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1、3 过滤过滤福州大学化学化工学院福州大学化学化工学院 3 过滤过滤混合物混合物均相混合物：所需分离的物质在同一相中，不能用机械均相混合物：所需分离的物质在同一相中，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。相界面两侧的物质性质不同。法分离。相界面两侧的物质性质不同。固体固体固体：固体混合物固体：固体混合物固体固体液体：悬浮液液体：悬浮液固体固体气体：含尘气体气体：含尘气体液体液体气体：含雾气体气体：含雾气体液体液体液体：乳浊液液体：乳浊液非均相混合物非均相混合物 过滤过滤（Filteration）3
2、.1.1 概述概述 过滤是在外力作用过滤是在外力作用下，利用过滤介质使悬浮液中的液体下，利用过滤介质使悬浮液中的液体通过，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的一通过，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的一种单元操作。种单元操作。过滤介质过滤介质具有多孔结构，可以截留固体物质，具有多孔结构，可以截留固体物质，而让液体通过；我们把待过滤的悬浮液成为而让液体通过；我们把待过滤的悬浮液成为滤浆（滤浆（Slurry），而过滤后分离出的固体称为而过滤后分离出的固体称为滤渣滤渣或或滤饼（滤饼（Filter cake），通过，通过过滤介质的液体称为过滤介质的液体称为滤液（滤液（Filtrate
3、）。（1）过滤介质（过滤介质（Filter 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，尽可能小的流动阻力，耐腐蚀性，耐热性，易于再生。尽可能小的流动阻力，耐腐蚀性，耐热性，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、堆堆积积介介质质、多多孔孔固固体介质、多孔膜。体介质、多孔膜。概述概述 （2）过滤分类：）过滤分类：深层过滤（深层过滤（Deep bed filteration）滤饼过滤（滤饼过滤（Cake filteration）过滤介质过滤介质悬浮液悬浮液深层过滤深层过滤悬浮液悬浮液滤饼滤饼过滤介质过
4、滤介质滤液滤液滤饼过滤滤饼过滤 （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、不不可可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。助助滤滤剂剂使使用用方方法法主主要要有有两两种：混合、预涂。种：混合、预涂。概述概述 过滤设备过滤设备 过
5、滤设备按生产压差的方式不同分成两大类过滤设备按生产压差的方式不同分成两大类:压滤和吸滤压滤和吸滤 如叶滤机、板框压滤机，回转真空过如叶滤机、板框压滤机，回转真空过滤机等；滤机等；离心过滤离心过滤 如各种间歇卸渣和连卸渣离心机。如各种间歇卸渣和连卸渣离心机。过滤设备过滤设备（1）板框压滤机）板框压滤机（Plate-and-frame type filter press）结构与工作原理结构与工作原理 过滤设备过滤设备 过滤设备过滤设备 流程流程装合、过滤、洗涤、卸渣、整理，装合、过滤、洗涤、卸渣、整理，过滤设备过滤设备 特点特点 优点优点：结构简单，过滤面积大（：结构简单，过滤面积大（100100
6、mm1500 1500mm）而占地省，过滤压力高（可达）而占地省，过滤压力高（可达MPa），操作灵活，），操作灵活，便于用耐腐蚀材料制造，所得滤饼水分含量少，又能充分地便于用耐腐蚀材料制造，所得滤饼水分含量少，又能充分地洗涤。洗涤。缺点缺点：间歇过滤，劳动强度大，适用于中小规模的生产：间歇过滤，劳动强度大，适用于中小规模的生产及有特殊要求的场合。及有特殊要求的场合。横穿洗涤横穿洗涤（洗涤液的流通路径是过滤滤液流通路径的两（洗涤液的流通路径是过滤滤液流通路径的两倍，洗涤液的流通截面积为过滤滤液流通截面积的一半；故倍，洗涤液的流通截面积为过滤滤液流通截面积的一半；故洗涤速率为过滤终了速率的四分之一
7、洗涤速率为过滤终了速率的四分之一）。）。过滤设备过滤设备（2）叶滤机（）叶滤机（Leaf filter）结构与工作原理：结构与工作原理：过滤设备过滤设备流程流程 装合、过滤、洗涤、卸渣、整理装合、过滤、洗涤、卸渣、整理 特点特点 优点优点：间歇过滤，单位地面所容纳的过滤面积大，洗涤：间歇过滤，单位地面所容纳的过滤面积大，洗涤充分，生产能力比压滤机大，机械化程度高，劳动力省，密充分，生产能力比压滤机大，机械化程度高，劳动力省，密闭过滤，操作环境较好。闭过滤，操作环境较好。缺点缺点：构造复杂，造价高，滤饼中粒度差别较大的颗粒：构造复杂，造价高，滤饼中粒度差别较大的颗粒可能分别积聚于不同的高度，使洗
