重庆三峡学院化学与环境工程学院 梁克中
实验四 真空恒压过滤实验
一、实验目的
1．测定恒定压力下过滤方程中的常数K，qe，τ2．熟悉过滤操作方法。
e及物料特性常数是和滤饼压缩指数
s．
二、实验原理
过滤是利用过滤介质进行液—固相分离的过程。过滤介质通常采用多孔的纺织品，如帆
布、毛毡等。含有固体颗粒的悬浮液在一定压力的作用下液体通过过滤介质，固体颗粒被截留在介质表面上，从而使液固两相分离。 过滤操作通常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，滤饼厚度增加，液体流过固体颗粒之间的孔道加长，而使流体阻力增大，故在恒压过滤时，过滤速率是随时间逐渐下降的。如果想保持过滤速率不变，就必须不断增加滤饼
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两侧的压力差。前者过滤压力不变，称为恒压过滤，后者过滤速率不变，称为恒速过滤。
恒压过滤方程：
(V + Ve )2 ＝ K A2(τ +τe) (4—1) 式中 V — 滤液体积，m3；
τ — 过滤时间，s；
Ve — 过滤介质的当量滤液体积，m3；
τe — 与得到当量滤液体积Ve相对应的过滤时间，s； A — 过滤面积，m2；
K — 过滤常数，m2/s，包含物料特性常数k是和操作压力ΔP参数，表示为 K ＝ 2ΔP 1-s/μr0v ＝ 2kΔP 1-s
式中 ΔP — 滤饼两侧压力差，N／m2； s — 滤饼压缩指数；
k — 表征过滤物料的特性常数，m4／N·s或m2／Pa·s，对一定的悬浮液是常数；
μ — 滤液粘度，Pa·s；
r0 — 单位压力下滤饼的比阻，l／m2；
v — 过滤单位滤液体积时生成的滤饼体积，m3／m3．
通常，在一定条件下过滤某种物料，过滤方程的常数K，Ve和τe都是通过实验测定 为了便于测定这些常数，令q ＝ V/A，qe ＝ Ve ／A，改写过滤方程式(4—1)为：
(q + qe)2 ＝ K (τ +τe) (4—2) 式中
q — 过滤时间为τ时，单位过滤面积过滤得到的滤液量，m3／m3；
qe — 设想形成一层滤饼，其阻力与过滤介质阻力相等时，单位过滤面积通过的滤 液量，m3／m3．
将式(4—2)微分并整理得：
2(q +qe) dq ＝ K dτ dτ/dq ＝ 2q/K +2qe/ K (4—3) 将(4—3)式左侧的导数用差分代替，则成为
Δτ/Δq ＝ 2q-/ K + 2qe/ K (4—4) 式(4—4)为一直线方程，它表明，在恒定压力下过滤悬浮液，测定出不同的过滤时间τ 和滤液累计量q的数据，然后算出一系列Δτ与Δq的对应值，在普通坐标纸上以Δτ/Δq 为纵坐标，用q-(取两次测定q的平均值，即q- = (qi + qi+1)／2)为横坐标作图，可以得到一直线，其斜率为2／K，截距为2qe／K．由此求得K，qe，再通过下式求出τe．
τe ＝ qe2/ K (4—5) 为求滤饼的压缩指数s，须在不同的过滤压力差ΔP的条件下进行实验，测定出各种条件下的过滤常数K值。再由K ＝ 2kΔP 1-s 的关系，在双对数坐标纸上以K为纵坐标，以ΔP为横坐标标绘得一直线，其斜率为l-s，截距为2k，从而可求得s和k．
三、实验装置
实验装置和流程如图4—4所示。本实验将水和碳酸钙放在滤浆槽里，用搅拌器搅拌，使之成为悬浮液作为实验物料。过滤板结构如图4—4(a)所示，是由一块带有沟槽的塑料板制成，表面用帆布作过滤介质，在真空下吸滤，滤液通过计量筒计量，滤渣被截留在过滤介质表面上形成滤饼。系统的真空是利用一个循环水泵带动真空喷射泵产生。过滤压力即系统的真空度可通过真空度调节阀进行调节。
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图4—4(a) 过滤板结构图
