板框过滤实验 实验指导教师：

过滤概述 一般地，化工生产中所遇到的混合物可分为两大类， 即均相混合物和非均相混合物。其中非均相混合 物包括固 -- 液混合物 ( 如悬浮液 ) 等，其特点是体系 内具有明显的两相界面，可用一般的机械方法进 行分离，如过滤方法。 过滤是以某种多孔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。 分类：根据过滤推动力的不同，过滤可分为压力差 过滤（又分为常压过滤、加压过滤、真空过滤） 和离心过滤。 应用：化工等行业中的非均相固液分离。

实验目的 1 、熟悉实验装置的结构和操作方法； 2 、测定在恒压操作时的过滤常数 K ， q e ， t e ，并以实验所得结果验证过滤方程式， 增进对过滤理论的理解； 3 、掌握过滤问题的简化工程处理方法； 4 、改变压强差重复上述操作，测定压缩指 数 s 和物料特性常数 k 。

实验原理 过滤是借助于一种能将固体物截留而让流体 通过的多孔介质，将固体物从液体或气体中分离 出来的一种化工单元操作过程。过滤分为恒压过 滤和恒速过滤。在过滤过程中，由于固体颗粒不 断被截留在介质表面上，滤饼的厚度随着过滤过 程进行不断增加，如滤饼两侧的压力差一定，流 体流过固体颗粒之间的孔道加长，使流体阻力增 大，其过滤速率逐渐下降。保持压力差不变的操 作称为恒压过滤；如要保持过滤速率不变，就必 须不断增加滤饼两侧的压力差，保持过滤速率不 变的操作称为恒速过滤。

在实际生产过程中，过滤可以用于气 体的净化，但更常用于悬浮液等固 -- 液 混合物的分离。此时，将固 -- 液混合物 称为滤浆，滤出的固体称为滤渣或滤饼， 滤出的液体称为滤液。

过滤速率方程 过滤速率基本方程式的一般形式为： 式中： V---t 时间内的滤液量（ m 3 ）； Ve--- 虚拟滤液的体积，它是形成相当于过滤介质阻力的一层滤饼时， 应得到的滤液量 （ m 3 ）； ΔP--- 过滤压力差（ Pa ）； A--- 过滤面积（ m 2 ）； μ--- 滤液粘度（ Pa · s ）； t--- 相当于得到滤液 V 所需的过滤时间（ s ）； r 单位压力差下滤饼的比阻（ 1/m 2 ）； c--- 滤饼体积与相应的滤液体积之比（ m 3 滤饼 /m 3 滤液）； s--- 滤饼压缩指数。

（ 1 ）恒压过滤方程式 考虑过滤介质阻力时， 或 不计过滤介质阻力时， 或 式中： q--- 单位过滤面积的滤液量 q=V/A （ m 3 /m 2 ）； q e --- 单位过滤面积的虚拟滤液量（ m 3 /m 2 ）； t e --- 相当于得到滤液 V e 所需的过滤时间（ s ）； K--- 过滤常数，其值需由实验测定 。

恒压过滤的特点 恒压过滤的特点是 Δp 、 K 均为常数， 但因滤饼越来越厚，因此过滤速度越来 越小， V （或 q ）随 t 的增大而增大的速度 越来越缓慢。所以，恒压过滤时应选择 合适的过滤时间。

（ 2 ）恒速过滤方程式 考虑过滤介质阻力时， 或 不计过滤介质阻力时， 或

恒速过滤的特点 恒速过滤的特点是过滤速度 u 为 常数，而 Δp 、 K 和 q 均随 t 的增大而增 大。

鉴于恒压过滤与恒速过滤的各自 优缺点，工业上一般将二者结合起来 操作，即先进行短时间的恒速过滤， 逐渐增大操作压力直至达到额定操作 压力，然后再进行恒压过滤。

本实验在恒压状态下进行 可以预测，在恒定压差下，过滤速率与过滤时 间之间的关系如下图 4--1 所示，单位面积的累计滤 液量与过滤时间的关系则应如下图 4--2 所示。

在恒压过滤时，上述微分方程积分后， 可得： 利用上式计算时，需要知道 K 和 q e 等 常数，而这些常数只有通过实验才能测 定。

过滤常数 K 的确定 在用实验方法测定过滤常数时，而将上式方程 变换成如下形式： 或 因此实验时，只要维持操作压强恒定，记录 过滤时间和相应的滤液量，以 作图得一 直线，读取直线斜率 2/K 和截距 2q e /K ，求取过滤 常数 K 和 q e ，再 由求出 t e 。

改变实验所用的过滤压差，可测得不同的 K 值，由 两边取对数，得： 当 k 为常数时，在双对数坐标纸上标绘得 K 与 Δp 应是一条直线，该直线斜率为 (1-s) ， 截距为 2k ，从而求得 s 和 k 。

