1、3.3 过 滤,3.3.1 过滤的基本概念 3.3.2 过滤的基本方程式 3.3.3 过滤设备及其操作 3.3.4 过滤计算,概 述,固-流非均相体系：结晶过程中的晶浆，浸取过程中的固态天然产物与溶剂；催化反应过程中的固体催化剂与反应物。颗粒-流体非均相分离技术均基于颗粒与流体两相性质上的差异，如颗粒尺度(过滤)和颗粒与流体的密度差(沉降)。液体与气体对颗粒物料分散特性差别很大，故常以液-固和气-固体系加以区分。不过从两相流体力学原理的角度而言都是共通的。颗粒分散在液体中称悬浮液，分散在气体中称含尘气。小于1m的颗粒称为“胶质” (Colloid)，分散在液体中称“溶胶” (Sol) ，分散在
2、气体中则称“气溶胶”(Aerosol)。,3.3.1 过滤的基本概念,利用重力或压差使悬浮液通过多孔性过滤介质，将固体颗粒截留，从而实现固-液分离。,过滤的方式很多，适用的物系也很广泛，固-液、固-气、大颗粒、小颗粒都很常见。 采用膜过滤(膜分离技术)可以分离10 nm尺度的大分子量蛋白质和病毒粒子等。 无论采用何种过滤方式，均需使用过滤介质，在很多情况下，过滤介质是影响过滤操作重要因素。,一、过滤方式,过滤介质为织物、多孔材料或膜等，孔径可大于最小颗粒的粒径。过滤初期，部分小颗粒可以进入或穿过介质的小孔，后因颗粒的架桥作用使介质的孔径缩小形成有效的阻挡。,被截留在介质表面的颗粒形成滤渣层（滤
3、饼），透过滤饼层的则是被净化了的滤液。随滤饼的形成，真正起过滤介质作用的是滤饼，而非过滤介质本身，故称作滤饼过滤。滤饼过滤主要用于含固量较大（1%）的场合。,滤饼过滤(表面过滤)：,深层过滤：,过滤介质一般为介质层较厚的滤床类（如沙层、硅藻土等）；小于介质孔隙的颗粒可进入到介质内部，在长而曲折的孔道中被截留并附着于介质之上；深层过滤无滤饼形成，主要用于净化含固量很少（0.1%）的流体，如水的净化、烟气除尘等。,二、过滤介质,滤饼支撑物，应有足够的机械强度和较小的流动阻力、相应的耐腐蚀性和耐热性；多孔、理化性质稳定、耐用和可反复使用。,织物介质：,最常用的过滤介质，工业上称为滤布(网)；由天然纤
4、维、玻璃纤维、合成纤维或者金属丝编织而成，如棉花、麻、羊毛、丝、石棉等，以棉织的帆布、斜纹布及毛织的呢绒等应用最广；可截留的最小颗粒视网孔大小而定，一般在几到几十（565m）微米范围。,粒状介质：,由细石、沙、木炭、硅藻土之类的固体颗粒堆积而成的床层，称作滤床，用作过滤介质使含少量悬浮物的液体澄清；常用于深床过滤。,多孔固体介质：,用多孔陶瓷、塑料、金属等粉末烧结成型而制得的多孔性片状、板状或管状的各种多孔性固体材料；此类介质较厚，孔道细，能截留13mm的微小颗粒。,多孔膜：,由特殊工艺合成的聚合物薄膜，最常见的是醋酸纤维膜与聚酰胺膜；膜过滤属精密过滤或超滤(ultrafiltration)，
5、可以分离5nm的微粒。,三、滤饼的压缩性和助滤剂,滤饼的压缩性,过滤时间滤饼厚度，流动阻力,不可压缩性滤饼：随着推动力压差的增大，滤饼的形状、空隙等不变；可压缩性滤饼：如氢氧化物的胶体物质。,助滤剂,作用：防止胶性微粒对滤孔堵塞，造成滤液的流通受阻。,质地坚硬，能形成疏松饼层的粒状物质，可在滤布上预涂，也可将某种性质坚硬而又能形成疏松床层的另一种固体颗粒作为助滤剂预混在悬浮液中，使滤液得以畅通。,特性：能形成多孔饼层的刚性颗粒，提高滤饼渗透性，减小阻力；一定的化学稳定性；操作压差的范围内不可压缩性。,缺点：加入助滤剂应以获得清净滤液为目的，当要回收滤饼时不可用。,四、过滤的操作方式,过滤：过滤