1一过滤板；2一过滤介质(滤布)，3一固紧软绳；4一连接真空接管
四、实验步骤
1．将帆布放在过滤板上，四周拉紧，将粗线绳塞进过滤板四周的沟槽里，将帆布固定 紧，然后将过滤板按流程接人真空系统。 2．将一定量的粉状CaCO3混入已装有水的滤浆槽内，用搅拌器搅拌使之成为悬浮液体,作为滤浆。悬浮液的浓度可按需要配制。
3．开动水泵，使真空喷射泵开始工作，若系统不能造成真空，检查原因，作适当处理。 4．真空系统运转正常后，做好实验前的准备工作，首先初步调好实验时真空度，可将 连接过滤板与滤液计量筒胶管处旋塞4关闭，用真空调节阀10调节真空度。然后将计量筒加水建立零点。可取少量清水，将过滤板放入水中，打开旋塞4，靠初步调好的真空度将清水吸人计量筒内至某液位，然后关闭旋塞4。秒表回零。开动搅拌器，使滤浆成悬浮液(若已沉淀可用人力先搅拌一下)。将过滤板放人滤浆槽里固定。
5．实验测定。过滤实验是一个不稳定的操作过程，所以，过滤一开始时，同时记录过滤时间和对应得到的滤液体积。过滤真空度可选0.02，0.04和0.05MPa．每次测定10～15个数据。实验过程中注意调节真空度。滤液量和过滤时间要连续记录，滤液量的间隔最好相等，可控制液面计高度在30～50刻度左右。
6．实验结束后，关闭水泵和搅拌器的电源，并清理物料及设备恢复到实验前的状态。
五、实验数据处理
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1．利用作图法求恒压条件下的K，qe和τe．也可利用最小二乘法复验所求过滤方程 的常数。
2．求滤饼的压缩指数s及物料特性常数k．
六、讨论
1．说明过滤方程中qe和τe的意义?
2．过滤介质阻力与哪些因素有关?并写出表达式。若设其阻力保持不变，而改变操作压力，则qe值有何变化?
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实验五 圆形直管中气体传热膜系数的测定
一、实验目的
1、测定空气在圆形直管内强制湍流的传热膜系数； 2、并用准数方程整理实验数据。
二、基本原理
由因次分析得到流动流体在无相变的稳定传热中，传热膜系数的准数关系式一般形式为：
Nu ＝ f ( Re，Pr，Gr ) (5—1)
对流体强制湍流条件下，格拉斯霍夫准数Gr可以忽略，即有， Nu ＝ f ( Re，Pr )
或 Nu ＝ B Rem Prn (5—2) 式中 Nu ＝ αd /λ (努赛尔特准数)
Re ＝ d uρ/ μ（雷诺准数） Pr ＝ Cp μ/ λ（普兰特准数）
其系数B及指数m ，n可由实验来确定。
本实验利用饱和水蒸气加热圆形直管内强制对流的空气，其管内传热膜系数可由以下热衡算式及传热方程式求出：
由热量衡算： Q ＝ W Cp( t2一 t1 ) (5—3) 式中 Q — 传热量，W；
W一 空气流量，kg／s；
Cp 一 空气进出口温度下的平均比热，J／kg·℃； t1 一 空气进口温度，℃； t2 一 空气出口温度，℃。 和传热基本方程： Q ＝ K A Δtm
求得传热系数 K ＝ Q / A Δtm (5—4) 式中 K — 总传热系数，W／m2·℃；
A — 传热面积(以管内径为计算基准)，m2； Δtm — 对数平均传热温度差，℃；
Δtm ＝ (Δt1 一 Δt2) / ln(Δt1/Δt2)
Δt1 ＝ T一t1 Δt2 ＝ T一t2
T — 饱和水蒸气温度，℃．
又根据总传热系数计算式，可知管内外传热膜系数的关系为
1/ K ＝ 1/α1 + b/λ +1/α2 (5—5) 式中 α1 — 管内传热膜系数，W／m2·℃； α2 — 管外传热膜系数，W／m2·℃； b — 管壁厚度，m；
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