第三章 顆粒與流體之間的相對(duì)流動(dòng)2006-3.ppt

1、過濾介質(zhì): 過濾采用的多孔物質(zhì)； 濾漿: 所處理的懸浮液； 濾液: 通過多孔通道的液體； 濾餅或?yàn)V渣: 被截留的固體物質(zhì)。,以某種多孔物質(zhì)為介質(zhì)，在外力的作用下，使懸浮液中的液體通過介質(zhì)的孔道，而固體顆粒被截留在介質(zhì)上，從而實(shí)現(xiàn)固液分離的單元操作。,第三節(jié)過 濾一、過濾操作的基本概念1 過濾(filtration),4、2 過濾,在食品工業(yè)中，懸浮液過濾應(yīng)用在如下3個(gè)方面： （1）含大量（1%-2%質(zhì)量以上）不溶固體懸浮液的過濾，以將其分離為液體和固體兩部分。如葡萄糖、食用油脫色后濾去活性炭、漂白土的操作。這種過濾主要是依靠在過濾介質(zhì)上逐漸形成的濾餅層，故又稱為濾餅過濾。 （2）從大量有價(jià)值的

2、液體中除去少量不溶性固體的過濾，以生產(chǎn)澄清的液體食品/例如果汁、牛奶、色拉油的過濾等。這種過濾一般不形成濾餅或只形成很薄的濾餅，顆粒進(jìn)入長(zhǎng)而曲折的介質(zhì)孔隙中并借以靜電、表面力附著在孔道的壁面上，稱為深層過濾。 （3）從大量有價(jià)值的液體中除去少量極細(xì)小（小于1m）的微粒的過濾。如從液體食品中除去少量微生物，這種過濾稱為微濾。,濾餅過濾過程：,剛開始：有細(xì)小顆粒通過孔道，濾液混濁。 開始后：迅速發(fā)生“架橋現(xiàn)象”，顆粒被攔截，濾液澄清。 所以，在濾餅過濾時(shí)真正起過濾作用的是濾餅本身，而非過濾介質(zhì)。,過濾的操作基本方式有兩種：濾餅過濾和深層過濾。 2.1 濾餅過濾(cake filtration)：餅

3、層過濾,2 過濾方式,注意：所選過濾介質(zhì)的孔道尺寸一定要使“架橋現(xiàn)象”能夠過發(fā)生。,餅層過濾適于處理固體含量較高的懸浮液。,特點(diǎn)：顆粒(粒子)沉積于介質(zhì)內(nèi)部。,過濾對(duì)象：懸浮液中的固體顆粒小而少。,過濾介質(zhì)：堆積較厚的粒狀床層。,過濾原理：顆粒尺寸 介質(zhì)通道尺寸，顆粒通過細(xì)長(zhǎng)而彎曲的孔道，靠靜電和分子的作用力附著在介質(zhì)孔道上。,應(yīng)用：適于處理生產(chǎn)能力大而懸浮液中顆粒小而且含量少的場(chǎng)合，如水處理和酒的過濾。,2.2 深層過濾(deep bed filtration)：深床過濾,織物介質(zhì)(又稱濾布) 由棉、毛、麻、絲等天然纖維及合成纖維制成的織物，以及玻璃絲、金屬絲等織成的網(wǎng)；,過濾介質(zhì)的分類：,

4、堆積介質(zhì) 由各種固體顆粒（細(xì)砂、硅藻土等）堆積而成， 多用于深床過濾；,多孔固體介質(zhì) 這類介質(zhì)具有很多細(xì)微孔道，如多孔陶瓷、多孔塑料等。多用于含少量細(xì)微顆粒的懸浮液，如白酒等的精濾。,3 過濾介質(zhì),過濾介質(zhì)應(yīng)具有如下性質(zhì)：,過濾介質(zhì)的作用(濾餅過濾)：促使濾餅的形成，并支承濾餅。,（1）多孔性，液體流過的阻力??； （2）有足夠的強(qiáng)度； （3）耐腐蝕性和耐熱性； （4）孔道大小適當(dāng)，能發(fā)生架橋現(xiàn)象。,不可壓縮濾餅：若顆粒由不易變形的堅(jiān)硬固體組成，則當(dāng)壓強(qiáng)差增大時(shí)，濾餅的結(jié)構(gòu)不發(fā)生明顯變化，單位厚度濾餅的流動(dòng)阻力可視作恒定，這類濾餅稱為不可壓縮濾餅。,隨著過濾的進(jìn)行，濾餅的厚度增大，濾液的流動(dòng)阻力

