第4章 恒压过滤实验

一、实验目的

1.  熟悉板框压滤机的构造和操作方法。

2.       通过恒压过滤实验，验证过滤基本理论。

3.       学会测定过滤常数K、q_e、τ_e及压缩性指数s的方法。

4.    了解过滤压力对过滤速率的影响。

二、基本原理

过滤是以某种多孔物质为介质来处理悬浮液以达到固、液分离的一种操作过程，即在外力的作用下，悬浮液中的液体通过固体颗粒层（即滤渣层）及多孔介质的孔道而固体颗粒被截留下来形成滤渣层，从而实现固、液分离。因此，过滤操作本质上是流体通过固体颗粒层的流动，而这个固体颗粒层（滤渣层）的厚度随着过滤的进行而不断增加，故在恒压过滤操作中，过滤速度不断降低。

过滤速度u定义为单位时间单位过滤面积内通过过滤介质的滤液量。影响过滤速度的主要因素除过滤推动力（压强差）△p，滤饼厚度L外，还有滤饼和悬浮液的性质，悬浮液温度，过滤介质的阻力等。

过滤时滤液流过滤渣和过滤介质的流动过程基本上处在层流流动范围内，因此，可利用流体通过固定床压降的简化模型，寻求滤液量与时间的关系，可得过滤速度计算式：

                （1）

式中：u —过滤速度，m/s；

V —通过过滤介质的滤液量，m³；

A —过滤面积，m²；

τ —过滤时间，s；

q —通过单位面积过滤介质的滤液量，m³/m²；

△p —过滤压力（表压）pa ；

s ­—滤渣压缩性系数；

μ—滤液的粘度，Pa.s；

r —滤渣比阻，1/m²；

C —单位滤液体积的滤渣体积，m³/m³；

Ve —过滤介质的当量滤液体积，m³；

r¢ —滤渣比阻，m/kg；

C  —单位滤液体积的滤渣质量，kg/m³。

对于一定的悬浮液，在恒温和恒压下过滤时，μ、r、C和△p都恒定，为此令：

                                    （2）

于是式（1）可改写为：

                                       （3）

式中：K—过滤常数，由物料特性及过滤压差所决定，。

将式（3）分离变量积分，整理得：

                                 （4）

即                                                （5）

将式（4）的积分极限改为从0到V_e和从0到积分，则：

                                               （6）

将式（5）和式（6）相加，可得：

                                    （7）

式中：—虚拟过滤时间，相当于滤出滤液量V_e所需时间，s。

再将式（7）微分，得：

                                       （8）

将式（8）写成差分形式，则

                                                 （9）

式中：— 每次测定的单位过滤面积滤液体积（在实验中一般等量分配），m³/ m²；

— 每次测定的滤液体积所对应的时间，s；

— 相邻二个q值的平均值，m³/ m²。

以为纵坐标，为横坐标将式（9）标绘成一直线，可得该直线的斜率和截距，

斜率：                          

截距：                         

则，                          

改变过滤压差△P，可测得不同的K值，由K的定义式（2）两边取对数得：

                         (10)

在实验压差范围内，若B为常数，则lgK～lg(△p)的关系在直角坐标上应是一条直线，斜率为(1-s)，可得滤饼压缩性指数s。

三、实验装置与流程

本实验装置由空压机、配料槽、压力料槽、板框过滤机等组成，其流程示意如图1。

1－空气压缩机；2－压力灌；3－安全阀；4，5－压力表；6－清水罐；7－滤框；

8－滤板；9－手轮；10－通孔切换阀；11－调压阀；12－量筒；13－配料罐；14－地沟

图1 板框压滤机过滤流程

CaCO₃的悬浮液在配料桶内配制一定浓度后，利用压差送入压力料槽中，用压缩空气加以搅拌使CaCO₃不致沉降，同时利用压缩空气的压力将滤浆送入板框压滤机过滤，滤液流入量筒计量，压缩空气从压力料槽上排空管中排出。

板框压滤机的结构尺寸：框厚度20mm，每个框过滤面积 0.0177m²，框数2个。

空气压缩机规格型号：风量0.06m³/min，最大气压0.8Mpa。

四、实验步骤

1．实验准备

（1）           配料：在配料罐内配制含CaCO₃10％～30％（wt. %）的水悬浮液，碳酸钙事先由天平称重，水位高度按标尺示意，筒身直径35cm。配置时，应将配料罐底部阀门关闭。

