过滤基本原理

第二节 过 滤一 过滤基本原理1．过滤过滤是在外力作用下，使悬浮液中的液体通过多孔介质的孔道，而悬浮液中的固体颗粒被截留在介质上，从而实现固、液分离的操作。

说明①其中多孔介质称为过滤介质；所处理的悬浮液称为滤浆；滤浆中被过滤介质截留的固体颗粒称为称为滤饼或滤渣；通过过滤介质后的液体称为滤液。

②驱使液体通过过滤介质的推动力可以有重力、压力（或压差）和离心力；③过滤操作的目的可能是为了获得清净的液体产品，也可能是为了得到固体产品。

④洗涤的作用：回收滤饼中残留的滤液或除去滤饼中的可溶性盐。

2．过滤介质过滤介质起着支撑滤饼的作用，并能让滤液通过，对其基本要求是具有足够的机械强度和尽可能小的流动阻力，同时，还应具有相应的耐腐蚀性和耐热性。

工业上常见的过滤介质：①织物介质：又称滤布，是用棉、毛、丝、麻等天然纤维及合成纤维织成的的织物，以及由玻璃丝或金属丝织成的网。

这类介质能截留颗粒的最小直径为m μ65~5。

织物介质在工业上的应用最为广泛。

②堆积介质：由各种固体颗粒（砂、木碳、石棉、硅藻土）或非纺织纤维等堆积而成，多用于深床过滤中。

③多孔固体介质：具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶瓷、多孔塑料、多孔金属制成的管或板，能拦截m μ3~1的微细颗粒④多孔膜：用于膜过滤的的各种有机高分子膜和无机材料膜。

广泛使用的是醋酸纤维素和芳香酰胺系两大类有机高分子膜。

可用于截留m μ1 以下的微小颗粒。

3．深层过滤和滤饼过滤（1）滤饼过滤：悬浮液中颗粒的尺寸大多都比介质的孔道大。

过滤时悬浮液置于过滤介质的一侧，在过滤操作的开始阶段，会有部分小颗粒进入介质孔道内，并可能穿过孔道而不被截留，使滤液仍然是混浊的。

随着过程的进行，颗粒在介质上逐步堆积，形成了一个颗粒层，称为滤饼。

在滤饼形成之后，它便成为对其后的颗粒起主要截留作用的介质。

因此，不断增厚的滤饼才是真正有效的过滤介质，穿过滤饼的液体则变为澄清的液体。

过滤介质滤 饼滤 浆（2）深层过滤：此时，颗粒尺寸比介质孔道的尺寸小得多，颗粒容易进入介质孔道。

但由于孔道弯曲细长，颗粒随流体在曲折孔道中流过时，在表面力和静电力的作用下附着在孔道壁上。

因此，深层过滤时并不在介质上形成滤饼，固体颗粒沉积于过滤介质的内部。

这种过滤适合于处理固体颗粒含量极少的悬浮液。

4．滤饼的可压缩性和助滤剂滤饼的可压缩性是指滤饼受压后空隙率明显减小的现象，它使过滤阻力在过滤压力提高时明显增大，过滤压力越大，这种情况会越严重。

另外，悬浮液中所含的颗粒都很细，刚开始过滤时这些细粒进入介质的孔道中会将孔道堵死，即使未严重到这种程度，这些很细颗粒所形成的滤饼对液体的透过性也很差，即阻力大，使过滤困难。

为解决上述两个问题，工业过滤时常采用助滤剂。

二过滤设备1．板框过滤机（1）结构与工作原理：由多块带凸凹纹路的滤板和滤框交替排列于机架而构成。

板和框一般制成方形，其角端均开有圆孔，这样板、框装合，压紧后即构成供滤浆、滤液或洗涤液流动的通道。

框的两侧覆以滤布，空框与滤布围成了容纳滤浆和滤饼的空间。

板和框的结构如图所示。

悬浮液从框右上角的通道1（位于框内）进入滤框，固体颗粒被截留在框内形成滤饼，滤液穿过滤饼和滤布到达两侧的板，经板面从板的左下角旋塞排出。

待框内充满滤饼，即停止过滤。

如果滤饼需要洗涤，先关闭洗涤板下方的旋塞，洗液从洗板左上角的通道2（位于框内）进入，依次穿过滤布、滤饼、滤布，到达非洗涤板，从其下角的旋塞排出。

如果将非洗涤板编号为1、框为2、洗涤板为3，则板框的组合方式服从1—2—3—2——1—2—3之规律。

组装之后的过滤和洗涤原理如图所示。

滤液的排出方式有明流和暗流之分，若滤液经由每块板底部旋塞直接排出，则称为明流（显然，以上讨论以明流为例）；若滤液不宜暴露于空气中，则需要将各板流出的滤液汇集于总管后送走，称为暗流。