5、亦逐漸增大，導(dǎo)致濾餅兩側(cè)的壓強(qiáng)差增大。濾餅的壓縮性對(duì)壓強(qiáng)差有較大影響。,可壓縮濾餅：若濾餅為膠體物質(zhì)時(shí)，當(dāng)壓強(qiáng)差增大時(shí)，濾餅則被壓緊，使單位厚度濾餅的流動(dòng)阻力增大，此類濾餅稱為可壓縮濾餅。,4 濾餅的壓縮性和助濾劑,助濾劑：對(duì)于可壓縮濾餅，為了使過濾順利進(jìn)行，可以將質(zhì)地堅(jiān)硬而能形成疏松濾餅的另一種固體顆?；烊霊腋∫夯蝾A(yù)涂于過濾介質(zhì)上，以形成疏松餅層，使得濾液暢流，該種顆粒狀物質(zhì)就稱為助濾劑。,常用的助濾劑：硅藻土、珍珠巖、石棉、炭粉等。,助濾劑的基本要求：,1、能形成多孔餅層的剛性顆粒，使濾餅有良好的滲透性及較低的流體阻力。,2、具有化學(xué)穩(wěn)定性。,3、在操作壓強(qiáng)范圍內(nèi)具有不可壓縮性。,對(duì)于顆粒

6、層中不規(guī)則的通道，可以簡(jiǎn)化成由一組當(dāng)量直徑為de的細(xì)管，而細(xì)管的當(dāng)量直徑可由床層的空隙率和顆粒的比表面積來計(jì)算。,二、過濾的基本理論1 濾液通過餅層的流動(dòng),顆粒床層的特性可用空隙率、當(dāng)量直徑等物理量來描述。,空隙率：?jiǎn)挝惑w積床層中的空隙體積稱為空隙率。,式中 床層的空隙率，m3/m3。,式中 顆粒的比表面，m2/m3。,比表面積：?jiǎn)挝惑w積顆粒所具有的表面積稱為比表面積。,2 顆粒床層的特性,濾液通過餅層的流動(dòng)常屬于滯流流型，可以仿照?qǐng)A管內(nèi)滯流流動(dòng)的泊稷葉公式(哈根方程)來描述濾液通過濾餅的流動(dòng)，則濾液通過餅床層的流速與壓強(qiáng)降的關(guān)系為：,式中 u濾液在床層孔道中的流速，m/s； L 床層厚度，m

7、, pc 濾液通過濾餅層的壓強(qiáng)降，Pa；,阻力與壓強(qiáng)降成正比，因此可認(rèn)為上式表達(dá)了過濾操作中濾液流速與阻力的關(guān)系。,在與過濾介質(zhì)相垂直的方向上，床層空隙中的濾液流速u1與按整個(gè)床層截面積計(jì)算的濾液平均流速u之間的關(guān)系為：,上式中的比例常數(shù)K與濾餅的空隙率、顆粒形狀、排列及粒度范圍諸因素有關(guān)。對(duì)于顆粒床層內(nèi)的滯流流動(dòng)，K值可取為5。,哈根-泊謖葉公式(第一章),式中 V 濾液量，m3； 過濾時(shí)間，s； A 過濾面積，m2。,過濾速率為：,任一瞬間的過濾速度為：,過濾速度: 單位時(shí)間內(nèi)通過單位過濾面積的濾液體積， m3/m2s。,過濾速率: 單位時(shí)間內(nèi)獲得的濾液體積，m3/s。,3 過濾速率,R濾

