1、任务三 过滤操作技术,任课教师：苏小莉,任务三 过滤操作技术,过滤的原理 过滤介质 过滤的基本理论 影响过滤的因素 过滤设备,利用多孔性介质(如滤布)截留固-液悬浮液中的固体粒子，进行固-液分离的方法称为过滤。其中多孔性介质称为过滤介质；所处理的悬浮液称为滤浆；滤浆中被过滤介质截留的固体颗粒称为滤饼或滤渣；通过过滤介质后的液体称为滤液。驱使液体通过过滤介质的推动力可以是重力、压力或离心力。,一、过滤的原理,滤浆： 原悬浮液。,滤饼： 截留的固体物质。,过滤介质： 多孔物质。,滤液： 通过多孔通道的液体。,按料液流动方向不同，过滤可分为常规过滤和错流过滤。常规过滤时，料液流动方向与过滤介质垂直；
2、错流过滤时，料液流动方向平行于过滤介质。,过滤的分类,按操作压力不同，可分为常压过滤、减压过滤和加压过滤。,按过滤方式的不同，有表层过滤和深层过滤。,（1）滤饼过滤,过滤方式,滤饼的形成：与过滤介质独立。 不断增厚的滤饼称为对之后的颗粒起主要截留作用的介质。 滤液开始变清。 同时，由于过滤阻力逐渐增大，过滤速率逐渐减小。 操作初期的浑浊滤液：滤饼形成后返回重滤。 过滤介质：支撑滤饼作用。,深层过滤示意图,（2）深层过滤,（2）深层过滤,特点颗粒尺寸远远小于介质孔道的直径，而孔道弯曲细长，颗粒进入之后很容易被截留。 在惯性和扩散作用下，进入通道的固体颗粒趋向通道壁面并藉静电与表面力附着其上。 不
3、形成滤饼，而沉积于较厚的过滤介质内部，即过滤是在介质内部进行的。,二、过滤介质,1、要求特性 （1）多孔性：孔道的大小要适宜。 （2）耐腐蚀性、耐热性：适用于各种物料、工艺。 （3）机械强度：能承受一定的压力。 （4）滤饼易于彻底清除。 （5）价格低廉。,2、过滤介质分类,（1）织物介质（滤布） 组成：天然或合成纤维、金属丝。 形式：编织的滤布、滤网。 优点：价格便宜，清洗及更换方便。 作用：可截留颗粒的最小直径为565 m。,滤布,（2）多孔性固体介质,组成：素瓷、烧结金属、玻璃、塑料细粉粘结而成的多孔性塑料管。 作用：能截留小至13 m的微小颗粒。,（3）堆积介质,组成：固体颗粒（砂、活性
4、炭、木炭、石棉粉）或非编织纤维（玻璃棉等）堆积而成。 作用：一般用于处理含固体量很少的悬浮液如水的净化处理等。,滤纸。,脱脂棉。,织物介质。,烧结金属过滤介质。,多孔塑料过滤介质。,垂熔玻璃过滤介质。,过滤介质的种类,常用滤纸的孔径为17m。,适用于口服液体制剂的过滤。,包括棉织品纱布、帆布等。,多孔陶瓷。,微孔滤膜。,不可压缩滤饼：若颗粒由不易变形的坚硬固体组成，则当压强差增大时，滤饼的结构不发生明显变化，单位厚度滤饼的流动阻力可视作恒定，这类滤饼称为不可压缩滤饼。,随着过滤的进行，滤饼的厚度增大，滤液的流动阻力亦逐渐增大，导致滤饼两侧的压强差增大。滤饼的压缩性对压强差有较大影响。,可压缩滤
5、饼：若滤饼为胶体物质时，当压强差增大时，滤饼则被压紧，使单位厚度滤饼的流动阻力增大，此类滤饼称为可压缩滤饼。,滤饼的压缩性和助滤剂,助滤剂：对于可压缩滤饼，为了使过滤顺利进行，可以将质地坚硬而能形成疏松滤饼的另一种固体颗粒混入悬浮液或预涂于过滤介质上，以形成疏松饼层，使得滤液畅流，该种颗粒状物质就称为助滤剂。,常用的助滤剂：硅藻土、珍珠岩、石棉、炭粉等。,助滤剂的基本要求：,1、能形成多孔饼层的刚性颗粒，使滤饼有良好的渗透性及较低的流体阻力。,2、具有化学稳定性。,3、在操作压强范围内具有不可压缩性。,对于颗粒层中不规则的通道，可以简化成由一组当量直径为de的细管，而细管的当量直径可由床层的空
