1、化工原理第三章-沉降与过滤3.1 概述概述 均相物系：均相物系：物系内部各处物料性质均匀而不物系内部各处物料性质均匀而不存在相界面的混合物系。溶液以及各种气存在相界面的混合物系。溶液以及各种气体的混合物都是均相物系，它们的分离方体的混合物都是均相物系，它们的分离方法将在后面章节讨论。法将在后面章节讨论。非均相物系：非均相物系：物系内部有明显的相界面存在物系内部有明显的相界面存在而界面两侧物料的性质不同的混合物系。而界面两侧物料的性质不同的混合物系。一、均相物系和非均相物系一、均相物系和非均相物系二、非均相物系的分类二、非均相物系的分类 1.按状态分按状态分液态非均相物系：液态非均相物系：固、液
2、、气分散在液相中。固、液、气分散在液相中。悬浮液悬浮液(液固物系液固物系)：指液体中含有一部分固体颗粒：指液体中含有一部分固体颗粒乳浊液乳浊液(液液物系液液物系)：指一种液体分散在与其不互溶：指一种液体分散在与其不互溶的另一种液体中的另一种液体中泡沫液泡沫液(液气物系液气物系)：指液体中含有气泡的物系：指液体中含有气泡的物系气态非均相物系：气态非均相物系：固、液分散在气相中。固、液分散在气相中。含尘气体含尘气体(气固物系气固物系)：指气体中含有固体颗粒：指气体中含有固体颗粒含雾气体含雾气体(气液物系气液物系)：指气体中含有少量液滴：指气体中含有少量液滴 粗悬浮系统：粗悬浮系统：d100m悬浮系
3、统：悬浮系统：0.1md100m胶体系统：胶体系统：d0.1m2.按颗粒大小分按颗粒大小分三、连续相与分散相三、连续相与分散相 分散相分散相(分散物质分散物质)：处于分散状态的物质处于分散状态的物质 连续相连续相(分散介质分散介质)：包围着分散物质而处于连续状态包围着分散物质而处于连续状态的物质的物质 由于非均相物系中连续相与分散相之间具有不由于非均相物系中连续相与分散相之间具有不同的物理性质同的物理性质(如密度、粒子的大小与另一相分子如密度、粒子的大小与另一相分子尺寸等尺寸等)，受到外力作用时运动状态就不同，受到外力作用时运动状态就不同，因而因而可应用机械方法将它们分开。可应用机械方法将它们
4、分开。要实现这种分离，其方法是使分散物质与分散要实现这种分离，其方法是使分散物质与分散介质之间发生相对运动，介质之间发生相对运动，所以非均相物系的分离操所以非均相物系的分离操作也遵循流体流动的基本规律作也遵循流体流动的基本规律。本章主要讨论液固。本章主要讨论液固非均相物系和气固非均相物系分离所依据的基本原非均相物系和气固非均相物系分离所依据的基本原理和设备，即理和设备，即颗粒相对于流体而运动的沉降操作和颗粒相对于流体而运动的沉降操作和流体相对于固粒而运动的过滤操作。流体相对于固粒而运动的过滤操作。四、非均相物系分离的目的四、非均相物系分离的目的1、回收有用物质、回收有用物质如从气流干燥器排出尾
5、气中回收带出的固体颗粒作如从气流干燥器排出尾气中回收带出的固体颗粒作为产品，或者从某些排泥中回收带走的液体等。为产品，或者从某些排泥中回收带走的液体等。2、净化物料、净化物料如除去浑液中的固相杂质而使其成为清液，或者使如除去浑液中的固相杂质而使其成为清液，或者使压缩后气体中的油滴分离而净化气体等。压缩后气体中的油滴分离而净化气体等。3、环境保护的需要、环境保护的需要象烟道气的排放、废液的排放都要求其含固量达到象烟道气的排放、废液的排放都要求其含固量达到一定标准，以防止对大气、河海等环境污染。一定标准，以防止对大气、河海等环境污染。五、非均相物系的分离方法五、非均相物系的分离方法 1.沉降：沉降
6、：依据重力、离心力、惯性力，使分散相与连依据重力、离心力、惯性力，使分散相与连续相分离。据力的不同分：重力沉降、离心沉降续相分离。据力的不同分：重力沉降、离心沉降 2.过滤：过滤：借助压力或离心力使混合物通过某介质借助压力或离心力使混合物通过某介质(固固体体)，使液相与固相截留于介质两侧而达到分离的目，使液相与固相截留于介质两侧而达到分离的目的。主要用于分离液态非均相物系。的。主要用于分离液态非均相物系。3.气体湿法净制：气体湿法净制：让含尘气体通过水或其它液体中，让含尘气体通过水或其它液体中，使颗粒溶于液体中或润湿颗粒，而使颗粒粘在一起，使颗粒溶于液体中或润湿颗粒，而使颗粒粘在一起，通过重力
