化工原理第三章---过滤

优点： 结构简单，制造容易，设备紧凑，过滤面积 大而占地小，操作压强高，滤饼含水少，对各种 物料的适应能力强。 缺点：
间歇手工操作，劳动强度大，生产效率低。
2、加压叶滤机
叶滤机由许多滤叶组成。滤叶内有空间，
外包滤布，将滤叶装在密闭的机壳内，为 滤浆所浸没。 1）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）。 2）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（洗涤）。 3）最后，滤饼可用振动器使其脱落， 或用压缩空气将其吹下（卸渣）。 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。
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。
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 1m以下的微小颗粒。
4、滤饼的压缩性及助滤剂
1）滤饼的可压缩性 不可压缩滤饼: 颗粒有一定的刚性，当滤饼两侧的压 力差增大时，颗粒的形状和颗粒间的 滤饼 空隙不会发生明显变化，单位厚度床 层的流动阻力可视作恒定。 可压缩滤饼: 颗粒比较软，当滤饼两侧的压力差增
加入方法
行过滤，在过滤介质上形成一层由助滤剂组 成的滤饼。 将助滤剂混在滤浆中一起过滤
二、过滤的基本理论
（一）过滤速度
定义：单位时间通过单位过滤面积的滤液体积
dV dq u Ad d
u---瞬时过滤速率，m3· -2·-1即m·-1 m s s
q--单位过滤面积所得的滤液量，q=V/A， m3· -2 m
很大的液，固接触表面，液体在滤饼层的流动速度很慢
，因此，滤液在滤饼层的流动是层流流动。
2、过滤基本方程的推导 简化模型：假定：
(1)流体的流动空间等于床层中颗粒之间的全部空隙体积。
(2)细管的内表面积等于全部颗粒的表面积。
u 空床速度（表观速度） L
u le d
e
p1
真实速度
u1
流体在固定床内流动的简化模型
四、滤饼的洗涤
五、过滤机的生产能力
一、过滤操作的基本概念
1、过滤的概念
1）定义：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推动力：重力、压力（或压差）和离心力；
②目的:获得清净的液体产品，或者得到固体产品；
2）过滤的相关术语
logp~logK作图求出压缩指数s
例3-5，P108
三、过滤设备
以压力差为推动力：如 板框压滤机、叶滤机、 过滤 设备 回转真空过滤机等； 以离心力为推动力：如各种离心机。
（一）板框压滤机
1）板框压滤机的构造 由许多块带凹凸纹路的滤板与滤框交替排列组装于机而 构成。

滤板和滤框多做成正方形 ，角上均开有小孔，组合后即
2 2
或
（五）过滤常数的测定（K和qe）
恒压时： q 2qqe K
2

1 2 q qe q K K
1500
/q~q图
q 500 1000
斜率 1/K
截距 2qe/K
0 0 0.025 q 0.05 0.075
压缩指数s的确定:
2p 1 s K r0 c
log K (1 s ) log p C
（4）
------哈根-泊谡叶方程
• 将（2），（3），（4）式带入（1）式，整理得
dV p1 u 2 2 Ad 2 K 0 a (1 ) L
3
令：

2Baidu Nhomakorabea
3 2
2 K 0 a (1 )
1 ，m 2。则 r
dV p1 推动力 u Ad rL 阻力
板框压滤机为间歇操作，每个操
作循环由装合、过滤、洗涤、卸饼 、清理5个阶段组成。 悬浮液在指定压强下经滤浆通路 由滤框角上的孔道并行进入各个滤 框。 滤液分别穿过滤框两侧的滤布， 沿滤板板面的沟道至滤液出口排出
悬 浮 液 入 口
非 洗 洗 板框板
洗 板
颗粒被滤布截留而沉积在滤布上
，待滤饼充满全框后，停止过滤。
Re0＞2
u0为所求
Re0＜2
二）干扰沉降
二、重力沉降分离设备
一）降尘室---气固体系
L H u u0
——降尘室使颗粒沉降的条件
Vs BLu 0 A0u0
二）分级器
——降尘室的生产能力
三）沉降槽 ---用于分离出液-固混合物
第四节
二、过滤基本理论
三、过滤设备
过
滤
一、过滤操作的基本概念

