JP4038587B2 - Suspension evaluation equipment - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、懸濁液の評価方法、その方法を実施するためのプログラム、及びその評価装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に不溶性粒子を懸濁させた液体をろ材を用いて濾過することが知られている。この濾過工程は、例えば鋳込み成形・ファインセラミックスの成形・塗膜・ヘドロの浚渫など、多くの産業に用いられている。
【0003】
また、濾過工程においては、試行錯誤、いわゆる職人芸的な勘が大きなウエイトを占めている。これは、濾過の過程において、懸濁液のダイナミックな変化を把握できないためである。このようにオペレータの勘に頼ることは、濾過の効率向上に制限がかかることとなり好ましくない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、濾過の過程における理論を提案し、その理論に基づいて濾過対象となる懸濁液を評価する方法等を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段、発明の作用、及び発明の効果】
本発明者は上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねてきた結果、特に濾過開始直後における濾液と濾過時間との関係が、ケークの性質に大きな影響を与えることを見い出し、基本的には本発明を完成するに至った。
【0006】
本発明者は、濾過の過程について鋭意検討を行っていたところ、次のような知見を得た。すなわち、一般的な濾過解析方法であるルース(Ruth)の式によれば、濾液量(v)と濾液の流速の逆数(dt/dv)とが正比例の関係となるため、グラフ上では直線が引けることになる。このルースの式に従えば、少なくとも濾過開始点と最終点とが分かればよいので、従来には、この2時点に加えて、中間の2〜3時点を追加して、グラフ上の直線を求め、必要なパラメータを推定していた。
【0007】
ところが、本発明者は、濾過の過程について、より詳細な解析を行うために、加圧直後における濾液と濾過時間とを細かく設定して測定を行ってみたところ、図1に示すように、濾過直後の極めて短い時間において、ルースの式から外れる測定点(凸型のフリクション)を見出したのである。本発明者の解析によれば、濾過工程の進行に伴い、濾過の初期段階で生成された“より柔らかいケーク”から濾液が絞り出されることにより、そのようにルースの式から外れる測定点が生じるものと考えられた。
【0008】
このフリクションを検知するには、濾過開始直後から、小さな時間間隔で濾液量を測定することである。
濾過の効率を向上するためには、濾液を加圧することが好ましい。ここに「加圧」とは、懸濁液に圧力を加えて外方の圧力よりも高くすることを意味しており、その方法は問われない。例えば、重力による加圧、コンプレッサー等の圧縮機による加圧・又は遠心力による加圧などが例示されるが、これに限られない。なお、濾液を吸引することにより、濾過の効率を向上させることもできる。
【0009】
「濾過開始直後」とは、濾過開始からできるだけ短い時間のことを意味している。例えば、上述のようにルース(Ruth)の式では、少なくとも2点のデータがあれば直線が引けることから、多くの時点でのデータを必要としなかったため、従来では、濾過開始直後から濾液量を計測する必要がなかったのである。
【0010】
「直後」とは、濾過開始から10分後、好ましくは5分後、更に好ましくは2分後、更に好ましくは1分後、更に好ましくは30秒後、更に好ましくは10秒後、最も好ましくは1秒後を意味している。
【0011】
「小さな時間間隔」とは、濾過開始直後の短時間における濾液量の変化を測定できる程度に短い間隔のことを意味している。前述のように従来の濾過法では、ルースの式に基づいているために、濾液量の測定間隔は極めて長い(例えば、数分〜十数分間隔)ものであった。このため、本発明者の新規な知見、すなわち濾過開始直後からの極めて短い時間内でのケークの状態(つまり、濾液量の変化)から濾過対象液(懸濁液)の特性を評価できるという知見を見出しようもなかったのである。このため、小さな時間間隔とは、約1ミリ秒〜約数分間の間の任意の間隔、好ましくは約1ミリ秒〜約1分間の間の任意の間隔、更に好ましくは約1ミリ秒〜約30秒の間の任意の間隔、更に好ましくは約1ミリ秒〜約10秒の間の任意の間隔、更に好ましくは約1ミリ秒〜約5秒の間の任意の間隔、最も好ましくは約1ミリ秒〜約2秒の間の任意の間隔に設定する。
【0012】
「濾液量」とは、質量、重量または体積によって、濾液の性質を示す数値のことを意味しているが、これらの数値のうち、濾液の質量を量ることが好ましい。
【0013】
