过滤程序理论(doc 14).docx

第四章过滤(FiItratiOn)一、刖舌(一)定义：过滤(filtration)：将固体与液体的混合液通过仅可让液体通透的材料而使固体与液体分离的单元操作。在过滤操作中将作业的材料分成：滤泥(feedslurry)：过滤前的固体与液体的混合物。滤液(filtrate)：过滤出的清净液体。滤材(filtermedium)：可让液体通透而阻止固体部份流出的介质。滤块(filtercake)：过滤时在滤材上所形成的含少量液体的固体。(二)过滤的分类过滤依照作业机构分成：1 .滤块过滤(CakefiltratiOn)：滤液内固体量超过1-2%,过滤时在滤材上产生滤块，由滤块阻止固体通过，且滤块为主要的过滤阻力。此类机械称为表面过滤机(SUrfaCefilters)o2 .澄清过滤(CIarifiCatiOn)或称深层过滤(deepbedfiltration)：滤液内固体量低不易形成滤块，靠滤材阻止固体通过，常见的有深层过滤器(depthfilters),如沙滤(Sandfilters)等。3微过滤(microfiltration,ultrafiltration,reverseosmosis)：靠孔隙及细小的特殊材质的滤膜，阻隔细微颗粒如细菌或大分子通过。分子透过滤膜时为溶入与溶出的扩散现象,故归类在质量传递操作讨论。微过滤滤泥的流动方向常与滤液的流动方向垂直，已降低滤块的形成与阻力，故又称为交错流过滤(CrOSS-flowfiltration)o过滤时液体必须藉由某种驱动力而流动过滤块，过滤器可依照使用驱动力的不同分成。1 .重力过滤器(gravityfilters)；2.加压过滤器(PreSSUrefilters)；3.真空过滤器(VaCUUmfilters)；4.离心过滤器(centrifugalfilters)o(三)过滤的应用过滤普遍的用于用水与废水的处理，也是液体食品加工前处理前处理与精制中所不可或缺的。使用的实例如：蔗糖液清静时的过滤，食用油脂脱色时白土的分离，压榨果汁果渣的分离，啤酒制造时酵母菌的分离制酒时酒醪的分离等等。其它发酵工业制品中各种发酵液体的微生物与产品分离也都常使用过滤法。二、孔隙介质流与浮动床由颗粒所堆积成的体积称为填充床(PaCkbed)o填充床包括粒子与其间的微小孔隙，又称为孔隙介质(PoroUSmedia)0通过填充床的流动称为孔隙介质流(POrOUSflow)o向上流动流体的流速逐渐增加，其压力降也随之增加。压力降乘以填充床粒子的截面积即为作用在粒子的力量，若向上作用于粒子的力大于粒子的重力，则粒子开始运动。粒子的运动使填充床膨胀称为浮动床(fluidizedbed)o浮动床的颗粒表面充分暴露于流体中，且因运动使热、质传的边界层变薄，有利于热、质量传递与反应，故可利用为浮动层反应器、干燥机、吸附器等等。(一)填充床的性质1.孔隙率(voidfraction,porosity:)：孔隙率是单位体积内所含孔隙体积的比率。=(填充床孔隙的体积)/(填充床的总体积)2 .比表面积(specificsurface)比表面积是单位体积内所含的面积。单一粒子的比表面积(Sp)：AdS0=pvP其中AP为粒子的表面积，VP为粒子的体积。填充床的比表面积(S0):So=Sp(l-)因为圆球之Sp=6Dp,DP圆球为直径。因此定义填充床内不同粒径颗粒的等效粒径DP为：Dp=Wa)其中Xi为平均直径Dpi粒子所占的体积分率；s为形状因子(shapefactor)或圆球度(sphericity)用以修正因形状的不规则所增多的面积。上的定义如下：,二舆粒子相同BI球的表面稹s粒子的表面稹3 .流体力学相关定义液体流过填充床时，体积流量除以床之截面积称为表面流速(superficialvelocity：vs),液体在孔隙间的流速为孔隙流速(interstitialvelocity：v)0流体填充床，通常指表面流速。VS=£丫填充床的水力半径(hydraulicradius：h)r=(流体过的截面积)*单位长度/(湿周)*单位长=(孔隙体积)/(润湿面积)Reynold数：依据Ergun的定义N-DPVSPL(I-咖(二)流体通过填充床的压力降1.