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1、过滤过滤3 3 过滤混合物混合物均相混合物：所需分离的物均相混合物：所需分离的物质质在同一相中，不能用机械在同一相中，不能用机械 的方法分离；的方法分离；非均相混合物：具有一个以上的相，可以用机械的方非均相混合物：具有一个以上的相，可以用机械的方 法分离。相界面两法分离。相界面两侧侧的物的物质质性性质质不同。不同。固体固体固体：固体混合物固体：固体混合物固体固体液体：液体：悬悬浮液浮液固体固体气体：含气体：含尘尘气体气体液体液体气体：含气体：含雾雾气体气体液体液体液体：乳液体：乳浊浊液液非均相混合物非均相混合物3.1 3.1 过滤（FilterationFilteration）3.1.1 概述
2、概述 过过滤滤是是在在外外力力作作用用下下，利利用用过过滤滤介介质质使使悬悬浮浮液液中中的的液液体体通通过过，而而固固体体颗颗粒粒被被截截留留在在介介质质上上，从从而而实实现现固固液液分分别别的的一一种种单单元元操操作作。过过滤滤介介质质具具有有多多孔孔结结构构，可可以以截截留留固固体体物物质质，而而让让液液体体通通过过；我我们们把把待待过过滤滤的的悬悬浮浮液液成成为为滤滤浆浆（Slurry），而而过过滤滤后后分分别别出出的的固固体体称称为为滤滤渣渣或或滤滤饼饼（Filter cake），通通过过过过滤滤介介质质的液体称的液体称为滤为滤液（液（Filtrate）。）。（1）过滤过滤介介质质（F
3、ilter medium）：）：过过滤滤介介质质应应具具有有以以下下特特性性：多多孔孔性性，足足够够的的机机械械强强度度，尽尽可可能能小小的的流流淌淌阻阻力力，耐耐腐腐蚀蚀性性，耐耐热热性性，易于再生。易于再生。工工业业上上常常见见的的过过滤滤介介质质：织织物物介介质质、积积累累介介质质、多孔固体介多孔固体介质质、多孔膜。、多孔膜。3.1.1 3.1.1 概述概述 （2）过滤过滤分分类类：深深层过滤层过滤（Deep bed filteration）滤饼过滤滤饼过滤（Cake filteration）过滤过滤介介质质悬悬浮液浮液深深层过滤层过滤悬悬浮液浮液滤饼滤饼过滤过滤介介质质滤滤液液滤饼过滤
4、滤饼过滤 （3）过滤推动力：）过滤推动力：重重力力（漏漏斗斗过过滤滤）、压压力力（加加压压过过滤滤）或或真真空空（抽抽滤滤）、离心力（离心过滤）。离心力（离心过滤）。（4）滤饼的可压缩性）滤饼的可压缩性 （5）助滤剂）助滤剂 助助滤滤剂剂本本身身就就是是一一性性能能良良好好的的过过滤滤介介质质，是是一一种种坚坚硬硬、不不规规则则的的小小颗颗粒粒，它它能能形形成成结结构构疏疏松松、空空隙隙率率大大、不不行行压压缩缩的的滤滤饼饼，很很大大程程度度改改善善过过滤滤难难度度。助助滤滤剂剂运运用用方方法法主主要要有有两两种种：混合、预涂。混合、预涂。3.1.1 3.1.1 概述概述3.1.2 3.1.2
5、 过滤设备过滤设备 过滤设备过滤设备按生按生产压产压差的方式不同分成两大差的方式不同分成两大类类:压滤压滤和吸和吸滤滤 如叶如叶滤滤机、板框机、板框压滤压滤机，回机，回转转真空真空过滤过滤机等；机等；离心离心过滤过滤 如各种如各种间间歇卸渣和歇卸渣和连连卸渣离心机。卸渣离心机。3.1.2 3.1.2 过滤设备过滤设备（1）板框）板框压滤压滤机机（Plate-and-frame type filter press）结结构与工作原理构与工作原理3.1.2 3.1.2 过滤设备过滤设备3.1.2 3.1.2 过滤设备过滤设备 流程流程装合、装合、过滤过滤、洗、洗涤涤、卸渣、整理，、卸渣、整理，3.1