说明：①板框压滤机的操作是间歇的，每个操作循环由装合、过滤、洗涤、卸渣、整理五个阶段组成。

（详见教材）②上面介绍的洗涤方法称为横穿洗涤法，其洗涤面积为过滤面积的1/2，洗涤液穿过的滤饼厚度为过滤终了时滤液穿过厚度的2倍。

若采用置换洗涤法，则洗涤液的行程和洗涤面积与滤液完全相同。

（2）主要优缺点：板框压滤机构造简单，过滤面积大而占地省，过滤压力高，便于用耐腐蚀材料制造，操作灵活，过滤面积可根据产生任务调节。

主要缺点是间歇操作，劳动强度大，产生效率低。

2．叶滤机（1）结构与工作原理：叶滤机由许多滤叶组成。

滤叶是由金属多孔板或多孔网制造的扁平框架，内有空间，外包滤布，将滤叶装在密闭的机壳内，为滤浆所浸没。

滤浆中的液体在压力作用下穿过滤布进入滤叶内部，成为滤液后从其一端排出。

过滤完毕，机壳内改充清水，使水循着与滤液相同的路径通过滤饼进行洗涤，故为置换洗涤。

最后，滤饼可用振动器使其脱落，或用压缩空气将其吹下。

滤叶可以水平放置也可以垂直放置，滤浆可用泵压入也可用真空泵抽入。

（2）主要优缺点：叶滤机也是间歇操作设备。

它具有过滤推动力大，过滤面积大，滤饼洗涤较充分等优点。

其产生能力比压滤机还大，而且机械化程度高，劳动力较省。

缺点是构造较为复杂，造价较高，粒度差别较大的颗粒可能分别聚集于不同的高度，故洗涤不均匀。

3．转筒过滤机（1）结构与工作原理：设备的主体是一个转动的水平圆筒，其表面有一层金属网作为支承，网的外围覆盖滤布，筒的下部浸入滤浆中。

圆筒沿径向被分割成若干扇形格，每格都有管与位于筒中心的分配头相连。

凭借分配头的作用，这些孔道依次分别与真空管和压缩空气管相连通，从而使相应的转筒表面部位分别处于被抽吸或吹送的状态。

这样，在圆筒旋转一周的过程中，每个扇形表面可依次顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸渣等操作。

分配头由紧密贴合的转动盘与固定盘构成，转动盘上的每一孔通过前述的连通管各与转筒表面的一段相通。

固定盘上有三个凹槽，分别与真空系统和吹气管相连。

①当转动盘上的某几个小孔与固定盘上的凹槽2相对时，这几个小孔对应的连通管及相应的转筒表面与滤液真空管相连，滤液便可经连通管和转动盘上的小孔被吸入真空系统；同时滤饼沉积于滤布的外表面上。

此为过滤。

②转动盘转到使这几个小孔与凹槽3相对时，这几个小孔对应的连通管及相应的转筒表面与洗水真空管相连，转筒上方喷洒的洗水被从外表面吸入连通管中，经转动盘上的小孔被送入真空系统。

此为洗涤、吸干。

③当这些小孔凹槽4相对时，这几个小孔对应的连通管及相应的转筒表面与压缩空气吹气相连，压缩空气经连通管从内向外吹向滤饼，此为吹松。

④随着转筒的转动，这些小孔对应表面上的滤饼又与刮刀相遇，被刮下。

此为卸渣。

继续旋转，这些小孔对应的又重新浸入滤浆中，这些小孔又与固定盘上的凹槽2相对，又重新开始一个操作循环。

⑤每当小孔与固定盘两凹槽之间的空白位置（与外界不相通的部分）相遇时，则转筒表面与之相对应的段停止工作，以便从一个操作区转向另一操作区，不致使两区相互串通。

（2）主要优缺点：转筒过滤机的突出优点是操作自动，对处理量大而容易过滤的料浆特别适宜。

其缺点是转筒体积庞大而过滤面积相形之下嫌小；用真空吸液，过滤推动力不大，悬浮液中温度不能高。

三 过滤基本理论1．过滤速度的定义过滤速度指单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积，即θAd dV u = 其中，u —瞬时过滤速度，m 3/s·m 2，m/s ；V —滤液体积，m 3；A —过滤面积，m 2；θ —过滤时间，s 。