8、餅阻力，1/m, 其計(jì)算式為：,對(duì)于不可壓縮濾餅，濾餅層中的空隙率可視為常數(shù)，顆粒的形狀、尺寸也不改變，因而比表面a 亦為常數(shù)，則有,式中 r濾餅的比阻，1/m2, 其計(jì)算式為：,R=rL,4 濾餅阻力,比阻r,單位厚度濾餅的阻力； 在數(shù)值上等于粘度為1Pas的濾液以1m/s的平均流速通過厚度為1m 的濾餅層時(shí)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)降； 比阻反映了顆粒特性(形狀、尺寸及床層空隙率)對(duì)濾液流動(dòng)的影響； 床層空隙率愈小及顆粒比表面a愈大，則床層愈致密，對(duì)流體流動(dòng)的阻滯作用也愈大。,通常把過濾介質(zhì)的阻力視為常數(shù)，仿照濾液穿過濾餅層的速度方程則可寫出濾液穿過過濾介質(zhì)層的速度關(guān)系式：,式中 pm 過濾介質(zhì)上、下游

9、兩側(cè)的壓強(qiáng)差，Pa； Rm 過濾介質(zhì)阻力，l/m,由于很難劃定過濾介質(zhì)與濾餅之間的分界面，更難測(cè)定分界面處的壓強(qiáng)，在操作過程中總是把過濾介質(zhì)與濾餅聯(lián)合起來考慮。,5 過濾介質(zhì)的阻力,通常，濾餅與濾布的面積相同。所以兩層中的過濾速度應(yīng)相等，則：,上式表明，可用濾液通過串聯(lián)的濾餅與濾布的總壓強(qiáng)降來表示過濾推動(dòng)力，用兩層的阻力之和來表示總阻力。,式中：p 濾餅與濾布兩側(cè)的總壓強(qiáng)差，稱為過濾壓強(qiáng)差。,假設(shè)：厚度為L(zhǎng)e的濾餅產(chǎn)生的阻力與濾布相同，而過程仍能完全按照原來的速率進(jìn)行，則：rLe=Rm,在一定的操作條件下，以一定介質(zhì)過濾一定懸浮液時(shí)，Le為定值；但同一介質(zhì)在不同的過濾操作中，Le值不同。,式中

10、Le過濾介質(zhì)的當(dāng)量濾餅厚度，或稱虛擬濾餅厚度，m。,式中：v 濾餅體積與相應(yīng)的濾液體積之比，無因次。,LA=vV,若每獲得1m3濾液所形成的濾餅體積為vm3，則任一瞬間的濾餅厚度L與當(dāng)時(shí)已經(jīng)獲得的濾液體積V之間的關(guān)系為：,同理，如生成厚度為L(zhǎng)e的濾餅所應(yīng)獲得的濾液體積以Ve來表示，則,式中Ve過濾介質(zhì)的當(dāng)量濾液體積，或稱虛擬濾液體積，m3。,三、過濾基本方程式,注意：在一定的操作條件下，以一定介質(zhì)過濾一定的懸浮液時(shí)，Ve為定值，但同一介質(zhì)在不同的過濾操作中，Ve不同。,上式適用于不可壓縮濾餅。,對(duì)于可壓縮濾餅其比阻r與壓強(qiáng)差有關(guān)。,上式稱為過濾基本方程式，它對(duì)各種過濾情況均適用。,式中 r單位