なお、データ(濾過開始後の時間とそのときの濾液量とが一組となったデータ)の解析方法としては、例えば濾過の基本式、ルースの式、本発明者が開発した式(各方法については、後に詳述する。)などを用いることによって行うことができる。しかしながら、本発明の主眼は、特に濾過開始直後から小さな時間間隔で濾液量を測定する点にあり、解析方法によって大きな相違が見られるわけではない。
【0014】
第2の発明は、濾過される懸濁液を貯留する懸濁液貯留空間と濾材とを備えた濾過器と、前記濾材を通過して外部に流出する濾液量を測定する測定機と、この測定機によって測定された測定値を所定の間隔で記録する記録装置とを備えたことを特徴とする成形体の製造装置である。
【0015】
本発明の製造装置では、濾材を通過して流出してきた濾液量を測定し、その測定値を所定の間隔で記録することにより、濾過開始後の時間と濾液量とが一組となったデータを連続的に得ることができる。このデータ組を解析することにより、成形体の充填率などの数値を得て、成形体の構造を数値化することができる。
【0016】
なお、本装置には、さらに懸濁液貯留空間に圧力を加える加圧装置を設けることが好ましい。しかしながら、加圧装置として一般的なコンプレッサーを用いる場合には、少なくとも上記構成の製造装置(すなわち、濾過器と測定機と記録装置)を提供することにより、本発明を実施することが可能となるであろう。
【0017】
また、濾液量を測定する測定機としては、好ましくは濾液の重量を測る重量測定機(秤)を用い、更に好ましくは電子天秤を用いる。特に、小さい時間間隔での測定では、濾液量が少ない場合が多いために、その差を求めることが重要となるためである。
【0018】
更に、濾液の重量を測る場合には、濾液が濾過器から流出する位置(すなわち、濾材の裏面側)と測定機の測定部位(電子天秤の場合には、上皿表面)との間で連続した状態とできることが好ましい。すなわち、濾液が濾過器から流出する際に、液滴となって落ちた後に測定した場合には、その液滴の重量が非連続的に測定されることになる。このため、小さい時間間隔の測定の場合には、断続的に液滴の重量分だけ加わった値が測定されることになり、小さな重量変化を測定できにくいからである。上記の要請を満足させるためには、例えば、濾材の裏面側に濾液が流出する流出用チューブと、前記測定機の測定部位に設けられ液体を溜めることが可能な容器とを設けることができる。そのような容器に予め所定量の液体を溜めておき、流出用チューブの内部に液体を存在させた状態で、流出口を容器中の液体に接触させておく。そうすれば、濾過器中の懸濁液と測定機側の液体とが連続した状態となるので、濾液量の時間変化を連続的に測定することができる。
【0019】
第3の発明は、濾過開始後の時間と濾液量とが一組となった複数組のデータ列を解析して、コンピュータによって、ケークの充填率を求めるプログラムであって、
(1)一つまたは複数のパラメータを備えた所定の理論式において、適当なパラメータ値を初期値として設定した後、前記複数組のデータ列と理論式との間の誤差値を計算するステップ、
(2)前記誤差値が予め設定された許容誤差値以下となるまで、
(i)パラメータ値の適当な変更と、(ii)前記複数組のデータ列と前記理論式との間の誤差値を計算とを繰り返すステップ、
(3)最終的なパラメータ値からケークの充填率を計算するステップ、を備えていることを特徴とする。
【0020】
上記の発明において、所定の理論式とは、例えば、濾過の基本式、ルースの式、本発明者が開発した式(各式については、後に詳述する。)が例示される。
また、(1)のステップの前に、(4)濾過開始後の時間と濾液量とが一組となった複数組のデータ列を取り込むステップを設けることができる。そのようなプログラムでは、データ列の取り込みから、ケークの充填率の計算までが一連の操作で行える。
【0021】
本発明によれば、濾過開始後の時間と濾液量とが一組となった複数組のデータ列からケークの充填率を求めることができる。
また、第3の発明に記載したプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体によっても、上述した課題を解決することができる。
濾過の経過時間と濾過量とのデータ列を処理して、図1、図3、図4及び図5等を描いてアウトプットすることもできる。オペレータは、これらの図の結果を目視判断して、懸濁液の評価をすることもできる。
【0022】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明するが、本発明の技術的範囲は、下記の実施形態によって限定されるものではなく、その要旨を変更することなく、様々に改変して実施することができる。また、本発明の技術的範囲は、均等の範囲にまで及ぶものである。
【0023】
まず、ケークの解析を行うことが可能な各式の理論的考察について、詳細に説明する。
<理論的考察>
1.濾過速度式の導出