7、沉降分离。通过重力沉降分离。4.电子除尘：电子除尘：使含有悬浮尘粒或雾滴的气体通过金属使含有悬浮尘粒或雾滴的气体通过金属电极间的高压直流静电场，气体电离产生离子附着电极间的高压直流静电场，气体电离产生离子附着于悬浮尘粒或雾滴上而使之荷电。荷电的尘粒、雾于悬浮尘粒或雾滴上而使之荷电。荷电的尘粒、雾滴在电场力的作用下至电极后发生中和而恢复中性滴在电场力的作用下至电极后发生中和而恢复中性从而达到分离。从而达到分离。六、固定床六、固定床 由众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒床由众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒床层称为固定床。层称为固定床。许多化工操作都与流体通过固许多化工操作都与流体通过固定床的流动有关
8、，其中最常见的有：定床的流动有关，其中最常见的有：（1）固定床反应器）固定床反应器（组成固定床的是粒状或片（组成固定床的是粒状或片状催化剂）状催化剂）（2）悬浮液的过滤）悬浮液的过滤（组成固定床的是悬浮液中（组成固定床的是悬浮液中的固定颗粒堆积而成的滤饼看作是固定床）的固定颗粒堆积而成的滤饼看作是固定床）爬流爬流：爬流速度很爬流速度很小，流动很小，流动很缓慢，颗粒迎流面与背流面的缓慢，颗粒迎流面与背流面的流线对称。流线对称。过滤过滤 滤饼层固液分离滤饼层固液分离吸附吸附 分子筛吸附某种气体分子筛吸附某种气体离子交换离子交换离子柱离子柱反应器反应器 催化剂颗粒层等概念催化剂颗粒层等概念固定床：固
9、定床：众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒层众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒层 以上工业操作中均为流体通过颗粒层的流动，与流体以上工业操作中均为流体通过颗粒层的流动，与流体在管道中的流动相比较：阻力增大，速度分布均一，在管道中的流动相比较：阻力增大，速度分布均一，流动特点：层流，绕流（因速度慢也称爬流）。流动特点：层流，绕流（因速度慢也称爬流）。流体通过固流体通过固定床的流动定床的流动颗粒层中流体流动特点：颗粒层中流体流动特点：（2）流体通过颗粒层的流动多呈爬流状态）流体通过颗粒层的流动多呈爬流状态原因原因：单位床层的颗粒表面积对流动阻力起决定性作用：单位床层的颗粒表面积对流动阻力起决定性作用原因
10、原因：大量颗粒随机堆积，颗粒对流体的流动造成很大：大量颗粒随机堆积，颗粒对流体的流动造成很大的阻力的阻力（1）床截面的流体速度分布均匀，床层两端产生很大压降）床截面的流体速度分布均匀，床层两端产生很大压降P工程上感兴趣的是工程上感兴趣的是阻力增大问题（压降问题）阻力增大问题（压降问题），因而本章，因而本章主要讨论主要讨论流体通过颗粒层的压降流体通过颗粒层的压降。第二节第二节 颗粒床层的特性颗粒床层的特性 一、单颗粒特性一、单颗粒特性 1、球形颗粒、球形颗粒 比表面积比表面积p6SaVd 与颗粒的大小（体积与颗粒的大小（体积V）、形状）、形状（取向（取向 ）表面积（表面积（S）、比表面积）、比表
11、面积 a（即（即S/V）等因素有关。）等因素有关。或或3P6Vd体积体积2pSd表面积表面积 可用单一参数可用单一参数 直径直径dP表示表示224drSdVSa6361dV对一定直径的颗粒，比表面积一定；颗粒的直对一定直径的颗粒，比表面积一定；颗粒的直径愈小，比表面积愈大，因此可以根据比表面径愈小，比表面积愈大，因此可以根据比表面积的大小，来表示颗粒的大小，特别是微小颗积的大小，来表示颗粒的大小，特别是微小颗粒。粒。2、非球形颗粒、非球形颗粒 ed当 量直 径体积当量直径体积当量直径 36evVd体积等效体积等效表面积当量直径表面积当量直径 esSd表面积等效表面积等效比表面积当量直径比表面积
12、当量直径 6eada比表面积等效比表面积等效 形状千变万化，不可能用单一参数全面表示颗粒的形状千变万化，不可能用单一参数全面表示颗粒的V、S、a 一般以某种当量的球形颗粒代表一般以某种当量的球形颗粒代表影响流体通过颗粒层流动阻力的主要颗粒特性是颗粒的比表影响流体通过颗粒层流动阻力的主要颗粒特性是颗粒的比表面积面积 a，因此常用，因此常用比表面当量直径比表面当量直径dea2eves()dd令dea、dev、des三者之间换算关系式：三者之间换算关系式：eseadd5.1eaevddevesdd则则(1)(2)(3)称为形状系数称为形状系数 32eveveaev2eses66()/ddddaS V