11、壓強(qiáng)下濾餅的比阻，1/m2 p過濾壓強(qiáng)差，Pa s 濾餅的壓縮性指數(shù)，無因此。一般情況下， s=01。對(duì)于不可壓縮濾餅，s=0。,根據(jù)上兩式可得,r=r(p)s,定義：過濾操作在恒定壓強(qiáng)下進(jìn)行時(shí)稱為恒壓過濾。,濾餅不斷變厚； 阻力逐漸增加； 推動(dòng)力p 恒定； 過濾速率逐漸變小。,過濾操作的兩種典型方式：恒壓過濾和恒速過濾。,特點(diǎn)：,四、恒壓過濾,對(duì)于一定的懸浮液，若、r及v可視為常數(shù)，令,(V+Ve )dV=kA2p1-sd,式中：k 表征過濾物料特性的常數(shù)，m4/（Ns）。,過濾基本方程可寫成：,恒壓過濾方程式的推導(dǎo),積分條件 =0, V=0; =e ,V=Ve; =,V=V,(1)和(2)

12、式都稱為恒壓過濾方程式。,令K=2kp1-s,當(dāng) =0 時(shí)，則V=0,又令 q=V/A，qe=Ve/A,恒壓過濾方程式中的K 稱為過濾常數(shù)，由物料特性及過濾壓強(qiáng)差決定。,(q+qe )2=K(+e) q2+2qqe=K,上兩式也稱為恒壓過濾方程式。,若維持過濾速率恒定，這樣的過濾操作方式稱為恒速過濾。,恒速過濾時(shí)q-（或V- ）關(guān)系為一直線。,q=uR V=uRA,恒速過濾時(shí)的過濾速度為：,五、 恒速過濾,在一定的操作條件下，、r、v、uR、qe均為常數(shù)，故有：,對(duì)不可壓縮濾餅，由過濾基本方程可寫出：,上式表明：對(duì)于不可壓縮濾餅進(jìn)行恒速過濾時(shí)，其壓強(qiáng)差隨過濾時(shí)間成直線增加。所以，在實(shí)踐中很少采

13、用完全恒速過濾的方法。,p=rvuR2+rvuRqe=a+b,先恒速后恒壓過濾是工業(yè)中常用的一種過濾方法。,操作過程： 開始，從0到R 時(shí)，采用恒速過濾，可在阻力還不太高時(shí)獲得較多的濾液。 從R到時(shí)，改為恒壓過濾，以免壓強(qiáng)過高。,六、先恒速后恒壓過濾,由于采用正位移泵，過濾初期維持恒定速率，泵出口表壓強(qiáng)逐漸升高。經(jīng)過R時(shí)間后，獲得體積為VR的濾液，若此時(shí)表壓強(qiáng)恰已升至能使支路閥自動(dòng)開啟的給定數(shù)值，則開始有部分料漿返回泵的入口，進(jìn)入壓濾機(jī)的料漿流量逐漸減少，而濾機(jī)入口表壓強(qiáng)維持恒定。后階段的操作即為恒壓過濾。,積分并將K=2kp1-s 代入得,特別注意：上兩式中V為獲得的總濾液量，而不是恒壓階段

14、獲得的濾液量。,在過濾時(shí)間從0到R 時(shí)，計(jì)算方法與恒速過濾相同。而從時(shí)間R 到 時(shí)，得到的濾液量從VR到V，故積分式為：,幾種操作方式下的過濾方程,上式表明：d/dq與q成直線關(guān)系，直線斜率為2/K，截距為2qe/K,2(q+qe )dq=Kd,(q+qe )2=K (+e ),微分上式得,由斜率=2/K，求出K; 由截距=2qe/K ，求出qe； 由q2+2qqe=K， =0，q=0，求出e= qe2/K。,測(cè)定時(shí)采用恒壓試驗(yàn)，恒壓過濾方程為：,七、過濾常數(shù)的測(cè)定,采用/q代替d/dq，在過濾面積一定時(shí)，記錄下時(shí)間和累計(jì)的濾液量V，并由此計(jì)算一系列q值，然后作圖，求出直線斜率和截距。最后算出