说明：①随着过滤过程的进行，滤饼逐渐加厚。

可以想见，如果过滤压力不变，即恒压过滤时，过滤速度将逐渐减小。

因此上述定义为瞬时过滤速度。

②过滤过程中，若要维持过滤速度不变，即维持恒速过滤，则必须逐渐增加过滤压力或压差。

总之，过滤是一个不稳定的过程。

上面给出的只是过滤速度的定义式，为计算过滤速度，首先需要该撑握过滤过程的推动力和阻力。

2．过滤速度的表达（1）过程的推动力：过滤过程中，需要在滤浆一侧和滤液透过一侧维持一定的压差，过滤过程才能进行。

从流体力学的角度讲，这一压差用于克服滤液通过滤饼层和过滤介质层的微小孔道时的阻力，称为过滤过程的总推动力，以p ∆表示。

这一压差部分消耗在了滤饼层，部分消耗在了过滤介质层，即21p p p ∆+∆=∆。

其中1p ∆为滤液通过滤饼层时的压力降，也是通过该层的推动力；2p ∆为滤液通过介质层时的压力降，也是通过该层的推动力。

（2）考虑滤液通过滤饼层时的阻力：滤液在滤饼层中流过时，由于通道的直径很小，阻力很大，因而流体的流速很小，应该属于层流，压降与流速的关系服从Poiseuille 定律：lp d u e μ3211∆= 其中，1u —滤液在滤饼中的真实流速；μ—滤液粘度；l —通道的平均长度；e d —通道的当量直径。

讨论①1u 与u 的关系：定义滤饼层的空隙率为：滤饼层的总体积滤饼层的空隙体积=ε 滤饼的截面积滤液体积流量=u ；滤饼截面积滤饼空隙率滤液体积流量面积滤饼截面中空隙部分的滤液体积流量⨯==1u 所以，εu u =1，②孔道的平均长度可以认为与滤饼的厚度成正比：L K l 0= ③孔道的当量直径颗粒体积比表面积空隙率滤饼层体积颗粒表面积空隙体积润湿周边长流通截面积⨯⨯⨯=⨯=⨯=444L L d e ()()εε-=-⨯⨯⨯⨯=14140S 空隙率滤饼层体积比表面积空隙率滤饼层体积 根据这三点结论，可出导出过滤速度的表达式：()阻力推动力=∆=⋅-∆=∆===L r p L S K p L K p d u u Ad V e μμεεμεεθ122001********* 其中，()22003121εε-=S K r ，称为滤饼的比阻，其值完全取决于滤饼的性质。

说明：过滤速度等于滤饼层推动力/滤饼层阻力，而后者由两方面的因素决定，一是滤饼层的性质及其厚度，二是滤液的粘度。

（3）考虑滤液通过过滤介质时的阻力对介质的阻力作如下近似处理：认为它的阻力相当于厚度为e L 的一层滤饼层的阻力，于是介质阻力可以表达为：e L r μ。

滤饼层与介质层为两个串联的阻力层，通过两者的过滤速度应该相等，()()e e R R p rL rL p rLe p rL p Ad dV +∆=+∆=∆=∆=μμμμθ21 其中，rL R =，e e rL R =。

（4）两种具体的表达形式滤饼层的体积为AL ，它应该与获得的滤液量成正比，设比例系数为c ，于是cV AL =。

由V AL c /=，可知c 的物理意义是获得体积的滤液量能得到的滤饼体积。

由前面的讨论可知：A rcV rL R /==，A rcV rL R e e e /==。

其中e V 为滤得体积为e AL 或厚度为e L 的滤饼层可获得的滤液体积。

但这部分滤液并不存在，而只是一个虚似量，其值取决于过滤介质和滤饼的性质。