恒压过滤实验.doc

1实验目的
1.1 熟悉板框压滤机的构造和操作方法。
1.2 通过恒压过滤实验，验证过滤基本理论。
1.3 学会测定过滤常数K、qe、τe及压缩性指数s的方法。
1.4了解过滤压力对过滤速率的影响。
1.5学会有关测量与控制仪表的使用方法。
2.基本原理
过滤是以某种多孔物质作为介质来处理悬浮液的操作。在外力的作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截流下来，从而实现固液分离，因此，过滤操作本质上是流体通过固体颗粒床层的流动，所不同的是这个固体颗粒层的厚度随着过滤过程的进行而不断增加，故在恒压过滤操作中，其过滤速率不断降低。
影响过滤速度的主要因素除压强差△p，滤饼厚度L外，还有滤饼和悬浮液的性质，悬浮液温度，过滤介质的阻力等，故难以用流体力学的方法处理。
比较过滤过程与流体经过固定床的流动可知：过滤速度即为流体通过固定床的表现速度u。同时，流体在细小颗粒构成的滤饼空隙中的流动属于低雷诺数范围，因此，可利用流体通过固定床压降的简化模型，寻求滤液量与时间的关系，运用层流时泊唆叶公式不难推导出过滤速度计算式：
（1）
式中， Δp——过滤的压强差，Pa；
K’——康采尼系数，层流时，K=5.0；
ε——床层的空隙率，m3/m3；
μ——过滤粘度，Pa.s；
a ——颗粒的比表面积，m2/m3；
u ——过滤速度，m/s；
L ——床层厚度，m。
由此可以导出过滤基本方程式：
（2）
式中，V——滤液体积，m3
τ——过滤时间，s；
A——过滤面积，m2；
S——滤饼压缩性指数，无因次。一般情况下，S=0~1，对于不可压缩滤饼，S=0；
R ——滤饼比阻，1/m2，r=5.0a2（1-ε）2/ε3
r’——单位压差下的比阻，1/m2
ν ——滤饼体积与相应的滤液体积之比，无因次；
Ve——虚拟滤液体积，m3
在恒压过滤时，对（2）式积分可得：

式中，q ——单位过滤面积的滤液体积，m3/m2；
qe——单位过滤面积的虚拟滤液体积，m3/m2；
τe——虚拟过滤时间，s；
K——滤饼常数，由物理特性及过滤压差所决定，m2/s
K，qe，τe三者总称为过滤常数。利用恒压过滤方程进行计算时，必须首先需要知道K, qe, τe,它们只有通过实验才能确定。
对上式微分得：

该式表明以dτ/dq为纵坐标，以q为横坐标作图可得一直线，直线斜率为2/K，截距为2 qe /K。在实验测定中，为便于计算，可用增量替代，把上式改写成

在恒压条件下，用秒表和量筒分别测定一系列时间间隔及对应的滤液体积，由此算出一系列在直角坐标系中绘制的函数关系，得一直线。由直线的斜率和截距便可求出K和qe，再根据τe=qe/K，求出τe。
3实验装置与流程
4、实验步骤
4.1 实验准备
（1） 配料：在配料罐内配制含MgCO310％～30％（wt. %）的水悬浮液，碳酸钙事先由天平称重，水位高度按标尺示意，筒身直径35mm。配置时，应将配料罐底部阀门关闭。
（2） 搅拌：开启空压机，将压缩空气通入配料罐（空压机的出口小球阀保持半开，进入配料罐的两个阀门保持适当开度），使CaCO3悬浮液搅拌均匀。搅拌时，应将配料罐的顶盖合上。
（3） 设定压力：分别打开进压力灌的三路阀门，空压机过来的压缩空气经各定值调节阀分别设定为0.1MPa、0.2MPa和0.25MPa（出厂已设定，实验时不需要再调压。若欲作0.25MPa以上压力过滤，需调节压力罐安全阀）。设定定值调节阀时，压力灌泄压阀可略开。
（4） 装板框：正确装好滤板、滤框及滤布。滤布使用前用水浸湿，滤布要绷紧，不能起皱。滤布紧贴滤板，密封垫贴紧滤布。（注意：用螺旋压紧时，千万不要把手指压伤，先慢慢转动手轮使板框合上，然后再压紧）。
（5） 灌清水：向清水罐通入自来水，液面达视镜2/3高度左右。灌清水时，应将安全阀处的泄压阀打开。
（6） 灌料：在压力罐泄压阀打开的情况下，打开配料罐和压力罐间的进料阀门，使料浆自动由配料桶流入压力罐至其视镜1/2~2/3处，关闭进料阀门。

4.2 过滤过程
（1） 鼓泡：通压缩空气至压力罐，使容器内料浆不断搅拌。压力料槽的排气阀应不断排气，但又不能喷浆。
（2） 过滤：将中间双面板下通孔切换阀开到通孔通路状态。打开进板框前料液进口的两个阀门，打开出板框后清液出口球阀。此时，压力表指示过滤压力，清液出口流出滤液。