6、隙率和颗粒的比表面积来计算。,三、 过滤的基本理论 1 、 滤液通过饼层的流动,颗粒床层的特性可用空隙率、当量直径等物理量来描述。,空隙率：单位体积床层中的空隙体积称为空隙率。,式中 床层的空隙率，m3/m3。,式中 颗粒的比表面，m2/m3。,比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积称为比表面积。,2 、颗粒床层的特性,（一）过滤基本方程滤液通过饼层的流动常属于层流状态，可以仿照p28 第一章流体力学的泊稷叶公式(Poiseuille)来描述滤液通过滤饼的流动，则滤液通过饼床层的流速与压强降的关系为：,式中 u 滤液在滤饼孔道中的平均流速，m/s；l 滤饼孔道的平均长度 m；d1 滤饼孔道的平均
7、直径，m； 滤液黏度，Pas;pc 滤液在滤饼层上下游间的压力差，pa；,阻力与压强降成正比，因此可认为上式表达了过滤操作中滤液流速与阻力的关系。,式中 V 滤液量，m3；t 过滤时间，s；A 过滤面积，m2。r滤饼参量，m-2,另： 则有：,引入比例因数K过滤速度为：,过滤速度: 单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积，m3/m2s。 与u成正比，滤饼厚度L与l成正比。,过滤速率: 单位时间内获得的滤液体积，m3/s。,3、过滤速率,4、比阻r,单位厚度滤饼的阻力； 在数值上等于粘度为1Pas的滤液以1m/s的平均流速通过厚度为1m 的滤饼层时所产生的压强降； 比阻反映了颗粒特性(形状、尺寸及
8、床层空隙率)对滤液流动的影响； 床层空隙率愈小及颗粒比表面a愈大，则床层愈致密，对流体流动的阻滞作用也愈大。,通常把过滤介质的阻力视为常数，仿照滤液穿过滤饼层的速度方程则可写出滤液穿过过滤介质层的速度关系式：,式中 pm 过滤介质上、下游两侧的压强差，Pa；Le 过滤介质的当量厚度，m。,由于很难划定过滤介质与滤饼之间的分界面，更难测定分界面处的压强，在操作过程中总是把过滤介质与滤饼联合起来考虑。,5、过滤介质的阻力,通常，滤饼与滤布的面积相同。所以两层中的过滤速度应相等，根据合比定律则：,上式表明，可用滤液通过串联的滤饼与滤布的总压强降来表示过滤推动力，用两层的阻力之和来表示总阻力。,式中：
9、p 滤饼与滤布两侧的总压强差，称为过滤压强差。,6、过滤基本方程,式中：x 滤饼体积与相应的滤液体积之比，无因次。,LAxV,若每获得1m3滤液所形成的滤饼体积为v m3，则任一瞬间的滤饼厚度L与当时已经获得的滤液体积V 之间的关系为：,同理，如生成厚度为Le的滤饼所应获得的滤液体积以Ve来表示，则,式中Ve过滤介质的当量滤液体积，或称虚拟滤液体积，m3。 令,6、过滤基本方程（续）,注意：在一定的操作条件下，以一定介质过滤一定的悬浮液时，Ve为定值，但同一介质在不同的过滤操作中，Ve不同。,上式适用于不可压缩滤饼。,对于可压缩滤饼其比阻r与压强差有关。,上式称为过滤基本方程式，它对各种过滤情
10、况均适用。,式中 r1单位压强下滤饼的比阻，1/m2p过滤压强差，pas 滤饼的压缩性指数，无因次。一般情况下， s=01。对于不可压缩滤饼，s=0。,根据上两式可得,r=r 1(p)s,定义：过滤操作在恒定压强下进行时称为恒压过滤。,滤饼不断变厚； 阻力逐渐增加； 推动力p 恒定； 过滤速率逐渐变小。,过滤操作的两种典型方式：恒压过滤和恒速过滤。,特点：,（二）恒压过滤,对于一定的悬浮液，若、r及v可视为常数，令,(V+Ve )dV=kA2p1-sdt,式中：k 表征过滤物料特性的常数，m4/（Ns）。,过滤基本方程可写成：,恒压过滤方程式的推导,积分条件 t=0, V=0; t=t,V=V