いま一般に,厚さ方向に充填率φの分布がある厚さLのケークを考える。このケークに粘度μの流体を圧力P透過させたときの流速をdv/dtとすると,この関係はKozeny-Carman式で表され,またこのケークは,充填率Φで充填率分布のない厚さLのケークにEq.(1)によって置き換えることができる。
【0024】
【式1】

Figure 0004038587
ここで,Svは粒子比表面積,kはKozeny定数である。したがって,濾材抵抗をRfとすると,濾過の基本式は次式となる。
【0025】
【式2】
Figure 0004038587
濾液量νの時点でできているケークの厚さLは,wを濾液1m3あたりの粒子質量とすると,粒子の物質収支より,
【0026】
【式3】
Figure 0004038587
充填率Φの平均は,次式で定義される。
【0027】
【式4】
Figure 0004038587
Eq.(4)をEq.(3)に代入すると,
【0028】
【式5】
Figure 0004038587
ここで,Eq.(5)にw=φ0ρp/(1-φ0)を代入すると次式を得る。ただし,φ0はスラリー初期濃度である。
【0029】
【式6】
Figure 0004038587
となる。これをEq.(2)に代入し,
【式7】
Figure 0004038587
と仮定すると,次の濾過速度式を得る。
【0030】
【式8】
Figure 0004038587
【0031】
dt/dvの増減を調べるため,dt/dvを全微分して整理すると,次式を得る。
【0032】
【式9】
Figure 0004038587
【0033】
ここで,νとΦ(1-Φ)(Φ-φ0)は常に正であるが,2Φ2+(1-φ0)Φ-2φ0は図2に示すように負の値をとり得る。したがってd2t/dν2は{2Φ2+(1-φ0)Φ-2φ0}dΦ/dν<0でかつ次式を満たすとき負となり,dt/dνはνの増加に対して減少する。
【0034】
【式10】
Figure 0004038587
Eq.(9)はdΦ/dν>0でもdΦ/dν<0でも,dt/dνはνの増加に対して減少しうることを示している。
【0035】
2.速度式によるデータの解析
Eq.(7)を用いてνとdt/dνの実験データからΦを計算すると,図3に示すように2つの解が得られる.そこで濾液量νに対してケーク内粒子体積LΦをプロットすると図4となる。スラリー初期高さをL0とすると,常にLΦ≦L0φ0でなければならない。本実験ではL0=20mm,φ0=0.35であるから,常にLΦ≦L0φ0を満足しているのはL2Φ2であることがわかる。またL1Φ1≦L0φ0を満たす領域でも,粒子体積の半減(ケークがスラリーに戻る)が起こり,現実に考えられない結果となっている。
【0036】
正しい値であるΦ2に対しては,図2に示すように常に2Φ2+(1-φ0)Φ-2φ0>0であるので,濾過速度が大きくなるときには,dΦ/dν<0すなわち濾過の進行に伴い平均ケーク充填率は下がることを示している。
【0037】
3.ルース(Ruth)式との比較
次に,ケーク内の濾液量を無視した,
【式11】
Figure 0004038587
とした,Ruth式で考えてみる。Ruth式は次式で与えられる。
【0038】
【式12】
Figure 0004038587
dt/dνを全微分して整理し,次式を得る。
【0039】
【式13】
Figure 0004038587
ここで,空隙率関数Φ(1-Φ)-3および(1+2Φ)/(1-Φ)は,0<Φ<1に対して常に正であるので,d2t/dν2が負になり濾過の進行に伴い濾過速度が増大するためには,dΦ/dν<0すなわち濾過の進行に伴い平均ケーク充填率は下がることを示しており,Eq.(7)から得られた結果と同じ結果となる。
【0040】
Eq.(11) を用いてνとdt/dνの実験データからΦを算出し,図5でEq.(7)から得られた結果と比較した。図から明らかなとおり,傾向は一致しているがΦの値はかなり異なっている。そこでケーク内濾液量と絞り出された濾液量を,図6で比較してみる。図から明らかなとおりケーク内には絞り出された液量の30%以上の濾液が含まれており,Ruth式で仮定されている
【式14】
Figure 0004038587
が成立していないことがわかる。
【0041】
4.結論
ケーク内の濾液量を考慮した濾過速度式を導出し,その速度式により濾過の進行に伴う平均ケーク充填率の変化を算出できることを明らかにした。濾過の進行過程の解析が可能になったことにより,粒子間相互作用がケーク形成機構に及ぼす影響について,議論が可能になった。高濃度スラリーにRuth式を適用すると,平均ケーク充填率は高めに算出されることが明らかとなった。
【0042】
<実験的考察>
1.使用装置、及びプログラム
次に、アルミナスラリーを用いた濾過実験を行った。濾過装置及び解析用プログラムのアルゴリズムを図7〜図10に示した。まず、図7および図8を参照しつつ、成形体の製造装置とコンピュータ10の構成について説明する。
【0043】
