第七章 过滤.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章 过滤,过滤,利用多孔介质构成的障碍场从流体中分离固体颗粒的过程。,原理,在推动力的作用下，迫使含有固体颗粒的流体通过多孔介质，而固体颗粒则被截留在介质上，从而达到流体与固体分离的目的。,图,7-1,过滤过程,7.1,颗粒床层的几何特性,颗粒床层是由固体颗粒堆积而成的，床层中空隙所形成的流体通道细小、曲折、不规则，很难用数学确切地描述，只能宏观地、统计地描述。,流体通过颗粒床层的流动性时与颗粒床层的下列几何特性有关。,（,1,）床层的空隙率：单位体积床层中的空隙体积，其定义式为：,（,7-1,）,空隙率愈小，颗粒床层愈密，对流体的阻滞作用愈大，一般为,0.350.7,，,（,2,）床层的比表面积,式中,某一直径范围的颗粒的平均直径；,某一直径范围的颗粒数。,又根据颗粒体积面积平均直径的定义,:,可知：。,该式表明颗粒的比表面积与颗粒的平均粒度 成反比，因此颗粒的比表面积反映了颗粒的粒度大小。,(7-2),忽略因颗粒相互接触而减少的裸露表面，则床层的比表面积 与颗粒的比表面积 的关系式为：,床层的比表面积 主要与颗粒尺寸和堆积状态有关，颗粒尺寸愈小，床层的比表面积愈大。,（,3,）床层的自由截面：颗粒床层中某一单位床层截面上空隙所占的截面即流体能够自由通过的那部分截面称为床层的自由截面。对于各向同性的颗粒床层，床层自由截面的数值等于床层的空隙率 。,(7-3),（,4,）,床层的当量直径：对流体在床层空隙中的流动过程，目前比较通用的办法是用简化的流动模型代替床层内的真实流动过程，即将床层看成由许多小通道组成的管束，如图,7-2,所示。认为流体流过颗粒床层的阻力与通过这些小通道的阻力相等。床层的简化模型为：,图,7-2,实际床层（,a,）与简化模型（,b,）的对比,7.2,过滤的基本概念和理论,7.2.1,过滤的基本概念,7.2.1.1,过滤过程,过滤过程所用的基本构件是具有微细孔道的过滤介质。要分离的混合物置于过滤介质一侧，在流动推动力的作用下，流体通过过滤介质的孔道流到介质的另一侧，而流体保的颗粒被介质截留，从而实现了流体与颗粒的分离。,一般，过滤在悬浮液的分离中用得更多些，所以本节侧重讨论液体非均相混合物的分离，但是过滤悬浮液的基本理论对于气体非均相混合物质的过滤也是适用的。,7.2.1.2,过滤介质,过滤介质是滤饼的支承物，作为过滤介质的性质，首先是流体阻力要小，这样投入较少的能量就可以完成过滤分离。其次，细孔不容易被分离颗粒堵塞或者即使堵塞了也能简单清除，另外介质上的滤饼要求能够容易剥离。一般情况下过滤介质应具备下列条件：,1,）多孔性。提供的合适孔道既使液体通过又对流体的阻力小，又能截住要分离的颗粒。,2,）具有化学稳定性。如耐腐蚀性、耐热性等。,3,）足够的机械强度，使用寿命长。因为过滤要承受一定的压力，且操作中拆装、移动频繁。,7.2.1.3,过滤的分类,为了适应不同分离对象的不同分离要求，过滤方法和设备是多种多样的，为了更好掌握过滤技术，有必要对过滤进行适当分类。,(1),根据过程的机理分为滤饼过滤与深层过滤,1,）滤饼过滤：,图,7-4,滤饼过滤,2,）深层过滤：深层过滤应用砂子等堆积介质作为过滤介质，介质层一般较厚，在介质层内部构成长而曲折的通道，通道的尺寸大于颗粒粒径，当颗粒随流体进入介质的孔道时，在重力、扩散和惯性等作用下，颗粒在运动过程中趋于孔道壁面，并在表面力和静电作用下附着在壁面上而与流体分开。如图,7-5,所示。,图,7-5,深层过滤机理,（,2,）按促使流体流动的推动力，分为重力过滤、压差过滤和离心过滤,2,）压差过滤：这种过滤用得最普遍液体和气体非均相混合物都可以用。