6、操作中的主要阶段，在过程中滤饼不断增厚、阻力不断上升，流体的通过能力则不断减小； 洗涤：无论是以滤饼还是滤液为产品，都有必要在卸料之前用清液置换滤饼中存留的滤液并且洗涤滤饼； 脱湿：以滤饼为产品时洗涤后还可用压缩空气进行脱湿； 卸料：将滤饼从过滤介质上移去； 清洗过滤介质：使被堵塞的网孔“再生”，以便重复使用。,根据使用的过滤设备、过滤介质及所处理的物系的性质和产品收集的要求，过滤操作分为：间歇式、连续式；,根据提供过滤推动力的方式，又有重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤之分，其目的都是克服过滤阻力。,3.3.2 过滤基本方程式,过滤速率：,单位时间获得的滤液体积，m3/s,过滤速率过滤推
7、动力/过滤阻力,推动力：压差P = 滤饼两侧的压差P1过滤介质两侧的压差P2,滤浆引入管道的阻力；滤液通过滤饼的阻力；滤液通过过滤介质的阻力；滤液引出管道的阻力。,阻力：,主要阻力,过滤速度：,对各种过滤操作方式与设备均可表示为：,式中：dV dt 时间内通过过滤面的滤液量；A 过滤面积；u 单位时间内通过单位过滤面积的滤液量。,过滤过程实际上是滤液通过滤饼和过滤介质中细小孔道的流动过程，由于滤饼的微粒细小，使得滤液流动孔道很小，滤液流动的流速也很小，因此滤液的流动一般属于层流状态。,一、滤液通过滤饼的流动,层流流动：,过滤速率dV/d：,实际流速u过滤速度dV/(Ad)，流道长l滤饼厚度L，
8、孔道的平均直径d难以测量，故引入比例系数r，将这些因素统统并入比例系数r内，则：,说明：,滤液性质：滤饼性质：L、A、r,滤饼的 比阻,滤饼常数：,滤饼的比阻r：,单位：,物义：,计算：,当粘度为1Pas的滤液以1m3/(m2 s)的过滤速度通过厚度为1m的滤饼层的压力损失,滤饼不可压缩：r = f（滤饼结构）； 滤饼可压缩：,r单位压力差下的滤饼比阻，1/m2； s滤饼的压缩性指数，s1。,二、过滤基本方程式,过滤介质层：认为介质产生的阻力与厚度为Le的滤饼层产生的阻力相等，引入过滤介质的当量滤饼厚度Le，则过滤介质的阻力 = rLe/A,滤饼可压缩：,令饼液比：,则：,过滤基本方程式,C滤
9、饼体积/滤液体积V， m3饼/m3液,恒压过滤：一般由保持恒压的压缩气体提供推动力 恒速过滤：一般由容积式泵提供推动力 变压变速过滤：一般由离心泵提供推动力，随过滤阻力增加流量下降。,三、恒压过滤,悬浮液一定，、r、C可视为常数，压力P恒定；设Ve为过滤介质的虚拟滤液体积，e为获得Ve所需的虚拟过滤时间，二者均为常数。,令过滤常数：,可推导出：,令q=V/A，qe=Ve/A，则有：,(A)+(B)：,恒压过滤方程式,说明：,（V+Ve）（+e）为一抛物线；,忽略过滤介质的阻力：Ve0，qe=0，则过滤基本方程式变为：,qe、e称为介质常数，与K都称为过滤常数。,四、恒速过滤,恒速过滤即dV/(
10、Ad)=u为常数：,仍令：,注：K虽仍称为常数，但随压差P而变；恒速过滤很少维持到底，因随着过滤时间增加，压差持续增大，对设备不利。,恒速过滤基本方程,五、先恒速后恒压过滤,设时间1后，压差达到P，对应的滤液体积为V1，然后恒压过滤，对过滤基本方程式进行积分：,先恒速后恒压过滤方程,实际操作中一般以较低的恒速开始过滤操作，以便在过滤介质上平稳而均匀地形成滤饼，并且减少颗粒穿透量、避免初滤液浑浊或者网孔堵塞。待进入滤饼过滤阶段、压差上升到一定值后，即转入恒压过滤直至终了。,六、过滤常数的测定,恒压过滤：,(q+qe)2 = K(+e),微分：,滤饼常数k，滤饼压缩指数s，当量滤液体积Ve 或qe