15、過濾常數(shù)K和qe。,注意：橫坐標(biāo)q的取值。,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理,lgK=(1-s)lg(p)+lg(2k),以lg(p)為橫坐標(biāo)，lg(K)為縱坐標(biāo)作直線，從而求出斜率(1-s)，截距l(xiāng)g(2k)，進(jìn)而算出s和k。,K=2kp1-s,濾餅的壓縮性指數(shù)s及物料特性常數(shù)k需在不同壓強(qiáng)差下對(duì)指定物料進(jìn)行試驗(yàn)，求得若干過濾壓強(qiáng)差下的K，然后對(duì)K-p數(shù)據(jù)加以處理，即可求得s 值。,壓縮指數(shù)s的測(cè)定,工業(yè)上使用的典型過濾設(shè)備：,按操作方式分類：間歇過濾機(jī)、連續(xù)過濾機(jī),按操作壓強(qiáng)差分類：壓濾、吸濾和離心過濾,板框壓濾機(jī)（間歇操作） 轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)（連續(xù)操作） 過濾式離心機(jī),八、過濾設(shè)備,結(jié)構(gòu)：濾板、濾框、夾緊機(jī)構(gòu)

16、、機(jī)架等組成。,濾板：凹凸不平的表面，凸部用來支撐濾布，凹槽是濾液的流道。濾板右上角的圓孔，是濾漿通道；左上角的圓孔，是洗水通道。,洗滌板：左上角的洗水通道與兩側(cè)表面的凹槽相通， 使洗水流進(jìn)凹槽； 非洗滌板：洗水通道與兩側(cè)表面的凹槽不相通。,1 板框壓濾機(jī),為了避免這兩種板和框的安裝次序有錯(cuò)，在鑄造時(shí)常在板與框的外側(cè)面分別鑄有一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)小鈕。非洗滌板為一鈕板，框帶兩個(gè)鈕板，框帶兩個(gè)鈕，洗滌板為三鈕板。,板框過濾機(jī),板框過濾機(jī)的操作是間歇式的，每個(gè)操作循環(huán)由裝合、過濾、洗滌、卸渣、整理五個(gè)階段。,過濾過程,1)、裝合： 將板與框按 1-2-3-2-1-2-3的順序，濾板的兩側(cè)表面放上濾布，

17、然后用手動(dòng)的或機(jī)動(dòng)的壓緊裝置固定，使板與框緊密接觸。,2)、過濾： 用泵把濾漿送進(jìn)右上角的濾漿通道，由通道流進(jìn)每個(gè)濾框里。濾液穿過濾布沿濾板的凹槽流至每個(gè)濾板下角的閥門排出。固體顆粒積存在濾框內(nèi)形成濾餅，直到框內(nèi)充滿濾餅為止。,3)、洗滌： 將洗水送入洗水通道，經(jīng)洗滌板左上角的洗水進(jìn)口，進(jìn)入板的兩側(cè)表面的凹槽中。然后，洗水橫穿濾布和濾餅，最后由非洗滌板下角的濾液出口排出。在此階段中，洗滌板下角的濾液出口閥門關(guān)閉。,4)、卸渣、整理 打開板框，卸出濾餅，洗滌濾布及板、框。,在洗液粘度與濾液粘度相近的情況下，且在壓差相同時(shí)，洗滌速率約為過濾終了速率的1/4。,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，占地面積小，過濾面

18、積大。 可根據(jù)需要增減濾板的數(shù)量，調(diào)節(jié)過濾能力。 對(duì)物料的適應(yīng)能力較強(qiáng)，由于操作壓力較高（310kg/cm2 ），對(duì)顆粒細(xì)小而液體粘度較大的濾漿，也能適用。 間歇操作，生產(chǎn)能力低，卸渣清洗和組裝階段需用人力操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，所以它只適用于小規(guī)模生產(chǎn)。 近年出現(xiàn)了各種自動(dòng)操作的板框壓濾機(jī)，使勞動(dòng)強(qiáng)度得到減輕。,板框壓濾機(jī)的特點(diǎn)：,結(jié)構(gòu)：,2 轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)（rotary-drum vacuum filter）,轉(zhuǎn)筒及分配頭的結(jié)構(gòu),工作過程,18格分成6個(gè)工作區(qū) 1區(qū)(17格)：過濾區(qū)； 2區(qū)(810格)：濾液吸干區(qū)； 3區(qū)(1213格)：洗滌區(qū)； 4區(qū)(14格)：洗后吸干區(qū)； 5區(qū)(16格)：吹