13、dd22evev22esesdddd与非球形颗粒体积相等的球的表面积非球形颗粒的表面积3、的物理意义的物理意义称为形状系数称为形状系数 体积相等时，球形颗粒的表面积最小14、非球形颗粒的参数表达、非球形颗粒的参数表达球形颗粒球形颗粒V、S 和和 a 均可以颗粒直径均可以颗粒直径 dP 确定，确定，非球形颗粒必须定义两个参数非球形颗粒必须定义两个参数形状系数形状系数一般定义一般定义dev作为当量直径，简写为作为当量直径，简写为de dev与球形颗粒与球形颗粒比较相差比较相差13e6Vd2edSe6adeves22ees dddSdeaeveae66adddd二、颗粒群的特性二、颗粒群的特性1、粒
14、度分布的筛分分析、粒度分布的筛分分析了解颗粒群的特性，以解决颗粒的尺寸大小不均问题。了解颗粒群的特性，以解决颗粒的尺寸大小不均问题。颗粒分布对颗粒层内流动有影响，需测量并定量表示这一分布颗粒分布对颗粒层内流动有影响，需测量并定量表示这一分布对大于对大于70m的颗粒通常采用的颗粒通常采用一套标准筛进行测量，这种方一套标准筛进行测量，这种方法称为筛分分析法称为筛分分析筛过量筛过量 通过筛孔的颗粒量通过筛孔的颗粒量筛余量筛余量 截留于筛面上的颗粒量截留于筛面上的颗粒量d1dndn-1d2G特性特性：a）与与dpi对应的对应的Fi值表示直径小于值表示直径小于dpi的颗粒占全部试样的质量分率。的颗粒占全
15、部试样的质量分率。b）在最大粒径在最大粒径dpmax处，分布函数为处，分布函数为1。（1）分布函数曲线）分布函数曲线以不同筛号（筛孔尺寸为以不同筛号（筛孔尺寸为dPi）上的筛过量占试样总量的）上的筛过量占试样总量的分率分率 Fi 与其筛孔尺寸与其筛孔尺寸 dPi作图，所示曲线称为分布函数。作图，所示曲线称为分布函数。2、筛分分析结果的显示、筛分分析结果的显示分布函数和频率函数分布函数和频率函数分布函数分布函数 Fdpi粒径粒径dp1.0Fi0(2)频率函数曲线频率函数曲线（分布密度函数）（分布密度函数）相邻两号筛孔直径相邻两号筛孔直径didi-1之间颗粒占全之间颗粒占全部试样的质量百分率部试样
16、的质量百分率 xi，以矩形面积，以矩形面积表示，则：表示，则：ii-1i ixfdd矩形高度：if 表示粒径处于表示粒径处于 di-1di 范围内范围内颗粒的平均分布密度颗粒的平均分布密度 a）一定粒度范围内颗粒占全部颗粒的质量分率为该粒一定粒度范围内颗粒占全部颗粒的质量分率为该粒度范围内频率函数曲线下的面积，粒度为某一定值度范围内频率函数曲线下的面积，粒度为某一定值的颗粒的质量分率为零。的颗粒的质量分率为零。b）频率函数曲线下全部面积为频率函数曲线下全部面积为1。特性：特性：频率函数频率函数f粒径粒径dpdidpidi-1fi0(3)分布函数分布函数 F 与频率函数与频率函数 f 二者关系二
17、者关系 ppipiipip0 ()ddddFfd dFfd d或：频率函数频率函数f粒径dpdidpidi-1fi00分布函数分布函数Fdpi粒径dp1.0Fi2、颗粒群的平均直径、颗粒群的平均直径（1）过程分析：考察流体在颗粒层内流动的特点）过程分析：考察流体在颗粒层内流动的特点流体在颗粒层内流动是极其缓慢的爬流，无边界层脱体现象发流体在颗粒层内流动是极其缓慢的爬流，无边界层脱体现象发生；流动阻力主要由颗粒表面积大小决定，颗粒形状不重要。生；流动阻力主要由颗粒表面积大小决定，颗粒形状不重要。可见应以比表面积相等为准则确定颗粒群平均直径可见应以比表面积相等为准则确定颗粒群平均直径 颗粒群具有粒
18、度分布，但希望以平均值或当量值代替颗粒群具有粒度分布，但希望以平均值或当量值代替（2）颗粒群的平均直径）颗粒群的平均直径:根据比表面根据比表面 a 相等的原则相等的原则mipi1dxdimpi66 mddmiimxm（相邻两筛号间颗粒质量相邻两筛号间颗粒质量 mi 占总质量占总质量 m 的比例的比例）p6SaVd666621nssssSSSS32221116666VSmVSmVSmVmSnn66662211nnamamamma66662211nnaxaxaxaniiinnmdxdxdxdxdd1221111nSSSS21平均直径计算过程平均直径计算过程1、床层的空隙率、床层的空隙率33pp3p
19、610.486ddd 三、床层特性三、床层特性 床颗粒床颗粒床VVVVV1均匀球形颗粒按最松排列时空隙率均匀球形颗粒按最松排列时空隙率0.48，最紧密排列空隙率，最紧密排列空隙率0.26球形颗粒床层的球形颗粒床层的 小于乱堆的非球形颗粒床层小于乱堆的非球形颗粒床层非均匀（大小不等）颗粒的床层非均匀（大小不等）颗粒的床层 小于均匀颗粒的小于均匀颗粒的dp,1fh。2、床层的各向同性、床层的各向同性（1）颗粒乱堆方向不同，但性质相同）颗粒乱堆方向不同，但性质相同特点：床层横截面上空隙面积特点：床层横截面上空隙面积/床层面积床层面积=空隙率空隙率（2）壁效应使近壁区的空隙率总是大于床层内部空隙率）壁
