实验四恒压过滤常数的测定

实验四恒压过滤常数测定实验

实验学时:4

实验类型：综合

实验要求：必修

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、实验内容

1. 由恒压过滤实验数据求过滤常数K、q_e。

2. 比较几种压差下的K、q_e值，讨论压差变化对以上参数数值的影响。

3. 直角坐标系中绘制θ/q～q的关系曲线

4. 在坐标系坐标纸上绘制lgK~lg△p关系曲线，求出s。

三、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；

—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；

—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（5）写成差分的形式，则

（6）

式中： q—过滤到某时刻单位过滤面积滤液体积，m³/ m²；

θ— 每次测定的滤液体积q所对应的时间，s；

以为纵坐标，q为横坐标将式（6）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：

(7)

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。

四、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－空压机；2－压力灌；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－通孔切换阀； 11－调压阀； 12－电磁阀； 13－配料罐； 14－地沟；15－电子天平

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，滤液流到电子天平处称量，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。

五、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35mm。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0.3MPa（出厂已设定，实验时不需要再调压。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。

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△θ。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。电子天平将测得滤液质量的数据传给计算机，计算机将其转换成体积后显示在组态软件上。（注意：△V在800ml左右时点击采集数据）

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。六、实验报告

实验报告应体现预习、实验记录和实验报告

1．实验预习

在实验前每位同学都需要对本次实验进行认真的预习，并写好预习报告，在预习报告中要写出实验目的、要求，需要用到的仪器设备、物品资料以及简要的实验步骤，形成一个操作提纲。对实验中的安全注意事项及可能出现的现象等做到心中有数，但这些不要求写在预习报告中。

2．实验记录

学生开始实验时，应该将记录本放在近旁，将实验中所做的每一步操作、观察到的现象和所测得的数据及相关条件如实地记录下来。

实验记录中应有指导教师的签名。

3．实验总结

对实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题，提出实验结论或提出自己的看法等。

附：

恒压过滤实验原始数据记录表

过滤常数求取数据处理表

压缩系数求取数据处理表

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值后，若将过滤压强提高一倍，问上述三个值将有何变化？

八、其他说明

第二篇：恒压过滤实验

1实验目的

1.1 熟悉板框压滤机的构造和操作方法。

1.2 通过恒压过滤实验，验证过滤基本理论。

1.3 学会测定过滤常数K、q_e、τ_e及压缩性指数s的方法。

1.4了解过滤压力对过滤速率的影响。

1.5学会有关测量与控制仪表的使用方法。

2.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。在外力的作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截流下来，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床层的流动，所不同的是这个固体颗粒层的厚度随着过滤过程的进行而不断增加，故在恒压过滤操作中，其过滤速率不断降低。

影响过滤速度的主要因素除压强差△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，故难以用流体力学的方法处理。

比较过滤过程与流体经过固定床的流动可知：过滤速度即为流体通过固定床的表现速度u。同时，流体在细小颗粒构成的滤饼空隙中的流动属于低雷诺数范围，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，运用层流时泊唆叶公式不难推导出过滤速度计算式：

（1）

式中， Δp——过滤的压强差，Pa；

K’——康采尼系数，层流时，K=5.0；

ε——床层的空隙率，m³/m³；

μ——过滤粘度，Pa.s；

a ——颗粒的比表面积，m²/m³；

u ——过滤速度，m/s；

L ——床层厚度，m。

由此可以导出过滤基本方程式：

（2）

式中，V——滤液体积，m³

τ——过滤时间，s；

A——过滤面积，m²；

S——滤饼压缩性指数，无因次。一般情况下，S=0~1，对于不可压缩滤饼，S=0；

R ——滤饼比阻，1/m²，r=5.0a²（1-ε）²/ε³

r’——单位压差下的比阻，1/m²

ν ——滤饼体积与相应的滤液体积之比，无因次；

Ve——虚拟滤液体积，m³

在恒压过滤时，对（2）式积分可得：

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，由物理特性及过滤压差所决定，m²/s

K，q_e，τ_e三者总称为过滤常数。利用恒压过滤方程进行计算时，必须首先需要知道K, q_e,τ_e,它们只有通过实验才能确定。

对上式微分得：

该式表明以dτ/dq为纵坐标，以q为横坐标作图可得一直线，直线斜率为2/K，截距为2 q_e/K。在实验测定中，为便于计算，可用增量替代，把上式改写成

在恒压条件下，用秒表和量筒分别测定一系列时间间隔及对应的滤液体积，由此算出一系列在直角坐标系中绘制的函数关系，得一直线。由直线的斜率和截距便可求出K和qe，再根据τe=qe/K，求出τe。

3实验装置与流程

4、实验步骤

4.1 实验准备

（1）配料：在配料罐内配制含MgCO₃10％～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35mm。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。

4.2 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。

5.实验数据记录与处理

5.1.1表压为0.1MPa

表1 记录部分

表2 处理部分

图1

K=2/S=2/37906=5.276×10^-5；qe=I/S=836.13/37906=0.022058;

τe=qe^2/K=9.222

5.1.2 表压为0.2MPa

记录部分

处理部分

K=2/S=2/20149=9.926×10^-5;qe=I/S=591.61/20149=0.029362

τe=qe^2/K=8.685

5.1.3 s的求取

s=1-0.9267=0.0733

6.结果讨论

6.1 从记录部分看，当表压从0.1MPa变到0.2MPa时，在相同的滤液量时，表压越高，所需的时间越短；

6.2 无论是0.1MPa还是0.2MPa，在求取K值、qe值、τe值时作图所得的拟合曲线的线性关系比较好，说明实验还是比较成功的；

6.3 由于读数是人为的，所以存在一定的误差；

6.4 对s求取作图时，只有两个点，不够代表性。

6.5 随着表压的增大，K值、qe值、τe值亦都变大。

思考题

1、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？

答：由公式K=2kΔP^1-s，τe=qe/K可知，当过滤压强提高一倍时，K增大，τe减小。

2、影响过滤速率的主要因素有哪些？

答：过滤压差、过滤介质的性质、构成滤饼的颗粒特性，滤饼的厚度。

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？

答：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，使滤液浑浊，但当形成较密的滤饼后，颗粒无法通过，滤液变清。

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