製造装置には、懸濁液2を貯留する懸濁液貯留空間1Aを備えた濾過器1と、この濾過器1に設けられる濾材3とが設けられている。また濾過器1の下端部において、濾材3の裏面側には、濾材3を通過して濾過器1の外部に流出する濾液5の流出用チューブ4が設けられている。また、流出用チューブ4の下方には、容器6が設けられており、この容器6は、測定機としての電子天秤7の測定部位7Aの上面に載置されている。
【0044】
濾過の開始に先だって、容器6の内部には予め所定量の液体5が溜められている。更に、流出用チューブ4の内部には、液体5が満たされており、流出口4Aは容器6内の液体5に接触されている。こうしておけば、濾過器1中の懸濁液2と電子天秤7によって重量を測定される液体5とが連続した状態となっているので、濾液量の時間変化を濾過開始時点から連続的に測定することができる。また、流出用チューブ4の流出口4Aは、竹槍状に斜めに切り落とされており、チューブ内への空気の進入を規制すると共に、濾液が速やかに下方の液体5と接触できるようになっている。
【0045】
また、懸濁液貯留空間1Aに圧力を加える加圧装置8が設けられている。加圧装置8はコンプレッサーであり、この加圧装置8と濾過器1とには、加圧用管9が接続されている。
次に、図8を参照しつつ、記録装置としてのコンピュータ10の構成について説明する。コンピュータ10には、ROM及びRAMを備えた中央情報処理装置(CPU)12と、CPU12と外部との間で信号の授受を行うI/Oポート16とが設けられている。また、I/Oポート16を介して接続される周辺機器として、ディスプレイ13、プリンタ14、キーボード及びマウス15が設けられている。更に、所定のプログラム及びデータの読み書きを行うハードディスク17と、プログラム等が書き込まれたCD−ROM18などが設けられている。
【0046】
次に、図9及び図10を参照しつつ、コンピュータ10によって実行可能なプログラムについて説明する。
図9は、電子天秤からのデータを取り込む手順を示すフローチャートである。プログラムをスタートさせたら、まず初期値(データ取り込みを行う所定の時間間隔と、濾過終了時間に関するデータを含むもの)を入力する(S90)。
【0047】
次に、所定の時間間隔が経過したか否かを判定する(S100)。本実施形態では、加圧濾過開始後から極めて短い時間後(例えば、2秒後)から、所定の時間間隔(例えば、5秒間)ごとに、濾過開始後の時間と、その時間における濾液量とを一組としたデータを取り込み始める。所定時間が経過したら、データを取り込み(S110)、濾過終了時間に至ったか否かを判定する(S120)。濾過終了時間に至っていない場合には、ステップ100に戻り、所定の時間毎にデータの取り込み(S110)を行う。また、濾過終了時間に至ったら、プログラムを終了する。
【0048】
次に、図10を参照しつつ、濾過開始後の時間と濾液量とが一組となった複数組のデータ列からケークの充填率を求めるプログラムのフローチャートについて説明する。まず、基礎となる理論式(例えば、ルースの式(Eq.(10))、濾過の基本式(Eq.(2))、或いは、本発明者が開発した式(Eq.(7)、Eq.(2-14)、Eq.(2-142)、Eq.(2-15)など)を設定する(S200)。次に、その理論式に必要となるパラメータ値及び、許容誤差値D0を入力する(S210)。なお、誤差値Dとは、理論式とデータ列との間の誤差を評価する値であり、例えば各データにおける誤差(理論式における値とデータとの差)を二乗して加え合わせたものを用いることができる。また、許容誤差値D0とは、繰り返し計算の繰り返しを終了するために、予め設定する値である。
【0049】
次に、データ列を入力し(S220)、理論式とデータ列との間の誤差値Dを計算する(S230)。ここで、誤差値Dと許容誤差値D0との大小を比較し(S240)、誤差値Dが許容誤差値D0よりも大きいときには、パラメータ値を変更した後に(S250)、ステップ230に戻る。一方、ステップ240において、誤差値Dが許容誤差値D0以下であれば、そのときのパラメータ値を利用してケークの充填率を計算する(S260)。
なお、上記のプログラムは、例えばコンピュータ読み取り可能な記録媒体であるCD−ROMなどに記録させておくことができる。
【0050】
2.実験方法
実験には濃度35vol%(φ0=0.35)のアルミナスラリーを使用した.アルミナ粒子は易焼結アルミナ(住友化学製,AES-11E),分散剤はポリアクリル酸アンモニウム(東亞合成,A-30SL),分散媒は蒸留水を使用し,分散剤の添加量は0.16,0.24,0.36,0.6g/100g-aluminaとした。粒子の体積基準の比表面積は2.39x107m-1、真密度は3.98x103kg・m-3であった。分散剤濃度は希薄であるため,媒液の粘度,密度はそれぞれ10-3Pa・s,103kg・m-3とした。所定の量の試料粉体と分散剤を蒸留水に入れ,ボールミルで1h撹拌し,10min間真空脱泡し20℃に保ってから濾過実験を行った。スラリーの見かけ粘度と分散剤吸着量を,B型粘度計(トキメック製,BL型)と全炭素量分析器(東レエンジニアリング,TOC-650)によりそれぞれ測定した。