20、效应使近壁区的空隙率总是大于床层内部空隙率壁效应特点：阻力小，流速大，床层壁效应特点：阻力小，流速大，床层 D/dp 大，壁效应大，壁效应所占比例小，影响可忽略；所占比例小，影响可忽略；D/dp 小则应考虑。小则应考虑。表观流速（空床流速）表观流速（空床流速）u与实际流速与实际流速 u1 的关系的关系：111uAuuAu流量相等下：3、床层的比表面、床层的比表面床层比表面积床层比表面积B(1)aaBSaV颗粒床颗粒颗粒VSa 推导过程：推导过程：指单位体积床层具有的颗粒表面积，用指单位体积床层具有的颗粒表面积，用 表示表示Ba颗粒颗粒aVS11VVVV 颗粒颗粒床床B1SaVaaVV颗粒颗粒床
21、床颗粒颗粒VSa B aa和思考：的区别第三节第三节 流体通过固定床的压降流体通过固定床的压降根据前面已学的直管阻力损失计算式根据前面已学的直管阻力损失计算式2f2l uhd可推导出压降计算式可推导出压降计算式 以上阻力损失计算公式应用了以上阻力损失计算公式应用了因次理论因次理论进行了实验规进行了实验规划，较好地确定了各个变量之间的函数关系；划，较好地确定了各个变量之间的函数关系；本节将应用另一种实验规划方法本节将应用另一种实验规划方法 数学模型法数学模型法来解来解决流体通过固定床的压降问题。决流体通过固定床的压降问题。2f2l uhdP2f2luhdP一、数学模型法一、数学模型法 应用数学模
22、型法求算流体通过颗粒床层中压降是最典应用数学模型法求算流体通过颗粒床层中压降是最典型型 的例子，在的例子，在20世纪世纪40年代已经完善。年代已经完善。数学模型法立足于对所研究过程的深刻理解数学模型法立足于对所研究过程的深刻理解（2）建立数学模型及求解）建立数学模型及求解（3）模型检验及参数估值）模型检验及参数估值1、基本特征、基本特征（1）过程分解）过程分解对过程的研究分析对过程的研究分析简化的基础和前提简化的基础和前提（2）过程简化）过程简化对过程的理解对过程的理解无简化得不到数学模型无简化得不到数学模型2、主要步骤、主要步骤（1）建立物理模型）建立物理模型 过程简化过程简化 单位体积床层
23、所具有的颗粒表面积单位体积床层所具有的颗粒表面积 和床层空隙率和床层空隙率 对流动阻力有决定性的作用。对流动阻力有决定性的作用。将实际床层简化成由将实际床层简化成由许多相互平行的小孔道组成的管束。许多相互平行的小孔道组成的管束。规定：规定：细管的内表面积等于床层颗粒的全部表面；细管的内表面积等于床层颗粒的全部表面；细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙体积。细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙体积。Ba二、二、颗粒床层的数学模型颗粒床层的数学模型 1、床层的简化物理模型、床层的简化物理模型随机堆积随机堆积 毛细管束毛细管束 均匀圆管的压降均匀圆管的压降 床层流动空间床层流动空间=床层空隙容积床层
24、空隙容积=管束内表面积管束内表面积=床层颗粒全部表面积床层颗粒全部表面积=aB取取 1m3 床层床层2f2l uhdP L Le u de u 流体在固定床内流动的简化模型 1P1PeB441da（）e4d通道截面积润湿圆边e4d床层流动空间管束全部内表面 Le Le L Le u de u 流体在固定床内流动的简化模型 1P1P2、建立流体压降的数学模型、建立流体压降的数学模型 流体通过固定床的压降等同于流体通过一组当量直流体通过固定床的压降等同于流体通过一组当量直径为径为de、长度为、长度为 Le 的毛细管束的压降的毛细管束的压降通过单位床层高度压降：通过单位床层高度压降：1uu空床流速：
25、空床流速：uu 1e41d（）代入上式代入上式2f2l uhdP2e1fe2LuhdP2e1e2LuLd LP得得2e3(1)()8LauLLP由此推导出通过单位床层高度压降的由此推导出通过单位床层高度压降的 数学模型：数学模型：eee8LLLLLL，现认为常数，令固定床的流动摩擦系数固定床的流动摩擦系数模型参数模型参数 的物理意义：的物理意义：23(1)()8eLauLLP23(1)()8LauLLeP231auL（）PpL式中式中为单位床层高度的虚拟压强差为单位床层高度的虚拟压强差当床层不高，重力的影响可以忽略时当床层不高，重力的影响可以忽略时23)1(uaLpfLpLpf3、模型的检验和
