3 过滤

1. 3 过滤 福州大学化学化工学院

2. 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； 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。 混合物 固体——固体：固体混合物 固体——液体：悬浮液 固体——气体：含尘气体 液体——气体：含雾气体 液体——液体：乳浊液 非均相混合物 3 过滤

3. 3.1 过滤（Filteration） 3.1.1 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。过滤介质具有多孔结构，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滤浆（Slurry），而过滤后分离出的固体称为滤渣或滤饼（Filter cake），通过过滤介质的液体称为滤液（Filtrate）。 （1）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，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、多孔固体介质、多孔膜。

4. 悬浮液 悬浮液 过滤介质 滤饼 过滤介质 深层过滤 滤液 滤饼过滤 3.1.1 概述 （2）过滤分类： 深层过滤（Deep bed filteration） 滤饼过滤（Cake filteration）

5. 3.1.1 概述 （3）过滤推动力： 重力（漏斗过滤）、压力（加压过滤）或真空（抽滤）、离心力（离心过滤）。 （4）滤饼的可压缩性 （5）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、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。助滤剂使用方法主要有两种：混合、预涂。

6. 3.1.2 过滤设备 过滤设备按生产压差的方式不同分成两大类: ① 压滤和吸滤 如叶滤机、板框压滤机，回转真空过滤机等； ② 离心过滤 如各种间歇卸渣和连卸渣离心机。

7. 3.1.2 过滤设备 （1）板框压滤机（Plate-and-frame type filter press） ① 结构与工作原理

8. 3.1.2 过滤设备

9. 3.1.2 过滤设备 ②流程 装合、过滤、洗涤、卸渣、整理，1232123212321……

10. 3.1.2 过滤设备 ③ 特点 优点：结构简单，过滤面积大（100×100mm~1500 × 1500mm）而占地省，过滤压力高（可达1.5MPa），操作灵活，便于用耐腐蚀材料制造，所得滤饼水分含量少，又能充分地洗涤。 缺点：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。 横穿洗涤（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；故洗涤速率为过滤终了速率的四分之一）。

11. 3.1.2 过滤设备 （2）叶滤机（Leaf filter） ①结构与工作原理：

12. 3.1.2 过滤设备 ②流程 装合、过滤、洗涤、卸渣、整理 ③ 特点 优点：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，密闭过滤，操作环境较好。 缺点：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。 置换洗涤（洗涤液的流通路径与过滤滤液流通路径相同，洗涤液的流通截面积与过滤滤液流通截面积相等；洗涤速率与过滤终了速率相等）。

13. 3.1.2 过滤设备 （3）转筒真空过滤机（Rotary vacuum drum filter） ① 结构与工作原理：

14. 3.1.2 过滤设备

15. 3.1.2 过滤设备 ②流程 过滤、洗涤、吸干、吹松、卸渣 ③特点 优点：操作连续、自动 缺点：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液分离。 洗涤方式为置换洗涤。

16. 3.1.3 过滤基本理论 3.1.3.1 滤饼层特性 （1）滤饼层空隙率ε 空隙率反映了滤饼层中固体颗粒的堆积密度； ε↓，颗粒堆积紧密，同样流量下，阻力↑；ε↑，颗粒堆积疏松，同样流量下，阻力↓。

17. L d D 3.1.3 过滤基本理论 （2）滤饼自由截面积分率A0 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：

18. 3.1.3 过滤基本理论 （3）滤饼比表面积aB和颗粒比表面积 S0

19. 3.1.3 过滤基本理论 3.1.3.2 滤液通过滤饼层的流动 流动阻力可用哈根—泊谡叶方程表示： 式中 l'—— 滤饼孔道的平均长度，m； u'——为滤饼孔道中滤液的流速， m/s； de —— 为孔道的当量直径，m。

20. 将以上关系代入哈根—泊谡叶方程： 滤饼的比阻（Lewis Specific filtration resistance） 滤饼两侧 的压力差 3.1.3 过滤基本理论

