化工原理课件3过滤PPT资料50页.ppt
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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3.1 过滤过滤(Filteratio
2、n) 3.1.1 概述概述 过滤是在外力作用下,利用过滤介质使悬浮液中的液体过滤是在外力作用下,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),通过过滤介质的液体称为通过过滤介质的液体称为滤液(滤液(Filt
3、rate)。 (1)过滤介质(过滤介质(Filter medium):): 过滤介质应具有以下特性:多孔性,足够的机械强度,过滤介质应具有以下特性:多孔性,足够的机械强度,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。 工业上常见的过滤介质:织物介质、堆积介质、多孔固工业上常见的过滤介质:织物介质、堆积介质、多孔固体介质、多孔膜。体介质、多孔膜。 3.1.1 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
4、深层过滤深层过滤悬浮液悬浮液滤饼滤饼过滤介质过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: 重力(漏斗过滤)、压力(加压过滤)或真空(抽滤)重力(漏斗过滤)、压力(加压过滤)或真空(抽滤)、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 助滤剂本身就是一性能良好的过滤介质,是一种坚硬、助滤剂本身就是一性能良好的过滤介质,是一种坚硬、不规则的小颗粒,它能形成结构疏松、空隙率大、不可压缩不规则的小颗粒,它能形成结构疏松、空隙率大、不可压缩的滤饼,很大程度改善过滤难度。的滤饼,很大程度改善过滤难度。助滤剂使用方法主要有两助滤
5、剂使用方法主要有两种:混合、预涂。种:混合、预涂。3.1.1 概述概述3.1.2 过滤设备过滤设备 过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。3.1.2 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3.1.2 过滤设备过滤设备3.1.2 过滤设备过滤设备 流程流程装合、过滤、洗涤
6、、卸渣、整理,装合、过滤、洗涤、卸渣、整理,1232123212321 3.1.2 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(100100mm1500 1500mm)而占地省,过滤压力高(可达)而占地省,过滤压力高(可达1.5MPa),操作灵),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,又能充分地洗涤。分地洗涤。 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
7、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洗涤速率为过滤终了速率的四分之一)。)。 3.1.2 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: 3.1.2 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
8、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;洗涤速洗涤速率与过滤终了速率相等率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
9、 filter) 结构与工作原理:结构与工作原理: 3.1.2 过滤设备过滤设备3.1.2 过滤设备过滤设备3.1.2 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: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。3.1.3 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
10、隙率)滤饼层空隙率滤饼层体积滤饼层体积滤饼中空隙体积滤饼中空隙体积 空隙率反映了滤饼层中固体颗粒的堆积密度;空隙率反映了滤饼层中固体颗粒的堆积密度; ,颗,颗粒堆积紧密,同样流量下,阻力粒堆积紧密,同样流量下,阻力;,颗粒堆积疏松,同,颗粒堆积疏松,同样流量下,阻力样流量下,阻力。 3.1.3 过滤基本理论过滤基本理论(2)滤饼自由截面积分率)滤饼自由截面积分率A0滤饼层的截面积滤饼层的截面积截面积截面积滤液通过滤饼层的流通滤液通过滤饼层的流通 0A 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
