第3章非均相物系的分离-过滤详解

作用：防止胶性微粒对滤孔堵塞，造成滤液的流通受阻。 特性：
能形成多孔饼层的刚性颗粒，提高滤饼渗透性，减小阻力； 一定的化学稳定性； 操作压差的范围内不可压缩性。
缺点：加入助滤剂应以获得清净滤液为目的，当要回收滤饼
时不可用。
四、过滤的操作方式
过滤：过滤操作中的主要阶段，在过程中滤饼不断增厚、 阻力不断上升，流体的通过能力则不断减小； 洗涤：无论是以滤饼还是滤液为产品，都有必要在卸料之 前用清液臵换滤饼中存留的滤液并且洗涤滤饼； 脱湿：以滤饼为产品时洗涤后还可用压缩空气进行脱湿； 卸料：将滤饼从过滤介质上移去； 清洗过滤介质：使被堵塞的网孔“再生”，以便重复使用。
32lu L dV P1 r 2 d Ad
or
dV P1 Ad Lr dV A P1 P1 推动力 d Lr Lr / A 阻力
说明：
rL 阻力＝ A
滤液性质：μ 滤饼性质：L、A、r
滤饼常数：
k 1 r0
滤饼的 比阻
三、滤饼的压缩性和助滤剂
滤饼的压缩性
过滤时间↑→滤饼厚度↑，流动阻力↑ 不可压缩性滤饼：随着推动力压差的增大，滤饼的形状、 空隙等不变； 可压缩性滤饼：如氢氧化物的胶体物质。
助滤剂
质地坚硬，能形成疏松饼层的粒状物质，可在滤布上预涂， 也可将某种性质坚硬而又能形成疏松床层的另一种固体颗 粒作为助滤剂预混在悬浮液中，使滤液得以畅通。
3.3.1 过滤的基本概念
利用重力或压差使悬浮液通过多 孔性过滤介质，将固体颗粒截留， 从而实现固-液分离。
悬浮液 (滤浆) 滤饼 过滤介质
滤液
过滤的方式很多，适用的物系也很广泛，固-液、固-气、 大颗粒、小颗粒都很常见。 采用膜过滤 ( 膜分离技术 ) 可以分离 10 nm尺度的大分子量 蛋白质和病毒粒子等。 无论采用何种过滤方式，均需使用过滤介质，在很多情况 下，过滤介质是影响过滤操作重要因素。
根据使用的过滤设备、过滤介质及所处理的物系的性质和产 品收集的要求，过滤操作分为：间歇式、连续式； 根据提供过滤推动力的方式，又有重力过滤、加压过滤、真 空过滤和离心过滤之分，其目的都是克服过滤阻力。
3.3.2 过滤基本方程式
过滤速率：
dV d
单位时间获得的滤液体积，m3/s
过滤速率＝过滤推动力/过滤阻力
推动力：
压差△P = 滤饼两侧的压差△P1＋过滤介质两侧的压差△P2
阻力： 滤浆引入管道的阻力；
滤液通过滤饼的阻力； 滤液通过过滤介质的阻力； 滤液引出管道的阻力。
主要阻力
过滤速度：
对各种过滤操作方式与设备均可表示为：
u dV A dt
式中：dV —— dt 时间内通过过滤面的滤液量； A —— 过滤面积； u —— 单位时间内通过单位过滤面积的滤液量。
一、过滤方式
滤饼过滤(表面过滤)：
过滤介质为织物、多孔材料或膜等， 孔径可大于最小颗粒的粒径。过滤初 期，部分小颗粒可以进入或穿过介质 的小孔，后因颗粒的架桥作用使介质 的孔径缩小形成有效的阻挡。 被截留在介质表面的颗粒形成滤渣层（滤饼），透过滤 饼层的则是被净化了的滤液。 随滤饼的形成，真正起过滤介质作用的是滤饼，而非过 滤介质本身，故称作滤饼过滤。 滤饼过滤主要用于含固量较大（>1%）的场合。
织物介质：
最常用的过滤介质，工业上称为滤布(网)； 由天然纤维、玻璃纤维、合成纤维或者金属丝编织而成， 如棉花、麻、羊毛、丝、石棉等，以棉织的帆布、斜纹布 及毛织的呢绒等应用最广； 可截留的最小颗粒视网孔大小而定，一般在几到几十 （5～65μm）微米范围。
粒状介质：
由细石、沙、木炭、硅藻土之类的固体颗粒堆积而成的 床层，称作滤床，用作过滤介质使含少量悬浮物的液体澄清； 常用于深床过滤。
多孔固体介质：
用多孔陶瓷、塑料、金属等粉末烧结成型而制得的多孔 性片状、板状或管状的各种多孔性固体材料； 此类介质较厚，孔道细，能截留1～3mm的微小颗粒。
多孔膜：
由特殊工艺合成的聚合物薄膜，最常见的是醋酸纤维膜 与聚酰胺膜； 膜过滤属精密过滤或超滤 (ultrafiltration) ，可以分 离5nm的微粒。
⒉滤饼的比阻r：
单位：
P 1 N m2 1 r dV 2 3 m N m L 2 sm 2 Ad m s m
深层过滤：
过滤介质一般为介质层较厚的滤床类（如沙层、硅藻 土等）； 小于介质孔隙的颗粒可进入到介质内部，在长而曲折 的孔道中被截留并附着于介质之上； 深层过滤无滤饼形成，主要用于净化含固量很少 （<0.1%）的流体，如水的净化、烟气除尘等。
二、过滤介质
滤饼支撑物，应有足够的机械强度和较小的流动阻力、相 应的耐腐蚀性和耐热性；多孔、理化性质稳定、耐用和可 反复使用。
3.3 过 滤
3.3.1 过滤的基本概念
3.3.2 过滤的基本方程式
3.3.3 过滤设备及其操作
3.3.4 过滤计算
概
述
固-流非均相体系：结晶过程中的晶浆，浸取过程中的固态 天然产物与溶剂；催化反应过程中的固体催化剂与反应物。 颗粒-流体非均相分离技术均基于颗粒与流体两相性质上的 差异，如颗粒尺度(过滤)和颗粒与流体的密度差(沉降)。 液体与气体对颗粒物料分散特性差别很大，故常以液-固和 气-固体系加以区分。不过从两相流体力学原理的角度而言都 是共通的。 颗粒分散在液体中称悬浮液，分散在气体中称含尘气。小 于1m的颗粒称为“胶质” (Colloid) ，分散在液体中称“溶 胶” (Sol) ，分散在气体中则称“气溶胶”(Aerosol)。
过滤过程实际上是滤液通过滤饼和过滤介质中细小孔道的流 动过程，由于滤饼的微粒细小，使得滤液流动孔道很小，滤 液流动的流速也很小，因此滤液的流动一般属于层流状态。
一、滤液通过滤饼的流动
层流流动：
32lu P1 d2
Hale Waihona Puke Baidu
⒈过滤速率dV/dτ：
实际流速u∝过滤速度dV/(A· dτ)，流道长l∝滤饼厚度L， 孔道的平均直径d难以测量，故引入比例系数r，将这些因 素统统并入比例系数r内，则：