第二节 过滤分离与过滤设备

硅藻土
⑶多孔固体介质 多孔固体介质是指，由多微细孔道
的固体材料（多孔陶瓷、多孔塑料、多 孔金属等）制成的管或板。多孔固体介 质一般可拦截1－3μm的细微颗粒。 ⑷多孔膜 多孔膜用于膜过滤，常见的有各种 有机高分子膜（如：粗醋酸纤维系、芳 香聚酰胺系）和无机材料膜 。
多孔陶瓷滤芯 多孔塑料滤芯
有机高分子纳滤膜分离设备
料液
膜
为动力（如：压强差、温度差、浓度差及
电场等）。在能量差的作用下，膜允许某 些组分透过膜，而另一些物质被拦截，从
滤液
而达到选择性分离混合物的目的。
浓缩液
①微滤、超滤与纳滤 常见的微滤、超滤与纳滤都是以压强差为推动力的过程，其机理是膜
孔对溶液中微粒进行筛分。 【微滤】
微滤（microfiltration）又称为微孔过滤，截留溶液中的砂砾、淤
滤液 （dV/dt） 滤浆
饼层 介质
R = r•L
则：
dV/(A•dt) =
Δpc μ•r·L
=(
Δpc μ•R
)
式中：R称为滤饼阻力，m-1；r = R/L，称为滤饼的比阻（单位厚度床 层的阻力），m-2。
②过滤介质阻力 参照前面对饼层速率的讨论，我们同样可写出滤液通过过滤介质层的
速度关系式。即：
dV/(A•dt) = Δpm μ•Rm
Δpm
过滤介质
式中：Δpm 为流体通过过滤介质两侧的压强差，Pa ；Rm 为流体通过 过滤介质的阻力，m-1。 过滤介质的阻力（Rm）与其材质、厚度等因数有关，在实际生产中通 常将其视为常量。 尽管过滤介质的阻力一般较小，但在过滤初期，由于饼层较薄，过滤 介质的阻力占总阻力的比例较大。此时，过滤介质的阻力不可忽略。
膜平均孔径：0.001－0.01μm。
②反渗透过滤 反渗透(reverse osmosis) 又称为逆渗析，是一种以高于渗透压的压 强为推动力，利用选择性透过膜，将两种浓度不同的溶液分开的膜分离操 作。
反渗透膜的平均孔径为0.0001－0.001μm。
问题：
什么是渗析？
什么是渗透压？ 什么是选择性透过膜？
同理，当过滤生成厚度为 Le 的滤饼时，则所应获得的(当量)滤液
体积 Ve 为： Le = v•Ve/A 于是： dV/(A•dt) = 令： q = V/A qe = Ve/A (单位过滤面积所得的滤液体积，m3/m2 ) (单位过滤面积所得的当量滤液体积，m3/m2 ) Δp μ•r•v(q + qe) 单位过滤面积过滤速率 Δp μ•r•(L + Le) = Δp μ•r•v(V + Ve)
⑶过滤基本方程
在过滤操作中，过滤介质阻力与滤饼阻力是无法分开的。因此，在过
滤计算中，常将滤介质阻力与滤饼阻力联合起来考虑。 一般而言，滤饼与过滤介质的面积(A)是相同的；并且流体通过滤饼
与过滤介质的流速也应相等。则有： dV/(A•dt) = Δpc +Δpm
μ•(R + Rm)
=
Δp
μ•(R + Rm)
渗透开始 渗透平衡
p
H 半 透 膜
资料卡片
三、选择性透过膜
选择性透过膜(selective permeable membrane)是具有活性的生物膜，它 对物质的通过既具有半透膜的物理性质，还具有主动的选择性。选择性透过膜 是一种半透膜(semipermeable membrane)。 例如：在水溶液的处理中，用 高分子材料经过特殊工艺制成的半 透膜，它只允许水分子透过，而不 允许溶质通过。
第二节 过滤分离与过滤设备
Filter to separate and filter the equipments
一、过滤操作原理 二、过滤基本方程 三、过滤设备
一、过滤操作原理
过滤是在外力的作用下，使悬浮液（或含固体
滤浆 滤饼 过滤介质
颗粒的气体）中的液体（或气体）通过过滤介质滤
孔，固体颗粒及其物质被过滤介质截留，从而使固 体与液体（或气体）分离的一种操作。
u 是按整个床层截面积计算的滤液流速(m/s)。
2.过滤基本方程
⑴过滤速率
从前面对流体通过饼层流动的讨论得知，滤液的流速可用卡曼－康采
尼公式(Carman-Kozony)公式描述。即： Δpc ε3 u = ( ) 2(1 -ε)2 μ•L 5a dV = A•dt 式中：V 是滤液量，m3；A 是过滤面积，m2；t 是过滤时间，s。