（2）           搅拌：开启空压机，将压缩空气通入配料罐（空压机的出口小球阀保持半开，进入配料罐的两个阀门保持适当开度），使CaCO₃悬浮液搅拌均匀。搅拌时，应将配料罐的顶盖合上。

（3）           设定压力：分别打开进压力灌的三路阀门，空压机过来的压缩空气经各定值调节阀分别设定为0.1MPa、0.2MPa和0.25MPa（出厂已设定，实验时不需要再调压。若欲作0.25MPa以上压力过滤，需调节压力罐安全阀）。设定定值调节阀时，压力灌泄压阀可略开。

（4）           装板框：正确装好滤板、滤框及滤布。滤布使用前用水浸湿，滤布要绷紧，不能起皱。滤布紧贴滤板，密封垫贴紧滤布。（注意：用螺旋压紧时，千万不要把手指压伤，先慢慢转动手轮使板框合上，然后再压紧）。

（5）           灌清水：向清水罐通入自来水，液面达视镜2/3高度左右。灌清水时，应将安全阀处的泄压阀打开。

（6）           灌料：在压力罐泄压阀打开的情况下，打开配料罐和压力罐间的进料阀门，使料浆自动由配料桶流入压力罐至其视镜1/2~2/3处，关闭进料阀门。

2．过滤过程

（1）           鼓泡：通压缩空气至压力罐，使容器内料浆不断搅拌。压力料槽的排气阀应不断排气，但又不能喷浆。

（2）           过滤：将中间双面板下通孔切换阀开到通孔通路状态。打开进板框前料液进口的两个阀门，打开出板框后清液出口球阀。此时，压力表指示过滤压力，清液出口流出滤液。

（3）           每次实验应在滤液从汇集管刚流出的时候作为开始时刻，每次△V取800ml左右。记录相应的过滤时间△τ。每个压力下，测量8～10个读数即可停止实验。若欲得到干而厚的滤饼，则应每个压力下做到没有清液流出为止。量筒交换接滤液时不要流失滤液，等量筒内滤液静止后读出△V值。（注意：△V约800ml时替换量筒，这时量筒内滤液量并非正好800ml。要事先熟悉量筒刻度，不要打碎量筒），此外，要熟练双秒表轮流读数的方法。

（4）           一个压力下的实验完成后，先打开泄压阀使压力罐泄压。卸下滤框、滤板、滤布进行清洗，清洗时滤布不要折。每次滤液及滤饼均收集在小桶内，滤饼弄细后重新倒入料浆桶内搅拌配料，进入下一个压力实验。注意若清水罐水不足，可补充一定水源，补水时仍应打开该罐的泄压阀。

3．清洗过程

（1）           关闭板框过滤的进出阀门。将中间双面板下通孔切换阀开到通孔关闭状态（阀门手柄与滤板平行为过滤状态，垂直为清洗状态）。

（2）           打开清洗液进入板框的进出阀门（板框前两个进口阀，板框后一个出口阀）。此时，压力表指示清洗压力，清液出口流出清洗液。清洗液速度比同压力下过滤速度小很多。

（3）           清洗液流动约1min，可观察混浊变化判断结束。一般物料可不进行清洗过程。结束清洗过程，也是关闭清洗液进出板框的阀门，关闭定值调节阀后进气阀门。