【0051】
定圧濾過実験は,内径35mmのアクリル製シリンダーに高さ20mmになるようにスラリーを注入し,圧縮空気を使用して濾過圧力100, 200, 300 kPaで行った。濾材にはセルロース混合エステルタイプのメンブランフィルター(アドバンテック東洋製,A020A047A)を使用した。濾材は焼結金属板の上に置き,変形を防いだ。濾液量は電子天秤により計測し,濾過開始1秒の時点から、所定の時間間隔(1秒毎)でパソコンに取り込んだ。
【0052】
3.実験結果および考察
図11に分散剤吸着量,図12に見かけ粘度の測定結果を示した。
濾過圧力100 kPaと300 kPaの場合のRuthプロットを図13及び図14に示した。両図から明らかなとおり,100 kPaの場合は濾過開始直後に濾過速度が増大するのに対し,300 kPaの場合には濾過直後は濾過速度は遅くなり,しばらくしてから急激に濾過速度が増大する。なお、図に示していないが,200 kPaも同様の傾向を示し,著しい圧力依存性があることがわかる。
【0053】
図15及び図16にケークの平均充填率変化を示した。図15及び図16の結果は図13及び図14の結果に対応しており、100 kPaの場合は濾過初期に極めて緻密なケークが形成され,ケークの成長とともにケーク充填率は下がっていった。それに対して300 kPa の場合は,濾過初期に形成されるケーク密度は100 kPa の場合ほど高くなく,しばらくして密度が増大しその後急激に減少した後,一定に近づいた。
【0054】
図17及び図18にケーク厚さと平均充填率の関係を示した。最終充填率に及ぼす分散剤添加量の影響を見てみると,0.16gでは最終充填率が濾過圧力を上げても変わらないが,それ以上の添加量では濾過圧力に応じて充填率は増大していた。また100kPaでは0.16, 0.14g,300kPaでは0.16, 0.36gではケーク厚さによらず一定の充填率に近づくが,0.60gでは濾過の進行とともに充填率は増大していた。濾過圧力が300kPaで分散剤添加量の場合は,充填率分布を持つ層が薄いが,他の条件ではより厚い層で分布を持っていた。
【0055】
4.考察
ケーク形成機構を論ずるには,データが少なく今後のさらなる実験が必要であるが, ケークが一様な充填率で積層されているのではないことがわかったことは,セラミックスの鋳込み成形プロセスを解析する上で重要である。濾過の初期に充填率が増大したり減少したりする現象の解明は今後の研究に待たれるが,考えなければならない因子は,外力である流体抗力とケークの降伏強度および体積粘性のような圧縮変形速度であると思われる。これらの因子により濾過ケーク形成機構が解明されれば,分散剤添加量などによって変化する粒子間相互作用が濾過ケーク形成機構に及ぼす影響を定量的に可能となり,定圧濾過試験は新たなスラリー評価技術として威力を発揮することが期待される。
【0056】
5.結論
本発明者が新しく導出した濾過速度式が,濾過ケーク形成過程を解析するのに有効であることを実験により確かめ,定圧濾過試験が新たなスラリー評価手法として有効であることを示した。
【0057】
<他の理論式>
上記の解析結果と実験事実より,dt/dνがνの増加に対して減少しうるのは,dΦ/dν<0の場合のみであることがわかった。
しかし,厚さl1で充填率φ1のケークの場合,dt/dνは次式で与えられる。
【0058】
【式15】
Figure 0004038587
このケークの上に新たに厚さl2で充填率φ2(<φ1)ケークが形成すると,
【0059】
【式16】
Figure 0004038587
【0060】
【式17】
Figure 0004038587
したがって,ケークが積層していく限り,dΦ/dν<0は起こり得るが,dt/dνがνの増加に対して減少することはあり得ない。
【0061】
では,なぜ「理論」Eq.(7)から解が得られたのであろうか。
Eq.(7)の前提はケークは積層するのではなく,新たに均質な充填率Φのケークが形成されるとしている。すなわち既に形成されているケークは,Φに膨張するかスラリー化して新たに充填率Φの均質なケークを形成するかである。したがって,Eq.(7)の前提は数式的にはあり得ても,現実にはあり得ない。
そこで、ろ過速度式の基礎式K-Z式から考察する。
【0062】
【式18】
Figure 0004038587
【0063】
上記の基礎式では,ろ液はケークの上部で絞り出され,絞り出されたろ液がケークをdν/dt速度で透過するとしている。この前提がある限り,上述のように,dΦ/dν<0は起こり得るが,dt/dνがνの増加に対して減少することはあり得ない。
しかし,ケークの最下部で絞り出しが起きれば,dt/dνがνの増加に対して減少することはあり得るかもしれない。
【0064】