26、参数的估值、模型的检验和参数的估值 床层的简化处理只是一种假定，其有效性必须通过床层的简化处理只是一种假定，其有效性必须通过实验检验，其中的模型参数实验检验，其中的模型参数 也必须由实验测定也必须由实验测定（1）康采尼方程康采尼方程2eR 适用范围：eRK0.5Ke141ed uuRa 康采尼常数康采尼常数床层雷诺数床层雷诺数231auL（）P(2)eR 2231aKuL（）P一般情况下，流体通过床层的流速较小，雷诺数在康采尼方程范围2m1e4(1)duRendReu duRea 雷诺数：搅拌雷诺数：床层雷诺数：注意比较雷诺数、搅拌雷诺数及床层雷诺数注意比较雷诺数、搅拌雷诺数及床层雷诺数（2）
27、欧根方程欧根方程 0.17 420Re 适用范围较宽：4.170.29Re3100ReRe，粘性力为主，第二项可忽略；，则惯性力为主，第一项可忽略22233 (1)(1)4.170.29uuL P三、三、影响床层压降的变量影响床层压降的变量的影响22e31 (2)aKuRL（）P ua操作变量：流体物性：、（粘性力）影响最大的因素为床层特：、空隙率性1 0.50.42.8L、值改变对床层压降的变化特别灵敏例 从，则康采尼方程中倍P2 、空隙率随装填情况而变，同种物料同样方式装填，空隙率未必能重复 某固定床反应器，内径为某固定床反应器，内径为3m，填料层高度为，填料层高度为4m，直径为直径为5m
28、m的球形颗粒，密度为的球形颗粒，密度为2000kg/m3，反应，反应器内填料的总质量为器内填料的总质量为32000kg。已知通过固定床的。已知通过固定床的气体流量为气体流量为0.03m3/s，平均密度为，平均密度为38kg/m3，粘度为，粘度为0.000017Pa.s，求气体通过固定床的压降。求气体通过固定床的压降。解：颗粒床层的体积解：颗粒床层的体积V床床=28.26m3；填料的体积填料的体积V填料填料=32000/2000=16m3；故床层空隙率故床层空隙率=0.43；颗粒的比表面积颗粒的比表面积=6/0.005=12000m2/m3；气体通过颗粒床层的流速气体通过颗粒床层的流速u=Q/A
29、=0.0042m/s；故压降为：故压降为：PauLap4.8)1(5322 工业过程具有复杂性难以采用数学解析法求解，工业过程具有复杂性难以采用数学解析法求解，而必须依靠实验。而必须依靠实验。指导实验的理论包括两个方面：指导实验的理论包括两个方面：化学工程学科本身的基本规律和基本观点；化学工程学科本身的基本规律和基本观点；正确的实验方法论。正确的实验方法论。指导实验的理论：指导实验的理论：因次分析法；因次分析法；数学模型法。数学模型法。因次分析法和数学模型法的比较因次分析法和数学模型法的比较因次分析法的步骤：因次分析法的步骤：找出过程的影响因素；找出过程的影响因素；将影响过程的各个物理量的因次
30、抽出进行分析，将影响过程的各个物理量的因次抽出进行分析，整理成若干个无因次数群；整理成若干个无因次数群；通过实验确定各数群之间的定量关系；通过实验确定各数群之间的定量关系；数学模型法的步骤：数学模型法的步骤：将复杂的真实过程简化成易于用数学方程式描将复杂的真实过程简化成易于用数学方程式描述的物理模型；述的物理模型；对所得的物理模型进行数学描述即建立数学模对所得的物理模型进行数学描述即建立数学模型；型；通过实验对数学模型的合理性进行检验并测定通过实验对数学模型的合理性进行检验并测定模型参数；模型参数；这两种方法应同时并存，各有所用，相辅相成这两种方法应同时并存，各有所用，相辅相成。过滤是以某种过
31、滤是以某种多孔多孔物质物质为介质，在为介质，在外力外力的作用下，的作用下，使悬浮液中的使悬浮液中的液体通过多孔液体通过多孔性介质性介质，而，而固体颗粒被截留固体颗粒被截留在介质上在介质上，从而实现固、液分，从而实现固、液分离的操作。离的操作。通常将所处理的悬浮液称为通常将所处理的悬浮液称为滤浆或料浆滤浆或料浆，过滤操作中采用的，过滤操作中采用的多孔物质称为多孔物质称为过滤介质过滤介质，通过多孔通道的液体称为，通过多孔通道的液体称为滤液滤液，被截，被截留的固体物质称为留的固体物质称为滤饼或滤渣滤饼或滤渣。实现过滤操作的外力可以是实现过滤操作的外力可以是重力、压强差或惯性离心力重力、压强差或惯性离