21. 3.1.3 过滤基本理论 滤饼的空隙率↓，r↑，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前的压缩力（压紧力），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力，还未考虑过滤介质的过滤阻力。

22. 当量滤饼层厚度，m 当量滤液量，m3 同理 压缩性指数 3.1.3 过滤基本理论 3.1.3.3 过滤基本方程式 （1）可压缩滤饼

23. （2）不可压缩滤饼 S = 0 比阻的另一种表达方法 定义： 无论如何定义，过滤的阻力是不变的，所以： 即 比阻（Ruth Specific filtration resistance），m/kg 3.1.3 过滤基本理论

24. 3.1.3 过滤基本理论 3.1.3.4 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，过滤速率下降；这种过滤方式为恒压过滤。 若要保证过滤过程的过滤速率恒定，那么在过滤过程中应不断提高过滤的推动力，这种操作方式为恒速过滤（Constant rate filtration）。 若过滤过程中压力和速率均无法恒定则为变压变速过滤。

25. 压力 （1） （3） （4） （2） （5） 速率 3.1.3 过滤基本理论 恒压过滤如线（1）所示，压力恒定，速率不断下降； 恒速过滤如线（2）所示，速率恒定，过滤压力不断提高； 线（5）为系统阻力，包括过滤系统管道阻力和滤饼阻力； 变压变速过滤，当管道阻力>>滤饼阻力时，则变压变速过滤趋向于恒压过滤，如线（3）所示；当管道阻力<<滤饼阻力时，则过滤压力和过滤速率变化明显，如线（4）所示。 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？

26. 令 ，k与滤液性质、悬浮液浓度、温度等有关 3.1.3 过滤基本理论 K称为过滤常数，m2/s，与滤液性质、悬浮液浓度、温度、过滤压力、压缩性指数等因素有关；对一定的悬浮液在恒压条件下过滤，压力差、滤液粘度、悬浮液浓度、滤饼比阻、压缩性指数等为常数，即为常数，那么过滤基本方程为：

27. 3.1.3 过滤基本理论 θe为过滤得到滤液量所花的时间，它与Ve一样是虚拟量（反映过滤介质阻力的大小），积分上式

28. 过滤介质阻力不可忽略 过滤介质阻力可忽略 令 单位过滤面积上所得到的滤液量，m3/m2； 3.1.3 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， Le= 0、Ve= 0、θe= 0时，

29. 用 近似代替 3.1.3 过滤基本理论 3.1.3.5 过滤参数的测定 （1）过滤常数（Filtration constant）的测定 过滤常数与过滤体系、操作条件有关，通常由恒压过滤实验测定；其测定方法主要有两种。 微分法：

30. 3.1.3 过滤基本理论

31. 积分法： 3.1.3 过滤基本理论

32. 3.1.3 过滤基本理论 注意： ①在实验测定过程中微分法测定的是一定时间段内时间、滤液量的变化量，而积分法是测定实验过程中某时刻滤液的总量；微分法在理论上做了近似不如积分法准确； ②在实验过程中要保证最终得到的关系线为直线，也就是过滤常数恒定，必须注意哪些问题？ 保证μ、r、c、s、Δp等参数即悬浮液体系、温度、浓度、过滤方式、过滤介质、过滤压力等在过滤过程中维持恒定； ③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？

33. 若比阻r与参数c没有变化则 若为不可压缩滤饼则 3.1.3 过滤基本理论 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s。

34. 3.1.3 过滤基本理论 （2）压缩性指数（Compressibility coefficient）的测定

35. 3.1.3 过滤基本理论 例 拟用一板框压滤机在3kgf/cm2压强下过滤某悬浮液，过滤常数为7×10-5m2/s ，qe=0.015 m3/m2，现要求每一操作周期得到10m3滤液，过滤时间为0.5h，滤饼不可压缩，且滤饼与滤液体积比c=0.03 m3/m3，求： （1）需要多大过滤面积； （2）如果操作压力提高至6 kgf/cm2，现有一台板框压滤机，每个框的尺寸为635 ×635 ×25mm，要求每个过滤周期得到的滤液量仍为10m3，过滤时间不超过0.5h，至少需要多少个滤框才能满足要求。