8、涤不均匀。可能分别积聚于不同的高度，使洗涤不均匀。置换洗涤置换洗涤（洗涤液的流通路径与过滤滤液流通路径相同，（洗涤液的流通路径与过滤滤液流通路径相同，洗涤液的流通截面积与过滤滤液流通截面积相等；洗涤液的流通截面积与过滤滤液流通截面积相等；洗涤速率洗涤速率与过滤终了速率相等与过滤终了速率相等）。）。（3）转筒真空过滤机（）转筒真空过滤机（Rotary vacuum drum filter）结构与工作原理：结构与工作原理：过滤设备过滤设备 过滤设备过滤设备 过滤设备过滤设备流程流程 过滤、洗涤、吸干、吹松、卸渣过滤、洗涤、吸干、吹松、卸渣特点特点 优点优点：操作连续、自动：操作连续、自动 缺点缺点
9、：设备体积庞大，过滤面积相对较小，过滤、洗涤：设备体积庞大，过滤面积相对较小，过滤、洗涤推动力小，洗涤不充分，适用于处理量大而容易过滤的悬浮推动力小，洗涤不充分，适用于处理量大而容易过滤的悬浮液分离。液分离。洗涤方式为洗涤方式为置换洗涤。置换洗涤。过滤基本理论过滤基本理论3.1.3.1 滤饼层特性滤饼层特性 （1）滤饼层空隙率）滤饼层空隙率 空空隙隙率率反反映映了了滤滤饼饼层层中中固固体体颗颗粒粒的的堆堆积积密密度度；，颗颗粒粒堆堆积积紧紧密密，同同样样流流量量下下，阻阻力力；，颗颗粒粒堆堆积积疏疏松松，同同样流量下，阻力样流量下，阻力。过滤基本理论过滤基本理论（2）滤饼自由截面积分率）滤饼自
10、由截面积分率A0 D dL 将滤饼层转化为如图所示的圆环柱，根将滤饼层转化为如图所示的圆环柱，根据空隙率和自由截面积分率的定义，有：据空隙率和自由截面积分率的定义，有：过滤基本理论过滤基本理论（3）滤饼比表面积）滤饼比表面积aB和颗粒比表面积和颗粒比表面积 S0 过滤基本理论过滤基本理论3.1.3.2 滤液通过滤饼层的流动滤液通过滤饼层的流动 流动阻力可用哈根流动阻力可用哈根泊谡叶方程表示：泊谡叶方程表示：式中式中 l 滤饼孔道的平均长度，滤饼孔道的平均长度，m；u为滤饼孔道中滤液的流速，为滤饼孔道中滤液的流速，m/s；de 为孔道的当量直径，为孔道的当量直径，m。过滤基本理论过滤基本理论将以
11、上关系代入哈根将以上关系代入哈根泊谡叶方程：泊谡叶方程：滤饼两侧滤饼两侧的压力差的压力差滤饼的比阻滤饼的比阻（Lewis Specific filtration resistance）过滤基本理论过滤基本理论 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
12、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均均匀匀的的。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，还未考虑过滤介质的过滤阻力。还未考虑过滤介质的过滤阻力。过滤基本理论过滤基本理论3.1.3.3 过滤基本方程式过滤基本方程式（1）可压缩滤饼）可压缩滤饼 当量滤液量，当量滤液量，m3 同理同理当量滤饼层厚度，当量滤饼层厚度，m 压缩性指数压缩性指数 过滤基本理论过滤基本理论（2）不可压缩滤饼）不可压缩滤饼 S=0 比阻的另一种表达方法比阻的另一种表达方法 定义：定义：无论如何定义，过滤的阻力是不变的
13、，所以：无论如何定义，过滤的阻力是不变的，所以：即即比阻（比阻（Ruth Specific filtration resistance），），m/kg 过滤基本理论过滤基本理论3.1.3.4 恒压过滤（恒压过滤（Constant 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；这种过滤方式为降；这种过滤方式为恒压过
14、滤恒压过滤。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 rate filtration）。若过滤过程中压力和速率均无法恒定则若过滤过程中压力和速率均无法恒定则为变压变速过滤为变压变速过滤。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，过滤压力不断提高；率恒定，过滤压力不断提高；线线（5）为为系系统统阻阻力力，包包括括过过滤系统管道阻力和滤饼阻力