濃度φ0のスラリーに圧力Pをかけたら,高さl0'のスラリーが充填率φ1で高さl1のケークに一様に収縮した。
【0065】
【式19】
Figure 0004038587
ケーク内の高さlにおけるdν/dtは,
【0066】
【式20】
Figure 0004038587
ケークの圧力損失は、
【0067】
【式21】
Figure 0004038587
【0068】
【式22】
Figure 0004038587
【0069】
次に,高さl1'(<l1)のスラリーが充填率φ2で高さl2のケークに一様に収縮したとすると,
【0070】
【式23】
Figure 0004038587
よって,
【0071】
【式24】
Figure 0004038587
dt/dνがνの増加に対して減少するためには,
【0072】
【式25】
Figure 0004038587
でなければならない。Eq.(2-5)より,
【0073】
【式26】
Figure 0004038587
また、Eq.(2-10)が成立するためには,
【0074】
【式27】
Figure 0004038587
【0075】
【式28】
Figure 0004038587
φ210より
【0076】
【式29】
Figure 0004038587
よって,Eq.(2-13)は成立する。
【0077】
P=100kPaの場合
図20に示すように,ろ過直後から図19に示すモデルでケークの形成が行われるため,LΦの値は減少する。φiとなると,順次φi-1→φ,φi-2→φ,φi-3→φ,…とケーク上部でろ液は絞り出され,LΦの値は増大しdt/dνは増大に転ずる。
【0078】
P=300kPaの場合
φ0より少し大きな充填率のケークが成長しLΦは増大する。あるところで図19に示す挙動が一気に起こり,図21のL2Φ2のラインまでLΦは減少し,その後上部にケークが形成される。
【0079】
計算手順
P=100kPaの場合
Eq.(2-9)を Eq.(2-5)を使って書き換えると,
【0080】
【式30】
Figure 0004038587
で,実験より
【0081】
【式31】
Figure 0004038587
となる。これをEq.(2-14)に代入すると、
【0082】
【式32】
Figure 0004038587
となる。したがってφ123,…とl1,l2,l3,…を順次決定できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 高濃度スラリーの定圧濾過において、濾過のごく初期段階に濾液量の増加と共に濾過速度が増加する現象を示すグラフである。
【図2】 ケークの充填率と2Φ2+(1-φ0)Φ-2φ0の値との関係を示すグラフである。
【図3】 濾液量とケークの充填率との関係を示すグラフである。
【図4】 濾液量とケーク内粒子体積との関係を示すグラフである。
【図5】 濾液量とケークの充填率との関係を示すグラフであり、ルース式と本発明者が開発した式との比較を示すものである。
【図6】 濾液量とケーク内濾液量との関係を示すグラフである。
【図7】 本実施形態の濾過装置とコンピュータとを示す図である。
【図8】 コンピュータの構成図である。
【図9】 濾過液量を取り込むときのプログラムの流れ図である。
【図10】 ケークの充填率を計算するプログラムの流れ図である。
【図11】 分散剤と吸着量との関係を示すグラフである。
【図12】 分散剤と見かけ粘度との関係を示すグラフである。
【図13】 濾過圧力100kPaにおけるルースプロットを示すグラフである。
【図14】 濾過圧力300kPaにおけるルースプロットを示すグラフである。
【図15】 濾過圧力100kPaにおける濾液量とケークの充填率との関係を示すグラフである。
【図16】 濾過圧力300kPaにおける濾液量とケークの充填率との関係を示すグラフである。
【図17】 濾過圧力100kPaにおけるケークの充填率と厚さとの関係を示すグラフである。
【図18】 濾過圧力300kPaにおけるケークの充填率と厚さとの関係を示すグラフである。
【図19】 ケーク形成の様子を示すモデル図である。
【図20】 濾過圧力100kPaにおける濾液量とケーク内粒子体積との関係を示すグラフである。
【図21】 濾過圧力300kPaにおける濾液量とケーク内粒子体積との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1…濾過器
1A…懸濁液貯留空間
2…懸濁液
3…濾材
4…流出用チューブ
4A…流出開口
5…濾液
7…電子天秤(測定機)
8…加圧装置
10…コンピュータ(記録装置)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a suspension evaluation method, a program for executing the method, and an evaluation apparatus thereof.