32、心力。在。在化工中应用最多的是以化工中应用最多的是以压强差压强差为推动力的过滤。为推动力的过滤。3.4.1 过滤操作的基本概念过滤操作的基本概念滤浆滤浆滤饼滤饼过滤介质过滤介质滤液滤液饼层过滤饼层过滤第四节 过滤（1）滤饼过滤）滤饼过滤（表面过滤）（表面过滤）过滤时悬浮液置于过滤介质的一侧。过滤介质常过滤时悬浮液置于过滤介质的一侧。过滤介质常用多孔织物，其网孔尺寸未必一定须小于被截留用多孔织物，其网孔尺寸未必一定须小于被截留的颗粒直径。的颗粒直径。在过滤操作开始阶段，会有部分颗在过滤操作开始阶段，会有部分颗粒进入过滤介质网孔中发生架桥现象粒进入过滤介质网孔中发生架桥现象（图（图b），），也有少
33、量颗粒穿过介质而混与滤液中。也有少量颗粒穿过介质而混与滤液中。随着滤渣随着滤渣的逐步堆积，在介质上形成一个滤渣层，称为的逐步堆积，在介质上形成一个滤渣层，称为滤滤饼饼。不断增厚的不断增厚的滤饼才是真正有效的过滤介质滤饼才是真正有效的过滤介质，而穿过滤饼的液体则变为清净的滤液。而穿过滤饼的液体则变为清净的滤液。通常，在通常，在操作开始阶段所得到滤液是浑浊的，须经过滤饼操作开始阶段所得到滤液是浑浊的，须经过滤饼形成之后返回重滤。形成之后返回重滤。3.4.1.1过滤方式过滤方式被过滤的颗粒粒被过滤的颗粒粒径较小的情况径较小的情况滤饼过滤通常发生在过滤流体中滤饼过滤通常发生在过滤流体中颗粒物浓度较高颗
34、粒物浓度较高或或过滤过滤速度较慢速度较慢的情况。的情况。给水处理：给水处理：慢滤池慢滤池污泥脱水：污泥脱水：使用的各类脱水机（如真空过滤机、板框式使用的各类脱水机（如真空过滤机、板框式压滤机等）压滤机等）滤饼过滤滤饼过滤多孔性多孔性介质介质（2）深层过滤）深层过滤 颗粒尺寸比介质孔道小的多，孔道弯曲细长，颗粒尺寸比介质孔道小的多，孔道弯曲细长，颗粒进入孔道后容易被截留。同时由于流体流颗粒进入孔道后容易被截留。同时由于流体流过时所引起的挤压和冲撞作用。颗粒紧附在孔过时所引起的挤压和冲撞作用。颗粒紧附在孔道的壁面上。介质表面无滤饼形成，过滤是在道的壁面上。介质表面无滤饼形成，过滤是在介质内部进行的
35、。介质内部进行的。深层过滤深层过滤 利用过滤介质间空隙进行过滤。利用过滤介质间空隙进行过滤。通常发生在以固体颗粒为滤料的过滤操作中。通常发生在以固体颗粒为滤料的过滤操作中。滤料内部空隙大于悬浮颗粒粒径。滤料内部空隙大于悬浮颗粒粒径。悬浮颗粒随流体进入滤料内部，在悬浮颗粒随流体进入滤料内部，在拦截、惯拦截、惯性碰撞、扩散沉淀性碰撞、扩散沉淀等作用下颗粒附着在滤料表等作用下颗粒附着在滤料表面上而与流体分开。面上而与流体分开。深层过滤的特点：深层过滤的特点：深层过滤主要用于含固量很少的悬浮液深层过滤主要用于含固量很少的悬浮液化工生产广泛使用的是滤饼过滤。化工生产广泛使用的是滤饼过滤。过滤介质应具有如
36、下性质：过滤介质应具有如下性质：过滤介质的作用过滤介质的作用(滤饼过滤滤饼过滤)：促使滤饼的形成，并支承滤饼。促使滤饼的形成，并支承滤饼。（1）多孔性，液体流过的阻力小；）多孔性，液体流过的阻力小；（2）有足够的强度；）有足够的强度；（3）耐腐蚀性和耐热性；）耐腐蚀性和耐热性；（4）孔道大小适当，能发生架桥现象。）孔道大小适当，能发生架桥现象。3.4.1.2 过滤介质过滤介质 工业用过滤介质主要有工业用过滤介质主要有织物介质织物介质（如棉、麻、（如棉、麻、丝、毛、合成纤维、金属丝等编织成的滤布）、丝、毛、合成纤维、金属丝等编织成的滤布）、多孔性固体介质多孔性固体介质（如素瓷板或管、烧结金属等）
37、。（如素瓷板或管、烧结金属等）。织物介质织物介质 最常用的过滤介质，工业上称为最常用的过滤介质，工业上称为滤布滤布(网网)，由天然纤维、，由天然纤维、玻璃纤维、合成纤维或者金属丝编织而成。可截留的最小颗粒视玻璃纤维、合成纤维或者金属丝编织而成。可截留的最小颗粒视网孔大小而定，一般在几到几十微米范围（网孔大小而定，一般在几到几十微米范围（565um）。）。堆积介质堆积介质 由沙、木炭之类的固体颗粒堆积而成的床层，称作由沙、木炭之类的固体颗粒堆积而成的床层，称作滤床滤床，用作过滤介质使含少量悬浮物的液体澄清，多用于深床过滤中。用作过滤介质使含少量悬浮物的液体澄清，多用于深床过滤中。多孔固体介质多孔
