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，验证过滤根本理论。
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、根本原理
过滤是以某种多孔物质为介质来处理悬浮液以到达固、液别离的一种操作过程，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、液别离。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根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：
式中：u —过滤速度，m/s；
V —通过过滤介质的滤液量，m； A —过滤面积，m； τ —过滤时间，s；
q —通过单位面积过滤介质的滤液量，m/m； △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/m；
C —单位滤液体积的滤渣体积，m/m； Ve —过滤介质的当量滤液体积，m； r′ —滤渣比阻，m/kg；
C —单位滤液体积的滤渣质量，kg/m。
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3
2
3
2
2
3
〔1〕
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：
于是式〔1〕可改写为：
〔2〕
〔3〕
式中：K—过滤常数，由物料特性及过滤压差所决定，m2/s
将式〔3〕别离变量积分，整理得：
即 V2+2VVe=KA2τ 将式〔4〕的积分极限改为从0到Ve和从0到积分，那么：
Ve2=KA2τ 将式〔5〕和式〔6〕相加，可得：
2(V+Ve)dv= KA2(τ+τe) 式中：—虚拟过滤时间，相当于滤出滤液量Veτe所需时间，s。 再将式〔7〕微分，得：
2(V+Ve)dv= KA2dτ 将式〔8〕写成差分形式，那么
式中：Δq— 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
； Δτ— 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Δτ/Δq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： S= 截距： I= qe
那么， K= ,m2/s
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：
4〕
〔5〕 〔6〕 (7)
〔8〕 〔9〕(10)
〔
在实验压差范围内，假设B为常数，那么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－空气压缩机；2－压力灌；3－平安阀；4，5－压力表；6－清水罐；7－滤框； 8－滤板；9－手轮；10－通孔切换阀；11－调压阀；12－量筒；13－配料罐；14－地沟 MgCO3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MgCO3
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。
板框压滤机的结构尺寸：框厚度20mm，每个框过滤面积 0.0177m，框数2个。 空气压缩机规格型号：风量0.06m/min，最大气压0.8Mpa。
3
2
四、实验步骤
1．实验准备
〔1〕配料：在配料罐内配制含MgCO310％～30％〔wt. %〕的水悬浮液，
〔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MgCO3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：分别翻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。假设欲作0.25MPa以上压力过滤，需调节压力罐平安阀〕。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，应将平安阀处的泄压阀翻开。 〔6〕灌料：在压力罐泄压阀翻开的情况下，翻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。翻开进板框前料液进口的两个阀门，翻开出
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聚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。假设欲得到干而厚的滤饼，那么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，先翻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。注意假设清水罐水缺乏，可补充一定水源，补水时仍应翻开该罐的泄压阀。
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〕翻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〕 翻开平安阀处泄压阀，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。
五、数据处理
1.实验记录
过滤面积A＝0.0177×2=0.0254m
2
表1压差为0.1GPa下的过滤数据
试验次数 1 2 3 4 △τ/s 74 90 83 55 △V/×10m 780 610 420 320 -63△q △τ/△q qn 0.214627 (平均值) 0.1073446 0.0220338 3358.461538 0.017231638 5222.95082 0.0118407 6995.714286 0.009039548 6084.375 0.231920908 0.2233050 0.243785315 0.237853112 0.252824863 0.2483050 5 6 7 8 9
36 32 21 22 20 200 150 95 100 90 0.0059718 0.004237288 6372 7552 0.258474581 0.2559722 0.262711869 0.260593225 0.265395485 0.2053677 0.268220343 0.266807914 0.270762716 0.26949153 0.002683616 7825.263158 0.002824859 7788 0.002542373 7866.666667 表2表1压差为0.2GPa下的过滤数据
试验次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9
△τ/s 28 31 26 26 20 19 14 24 13 △V/× 10m 785 630 440 350 260 230 180 260 130 -63△q △τ/△q qn (平均值) 0.0110875 0.022175141 1262.675159 0.022175141 0.01779661 1741.904762 0.039971751 0.031073446 0.012429379 2091.818182 0.05240113 0.046184 0.009887006 2629.714286 0.062288135 0.057344633 0.007344633 2723.076923 0.069632768 0.065960452 0.0097175 2924.347826 0.076129943 0.072881356 0.005084746 2753.333333 0.0812146 0.078672316 0.007344633 3267.692308 0.088559322 0.084887005 0.003672316 3540 0.092231638 0.09039548 2．两种压差下的△τ/△q～关系曲线
图2 △τ/△q～关系曲线〔P=0.1GPa〕 图3 △τ/△q～关系曲线〔P=0.2GPa〕
表3 两种压差下的K、qe、τe值
压差/GPa 0.1 0.2
K/ m.s-1 7.349×107.358×10-5 -5 qe / m3.m-2 4.517×1033.92×10-3 -3 τe / s 0.28 15.63 3. 滤饼压缩性指数S的求取
图4 △τ/△q～q曲线〔P=0.1GPa〕 图5 lgK~lg△P曲线
由图4斜率为75718.7346，那么K3为2.×10-5。由图5拟合直线斜率为0.099668，那么S=1-0.99668=0.00332
可知，MgCO3滤饼压缩性指数S非常小，该滤饼不可压缩。
六、分析讨论
从实验数据来看我们的实验不是很很成功，实验误差比拟大。特别是0.1GPa下的实验数据，存在很大的误差，直线拟合相关系数较小，结果中qe和τe 的值都偏小。
造成实验误差的主要原因有：
（1）实验操作时流量没控制好，阀门开太大了
（2）板框没有很好的连接，导致有大量的水没有经过滤布就直接流下来被作为滤液 （3）在用水桶接水，称量的过程中水有溅出，在接下一桶水之前水桶的水并未倒干净 （4）计时产生的随机误差 （5）MgCO3混合不均匀 （6）仪器本身存在误差。
