第四节 过滤

第四节过滤

§3.4.1 概述

过滤是指以某种多孔物质作为介质，在外力的作用下，使流体通过介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固体颗粒与流体分离目的的操作，过滤可去除气固系中的颗粒，也可去除液固系中的固体颗粒，化工生产中过滤大多用于悬浮液中固液分离，本节只介绍悬浮液的过滤操作。

实现过滤操作的外力可以是重力，压强差或惯性离心力，但在化工中应用最多的是以压强差为推动力的过滤操作。

※名词

滤浆（料浆）——是指被处理的悬浮液；

过滤介质——过滤操作中采用的多孔物质；

滤液——是指通过介质孔道的液体；

滤饼——是指被截留的固体颗粒。

※目的

获得洁净的液体或获得作为产品的固体颗粒。

※过滤操作的分类

1、饼层过滤（滤饼过滤）

若悬浮液中固体颗粒的体积百分数大于1%，则过滤过程中在过滤介质表面会形成固体颗粒的滤饼层，这种过滤操作称为饼层过滤。

在饼层过滤中，由于悬浮液中的部分固体颗粒的粒径可能会小于介质孔道的孔径，因而过滤之初会有一些细小颗粒穿过介质而使液体浑浊，但颗粒会在孔道内很快发生“架桥”现象，并开始形成滤饼层，滤液由浑浊变为清澈。此后过滤就能有效进行了。

由此可见，在饼层过滤中，真正起截留颗粒作用的是滤饼层而不是过滤介质，在饼层过滤过程中，滤饼会不断增厚。过滤的阻力随之增加，在推动力不变的情况下，过滤速度会愈来愈慢。

2、深层过滤（深床过滤）

若以细小坚硬的固体颗粒堆积生成

的固定床作为过滤介质，将悬浮于

液体中的固体颗粒截留在床层内部

且过滤介质表面不生成滤饼的过滤

称为深层过滤。

深层过滤适用于悬浮液中固体颗粒的体积百分数小于0.1%且固体颗粒粒径较小的场合。深层过滤中，由于悬浮液的粒子直径小于床层孔道直径，所以粒子随着液体一起流入床层内的曲折通道，在穿过此曲折通道时，因分子间力和静电作用力的作用，使悬浮粒子粘附在孔道壁面上而被截留。

3、动态过滤

前已述及，饼层过滤中，饼层不断增厚，阻力亦不断增加，在推动力（如压强差）保持不变时则过滤速率会不断变小。

为了在过滤过程中限制滤饼的增厚，Tiller于1977年提出了被称为动态过滤的新过滤方式。

动态过滤可描述为料浆沿过滤

介质表面作高速流动，使得滤

饼在剪切力的作用下不会增

厚，这样就可维持较高的过滤

能力。如图所示：

动态过滤中，滤液与料浆呈错

流（交错流动）。

动态过滤需多耗机械能，且不能得到含固量高的滤饼，操作中因料浆粘度不断增加，过大的阻力可能使电机过载，因此使用动态过滤需十分谨慎。

化工生产中使用最多的是饼层过滤，故以后只介绍饼层过滤的基本原理及计算。

一、过滤介质

过滤介质是一种多孔物质，它是滤饼的支承物，它应具有足够的机械强度和尽可能小的流动阻力，过滤介质的孔道直径往往会稍大于悬浮液中一部分颗粒的直径。

工业上常用的过滤介质主要有以下几类：

1、织物介质，又称滤布，它由棉、毛、丝、麻等天然纤维及由各种合成纤维制成的织物，以及由玻璃丝、金属丝等织成的网。

2、粒状介质：包括细纱、木炭、石棉、硅藻土等细小坚硬的颗粒状物质，多用于深床过滤。

3、多孔道固体介质：它是具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶瓷，多孔塑料及多孔金属制成的板式管。

二、滤饼

滤饼是由被截留下来的颗粒垒积而成的固定床层，随着过滤操作的进行，滤饼的厚度与流动阻力都逐渐增加。

三、助滤剂

对于可压缩性滤饼，时，饼层颗粒间的孔道会变窄，有时会因颗粒过于细密而将通道堵塞，为了避免此种情况，可将某种质地坚硬且能形成疏松床层的另一种固体颗粒预先涂于过滤介质上，或者混入悬浮液中，以形成较为疏松的滤饼，使滤液得以畅流，这种物质称为助滤剂，如硅藻土等。

§3.4.2 单颗粒与颗粒群的几何特性

一、单颗粒

对于球形颗粒的表征只需一个参数，直径就可以了，而对于非球颗粒数表征

则需二个参数（如，），方才能表征，仅用不足以表征了。

二、颗粒群

1、筛分分析

2、平均直径

§3.4.3 床层特性

1、固定床层——有众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒层叫固定床层。例如在固体悬浮液的过滤中，由许多固体颗粒形成的滤饼层可视为固定床，滤液通过颗粒之间的空隙流动。

2、床层的空隙率

定义：

=（床层体积-颗粒所占的体积）/床层体积

表示床层中颗粒堆积的疏密程度

大疏松；小紧密。

一般乱堆的

0.47＜＜0.7

值

=（颗粒的形状、粒度分布，充填方式）

可证明：均匀的球形颗粒作最松排列时的=0.48

均匀的球形颗粒作最紧密排列时的=0.26

非球形颗粒的直径越小，形状与球的差异越大，则床层的超越0.26~0.48之间的可能性越大。

一般非球形＞球形

非均匀＜均匀

在床层靠壁处的局部空隙率比中间部位的空隙率大，这是因为固体颗粒与器壁间的空隙中往往难以再填入另一个颗粒。就床层特性可言，在很大程度上受充填方式的影响。充填时设备受到振动，则较小，若采用湿法充填即设备内充满液体再装入颗粒，则必大。

3、床层的各向同性

工业上的小颗粒床层通常是乱堆的，若颗粒是非球形，各颗粒的光向应是随机的，这样的床层就可视为各向同性的。

各向同性床层横截面上可供流体通过的实际面积（或自由截面）与床层截面之比在数值上等于，这是其的重要特点之一。

4、床层的比表面

定义：

1

床层，

（忽略颗粒相互接触使裸露的颗粒表

面面积减小的部分）

§3.4.4流体通过固定颗粒床层的压降

流体通过固定颗粒床层的流动在化工生产和自然界中常见的现象。例如：

过滤过程中滤液通过滤饼层的流动；

固定床催化反应器中流体在固定催化剂床层中的流动；

地下水在土壤、砂层中的渗流等；

固定床

（静止的颗粒层）

流体通过固定颗粒床层的流动，一方面使流体速度分布均匀，另一方面产生压强降（即流动阻力），如图中所示；对于过滤等操作过程而言，工程上感兴趣的是流体通过固定颗粒床层的压降，而不是速度分布。

根据已学的流体动力学知识流动阻力

定性

分析

表面摩擦力

形体阻力

定量计算直管内流动时，