38、固体介质 制成片、板或管的各种多孔性固体材料，如素瓷、制成片、板或管的各种多孔性固体材料，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。此类烧结金属或玻璃、多孔性塑料以及滤纸和压紧的毡与棉等。此类介质较厚，孔道细，能截留介质较厚，孔道细，能截留13um的微细颗粒。的微细颗粒。多孔膜多孔膜 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聚酰胺膜。膜过滤属精密过滤或超滤(ultrafiltration)，可以分离，可以分离5nm的微粒。的微粒。3.4.1.3 滤饼的压缩性和助滤剂 由悬浮液中被截留下
39、来的颗粒累积而成的床层，随过滤进行由悬浮液中被截留下来的颗粒累积而成的床层，随过滤进行而增厚，根据其变形情况分为：而增厚，根据其变形情况分为：不可压缩滤饼：不可压缩滤饼：当滤饼厚度增加或压强差增大时，颗粒的形当滤饼厚度增加或压强差增大时，颗粒的形状和颗粒间的空隙不发生明显变化，故单位滤饼层厚度的流状和颗粒间的空隙不发生明显变化，故单位滤饼层厚度的流体阻力基本恒定。体阻力基本恒定。可压缩滤饼：可压缩滤饼：当滤饼厚度增加或过滤压强差增大时，颗粒的当滤饼厚度增加或过滤压强差增大时，颗粒的形状和颗粒间空隙发生明显变化，单位滤饼层厚度的流体阻形状和颗粒间空隙发生明显变化，单位滤饼层厚度的流体阻力不断增大
40、。力不断增大。滤饼的压缩性用压缩性指数滤饼的压缩性用压缩性指数s衡量，其值在衡量，其值在01之间。通过实之间。通过实验测定。验测定。S=0：不可压缩滤饼，无压缩性：不可压缩滤饼，无压缩性 S=01：可压缩滤饼，：可压缩滤饼，s愈大，压缩性愈强愈大，压缩性愈强 为了克服可压缩滤饼被压缩后难于进行过滤，可在其中加入为了克服可压缩滤饼被压缩后难于进行过滤，可在其中加入一种质地坚硬的固体颗粒或预涂于过滤介质上，以形成稀松一种质地坚硬的固体颗粒或预涂于过滤介质上，以形成稀松的饼层，以改变滤饼结构，提高刚性，减少阻力。的饼层，以改变滤饼结构，提高刚性，减少阻力。这种预涂或预混的粒状物质称为助滤剂。对助滤剂
41、的要求：这种预涂或预混的粒状物质称为助滤剂。对助滤剂的要求：应是能形成多孔饼层的刚性颗粒应是能形成多孔饼层的刚性颗粒 具有化学稳定性和不溶于液相中具有化学稳定性和不溶于液相中 过滤操作的压强差范围内，具有不可压缩性过滤操作的压强差范围内，具有不可压缩性 常用作助滤剂的物质有：常用作助滤剂的物质有：硅藻土：单细胞水生植物的沉积化石，经过干燥或焙烧，含硅藻土：单细胞水生植物的沉积化石，经过干燥或焙烧，含85以上的以上的SiO2；珍珠岩：将一种玻璃状的火山岩熔融后倾入水中，得到中空珍珠岩：将一种玻璃状的火山岩熔融后倾入水中，得到中空的的 小球，再打碎而成；小球，再打碎而成；其它：炭粉、石绵粉、纸浆粉
42、等。其它：炭粉、石绵粉、纸浆粉等。助滤剂助滤剂一般只有在以获得清净滤液为目的时，才使用助一般只有在以获得清净滤液为目的时，才使用助滤剂滤剂施用方法：施用方法：一、预涂；二、混滤一、预涂；二、混滤 过滤推动力过滤推动力悬浮液自身压强差，重力悬浮液自身压强差，重力悬浮液的一侧加压悬浮液的一侧加压过滤介质的一侧抽真空过滤介质的一侧抽真空离心力离心力过滤过程中流体流动的特点：过滤过程中流体流动的特点：（1）滤液通道细小曲折，形成不规则的网状结构；）滤液通道细小曲折，形成不规则的网状结构；（2）随着过滤的进行，滤饼厚度不断增加，流动阻力）随着过滤的进行，滤饼厚度不断增加，流动阻力逐渐增大，因而过滤属非稳
43、态操作；逐渐增大，因而过滤属非稳态操作；（3）细小而密集的颗粒层提供了很大的液、固接触表）细小而密集的颗粒层提供了很大的液、固接触表面，滤液的流动大都在层流区。面，滤液的流动大都在层流区。3.4.2 过滤基本方程式过滤基本方程式1.滤液通过饼层的流动滤液通过饼层的流动v 产生压强降的主要原因：产生压强降的主要原因：dpde 对于颗粒层中不规则的通道，可以简化成由一组当量直径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为de的细管，而细管的当量直径可由床层的空隙率和颗粒的的细管，而细管的当量直径可由床层的空隙率和颗粒的比表面积来计算。比表面积来计算。2.过滤速率和过滤速度过滤速率和过滤速
