恒壓過濾常數測定實驗的影響因素探究

趙 帥，鄭婷婷，李傲雪，董 玲，胡傳武，仇艷嬌

(蚌埠醫學院公共基礎學院，安徽 蚌埠 233000)

過濾是利用能讓液體通過而截留固體顆粒的多孔介質(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、環境及輕工等領域的重要環節，應用十分廣泛[2]。在恒定壓力下，過濾介質兩側的壓差維持不變，單位時間通過過濾介質的濾液量不斷下降，通過測定過濾時間與累積濾液量的數據，并進行數據處理，確定恒壓過濾方程中的過濾常數K和單位過濾面積上的當量濾液量qe[3-4]。對于一些實際工程問題，根據實驗得到的相對較少的實驗數據，借助Origin 軟件進行數據與圖形處理，獲取較為精確的擬合數據[5]。

依據過濾單元操作的基本原理，以碳酸鈣懸浮液為原料對K、qe進行測定實驗[6-7]。采取單因素實驗方法，對不同過濾壓力ΔP、過濾面積A、料液溫度T和料液質量分數w下板框式過濾機恒壓過濾常數K和單位過濾面積上的當量濾液量qe的演變規律進行了探討[8-10]，并用Origin 軟件對實驗數據進行擬合。本文旨在對藥品、食品工藝中其他物料的過濾效果的提高有針對性的指導意義，對過濾單元操作工藝計算和設備計算提供理論參考和數據支持[11]。

1 基本原理

1.1 恒壓條件下過濾基本方程

V2+2VVe=KA2t，

其中，V為t時間內得到的濾液體積(m3)，Ve為過濾介質的當量濾液體積(m3)，K為過濾常數(m2·s-1)，A為過濾面積(m2)，t為得到的濾液量V所需的過濾時間(s)。

實驗中過濾面積A為一定值，那么上式可寫為

q2+2qqe=Kt，

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

1.2 過濾常數K和單位過濾面積上的當量濾液量qe測定

由上述可得：

可知，t/q與q之間呈線性關系，斜率為1/K，截距為2qe/K[12]。

因此，只需在某一恒壓下進行過濾，測出一系列的t、q值，然后在坐標紙上以y為縱坐標，以q為橫坐標作圖，即可得斜率為1/K、截距為2qe/K的直線，便可求出K，qe。

2 實驗裝置

2.1 實驗設備及主要技術參數

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

2.2 實驗裝置圖

恒壓過濾裝置示意圖見圖1。

1—調速器；2—電動攪拌器；3、4、6、14—閥門；5、7—壓力表；8—板框過濾機；9—壓緊裝置；10—懸浮液儲罐；11—進料閥；12—離心泵；13—有機玻璃濾液箱。圖1 恒壓過濾裝置示意圖

3 實驗部分

3.1 過濾壓力對K和qe的影響

在料液質量分數為5%，料液溫度為30℃，過濾面積為0.024 5 m2的工況下，分別測定過濾壓力為0.05 MPa、0.10 MPa和0.15 MPa下的K和qe。每組實驗做完后，同時關閉板框壓濾機的入口閥門，取出濾布，清洗設備。

3.2 過濾面積對K和qe的影響

在料液質量分數為5%，過濾壓力為0.10 MPa，料液溫度為30℃的工況下，分別測定過濾面積為0.023 75 m2、0.047 50 m2、0.071 25 m2和0.095 00 m2下的K和qe。每組實驗做完后，同時關閉板框壓濾機的入口閥門，取出濾布，清洗設備。

3.3 料液溫度對K和qe的影響

在料液質量分數為5%，過濾壓力為0.10 MPa，過濾面積為0.024 5 m2的工況下，分別測定料液溫度為30℃、40℃、50℃和60℃下的K和qe。每組實驗做完后，同時關閉板框壓濾機的入口閥門，取出濾布，清洗設備。

3.4 料液質量分數對K和qe的影響

在過濾壓力為0.10 MPa，料液溫度為30℃，過濾面積為0.024 5 m2的工況下，分別測定料液質量分數為3%、5%、7%和9%下的K和qe。每組實驗做完后，同時關閉板框壓濾機的入口閥門，取出濾布，清洗設備。

4 結果與討論

4.1 過濾壓力對K和qe的影響

按照實驗內容3.1中的實驗方案，分別測定過濾壓力為0.05 MPa、0.10 MPa和0.15 MPa時，不同累計時間t對應的t/q值，據此可分別擬合出t/q與q曲線，其斜率為1/K，截距為2qe/K。測定數據見表1，結果分析見圖2。

表1 不同過濾壓力下的K和qe

ΔP/MPa圖2 K和qe隨過濾壓力變化的關系曲線圖

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

濾餅比阻r的關聯式[12]：

其中，無量綱的比例常數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。又因濾餅壓縮指數s為定值。由濾餅比阻與過濾壓力的經驗關聯式：

r=r0ΔPs，

4.2 過濾面積對K和qe的影響

按照實驗內容3.2中的實驗方案，分別測定過濾面積為0.023 75 m2、0.047 50 m2、0.071 25 m2和0.095 00 m2時，不同累計時間t對應的t/q值，據此可分別擬合出t/q與q的曲線，其斜率為1/K，截距為2qe/K。測定數據見表2，結果分析見圖3。

表2 不同過濾面積下的K和qe

圖3 K和qe隨過濾面積變化的關系曲線圖

從表2和圖3可以看出，K、qe隨過濾面積的增大而增大。過濾面積越小，過濾單元操作生產能力越弱，過濾效果越差。因此，工業上常根據生產任務要求，采取不同數量過濾板框的組合改變過濾面積，從而改變過濾常數。

4.3 料液溫度對K和qe的影響

按照實驗內容3.3中的實驗方案，分別測定料液溫度為30℃、40℃、50℃和60℃時，不同累計時間t對應的t/q值，據此可分別擬合出t/q與q的曲線，其斜率為1/K，截距為2qe/K。測定數據見表3，結果分析見圖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系曲線圖

4.4 料液質量分數對K和qe的影響

按照實驗內容3.4中的實驗方案，分別測定料液質量分數為3%、5%、7%和9%時，不同累計時間t對應的t/q值，據此可分別擬合出t/q與q的曲線，其斜率為1/K，截距為2qe/K。測定數據見表4，結果分析圖5。

表4 不同質量分數的料液的K和qe

續表

圖5 K和qe隨料液質量分數變化的關系曲線圖

5 結論

利用恒壓過濾單元操作的的基本原理，對不同過濾壓力、過濾面積、料液溫度和不同質量分數的料液下板框式過濾機的K、qe的演變規律進行探討。研究結果表明：

(1)K隨過濾壓力、過濾面積和料液溫度的增大而增大，隨料液質量分數的增大而減小。

(2)qe隨過濾壓力和料液質量分數的增大而減小，隨過濾面積和過濾溫度的增大而增大。

(3)在實際單元操作中，恒壓過濾過程中流動的阻力在增加，可在一定操作范圍內通過改變過濾壓力來改變K，以適應生產任務要求。工業上可通過適當升高物料溫度以提高K，但需同時考慮熱負荷等經濟性問題。當料液質量分數小到一定程度時，不宜直接使用過濾操作進行分離，可先沉降使料液質量分數增大，以減少操作費用。