔn)。但全部轉(zhuǎn)鼓面積中只有浸入懸浮液中的那部分面積有濾液通過，屬于過濾面積。浸沒度：設(shè)轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)速為n，以轉(zhuǎn)速n(轉(zhuǎn)/分)勻速旋轉(zhuǎn)的過濾機(jī)，轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)一周所用的時(shí)間為1/n，而轉(zhuǎn)筒任意表面在旋轉(zhuǎn)一周的過程中從進(jìn)入濾漿到離開濾漿的過濾時(shí)間為：＝浸入濾漿的表面積/轉(zhuǎn)筒的總表面積此時(shí)，一臺(tái)總過濾面積為A、浸沒度為、轉(zhuǎn)速為n的連續(xù)式真空過濾機(jī)，與一臺(tái)在同樣條件下操作的過濾面積為A、操作周期為T＝1/n、每次過濾時(shí)間為τ＝

/n的間歇式板框過濾機(jī)是等效的。（二）轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)的計(jì)算由：忽略介質(zhì)阻力：真空過濾機(jī)過濾方程式真空過濾機(jī)生產(chǎn)能力①n↑→Q↑,但τ=/n↓，濾餅太薄，不易從轉(zhuǎn)鼓表面刮下（一般L=3~5mm才易刮下），而且也使轉(zhuǎn)動(dòng)功率消耗增大。合適的轉(zhuǎn)速需根據(jù)具體情況由實(shí)驗(yàn)決定，一般n=0.1~3轉(zhuǎn)/min；②↑→Q↑，但轉(zhuǎn)筒表面洗滌、卸餅等區(qū)域所占的區(qū)域便相應(yīng)減小，過甚時(shí)亦會(huì)導(dǎo)致操作上的困難，一般=30~40%。討論：忽略介質(zhì)阻力：例題3-9某轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)的過濾面積為2m2，轉(zhuǎn)速為1r/min，轉(zhuǎn)筒的浸沒角度為90O(如圖所示)