恒压过滤常数测定实验
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、qe、τe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Ve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Ve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：
图1 板框压滤机过滤流程
1.料液罐，2.水桶，3.滤液出口阀，4.反清洗液进口阀5.压力变送器6.板框，7.安全阀，8.反清洗罐，9.压力罐，10.滤液进口阀，11.空气进口阀，12.电磁阀，13.球阀，.14.电子天平，15.空气压缩机，16.料液进口阀。
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，滤液流入筒计量，压缩空气从压力料槽上排空管中排出。
板框压虑机的结构尺寸：框厚度20mm，每个框过滤面积 0.0127m2，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
1.1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350mm。配置时，应将配料罐底部阀门关闭。
1.2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。
1.3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0.3MPa（出厂已设定，每个间隔压力大于0.05MPa。若欲作0.3MPa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。
1.4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）。
1.5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。
1.6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
2.1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。
2.2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。
2.3对于数字型，实验应在滤液从汇集管刚流出的时候作为开始时刻，每次800ml左右时采集一下数据。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。
2.4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；对于数字型，由于透过液已基本澄清，故可视作密度等同于水，则可以带通讯的电子天平读取对应计算机计时器下的瞬时重量的方法来确定过滤速度。
2.5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
3.1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。
3.2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。
3.3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
4.1先关闭空压机出口球阀,关闭空压机电源。
4.2打开安全阀处泄压阀，使压力罐和清水罐泄压。
4.3冲洗滤框、滤板，滤布不要折，应当用刷子刷洗。
4.4将压力罐内物料反压到配料罐内备下次实验使用，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＝0.024×2=0.048m2；
△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；
依此算出多组△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、qe、τe。
2. 比较几种压差下的K、qe、τe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、qe、τe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：恒压过滤常数测定实验指导书(徐州师范)
实验五 恒压过滤常数测定实验
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、qe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：
u=dV/Adτ=dq/dτ=Δp1-s/r0φμ(q+qe) （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；
qe—通过单位面积过滤介质的当量滤液量，m3/m2；
△p —过滤压差，pa ；
s —滤渣压缩指数；
μ—滤液的粘度，Pa.s；
r0 —常数；
φ —悬浮液中固体颗粒的体积分数，m3固/m3悬。
对于一定的悬浮液，在恒温和恒压下过滤时，μ、r0、φ和△p都恒定，为此令：
K=2Δp1-s/r0φμ （2）于是式（1）可改写为：
（3）
（4）
式中：K—过滤常数，由物料特性及过滤压差所决定。
（5）
（6）
将式（5）的积分极限改为从0到Ve和从0到
积分，则：
（7）