,1,）重力过滤：悬浮液的过滤可以依靠液体的位差使液体穿过过滤介质流动，例如不加压的砂滤净水装置。由于位差所能建立的推动力不大，这种过滤用得不多。,3,）离心过滤：利用使滤浆旋转所产生的惯性离心力使滤液流过饼与过滤介质，从而与颗粒分离。离心过滤能建立很大的推动力，得到很高的过滤速率。同时，所得的滤饼中含液量很少，所以它的应用也很广泛。以离心力为推动力的过滤一般划为离心分离。,（,3,）按操作方式分为间歇过滤和连续过滤,。,间歇过滤时固定位置上的操作情况随时间而变化，连续过滤时在固定位置上操作情况不随时间而变，过滤过程的各步操作在不同位置上进行。间歇过滤与连续过滤的这一差别决定了它们的设计计算方法的不同。,7.2.1.4,助滤剂,助滤剂是一种坚硬而粉状或纤维状的小颗粒，它的加入可以形成结构疏松，而且几乎是不可压缩的滤饼。适于作助滤剂的物质应能较好地悬浮在滤浆中。颗粒大小合适，并能在过滤介质上形成一个薄层。常用作助滤剂的物质有硅藻土、珍珠岩粉、石炭粉、石棉粉、纸浆粉等。,助滤剂的施用方法有两种：,1,）用助滤剂配成悬浮液，在正式过滤前用它进行过滤。,2,）将助滤剂混在滤浆中一起过滤，这种方法得到的滤饼可压缩性减小、孔隙率增大，有效地降低了过滤阻力。,但必须指出，使用助滤剂进行过滤一般是以获得洁净液体为目的的，因此助滤剂中不能含有可溶于液体的物质。,7.2.2,过滤的基本方程,7.2.2.1,过滤过程的主要操作与设备参数,1.,处理量：以处理的悬浮液流量或分离得到的纯净的滤,液,（,m,3,/s,）表示。,2.,过滤的推动力：可以是重力、压差或离心力，这里讨论以压差,为推动力的情况。,3.,过滤面积：过滤面积,A,（,m,2,）是表示过滤机大小的参数，是过滤设备设计计算的主要项目。,4.,过滤速度与过滤速率：过滤速度是单位时间通过单位过滤面积的滤液量，单位为,m/s,，即,7.2.3,过滤的基本理论,人们对滤饼过滤的研究始于十九世纪初但对过滤速率的理论描述却是到了十九世纪中期。根据,Darcy,定律及,Poiseuille,方程，得到过滤速率,d,V,/,A,d,t,的半经验模型：,（,7-5,）,式中,过滤面积；,过滤压强差；,滤液粘度；,滤饼厚度；,渗透系数。,本世纪,30,年代，,Camman,和,Ruth,引入了压缩渗透性实验进行过滤的理论分析从而开始了滤饼内部过滤机理的分析和研究。,Ruth,通过对滤饼阻力的大量研究，提出了如下过滤基本方程：,（,7-6,）,式中,过滤介质阻力；,滤饼比阻,(Ruth,平均比阻,),；,滤液的密度；,滤液体积；,料浆中的固体浓度,kg/kg,；,滤饼的湿干质量比；,滤饼内的干固体质量。,7.2.4,滤饼的可压缩性,“滤饼可压缩性”是指滤饼在外加压力的作用下被压缩变形，这个概念的提出已有很长时间了滤饼研究中，,F,M,Filler,和白户纹平等学者作出了很大贡献他们认为滤液穿过可压缩性滤饼的速度随孔隙度的改变而变化。在滤饼形成过程中固体颗粒和流体的相对运动是产生这种结果的主要原因。这种现象随着固体物料浓度的增加而更加明显，尤其是物料的体积浓度高于,10,时。,对于不可压缩滤饼，由表,7-1,可知，粒径,O.37m,增大到,0.67,m,，压力从,34.47kPa,上升到,137.89kPa,，孔隙率和滤饼比阻值变化不大。,表,7-1,不可压缩滤饼孔隙率及滤饼比阻和压力的关系,粒度（,m,）,压力（,kPa,）,孔隙率,(,),滤饼比阻,(1010m/kg),测量值,计算值,0.37,34.47,0.393,26.5,11.97,0.37,137.89,0.416,26.7,9.6,0.67,34.47,0.444,5.20,2.43,0.67,137.89,0.402,5.25,3.52,对于可压缩物料滤饼比阻随着操作压力上升变化较大。