滤饼微观结构与压榨过滤理论的研究

论文摘要

过滤与分离是当今各个工业领域与新发展的科技领域中不可或缺的科学技术。其技术水平的高低、设备质量的优劣、操作水平的合理科学，以及能耗的高低是保证工业生产过程现代化、实现工艺过程的先进性和可靠性、提高制品质量和品位和降低能耗、环境保护、提高经济和社会效益的重要保证。随着科学技术和工业生产的发展，节约能源、资源开发、生态农业，环境保护等问题将更受到重视，生物化工，新型材料，精细化工等高技术领域的迅速发展，要求过滤与分离设备不仅处理量要大，并且具有压榨功能，使得脱水(液)更多、更干，这样可为后续干燥过程节约大量能源甚至省去后续干燥过程。这对充分利用资源，实现循环经济具有重要意义，压榨过滤技术因此而受到人们越来越多的重视。但是无论是常规的加压过滤还是压榨过滤，由于固液两相的过滤属于复相流体通过多孔介质的流动过程，既受宏观流体力学因素影响，也受微观物理化学因素的影响，所以虽然人们做了很多努力，但直到今天，人们仍然无法用数学语言准确地描述过滤和压榨过程，根据物料的特性去计算滤饼的特性，预测和描述滤液所含物料的数量、大小及其分布。就目前而论，过滤操作还是一门对实践和经验依赖性很强的技术。本课题旨在进行试验室条件下的滤饼微观结构和压榨过滤理论的研究。完成了如下工作：○推导了直角坐标系下的三维压榨过滤理论模型和方程。解得了孔隙压力u的表达式。根据滤饼压榨机理推导出了更切实际的滤饼压榨系数的计算方法及公式。在三维压榨过滤方程解的基础上，经简化，逐步推导出二维压榨过滤方程和一维压榨过滤方程。并通过实验，验证了理论过滤比和实验过滤比、理论压榨比和实验压榨比的差异。理论值与实验值的误差都在20％左右。○分析了悬浮液物性参数、滤饼结构参数和操作条件参数对压榨过程的影响，提出了通过建立一维恒压压榨下的压榨过滤准数模型，用试验数据进行多元线性回归，求出可全面地描述压榨过滤过程的准数方程的方法。○建立了加压过滤实验装置和压榨过滤实验装置系统，选择具有代表性的5种具有不同可压缩性的物料，在测定物料的基本物性参数的基础上，进行了滤饼中低压条件下的加压过滤试验研究，在实验室加压试验装置上模拟过滤过程，进行不同压力下的过滤试验，获得过滤比阻、压缩指数、过滤比等重要参数。进行了滤饼中低压条件下的压榨过滤试验研究，在实验室压榨实验装置上模拟压榨过程，进行了过滤压榨的适宜操作条件试验。根据相同压榨压力下不同起始压榨点试验和过滤压力和压榨压力相同时和不相同时的试验，证明不同起始压榨点对压榨过滤有较大的影响，提出了一种寻求最适宜压榨过滤操作条件的试验方法。试验表明，对于15％(质量分数)硅藻土高岭土混合悬浮液，当加压过滤得到其理论滤液量的72％左右时开始压榨为最佳；而对于15％(质量分数)硅藻土粘土混合悬浮液，压力为0.25MPa时当加压过滤得到其理论滤液量的75％左右时开始压榨为最佳。○系统地采用了对滤饼分层切片和环境扫描电镜测定滤饼孔隙率的方法，对滤饼层内的孔隙率进行测定，以研究滤饼的微观结构，探索采用先进测试手段对滤饼微观结构进行分析研究的可能性。分层测定了不同过滤压力和不同压榨压力下，过滤终了时和压榨全过程中的滤饼孔隙率以及不同压榨起始点进行压榨时的滤饼孔隙率，从而深入了解了过滤过程、压榨过程和不同压榨周期中滤饼的内部结构。并与传统的根据加压试验获得的计算数据进行了比较。○通过工业性试验与测定，证明了本研究提出的在工业生产的现场寻求最适宜压榨过滤的试验方法的可操作性。工业性试验证明，和常规过滤方法相比，采用本研究提出的提前压榨技术，可以缩短工艺处理时间，提高生产效率，降低滤饼含水率和滤饼重量，这对提高产品品质、减少滤饼运输量、降低后续干燥工序的成本，节约能源，提高经济效益是有现实意义的。上述从滤饼微观结构入手研究压榨过滤理论，提出寻求最适宜压榨过滤操作条件，获得压榨过滤过程中的起始压榨点的方法；提出采用滤饼分层切片和环境扫描电镜测定滤饼层内部孔隙率，以研究滤饼的微观结构的方法；提出压榨过滤三维数学模型等是本研究的创新点所在，相信研究的初步成果会对压榨过滤理论的后继研究以及它对工业应用的指导会有所启迪。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图例索引
