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板框过滤实验 |
本实验设备由我校化工原理实验室与天津大学化工基础实验中心共同研制。该设备由过滤板、过滤框、旋涡泵等组成，是一种小型的工业用板框过滤机。本套装置可进行设计型、研究型、综合型实验。由于设备接近工业生产状况，通过实验可培养学生的工程观念、实验研究能力、设计能力以及解决生产实际问题的能力。 一、实验任务根据实验指导教师要求，从下列实验任务中选择其中一项实验。1．板框压滤机选型：工业用过滤机选型的依据是物料的性能、分离任务和要求。为使过滤机的选型最为恰当，通常是用同一悬浮液在小型过滤实验设备中进行实验，以取得必要的过滤数据作为主要依据，然后从技术和经济两方面进行综合分析，确定过滤机的种类和型号。现有某一工厂需过滤含CaCO3 5.0~5.5 % 的水悬浮液，过滤温度为25℃，固体CaCO3的密度为2930kg/m3。工业过滤机在0.28MPa的压强差下进行过滤，规定每一操作循环处理悬浮液10m3，过滤时间为30min，滤饼不洗涤，过滤至框内全部充满滤渣时为止，卸饼、清洗、重装等辅助时间为20min。请你利用实验室的小型板框压滤机（详见设备流程部分，该过滤机的最高过滤推动力（表压力）为0.2Mpa）进行实验，测定有关的过滤参数，根据表1所提供的过滤机型号与规格，从中选择一种合适型号的压滤机，并确定滤框的数目，求出该过滤机的生产能力，为工厂提供选型的技术依据。表1 过滤机的型号与规格| 型 号 | 过滤面积m2 | 框内尺寸mm | 框 数 | 框内总容积[l] | 工作压强[kg/cm2] | | BAS20/635-25 | 20 | 635×635×25 | 26 | 260 | 8 | | BAS30/635-25 | 30 | 635×635×25 | 38 | 380 | 8 | | BAS40/635-25 | 40 | 635×635×25 | 50 | 500 | 8 | | BAY20/635-25 | 20 | 635×635×25 | 26 | — | — | | BAY30/635-25 | 30 | 635×635×25 | 38 | — | — | | BAY40/635-25 | 40 | 635×635×25 | 50 | — | — | | BMS20/635-25 | 20 | 635×635×25 | 26 | 260 | 8 | | BMS30/635-25 | 30 | 635×635×25 | 38 | 380 | 8 | | BMS40/635-25 | 40 | 635×635×25 | 50 | 500 | 8 |
表1中板框压滤机型号如BMS20/635-25的意义为：B表示板框压滤机，M表示明流式（若为A，则表示暗流式），S表示手动压紧（若为Y，则表示液压压紧），20表示过滤面积为20m2，635表示滤框边长为635mm的正方形，25表示滤框的厚度为25mm。2．回转真空过滤机设计：设计工业用过滤机时，必须先测定有关的过滤参数，这项工作一般是用同一悬浮液在小型过滤实验设备中进行。现有某一工厂需过滤含CaCO3 5.0 ~ 5.5 % 的水悬浮液，过滤温度为25℃，固体CaCO3的密度为2930kg/m3。要求工业回转真空过滤机的操作真空度为600mmHg，以滤液计的生产能力为0.003m3/s。请你利用实验室的小型板框压滤机进行实验，测定有关的过滤参数，确定回转真空过滤机的转速 ，转筒的浸没度 ，转筒直径D和长度L。3. 研究不同过滤压力对过滤机生产能力的影响。4. 研究在相同压力下，不同滤浆浓度对过滤机生产能力的影响。 二、实验基本原理过滤是液体通过滤渣层（过滤介质与滤饼）的流动。无论是生产还是设计，过滤计算都要有过滤常数作依据。由于滤渣厚度随着时间而增加，所以恒压过滤速度随着时间而降低。不同物料形成的悬浮液，其过滤常数差别很大，即使是同一种物料，由于浓度不同，滤浆温度不同，其过滤常数也不尽相同，故要有可靠的实验数据作参考。 根据恒压过滤方程: (1) 式中: ─ 单位过滤面积获得的滤液体积 [ m3/m2 ] ─ 单位过滤面积的虚拟滤液体积 [ m3/m2] ─ 实际过滤时间 [ s ] ─ 虚拟过滤时间 [ s ] ─ 过滤常数 [ m2/s ] 将(1)式微分得: （2）当各数据点的时间间隔不大时， 可以用增量之比 来代替，即： （3） 上式为一直线方程。试验时，在恒压下过滤要测定的悬浮液，测出过滤时间θ及滤液累计量q的数据，在直角坐标纸上标绘 对 的关系，所得直线斜率为 ，截距为 ，从而求出K， 。 由下式得: （4） 过滤常数的定义式: （5）两边取对数: （6）因 s＝常数， ＝常数，故 与△P的关系，在双对数坐标上标绘的是一条直线。直线的斜率 1-S，由此可计算出压缩性指数 S，读取△P~ 直线上任一点处的 ，△p数据，一起代入式(5)计算物料特性常数 。 三、设备流程