11、,有: 22244 DdLDLd 222044 DdDdA 0A 3.1.3 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滤饼层体积滤饼层体积颗粒总表面积颗粒总表面积 Ba颗粒总体积颗粒总体积颗粒总表面积颗粒总表面积 0S滤滤饼饼层层体体积积颗颗粒粒总总体体积积滤滤饼饼层层体体积积 1滤滤饼饼层层体体积积颗颗粒粒总总体体积积 10BSa 0B1Sa 3.1.3 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: 2e132dulp 式中式中 l 滤饼
12、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。 0Be14444Salld 滤饼层体积滤饼层体积润湿周边润湿周边滤饼层体积滤饼层体积流通截面积流通截面积润湿周边润湿周边流通截面积流通截面积 uAuu 0滤饼层截面积滤饼层截面积滤饼层截面积滤饼层截面积流通截面积流通截面积体积流量体积流量流通截面积流通截面积体积流量体积流量LKl0 3.1.3 过滤基本理论过滤基本理论将以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: 320202001124132 SLuKSLuKp LpSKu 1
13、2020312 rLpAddVu 1 滤饼两侧滤饼两侧的压力差的压力差过滤阻力过滤阻力过滤推动力过滤推动力过滤速率过滤速率 3202012 SKr 滤饼的比阻滤饼的比阻(Lewis Specific filtration resistance) 3.1.3 过滤基本理论过滤基本理论 2221m1m/smsmNmN lupr lupr 1 滤饼的空隙率滤饼的空隙率,r,所以对可压缩滤饼推动力不同时,所以对可压缩滤饼推动力不同时,比阻也不同;由于滤液流过滤饼而对滤饼中的颗粒产生向,比阻也不同;由于滤液流过滤饼而对滤饼中的颗粒产生向前的压缩力(压紧力),使得滤饼表面空隙率较大,而内部前的压缩力(压紧
14、力),使得滤饼表面空隙率较大,而内部的空隙率较小,阻力较大;因此空隙率、比阻不仅与过滤推的空隙率较小,阻力较大;因此空隙率、比阻不仅与过滤推动力有关,还与滤饼层的位置有关,它们在滤饼中的不同位动力有关,还与滤饼层的位置有关,它们在滤饼中的不同位置分布是不均匀的。且上式过滤速率只考虑了滤饼的过滤阻置分布是不均匀的。且上式过滤速率只考虑了滤饼的过滤阻力,还未考虑过滤介质的过滤阻力。力,还未考虑过滤介质的过滤阻力。3.1.3 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 VALc 滤液体积滤液体积滤饼体积滤饼体积AcVL 当量滤液量,当量滤液量,m
15、3 AcVLee 同理同理 ee21e21LLrprLrLpprLprLpAddVu 当量滤饼层厚度,当量滤饼层厚度,m eVVrcpAAddVu e01VVcrpAAddVus sprr 0压缩性指数压缩性指数3.1.3 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 e0VVcrpAAddVu 比阻的另一种表达方法比阻的另一种表达方法 定义:定义:滤液体积滤液体积滤饼中绝干固体质量滤饼中绝干固体质量 c无论如何定义,过滤的阻力是不变的,所以:无论如何定义,过滤的阻力是不变的,所以: AVcrArcV crrc即即比阻(比阻(Ruth Specific filtrati
16、on resistance),),m/kg 3.1.3 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) 若在过滤过程中保持过滤推动力恒定,那么在过滤初始若在过滤过程中保持过滤推动力恒定,那么在过滤初始阶段,滤饼还未形成时,过滤阻力小,过滤速率大,随着过阶段,滤饼还未形成时,过滤阻力小,过滤速率大,随着过滤的进行,滤饼厚度不断增大,过滤阻力增大,过滤速率下滤的进行,滤饼厚度不断增大,过滤阻力增大,过滤速率下降;这种过滤方式为降;这种过滤方式为恒压过滤恒压过滤。 若要保证过滤过程的过滤速率恒定,那么在过滤过程中若要保证过滤过程
17、的过滤速率恒定,那么在过滤过程中应不断提高过滤的推动力,这种操作方式为应不断提高过滤的推动力,这种操作方式为恒速过滤(恒速过滤(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。 恒压过滤如线(恒压过滤如线(1)所示,压)所示,压力恒定,速率不断下降;力恒定,速率不断下降; 恒速过滤如线(恒速过滤如线(2)所示,速)所示,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)为系统阻力,包括过)为系统阻力,包括过滤系统管道阻力和滤饼阻力;滤系统管道阻力和滤饼阻力; 变压变速过滤
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