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化工原理 第三章 非均相物系分离
3.3.1.3 滤饼的压缩性和助滤剂 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: 不可压缩滤饼: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体阻力基本恒定。 可压缩滤饼: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力不断增大。 滤饼的压缩性用压缩性指数s衡量,其值在0~1之间。通过实验测定。 S=0:不可压缩滤饼,无压缩性 S=0~1:可压缩滤饼,s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。 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 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 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85%以上的SiO2 珍珠岩:将一种玻璃状的火山岩熔融后倾入水中,得到中空的小球,再打碎而成 其它:炭粉、石绵粉、纸浆粉等 3.3.2 过滤基本方程式 3.3.2.1 滤液通过饼层的流动 滤饼是由被截留的颗粒堆积而成的固定床层,颗粒之间存在着网络状的空隙,滤液即从中流过。这样的固定床层可视为一个截面形状复杂多变而空隙截面积维持恒定的流通通道。对于颗粒中的通道,可简化成长度为l的一组平行细管,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。 空隙率ε:单位体积床层中的空隙体积,m3/m3,即: 比表面积a:单位体积颗粒所具有的表面积,m2/m3 当量直径de:仿照第一章非圆形管当量直径的计算,写出颗粒床层的当量直径: de∝rH 取面积为1m2,厚度为1m的滤饼考虑: 床层体积=1×1=1 m3 假设细管的全部流动空间等于床层的空隙体积: 流道容积(空隙体积)=床层体积×ε=1×ε=ε m3 若忽略床层中因颗粒相互接触而彼此覆盖的表面积,则: 流道表面积=颗粒表面积=颗粒体积×比表面积=(1-ε)a m2 平均流速u 因构成滤饼的颗粒通常很小且排列极不规则,因而粒间空隙十分细微,形状曲折,流动阻力大,流速较低,属于滞流流动。所以可仿照第一章圆管内滞流流动的哈根·泊谡叶公式。 在与过滤介质垂直的方向上,床层空隙中滤液流速u1与平均流速u关系: 将(1)、(3)式代入(2)式中,并写成等式,即: 式中:ε-床层的空隙率,m3/m3 a-颗粒的比表面积, m2/m3 ΔpC-滤饼上下游两侧的压强差,Pa μ-滤液粘度,Pa·s L-床层厚度,m K’-比例系数,其大小与床层的空隙率、粒子形状、排列及粒度等因素有关。对颗粒床层中的滞流流动,K’=5。 上式为计算滤液通过床层时平均流速u的方程式 3.3.2.2 过滤速率 单位时间内获得的滤液体积称为过滤速率,单位为m3/s。可见过滤速度是单位过滤面积上的过滤速率。若过滤过程中其它因素维持不变,则由于滤饼厚度不断增加而使得过滤速度逐渐变小。任一瞬间的过滤速度可写成如下形式: 式中:V-滤液量,m3。 θ-过滤时间,s A-过滤面积上,m2 3.3.2.3 滤饼的阻力 对不可压缩滤饼,其形状,大小不变,故ε、a为常数,则: 式中:R-滤饼的阻力,1/m r-滤饼的比阻,1/m2 上式表当滤饼为不可压缩时,任一瞬间单位面积上的过滤速率与滤饼上、下游两侧的压强差成正比,而与当时的滤饼厚度成反比,并与滤液粘度成反比。 过滤推动力:促成滤液流动的因素,即压强差ΔpC 过滤阻力:μrL 滤液本身的粘性,μ 滤饼阻力:rL 物理意义:比阻在数值上等于粘度为1Pa·s的滤液以1m/s的平均速度通过厚度为1m的滤饼层时所产生的压强降。所以,比阻反映了颗粒形状、尺寸及床层空隙率对滤液流动的影响。 ε↓,a↑:床层越致密,对流体流动的阻滞作用越大 例 直径为0.1mm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60%。试求滤饼的比阻r;又知此悬浮液中固相所占的体积分率为10%。求每平方米过滤面积上获得0.5m3滤液时的滤饼阻力R。 解(1)ε=60%=0.6 ∵ R=rL 所以关键在于求解L。滤饼厚度可通过滤饼、滤液及滤浆进行体积衡算得到。 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 以1m2过
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