4．实验结束

（1）           先关闭空压机出口球阀,关闭空压机电源。

（2）           打开安全阀处泄压阀，使压力罐和清水罐泄压。

（3）           卸下滤框、滤板、滤布进行清洗，清洗时滤布不要折。

（4）           将压力罐内物料反压到配料罐内备下次使用，或将该二罐物料直接排空后用清水冲洗。

五、数据处理

1. 滤饼常数K的求取

计算举例：以△P＝1.0kg/cm²时的一组数据为例。

过滤面积A＝0.0177×2=0.0254m²；

△V₁=637×10^-6 m³；△τ₁=31.98 s；

△V₂=630×10^-6 m³；△τ₂=35.67 s；

△q₁=△V₁/A=637×10^-6/0.048=0.013271  m³/m²；

△q₂=△V₂/A=630×10^-6/0.048=0.013125  m³/m²；

△τ₁/△q₁=31.98/0.013271=2409.766 sm²/m³；

△τ₂/△q₂=35.67/0.013125=2717.714 sm²/m³；

q₀=0 m³/m²；

q₁= q₀+△q₁=0.013271 m³/m²； 

q₂= q₁+△q₂=0.026396 m³/m²；

=( q₀+q₁)/2=0.0066355 m³/m² ；

=( q₁+q₂)/2=0.0198335 m³/m² ；

依次算出多组△τ/△q及；

在直角坐标系中绘制△τ/△q～的关系曲线，如图2所示，从该图中读出斜率可求得K。不同压力下的K值列于表1中。

表1  不同压力下的K值

2. 滤饼压缩性指数S的求取

计算举例：在压力△P＝1.0kg/cm²时的△τ/△q～q直线上，拟合得直线方程，根据斜率为2/ K₃，则K₃=0.00008524。

将不同压力下测得的K值作lgK~lg△P曲线，如图3所示，也拟合得直线方程，根据斜率为（1－s），可计算得s=0.198。

图2 △τ/△q～q曲线                     图3  lgK~lg△p曲线

六、实验报告

1.       由恒压过滤实验数据求过滤常数K、q_e、τ_e。

2.       比较几种压差下的K、q_e、τ_e值，讨论压差变化对以上参数数值的影响。

3.       在直角坐标纸上绘制lgK~lg△p关系曲线，求出s。

4.       实验结果分析与与讨论。

七、思考题

1．  板框过滤机的优缺点是什么？适用于什么场合？

2．  板框压滤机的操作分哪几个阶段？

3．  为什么过滤开始时，滤液常常有点浑浊，而过段时间后才变清？

4．  影响过滤速率的主要因素有哪些？当你在某一恒压下所测得的K、q_e、τ_e值后，若将过滤压强提高一倍，问上述三个值将有何变化？

第二篇：恒压过滤常数实验

七、实验数据记录与处理

实验原始数据列于表1-1中,本实验称质量，再换算成体积。计算结果列于表1-2中。

  计算示例

  △q=△V/  4 7 1 0 0=4 0 0 / 4 7 1 0 0=0 . 0 0 8 4 9（m³/m²）   

 dτ/dq=△τ/△q=16.56/0.00849=1950.53（sm²/m³

八、实验结果与分析

上图所得实验结果为： K=8.6278*10^(-5),qe=0.071

九、讨论、心得

实验结果误差分析，收获等心得；

思考题：      

1．当操作压强增加一倍，K值是否也增加一倍？要得到同样的过滤液，过滤时间是否缩短一半？

2．为什么过滤开始时，滤液常常有点混浊，过段时间后才变清？

1过滤压强提高一倍，K提高到原来的2倍。不是

2在过滤中，主要靠滤饼层。刚开始没有滤饼层，过滤效果不佳，随着滤饼层的增厚，滤液就变清了。

开始过滤时，滤饼还未形成，空隙较大的滤布使较小的颗粒得以漏过，滤饼形成后且形成较密的滤饼，使颗粒不易通过。

 收获：

1本实验的目的是通过恒压过滤实验验证过滤基本原理，实验时要注意夹滤布要对牢板上的洞，安装滤板和滤框用螺旋压紧时，千万不要把手指压伤，先慢慢转动手轮使板框合上，然后再压紧。

2处理数据分析时发现一二两组数据存在很大偏差，可能是做实验量水的体积时溢出很多，使数据不准确。以后实验要注意一下。                                       

3影响过滤速率的主要因素有过滤压强、过滤介质、过滤面积。

问题：

1恒压过滤常数的测定为什么会出现恒速的情况？

2在恒压过滤实验中,为什么随着过滤的进行,所得滤液越来越少

尝试回答：过滤实验,主要是靠压差滤液过滤进行的，在恒压过滤中，随着过滤的进行，虽然其压差不变，但是过滤的滤渣积压压缩成滤饼，随着滤饼的增厚，滤液通过的滤饼的阻力加大，实际提供给滤液作为动力的压差减少，滤液越来越难通过滤饼，甚至在过一段时间后，过滤就会因为阻力大而停滞。