如图1所示，滤浆槽内配有一定浓度的悬浮液，用电动搅拌器进行均匀搅拌。启动旋涡泵，调节阀门3使压力表5指示在规定值。滤液在计量桶内计量。洗涤过程的流程见图2。图3为过滤机固定头管路分布示意图。| 图1 恒压过滤实验流程示意图1─调速器 2─电动搅拌器 3、15─截止阀 4、6、10、12、13、16─球阀 5、7─压力表 8─板框过滤机 9─压紧装置 11─计量桶 14─旋涡泵 17─滤浆槽 |
四、设备的主要技术数据 1．旋涡泵: 型号: Y80－2 2．搅拌器: 型号: KDZ-1 ； 功率: 160w ； 转速: 3200转/分； 3．过滤面积: 现场测定。 4．滤布型号：工业用。 5．过滤压力范围为0.05--0.2Mpa 6．计量桶：第一套：长285mm，宽330mm 第二套：长280mm，宽329mm 五、板框过滤机使用说明 1．系统接上电源，打开搅拌器电源开关，启动电动搅拌器2。将滤液槽17内浆液搅拌均匀。
2．板框过滤机板、框排列顺序为：固定头－非洗涤板－框－洗涤板－框－非洗涤板－可动头。用压紧装置压紧后待用。| 图2 洗涤过程流程示意图1、5、6、9－球阀 2－压力表 3－板框过滤机 4－压紧装置 7－截止阀 8－计量桶 |
| 图3 板框过滤机固定头管路分布图1－过滤入口通道 2－洗涤入口通道3－过滤出口通道 4－洗涤出口通道 |
3．使阀门3、10、15处于全开、其它阀门处于全关状态。启动旋涡泵14，调节阀门3使压力表5达到规定值。 4．待压力表5稳定后，打开过滤入口阀6，过滤开始。当计量桶11内见到第一滴液体时按秒表计时。记录滤液每达到一定量时所用的时间。当测定完所需的数据，停止计时，并立即关闭入口阀6。 5．调节阀门3使压力表5指示值下降。开启压紧装置卸下过滤框内的滤饼并放回滤浆槽内，将滤布清洗干净。放出计量桶内的滤液并倒回槽内，以保证滤浆浓度恒定。 6．改变压力或其它条件，从第3步开始重复上述实验。 7．若需测定洗涤时间和洗水量，则每组实验结束后应用洗水管路对滤饼进行洗涤。洗涤流程见图2。 8．实验结束时关闭阀门3和15，阀门16接上自来水、阀门13接通下水，对泵进行冲洗。关闭阀门13，阀门4接通下水，阀门6打开，对滤浆进出口管进行冲洗。 六．操作注意事项 1．过滤板与框之间的密封垫应注意放正，过滤板与框的滤液进出口对齐。用摇柄把过滤设备压紧，以免漏液。 2．计量桶的流液管口应贴桶壁，否则液面波动影响读数。 3．实验结束时关闭阀门3和15。用阀门16接通自来水对泵及滤浆进出口管进行冲洗。切忌将自来水灌入储料槽中。 4．电动搅拌器为无级调速。使用时首先接上系统电源，打开调速器开关，调速钮一定由小到大缓慢调节，切勿反方向调节或调节过快损坏电机。5．启动搅拌前，用手旋转一下搅拌轴以保证顺利启动搅拌器。 七、实验报告要求选做实验任务1、2的同学，实验报告要求如下（其它报告按实验指导教师的要求）：实验报告首页为实验任务书。实验报告内容应包括如下几个方面： （一）实验设计思路 这是实验报告的重点之一，要求设计思路清晰，用公式和文字说明。 （二）实验方案制定1、实验流程及其所需的仪器、仪表等。2、实验操作条件：如操作压力、温度、悬浮液的种类、浓度等。3、取样点、取样方法等4、实验原始数据记录表：应列出所有要测的参数及其单位（只需列出表头）。 （三）实验数据处理这是实验报告的重点之二。要有计算方法（示例）、图、表等，为便于比较，结果应尽量用表格形式。实验原始数据记录表作为附件，但结果表中应含有与之相关的原始数据。数据处理的每一步均要有小标题。 （四）实验结果与讨论1、板框压滤机选型的结果或回转真空过滤机设计的结果2、对实验中出现的现象，计算过程中出现的问题进行讨论，这是实验报告的重点之三。计算中的问题包括 等的取值和影响因素。 （五）参考文献八、思考题 1．你的实验数据中第一点有无偏低或偏高现象？怎样解释？如何对待第一点数据？2. 为什么过滤开始时，滤液常常有一点混浊，过一段时间才转清？ 3*．如何选择絮凝剂、助滤剂？