适用于处理固相含量稍高（固相体积分率在1%以上）
的悬浮液。
(a)饼层过滤 图 3-18 饼层过滤
(b) 架桥现象
2）深层过滤

颗粒尺寸比介质的孔道小很多，但孔道弯曲细长，颗
粒进入后很容易被截流，同时这种过滤是在过滤介质内
部进行的，介质表面无滤饼形成。过滤用的介质为粒状
床层或素烧（不上釉的）陶瓷筒或板。
a=颗粒表面 / 颗粒体积
3. 管道的当量直径：
de=4×水力半径=4×管道截面积 / 润湿周边
（三）过滤基本方程
1、滤液通过滤饼层的流动特点 1）非稳态过程 实际过滤过程中，随着过滤的进行，滤饼的厚度不断
增加，流动阻力逐渐加大 。因此，是一个非稳态流动。
2）层流流动 滤饼层是由许多细小颗粒堆积而成，这些颗粒提供了
△p
u
（四）恒压过滤方程式
恒压过滤
过滤操作方式：
恒速过滤
先恒速后恒压的复合操作方式

恒压过滤：在恒定压强差下进行的过滤操作。

恒压过滤时，滤饼不断变厚致使阻力逐渐增加。 但推动力ΔP恒定，过滤速率逐渐变小。
特点： K为常数 ，过滤速度愈来愈小。
dV 过滤推动力 KA u 2V V e Ad 过滤阻力
大时，颗粒的形状和颗粒间的空隙会
有明显的改变，单位厚度饼层的流动 阻力随压力差增大而增大。
2）助滤剂

助滤剂是某种质地坚硬而能形成疏松饼层的固体颗粒或纤
维状物质，将其混入悬浮液或预涂于过滤介质上，可以改善
饼层的性能，使滤液得以畅流。

加入助滤剂可减少可压缩滤饼的流动阻力 预涂 用助滤剂配成悬浮液，在正式过滤前用它进
说明：随着过滤过程的进行，滤饼逐渐加厚，过滤阻力不断 增加，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。
（二）涉及的几个术语
1. 空隙率: 单位体积床层中的空隙体积，用ε表示。
ε=空隙体积 / 床层体积
m3/m3
2. 颗粒比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积，用a表示。
①织物介质：滤布， 用棉、毛、丝、麻
等天然纤维及合成
纤维织成的织物， 由玻璃丝或金属丝 织成的网。能截留 颗粒的最小直径为
5-65m。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1-3m的微细 颗粒。
滤叶的构造
滤浆
滤液
优点: 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:构造较为复杂，造价较高，粒度差别较大的颗粒可能分
讨论： 设滤饼的体积为Vc，颗粒的比表面积为a
① u1与u的关系
定义滤饼层的空隙率为：

滤饼层的空隙体积 滤饼层的总体积
u
滤液体积流量 滤饼的截面积
滤液体积流量 滤液体积流量 u1 滤饼截面中空隙部分的 面积 滤饼空隙率 滤饼截面积
所以
u1
u

（1）
②孔道的平均长度可以认为与滤饼的厚度成正比： le=K0L ③孔道的当量直径
de 4 流通截面积 L 4 空隙体积 4 滤饼层体积 空隙率 润湿周边长 L 颗粒表面积 比表面积 颗粒体积
（2）
4 滤饼层体积 空隙率 4 比表面积 滤饼层体积 1 空隙率 a1
④ 滤液通过滤饼层时的阻力 （层流）
（3）
32leu1 p f p1 d e2
重力沉降分离
一、重力沉降原理
一)自由重力沉降
4dg ( s ) u0 3
——沉降速度表达式
a) 层流区或斯托克斯(stokes)定律区（10 –4＜Re0<2）
d 2 s u0 18
gd s Re 0
0.6
——斯托克斯公式
b) 过渡区或艾伦定律区（Allen）（2＜Re0<500）
cV L A
同理：
cVe Le A
Ve——滤出厚度为Le 的一层滤饼所获得的滤液量，或称虚 拟滤液体积，m3
dV A P Ad rc (V Ve )
——过滤速度的一般关系式 （不可压缩流体）
可压缩滤饼的情况比较复杂，它的比阻是两侧压强差的函数，
r r0 (P) s
s——滤饼的压缩性指数，无因次。s=0～1,对于不可压缩 滤饼，s=0（表3-2）。
构成供滤浆和洗涤水流通的孔道。滤框的两侧覆以滤布，
围成容纳滤浆及滤饼的空间。 滤板的作用：支持滤布和提供滤液流出的通道。 洗涤板：三钮板 滤板 非洗板： 一钮板 滤框的作用：提供滤浆流入的通道和收集滤渣。 滤框：二钮 滤板与滤框装合方式：按钮数以1-2-3-2-1-2-3-2的顺序排列。
2）板框压滤机的操作