（3） 每次实验应在滤液从汇集管刚流出的时候作为开始时刻，每次△V取800ml左右。记录相应的过滤时间△τ。每个压力下，测量8～10个读数即可停止实验。若欲得到干而厚的滤饼，则应每个压力下做到没有清液流出为止。量筒交换接滤液时不要流失滤液，等量筒内滤液静止后读出△V值。（注意：△V约800ml时替换量筒，这时量筒内滤液量并非正好800ml。要事先熟悉量筒刻度，不要打碎量筒），此外，要熟练双秒表轮流读数的方法。
（4） 一个压力下的实验完成后，先打开泄压阀使压力罐泄压。卸下滤框、滤板、滤布进行清洗，清洗时滤布不要折。每次滤液及滤饼均收集在小桶内，滤饼弄细后重新倒入料浆桶内搅拌配料，进入下一个压力实验。注意若清水罐水不足，可补充一定水源，补水时仍应打开该罐的泄压阀。
3．清洗过程
（1） 关闭板框过滤的进出阀门。将中间双面板下通孔切换阀开到通孔关闭状态（阀门手柄与滤板平行为过滤状态，垂直为清洗状态）。
（2） 打开清洗液进入板框的进出阀门（板框前两个进口阀，板框后一个出口阀）。此时，压力表指示清洗压力，清液出口流出清洗液。清洗液速度比同压力下过滤速度小很多。
（3） 清洗液流动约1min，可观察混浊变化判断结束。一般物料可不进行清洗过程。结束清洗过程，也是关闭清洗液进出板框的阀门，关闭定值调节阀后进气阀门。

4．实验结束
（1） 先关闭空压机出口球阀,关闭空压机电源。
（2） 打开安全阀处泄压阀，使压力罐和清水罐泄压。
（3） 卸下滤框、滤板、滤布进行清洗，清洗时滤布不要折。
（4） 将压力罐内物料反压到配料罐内备下次使用，或将该二罐物料直接排空后用清水冲洗。
5.实验数据记录与处理
5.1.1表压为0.1MPa
表1 记录部分
序号
ΔV/m3
Δτ/s
1
800
33.34
2
800
42.31
3
600
47.56
4
600
60.04
5
400
45.50
6
400
51.91
7
200
26.63
8
200
28.67

表2 处理部分
序号
Δq/(m3/m2)
Δτ/Δq/(t.m2/m3)
q¯(m3/m2)
1
0.022599
1475.30
0.011299
2
0.022599
1872.23
0.033899
3
0.016949
2806.05
0.053672
4
0.016949
3542.37
0.070621
5
0.011299
4026.76
0.084746
6
0.011299
4594.04
0.096045
7
0.005650
4713.52
0.104519
8
0.005650
5074.60
0.110169

图1
K=2/S=2/37906=5.276×10-5；qe=I/S=836.13/37906=0.022058;
τe=qe^2/K=9.222

5.1.2 表压为0.2MPa
记录部分
序号
ΔV/m3
Δτ/s
1
800
15.56
2
800
30.09
3
600
27.53
4
600
37.47
5
400
27.25
6
400
30.22
7
200
13.94
8
200
15.31
处理部分
序号
Δq/(m3/m2)
Δτ/Δq(t.m2/m3)
q¯(m3/m2)
1
0.022599
688.53
0.011299
2
0.022599
1331.49
0.033899
3
0.016949
1623.66
0.053672
4
0.016949
2210.73
0.070621
5
0.011299
2411.10
0.084746
6
0.011299
2674.47
0.096045
7
0.005650
2466.85
0.104519
8
0.005650
2709.87
0.110169

K=2/S=2/20149=9.926×10-5;qe=I/S=591.61/20149=0.029362
τe=qe^2/K=8.685

5.1.3 s的求取

s=1-0.9267=0.0733
6.结果讨论
6.1 从记录部分看，当表压从0.1MPa变到0.2MPa时，在相同的滤液量时，表压越高，所需的时间越短；
6.2 无论是0.1MPa还是0.2MPa，在求取K值、qe值、τe值时作图所得的拟合曲线的线性关系比较好，说明实验还是比较成功的；
6.3 由于读数是人为的，所以存在一定的误差；
6.4 对s求取作图时，只有两个点，不够代表性。
6.5 随着表压的增大，K值、qe值、τe值亦都变大。

思考题
1、当你在某一恒压下所测得的K、qe、τe值后，若将过滤压强提高一倍，问上述三个值将有何变化？
答：由公式K=2kΔP1-s，τe=qe/K可知，当过滤压强提高一倍时，K增大，τe减小。
2、影响过滤速率的主要因素有哪些？
答：过滤压差、过滤介质的性质、构成滤饼的颗粒特性，滤饼的厚度。
3、为什么过滤开始时，滤液常常有点浑浊，而过段时间后才变清？
答：开始过滤时，滤饼还未形成，空隙较大的滤布使较小的颗粒得以漏过，使滤液浑浊，但当形成较密的滤饼后，颗粒无法通过，滤液变清。