过滤方程式为LA=υV,矿冶工程术语。其中V悬为获得滤液量V并形成体积为LA的滤饼时所消耗的悬浮液总量: V悬=V+LA,固体量:V悬φ=LA (1-ε),式中A为过滤面积,L为滤饼厚度。
1.滤液通过饼层的流动特点
(1)非定态过程
过滤操作中,滤饼厚度随过程进行而不断增加,若过滤过程中维持操作压力不变,则随滤饼增厚,过滤阻力加大,滤液通过的速度将减小;若要维持滤液通过速率不变,则需不断增大操作压力。
(2)滞流流动由于构成滤饼层的颗粒尺寸通常很小,形成的滤液通道不仅细小曲折,而且相互交联,形成不规则的网状结构,所以滤液在通道内的流动阻力很大,流速很小,多属于滞流流动的范围。关于固定床压降的计算式可用来描述过滤操作,于是可用康采尼公式描述
过滤方程式(3-50)
式中
Δpc――滤液通过滤饼层的压降,Pa;
L――床层厚度,m;
μ――滤液粘度,Pa·s;
ε――床层空隙率,m3/m3;
u――按整个床层截面计算的滤液流速,m/s。
2.过滤速率与速度
通常将单位时间获得的滤液体积称为过滤速率,单位为m3/s。过滤速度是单位过滤面积上的过滤速率,应注意不要将二者相混淆。若过滤过程中其它因素维持不变,则由于滤饼厚度不断增加过滤速度会逐渐变小。任一瞬间的过滤速度应写成如下形式
过滤方程式(3-50a)
而过滤速率为
过滤方程式(3-50b)
式中
V――滤液量,m3;
θ――过滤时间,s;
A――过滤面积,m2。
3.过滤阻力
(1)滤饼的阻力
式3-50a和3-50b中的反映了颗粒及颗粒床层的特性,其值随物料而不同,但对于特定的不可压缩滤饼其为定值。若以r代表其倒数,即
过滤方程式(3-51)
式中r――滤饼的比阻,1/m2:
则式3-50a可写成
过滤方程式(3-52)
式中R――滤饼阻力,1/m。其计算式为
R=rL(3-53)
显然,式3-52具有速度=推动力/阻力的形式,式中μrL或μR为过滤阻力。其中μr为比阻,但因μ代表滤液的影响因素,rL代表滤饼的影响因素,因此习惯上将r称为滤饼的比阻,R称为滤饼阻力。
比阻r是单位厚度滤饼的阻力,它在数值上等于粘度为1Pa·s的滤液以1m/s的平均流速通过厚度为1m的滤饼层时所产生的压力降。比阻反映了颗粒形状、尺寸及床层的空隙率对滤液流动的影响。床层空隙率ε愈小及颗粒比表面a愈大,则床层愈致密,对流体流动的阻滞作用也愈大。
(2)过滤介质的阻力
过滤介质的阻力与其材质、厚度等因素有关。通常把过滤介质的阻力视为常数,仿照式3-52可以写出滤液穿过过滤介质层的速度关系式
过滤方程式(3-54)
式中
――过滤介质上、下游两侧的压力差,Pa;
Rm――过滤介质阻力,1/m。
(3)过滤总阻力
由于过滤介质的阻力与最初形成的滤饼层的阻力往往是无法分开的,因此很难划定介质与滤饼之间的分界面,更难测定分界面处的压力,所以过滤计算中总是把过滤介质与滤饼联合起来考虑。
通常,滤饼与滤布的面积相同,所以两层中的过滤速度应相等,则
过滤方程式(3-55)
式中Δp=Δpc+Δpm,代表滤饼与滤布两侧的总压力降,称为过滤压力差。在实际过滤设备上,常有一侧处于大气压下,此时Δp就是另一侧表压的绝对值,所以Δp也称为过滤的表压力。式3-55表明,过滤推动力为滤液通过串联的滤饼与滤布的总压力降,过滤总阻力为滤饼与过滤介质的阻力之和,即∑R=μ(R+Rm)。
为方便起见,假设过滤介质对滤液流动的阻力相当于厚度为Le的滤饼层的阻力,即
rLe=Rm
于是,式3-55可写为
过滤方程式(3-56)
式中Le――过滤介质的当量滤饼厚度,或称虚拟滤饼厚度,m。
在一定操作条件下,以一定介质过滤一定悬浮液时,Le为定值;但同一介质在不同的过滤操作中,Le值不同。
4.过滤基本方程式
过滤过程中,饼厚L难以直接测定,而滤液体V则易于测量,故用V来计算过滤速度更为方便。
若每获得1m3滤液所形成的滤饼体积为υm3,则任一瞬间的滤饼厚度与当时已经获得的滤液体积之间的关系为
LA=υV
则
过滤方程式(3-57)
式中υ――滤饼体积与相应的滤液体积之比,无因次,或m3/m3。
同理,如生成厚度为Le的滤饼所应获得的滤体体积以Ve表示,则
过滤方程式(3-58)
式中Ve――过滤介质的当量滤液体积,或称虚拟滤液体积,m3。
Ve是与Le相对应的滤液体积,因此,一定的操作条件下,以一定介质过滤一定的悬浮液时,Ve为定值,但同一介质在不同的过滤操作中,Ve值不同。
如果知道悬浮液中固相的体积分率Xv和滤饼的孔隙率,可通过物料衡算求得L与V之间的关系,
显然
过滤方程式(3-59)
式中
VF——悬浮液体积,m3;
XV——悬浮液中固相的体积分率;
(1)不可压缩滤饼的过滤基本方程式
将式3-57,3-58代入式3-56中,得
过滤方程式(3-60)
若令,则
过滤方程式(3-60a)
式中
q――单位过滤面积所得滤液体积,m3/m2;
qe――单位过滤面积所得当量滤液体积,m3/m2。
式3-60a是过滤速率与各相关因素间的一般关系式,为不可压缩滤饼的过程基本方程式。
(2)可压缩滤饼的过滤基本方程式
对可压缩滤饼,比阻在过滤过程中不再是常数,它是两侧压力差的函数。通常用下面的经验公式来粗略估算压力差增大时比阻的变化,即
过滤方程式(3-61)
式中
r’――单位压力差下滤饼的比阻,1/m2;
Δp――过滤压力差,Pa;
s――滤饼的压缩性指数,无因次。一般情况下,s=0~1。对于不可压缩滤饼,s=0。
几种典型物料的压缩指数值,列于表3-6中。