恒壓過(guò)濾常數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)的影響因素探究

趙 帥，鄭婷婷，李傲雪，董 玲，胡傳武，仇艷嬌

(蚌埠醫(yī)學(xué)院公共基礎(chǔ)學(xué)院，安徽 蚌埠 233000)

過(guò)濾是利用能讓液體通過(guò)而截留固體顆粒的多孔介質(zhì)(濾布和濾餅)，使懸浮液中的固體、液體得到分離的單元操作[1]。此單元操作是化工、生化、環(huán)境及輕工等領(lǐng)域的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)用十分廣泛[2]。在恒定壓力下，過(guò)濾介質(zhì)兩側(cè)的壓差維持不變，單位時(shí)間通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)的濾液量不斷下降，通過(guò)測(cè)定過(guò)濾時(shí)間與累積濾液量的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，確定恒壓過(guò)濾方程中的過(guò)濾常數(shù)K和單位過(guò)濾面積上的當(dāng)量濾液量qe[3-4]。對(duì)于一些實(shí)際工程問(wèn)題，根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的相對(duì)較少的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，借助Origin 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)與圖形處理，獲取較為精確的擬合數(shù)據(jù)[5]。

依據(jù)過(guò)濾單元操作的基本原理，以碳酸鈣懸浮液為原料對(duì)K、qe進(jìn)行測(cè)定實(shí)驗(yàn)[6-7]。采取單因素實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)不同過(guò)濾壓力ΔP、過(guò)濾面積A、料液溫度T和料液質(zhì)量分?jǐn)?shù)w下板框式過(guò)濾機(jī)恒壓過(guò)濾常數(shù)K和單位過(guò)濾面積上的當(dāng)量濾液量qe的演變規(guī)律進(jìn)行了探討[8-10]，并用Origin 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。本文旨在對(duì)藥品、食品工藝中其他物料的過(guò)濾效果的提高有針對(duì)性的指導(dǎo)意義，對(duì)過(guò)濾單元操作工藝計(jì)算和設(shè)備計(jì)算提供理論參考和數(shù)據(jù)支持[11]。

1 基本原理

1.1 恒壓條件下過(guò)濾基本方程

V2+2VVe=KA2t，

其中，V為t時(shí)間內(nèi)得到的濾液體積(m3)，Ve為過(guò)濾介質(zhì)的當(dāng)量濾液體積(m3)，K為過(guò)濾常數(shù)(m2·s-1)，A為過(guò)濾面積(m2)，t為得到的濾液量V所需的過(guò)濾時(shí)間(s)。

實(shí)驗(yàn)中過(guò)濾面積A為一定值，那么上式可寫為

q2+2qqe=Kt，

其中，q=V/A是過(guò)濾時(shí)間為t時(shí)，單位過(guò)濾面積的濾液量(m3·m-2)；qe=Ve/A是單位過(guò)濾面積上的當(dāng)量濾液量(m3·m-2)。

1.2 過(guò)濾常數(shù)K和單位過(guò)濾面積上的當(dāng)量濾液量qe測(cè)定

由上述可得：

可知，t/q與q之間呈線性關(guān)系，斜率為1/K，截距為2qe/K[12]。

因此，只需在某一恒壓下進(jìn)行過(guò)濾，測(cè)出一系列的t、q值，然后在坐標(biāo)紙上以y為縱坐標(biāo)，以q為橫坐標(biāo)作圖，即可得斜率為1/K、截距為2qe/K的直線，便可求出K，qe。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及主要技術(shù)參數(shù)

板框過(guò)濾機(jī)型號(hào)：BHGL-BK；不銹鋼物料桶：Ф500 mm×600 mm；有機(jī)玻璃濾液箱：320 mm×282 mm×306 mm；直流可調(diào)速電機(jī)：電壓AC 220 V，功率0.50 kW；調(diào)速器指針示壓力表：0～0.250 Mpa；AI501宇電溫度顯示儀：Pt100熱電阻溫度計(jì)0～100℃；SZ-075型不銹鋼離心泵：功率750 W，最大流量8 m3·h-1；實(shí)驗(yàn)物料：碳酸鈣，水；外配設(shè)備：秒表。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

恒壓過(guò)濾裝置示意圖見圖1。

1—調(diào)速器；2—電動(dòng)攪拌器；3、4、6、14—閥門；5、7—壓力表；8—板框過(guò)濾機(jī)；9—壓緊裝置；10—懸浮液儲(chǔ)罐；11—進(jìn)料閥；12—離心泵；13—有機(jī)玻璃濾液箱。圖1 恒壓過(guò)濾裝置示意圖

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 過(guò)濾壓力對(duì)K和qe的影響

在料液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，料液溫度為30℃，過(guò)濾面積為0.024 5 m2的工況下，分別測(cè)定過(guò)濾壓力為0.05 MPa、0.10 MPa和0.15 MPa下的K和qe。每組實(shí)驗(yàn)做完后，同時(shí)關(guān)閉板框壓濾機(jī)的入口閥門，取出濾布，清洗設(shè)備。

3.2 過(guò)濾面積對(duì)K和qe的影響

在料液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，過(guò)濾壓力為0.10 MPa，料液溫度為30℃的工況下，分別測(cè)定過(guò)濾面積為0.023 75 m2、0.047 50 m2、0.071 25 m2和0.095 00 m2下的K和qe。每組實(shí)驗(yàn)做完后，同時(shí)關(guān)閉板框壓濾機(jī)的入口閥門，取出濾布，清洗設(shè)備。