11、 和过滤常K 等都由过滤物系固液两相性质决定，需由实验测定。,即在恒压过滤条件下，/q q 的函数关系是以 2/K 为斜率、2qe/K 为截距的直线，实验测得不同时刻单位过滤面积的累积滤液量q，即可由上式回归出K 和qe和e。 由过滤常数K 的定义式：,lgK lg(P)为直线方程，斜率为(1-s)、截距为lg(2k)。 在不同压差P 下进行恒压过滤实验，求得一系列与之对应的过滤常数K，再通过上式回归出滤饼常数k 和压缩指数s。,3.3.3 过滤设备及其操作,过滤是化工、轻工、食品、制药和粉体材料等许多生产领域应用最为广泛的单元操作之一，既有各种不同类型的系列化、大型化、通用化的过滤设备载于手
12、册与样本之中，更有许多结构新颖的过滤装置随过程工业的发展而不断问世，非教材所能列数。本节仅以工厂中最常见的板框压滤机、叶滤机、回转真空过滤机、盘式过滤机和离心过滤机为例进行扼要介绍。,一、间歇式过滤机板框压滤机,通过直接给悬浮液加压，迫使其穿过过滤介质来实现过滤的目的，其历史最久且已有超过100种以上的结构。,结构：,由交替排列的滤板、滤框与夹于板框之间的滤布叠合组装压紧而成。板框数视工艺要求在机座长度范围内可灵活调节。组装后，在板框的四角位置形成连通的流道，由机头上的阀门控制悬浮液、滤液及洗液的进出。,过滤阶段悬浮液从通道进入滤框，滤液在压力下穿过滤框两边的滤布、沿滤布与滤板凹凸表面之间形成
13、的沟道流下，既可单独由每块滤板上设置的出液旋塞排出，称为明流式；也可汇总后排出，称为暗流式。,框,板,框,板,洗涤板,非洗涤板,悬浮液,滤液,板,非洗涤板,过滤操作：,洗涤液由洗涤板上的通道进入其两侧与滤布形成的凹凸空间，穿过滤布、滤饼和滤框另一侧的滤布后排出。洗涤液的行程（包括滤饼和滤布）约为过滤终了时滤液行程的2倍，而流通面积却为其1/2，故洗涤速率约为过滤终了速率的1/4。,洗涤操作：,洗涤液,洗出液,洗涤终了，若有必要可引入压缩空气使滤饼脱湿后再折开过滤机卸出滤饼，结束一次过滤操作。然后清洗、整理、重新组装、准备下一次操作。,横穿洗涤法,滤板和滤框可为铸铁、碳钢、不锈钢、塑料及木材等，
14、聚乙烯和聚丙烯是目前较为广泛使用的材料。,常用规格的板框其厚度为25100mm,边框长为0.21.5m，框数由生产所需定，由数个至上百个不等。板框压滤机的操作压强一般在0.30.8Mpa之间。 优点：结构简单紧凑，过滤面积大并可承受较高的压差。缺点：间歇式操作，所费的装、折、清洗时间较长，劳动强度大，生产效率较低。板框式压滤机主要用于含固量较多的悬浮液过滤。,特点：,板框压滤机的型式：,嵌入式滤布的滤板,XASL /630-UB系列,XAZ /2000-UB系列,XAZ /800-UB系,DY-Q 带式压榨过滤机,XKZ系列全自动快开式压滤机,二、叶滤机,由起过滤作用的滤叶和起密闭作用的筒体构
15、成，操作为间歇式。滤叶有圆形和矩形等多种形式，由金属丝网组成的框架上覆以滤布构成，使用时可将多块平行排列的滤叶组装成一体插入箱体内。,结构与原理：,悬浮液被加压送入或借真空泵进行抽吸，滤液穿过滤布进入丝网构成的中空部分并汇集于下部总管流出，颗粒则沉积在滤布上形成滤饼，当滤饼达到一定厚度时停止过滤。视悬浮液的性质和操作压强的大小，滤饼厚度通常在535mm之间。,过滤结束后，通入洗涤液对滤饼进行洗涤，洗涤液的行程和流通面积与过滤终了时滤液的行程和流通面积相同，在洗涤液与滤液的性质接近的情况下，洗涤速率约为过滤终了时速率。可用振动或压缩空气及清水等反吹卸滤渣。,操作：,优点：过滤面积大，设备紧凑，密
