分离机械过滤原理及其应用
分离机械过滤原理及其应用
摘要：本文主要阐述了过滤的原理、目的以及其过程的应用，剖析了滤饼的过滤过程。 关键词：压缩流体力学 物理化学 絮凝剂
过滤是将悬浮在液体或气体中的固体颗粒分离出来的种工艺。其基本原理：在压力差的作用下，悬浮液中的液体（或气体）透过可渗性介质（过滤介质），固体颗粒为介质所截留，从而实现液体和固体的分离。
一、实现过滤具备的两个条件：
1.具有实现分离过程所必需的设备；
2.过滤介质两侧要保持一定的压力差（推动力）。
二、常用的过滤方法可分为重力过滤、真空过滤、加压过滤和离心过滤几种。
重力压力差由料浆液柱高度形成；真空过滤的推动力为真空源。
三、过滤具有特点：从本质上看，过滤是多相流体通过多孔介质的流动过程。
1.流体通过多孔介质的流动属于极慢流动，即渗流流动。有两个影响因素，一是宏观的流体力学因素，二是微观物理化学因素。
2.悬浮液中的固体粒五是连续不断地沉积在介质内部孔隙中或介质表面上的，因而在过滤过程中过滤阻力不断增加。
四、过滤的分类：
分为两大类，分别为：滤饼过滤和深层过滤，滤饼过滤应用表面过滤机， 深层过滤时，固体粒子被截留于介质内部的孔隙中。
五、滤饼过滤和深层过滤：
1.滤饼过滤通常浓度较高的悬浮液，其体积浓度常高于1%。如果在料浆中添加絮凝剂， 一些低浓度的悬浮液也可采用滤饼过滤。
2.深层过滤多从很稀的悬浮液中分离出微细固体颗粒，故通常用于液体的净化。在效率相近的情况下，深层过滤器的起始压力一般比表面过滤机高，且随着所收集的颗粒增多其压力降会逐渐增高。
六、过滤的目的：在于回收有价值的固相，或为获得有价值的液相；或两者兼而收之或两者 均作为废物丢弃。
1.不可压缩滤饼的过滤过程
（1）不可压缩滤饼的过滤过程
不可压缩滤饼：过滤时，流过滤饼的液体通过表面的运量传给固体颗粒的一个曳应力，该力通过点接触的颗粒向前传递并沿流动方向逐渐积累。若滤饼结构在此累积的曳应力的作用下颗粒不相互错动，滤饼的孔隙度不产生变化，则称这种滤饼为不可压缩滤饼。
工业上可压缩滤饼的原因：①料浆中实际上很少存在的单个颗粒，而常存在着程度不同的聚团，聚团界面承受不了液体的曳应力而使滤饼变形；②-10μm颗粒表面几乎均有盐膜，盐膜在流体作用下会产生变形；③固体颗粒在凝聚剂或絮凝剂作用下形成的凝聚体或絮团仅具很小的抗剪切性能，在液体作用下极易产生形变。
（2）过滤的基本方程
①达西提出的过滤方程：
Q=dV/dt=KA△P/(μL) &μ=dV/Adt=K△P/(μL)
式中：Q――滤液的流量，
A――过滤面积，
t――过滤时间，s；
V――时间t内累积的滤液体积，m3；
u――液体通过过滤层的平均线速度，m/s；
L――滤层的厚度，m；
K――滤层的渗透性系数，m2；
△P――跨过滤层的压强降，Pa；
μ――滤液的粘度，Ｐa•Ｓ
由于滤层厚度Ｌ和滤层渗透性系数ｋ实质上是以阻力形式影响过滤方程的，因此，上式通常表示为：
u＝△P／μＲ＝△P／［μ（Ｒm＋Ｒc）］
式中：Ｒ――滤层阻力，其值为Ｌ／Ｋ，１／m；
Ｒm，Ｒc――过滤介质和滤饼阻力，１／m。
②影响滤饼阻力的因素：
对于不可压缩滤饼而言，滤饼阻力通常与过滤介质表面沉积的固体物料量成线性关系，即：Ｒc＝αmω
