第五章颗粒 - 流体非均相物系分离

第五章颗粒-流体非均相物系分离 概述工业中常需要使颗粒与流体两相分离。例如，用结晶的方法提纯产品需要使晶体与母液分离。颗粒分散在液体中称悬浮液，分散在气体中称含尘气。小于1mm的颗粒称为“胶质”，分散在液体中称“溶胶”，分散在气体中则称“气溶胶”。过滤用过滤介质处理悬浮液，位于一侧的悬浮液中的流体通过过滤介质的孔道向另一侧流动，颗粒则被截留，从而实现流体与颗粒的分离。过滤操作的基本慨念

过滤介质 • 　织物介质称为滤布，由天然纤维、玻璃纤维、合成纤维或者金属丝编织而成。 • 　多孔材料如素瓷、烧结金属或玻璃、多孔性塑料以及滤纸和压紧的毡与棉等。 • 　固体颗粒床层由沙、木炭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。 • 　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。

饼层过滤与深床过滤 • 　饼层过滤，开始时，部分小颗粒可以穿过介质小孔，以后颗粒架桥截留形成滤饼，透过饼层的则是被净化的滤液。真正起过滤介质作用的是滤饼本身，因此称作饼层过滤。饼层过滤主要用于含固量较大（>1%）的场合。 • 　深床过滤用沙层作为过滤介质。颗粒小于介质孔隙进入到介质内部，在长而曲折的孔道中被截留并附着于介质之上。深床过滤主要用于净化含固量很少（<0.1%）流体，如水净化等。

过滤的操作方式 过滤操作分为间歇式与连续式。间歇操作：过滤、洗涤、卸料和处理过滤介质四个阶段依次进行。自动化的过滤机为连续操作。根据过滤推动力的方式，又有加压过滤、真空过滤和离心过滤之分，其目的都是克服过滤阻力。过滤设备过滤操作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册与样本之中，本节以工厂中最常见的板框压滤机、回转真空过滤机为例进行扼要介绍。

板框压滤机

板框压滤机组装示意图 1－固定头；2－滤板；3－滤框 4－滤布；5－压紧装置

工作原理 板框压滤机由交替排列的滤板、滤框与夹于板框之间的滤布叠合组装压紧而成。组装好后，在板框的四角位置形成如图所示的连通的流道，由机头上的接管阀门控制悬浮液、滤液及洗液的进出。过滤阶段悬浮液从通道1进入滤框，滤液穿过滤框两边的滤布、沿滤布与滤板凹凸表面之间形成的沟道流下，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。洗涤，滤板分为洗涤板与非洗涤板，两者间隔排列。洗液由洗涤板上的通道进入凹凸空间，穿过滤布、滤饼和另一侧的滤布后排出。洗涤液的行程为过滤终了时滤液行程2倍，而流通面积仅为1/2，

常用规格的板框其厚度为25~60mm,边长为0.2~2.0m,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0.3~1.0Mpa之间。常用规格的板框其厚度为25~60mm,边长为0.2~2.0m,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0.3~1.0Mpa之间。板框压滤机具有结构紧凑，过滤面积大并可承受较高的压差。其缺点是间歇式操作，劳动强度大，生产效率较低。

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

工作原理 转筒真空过滤机是一种连续式过滤机，靠真空在转筒内外形成的压差在转筒表面上过滤。转筒的多孔表面上覆盖滤布，内部则分隔成互不相通的若干扇形过滤室，每室各与固定在端面的转动盘上的一个孔相通。转动盘与固定在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、洗水抽吸系统和压缩空气反吹系统相通。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、刮刀卸料等全部操作。从整个过滤机来看，则相应分为过滤区、洗涤区、卸料区等几个不同的工作区域，构成连续的过滤操作。转筒真空过滤机转速多在0.1～3 r/min，浸入悬浮液中的吸滤面积约占全部表面的30～40%。滤饼厚度范围大约3～40mm。

离心过滤机 工作原理在高速旋转的多孔转鼓内壁敷设滤布作为过滤介质。离心过滤的推动力由随转鼓高速旋转的液层自身的惯性离心力产生，迫使悬浮液中的液体穿过颗粒层和滤布流到转鼓外部空间。 1－转鼓；2－活塞推送器；3－原料液； 4－洗涤水；5－脱水固体；6－洗水；7－滤液

设转鼓半径r和角速度，则液体中会产生沿半径向外的离心加速度r2。质量m的流体所受的离心力与重力之比称为离心机的分离因素设转鼓半径r和角速度，则液体中会产生沿半径向外的离心加速度r2。质量m的流体所受的离心力与重力之比称为离心机的分离因素 uT为r处流体切向速度。分离因素通常可达数百、数千，超高速离心机甚至可达5万以上。在如此强大的离心力场作用下，无论是过滤速度还是分离程度都比其它过滤方式大得多。

过滤计算 若过滤面积A，设在微分过滤时间dt内获得的的滤液量为dV，则过滤速度过滤视作通过固定床的层流流动，由欧根方程得过滤速度为式中： Dp1是通过滤饼的压降， μ滤液粘度， L为滤饼的厚度， dev、fA、e是颗粒及饼层特征参数，