16、闭操作，劳动条件较好。不必每次循环装卸滤布，劳动强度也大大降低。 缺点：结构比较复杂，造价较高。,特点：,叶滤机的型式：,NYB系列高效板式密闭过滤机,MYB型全自动板式密闭过滤机,SYB系列水平叶片过滤机,WYB系列卧式叶片过滤机,三、连续式过滤机转筒真空过滤机,1转筒；2滤饼；3割刀；4分配头； 5吸走滤液的真空凹槽；6吸走洗水的真空凹槽；7通入压缩空气的凹槽； I过滤区；II洗涤脱水区；III卸渣区,结构与原理：,转筒的多孔表面上覆盖滤布，内部分隔成互不相通的若干扇形过滤室。,转动盘与机架上的固定盘紧密贴合构成分配头，转筒回转时各过滤室通过分配头依次与真空抽滤系统、洗水抽吸回收系统和压缩
17、空气反吹系统相通。 为了不使这些系统彼此串通，在固定盘上设有不与任何通道相通的非开孔区。,转筒旋转一周，每一个扇形过滤室依次完成真空过滤、洗涤、脱水、吸干滤饼和压缩空气吹松、刮刀卸料、反吹清洗表面等全部操作，相应分为过滤区、洗涤脱水区、卸料区和表面再生区等几个不同的工作区域。转筒转速多在0.13 r/min，浸入悬浮液中的吸滤面积约占总表面的3040%。滤饼厚度范围大约340mm。,过滤操作：,优点：连续进料，操作自动化，生产能力大，改变转速即可调节滤饼厚度，便于在转鼓表面预涂助滤剂后用于黏、细物料的过滤。 缺点：过滤面积小，设备投资大，过滤推动力有限，滤饼含液量较大，常达30%。,特点：,四
18、、水平回转翻盘真空过滤机,沿园周分布排列的若干个扇形过滤盘，各通过径向管道与中心分配头的转动盘相连。扇形过滤盘的多孔底板上敷设滤布作为过滤介质。各扇形盘回转到不同的圆周位置时，借助于分配头依次进行真空抽滤、洗涤、脱水、翻盘(吹气)卸渣和滤布清洗等全部操作。,五、带式水平真空过滤机,DU 胶带真空水平过滤机工作原理,六、离心过滤机,结构与原理：在高速旋转的多孔转鼓内壁敷设滤布。悬浮液中的液体在惯性离心力的作用下穿过颗粒层和滤布流到转鼓外部空间。,卧式刮刀离心机,三足刮刀下离心机,卧式活塞推料离心机,三足式离心机,3.3.4 过滤计算,可以分为设计型计算与操作型计算两种类型。 （1）设计型计算给定
19、或已知的参数：滤液量V，过滤时间，选择P。计算目的：求所需要的过滤面积A。 （2）操作型计算已知设备尺寸和参数，给定操作条件（或给定生产任务），核算该过程设备可以完成的生产任务（或求取相应的操作条件）。 操作型计算均涉及到过滤机生产任务即生产能力的问题。,一、板框过滤机的计算,生产能力：,已知A、P，计算Q，这是典型的操作型问题。叶滤机和板框压滤机都是典型的间歇式过滤机。其特点是：过滤、洗涤、卸饼、清洗滤布、组装等操作是依次分阶段进行的。在过滤阶段全部过滤面积都是有滤液通过（换句话说全部A都在进行过滤）。过滤阶段以外的时间虽然没有滤液得到，但仍要计入生产时间之内。即计算Q必须以一个操作周期所需