6、.2 3.1.2 过滤设备过滤设备 特点特点 优优点：点：结结构构简洁简洁，过滤过滤面面积积大（大（100100mm1500 1500mm）而占地省，）而占地省，过滤压过滤压力高（可达力高（可达1.5MPa），操作敏），操作敏捷，便于用耐腐捷，便于用耐腐蚀蚀材料制造，所得材料制造，所得滤饼滤饼水分含量少，又能充水分含量少，又能充分地洗分地洗涤涤。缺点：缺点：间间歇歇过滤过滤，劳动劳动强强度大，适用于中小度大，适用于中小规规模的生模的生产产及有特殊要求的及有特殊要求的场场合。合。横穿洗横穿洗涤涤（洗（洗涤涤液的流通路径是液的流通路径是过滤滤过滤滤液流通路径的两液流通路径的两倍，洗倍，洗涤涤液的流
7、通截面液的流通截面积为过滤滤积为过滤滤液流通截面液流通截面积积的一半；故的一半；故洗洗涤涤速率速率为过滤终为过滤终了速率的四分之一）。了速率的四分之一）。3.1.2 3.1.2 过滤设备过滤设备（2）叶）叶滤滤机（机（Leaf filter）结结构与工作原理：构与工作原理：3.1.2 3.1.2 过滤设备过滤设备流程流程 装合、装合、过滤过滤、洗、洗涤涤、卸渣、整理、卸渣、整理 特点特点 优优点点：间间歇歇过过滤滤，单单位位地地面面所所容容纳纳的的过过滤滤面面积积大大，洗洗涤涤充充分分，生生产产实实力力比比压压滤滤机机大大，机机械械化化程程度度高高，劳劳动动力力省省，密密闭过滤闭过滤，操作，操
8、作环环境境较较好。好。缺缺点点：构构造造困困难难，造造价价高高，滤滤饼饼中中粒粒度度差差别别较较大大的的颗颗粒粒可能分可能分别积别积聚于不同的高度，使洗聚于不同的高度，使洗涤涤不匀整。不匀整。置置换换洗洗涤涤（洗洗涤涤液液的的流流通通路路径径与与过过滤滤滤滤液液流流通通路路径径相相同同，洗洗涤涤液液的的流流通通截截面面积积与与过过滤滤滤滤液液流流通通截截面面积积相相等等；洗洗涤涤速速率率与与过滤终过滤终了速率相等）。了速率相等）。（3）转转筒真空筒真空过滤过滤机（机（Rotary vacuum drum filter）结结构与工作原理：构与工作原理：3.1.2 3.1.2 过滤设备过滤设备3.
9、1.2 3.1.2 过滤设备过滤设备3.1.2 3.1.2 过滤设备过滤设备流程流程 过滤过滤、洗、洗涤涤、吸干、吹松、卸渣、吸干、吹松、卸渣特点特点 优优点：操作点：操作连续连续、自、自动动 缺缺点点：设设备备体体积积浩浩大大，过过滤滤面面积积相相对对较较小小，过过滤滤、洗洗涤涤推推动动力力小小，洗洗涤涤不不充充分分，适适用用于于处处理理量量大大而而简简洁洁过过滤滤的的悬悬浮浮液液分分别别。洗洗涤涤方式方式为为置置换换洗洗涤涤。3.1.3 3.1.3 过滤过滤基本理基本理论论3.1.3.1 滤饼层滤饼层特性特性 （1）滤饼层滤饼层空隙率空隙率 空空隙隙率率反反映映了了滤滤饼饼层层中中固固体体
10、颗颗粒粒的的积积累累密密度度；，颗颗粒粒积积累累紧紧密密，同同样样流流量量下下，阻阻力力；，颗颗粒粒积积累累疏疏松松，同同样样流量下，阻力流量下，阻力。3.1.3 3.1.3 过滤过滤基本理基本理论论（2）滤饼滤饼自由截面自由截面积积分率分率A0 D dL 将将滤饼层转滤饼层转化化为为如如图图所示的所示的圆环圆环柱，依柱，依据空隙率和自由截面据空隙率和自由截面积积分率的定分率的定义义，有：，有：3.1.3 3.1.3 过滤过滤基本理基本理论论（3）滤饼滤饼比表面比表面积积aB和和颗颗粒比表面粒比表面积积 S03.1.3 3.1.3 过滤过滤基本理基本理论论3.1.3.2 滤滤液通液通过滤饼层过