[0002]
[Prior art]
Generally, it is known to filter a liquid in which insoluble particles are suspended using a filter medium. This filtration process is used in many industries, such as casting molding, fine ceramic molding, coating film, sludge wrinkles, and the like.
[0003]
In the filtration process, trial and error, so-called craftsmanship, occupies a large weight. This is because the dynamic change of the suspension cannot be grasped during the filtration process. Relying on the operator's intuition in this way is not preferable because it increases the efficiency of filtration.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and its purpose is to propose a theory in the process of filtration and to provide a method for evaluating a suspension to be filtered based on the theory. With the goal.
[0005]
[Means for solving the problems, operation of the invention, and effect of the invention]
As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventor has found that the relationship between the filtrate and the filtration time immediately after the start of filtration has a great influence on the properties of the cake. It came to complete.
[0006]
The present inventor has been diligently examining the filtration process, and has obtained the following knowledge. That is, according to the Ruth equation, which is a general filtration analysis method, the amount of filtrate (v) and the inverse of the flow rate of the filtrate (dt / dv) are directly proportional to each other. It will be close. According to this Ruth equation, it is sufficient if at least the filtration start point and the final point are known. Conventionally, in addition to these two time points, intermediate two or three time points are added to obtain a straight line on the graph. Was estimating the necessary parameters.
[0007]
However, the present inventor tried to set the filtrate and the filtration time immediately after pressurization in order to perform a more detailed analysis of the filtration process, and as shown in FIG. In a very short time immediately after that, he found a measurement point (convex friction) that deviates from the loose equation. According to the analysis of the present inventor, as the filtration process progresses, the filtrate is squeezed out from the “softer cake” generated in the initial stage of filtration, so that a measurement point deviating from the loose equation is generated. It was considered a thing.
[0008]
In order to detect this friction, the amount of filtrate is measured at small time intervals immediately after the start of filtration.
In order to improve the efficiency of filtration, it is preferable to pressurize the filtrate. Here, “pressurization” means applying pressure to the suspension to make it higher than the external pressure, and the method is not limited. Examples include pressurization by gravity, pressurization by a compressor such as a compressor, and pressurization by centrifugal force, but are not limited thereto. The filtration efficiency can also be improved by sucking the filtrate.
[0009]
“Immediately after the start of filtration” means the shortest possible time from the start of filtration. For example, in the Ruth equation, as described above, a straight line can be drawn if there are at least two points of data, so data at many points in time has not been required. There was no need to measure.
[0010]
“Immediately after” means 10 minutes after the start of filtration, preferably 5 minutes, more preferably 2 minutes, more preferably 1 minute, more preferably 30 seconds, more preferably 10 seconds, most preferably It means one second later.
[0011]
“Small time interval” means an interval that is short enough to measure a change in the amount of filtrate in a short time immediately after the start of filtration. As described above, in the conventional filtration method, the measurement interval of the filtrate amount is extremely long (for example, an interval of several minutes to several tens of minutes) because it is based on the Ruth equation. For this reason, the novel knowledge of the present inventors, that is, the knowledge that the characteristics of the liquid to be filtered (suspension) can be evaluated from the state of the cake (that is, the change in the filtrate amount) within a very short time immediately after the start of filtration. I couldn't find a headline. For this reason, a small time interval is any interval between about 1 millisecond and about several minutes, preferably any interval between about 1 millisecond and about 1 minute, more preferably about 1 millisecond to about 1 minute. Any interval between 30 seconds, more preferably any interval between about 1 millisecond and about 10 seconds, more preferably any interval between about 1 millisecond and about 5 seconds, most preferably about 1 Set to any interval between milliseconds and about 2 seconds.
[0012]
The “filtrate amount” means a numerical value indicating the properties of the filtrate by mass, weight or volume, and among these numerical values, it is preferable to measure the mass of the filtrate.
[0013]
In addition, as an analysis method of data (a data obtained by combining a time after the start of filtration and a filtrate amount at that time), for example, a basic expression of filtration, a loose expression, an expression developed by the present inventor (each method) This will be described later in detail). However, the main point of the present invention is that the amount of filtrate is measured at a small time interval immediately after the start of filtration, and there is no great difference depending on the analysis method.
[0014]
A second invention includes a filter having a suspension storage space for storing a suspension to be filtered and a filter medium, a measuring instrument for measuring the amount of filtrate passing through the filter medium and flowing outside, An apparatus for manufacturing a molded body, comprising: a recording device that records measurement values measured by a measuring machine at predetermined intervals.
