过滤实验原理及要求

过滤实验
一、实验目的：
(1)掌握用数学模型化方法简化过滤问题的工程处理方法，以及过滤常数的测定技能；
(2)了解过滤设备的构造和操作方法。

二、基本原理：
过滤是借助一种能将固体物截留而让流体通过的多孔介质，将固体物从液体或气体中分离出来的过程。

因此，过滤在本质上是流体通过固体颗粒层的流动，所不同的是这个固体颗粒层的厚度随着过滤过程的进行不断增加，因此在势能差不变情况下，单位时间通过过滤介质的液体量也在不断下降，即过滤速度不断降低。

研究过滤过程是采用数学模型化方法。

数学模型化方法是一种半经验半理论的方法，其主要步骤是：
（1）合理简化实际过程，使简化了的物理模型在某一侧面与真实过程等效，并易于数学描述；
（2）建立数学模型；
（3）通过实验验证所建数学模型的合理性，并测取模型参数。

我们先从固定颗粒床入手。

实际过程的特点是：流体流动通道复杂多变，流体在其间的流动多呈爬流。

爬流状态下的流动阻力由单位体积颗粒床所具有的表面积所决定。

据此特点，我们在以下等效性的前提下，将流体流动通道简化为许多等径（当量直径De ）等长（当量床层高Le ）的直通道：（1）所有细管的内表面积等于床层颗粒的全部表面积；（2）所有细管的流动空间等于颗粒床层的空隙容积。

对当量直径De 、当量长度Le 的细管列写流动阻力损失关系并经整理，可得康采尼（Kozeny ）方程：
L p K a d dq u ∆⋅⋅-==μεετ'2231)1( 过滤过程与固定颗粒床的差别主要在两个方面：（1）床层高度随时间不断增高；（2）存在过滤介质。

对第一个差别，采用拟定态下的物料衡算来解决；对第二个差别，将过滤介质阻力的大小视为通过单位过滤面积获得某当量滤液量e q 所形成的虚拟滤饼层的阻力。

由此，在康采尼方程的基础上可进而推导出过滤速率的数学模型： )(2)(e e q q K q q r p d dq +=
+∆=φμτ
式中，A V q e
e = ；
e V 为形成与过滤介质阻力相等的滤饼层所得的滤液量, 3m ；
r 为滤饼的比阻,
kg m /3 ； φ 为悬浮液中单位体积净液体中所带有的固体颗粒量3/m kg 清液；
μ 为液体粘度, s Pa ⋅；
K 为过滤常数，s m /2。

若在恒压差过滤之前的1τ时间内通过单位过滤面已获得滤液量 1q ，则在1τ至τ及1q 至q 范围内将过滤速率的数学模型积分后，可得： )(2)(1111
1
e q q K q q K q q ++-=--ττ
上式为线性方程，通过实验可方便地求得模型参数 K 和 e q 。

三、实验装置：
本实验装置由配料桶、供料泵、悬浮液槽、卧式远圆形过滤器，滤液计量筒以及空气压缩机等组成。

碳酸钙(CaC03)或碳酸镁(MgC03)的悬浮液在配料桶内配制成一定浓度后由供料泵送入悬浮液槽，在悬浮液槽内用压缩空气搅拌，使浆液不致沉淀，并利用压缩空气压力将滤浆送入过滤器过滤，清液流入计量筒计量。

过滤过程结束后，如果需要亦可用洗涤水洗涤和压缩空气吹干滤饼。

四、实验内容：
测定恒压操作下的过滤常数 K 和 e q 。

五、实验操作原则：
（1）正确安装卧式过滤器。

自下而上的安装顺序为：底座，支承板，过滤介质（滤布），滤框，分布板，顶盖，最后拧上螺帽。

（2）恒压过滤前必须排气，但清液量的计时起点不受排气操作影响（详见“实验操作指导”页）。

（3）恒压操作的压强一般可控制在0.8 Mpa 左右。

（4）采用二只停表交替计时、记下时间和滤液量后，必须及时将暂停的那只秒表复零，以免计时中断。

（5）当清液量很少时（比如不连续了），可判断滤饼已充满滤框，过滤实验可结束。

（6）滤饼可回收，以便重复使用。