此法适用于从液体中除去很小量的固体微粒，例如饮
用水的净化。
3、过滤介质 （1）对过滤介质的性能要求
a) 多孔性，对流体的阻力小，又能截住要分离的颗粒,孔 道又不宜大 。 b) 物理化学性质稳定，耐热，耐化学腐蚀。 c)足够的机械强度，使用寿命长 d) 价格便宜
（2）工业上常用的过滤介质的种类 ①织物介质(又称滤布) ②堆积介质 ③多孔固体介质 ④多孔膜
对基本过滤方程积分，得
积分得： V 2 2VVe KA2
或
q 2 2qqe K
若过滤介质阻力可忽略不计，则
恒压过滤 方程
△p
V 2 KA2
或
q 2 K
u 表观速度
K ——过滤常数
由物料特性及过滤压强差所决定 ，m2/s
复 习：
1. 过滤的定义及相关术语（滤浆；滤液；滤饼；过滤介质）
滤浆：过滤操作中所处理的原始悬浮液 滤液：通过多孔介质后的液体 滤渣（滤饼）：被截留住的固体颗粒堆积层
2、过滤方式
1）饼层过滤 √ 2）深层过滤 3）膜过滤
浓缩液
渗 透 液
架桥现象
(a)饼层过滤 图 3-18 饼层过滤
(b)
进料液
1）饼层过滤

要求颗粒的直径大多要比过滤介质的孔道大，随着过
滤的进行，固体颗粒沉积于过滤介质表面而形成滤饼。
2. 过滤基本方式（滤饼过滤；深层过滤；膜过滤） 3. 过滤介质（织物介质；堆积介质；多孔固体介质；多孔膜） 4. 滤饼的可压缩性及助滤剂 5. 过滤基本方程式
dV KA2 d 2V Ve
恒压过滤方程：
dq K d 2q qe
q 2 2qqe K
V 2VVe KA
滤液流出 板框压滤机

横穿洗涤法：
非 洗 洗 板框板 洗 涤 液 入 口 洗 板
洗涤时，先将洗涤板上的滤液
出口关闭 ，洗涤水经洗水通路 从洗涤半角上的孔道并行进入
各个洗涤板的两侧。
特点：洗涤水穿过的途径正好 是过滤终了时滤液穿过途径的 二倍。

置换洗涤：
洗涤液流出 板框压滤机
板框压滤机.swf
洗涤液行程与滤液相同。洗涤面=过滤面
dV Ad
p 1 s A ——过滤速度的一般关系式 r0 c V Ve （不可压缩及可压缩流体）
2p 1 s 令K r0 c
dV KA2 d 2V Ve -----过滤基本方程 dq K d 2q qe
过滤常数， 由实验测定
------滤液量V～过滤时间的关系
u0 0.269

——艾伦公式
c) 湍流区或牛顿定律区（Nuton）（500＜Re0＜ 2×105）
u0 1.74
d s g

——牛顿公式
常用沉降速度的计算：
假设沉降属于层流区
d 2 s u0 18
u0
Re 0 du0
Re0
艾伦公式（牛顿公式）
r 称为滤饼的比阻，指的是单位厚度上滤饼的阻力，与滤 饼的比表面、孔隙率有关，对不可压缩滤饼，r为常数
同理，通过过滤介质的速度表达式可写为：
p2 p2 u r L rLe
p dV p1 p2 则： u Ad rL rLe r ( L Le )
设每获得单位体积滤液时，被截留在过滤介质上的滤饼 体积为c（m3滤饼/m3滤液），则