11、滤饼层的流淌的流淌 流淌阻力可用哈根流淌阻力可用哈根泊泊谡谡叶方程表示：叶方程表示：式中式中 l 滤饼滤饼孔道的平均孔道的平均长长度，度，m；u为滤饼为滤饼孔道中孔道中滤滤液的流速，液的流速，m/s；de 为为孔道的当量直径，孔道的当量直径，m。3.1.3 3.1.3 过滤过滤基本理基本理论论将以上关系代入哈根将以上关系代入哈根泊泊谡谡叶方程：叶方程：滤饼滤饼两两侧侧的的压压力差力差滤饼滤饼的比阻的比阻（Lewis Specific filtration resistance）3.1.3 3.1.3 过滤过滤基本理基本理论论 滤滤饼饼的的空空隙隙率率，r，所所以以对对可可压压缩缩滤滤饼饼推推动
12、动力力不不同同时时，比比阻阻也也不不同同；由由于于滤滤液液流流过过滤滤饼饼而而对对滤滤饼饼中中的的颗颗粒粒产产生生向向前前的的压压缩缩力力（压压紧紧力力），使使得得滤滤饼饼表表面面空空隙隙率率较较大大，而而内内部部的的空空隙隙率率较较小小，阻阻力力较较大大；因因此此空空隙隙率率、比比阻阻不不仅仅与与过过滤滤推推动动力力有有关关，还还与与滤滤饼饼层层的的位位置置有有关关，它它们们在在滤滤饼饼中中的的不不同同位位置置分分布布是是不不匀匀整整的的。且且上上式式过过滤滤速速率率只只考考虑虑了了滤滤饼饼的的过过滤滤阻阻力力，还还未考未考虑过滤虑过滤介介质质的的过滤过滤阻力。阻力。3.1.3 3.1.3
13、过滤过滤基本理基本理论论3.1.3.3 过滤过滤基本方程式基本方程式（1）可）可压缩滤饼压缩滤饼 当量当量滤滤液量，液量，m3 同理同理当量当量滤饼层滤饼层厚度，厚度，m 压缩压缩性指数性指数3.1.3 3.1.3 过滤过滤基本理基本理论论（2）不可）不可压缩滤饼压缩滤饼 S=0 比阻的另一种表达方法比阻的另一种表达方法 定定义义：无无论论如何定如何定义义，过滤过滤的阻力是不的阻力是不变变的，所以：的，所以：即即比阻（比阻（Ruth Specific filtration resistance），），m/kg 3.1.3 3.1.3 过滤过滤基本理基本理论论3.1.3.4 恒恒压过滤压过滤（C
14、onstant pressure filtration）若若在在过过滤滤过过程程中中保保持持过过滤滤推推动动力力恒恒定定，那那么么在在过过滤滤初初始始阶阶段段，滤滤饼饼还还未未形形成成时时，过过滤滤阻阻力力小小，过过滤滤速速率率大大，随随着着过过滤滤的的进进行行，滤滤饼饼厚厚度度不不断断增增大大，过过滤滤阻阻力力增增大大，过过滤滤速速率率下下降；降；这这种种过滤过滤方式方式为为恒恒压过滤压过滤。若若要要保保证证过过滤滤过过程程的的过过滤滤速速率率恒恒定定，那那么么在在过过滤滤过过程程中中应应不不断断提提高高过过滤滤的的推推动动力力，这这种种操操作作方方式式为为恒恒速速过过滤滤（Constant
15、 rate filtration）。若若过滤过过滤过程中程中压压力和速率均无法恒定力和速率均无法恒定则则为变压变为变压变速速过滤过滤。恒恒压压过过滤滤如如线线（1）所所示示，压压力恒定，速率不断下降；力恒定，速率不断下降；恒恒速速过过滤滤如如线线（2）所所示示，速速率恒定，率恒定，过滤压过滤压力不断提高；力不断提高；线线（5）为为系系统统阻阻力力，包包括括过过滤滤系系统统管道阻力和管道阻力和滤饼滤饼阻力；阻力；变变压压变变速速过过滤滤，当当管管道道阻阻力力滤滤饼饼阻阻力力时时，则则变变压压变变速速过过滤滤趋趋向向于于恒恒压压过过滤滤，如如线线（3）所所示示；当当管管道道阻阻力力滤滤饼饼阻阻力力
