过滤实验_3

过滤实验
一、实验目的
1. 在一定的压力下进行恒压过滤，掌握过滤问题的工程处理方法及过滤常数K 的测定。

2. 了解过滤设备的构造和操作方法。

3. 加深对过滤操作中各影响因素的理解。

二、实验原理
过滤是以某种多孔物质作为介质来处理悬浮液，将固体物从液体或气体中分离出来的过程。

过滤是一种常用的固液分离操作，在外力作用下，悬浮液中的液体通过介质孔道，而固体颗粒被介质截留下来，从而达到分离的目的，如发酵液与固体渣之间的分离。

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，固体颗粒床层的厚度随着过滤过程的进行不断增加，所以在过滤压差不变的情况下，单位时间得到的滤液量也在不断下降，即过滤速度不断降低。

过滤速度u 的定义是在单位时间、单位过滤面积内通过过滤介质的滤液量，即
τ
τd dq
Ad dV u =
=
式中：A 为过滤面积（m 2）；τ为过滤时间（S ）；q 为通过单位过滤面积的滤液量（m 3/m 2）；V 为通过过滤介质的滤液量（m 3）。

可以预测，在恒定的压差下，过滤速率与过滤时间必有如图4-5所示的过细，单位面积的累积滤液量和过滤时间的关系有如图4-6所示的关系。

影响过滤速度的主要因素除势能差、滤饼厚度外，还有滤饼、悬浮液的性质、悬浮液温度、过滤介质的阻力等，故难以用严格的流体力学方法处理。

比较过滤过程与流体经过固体床的流动可知：过滤速率即为流体经过固体床的表观速率u 。

同时，液体在由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，可利用流体通过固体床压降的简化数学模型，运用层流时泊谡叶公式寻求滤液量与时间的关系，推出过滤速度计算式
()L
p
a K u μεε∆⋅
-⋅=2231'1 式中：u 为过滤速度（m/s ）；K'为滤饼孔隙率、颗粒形状、排列等因素有关的常数，层流时K'=5；ε为床层的孔隙率（m 3/m 2）；a 为颗粒的比表面（m 2/m 3）；△p 为过滤的压强降（Pa ）；μ为滤液粘度（Pa ·s ）；L 为床层厚度（m ）。

层流时即为
()L
p
A a dt dV μεε∆⋅-=2
2315 对于不可压缩滤饼，由上式可以推导过滤速率的计算式为
()
e q q K d dq +=2τ 式中：q e 为V e /A ；V e 为形成与过滤介质阻力相等的滤饼层所得滤液量（m 3）；K 为综合了各个影响参数的量，成为过滤常数（m 2/s ）。

在恒压差过滤时，上述微分方程积分后，可得
τK qq q e =+22
由上述方程可计算在过滤设备、过滤条件一定时，过滤一定滤液量所需要的时间，或者在过滤时间、过滤条件一定时为了完成一定生产任务，所需要的过滤设备的大小（过滤面积）。

利用上述方程计算时，需要知道K 、q e 等常数，而K 、q e 常数只有通过实验才能测定，在用试验方法测定过滤常数时，需将上述方程变换成如下形式
K
q K q q
e
2+=
τ
在实验时，只要维持过滤器进出口的操作压差恒定，计取过滤时间和相应的滤液量。

以τ/q-q 作图得一直线，分别读取直线斜率1/K 和截距2q e /K ，求取常数K 和q e 。

如恒压过滤前含有恒速过滤，应该除去恒速过滤的影响。

若在恒压过滤之前的τ1时间内已通过单位过滤面积的滤液q 1，则在τ1至τ及q 1至q 范围内积分，整理得
K
q q K q q q q e )
(211
1
++-=
--ττ 上式表明q-q 1和1
1
q q --ττ为线性关系，从而求出过滤常数K 和q e 值。

三、实验装置
如下图所示，本实验装卧式圆形过滤机、置由空气压缩机、配料桶、供料泵、滤液计量
桶等组成。

碳酸钙溶液在配料桶内按一定的浓度（一般为1.01-1.08kg/cm 3）配制后，用供料泵循环式悬浮液混合均匀，然后通过压缩空气给配料桶加压，并使压力保持稳定，利用空气压缩机压力将滤液送入过滤机过滤，滤液流入计量桶进行计量。

过滤完毕后，可以用清水洗涤和压缩空气吹干。

四、实验步骤
1. 熟悉实验装置流程，自拟实验步骤和料液参数。

2. 本实验用碳酸钙配制一定浓度的滤液，其量约占配料桶的一半左右，并用供料泵进行循环，使滤液很合均匀，以防止沉淀出现。

3. 组装过滤器，滤布装上之前要用水先润湿。

4. 检查阀门，缓慢开启压缩空气阀门给配料桶加压，刚开始实验时，先采用小的过滤压差进行实验，压力范围一般控制在9×104Pa 以下。

5. 以计量桶中开始有滤液的时刻作为恒压过滤的起始时间，然后用秒表计时，定时读取计量桶的液位值，并记录。

6. 作两组压差下的实验。

注意保持实验过程中压强稳定，可通过调节进气、出气阀门的压力来控制。

7. 改用另一压差之前，应先清洗滤饼。

8. 在不同压差下进行过滤实验，尽量保持滤液的浓度不变。

五、实验结果
1）实验数据及计算
本组采用的是压差为0.007MPa 的数据 滤板直径：d=66mm 每次操作时间为15s
以第一组数据为例，具体计算过程如下：
2
32
/0322.014
.3066.0000441.0m m A V q =⨯==
每批 2321/0322.0m m q q q q n =+⋅⋅⋅++=每批每批每批累计
m s q t /2327.46515
0322
.0==
累计
其他各组数据计算过程与第一组数据相同，此处不再做一一计算演示。