15、；滤系统管道阻力和滤饼阻力；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时时，则则过过滤滤压压力力和和过过滤滤速速率率变变化化明明显显，如如线（线（4）所示。）所示。（3）（4）（5）（2）（1）压力压力速率速率 过滤基本理论过滤基本理论 在工业应用实际中采用哪种操作方式？恒压？恒速？在工业应用实际中采用哪种操作方式？恒压？恒速？先恒速后恒压？先恒压后恒速？先恒速后恒压？先恒压后恒速？过滤基本理论过滤基本理论令令，k与滤液性质、悬浮液浓度、温度等有关与滤
16、液性质、悬浮液浓度、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素有有关关；对对一一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为：方程为：过滤基本理论过滤基本理论 e为过滤得到滤液量所花的时间，它与为过滤得到滤液量所花的时间，它与Ve一样是虚拟量一样是虚拟量（反映过滤介质阻力的大小），积分上式（反映过滤介质阻力的大小），积
17、分上式 过滤基本理论过滤基本理论 当过滤介质阻力与滤饼阻力相比较小可以忽略，当过滤介质阻力与滤饼阻力相比较小可以忽略，Le=0、Ve=0、e=0时，时，令令单位过滤面积上所得到的滤液量，单位过滤面积上所得到的滤液量，m3/m2；过滤介质阻力不可忽略过滤介质阻力不可忽略过滤介质阻力可忽略过滤介质阻力可忽略 过滤基本理论过滤基本理论3.1.3.5 过滤参数的测定过滤参数的测定（1）过滤常数（）过滤常数（Filtration constant）的测定）的测定 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实验测定；其测定方法主要有两种。实验测定；其测定方
18、法主要有两种。微分法微分法：用用近似代替近似代替 过滤基本理论过滤基本理论 过滤基本理论过滤基本理论积分法：积分法：过滤基本理论过滤基本理论注意：注意：在在实实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一一定定时时间间段段内内时时间间、滤滤液液量量的的变变化化量量，而而积积分分法法是是测测定定实实验验过过程程中中某某时时刻刻滤滤液液的的总量；微分法在理论上做了近似不如积分法准确；总量；微分法在理论上做了近似不如积分法准确；在在实实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，也也就就是过滤常数恒定，必须注意哪些问题？是过滤常数恒定，必须注意哪些问题？保保证
19、证、r、c、s、p等等参参数数即即悬悬浮浮液液体体系系、温温度度、浓浓度度、过滤方式、过滤介质、过滤压力等在过滤过程中维持恒定；过滤方式、过滤介质、过滤压力等在过滤过程中维持恒定；过滤常数是在一定过滤压力下测定的，它能否用于其过滤常数是在一定过滤压力下测定的，它能否用于其他过滤压力的计算呢？他过滤压力的计算呢？过滤基本理论过滤基本理论若比阻若比阻r与参数与参数c没有变化则没有变化则 若为不可压缩滤饼则若为不可压缩滤饼则 滤饼多具有可压缩性，且实验条件往往与实际操作条件滤饼多具有可压缩性，且实验条件往往与实际操作条件不同如悬浮液的浓度、温度、压力等等，所以要将实验测定不同如悬浮液的浓度、温度、压
20、力等等，所以要将实验测定的过滤常数应用于实际生产，必须利用以上各式进行校正；的过滤常数应用于实际生产，必须利用以上各式进行校正；但校正前必须确定压缩性指数但校正前必须确定压缩性指数s。过滤基本理论过滤基本理论（2）压缩性指数（）压缩性指数（Compressibility coefficient）的测定）的测定 过滤基本理论过滤基本理论 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，过过滤滤时时间间为为h，滤滤饼饼不
21、不可可压压缩缩，且且滤滤饼饼与与滤液体积比滤液体积比c=0.03 m3/m3，求：，求：（1）需要多大过滤面积；）需要多大过滤面积；（2）如如果果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h，至至少少需需要要多多少少个个滤框才能满足要求。滤框才能满足要求。过滤基本理论过滤基本理论3.1.3.6 洗涤速率和洗涤时间洗涤速率和洗涤时间（1）洗涤速率）洗涤速率 洗涤速率为单位时间的洗涤液用量。在洗涤过程
