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.      了解操作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作为介质来处理悬浮液的操作。在外力作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被截留下来，从而实现固液分离。过滤操作中，随着过滤过程的进行，固体颗粒层的厚度不断增加，故在恒压过滤操作中，过滤速率不断降低。

影响过滤速率的主要因素除压强差、滤饼厚度外，还有滤饼和悬浮液的性质、悬浮液温度、过滤介质的阻力等，在低雷诺数范围内，过滤速率计算式为、

                                                                 (4－1)

式中，u－过滤速度，m/s；

        K^’－康采尼常数，层流时，K^’＝5.0；

ε－床层空隙率，m³/m³；                                         

a－颗粒的比表面积，m²/m³；

△p－过滤的压强差，Pa；

μ－滤液粘度，Pa·s；

L－床层厚度，m。

由此可导出过滤基本方程式

                                         (4－2)

式中，V－过滤体积，m³；

               τ－过滤时间，s；

A－过滤面积，m² ；

S－滤饼压缩性指数，无因次，一般S＝0～1，对不可压缩滤饼，S＝0；             r－滤饼比阻，1/m²，r=5.0a²(1-ε)²/ε³           ；

r^'－单位压强差下的比阻，1/m²，r= r^'△p^s；

－滤饼体积与相应滤液体积之比，无因次；

Ve－虚拟滤液体积，m³。

恒压过滤时，令k=1/μr^'v，K=2k△p^1-s，q=V/A，q_e=Ve/A，对式(3－2)积分得

(q+q_e)²=K(τ+τ_e)                                                             (4－3)

式中，q－单位过滤面积的滤液体积，m³/m²；

q_e－单位过滤面积的虚拟滤液体积，m³/m²；

τ_e－虚拟过滤时间，s；

K－滤饼常数，由物料特性及过滤压差所决定，m²/s。

K、q、q_e三者总称为过滤常数。利用恒压过滤方程进行计算时，必须首先知道K、q、q_e，而这三个过滤常数需由实验测定。

对式（4－3）微分得

     2(q+q_e)dq=Kdτ

                                                                                         (4－4)

用△τ/△q代替dτ/dq，在恒压条件下，用秒表和量筒分别测定一系列时间间隔△τ_i，和对应的滤液体积△V_i，可计算出一系列△τ_i/△q_i、q_i。在直角坐标系中绘制△τ/△q～q的函数关系，得一直线，斜率为2/K，截距为2q_e/K，可求得K和q_e，再根据τ_e=q_e²/K，可得τ_e。

改变过滤压差△p，可测得不同的K值，由K的定义式两边取对数得：

 lgK=(1-S)lg(△p)+lg(2k)                                                 (4－5)

在实验压差范围内，若k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，进而确定物料特性常数k。

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4－1，控制面板部分如图4－2所示。

图4－1 板框压滤机过滤流程

图4－2 控制柜面板图

 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。

板框压虑机的结构尺寸：框厚度25mm，每个框过滤面积 0.024m²，框数2个。

空气压缩机规格型号：ZVS－0.06/7，风量0.06m³/min，最大气压0.7Mpa。

四、实验步骤

1.  配制含CaCO₃8％～13％（wt. %）的水悬浮液。

2.  开启空压机，将压缩空气通入配料槽，使CaCO₃悬浮液搅拌均匀。

3.       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（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）。

4.       在压力料槽排气阀打开的情况下，打开进料阀门，使料浆自动由配料桶流入压力料槽至其视镜1/2~1/3处，关闭进料阀门。

5.       通压缩空气至压力料槽，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。

6.       调节压力料槽的压力到需要的值。主要依靠调节通至料浆槽和压力槽的两个压缩空气阀门的相对开启度。一旦调定压力，进气阀不要再动。压力细调可通过调节压力槽上的排气阀完成。每次实验，应有专人调节压力并保持恒压。

7.       最大压力不要超过0.3MPa，要考虑各个压力值的分布，从低压过滤开始做实验较好。

8.       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。要熟练双秒表轮流读数的方法。

9.       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！）

10.   每个压力下，测量8～10个读数即可停止实验。

11.   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。实验结束后要冲洗滤框、滤板及滤布不要折，应当用刷子刷洗。

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；

△q=△V/A=637×10^-6/0.048=0.0132  m³/m²；

△τ/△q=31.98/0.0132=2422.727 sm²/m³；

q₁=0.0132 m³/m²  q₂= q₁+△q=0.0269 m³/m²；

依此算出多组△τ/△q及q；

……

在直角坐标系中绘制△τ/△q～q的关系曲线，如图3－3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4－1中。

表4－1  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＝2.0kg/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=0.0006766。

将不同压力下测得的K值作lgK~lg△p曲线，如图4－4所示，也拟合得直线方程，根据斜率为（1－s），可计算得s=0.232105。

 

图4－3 △τ/△q～q曲线                图4－4  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、q_e。

2.       比较几种压差下的K、q、q_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及k。

4.       写出完整的过滤方程式，弄清其中各参数的符号及意义。

七、思考题

1.       为什么过滤开始时，滤液常常有点混浊，而过段时间后才变清？

2.       当操作压强增加一倍，其K值是否也增加一倍？要得到同样重量的过滤液，其过滤时间是否缩短了一半？

3.       影响过滤速率的主要因素有哪些？