层流公式：流速低时压降主要由黏滞拖曳力产生；由Hagen-PoiseuiHe公式AP="D232(8)LM72vsL(l-)2J在填充床中流道弯曲，实际的长度较/长，Blake-Kozeny由实验得到P =(*)150vsL(1-)2DjrforNRe<102.紊流公式在紊流区内压降主要由惯性拖曳力产生；由Farlning公式:P=4fYh23fpv?Ll-一Dp5由实验得知3/-7.75,所以得Burke-Plummer公式：lLl-F7(*)forNRe>1000将(*)与(*)两式合并称为ErgUn公式p=150vsL(l-)21.75PV/Ll-£Dj3DP3应用上颗粒的不规则常使有效直径的计算困难，有将上式改写成p_4.2vsL403pv幺LAP一飞丁+飞"式中的比表面积与孔隙率可以用仪器量测。(三)流动床的最低流动床化流速与膨胀体积流体通过填充床上上移动时，初期填充床的粒子不会移动，称为固定床(Stationarybed)o压力降随着流速的增高而上升，填充床的孔隙随之上升。当压力降在粒子产生的上升力与粒子的重力相等时，粒子开始运动，此时的表面流速称为最小流动化流速(minimumfluidizationvelocity:vmf),孔隙率则为流动床的最小孑L隙率(minimumporosityforfluidization:mf)°若上升流速继续增加，压力降的变化变缓，产生气泡期(bubblephase)连续期(COntinUOUSPhaSe)等流动化现象。若气体流速继续上升使运动速度大于终端速度时则粒子开始溢出流动床，压力降则剧减。1.填充床的体积若LDL2分别表示七七孔隙度时填充床的高度，因粒子的真体积不变而有下列关系：1.l=I-£21.21-%若Lmr为流动床开始浮动时的高度则：1.Inf_1-叼1 -mf2 .最小浮动速度在最小浮动速度时压力降乘以粒子的截面积而得的合力，应与粒子的重力减去浮力后相等，APA=LmfA(l-mf)(pp-p)g或言=(ITmfXPP-p)g此时气体流嘉生的压力降为P150vs(l-)2L75pv?l-LDP"-'P-因此XI5¼-p)g=o17pbmfUpBmf若由实验测得丁，解上式可得V.。(三)应用自来水净水程序的快滤池为深层澄清过滤的例子。快滤池以细沙与级配卵石做过过滤层。过滤后用清水反冲洗，以浮动床方式将细沙间的过滤杂质洗出。三、滤块过滤基本理论(一)滤块的阻力：Ruth建立的过滤公式：滤液以缓慢的流速通过滤块的孔隙，其流动在层流的范围，CanlIan-KoZeny将流动的阻力表示成(cf:Blake-Kozenyeq.)：APkvs(7-)2S1.3k为KoZeny常数，几何形状规则的随机堆积粒子k约为5。VS滤液的表面速度dVdtVSA其中A为过滤器的作业面积，V为排出滤液的体积。若定义Q为固体与滤液之比值，(过滤出单位体积，所堆积的固体滤块重)。从滤块固体的质量平衡得：1.A(/一£)PS=CS(V+£LA)心是滤块固体的密度。其中£LAf0;并以APC代表滤块阻力，因此2y=ps3-APtAdtk(-)S/csV/A定义二：滤块比阻力(SPeCifiCresistance)三lPS£滤块比阻力对于不可压缩滤块(incompressiblecake)为定值，但大部份生物与农产品通常为可压缩滤块，滤块比阻力会随压力呈的非线性的增加，以RUth公式表示成：=B+c(-Pj若将滤块比阻力代入滤液流量公式得：IdV-APC(二)滤材阻力比照上述公式dV-APnAdtRm其中&是滤材的阻力。四、定压过滤(constantpressurefiltration)(一)过滤作业时间在过滤过程中，压力保持固定。g=I¾'dv+7'dv)过滤出，体积滤液所需时间：(二)比阻力与滤材阻力之测定取(+)式的倒数得b)=KV+B(*)dVA2("Pc)若将式(*)积分得：KV2t=+BV2并改写成：-=-V÷BV2以下为一个比阻力与滤材阻力测定数据的实例。实验中已固定真空压力吸取滤液，并逐时记录下累积的滤液量，如下表之第一、二两列。以t/v对作图，所得到的斜率为四，y截距为B。2tVt/V-6-4.44.98E-8835.304419.51.OOE-95000316.31.50E-10866.036724. 