一般用下式表示：,或,（,7-15,）,滤饼的压缩指数是物性参数之一，需通过实验测定，滤饼的压缩指数,s,越大，说明滤饼越容易压缩。几种典型物料的压缩指数值见附表,7-2,表,7-2,几种物料的压缩指数值,物料可根据所形成滤饼的压缩指数,s,进行分类,s,1,，高可压缩性物料；,0.5,s,1,，中等可压缩性物料；,s,0.5,低可压缩性物料。,物料,硅藻土,碳酸钙,钛白（絮凝）,高岭土,滑石,粘土,硫酸锌,氢氧化铝,s,0.01,0.19,0.27,0.38,0.51,0.56,0.6,0.69,0.9,7.2.5,过滤的基本方程式,7.2.5.1,清洁的过滤介质,在开始进行间歇式滤饼过滤时，因为在介质表面尚未形成滤饼，由于过滤介质中的孔隙通常很小，滤液的流速也低，所以几乎总是处于层流条件下，仿照式（,7-15,）可以写出滤液流过过滤介质时的过滤速度关系式：,（,7-16,）,（,7-17,）,式中,滤液通过过滤介质时的压降，,Pa,；,过滤介质的比阻；,过滤介质的厚度，,m,；,过滤介质的阻力；,与过滤介质阻力等效的假想干固体滤饼质,量，,假想滤液体积，,m,3,.,其余参数同式（,7-15,）。,7.2.5.2,液体通过滤饼层的阻力,滤液通过表面形成滤饼的过滤介质时，滤液先后受到两个阻力，一个是过滤介质的阻力，另一个是滤饼的阻力，通常滤饼床层和过滤介质的面积相同，故利用加比定律将式（,7-13,）和式（,7-16,）合并成：,式中,（,7-18,）,（,7-19,）,（,7-20,）,7.2.6,过滤的基本方程式,过滤基本方程式是描述过滤过程的一个数学模型。它表达了在过滤过程中其瞬时过滤速率与推动力、滤饼结构的特征值以及滤液物性等因素的关系。过滤机的工艺设计、操作控制、过程强化发及比例放大等，都是以过滤基本方程为根据的。,若每获得,1m,3,滤液所形成的滤饼体积为,vm,3,，则任一瞬间滤饼厚度,L,与当时已经获得的滤液体积,V,之间的关系应为：,则,（,7-28,）,（,7-29,）,式中,V,e,为过滤介质的当量滤液体积。,值得注意的是，滤液量,V,e,是一个虚拟量，其值取决于过滤介质与滤渣的性质。,将式,7-19,、,7-20,、,7-28,、,7-29,代入上式,7-28,，得,或过滤速率：,将式,7-15,代入上式：,（,7-32,）,（,7-31,）,（,7-30,）,令,则式,7-42,可以写成：,或,及,（,7-35,）,（,7-33,）,（,7-34,）,（,7-36,）,（,7-37,）,（,7-38,）,式中,K,滤饼常数，,m,4,/(Ns),；,q,单位过滤面积所通过的滤液体积，,m,3,/m,2,；,q,e,单位过滤面积上过滤介质的当量滤液体积，,m,3,/m,2,。,式,7-36,称为过滤基本方程式，它是计算过滤过程的最基本的关系式，该式适用于可压缩滤饼及不可压缩滤饼，对不可压缩滤饼，只要取,s,=0,。式中包含了三个过滤常数：,K,、,s,、,q,e,或,v,e,，一般均需实验确定。,7.2.7,过滤过程计算的理论基础,7.2.7.1,恒压过滤,若过滤操作是在恒定压强差下进行的，则称为恒压过 滤。恒压过滤是最常见的过滤方式。,恒压过滤时，滤饼不断变厚致使阻力逐渐增加，但推动力 恒定，因而过滤速率逐渐变小。,若过滤是从过滤介质上没有滤饼的条件下开始。