36. 3.1.3 过滤基本理论 3.1.3.6 洗涤速率和洗涤时间 （1）洗涤速率 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。

37. 当过滤滤液粘度与洗涤液粘度相等 ，过滤终了压力与洗涤压力相等时 ，洗涤速率与过滤终了速率相等： 3.1.3 过滤基本理论 ① 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：

38. 3.1.3 过滤基本理论 ② 板框过滤机 此类过滤机采用横穿洗涤方式，其特点是： 同样比较过滤终了速率和洗涤速率，当过滤滤液粘度与洗涤液粘度相等μW =μE，过滤终了压力与洗涤压力相等ΔpW= ΔpE时，洗涤速率为过滤终了速率的四分之一 ：

39. 置换洗涤 α =1 横穿洗涤 α =1/4 3.1.3 过滤基本理论 （2）洗涤时间 为了相互区别，过滤时间用θF表示，洗涤时间用θW、辅助时间用θR表示。洗涤时间为： 式中VW为洗涤液的用量，m3；置换洗涤和横穿洗涤速率可合并写成：

40. 3.1.3 过滤基本理论 讨论： ①当过滤介质阻力可以忽略时 ②洗涤速率与洗涤时间计算中置换洗涤α =1，横穿洗涤α =1/4的成立条件？ μW =μE，ΔpW = ΔpE； 若μW ≠μE，ΔpW≠ΔpE，则θW如何计算？

41. 3.1.3 过滤基本理论 例 用板框压滤机过滤某悬浮液，该过滤机共有12个框，框边长300mm，厚25mm，在过滤开始3min内恒速过滤，当压力升高到392kPa（表压）后恒压操作，又经过15min滤框被充满，然后在343kPa（表压）下洗涤10min，求：在每个操作周期内（1）收集到的滤液量；（2）洗涤液用量。 此悬浮液曾在一过滤面积为0.05m2的真空叶滤机内进行试验，试验在66.66kPa真空度下进行，5min获得滤液250ml，又过了5min再得到滤液150ml，滤饼不可压缩，过滤介质阻力在叶滤机和板框压滤机中相同。

42. 3.1.4 过滤机的生产能力 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，Q，m3滤液/h。 （1）间歇过滤机生产能力 θF↑，L↑，V↑，但滤液在过滤后期增加量不大而洗涤速率↓，θW、θR相应↑，Q↓； θF↓，L↓，V↓，θW、θR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最大。

43. 3.1.4 过滤机的生产能力

44. 当过滤介质阻力忽略不计时（不论其它条件如何） 若不进行洗涤θW= 0 ，J=0，则（不论其它条件如何） 3.1.4 过滤机的生产能力

45. 3.1.4 过滤机的生产能力 （2）连续过滤机生产能力

46. 过滤周期θC，转速为n（转/s），则 定义沉浸度 生产能力为： m3/h 恒压过滤方程 3.1.4 过滤机的生产能力

47. ∴ n↑，q↓，L↓ 3.1.4 过滤机的生产能力 讨论： ①若过滤介质阻力可以忽略，Ve= 0，qe= 0，θe= 0 则 ②若n↑，则Q↑；但θF↓，L↓不利于卸渣，故一般要求滤饼厚度不小于3~5mm； ③浸没面积↑，φ↑，θF↑，Q↑；但其他操作时间相应缩短，操作困难（如洗涤不充分），故一般浸没分率φ =30~40%。 ④ 滤饼厚度与转筒转速关系( 忽略介质阻力情况)

48. 离心力大小： 3.2 离心分离（Centrifugation） 转鼓直径D（或r）↑， n↑，Fr ↑，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： 常速离心机：KC<3000； 高速离心机： KC≈3000~50000； 超高速离心机： KC>50000。 按分离方式，可分为： 过滤式离心机（转鼓壁有孔） 沉降式离心机（转鼓壁无孔） 分离式离心机