11、,(1)和(2)式都称为恒压过滤方程式。,令K=2kp1-s,又令 q=V/A，qe=Ve/A,q 2 +2qqe =Kt (2)V2=KA2t,若忽略过滤介质阻力，Ve=0,若维持过滤速率恒定，这样的过滤操作方式称为恒速过滤。,若介质阻力可忽略，则：V2 =kA2p1-st,恒速过滤时的过滤速度为：,（三） 恒速过滤,先恒速后恒压过滤是工业中常用的一种过滤方法。,在过滤时间从0到tR 时，计算方法与恒速过滤相同。而从时间tR 到t 时，得到的滤液量从VR到V，故积分式为：,操作过程： 开始，从0到tR 时，采用恒速过滤，可在阻力还不太高时获得较多的滤液。 从tR到t 时，改为恒压过滤，以免压
12、强过高。,（四）先恒速后恒压过滤,积分并将K=2kp1-s 代入得,特别注意：上两式中V为获得的总滤液量，而不是恒压阶段获得的滤液量。,几种操作方式下的过滤方程,上式表明：t/q与q成直线关系，直线斜率为2/K，截距为2qe/K,q 2 +2qqe =Kt,由斜率=2/K，求出K; 由截距=2qe/K ，求出qe；,测定时采用恒压试验，恒压过滤方程为：,（六）过滤常数的测定,lnK=(1-s)lnp+ln(2k),以lnp为横坐标，lnK为纵坐标作直线，从而求出斜率(1-s)，截距ln(2k)，进而算出s和k。 例4-2 p126,K=2kp1-s,滤饼的压缩性指数s及物料特性常数k需在不同压
13、强差下对指定物料进行试验，求得若干过滤压强差下的K，然后对K-p数据加以处理，即可求得s值。,测定k和s,三、恒压过滤恒压过滤基本方程：,（）,四、过滤计算举例,【例3-5】在100 的恒压下过滤某悬浮液，温度30，过滤面积为40 ，并已知滤渣的比阻为 ，值为0.05 。过滤介质的阻力忽略不计，滤渣为不可压缩，试求：(1)要获得10 滤液需要多少过滤时间？(2)若仅将过滤时间延长一倍，又可以再获得多少 滤液？(3)若仅将过滤压差增加一倍，同样获得10 滤液时又需要多少过滤时间？,解（1）求过滤时间, 介质阻力忽略，即,0，,0,已知：V10 ，A40 求过滤常数K，,所以,（2）求过滤时间延长
14、一倍时增加的滤液量,而,故增加的滤液量为：,（3）求过滤压差增加一倍，获得10,滤液所需时间,新的过滤常数,为：,过滤时间为原来的一半,混合物中悬浮颗粒的性质和大小,混合液的黏度,操作条件,助滤剂的使用,过滤分离设备和技术,四、影响过滤的因素,一般情况下，悬浮颗粒越大，粒子越坚硬，大小越均匀，过滤越容易进行。,流体黏度越大，过滤越困难。通常混合液的组成越复杂，浓度越高，黏度越大。,（1）混合物中悬浮颗粒的性质和大小,（2）混合液的黏度,（3）操作条件,温度升高，流体黏度降低；调整pH也可改变流体黏度。,助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，吸附胶体，扩大过滤面积，滤速增大。常用的助滤
15、剂有硅藻土、纤维素、石棉粉、珍珠岩、白土、炭粒、淀粉等，其中最常用的是硅藻土。助滤剂的使用方法有两种：一种是在过滤介质表面预涂助滤剂，另一种是直接加入发酵液，也可两种方法同时兼用。,（4）助滤剂的使用,助滤剂使用要点,根据过滤介质和过滤情况选择助滤剂品种,根据目的物性质选择助滤剂品种,粒度选择,用量的确定,实验确定,预涂助滤剂时，间隙操作助滤剂的最小厚度为2mm；连续操作则要根据所需的过滤速率来确定。,增大过滤的表面积,选择合适的过滤介质,增加助滤剂,增加过滤推动力,提高温度。,（5）过滤分离设备和技术,为提高过滤速率和效果一般采用如下措施：,工业上使用的典型过滤设备：,按操作方式分类：间歇过
16、滤机、连续过滤机,按操作压强差分类：压滤、吸滤和离心过滤,板框压滤机（间歇操作） 转筒真空过滤机（连续操作） 过滤式离心机,五、过滤设备,结构：滤板、滤框、夹紧机构、机架等组成。,滤板：凹凸不平的表面，凸部用来支撑滤布，凹槽是滤液的流道。滤板右上角的圆孔，是滤浆通道；左上角的圆孔，是洗水通道。,洗涤板：左上角的洗水通道与两侧表面的凹槽相通，使洗水流进凹槽； 非洗涤板：洗水通道与两侧表面的凹槽不相通。,（一） 板框压滤机,为了避免这两种板和框的安装次序有错，在铸造时常在板与框的外侧面分别铸有一个、两个或三个小钮。非洗涤板为一钮板，框带两个钮板，框带两个钮，洗涤板为三钮板。,板框过滤机,板框过滤机