20、的总时间为基准。,过滤机单位时间所获得的滤液量或滤饼量，Q，m3/s,其中：,过滤时间,洗涤时间w=？,一个操作周期的总时间 ：,生产能力 ：,在一个操作周期内，D是固定的，与产量V无关 。,滤饼的洗涤速率与洗涤时间：,由于洗液中不含有固体颗粒，故洗涤过程不再有滤饼生成，洗涤速率（dV/d）w不变。,横穿洗涤时：洗液流经长度过滤终了时滤液流经长度的2倍：LW=2L；洗液面积=1/2过滤面积：AW=1/2A,若洗涤液流动性质可视为与滤液相同（W=），洗涤操作压力与过滤压力相同，由,说明：,若W，PWP，则应进行校正：,忽略介质阻力：qe = 0，则：,生产中应尽量缩短辅助操作时间D 以提高生产能
21、力。 注意：对恒压过滤，过分增加过滤时间在每一次循环中所占比例，并不一定能提高Q。因为恒压操作的过滤速率随过滤时间的增长而下降。,、W与V有关，V，W。V由生产任务所定。 若V，但滤饼厚度L，平均过滤速率，W，D 一定V的幅度小于的幅度Q； L，平均过滤速率，W，但V，而D一定且在一个周期内所占比例 的幅度小于V的幅度Q。从上面的分析可知，对恒定过滤每一操作周期中必定存在一最佳的过滤时间opt使Q最大。因此存在一个最佳操作周期 。,最佳过滤时间与最大生产能力：,最佳过滤时间opt？,由,令a = 洗液量/滤液量 = VW/V，则VW = aV,可以得到：,辅助时间D一定，将上式微分dQ/dV
22、= 0，对应Qmax，则：,忽略介质阻力：,滤饼不洗涤：,结论（板框压滤机）：,忽略介质阻力，滤饼不洗涤，当过滤时间= 辅助时间D时，生产能力Q最大；,滤饼进行洗涤，可以证明：当+W =D时，达到一定Q值所需的时间最短，即：,若考略介质阻力，滤饼进行洗涤，应取+W略大于D。,二、转筒真空过滤机的计算,转筒真空过滤机的特点是连续过滤，即过滤、洗涤、去湿、卸饼、滤布再生等操作是在过滤机内分区域同时进行的，其生产能力Q的计算也要以一个操作周期即转鼓旋转一周所经历的时间T为基准。但全部转鼓面积中只有浸入悬浮液中属于过滤区的那部分面积即 A有滤液通过，属于过滤面积。,浸没度：,设转筒的转速为n，以转速n
23、 (转/分)匀速旋转的过滤机， 等价于过滤时间在旋转周期中所占的比例，故每周期T=1/n 的有效过滤时间为：,浸入滤浆的表面积/转筒的总表面积,过滤时间： T（一个周期均 （一个周期T 中 （一个周期,为过滤时间） 的部分时间） 中的部分时间）,过滤时间： （转换表面浸 A（全部转鼓面积） A（全部面积）,入悬浮液中的 面积为过滤面积）,此时，一台总过滤面积为A、浸没度为 、转速为n 的连续式真空过滤机，与一台在同样条件下操作的过滤面积为A、操作周期为T1/n、每次过滤时间为 /n 的间歇式板框过滤机是等效的。,由：,忽略介质阻力：, nQ,但= /n，滤饼太薄，不易从转鼓表面刮下（一般L=3
24、5mm才易刮下），而且也使转动功率消耗增大。合适的转速需根据具体情况由实验决定，一般n=0.13转/min； Q，但转筒表面洗涤、去湿、卸饼、滤布再生等区域所占的区域便相应减小，过甚时亦会导致操作上的困难，一般 = 3040%。,讨论：,提高过滤生产能力的措施,增大过滤面积、提高转速、缩短辅助操作时间、改善过滤特性以提高过滤和洗涤速率。助滤剂：改变滤饼结构，使之较为疏松且不被压缩，则可提高过滤与洗涤速率。絮凝剂：使分散的细颗粒凝聚成团从而更容易过滤。絮凝剂有聚合电解质类的如明胶、聚丙烯酰胺等，其长链高分子结构为固体颗粒架桥而成絮团；也有无机电解质类的絮凝剂，其作用为破坏颗粒表面的双电层结构使颗粒依靠范德华力而聚并成团。流动或机械搅动：限制滤饼厚度的增长，或者借用离心力使滤饼在带锥度的转鼓中自动移动等动态过滤技术，也可以有效地提高过滤速率。,