16、时时，则则过过滤滤压压力力和和过过滤滤速速率率变变更更明明显显，如如线线（4）所示。）所示。（3）（4）（5）（2）（1）压力压力速率速率3.1.3 3.1.3 过滤过滤基本理基本理论论 在工在工业应业应用用实际实际中接受哪种操作方式？恒中接受哪种操作方式？恒压压？恒速？先？恒速？先恒速后恒恒速后恒压压？先恒？先恒压压后恒速？后恒速？3.1.3 3.1.3 过滤过滤基本理基本理论论令令，k与与滤滤液性液性质质、悬悬浮液浮液浓浓度、温度等有关度、温度等有关 K称称为为过过滤滤常常数数，m2/s，与与滤滤液液性性质质、悬悬浮浮液液浓浓度度、温温度度、过过滤滤压压力力、压压缩缩性性指指数数等等因因素
17、素有有关关；对对确确定定的的悬悬浮浮液液在在恒恒压压条条件件下下过过滤滤，压压力力差差、滤滤液液粘粘度度、悬悬浮浮液液浓浓度度、滤滤饼饼比比阻阻、压压缩缩性性指指数数等等为为常常数数，即即为为常常数数，那那么么过过滤滤基基本本方程方程为为：3.1.3 3.1.3 过滤过滤基本理基本理论论 e为过滤为过滤得到得到滤滤液量所花的液量所花的时间时间，它与，它与Ve一一样样是虚是虚拟拟量量（反映（反映过滤过滤介介质质阻力的大小），阻力的大小），积积分上式分上式 3.1.3 3.1.3 过滤过滤基本理基本理论论 当当过滤过滤介介质质阻力与阻力与滤饼滤饼阻力相比阻力相比较较小可以忽小可以忽视视，Le=0、
18、Ve=0、e=0时时，令令单单位位过滤过滤面面积积上所得到的上所得到的滤滤液量，液量，m3/m2；过滤过滤介介质质阻力不可忽略阻力不可忽略过滤过滤介介质质阻力可忽略阻力可忽略3.1.3 3.1.3 过滤过滤基本理基本理论论3.1.3.5 过滤过滤参数的参数的测测定定（1）过滤过滤常数（常数（Filtration constant）的）的测测定定 过过滤滤常常数数与与过过滤滤体体系系、操操作作条条件件有有关关，通通常常由由恒恒压压过过滤滤试验测试验测定；其定；其测测定方法主要有两种。定方法主要有两种。微分法：微分法：用用近似代替近似代替 3.1.3 3.1.3 过滤过滤基本理基本理论论3.1.3
19、 3.1.3 过滤过滤基本理基本理论论积积分法：分法：3.1.3 3.1.3 过滤过滤基本理基本理论论留意：留意：在在试试验验测测定定过过程程中中微微分分法法测测定定的的是是确确定定时时间间段段内内时时间间、滤滤液液量量的的变变更更量量，而而积积分分法法是是测测定定试试验验过过程程中中某某时时刻刻滤滤液液的的总总量；微分法在理量；微分法在理论论上做了近似不如上做了近似不如积积分法精确；分法精确；在在试试验验过过程程中中要要保保证证最最终终得得到到的的关关系系线线为为直直线线，也也就就是是过滤过滤常数恒定，必需留意哪些常数恒定，必需留意哪些问题问题？保保证证、r、c、s、p等等参参数数即即悬悬浮
20、浮液液体体系系、温温度度、浓浓度度、过滤过滤方式、方式、过滤过滤介介质质、过滤压过滤压力等在力等在过滤过过滤过程中程中维维持恒定；持恒定；过过滤滤常常数数是是在在确确定定过过滤滤压压力力下下测测定定的的，它它能能否否用用于于其其他他过滤压过滤压力的力的计计算呢？算呢？3.1.3 3.1.3 过滤过滤基本理基本理论论若比阻若比阻r与参数与参数c没有没有变变化化则则 若若为为不可不可压缩滤饼则压缩滤饼则 滤饼滤饼多具有可多具有可压缩压缩性，且性，且试验试验条件往往与条件往往与实际实际操作条件操作条件不同如不同如悬悬浮液的浮液的浓浓度、温度、度、温度、压压力等等，所以要将力等等，所以要将试验测试验测