• 列表索引
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外过滤理论研究现状
• 1.2.1 渗透模型
• 1.2.2 毛细管模型
• 1.2.3 过滤方程的应用
• 1.2.4 现代过滤理论
• 1.2.5 多相过滤理论
• 1.2.6 滤饼结构利孔隙率的研究
• 1.3 压榨过滤理论研究现状
• 1.3.1 Terzaghi模型
• 1.3.2 Terzaghi-voigt混合模型
• 1.3.3 其他压榨过滤理论和压榨机理的研究
• 1.4 本研究的内容和研究方向
• 1.4.1 理论模型的建立及压榨过滤方程推导
• 1.4.2 滤饼孔隙率的分层测定
• 1.4.3 最适宜过滤及压榨操作条件的确定
• 1.5 本章小结
• 第二章 物料基本物性参数的测定及试验装置
• 2.1 基本物性参数的测定
• 固的测定'>2.1.1 固相密度ρ_固的测定
• 固的测定方法'>2.1.1.1 固相密度ρ_固的测定方法
• 固的测定结果'>2.1.1.2 固相密度ρ_固的测定结果
• 液的测定'>2.1.2 液相密度ρ_液的测定
• 液的测定方法'>2.1.2.1 液相密度ρ_液的测定方法
• 2.1.2.2 液相密度的测定结果
• 2.1.3 滤液粘度
• 2.1.3.1 滤液粘度的测定方法
• 2.1.3.2 滤液粘度的测定结果
• 2.1.4 固相颗粒的粒度及粒度分布
• 2.1.4.1 固相颗粒的平均粒径的测定方法
• 2.1.4.2 固相颗粒的平均粒径的测定结果
• 2.1.5 颗粒比表面积的测定
• 2.1.5.1 测量原理及方法
• 2.1.5.2 比表面积的测定结果
• 2.1.6 其他试验参数的确定
• 2.2 试验流程及装置
• 2.2.1 加压过滤试验的流程
• 2.2.2 压榨过滤试验的流程
• 2.3 本章小结
• 第三章 滤饼过滤过程的试验研究及结果
• 3.1 过滤速率
• 3.1.1 过滤速率的测定方法
• 3.1.2 过滤速率的测定结果
• 3.2 滤饼湿干比m
• 3.2.1 滤饼湿干比m的测定方法
• 3.2.2 滤饼湿干比m的测定结果
• av'>3.3 滤饼平均比阻α_av
• av的测定方法'>3.3.1 滤饼平均比阻α_av的测定方法
• av的测定结果'>3.3.2 不同压力、不同配比下的加压过滤实验——滤饼平均比阻α_av的测定结果
• 3.3.3 滤饼比阻的数据分析
• 3.4 可压缩性系数n
• 3.4.1 可压缩性系数n的测定方法
• 3.4.2 可压缩性系数n的测定结果
• 3.5 压榨过滤的过滤期方程
• 3.6 过滤比的理论验证
• 3.7 本章小结
• 第四章 压榨过滤理论的研究
• 4.1 三维压榨过滤理论模型与方程
• 4.1.1 基本假设
• 4.1.2 压榨微元受力分析与模型建立
• 4.1.3 方程的解
• 4.2 两维压榨理论
• 4.3 压榨系数的确定
• ez的计算'>4.3.1 压榨系数C_ez的计算
• 4.3.2 理论压榨比
• 4.4 压榨速率——根据压榨比进行推导
• 4.5 一维恒压压榨模型推导
• 4.5.1 基本假设
• 4.5.2 物理模型
• 4.5.3 压榨方程的建立
• 4.5.4 压榨方程的解
• 4.6 一维恒压压榨下的压榨过滤准数模型的建立