滤液 滤浆 颗粒床
⑶膜过滤
膜过滤（分离）是在20世纪初出现的一种分离新技术。由于膜（过滤
介质）过滤兼有分离、浓缩、纯化和精制等功能，又有高效、节能、环保、 分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征。因此，目前已广泛应用于
食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿
生等领域，是当今分离科学中最重要的手段之一。 膜分离原理如右图所示：当流体与膜 相百度文库触、在膜两侧存在一定量的能量差作
则： dq/dt =
对于不可压缩的滤饼，比阻 r 是一个常量；而对于可压缩滤饼，其
比阻 r 在过滤过程中不再是常量，而是滤饼两侧压强差的函数。一般可
用如下经验公式进行粗略估算。即： r = r’•(Δp)s 式中：r’为单位压强差下滤饼的比阻，m-2；Δp为压强差，Pa；s 为 滤饼的压缩性指数。 一般情况下，s = 0－1（不可压缩滤饼，s = 0）。 于是： dq/dt = Δp1-s μ•r’•v(q + qe)
式中，Δp = Δpc +Δpm 代表滤饼与过滤介质两侧的总压强降（或称 过滤压强差）。 在常压过滤操作中，过滤设备(滤饼与过滤
介质)的一侧处于大气压下；此时，Δp 就是另
一侧表压的绝对值。因此，Δp有时又称为过滤 的表压强。 Δp = p表 = p绝 - p大
p 饼层
p大
介质
为了使问题简单化。假设：过滤介质的阻力相当于厚度为 Le (当量饼
细胞膜结构
③渗析与电渗析 渗析是在浓度差的作用下，使一种或几种溶质通过半透膜，从一液相 转移到另一液相的的膜分离操作。 电渗析是在直流电场（推动力）的 作用下，使溶液中的带电离子选择性地
透过交换膜。
稀液 阴膜 浓液 + 极 阳膜 浓液
+
- 极
料液
水处理电渗析装置
2.过滤介质
在工程上常用的过滤介质主要有织物介质、堆积介质、多孔固体介质
层厚度)饼层的阻力。即： Rm = r•Le
则： dV/(A•dt) = Δpc +Δpm μ•(R + Rm) = Δp μ•(r•L + r•Le)
=
Δp
μ•r•(L + Le)
若每获得 1m3 滤液所形成滤饼的体积为 vm3，则任一瞬间的滤饼厚度 与当时已经获得的滤液体积之间的关系为： L•A = v•V 即： L = v•V/A
则，单位时间获得的滤液体积——过滤速率为：
A·Δpc ε3 dV/dt = ( ) 2(1 -ε)2 μ•L 5a 饼层过滤速率方程
推动力
⑵过滤阻力 在饼层过滤速率中，其阻力应由滤饼阻力和过 滤介质阻力两方面构成。ε3/[5a2(1 -ε)2]项反映 了颗粒及颗粒床层的特性，其值由物料性质决定。 ①饼层阻力 令： 则： 令： r = [5a2(1 -ε)2]/ε3 1 A·Δpc dV/dt = ( ) r μ•L
s
0.01
0.19
0.27
0.33
0.51
0.56-0.6
0.69
0.9
二、强化过滤的依据
强化过滤的依据就是过滤基本方程。即：
Δp1-s dq/dt = K• q + qe
过滤基本方程反映了在过滤进程中，任一瞬间的过滤速率与有关因素的关 系。因此，过滤基本方程是有关过滤计算及强化过滤操作的基本依据。
泥、黏土等颗粒和贾第虫、隐抱子虫、藻类和一些细菌等。 膜平均孔径：0.1－10μm。 【超滤】 超滤（ultrafiltration;hyperfiltration）是一种膜孔径比微滤更 小的膜分离操作。 膜平均孔径：0.01－0.1μm。
【纳滤】
纳滤（nanofiltration）是一种能截留水中粒径为纳米级颗粒物的一 种膜分离操作。
反渗透分离设备
资料卡片
一、渗析
渗析又称为渗透，是一种以浓度差为推动力，利用半透膜的选择透过性分 离不同溶质的膜分离操作。
二、渗透压
用半透膜把两种不同浓度的溶液 隔开时发生渗透现象，到达平衡时半 透膜两侧溶液产生位能差。 P (m液柱) h = ρ·g 此位能差产生的压强就称之为渗 透压。 p = ρ·g·H (Pa)