21、定定的的过滤过滤常数常数应应用于用于实际实际生生产产，必需利用以上各式，必需利用以上各式进进行校正；行校正；但校正前必需确定但校正前必需确定压缩压缩性指数性指数s。3.1.3 3.1.3 过滤过滤基本理基本理论论（2）压缩压缩性指数（性指数（Compressibility coefficient）的）的测测定定 3.1.3 3.1.3 过滤过滤基本理基本理论论 例例 拟拟用用一一板板框框压压滤滤机机在在3kgf/cm2压压强强下下过过滤滤某某悬悬浮浮液液，过过滤滤常常数数为为710-5m2/s，qe=0.015 m3/m2，现现要要求求每每一一操操作作周周期期得得到到10m3滤滤液液，过过滤滤
22、时时间间为为0.5h，滤滤饼饼不不行行压压缩缩，且且滤滤饼饼与与滤滤液体液体积积比比c=0.03 m3/m3，求：，求：（1）须须要多大要多大过滤过滤面面积积；（2）假假如如操操作作压压力力提提高高至至6 kgf/cm2，现现有有一一台台板板框框压压滤滤机机，每每个个框框的的尺尺寸寸为为635 635 25mm，要要求求每每个个过过滤滤周周期期得得到到的的滤滤液液量量仍仍为为10m3，过过滤滤时时间间不不超超过过0.5h，至至少少须须要要多多少少个个滤滤框才能框才能满满足要求。足要求。3.1.3 3.1.3 过滤过滤基本理基本理论论3.1.3.6 洗洗涤涤速率和洗速率和洗涤时间涤时间（1）洗）
23、洗涤涤速率速率 洗洗涤涤速率速率为单为单位位时间时间的洗的洗涤涤液用量。在洗液用量。在洗涤过涤过程中，程中，滤饼滤饼厚度不再增加，故洗厚度不再增加，故洗涤过涤过程的阻力不程的阻力不变变，洗，洗涤涤速率速率为为常数。常数。3.1.3 3.1.3 过滤过滤基本理基本理论论 连续过滤连续过滤机和叶机和叶滤滤机机 此此类过滤类过滤机的洗机的洗涤涤方式是置方式是置换换洗洗涤涤，其特点是：，其特点是：当当过滤滤过滤滤液粘度与洗液粘度与洗涤涤液粘度相等液粘度相等 ，过滤终过滤终了了压压力力与洗与洗涤压涤压力相等力相等时时 ，洗，洗涤涤速率与速率与过滤终过滤终了速率相等：了速率相等：3.1.3 3.1.3 过
24、滤过滤基本理基本理论论 板框过滤机此类过滤机接受横穿洗涤方式，其特点是：同同样样比比较较过过滤滤终终了了速速率率和和洗洗涤涤速速率率，当当过过滤滤滤滤液液粘粘度度与与洗洗涤涤液液粘粘度度相相等等W=E，过过滤滤终终了了压压力力与与洗洗涤涤压压力力相相等等pW=p E时时，洗，洗涤涤速率速率为过滤终为过滤终了速率的四分之一了速率的四分之一：3.1.3 3.1.3 过滤过滤基本理基本理论论（2）洗）洗涤时间涤时间 为为了了相相互互区区分分，过过滤滤时时间间用用F表表示示，洗洗涤涤时时间间用用W、协协助助时间时间用用R表示。洗表示。洗涤时间为涤时间为：式中式中VW为为洗洗涤涤液的用量，液的用量，m3
25、；置；置换换洗洗涤涤和横穿洗和横穿洗涤涤速率速率可合并写成：可合并写成：置置换换洗洗涤涤 =1横穿洗横穿洗涤涤 =1/43.1.3 3.1.3 过滤过滤基本理基本理论论探探讨讨：当当过滤过滤介介质质阻力可以忽阻力可以忽视时视时 洗洗涤涤速率与洗速率与洗涤时间计涤时间计算中置算中置换换洗洗涤涤=1，横穿洗，横穿洗涤涤=1/4的成立条件？的成立条件？W=E，pW=pE；若若W E，pW pE，则则W如何如何计计算？算？3.1.3 3.1.3 过滤过滤基本理基本理论论 例例 用用板板框框压压滤滤机机过过滤滤某某悬悬浮浮液液，该该过过滤滤机机共共有有12个个框框，框框边边长长300mm，厚厚25mm，