62.OOE-123000334. 72.50E-13891.031146. 13.OOE-15356.0343593.50E-16857.031473. 64.OOE-184000389. 44.50E-19866.0367107. 35.OOE-2146003五、定量过滤(constantratefiltration)(一)过滤压力以定量泵输送定量的滤泥进入过滤器，过滤的作业时间固定,但作业压力随滤液增多而变大。dVV=const=一dtt或因V=鼻而得3=悟)(新吩偿)非线性阻力随过滤时间而变大，其关系如下:=°(-I)n代入-APe=誓")A2IdtJ可得下列之压力变化关系：=,(3.)岑:("=等*六、清洗过滤完成时，为了得到更完整的固液分离效果，常用清洗液将滤块内的残留液体洗出，此过程称清洗。清洗时滤块厚度不再增加，因此过滤阻力为定值。清洗速率(单位时间清洗液的流量Q“.)如下：KVf+BVz:完成过滤时滤液的体积由上式之清洗流量与最终流量相同，但对板框式过滤机而言,清洗面积为过滤面积的一半，清洗厚度为过滤厚度的两倍，因而4 KVf + B七、板框式过滤机最佳作业周期(OPtinIaltimecycle)由等压过滤公式t=jYlRlnNV-2A2(-P)A(-P)=KV+B作业时间tt=KV2+BV若装设(set-uptime)与清洗所需时间为、：则平均过滤速率KV2÷BV+ts最佳作业周期为dQ,%v=o若滤材阻力远小于滤块阻力，BO,则"KF,最佳作业周 期为f = f $ O八、鼓形真空滤机(大部份为定压)鼓形真空过滤机之作业为稳态作 业。f为过滤区占的比率，0。为过滤 机浸入滤泥的角度。过滤机的宽度为 W,表面积是A。f = 02A = 2RW因鼓面只有部份时间浸入滤泥中，实际作业时间仅是作业周 期时间"的一部份，t = ftc = fNo川为过滤机的转速。由定压过滤公式得所以可得到单位面积滤液流量QQV_RJL+冈/t：+2+q(_AP)f/(tj”2Atcacs二VNJRmN+R：N+2aCrRP)fN“2ACLCS九、离心过滤机离心过滤机大多是吊篮式的离心机与固液分离之离心机相似，以离心力取代过滤的压力。假设离心机的直径较大，而滤块的厚度不大，在不同直径位置过滤的面积改变很小。若液面与滤材界面的半径分别为小为，A为离心机外径口所围成的面积，A=2r2b。在重力场下液体产生的力：dp=pgdz在离心力场下液体产生的压力：dp=pr2dr积分上式得：3=pT)代入阻力公式得若离心机的直径较小，过滤面积随径向改变很大则必须改用:dvp2(r-rf)出一,csV,D)AALAa/A+RmJ其中AmA8别为滤黄而几何平均厚度与算数平均厚度：A1=2b(r2-ri)(r2ri)Aa=b(ri+r2)作业二:t(sec)v(11)1.左列数据取自(ToIedO,1990)苹果汁的定压60过滤试验。果汁中加入少量白土为助滤剂，果603.40E-汁的浓度为"9gL,助滤剂量为25gL;过滤压05力为“24kPa;果汁的黏度为7.6cp;过滤面积为1205.80E-20Cm2。(1)试分析定压过滤数据，并求比阻力与05滤材阻力。(2)若滤块为不可压缩,求以207kPa过1807.80E-滤30小加所得到的单位面积平均过滤率05m3/tninm?)。2409.60E-052.在一般工厂操作时通常没有先进行实验室的3001.14E-过滤实验，直接在过滤机上改变操作条件来求04得各参数。有一过滤机用以过滤不可压缩之固3601.31E-体悬浮液，悬浮液中固体含量为30匕/加3,液体04黏度为LOXl0-3Pgs,以表压98.IkPa过滤20分4201.47E-钟，得到滤液0.197再继续20分钟共得04滤液0.287疝/试求在该压力下的K值与B4801.61E-值。045401.76E-046001.90E-Bibliography:04.Svarovsky,L.,1981,Solid-Liquid6602.06E-Separation.,2nd.Ed.,London:04Butterworths.7202.20E-047802.33E-04