1.过滤操作方式
过滤等几种。 ⑴饼层过滤
滤液
在工业生产中，常用的过滤操作方式主要有饼层过滤、深床过滤和膜
所谓饼层过滤是指，过滤时固体物质沉积于过滤介质（多孔材料）表 面，并形成滤饼的过滤操作。
在饼层过滤中，由于滤浆中固体颗粒大小
不一，过滤介质的滤孔尺寸可能大于悬浮液中 部分小颗粒的尺寸，使得过滤初期会有一些细 小颗粒穿过过滤介质。但随着过滤的进行，细 小颗粒会在滤孔中产生“架桥”现象，阻止细 小颗的通过（过滤真正开始）。
滤液 饼层过滤中的“架桥”现象
因此，在通常的饼层过滤操作中，过滤初期得到的滤液需返回滤浆槽 重新处理。 饼层过滤是生物化工中常见的一种过滤操作，一般适用于处理固含量 较高（固相体积分数 ≥ 1％）、颗粒尺寸较大的悬浮液。
⑵深床过滤
在深床过滤操作中，其过滤介质是很厚的颗粒 床，悬浮液中的颗粒尺寸小于床层孔道尺寸，过滤 时不形成滤饼。 当悬浮液通过过滤介质时，其中固体颗粒由于 表面张力和静电的作用，使其附着在孔道壁上，被 截留在过滤介质床层内部。 深床过滤一般适用于处理固体含量 极少（固相体积分数≤ 0.1％）、颗粒 尺很小的悬浮液。
滤板 滤液 压紧机构
滤浆 滤板
BMS 板框式压滤机
2.加压叶滤机
加压叶滤机是由许多长方形或圆形滤叶装合而成的，滤叶由金属多孔
板或金属网制成。
加压叶滤机也是一种间歇 式操作设备。
其优点是过滤速度快，洗
涤效果好，占地面积小，密闭 操作；其主要缺点是设备造价
较高，更换滤叶较麻烦。
滤叶 1－滤饼，2－滤布，3－拔 出装置，4－橡胶圈。 加压叶滤机
有机高分子超滤膜、纳滤膜
问题讨论与练习
3－4 什么是饼层过滤的“架桥”现象 ？ 3－5 什么是膜过滤？半透膜与选择性膜有何区别？ 3－6 在工程上常用的过滤介质主要有哪些？
二、过滤基本方程
过程速率是工程上最为关注的问题之一。在此，我们仅就饼层过滤速 率进行讨论。
1.流体通过饼层的流动
大量的固体颗粒堆积在一起便形成固体颗粒床
和多孔膜等几种。 ⑴织物介质 织物介质常称为滤布，一般是由棉、毛、麻、 丝等天然纤维素及合成纤维制成的织物，或者由玻 璃丝、金属丝等材料织成的网。 此类介质截留颗粒的最小直径为5－60μm。 ⑵堆积介质 堆积介质一般由硅藻土、木炭、石棉、砂等固
丙纶滤布
体颗粒或非编织纤维材料堆积而成。堆积介质主要
用于深床过滤操作中。
三、过滤设备
生产中采用的过滤设备类型很多。按操作方式可分为间歇过滤机、连 续过滤机；按操作压强又可分为压滤、吸滤和离心过滤。在此，我们仅介
绍几种常见的过滤设备。
1.板框式压滤机
板框式压滤机是一种压滤型间歇过滤设备，是由滤板、滤框、压紧机
构、机架等部件组成。其构造简单，过滤面积较大，操作压强大，适应能 力强。
由于构成滤饼颗粒的尺寸通常很小，使得形成的滤液通道细小、曲
折，并且相互交联，形成不规则的网状结构。
在此情况下，滤液的流速可用卡曼－康采尼公式(Carman-Kozony)描 述。即： Δpc ε3 u = ( ) 2(1 -ε)2 μ•L 5a 式中： Δpc是滤液通过滤饼层的压强降(Pa)； L 是床层厚度(m)； μ是滤液的粘度(Pa•s)； ε是床层空隙率(m3/m3)； a 是颗粒比表面积(m3/m3)；
对于一定的悬浮液，其μ、r’和v均可视为常量。令： K = 1/(μ•r’•v) (过滤物料特性常数，m4•N-1•s-1) 则： Δp1-s dq/dt = K• q + qe 过滤基本方程
资料卡片
一、几种常见物料的压缩性指数
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
3.转筒真空过滤机
转筒真空过滤机是一种原因较为广泛 的连续操作过滤设备，其主体是一个能转
层。当流体流经固体颗粒床层时，床层中的颗粒静 置不动，此颗粒床层又称为固定床。 在饼层过滤中，滤液通过饼层和过滤介质的流 动是流体流经固体颗粒床层的一种情况。在操作压
滤浆 固定床 过滤介质
u1 饼层厚度增加 u2 < u 1 滤液
强不变的情况下，随着操作过程的进行，由于滤饼厚度不断增加，使得过
滤阻力逐渐增大、流体流速逐渐减小。