17、的操作是间歇式的，每个操作循环由装合、过滤、洗涤、卸渣、整理五个阶段。,过滤过程,1)、装合：将板与框按 1-2-3-2-1-2-3的顺序，滤板的两侧表面放上滤布，然后用手动的或机动的压紧装置固定，使板与框紧密接触。,2)、过滤：用泵把滤浆送进右上角的滤浆通道，由通道流进每个滤框里。滤液穿过滤布沿滤板的凹槽流至每个滤板下角的阀门排出。固体颗粒积存在滤框内形成滤饼，直到框内充满滤饼为止。,3)、洗涤：将洗水送入洗水通道，经洗涤板左上角的洗水进口，进入板的两侧表面的凹槽中。然后，洗水横穿滤布和滤饼，最后由非洗涤板下角的滤液出口排出。在此阶段中，洗涤板下角的滤液出口阀门关闭。,4)、卸渣、整理 打开
18、板框，卸出滤饼，洗涤滤布及板、框。,在洗液粘度与滤液粘度相近的情况下，且在压差相同时，洗涤速率约为过滤终了速率的1/4。,为什么？,结构简单，价格低廉，占地面积小，过滤面积大。 可根据需要增减滤板的数量，调节过滤能力。 对物料的适应能力较强，由于操作压力较高（310kg/cm2 ），对颗粒细小而液体粘度较大的滤浆，也能适用。 间歇操作，生产能力低，卸渣清洗和组装阶段需用人力操作，劳动强度大，所以它只适用于小规模生产。 近年出现了各种自动操作的板框压滤机，使劳动强度得到减轻。,板框压滤机的特点：,结构：,（二） 转筒真空过滤机,转筒及分配头的结构,工作过程,18格分成6个工作区 1区(17格)：
19、过滤区； 2区(810格)：滤液吸干区； 3区(1213格)：洗涤区； 4区(14格)：洗后吸干区； 5区(16格)：吹松卸渣区； 6区(17格)：滤布再生区。,过滤区(12区)，f 槽; 洗涤区(34区)，g槽 ; 干燥卸渣区(56区)，h 槽;,f 槽,h 槽,g 槽,自动连续操作； 适用于处理量大，固体颗粒含量较多的滤浆； 真空下操作，其过滤推动力较低(最高只有1atm)，对于滤饼阻力较大的物料适应能力较差。,转筒旋转时，藉分配头的作用，能使转筒旋转一周的过程中，每个小过滤室可依次进行过滤、洗涤、吸干、吹松卸渣等项操作。,整个转筒圆周在任何瞬间都划分为:,特点：,工作过程,过滤区; 洗涤
20、区; 干燥卸渣区。,结构：,1.悬筐式离心机,转鼓(上有小孔，亦称悬框)； 滤网； 滤布； 机架。,原理：,由于离心力作用，液体产生径向压差，通过滤饼、滤网及滤筐而流出。,（三） 离心过滤机,过滤方程及压力的计算,采用恒压过滤方程式：,(q+qe )2=K(t+te),A 过滤面积，m2； H 转筒高度，m; R 转筒半径，m； p 过滤推动力，Pa。 r 任意处滤饼半径，m。,几种过滤设备的比较,式中V过滤终了时所得滤液体积，m3,由恒压过滤方程知，过滤终了时的过滤速率为：,洗涤速率：单位时间内消耗的洗涤液体积。,由于洗涤液中不含固相，洗涤过程中滤饼厚度不变。若在恒压下洗涤，则它既是恒压洗涤
21、又是恒速洗涤。,（四）过滤机的生产能力 1 洗涤速率的计算,若洗涤液粘度和洗涤时的压差与滤液粘度和过滤压差相比差异较大，则应校正，校正后的洗涤速率为,若洗涤用的压差与过滤相同，洗涤液粘度与滤液粘度大致相等：,对于转筒真空过滤机，洗涤速率与过滤终了速率相等,对于板框过滤机，洗涤速率等于过滤终了速率的1/4,生产能力: 单位时间内获得的滤液体积。,对于间歇过滤机，一个过滤循环包括过滤、洗涤、卸渣、清理、重装等步骤。,通常把卸渣、清理、重装等所用的时间合在一起称为辅助时间tD 。,一个循环时间T=t+tW+tD 。其中只有过滤时间真正用于过滤。,2 间歇过滤机的生产能力,式中 V 一个操作循环内所获