将式（7）和式（6）相加，可得：
（8）
式中：—虚拟过滤时间，相当于滤出滤液量Ve所需时间，s。
再将式（8）微分，得：
（9）
将式（9）写成差分形式，则
（10）
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；
— 相邻两个q值的平均值，m3/ m2。
以
为纵坐标，为横坐标将式（10）标绘成一直线，可得该直线的斜率和
截距。
斜率： 
截距： 
则 K=2/S
qe=KI/2=I/S
三、实验流程
本实验装置由空压机、配料罐、压力罐、 清水罐、板框过滤机等组成，其流程示意如图1。
1－空压机；2－压力罐；3－安全阀；4－压力表；5－压力传感器；6－清水罐；
7－滤框；8－滤板；9－手轮； 10－切换阀； 11－定值调压阀； 12－电磁阀；
13－配料罐；14－地沟；15－电子天平；16—压力显示器；17—控制柜。
图1 恒压过滤流程
在料液罐中配制一定浓度的CaCO3的悬浮液，然后利用位差送入压力罐中，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，滤液流入水桶通过电子天枰计量。压缩空气通过压力罐上的放空管路放空。
板框压虑机的结构尺寸：
框厚度25mm，单板的过滤面积 0.02m2，板数为7块，框数为6块，总过滤面积为0.24m2。
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
1.1通讯：用485通讯线将仪表控制柜和电脑连接；用232通讯线将电子天枰和电脑连接；再打开仪表控制柜的空开和电子天枰的电源开关。启动电脑，打开MCGS软件，进入数字型恒压过滤操作界面。检查控制柜上仪表显示的板框压力与电脑操作界面上的板框压力是否一致；现场电子天枰上显示的重量和电脑操作界面上是否一致。一致进行下步操作，否则查线，直到显示一致为止。
1.2配料：关闭料液罐底部阀门，向料液罐内加水到标尺刻度的50cm左右，再将事先用天平称量的碳酸钙加入，配制含CaCO320％～30％（wt. %）的水悬浮液（其中，料液罐的直径为35cm）。
1.3搅拌：将料液罐的顶盖盖上。打开系统总进气阀，启动空压机，将压缩空气通入料液罐（注意：空压机的出口球阀保持半开），再打开料液罐出料阀，缓慢开启料液罐进气阀（注意：操作要缓慢，防止气体压力过大喷浆），使料液罐内的CaCO3悬浮液搅拌均匀。
1.4设定过滤压力：分别打开进压力罐的三路阀门，从空压机过来的压缩空气经各定值调节阀分别设定实验操作压力，例如为0.1MPa、0.2MPa和0.3MPa，但是最大值不得超过0.4MPa。（注意：设定定值调节阀时，压力罐泄压阀要略开）。
1.5装板框：正确装好滤板、滤框及滤布。注意：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；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。
1.6灌清水：打开清水罐上的放空阀，通过清水罐进水阀向清水罐内通入自来水，至液面高度达视镜2/3高度左右时关闭阀门停止进水。
1.7灌料：在压力罐放空阀打开的情况下，打开料液罐出料阀、压力罐进料阀，利用高位输送原理将料浆自动输送到压力罐至液面高度到达视镜1/2~2/3高度左右时，关闭进料阀门。
2．过滤过程
2.1鼓泡：稍微打开压力罐放空阀，选择实验压力（一般从低到高)打开相应压力罐进气阀、压力调节阀（电脑操作），向压力罐内鼓入空气，使压力罐内料液搅拌均匀。
2.2恒压：将洗涤板板下的切换阀打开。打开压力罐出料阀、板框滤液出口阀，打开出板框后清液出口球阀。此时，控制柜上仪表显示板框过滤压力。
2.3过滤：把水桶放到电子天枰上，并按下电子天枰上的“去皮”按钮，至使电子天枰显示为零。待过滤压力稳定时，打开板框进料阀，并点击操作界面上“开始实验”按钮，用电子天枰上的桶收集板框滤液出口流出的滤液。待过滤体积约800ml左右时，采集一次数据，记录相应的过滤时间△τ。每个压力下，测量8～10组数据即可停止实验。如果要得到干而厚的滤饼，则应每个压力下做到没有清液流出为止。
2.4调压：一个恒压过滤实验结束，可转更高的压力实验。若料液罐内有足够下一恒压操作的料液，可以直接开始实验，具体操作步骤参照2.2-2.4，否则，利用滤液洗涤滤饼和滤布，并将洗涤后的滤液重新倒入料浆桶内搅拌配料，进入下一个压力实验。
3．实验结束
3.1先关闭空压机出口球阀,关闭空压机电源。
3.2打开压力罐进料阀，利用压力罐的剩余压力或利用低压管路，将压力罐内剩余的料液压回料液罐内。
3.3分别打开压力罐放空阀和清水罐放空阀，对压力罐和清水罐泄压。
3.4冲洗滤框、滤板和滤布。注意滤布不要折，应当用刷子刷洗。
3.5分别打开压力罐、清水罐的排净阀，将该两个罐内物料排放干净，再用清水冲洗。
五、数据记录
记录实验原始数据列于下表。
实验日期： 实验人员： 学号： 装置号：
数据记录表
六、数据处理
根据原理部分的公式，计算结果列于下表。
数据计算结果表
以其中一组数据为例：
过滤面积A＝0.024×2=0.048m2；
△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；
依此算出多组△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、截距，可求得K、qe。
图2 △τ/△q～的关系曲线
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，过段时间后滤液才逐渐变清？
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值后，若将过滤压强提高一倍，问K值将有何变化？