则因为恒压过滤时，压强 差不变，,k,、,A,、,s,、又都是常数，故式（,7-27,）的积分形式为：,（,7-37,）,如前所述，为与过滤介质阻力相对应的虚拟滤液体积，假定获得体积 为的滤液所需的虚拟过滤时间为（常数）则积分的边界条件为：,此处过滤时间是指虚拟时间（）与实际的过滤时间,(t),之和，滤液体积是指虚拟滤液体积（）与实际的滤液体积（,v,）之和，于是：,及,积分上二式，并令,（,7-38,）,得到：,（,7-39,）,及,（,7-40,）,上二式相加可得,:,（,7-41,）,将式（,7-35,）和式（,7-36,）代入上三式，得,(7-42),(7-43),(7-44),如果过滤介质阻力可以忽略，即,=0,或,=0,=0,则式,7-38,和式,7-44,可简化为：,(7-45),(7-46),式中,K,是由物料特性及过滤压强差所决定的常数，、或是 反映过滤介质阻力大小的常数，称介质常数，,K,、和 或 总称为过滤常数。,式,7-38,、,7-44,称为恒压过滤方程式，表示恒压条件下滤液量和过滤时间的关系。可用该方程来计算为获得一定量的滤液（或滤饼）所需要的过滤时间。,7.2.7.2,恒速过滤,过滤设备（如板框压滤机）内部空间的容积是一定的，当料浆充满此空间后，供料的体积流量就等于滤液流出的体积流量，即过滤速度。,恒速过滤时的过滤速度为,所以,或,(7-47),式中,恒速阶段的过滤速度，,m/s,。,对于不可压缩滤饼，根据式（,7-47,）可写出：,又,在一定条件下，式中 、及 均为常数，仅及随而变化，于是得到：,所以,(7-48),或,式中,恒速阶段的过滤速度，,m/s,。,对于不可压缩滤饼，根据式（,7-48,）可写出：,在一定条件下，式中 、,r,、,v,、,U,r,及,Q,e,均为常数，仅 及,q,随,t,而变化，于是得到：,式,7-49,表明，对不可压缩滤饼进行恒速过滤时，其操作压强差随过滤时间成直线增高。所以，实际上很少采用把恒速过滤进行到底的操作方法，而是采用先恒速后恒压过滤的复合式操作方法。,及,令,则上式可写成,(7-49),7.2.7.3,先恒速后恒压过滤,这种复合式的装置如图,7-6,所示。,由于采用正位移泵，过滤初期维持恒定速度，泵出口表压强逐渐升高。经过时间后，获得体积为的滤液，若此时表压强恰已升至能使支路阀自动开启的给定数值，则开始有部分料浆返回泵的入口，进入压滤机的料浆流量逐渐减小，而压滤机入口表压强维持恒定。后阶段的操作即为恒压过滤。,图,7-6,先恒速后恒压的过滤装置,1-,正位移泵；,2-,支路阀；,3-,过滤机,按操作方式分,:,间歇式过滤机,连续式过滤机,按过滤推动力分,:,真空式,加压式,重力式（数量较少）,除此之外还有过滤机，,本节不作介绍,.,7.3,过滤设备,工业生产中需要分离的悬浮液的性质有很大的差异，原料处理和过滤目的也各不相同，为适应不同的要求，过滤设备的形式也是多种多样的。,过滤设备的分类,:,7.3.1,重力过滤机,作为重力式过滤的代表例子有自来水厂用慢速砂滤池，图,7-1,是它的断面图。过滤速度是每日,45m,，水被滤过，而水中所含有机、无机的固体微粒会在砂子表面作为饼层堆积，这种饼层称之为过滤膜，,12,个月后，膜的增厚使过滤速度大幅下降，这时需停止图,7-1,操作，把此膜与,12m,的砂层一并铲掉，恢复原有的过滤速度。,图,7.1,自来水厂用慢速砂滤池的断面图（单位：,mm,）,7.3.2,加压过滤机,7.3.2.1,板框式压滤机,板框式压滤机是加压过滤机的代表，历史最久，目前仍广泛在使用。如图所示,。,7.3.2.2,加压叶滤机,加压叶滤机也是工业上应用较为广泛的加压过滤机，下图为较为常见的垂直滤叶的加压叶滤机简图。,图,9-23,加压叶滤机,7.3.3,带式压榨机,半流动性或无流动性的固相混合物通过缩小其体积实现固液分离的机械称为压榨机过滤机，由于它以压榨为主的，因此我们常将此过滤机并入加压过滤机一类。,过滤操作和压榨操作的区别在于：前者的滤浆必须具有流动性，可用泵输送；后者的滤浆一般用泵输送较为困难，而且压榨比过滤可获得含液量更低的滤饼。在许多情况下，过滤操作所形成的滤饼需要进一步进行压榨脱液，因此压榨脱液可作过滤操作的再处理。