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1、第四章过滤(Filtration)一、 前言(一)定义:过滤(filtration) :将固体与液体的混合液通过仅可让液体通透的材料而使固体 与液体分离的单元操作。在过滤操作中将作业的材料分成：滤泥(feed slurry):过滤前的固体与液体的混合物。滤液(filtrate):过滤出的清净液体。滤材(filter medium) :可让液体 通透而阻止固体部份流出的介质。滤块(filter cake) :过滤时在滤 材上所形成的含少量液体的固体。(二)过滤的分类过滤依照作业机构分成：1. 滤块过滤(cake filtration):滤液内固体量超过1-2%，过滤时在滤材上产生滤块，由滤块阻止
2、固体通过，且滤块为主要的过滤阻力。此类机械称为表面过滤机(surface filters) 。2. 澄清过滤(clarification)或称深层过滤(deep bedfiltratio n):滤液内固体量低不易形成滤块，靠滤材阻止固体通过，常见的有深层过滤器(depth filters)，如沙滤(sand filters) 等。3. 微过滤(microfiltration， ultrafiltration， reverseosmosis):靠孔隙及细小的特殊材质的滤膜，阻隔细微颗粒如 细菌或大分子通过。分子透过滤膜时为溶入与溶出的扩散现象， 故归类在质量传递操作讨论。微过滤滤泥的流动方向常与
3、滤液 的流动方向垂直，已降低滤块的形成与阻力，故又称为交错流 过滤(cross-flow filtration)。过滤时液体必须藉由某种驱动力而流动过滤块，过滤器可依照使用驱动力的不同分成。1重力过滤器(gravity filters) ; 2.加压过滤器(pressure filters) ; 3.真空过滤器(vacuum filters) ; 4.离心过滤器 (ce ntrifugal filters)。(三)过滤的应用过滤普遍的用于用水与废水的处理，也是液体食品加工前处 理前处理与精制中所不可或缺的。 使用的实例如：蔗糖液清静时 的过滤，食用油脂脱色时白土的分离，压榨果汁果渣的分离，啤
4、酒制造时酵母菌的分离制酒时酒醪的分离等等。其它发酵工业制品中各种发酵液体的微生物与产品分离也都常使用过滤法。二、孔隙介质流与浮动床由颗粒所堆积成的体积称为填充床(pack bed )。填充床包 括粒子与其间的微小孔隙，又称为孔隙介质( porous media) 1 一 ；1.75：、鳥 1 -233L Dp 二Dp因此1.75-vDp和DP爲若由实验测得；mf，解上式可得空匚0Vmf。（三）应用自来水净水程序的快滤池为深层澄清过滤的例子。 快滤池以细沙 与级配卵石做过过滤层。 过滤后用清水反冲洗，以浮动床方式将 细沙间的过滤杂质洗出。(一)滤块的阻力：Ruth建立的过滤公式:滤液以缓慢的流速
5、通过滤块的孔隙，其流动在层流的范围，cf:Blake-Kozenyeq.)Carma n-Koze ny将流动的阻力表示成(2 2k vsSo_3k为Kozeny常数，几何形状规则的随机堆积粒子 k约为5。v$滤液的表面速度dV / dtA其中A为过滤器的作业面积， 若定义Cs为固体与滤液之比值，V为排出滤液的体积。(过滤出单位体积，所堆积的固体滤块重)。从滤块固体的质量平衡得:LA (4 - g)Ps = cs(V + gLA )%是滤块固体的密度。其中；LA 0 ；并以Pc代表滤块阻力，因 此丄 dV =匚；3_PCA dt k ； So2 lCsV / A定义：滤块比阻力(specifi
6、c resista nee)K 1 - ； SO、 =3PsE滤块比阻力对于不可压缩滤块 （in compressible cake） 为定值， 但大部份生物与农产品通常为可压缩滤块，滤块比阻力会随压力 呈的非线性的增加，以 Ruth公式表示成：nn -W；Pc若将滤块比阻力代入滤液流量公式得：lCsVotAakCsV (dVIdY - PcA dtA2 Idt 丿（二）滤材阻力比照上述公式dV八PmAdt JRm其中Rm是滤材的阻力。RmP dV ) _APm =亠 5-A idt 丿-P = - Pc Pm叮dV CsVqddrA - P卫R Aor dYdt .i+ RmA丿四、定压过滤
7、（constant pressure filtration（一）过滤作业时间在过滤过程中，压力保持固定。VVdV+Rmd-,过滤出V体积滤液所需时间:（二）比阻力与滤材阻力之测定 取（+）式的倒数得dtdV=KV(*):CsJ2A - PcRmJA - Pc若将式（*）积分得:* KV 2t 二BV并改写成：4V B以下为一个比阻力与滤材阻力测定数据的实例。实验中已固定真空压力吸取滤液，并逐时记录下累积的滤液量，如下表之第一、 二两列。以tV对V作图，所得到的斜率为 K,y截距为B。tVtv004.44.98E -8835.304419.51.00E-95000316.31.50E-10866.036724.62.00E-123000334.72.50E-13891.031146.13.00E-15356.034359 3.50E-16857.031473.64.00E -184000389.44.50E-19866.0367107.35.00E-2146003）过滤的作业时间固定，五、定量过滤（constant rate filtration（一）过滤压力以定量泵输送定量的滤泥进入过滤器， 但作业压力随滤液增多而变大。dVVconst - dtt2 岸 GCsdV：或因Y 而得dt非线性阻力随过滤时间而变大，其关系如下: n：一 - PC代入_APc A2-可得下列之压力变化关