（二）真空过滤实验本实验装置由我校化工原理实验室自行研制。实验装置见图4。 一．实验内容根据实验指导教师要求，从下列实验任务中选择其中一项实验。1．某工厂需添置过滤设备来过滤悬浮液A，需要过滤常数、比阻和压缩性指数。请你根据工厂提供的悬浮液及实验室提供的设备，设计一实验方案，为工厂提供上述参数。目的在于培养同学们的实验设计能力。2．过滤技术的改进大体包括两个方面：寻找适当的过滤方法和设备以适应物料的性质；加快过滤速率以提高过滤机的生产能力。请你完成下述过滤研究型实验内容，以便对提高过滤速率的技术有初步了解和掌握，为今后从事过滤技术的改进工作奠定良好的研究基础。（1）从理论上分析对一定的悬浮液，改变过滤压强差、过滤温度、悬浮液浓度和过滤介质对过滤速率的影响。（2）请你在第（1）点讨论分析的基础上，利用实验室提供的真空吸滤实验装置完成加快过滤速率的研究型实验。要求先自学掌握第5章正交试验设计方法的内容，然后用正交试验设计法设计出能考察过滤压强差、过滤温度、CaCO3悬浮液的浓度及过滤介质这四个因素对CaCO3悬浮液过滤速率影响的实验方案。（3）对实验结果进行极差和方差分析，讨论上述四个因素对过滤速率的影响是否显著，其变化趋势如何？在你所设计的实验方案中，最适宜的操作条件是什么？（4）增大过滤推动力 可以提高过滤速率，但 的增大受到设备、实验条件等的限制，增大的幅度有限；升高悬浮液的温度可降低滤液粘度从而提高过滤速率，但升温使能耗加大，一般而言不够经济；降低悬浮液的浓度也可提高过滤速率，但悬浮液的浓度一般是生产任务所定不能随便改变；过滤介质的改变对过滤速率的影响不是很大。实际上加快过滤速率更好的办法原则上有改变滤饼结构、改变悬浮液中的颗粒聚集状态以及限制滤饼厚度增长三种途径。请你通过查阅文献资料回答上述三种途径所使用的具体方法，并从理论上解释它们为什么能够加快过滤速率。利用实验室的真空吸滤装置能否做上述三种途径的实验内容，若能请提出你的实验方案。3. 啤酒过滤最佳操作条件的选择：在啤酒生产过程中，滤酒是啤酒生产工艺流程的最后一步，也是啤酒厂能够控制啤酒风味稳定性和保质期的最后工序，啤酒厂普遍把过滤的效率作为优先考虑的因素，在保证浊度等指标达到要求的前提下，尽可能加快过滤速率以提高生产能力，从而提高经济效益。因此如何选择最佳的操作条件，是至关重要的。现有从发酵工序出来的啤酒悬浮液，含有约0.3%的悬浮物（酵母细胞、冷凝固性蛋白、酒花树脂和复合物质等）。请你利用实验室的真空过滤实验装置进行实验，寻找出最佳的过滤操作条件供啤酒厂参考。实验室提供的过滤介质为中性滤纸，助滤剂为硅藻土（有粗、细两种规格）。要求：（1）从理论上分析，过滤0.3%的啤酒悬浮液，属深层过滤还是滤饼过滤？改变过滤压强差、使用助滤剂及使用助滤剂的方式对啤酒的浊度和过滤速率有何影响？（2）通过实验，比较使用或不使用助滤剂对过滤效果的影响。（3）根据（2）的实验结果，用正交试验设计法设计出能考察过滤压强差、助滤剂颗粒度、助滤剂掺入量及预涂层厚度这四个因素对啤酒悬浮液过滤速率影响的实验方案（要求自学掌握第5章正交试验设计方法的内容）。（4）对实验结果进行极差和方差分析，分别讨论上述四个因素对浊度、过滤速率的影响是否显著，其变化趋势如何？在你所设计的实验方案中，最适宜的操作条件是什么？二、 实验报告要求：1．对于实验任务1，报告内容应包括以下几个部分： （1）设计实验所依据的原理 （2）实验装置流程图及操作步骤 （3）原始数据记录表 （4）绘出 ~ 的关系图，用最小二乘法求出K值 （5）用表格形式列出不同压力下的 ， ， 等值，并附有计算示例 （6）写出不同压力下的恒压过滤方程式 （7）绘出K ~ p或 ~ p关系图，求出压缩性指数Ｓ（8）结果讨论2．对于实验任务3，实验报告首页为实验任务书，报告按论文格式写。三． 讨论题：1． 实验装置中真空表的读数是否真正反映实际过滤推动力？为什么？2． 改变滤饼结构、改变悬浮液体中的颗粒聚集状态以及限制滤饼厚度增长，这三种途径均可加快过滤速率。请你通过查阅文献资料回答上述三种途径所使用的具体方法，并从理论上解释它们为什么能够加快过滤速率。 |
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