实验装置及流程 碳酸钙（或碳酸镁）悬浮液在配料 桶配置一定浓度后，用压缩空气搅拌， 料液由供料泵管路循环，以防止碳酸钙 沉淀。滤浆在一定压力下进入过滤机， 经过滤机过滤后，滤液流入计量筒，碳 酸钙颗粒截留在滤布上形成滤饼，过滤 完毕后，亦可用水洗涤和压缩空气吹干 滤饼。

流程示意图 恒压过滤实验流程示意图

实验装置主要部件及技术指标 主要部件包括：储浆罐、气路稳压系统、 电动搅拌器、调速器、调浆桶、滤液接 受槽、板框过滤机及电子秤等几部分组 成。 主要技术指标：过滤实验过程，操作压力 控制在 0.05 ~ 0.1MPa 之间。

实验步骤 (1) （ 1 ）熟悉实验装置流程，检查所有阀门是否都关闭（除料浆循环阀 外），检查压力表是否正常； （ 2 ）用碳酸钙（ CaCO 3 ）粉末配制滤浆，其量约占配料桶的 1/2 ~ 2/3 ， CaCO 3 的质量百分数为 8% 左右； （ 3 ）滤浆桶中通入压缩空气进行搅拌，并作为过滤时的实验操作压力 （一般压力调到 5×10 4 Pa 左右）； （ 4 ）将滤布浸湿，再组装过滤器； （ 5 ）调节过滤压力并维持恒定，具体办法为：①关闭空压机出口阀， 至压力升到控制压力 0.5MPa （空压机控制压力）附近时缓慢开启该 阀；②当管路中压力达到恒定操作压力时，停止空压机出口阀调节 并使管路压力恒定（ 0.5MPa ）； （ 6 ）压力恒定后，开始进行过滤，待滤液流出时，用两只秒表交替地 测量流出一定体积滤液所需时间（一般是清液每增加 1cm ，记录一 次时间），实验过程中要使压力稳定在 5×10 4 Pa 左右；

实验步骤 (2) （ 7 ）当滤液量很少，滤渣已充满滤框后，过滤阶段可 结束； （ 8 ）若需洗涤或要求洗涤速率和过滤最终速率关系时， 可通入洗涤水，并记下洗涤水量和时间； （ 9 ）若需吹干滤饼，则通入压缩空气； （ 10 ）实验结束后，停止空压机，关闭循环泵，开启微 调器，降压至零； （ 11 ）拆开过滤器，取出滤饼，再将滤布冲洗干净； （ 12 ）过滤结束后，应关闭料桶上的出料阀，打开旁路 上清水管路清洗供料管、循环泵、过滤机，以防止碳 酸钙在管内沉结。最后关闭电源。

实验记录及数据处理 1. 原始数据记录 原始数据记录 2. 实验数据处理表 实验数据处理表 3. 实验结果 实验结果

1. 原始数据记录 空压机表压： MPa ；配料桶表压： MPa ； 过滤机号： ；过滤器直径： 。 序号 滤液量 V/mL 过滤时间 t/s 过滤表压强 /MPa 备注 …

2. 实验数据处理表 序号备注 …

3. 实验结果 过滤常数 K 虚拟滤液量 q e 虚拟过滤时间 t e 过滤压缩指数 s 过滤方程式

实验报告要求 1. 以累计滤液量 q 对时间 t 作图； 2. 以 Δt/Δq ~ q 或 t/q ~ q 作图，求出过滤常数 K 、 q e 、 t e 、 s 、 k ； 3. 写出完整的过滤方程式； 4. 求出洗涤速率并和最终过滤速率比较。

实验注意事项 1 、过滤漏斗的安装，应把漏斗浸没在滤浆中一定 深度，让过滤介质平行于液面，以防止被空气抽 干，造成滤饼厚度不均匀。 2 、启动搅拌器前，用手旋转一下搅拌轴以保证顺 利启动搅拌器。将调速钮调在最小位置，打开调 速器开关，将调速钮从小到大位调节，不允许在 高速档状态下启动，转速出现异常时或实验完毕 后将调速钮调至最小位置。 3 、用放空阀调节系统内的压力。控制系统内的真 空度恒定，以保证恒压状态下进行操作实验。

实验思考题 1. 过滤刚开始时，为什么滤液经常是浑浊的？ 2. 在恒压过滤时，要提高过滤速率，可采取哪些措施？ 3. 当操作压强增加 1 倍，其Ｋ值是否也增加 1 倍？当要得到 同样的过滤量时，其过滤时间是否缩短一半？ 4. 在恒压过滤中，初始阶段为何不采取恒压操作？ 5. 若滤液的粘度比较大，你考虑可用什么方法改善过滤速 率？ 6. 恒压过滤时，要增加过滤速率，可行的措施有哪些？ 7. 在恒压过滤中，为什么要选择合适的操作压强？压缩空 气在本实验过程中的作用是什么？