3.3 料液溫度對(duì)K和qe的影響

在料液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，過(guò)濾壓力為0.10 MPa，過(guò)濾面積為0.024 5 m2的工況下，分別測(cè)定料液溫度為30℃、40℃、50℃和60℃下的K和qe。每組實(shí)驗(yàn)做完后，同時(shí)關(guān)閉板框壓濾機(jī)的入口閥門，取出濾布，清洗設(shè)備。

3.4 料液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)K和qe的影響

在過(guò)濾壓力為0.10 MPa，料液溫度為30℃，過(guò)濾面積為0.024 5 m2的工況下，分別測(cè)定料液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、5%、7%和9%下的K和qe。每組實(shí)驗(yàn)做完后，同時(shí)關(guān)閉板框壓濾機(jī)的入口閥門，取出濾布，清洗設(shè)備。

4 結(jié)果與討論

4.1 過(guò)濾壓力對(duì)K和qe的影響

按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3.1中的實(shí)驗(yàn)方案，分別測(cè)定過(guò)濾壓力為0.05 MPa、0.10 MPa和0.15 MPa時(shí)，不同累計(jì)時(shí)間t對(duì)應(yīng)的t/q值，據(jù)此可分別擬合出t/q與q曲線，其斜率為1/K，截距為2qe/K。測(cè)定數(shù)據(jù)見表1，結(jié)果分析見圖2。

表1 不同過(guò)濾壓力下的K和qe

ΔP/MPa圖2 K和qe隨過(guò)濾壓力變化的關(guān)系曲線圖

從表1和圖2可以看出，K隨過(guò)濾壓力的增大而增大，qe隨過(guò)濾壓力的增大而減小。在過(guò)濾壓力不高的情況下，由于壓縮指數(shù)s的存在，過(guò)濾壓力越大，濾餅體積越大，空隙率ε越小。

濾餅比阻r的關(guān)聯(lián)式[12]：

其中，無(wú)量綱的比例常數(shù)K0、濾餅顆粒的比表面積a不變，可知濾餅比阻r隨空隙率ε的增大而減小。又因?yàn)V餅壓縮指數(shù)s為定值。由濾餅比阻與過(guò)濾壓力的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：

r=r0ΔPs，

4.2 過(guò)濾面積對(duì)K和qe的影響

按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3.2中的實(shí)驗(yàn)方案，分別測(cè)定過(guò)濾面積為0.023 75 m2、0.047 50 m2、0.071 25 m2和0.095 00 m2時(shí)，不同累計(jì)時(shí)間t對(duì)應(yīng)的t/q值，據(jù)此可分別擬合出t/q與q的曲線，其斜率為1/K，截距為2qe/K。測(cè)定數(shù)據(jù)見表2，結(jié)果分析見圖3。

表2 不同過(guò)濾面積下的K和qe

圖3 K和qe隨過(guò)濾面積變化的關(guān)系曲線圖

從表2和圖3可以看出，K、qe隨過(guò)濾面積的增大而增大。過(guò)濾面積越小，過(guò)濾單元操作生產(chǎn)能力越弱，過(guò)濾效果越差。因此，工業(yè)上常根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)要求，采取不同數(shù)量過(guò)濾板框的組合改變過(guò)濾面積，從而改變過(guò)濾常數(shù)。

4.3 料液溫度對(duì)K和qe的影響

按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3.3中的實(shí)驗(yàn)方案，分別測(cè)定料液溫度為30℃、40℃、50℃和60℃時(shí)，不同累計(jì)時(shí)間t對(duì)應(yīng)的t/q值，據(jù)此可分別擬合出t/q與q的曲線，其斜率為1/K，截距為2qe/K。測(cè)定數(shù)據(jù)見表3，結(jié)果分析見圖4。

表3 不同料液溫度下的K和qe

圖4 K和qe隨料液溫度變化的關(guān)系曲線圖

4.4 料液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)K和qe的影響

按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3.4中的實(shí)驗(yàn)方案，分別測(cè)定料液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、5%、7%和9%時(shí)，不同累計(jì)時(shí)間t對(duì)應(yīng)的t/q值，據(jù)此可分別擬合出t/q與q的曲線，其斜率為1/K，截距為2qe/K。測(cè)定數(shù)據(jù)見表4，結(jié)果分析圖5。

表4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的料液的K和qe

續(xù)表

圖5 K和qe隨料液質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的關(guān)系曲線圖

5 結(jié)論

利用恒壓過(guò)濾單元操作的的基本原理，對(duì)不同過(guò)濾壓力、過(guò)濾面積、料液溫度和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的料液下板框式過(guò)濾機(jī)的K、qe的演變規(guī)律進(jìn)行探討。研究結(jié)果表明：

(1)K隨過(guò)濾壓力、過(guò)濾面積和料液溫度的增大而增大，隨料液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小。

(2)qe隨過(guò)濾壓力和料液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小，隨過(guò)濾面積和過(guò)濾溫度的增大而增大。

(3)在實(shí)際單元操作中，恒壓過(guò)濾過(guò)程中流動(dòng)的阻力在增加，可在一定操作范圍內(nèi)通過(guò)改變過(guò)濾壓力來(lái)改變K，以適應(yīng)生產(chǎn)任務(wù)要求。工業(yè)上可通過(guò)適當(dāng)升高物料溫度以提高K，但需同時(shí)考慮熱負(fù)荷等經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。當(dāng)料液質(zhì)量分?jǐn)?shù)小到一定程度時(shí)，不宜直接使用過(guò)濾操作進(jìn)行分離，可先沉降使料液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，以減少操作費(fèi)用。