19、松卸渣區(qū)； 6區(qū)(17格)：濾布再生區(qū)。,過濾區(qū)(12區(qū))，f 槽; 洗滌區(qū)(34區(qū))，g槽 ; 干燥卸渣區(qū)(56區(qū))，h 槽;,f 槽,h 槽,g 槽,自動(dòng)連續(xù)操作； 適用于處理量大，固體顆粒含量較多的濾漿； 真空下操作，其過濾推動(dòng)力較低(最高只有1atm)，對(duì)于濾餅阻力較大的物料適應(yīng)能力較差。,轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，藉分配頭的作用，能使轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)一周的過程中，每個(gè)小過濾室可依次進(jìn)行過濾、洗滌、吸干、吹松卸渣等項(xiàng)操作。,整個(gè)轉(zhuǎn)筒圓周在任何瞬間都劃分為:,特點(diǎn)：,工作過程,過濾區(qū); 洗滌區(qū); 干燥卸渣區(qū)。,結(jié)構(gòu)：,1.懸筐式離心機(jī)(suspended-basket centrifuge),轉(zhuǎn)鼓(上有小孔，

20、亦稱懸框)； 濾網(wǎng)； 濾布； 機(jī)架。,原理：,由于離心力作用，液體產(chǎn)生徑向壓差，通過濾餅、濾網(wǎng)及濾筐而流出。,3 離心過濾機(jī)（centrifugal filter）,過濾方程及壓力的計(jì)算,采用恒壓過濾方程式：,(q+qe )2=K(+e),A 過濾面積，m2； H 轉(zhuǎn)筒高度，m; R 轉(zhuǎn)筒半徑，m； p 過濾推動(dòng)力，Pa。 r 任意處濾餅半徑，m。,幾種過濾設(shè)備的比較,式中V過濾終了時(shí)所得濾液體積，m3,由恒壓過濾方程知，過濾終了時(shí)的過濾速率為：,洗滌速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)消耗的洗滌液體積。,由于洗滌液中不含固相，洗滌過程中濾餅厚度不變。若在恒壓下洗滌，則它既是恒壓洗滌又是恒速洗滌。,九、過濾機(jī)的生

21、產(chǎn)能力 1 洗滌速率的計(jì)算,若洗滌液粘度和洗滌時(shí)的壓差與濾液粘度和過濾壓差相比差異較大，則應(yīng)校正，校正后的洗滌速率為,若洗滌用的壓差與過濾相同，洗滌液粘度與濾液粘度大致相等：,對(duì)于轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)，洗滌速率與過濾終了速率相等,對(duì)于板框過濾機(jī)，洗滌速率等于過濾終了速率的1/4,生產(chǎn)能力: 單位時(shí)間內(nèi)獲得的濾液體積。,對(duì)于間歇過濾機(jī)，一個(gè)過濾循環(huán)包括過濾、洗滌、卸渣、清理、重裝等步驟。,通常把卸渣、清理、重裝等所用的時(shí)間合在一起稱為輔助時(shí)間D 。,一個(gè)循環(huán)時(shí)間T=+W+D 。其中只有過濾時(shí)間真正用于過濾。,2 間歇過濾機(jī)的生產(chǎn)能力,式中 V 一個(gè)操作循環(huán)內(nèi)所獲得的濾液體積，m3； Q 生產(chǎn)能力，m3/h； T 一個(gè)循環(huán)時(shí)間。 T=+W+D,如果以濾液量Q 表示生產(chǎn)能力，則有,浸沒度 ：轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)的轉(zhuǎn)筒表面浸入濾漿中的分?jǐn)?shù),以轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)為例，轉(zhuǎn)筒在