44、度过滤速度：过滤速度：单位时间内通过单位过滤面积获得的滤液单位时间内通过单位过滤面积获得的滤液体积体积,m3/m2.s。式中：式中：A过滤面积，过滤面积，m；过滤时间，过滤时间，s；V在过滤时间内通过的滤液量。在过滤时间内通过的滤液量。3225(1)cpdVuAdaL过滤速率：过滤速率：单位时间内获得的滤液体积单位时间内获得的滤液体积，m3/s。3225(1)cA pdVdaL3.滤饼的阻力滤饼的阻力3225(1)cpdVuAdaL过滤阻力过滤阻力过滤推动力过滤推动力 式中：式中：r滤饼的比阻，滤饼的比阻，1/m2；R滤饼阻力，滤饼阻力，1/m。对于不可压缩滤饼，滤饼层中的空隙率对于不可压缩滤
45、饼，滤饼层中的空隙率可视为常可视为常数，颗粒的形状、尺寸也不改变，因而比表面数，颗粒的形状、尺寸也不改变，因而比表面a 亦为常亦为常数，则有数，则有ccppur LRRrL比阻比阻r比阻比阻r是单位厚度滤饼的阻力。是单位厚度滤饼的阻力。在数值上等于粘度为在数值上等于粘度为1Pas的滤液以的滤液以1m/s的平均流的平均流速通过厚度为速通过厚度为1m的滤饼层时所产生的压力降。的滤饼层时所产生的压力降。比阻反映了颗粒形状、尺寸及床层的空隙率对滤液比阻反映了颗粒形状、尺寸及床层的空隙率对滤液流动的影响。流动的影响。滤饼阻力滤饼阻力R=rL床层空隙率床层空隙率愈小及愈小及颗粒比表面颗粒比表面a愈大，愈大
46、，则床层愈致密，对流则床层愈致密，对流体流动的阻体流动的阻 滞作用滞作用也愈大。也愈大。R思考：思考：影响过滤阻力的因素有哪些？影响过滤阻力的因素有哪些？影响过滤速度的因素有哪些？影响过滤速度的因素有哪些？例：例：直径为直径为0.1mm的球形颗粒状物质悬浮于水中，用过滤方法的球形颗粒状物质悬浮于水中，用过滤方法予以分离。过滤时形成不可压缩滤饼，其空隙率为予以分离。过滤时形成不可压缩滤饼，其空隙率为60。试求。试求滤饼的比阻滤饼的比阻r；又知此悬浮液中固相所占的体积分率为；又知此悬浮液中固相所占的体积分率为10。求。求每平方米过滤面积上获得每平方米过滤面积上获得0.5m3滤液时的滤饼阻力滤液时的
47、滤饼阻力R。解解(1)600.62102112243223324332m/110333.1rm105.7)6.01()106(56.0)1(a5r1m/m106101.06d6d6da颗粒体积颗粒表面积 以以1m2过滤面积为基准：过滤面积为基准：滤液体积滤液体积0.5 m3 滤饼体积滤饼体积1L m3 滤饼中水的体积空隙体积滤饼中水的体积空隙体积1L0.6 m3 滤浆体积滤液体积滤饼体积滤浆体积滤液体积滤饼体积0.51L m3 0.51L0.6(0.51L)(1-0.1)（滤浆中水的体积）（滤浆中水的体积）L=0.1667 m R=rL1.33310100.16672.22109 1/m R=
48、rL 所以关键在于求解所以关键在于求解L。滤饼厚度可通过滤饼、滤液及滤浆进。滤饼厚度可通过滤饼、滤液及滤浆进行体积衡算得到。行体积衡算得到。因过滤中水的密度没有变化，故：因过滤中水的密度没有变化，故：滤浆体积滤液体积滤饼体积滤浆体积滤液体积滤饼体积 滤浆中固体体积滤饼中固体体积滤浆中固体体积滤饼中固体体积 滤浆中水的体积滤饼中水的体积滤液体积滤浆中水的体积滤饼中水的体积滤液体积4.过滤介质的阻力过滤介质的阻力 通常把过滤介质的阻力视为常数，仿照滤液穿过滤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
49、式：系式：mmpdVAdR式中：式中：pm 过滤介质上、下游两侧的压强差，过滤介质上、下游两侧的压强差，Pa；Rm 过滤介质阻力，过滤介质阻力，l/m 由于很难划定过滤介质与滤饼之间的分界面，更难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滤饼联合起来 考虑。考虑。通常，滤饼与滤布的面积相同。所以两层中的过滤通常，滤饼与滤布的面积相同。所以两层中的过滤速度应相等，则：速度应相等，则：()()cmmmppdVpAdRRRR式中：式中：p 滤饼与滤布两侧的总压强差，称为过滤压强差。滤饼与滤布
50、两侧的总压强差，称为过滤压强差。上式表明，可用滤液通过串联的滤饼与滤布的总上式表明，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。总阻力。介质阻力）介质阻力）（滤饼阻力（滤饼阻力过滤总推动力过滤总推动力 过滤介质的阻力过滤介质的阻力视为常数视为常数 假设过滤介质对滤液流动的阻力相当于厚度为假设过滤介质对滤液流动的阻力相当于厚度为Le的滤饼层的的滤饼层的阻力阻力meRrLLe 过滤介质的当量滤饼厚度，或称虚拟滤饼厚度。过滤介质的当量滤饼厚度，或称虚拟滤饼厚度。在一定操作条件下，以一定介质过滤一定悬浮液时，在一定