22、得的滤液体积，m3；Q 生产能力，m3/h；T 一个循环时间。 T=t+tW+tD,如果以滤液量Q 表示生产能力，则有,浸没度 ：转筒真空过滤机的转筒表面浸入滤浆中的分数,以转筒真空过滤机为例，转筒在任何时候总有一部分表面浸没在滤浆中进行过滤。,有效过滤时间t：某一瞬时开始进入滤浆中的转筒表面，经过过滤区，最后从滤浆中出来，这一段时间为该表面旋转一周的有效过滤时间。,3 连续过滤机的生产能力,由于转筒式真空过滤机为恒压操作，则有,转鼓每转一周得到的滤液体积为：,(V+Ve)2=KA2(t+te),过滤时间t 为:,假设转鼓转速为n r/min，则转一周的时间为: T=60/n,按每小时计的滤液
23、生产能力为：,若忽略滤布阻力，则te=0、Ve=0，则上式简化为：,注意：提高转速可增加生产能力，但若转速太高，则每周期中过滤时间减至很短，滤饼层很薄，难于卸除，也不利于洗涤，而且功率消耗大，反而不经济。合适的转速需由实验确定，以得到合适厚度的滤饼，使成本最低。,例：以某板框式压滤机在恒压条件下过滤含硅藻土的悬浮夜。过滤机的滤框尺寸为81081025(mm)，共有37个框。已测出过滤常数K=10-4m2/s，qe=0.01m3/m2，e=1s。若已知单位面积上通过的滤液量为0.15m3/m2，所用洗水量为滤液量的1/5。求：1) 过滤面积和滤框内的总容量；2) 过滤所需的时间；3) 洗涤时间；
24、4) 生产能力q(td=15min)。,解：1) 过滤面积 A=2LBZ=20.810.8137=48.6m2滤框总容积 Vz=LBZ=0.810.810.02537=0.607m3,2) 过滤时间,3) 洗涤时间,4) 生产能力,(q+qe )2=K(+e),(0.15+0.01)2=10-4(+1),t=255s,tw = 8(q+qe)qw/5K =8(0.15+0.01)0.15/(510-4)=348s,例：用转鼓真空过滤机过滤某种悬浮液，料浆处理量为20m3/h。已知每得1m3滤液可得滤饼0.04m3，要求转筒的浸没度为0.35，过滤表面上滤饼厚度不低于5mm。现测得过滤常数为K=
25、810-4m2/s，qe=0.01m3/m2。试求过滤机的过滤面积和转筒的转速。,解：以1min为基准，v=0.04, =0.35,滤饼体积 0.3210.04=0.01284 m3/min,将n及t 代入上式，得：,A=2.771m2 n = 0.927 r/min,小结：分离设备的选择,一、气固分离 降尘室：50 m以上；用于含尘气体的预分离； 旋风分离器：5 m以上；非粘性、非纤维状固体； 湿式除尘器：1m以上；除粉尘，非水硬性固体； 袋滤器：0.1 m以上；气体的净化或干粉的回收； 电除尘器：0.01m以上；效率高，处理能力大；,二、液固分离,1、获得固体产品： 增浓：沉降槽，旋液分离
26、器，沉降离心机； 过滤：过滤离心机，板框压滤机； 2、澄清液体 普通要求：连续沉降槽、过滤机； 澄清要求高：深层过滤；,一、单项选择题 1、对板框过滤，可引起过滤速率减小的原因是 。A.滤饼厚度增大 B.液体黏度减小C.压力差增大 D.过滤面积增大 2、过滤速率与 成反比。A、操作压差和滤液粘度； B、滤液粘度和滤渣厚度；C、滤渣厚度和颗粒直径； D、颗粒直径和操作压差,1 A 2 B,练习题,二、填空题 1 、过滤分过滤和过滤两种方式。 2 、工业上常用的过滤介质有、和等。 3、间歇过滤即一个完整的操作周期中所包含的时间有、和。,1滤饼 深层 2 织物介质 、 多孔性固体介质、堆积介质3 过滤时间、洗涤时间、辅助时间,4、悬浮液的分散相是 ，连续相是 。 5.不可压缩滤饼的颗粒具有 ，过滤过程中滤饼的 不变。 6.过滤设备中，板框压滤机是 操作， 7.过滤操作有两种典型方式，即操作和操作。,4固体颗粒 液体 5刚性 厚度 6间歇 7恒压 恒速,