数据及计算结果如下表：
2）累计滤液量q对时间τ关系图
3）τ/q-q关系图
斜率：1/K=350.09 纵截距：2q e/K=470.83 拟合度R=0.9993 K=0.00286m2/s，q e=0.672m3/m2
六、分析及讨论
1、累计滤液量q 对时间τ关系
由实验结果中q 对时间τ关系图可以看出，累计滤液量随着时间的累计不断增大，但是速率逐渐放缓。

与根据理论情形做出的预测一致。

不过，可能由于时间还不够长或者是物料过稀，实验中，过滤速率虽然明显下降，但仍然可观，未进入累计滤液量不随时间变化增多的阶段。

如果延长每次计量的时间以及总的过滤时间，应该可以更好地呈现滤液量q 对时间τ的变化规律。

2、过滤常数K 和q e
根据实验结果中τ/q-q 关系图得
斜率：1/K=350.09 纵截距：2q e /K=470.83
拟合度R=0.9993 求得：
K=0.00286m 2/s ，q e =0.672m 3/m 2
由于拟合直线有着高达0.9993拟合度，可见计算结果十分可靠。

七、误差来源及分析
实验过程中有多处可能引入误差：
1) 实验过程中，每次收集滤液的时间可能有一定延长或缩短，存在一定偏差。

2) 碳酸钙悬浮液无法做到完全均匀，实验中前后流过过滤器的悬浮液可能浓度不同，
造成误差。

3) 实验过程中因接滤液时间较为紧张，因此采用两个量筒交替接收滤液，然后转入
两个量筒进行测量。

期间，有少量液体未充分转移，部分液体甚至损失掉了。

另外，两个测量的量筒之间有微小差异，两个读数的同学可以读数习惯也不尽相同，可能造成实验过程中数据存在一定误差。

4) 实验时的过滤压强略有波动，无法严格保证在一设定值上，可能造成了
0.0001-0.0002MPa 的误差。

对过滤过程中的速率有一定影响。

不过，实验过程中，我组同学一直精神高度集中，计时、计量都尽量做到准确无误，使得这些误差控制在很小的范围内，基本可以忽略。

八、思考题
1. 过滤刚开始时，为什么滤液经常是浑浊的？
答：因为过滤开始时，固体颗粒床层未形成或未完全形成，导致过滤不充分，滤液浑浊。

所以，过滤刚开始时，滤液经常是浑浊的
2. 当操作压强增加1倍时，K 值是否也增加1倍；要得到同样的滤液量时，其过滤时间是否缩短一半？
答：K 值计算式如下：
μ
Φ∆=
r P
K 2
其中Ф表示单位体积悬浮液中所含固体体积，与操作压强无关；r 为比阻，表示滤饼结构对过滤速率的影响，不可压缩滤饼的比阻r 仅取决于悬浮液的物理性质，因此K 值与操作压强成正比，操作压强增加一倍，K 值也增加一倍；
恒压过滤方程
2
q 2e qq K τ+= 2q 2e
qq K
τ+=
要得到同样的滤液量时，其过滤时间将缩短一半。

但是对于不可压缩滤饼，r 则随操作压差的增加而增大，从而K 值与操作压差不成正比，因而当操作压强增大一倍时，K 值不会也增加一倍。

要得到同样的滤液量时，无法确定其过滤时间将缩短一半。

3. 恒压过滤时，欲增加过滤速度，可采取哪些措施？ 答：过滤速度
()L
p
a K u μεε∆⋅-⋅=2
231'1 因此，可以通过不断除去滤饼，减小床层厚度L ，从而加快过滤速度。

4. 如果滤液的黏度比较大，可考虑用什么办法改善过滤速率？ 答：过滤速度
()L
p
a K u μεε∆⋅-⋅=2
231'1 如果滤液的黏度比较大，可以通过稀释滤液使其黏度减小后再进行过滤，或者通过增大操作压强来增加过程推动力，从而加改善过滤速率。

5. 恒压过滤和恒速过滤的操作现象有哪些区别？
答：恒压过滤中操作保持压强不变，但是单位时间内流出的滤液量非线性递减，累计滤液量的增加速率随时间不断减小，当时间充分长的时候，累计滤液量将保持不变。

恒速过滤中操作压强将不断变大，而单位时间内流出滤液量保持不变，累计滤液量随时间线性增加。