令则 r称为滤饼的比阻，即单位厚度滤饼的阻力，反映滤饼的性质对过滤阻力的影响，R称为滤饼阻力。过滤速度正比于滤饼两侧压差，反比于滤饼的阻力和滤液的粘度。对过滤介质层设过滤介质的厚度是Lm，过滤介质的比阻为rm， Dp2是过滤介质的压降，则过滤速度 Rm称为过滤介质的阻力。

滤液串联穿过滤饼和过滤介质，故过滤速度有 过滤介质的阻力可表达为厚度为Le滤饼的过滤阻力， Le称为当量滤饼厚度，故设υ为获得单位体积滤液而形成的滤饼体积，滤饼厚度与滤液体积关系而表达为 Ve为过滤介质当量滤液体积写为过滤速率的形式

可压缩滤饼在压差作用下变形，空隙率减小，比阻上升，可表示为可压缩滤饼在压差作用下变形，空隙率减小，比阻上升，可表示为 r0为单位压差比阻，s为压缩指数，不可压缩滤饼s=0。令滤饼常数得此式即为过滤基本方程，代表任意瞬间的过滤速率与滤饼性质、操作压强差及累计滤液量间关系，是过滤计算的基本关系式。

过滤过程计算 恒压过滤恒压下Dp为常数，恒压下积分过滤基本方程，初始条件：令积分得两式相加得上式为恒压过滤工作方程式，表示恒压下滤液体积V与过滤时间te的关系为一抛物线。

如果用q代表单位面积的滤液体积，即 则得恒速过滤恒束过滤条件下累积滤液量与过滤时间成正比要保持恒速过滤，过滤压差须随滤饼增厚而增加，这将使过滤终了阶段的操作压力过高。实际的过滤过程是先恒速过滤一段时间，然后再维持恒压进行过滤。

过滤常数测定 根据恒压过滤方程方程两边对时间求导由实验测得一系列t~q数据，以　　对q作图得一直线，则斜率＝截距＝由K的定义式

两端取对数，得 此式是lgK关于lg(Dp)的直线方程，斜率为(1-s)、截距为lg(2k)。在不同的压差Dp下进行恒压过滤实验，得一系列与之对应的过滤常数K，再回归滤饼常数k和压缩指数s。过滤机的生产能力过滤机的生产能力以单位时间得到的滤液量Q表示。间歇式过滤机每一个操作循环包括过滤、洗涤和卸料清洗等辅助操作三个阶段。如各阶段所费的时间分别为t, tw和tD，且在一个操作循环中的过滤时间t内累积滤液量为V，间歇式过滤机的生产能力应为累积滤液量与一个操作循环所需的总的时间之比

若洗液性质可视为与滤液相同，板框过滤机洗涤液的行程为过滤终了时滤液行程2倍，而流通面积仅为1/2，若洗液性质可视为与滤液相同，板框过滤机洗涤液的行程为过滤终了时滤液行程2倍，而流通面积仅为1/2，已知过滤终了时刻的过滤速率板框过滤机洗涤速率设洗涤液用量Vw，洗涤时间tw 为

【例】 实验室采用过滤面积为0.1m2小型板框在1at的压差下对某悬浮液进行过滤实验，得到下列数据过滤时间： 60秒　　　600秒滤液体积： 0.003m3 0.015m3 已知υ＝0.08m3/m3。　（1）求过滤常数；　（2）若此悬浮液用一台BAY型板框压滤机（滤框尺寸0.635×0.635m，滤框厚度25mm，共20个框）进行生产，其操作条件及滤布与实验时相同，求滤框充满滤饼时的过滤时间；　（3）若用滤液量10%的洗水进行洗涤，设卸饼和重装时间为12分钟，求过滤机的生产能力。解（1）根据恒压过滤方程代入数据得

解得故得（2）过滤时间

（3）洗涤时间

生产能力

连续式过滤机 连续式过滤机生产能力定义与间歇式过滤机相同。所不同是，在生产周期的任一时刻，过滤机不同部位同时进行着过滤、洗涤、卸饼和清洗整备的操作。可将这种分区的概念等价转换为分时。无论是旋转或水平回转的过滤机，在360°的范围内，起过滤作用的表面所占的比例是一定的，如对转筒真空过滤机，即为其浸没于料浆之中的部分占整个转筒表面的分率。将浸没部分所对应的圆心角b与2之比称为浸没度 浸没度示意图

对于以转速n转/分匀速旋转的过滤机，每个周期中有效的过滤时间为对于以转速n转/分匀速旋转的过滤机，每个周期中有效的过滤时间为每一周期可得的滤液量为从而确定其生产能力若介质阻力可忽略不计，则

提高过滤生产能力的措施 强化过滤机的生产能力，除了增大过滤面积、提高转速、缩短辅助操作时间而外，更重要的是改善过滤特性。使用助滤剂改变滤饼结构，提高过滤与洗涤速率。助滤剂多为刚性较好的多孔性粒状或纤维状材料，如常用的硅藻土、膨胀珍珠岩、纤维素等。助滤剂可以掺混在悬浮液中，用量约为料浆质量的0.1～0.5%；也可以预过滤的方式使之在过滤介质表面形成1～3mm厚的预敷层。使用絮凝剂对悬浮液进行预处理，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；

第五章 颗粒 - 流体非均相物系分离