,图,9-24 S,型带滤机,S,型带滤机,7.3.4,真空过滤机,转筒真空过滤机是工业上应用最广的一种连续操作的过滤设备，它是依靠真空系统造成的转筒内外的压差进行过滤的，下图是整个装置的示意图。,转筒真空过滤机装置示意图,7.4,过滤计算,7.4.1,滤饼洗涤计算,在某些过滤过程中为了回收滤饼，中残留的滤液或者净化构成滤饼的颗粒，在过滤结束后，可用某种流体对滤饼进行洗涤。如果滤液为水溶液，一般就用清水洗涤。,洗涤过程计算的内容主要是确定使用一定量洗涤液，所需的洗涤时间，为此中心问题是确定洗涤速度。,洗涤速度是单位时间通过单位洗涤面积的洗涤液量，用,洗涤速率是单位时间通过的洗涤液量，用,表示,表示,下标,表示洗涤操作,。,(7-6-1),(7-6-2),因为洗涤是在过滤终了以后进行的，所以洗涤速度和洗涤速率直接与过滤终了时的状态有关，也就是说与过滤终了时的过滤速度和过滤速率有关。根据过滤的基本方程式，过滤终了时的过滤速度为：,式中下标,E,表示过滤终了时刻,(7-6-3),对于叶滤机，洗涤液走的路径与过滤终了时滤液走的路径完全相同，洗涤速度与过滤终了时的速度的差别仅仅由于操作压强差和洗涤液粘度与滤液粘度不同所引起的。如果操作压强差和洗涤液与滤液的粘度均相同，则,(7-6-4),(7-6-5),如果操作压强差和洗涤液的粘度不同，则可以根据它们的变化应用式,(7-5-3),，由过滤终了时的过滤速度计算洗涤速度。,板框压滤机采用横穿洗涤法，洗涤时洗涤液横穿两层滤布与整个滤框厚度的滤饼，其路径是过滤终了时滤液路径的二倍。因此，在操作压强差和洗涤液与滤液的粘度均相同的条件下，洗涤速度是过滤终了时的过滤速度的一半。,(7-6-6),式中,洗涤液流动截面。,必须强调指出，板框压滤机洗涤时的洗涤面积,是过滤面积,A,的一半，即,因此,A,的一半，即,因此,(7-6-7),由于洗水里不含固相，故洗涤过程中滤饼厚度不变。因而，在恒定的压强差推动下洗涤速率基本为常数。则可根据洗涤水的需用量求洗涤时间,(7-6-8),式中,洗涤水用量,7.4.2,过滤生产能力的计算,间歇式过滤机其生产能力应以一个操作循环为基准进行计算。其操作循环通常包括三个过程：过滤、洗涤和卸装、卸渣、清理等辅助工作。所以每个循环所需时间是这三部分时间之和。,每个循环所需时间，,s,；,每次过滤的时间，,s,；,每次洗涤的时间，,s,；,每个操作循环中拆装、卸饼等辅助操作所需的时间，,s,。,(7-5-9),和 可按前面所介绍的方法确定，需根据过滤机的具体操作情况由经验确定。,求出每个循环所需时间 ，即可根据下式计算生产能力,(7-6-10),过滤机的生产能力,，；,每个操作循环所得的滤液量，,；,在恒压过滤时，每次过滤所需的时间,(7-6-11),对于板框压滤机，如果操作压差和洗涤液与滤液的粘度均相等，则洗涤速率为,(7-6-12),若以 表示洗涤液量 与最终滤液量,V,的比值即,，则由式（,7-5-11,）得洗涤时间为,(7-6-13),所以上式代入式（,7-5-10,）可得,(7-6-14),在一个过滤操作循环中，可认为过滤装置拆卸、整理及重装所占的辅助时间 固定的，与产量关系不大而过滤及洗涤时间则都随产量的增加而增加。在一个循环中，过滤时间应有一个最佳值，使生产能力最大。,将式,7-5-14,微分，并取 则可得到：,(7-6-15),显然满足该式条件时，过滤机的生产能力最大。,如果过滤介质的阻力可以忽略不计，可得,(7-6-17),(7-6-16),也就是说当过滤介质的阻力忽略不计时，过滤时间及洗涤时间之和等于辅助时间时，过滤机的生产能力最大，即,(7-6-18),对于叶滤机等洗涤液路径与滤液路径相同的过滤机，亦可用上述方法求最大生产能力，但是由于洗涤速率与最终过滤速率的关系不同，式,7-5-16,，式,7-5-17,中的 改为,，即,(7-6-20),(7-6-19),