化工原理第三章---过滤

复 习：
1. 过滤的定义及相关术语（滤浆；滤液；滤饼；过滤介质） 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.过滤速度
u dV dq Ad d
6. 空隙率，ε=空隙体积 / 床层体积 比表面积，a=颗粒表面 / 颗粒体积
吹干区 洗涤区 卸渣区 过滤区
回转真空过滤机上的转筒
此处是标题
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2）分配头的结构及工作原理 分配头由紧密贴合着的转动盘与固定盘构成，转动盘随 筒体一起旋转，固定盘内侧面各凹槽分别与各种不同作用 的管道相通。
2 K 0 a (1 ) u

1 ， m 2。则 r

4 滤饼层体积 空隙率 4 比表面积 滤饼层体积 1 空隙率 a1
（3）
dV p1 推动力 Ad rL 阻力
④ 滤液通过滤饼层时的阻力 （层流）
32leu1 p f p1 d e2
特点： K为常数 ，过滤速度愈来愈小。
------滤液量V～过滤时间的关系
△p
u
u
过滤推动力 dV KA 2V V e Ad 过滤阻力
（五）过滤常数的测定（K和qe）
对基本过滤方程积分，得 积分得： V 2 2VVe KA 2 或 恒压时： q 2qqe K
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·m-2·s-1即m·s-1 q--单位过滤面积所得的滤液量，q=V/A， m3·m-2 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。
K ——过滤常数
，m2/s
压缩指数s的确定:
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。
K
2p 1 s r0 c
log K (1 s ) log p C
logp~logK作图求出压缩指数s
例3-5，P108

2）深层过滤

要求颗粒的直径大多要比过滤介质的孔道大，随着过
颗粒尺寸比介质的孔道小很多，但孔道弯曲细长，颗
滤的进行，固体颗粒沉积于过滤介质表面而形成滤饼。

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。

适用于处理固相含量稍高（固相体积分率在1%以上）
2）板框压滤机的操作
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 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。
悬 浮 液 入 口
（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。 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 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。
滤叶 的 构 造
滤浆
滤液
2、转筒真空过滤机
1）转筒真空过滤机的结构 转筒真空过滤机是工业上应用最广的一种连续操作的过 滤设备。 设备的主体是一个能转动的水平圆筒，圆筒表面有一 层金属网，网上覆盖滤布，筒的下部进入滤浆中，圆筒沿 径向分割成若干扇形格，每个都有单独的孔道通至分配头 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 别聚集于不同的高度，故洗涤不均匀。 上。圆筒转动时，凭借分配头的作用使这些孔道依次分别 与真空管及压缩空气管相通，因而在回转一周的过程中每 个扇形格表面即可顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸 饼等项操作。

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
u 空床速度（表观速度） L
u le d
e
p1
真实速度
u1
滤液体积流量 滤液体积流量 滤饼截面中空隙部分的 面积 滤饼空隙率 滤饼截面积
u1
所以
u1
u
流体在固定床内流动的简化模型

（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
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。
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。
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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。
m3/m3
当量直径，de=4×水力半径=4×管道截面积 / 润湿周边
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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。
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：
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
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
(a)饼层过滤 图 3-18 饼层过滤
(b)
架桥现象
进料液
1）饼层过滤
的悬浮液。 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。
(a)饼层过滤 图 3-18 饼层过滤
(b) 架桥现象
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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
p dV p1 p2 则： u Ad rL rL e 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
cV L A
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）。
同理：
cV Le e 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 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）
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（四）恒压过滤方程式
令K 2 p r0 c
1 s
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
• 将（2），（3），（4）式带入（1）式，整理得
（2）
u
dV 3 p 1 2 2 Ad 2 K 0 a (1 ) L

2 3 2
令：

非 洗 洗 板框板 洗 板
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
dV KA 2 d 2V Ve -----过滤基本方程 dq K d 2q qe
过滤常数， 由实验测定
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。
（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
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。
2

q

1 2 q qLeabharlann Baidu K K
q 2 2 qq e K
q
1500
/q~q图
若过滤介质阻力可忽略不计，则
恒压过滤方 程
1000
斜率1/K
△p
V 2 KA 2
或
500
q 2 K
由物料特性及过滤压强差所决定
截距 2qe/K
u 表观速度
0 0 0.025 q 0.05 0.075
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
可压缩滤饼:
颗粒比较软，当滤饼两侧的压力差增 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。
滤液流出 板框压滤机
洗涤液行程与滤液相同。洗涤面=过滤面
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2、加压叶滤机 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。
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。
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（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 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。
（4）
------哈根-泊谡叶方程
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：
u
p2 p2 r L rLe
dV A P Ad rc(V Ve )
——过滤速度的一般关系式 （不可压缩流体）
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第四节
过
滤
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。
一、过滤操作的基本概念 二、过滤基本理论 三、过滤设备 四、滤饼的洗涤 五、过滤机的生产能力
说明: ①推动力：重力、压力（或压差）和离心力；