22、中，滤饼洗涤速率为单位时间的洗涤液用量。在洗涤过程中，滤饼厚度不再增加，故洗涤过程的阻力不变，洗涤速率为常数。厚度不再增加，故洗涤过程的阻力不变，洗涤速率为常数。过滤基本理论过滤基本理论 连续过滤机和叶滤机连续过滤机和叶滤机 此类过滤机的洗涤方式是置换洗涤，其特点是：此类过滤机的洗涤方式是置换洗涤，其特点是：当过滤滤液粘度与洗涤液粘度相等当过滤滤液粘度与洗涤液粘度相等 ，过滤终了，过滤终了压力与洗涤压力相等时压力与洗涤压力相等时 ，洗涤速率与过滤终了速率，洗涤速率与过滤终了速率相等：相等：过滤基本理论过滤基本理论 板框过滤机板框过滤机此类过滤机采用横穿洗涤方式，其特点是：此类过滤机采用横穿洗涤
23、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，洗涤速率为过滤终了速率的四分之一时，洗涤速率为过滤终了速率的四分之一：过滤基本理论过滤基本理论（2）洗涤时间）洗涤时间 为了相互区别，过滤时间用为了相互区别，过滤时间用F表示，洗涤时间用表示，洗涤时间用W、辅、辅助时间用助时间用R表示。洗涤时间为：表示。洗涤时间为：式中式中VW为洗涤液的用量，为洗涤液的用量，m3；置换洗涤和横穿洗涤速率；置换洗涤和横穿洗涤速率可合并写成：可合并写成：
24、置换洗涤置换洗涤 =1横穿洗涤横穿洗涤 =1/4 过滤基本理论过滤基本理论讨论：讨论：当过滤介质阻力可以忽略时当过滤介质阻力可以忽略时 洗涤速率与洗涤时间计算中置换洗涤洗涤速率与洗涤时间计算中置换洗涤=1，横穿洗涤，横穿洗涤=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如何计算？如何计算？过滤基本理论过滤基本理论 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，在在过过滤滤开开始始3min内内恒恒速速过过滤滤，当当压压力力升升高高到到392kPa（表表压压）后后恒恒压压操操
25、作作，又又经经过过15min滤滤框框被被充充满满，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）收集到的滤液量；（）收集到的滤液量；（2）洗涤液用量。）洗涤液用量。此此悬悬浮浮液液曾曾在在一一过过滤滤面面积积为为2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，滤滤饼饼不不可可压压缩缩，过过滤滤介介质质阻阻力力在在叶叶滤滤机机和和板板框压滤机中相同。框压滤机中相同。过滤机的生产能力过滤机的生产能力 生产能力可以以
26、单位时间过滤得到的滤液或滤渣体积量生产能力可以以单位时间过滤得到的滤液或滤渣体积量来表示，没有特别说明情况下以前者表示，来表示，没有特别说明情况下以前者表示，Q，m3滤液滤液/h。（1）间歇过滤机生产能力）间歇过滤机生产能力 F，L，V，但滤液在过滤后期增加量不大而洗涤速，但滤液在过滤后期增加量不大而洗涤速率率，W、R相应相应，Q；F，L，V，W、R所占比重所占比重，Q。因此必然存在最佳的过滤时间，使得过滤生产能力达到因此必然存在最佳的过滤时间，使得过滤生产能力达到最大。最大。过滤机的生产能力过滤机的生产能力 过滤机的生产能力过滤机的生产能力当过滤介质阻力忽略不计时（不论其它条件如何）当过滤介
27、质阻力忽略不计时（不论其它条件如何）若不进行洗涤若不进行洗涤W=0，J=0，则（不论其它条件如何），则（不论其它条件如何）过滤机的生产能力过滤机的生产能力（2）连续过滤机生产能力）连续过滤机生产能力 过滤机的生产能力过滤机的生产能力过滤周期过滤周期C，转速为，转速为n（转（转/s），则），则 定义沉浸度定义沉浸度生产能力为：生产能力为：m3/h恒压过滤方程恒压过滤方程 过滤机的生产能力过滤机的生产能力讨论：讨论：若过滤介质阻力可以忽略，若过滤介质阻力可以忽略，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厚度不小于饼厚度不小于35m
28、m；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，操操作作困困难难（如如洗洗涤涤不不充充分分），故故一一般般浸浸没没分分率率=3040%。滤饼厚度与转筒转速关系滤饼厚度与转筒转速关系(忽略介质阻力情况忽略介质阻力情况)n，q，L 离心分离离心分离（Centrifugation）离心力大小：离心力大小：转鼓直径转鼓直径D（或（或r），n，Fr，对分离有利。，对分离有利。按其所产生的离心力与重力之比，即分离因数的大小分类：按其所产生的离心力与重力之比，即分离因数的大小分类：常速离心机：常速离心机：KC50000。按分离方式，可分为：按分离方式，可分为：过滤式离心机（转鼓壁有孔）过滤式离心机（转鼓壁有孔）沉降式离心机（转鼓壁无孔）沉降式离心机（转鼓壁无孔）分离式离心机分离式离心机