式中：αm――滤饼的质量比阻，m/kg；
ω――单位面积介质上沉积的滤饼质量，kg/m2。
故有：u＝dV/Adt＝△P／［μ（αm＋Ｒm）］
上式就是过滤的基本方程，也就是人们所熟知的鲁思过滤方程。式中，△P＝△Ｐm＋△Ｐc，△Ｐm、△Ｐc分别为克服滤饼阻力和过滤介质阻力所需的压强差。
鲁思方程中一个重要的参数是滤饼的比阻。显然，它直接反映过滤的难易程度。由于ω＝Ｌkρs（l－ε）
式中：ε――滤饼孔隙率（滤饼中孔隙体积与滤饼总体积之比）；
ρs――固体密度，kg/m3；
Ｌk――滤饼厚度，m。
则Ｒc＝αmＬkρs（l－ε）
③科泽尼―卡曼方程
科泽尼及其后的卡曼在研究澄清液通过填充床的规律时，利用了流体穿过毛细管的泊肃叶定律。他们假设粉末填充床的孔隙空间为一束平行的、有共同当量半径的毛细管，该当量半径用填充床孔隙的水力半径来表示，从而导出了著名的科泽尼―卡曼方程。
Ｕu＝ε３△P／［Ｋ１（１－ε）２Ｓ０２μLk］---------------------（３－１３）
式中：ε３，Ｋ１――充填床的孔隙率和厚度，m；
Ｓ０――颗粒的比表面积（颗粒表面积／颗粒体积），m2/m3,
Ｋ１――科泽尼常数，计算时一般取Ｋ１＝５。
它和鲁思方程共同奠定了过滤理论的基础。
（３）过滤方程的应用
应用广泛常用于过滤机的设计、操作控制、过程强化和比例放大等，但应用的初始条件还是应由实际操作条件决定。过滤操作方式一般有以下几种：
①恒压过滤――在整个操作过程中维持过滤压强不变。实际生产中向过滤机供料时，利用压缩空气维持料浆储罐的压强、利用高位恒压料槽和真空泵维持恒定的过滤压强均属于这一类。
②恒速过滤――在整个过滤过程中维持过滤速率恒定不变。用板框压滤机或加压叶滤机处理离心泵输送的悬浮液时，过滤的早期阶段就近似恒速操作，用定量泵输送滤料亦属于这一此类。
③变压变速过滤――实际工业过滤操作中，过滤压力和过滤速率大多是变化的。过滤的操作主要取决于过滤机进料系统的进料泵性能。
④先恒速后恒压过滤――过滤操作不宜始终在恒压或恒速的条件下进行。若始终恒速操作，过滤过程末期因压力可能升得很高而使设备产生故障；若全过程恒压操作，则过滤初始滤饼很薄而阻力很小，较高的过滤压力或使细粒透过介质而污染滤液，或堵塞过滤介质而使阻力升高。
压滤机用于固体和液体的分离。与其它固液分离设备相比，压滤机过滤后的泥饼有更高的含固率和优良的分离效果。固液分离的基本原理是：混合液流经过滤介质（滤布），固体停留在滤布上，并逐渐在滤布上堆积形成过滤泥饼。而滤液部分则渗透过滤布，成为不含固体的清液。
随着过滤过程的进行，滤饼过滤开始，泥饼厚度逐渐增加，过滤阻力加大。过滤时间越长，分离效率越高。特殊设计的滤布可截留粒径小于1µm的粒子。压滤机除了优良的分离效果和泥饼高含固率外，还可提供进一步的分离过程：
在过滤的过程中可同时结合对过滤泥饼进行有效的洗涤。
从而有价值的物质可得到回收并且可以获得高纯度的过滤泥饼。
由于这许多优点，我们的压滤设备可以处理多种过滤任务，并能为加工技术提供新的可能。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。