26、在在过过滤滤起起先先3min内内恒恒速速过过滤滤，当当压压力力上上升升到到392kPa（表表压压）后后恒恒压压操操作作，又又经经过过15min滤滤框框被被充充溢溢，然然后后在在343kPa（表表压压）下下洗洗涤涤10min，求求：在在每每个个操作周期内（操作周期内（1）收集到的）收集到的滤滤液量；（液量；（2）洗）洗涤涤液用量。液用量。此此悬悬浮浮液液曾曾在在一一过过滤滤面面积积为为0.05m2的的真真空空叶叶滤滤机机内内进进行行试试验验，试试验验在在66.66kPa真真空空度度下下进进行行，5min获获得得滤滤液液250ml，又又过过了了5min再再得得到到滤滤液液150ml，滤滤饼饼不不行
27、行压压缩缩，过过滤滤介介质质阻力在叶阻力在叶滤滤机和板框机和板框压滤压滤机中相同。机中相同。3.1.4 3.1.4 过滤过滤机的生机的生产实产实力力 生生产实产实力可以以力可以以单单位位时间过滤时间过滤得到的得到的滤滤液或液或滤滤渣体渣体积积量量来表示，没有特殊来表示，没有特殊说说明状况下以前者表示，明状况下以前者表示，Q，m3滤滤液液/h。（1）间间歇歇过滤过滤机生机生产实产实力力 F，L，V，但，但滤滤液在液在过滤过滤后期增加量不大而洗后期增加量不大而洗涤涤速速率率，W、R相相应应，Q；F，L，V，W、R所占比重所占比重，Q。因此必定存在最佳的因此必定存在最佳的过滤时间过滤时间，使得，使得
28、过滤过滤生生产实产实力达到力达到最大。最大。3.1.4 3.1.4 过滤过滤机的生机的生产实产实力力3.1.4 3.1.4 过滤过滤机的生机的生产实产实力力当当过滤过滤介介质质阻力忽略不阻力忽略不计时计时（不（不论论其它条件如何）其它条件如何）若不若不进进行洗行洗涤涤W=0，J=0，则则（不（不论论其它条件如何）其它条件如何）3.1.4 3.1.4 过滤过滤机的生机的生产实产实力力（2）连续过滤连续过滤机生机生产实产实力力 3.1.4 3.1.4 过滤过滤机的生机的生产实产实力力过滤过滤周期周期C，转转速速为为n（转转/s），），则则 定定义义沉浸度沉浸度生生产产能力能力为为：m3/h恒恒压过
29、滤压过滤方程方程 3.1.4 3.1.4 过滤过滤机的生机的生产实产实力力探探讨讨：若若过滤过滤介介质质阻力可以忽阻力可以忽视视，Ve=0，qe=0，e=0 则则 若若n，则则Q；但但F，L不不利利于于卸卸渣渣，故故一一般般要要求求滤滤饼饼厚度不小于厚度不小于35mm；浸浸没没面面积积，F，Q；但但其其他他操操作作时时间间相相应应缩缩短短，操作困操作困难难（如洗（如洗涤涤不充分），故一般浸没分率不充分），故一般浸没分率=3040%。滤饼滤饼厚度与厚度与转转筒筒转转速关系速关系(忽忽视视介介质质阻力状况阻力状况)n，q，L3.2 3.2 离心分离心分别别（CentrifugationCentrifugation）离心力大小：离心力大小：转转鼓直径鼓直径D（或（或r），n，Fr，对对分分别别有利。有利。按其所按其所产产生的离心力与重力之比，即分生的离心力与重力之比，即分别别因数的大小分因数的大小分类类：常速离心机：常速离心机：KC50000。按分按分别别方式，可分方式，可分为为：过滤过滤式离心机（式离心机（转转鼓壁有孔）鼓壁有孔）沉降式离心机（沉降式离心机（转转鼓壁无孔）鼓壁无孔）分分别别式离心机式离心机