• 4.6.1 影响压榨过程的因素分析
• 4.6.1.1 悬浮液物性参数
• 4.6.1.2 滤饼结构参数
• 4.6.1.3 操作条件参数
• 4.6.2 压榨准数方程的建立
• 4.6.3 准数方程参数的拟合
• 4.6.4 参数的确定
• 4.7 本章小结
• 本章符号
• 第五章 压榨过滤的压榨过程与提前压榨的试验研究
• 5.1 压榨的压密期方程
• 5.2 压榨过滤试验
• 5.2.1 压榨过滤试验用物料的筛选
• 5.2.2 过滤压力和压榨压力相同时硅藻土与高岭土混合悬浮液的压榨试验
• 5.2.3 硅藻土与粘土混合悬浮液的压榨试验
• 5.2.3.1 不同压力下的压榨过滤试验
• 5.2.3.2 不同压榨起始点的压榨过滤试验
• 5.2.3.3 过滤压力和压榨压力不同的压榨过滤试验
• 5.3 压榨比的理论验证
• 5.4 本章小结
• 第六章 滤饼微观结构参数及其测量结果的分析
• 6.1 滤饼的微观结构
• 6.1.1 滤饼的构成
• 6.1.2 滤饼的孔隙结构
• 6.2 滤饼的结构参数
• 6.2.1 孔隙率和孔隙比的表达式
• 6.2.2 滤饼的可压缩性和渗透系数
• 6.2.3 滤饼的比阻
• 6.3 滤饼孔隙率的测定
• 6.3.1 环境扫描电镜测定
• 6.3.1.1 测量原理
• 6.3.1.2 测量系统
• 6.3.1.3 仪器、参数、规格、测定步骤
• 6.3.1.4 测试结果
• 6.3.2 工业CT测定
• 6.3.2.1 原理
• 6.3.2.2 方法与步骤
• 6.3.2.3 工业CT测定的一组照片
• 6.3.3 核磁共振测定
• 6.3.4 环境扫描电镜法测定孔隙率结果分析
• 6.3.4.1 同一位置,过滤滤饼与压榨滤饼的区别
• 6.3.4.2 过滤结束,滤饼不同位置处切片孔隙率的变化
• 6.3.4.3 正常压榨得到的滤饼在不同位置处切片孔隙率的变化
• 6.3.4.4 提前压榨得到的滤饼在不同位置处切片孔隙率的变化
• 6.3.4.5 几张典型的照片
• 6.3.4.6 试验结果分析
• 6.3.4.6.1 过滤阶段与压榨阶段孔隙率的变化
• 6.3.4.6.2 滤饼表面与底部的变化
• 6.4 滤饼孔隙率实验值与计算机扫描值的误差分析
• 6.5 影响过滤过程的因素分析
• 6.5.1 影响过滤的物性参数
• 6.5.2 影响过滤的结构参数
• 0'>6.5.2.1 颗粒的比表面积S₀
• 6.5.2.2 滤饼的孔隙率ε
• 6.5.2.3 渗透率κ
• 6.5.3 影响过滤的操作条件
• 6.5.3.1 过滤压力
• 6.5.3.2 悬浮液料浆的温度
• 6.5.3.3 悬浮液料浆的浓度
• 6.5.3.4 悬浮液料浆的黏度
• 6.6 本章小结
• 第七章 压榨过滤理论的工程应用
• 7.1 氯碱压榨过滤工业性试验
• 7.1.1 常规过滤试验
• 7.1.2 压榨过滤试验
• 7.1.3 提前压榨过滤试验（改变不同的过滤时间,即选择不同的提前压榨起始点）
• 7.1.4 试验结果分析
• 7.2 漂粉精压榨过滤工业性试验
• 7.2.1 常规过滤试验
• 7.2.2 压榨过滤试验
• 7.2.3 提前压榨试验
• 7.2.4 试验结果分析
• 7.3 煤制油催化剂工业性试验
• 7.3.1 常规过滤试验
• 7.3.2 压榨过滤实验
• 7.3.3 改变过滤压力试验
• 7.3.4 试验结果分析
• 7.4 果胶工业性试验
• 7.4.1 常规过滤实验
• 7.4.2 压榨过滤实验
• 7.4.3 改变过滤压力实验
• 7.4.4 试验结果分析
• 7.5 本章小结
• 第八章 全文总结与展望
• 致谢
• 作者简介
• 攻读博士期间发表论文及专著情况
• 参考文献