恒压过滤常数测定实验虚拟仿真系统
过滤是指分离悬浮在气体或液体中固体物质颗粒的一种单元操作，用一种多孔的 材料（过滤介质）使悬浮液（滤浆）中的气体或液体通过（滤液），截留下来的 固体颗粒（滤渣）存留在过滤介质上形成滤饼。过滤操作广泛用于各种化工生产中 ，尤其是用于分离液体中的固体颗粒，也有用于分离气体的粉尘，如袋滤器。对于 不同的介质，要设计各种不同的过滤设备，最常用的是间歇式板框过滤机，有应用于 难脱水的污泥的连续带式压滤机等。
恒压过滤常数测定实验是化工单元操作之一。目的是让学生熟悉板框压滤机的构造和操作方法。 通过恒压过滤实验验证过滤基本原理。掌握测定过滤常数K、qe、τe及压缩性指数s的方法。了 解操作压力对过滤速率的影响。学会滤饼洗涤操作。
通过恒压过滤常数测定仿真实验，实现虚实结合，辅助恒压过滤常数测定实验的实验教学。解决了恒压 过滤常数测定实验过程中的预习难、实验讲解难、实验操作难、练习难、数据处理难、实验考核难、实 验教学管理难等一系列问题，提高了教与学的质量。
通过恒压过滤常数测定仿真实验，学生可以了解恒压过滤常数测定实验的目 的、原理、操作流程以及数据处理方法等。掌握实验装置中板框过滤机等各 个主要部件的基本结构和原理。在虚拟操作过程中，学生可掌握不同压力对过滤 速率的影响。在操作自测部分，完成恒压过滤常数测定实验的仿真考核。
过滤是以某种多孔物质作为介质来处理悬浮液的操作。在外力的作用下， 悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截流下来，从而实现固液分离， 因此，过滤操作本质上是流体通过固体颗粒床层的流动，所不同的是这个固体 颗粒层的厚度随着过滤过程的进行而不断增加，故在恒压过滤中，其过滤速度不断降低。
影响过滤速度的主要因素除压强差Δp，滤饼厚度L外，还有滤饼和悬浮液的性质，悬浮液温度，过滤介质的阻力等，故难以用流体力学的方法处理。
比较过滤过程与流体经过固定床的流动可知：过滤速度即为流体通过固定床的表观速度u。同时，流体在细小颗粒构成的滤饼空隙中的流动属于低雷
诺数范围，因此，可利用流体通过固定床压降的简化模型，寻求滤液量与时间的关系，运用层流时泊肃叶公式不难推导出速度计算式：
式中，u——过滤常数，m/s；
K——康采尼常数，层流时，K=5.0；
ε——床层的空隙率，m3/m3；
a——颗粒的比表面积，m2/m3；
Δp——过滤的压强差，Pa；
μ——滤液的黏度，Pa·s；
L——床层厚度，m。
由此可导出过滤基本方程式为
式中，V——滤液体积，m3；
τ——过滤时间，s；
A——过滤面积，m2；
S——滤饼压缩性指数，无量纲，一般情况下s=0-1,对不可压缩滤饼s=0；
rˊ——单位压差下的比阻，1/m2，
；
R——滤饼比阻，1/m2，
；
v——滤饼体积与相应滤液体积之比，无量纲；
Ve——虚拟滤液体积，m3。
恒压过滤时，令
, 对式（7-2）积分可得：
式中，q——单位过滤面积的滤液体积，m3/m2；
qe——单位过滤面积的虚拟滤液体积，m3/m2；
τe——虚拟过滤时间，s；
K——滤饼常数，由物料特性及过滤压差所决定，m2/s；
K、τe、qe三者总称过滤常数。利用恒压过滤方程进行计算时，首先必须知道K、τe、qe，它们只有通过实验才能确定。
对上式微分得：
该式表明以
为纵坐标，以q为横坐标作图可得一直线，直线斜率为 
,截距为
。
在实验测定中，为便于计算，可用
代替 ，把上式改写成：
在恒压条件下，用秒表和量筒分别测定一系列时间间隔Δτi（i=1，2,3…）及对应的滤液体积ΔVi（i=1，2,3…），
也可采用计算机软件自动采集一系列时间间隔Δτi（i=1，2,3…）及对应的滤液体积ΔVi（i=1，2,3…），由此算出
一系列Δτi、Δqi、qi在直角坐标系中绘制
的函数关系曲线，得一直线。由直线的斜率和截距便可求出K和qe，再根
据 
，求出τe。
改变实验所用的过滤压差Δp，可测得不同的K值，由K的定义式两边取对数得
在实验压差范围内，若k为常数，则 的关系在直角坐标系上应是一条直线，直线的斜率为（1-s），可得滤饼压缩性指数s，由截距（lg2K）可得物料特性常数k。
本实验装置有空压机、配料槽、清水槽、滤液槽、压力料槽、板框压滤机和压力定值调节阀等组成。过滤装置流程图如下图所示：
图 过滤实验装置流程图
1—配料槽；2—空气压缩机；3—清水槽；4—滤液槽；5—压力料槽；6—板框压滤机； 7—配料槽进水阀；8—配料槽进气阀；9—配料槽通气阀；10—配料槽通气单向阀； 11—清水槽通气阀；12—清水槽通气单向阀；13—压力料槽通气阀；14—压力料槽通气单向阀； 15—压力定值调节阀；16—清水槽进水阀；17—清水槽灌水口；18—清水槽压力表；19—清水槽排气阀； 20—清水进压滤机阀；21—料浆进压力料槽阀；22—滤液槽液位计；23—滤液出口阀；24—洗液出口阀； 25—压滤机入口处压力表；26—洗涤压力测量阀；27—压滤机入口处压力测量阀；28—料浆进压滤机阀； 29—压力料槽安全阀；30—压力料槽压力表；31—压力料槽排气阀；32—压力料槽排放阀；33—滤液槽排放阀； 34—清水槽排放阀；35—配料槽排放阀
恒压过滤常数测定实验仿真系统以1：1比例绘制实验设备模型，通过系统，学 生可以进行实验预习、实验练习、实验自测等。通过系统，学生可以完全掌握实 验目的、原理、实验操作流程、各部件的原理及内部结构。由于虚拟模型与真实设 备完全相同，通过虚拟演练后，学生进入真实实验室的时候，可以更容易的掌握真实实验操作，虚实结合，以虚辅实。
恒压过滤常数测定实验仿真系统包括实验讲义、实验讲解、实验装置、实验操作、操作自测、 数据处理、记录回放七个部分。通过实验讲义部分，学生可以对实验进行整体把握，了解实验目 的、实验原理、实验流程、数据处理等，在实验讲义中，对重要的部件及操作过程进行了超链接， 可以点击链接了解详情，学生的预习记录会上传到服务器；在实验讲解部分，学生可以通过观看实 验操作过程的视频讲解了解整个实验的操作过程；通过实验装置部分，学生可以了解实验设备上所 有部件的名称、用途及原理，学生对装置的学习记录可以上传到服务器；通过实验操作部分，学生可 以进行整个操作过程的练习，并可观察到每一操作步骤所对应的实验现象，学生的操作练习记录会上传 到服务器；通过实验自测部分，学生可以对自己的练习情况进行自测，自测过程可上传到服务器，供任课 教师查看；通过数据处理部分，学生可以了解实验需要记录哪些数据，如何对数据进行处理并生成实验报告 ；通过记录回放部分，学生可以查看到自己的自测记录的回放。