[0015]
In the production apparatus of the present invention, the amount of filtrate that has flowed out after passing through the filter medium is measured, and the measured values are recorded at predetermined intervals, so that the time after the start of filtration and the amount of filtrate are a set of data. Can be obtained continuously. By analyzing this data set, it is possible to obtain numerical values such as the filling rate of the molded body and to quantify the structure of the molded body.
[0016]
In addition, it is preferable to provide the pressurization apparatus which applies a pressure to suspension storage space in this apparatus further. However, when a general compressor is used as a pressurizing device, the present invention can be implemented by providing at least a manufacturing device (that is, a filter, a measuring machine, and a recording device) having the above-described configuration. Will.
[0017]
Moreover, as a measuring machine which measures the amount of filtrate, Preferably the weight measuring machine (balance) which measures the weight of a filtrate is used, More preferably, an electronic balance is used. In particular, in the measurement at a small time interval, since the amount of filtrate is often small, it is important to obtain the difference.
[0018]
Furthermore, when measuring the weight of the filtrate, it is continuous between the position where the filtrate flows out from the filter (that is, the back side of the filter medium) and the measurement site of the measuring instrument (in the case of an electronic balance, the top plate surface). It is preferable that it can be made into the state. That is, when the filtrate flows out from the filter and is measured after falling as a droplet, the weight of the droplet is measured discontinuously. For this reason, in the case of measurement at a small time interval, a value added intermittently by the weight of the droplet is measured, and it is difficult to measure a small change in weight. In order to satisfy the above requirements, for example, an outflow tube through which the filtrate flows out to the back surface side of the filter medium and a container that can be stored in the measurement site of the measuring machine can be provided. A predetermined amount of liquid is stored in advance in such a container, and the outlet is brought into contact with the liquid in the container while the liquid is present inside the outflow tube. Then, since the suspension in the filter and the liquid on the measuring device side are in a continuous state, the time change of the filtrate amount can be continuously measured.
[0019]
The third invention is a program for analyzing a plurality of sets of data strings in which the time after the start of filtration and the amount of filtrate are one set, and obtaining a cake filling rate by a computer,
(1) calculating an error value between the plurality of sets of data strings and the theoretical formula after setting an appropriate parameter value as an initial value in a predetermined theoretical formula having one or a plurality of parameters;
(2) Until the error value is equal to or less than a preset allowable error value,
(I) appropriately changing the parameter value; and (ii) calculating an error value between the plurality of sets of data strings and the theoretical formula;
(3) A step of calculating a filling rate of the cake from the final parameter value is provided.
[0020]
In the above invention, examples of the predetermined theoretical formula include a basic formula for filtration, a loose formula, and a formula developed by the present inventor (each formula will be described in detail later).
Further, before the step (1), (4) a step of fetching a plurality of sets of data strings in which the time after the start of filtration and the amount of the filtrate become one set can be provided. In such a program, a series of operations can be performed from taking in the data string to calculating the cake filling rate.
[0021]
According to the present invention, the cake filling rate can be obtained from a plurality of sets of data strings in which the time after the start of filtration and the amount of filtrate are a set.
The above-described problem can also be solved by a computer-readable recording medium that records the program described in the third invention.
It is also possible to process the data sequence of the elapsed time of filtration and the amount of filtration and output it by drawing FIG. 1, FIG. 3, FIG. 4, FIG. The operator can also evaluate the suspension by visually judging the results of these figures.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited by the following embodiments, and various changes can be made without changing the gist thereof. It can be carried out with modification. Further, the technical scope of the present invention extends to an equivalent range.
[0023]
First, the theoretical consideration of each equation capable of performing cake analysis will be described in detail.
<Theoretical considerations>
1. Derivation of filtration rate formula
In general, a cake having a thickness L having a distribution of the filling factor φ in the thickness direction is considered. If the flow rate when a fluid of viscosity μ is passed through this cake with pressure P is dv / dt, this relationship is expressed by the Kozeny-Carman equation, and this cake has a thickness with a filling rate Φ and no filling rate distribution. Lq cake can be replaced by Eq. (1).
[0024]
[Formula 1]
Figure 0004038587
Where S v Is the particle specific surface area, and k is the Kozeny constant. Therefore, filter media resistance is R f Then, the basic equation for filtration is
[0025]
[Formula 2]
Figure 0004038587
The thickness L of the cake made at the time point of the filtrate amount ν is the w of 1m of filtrate. Three Per particle mass, from the mass balance of particles,
[0026]
[Formula 3]
Figure 0004038587
The average of the filling rate Φ is defined by the following equation.
[0027]
[Formula 4]
Figure 0004038587
Substituting Eq. (4) into Eq. (3),
[0028]
[Formula 5]
Figure 0004038587
Here, Eq. (5) includes w = φ 0 ρ p / (1-φ 0 Substituting), we get However, φ 0 Is the initial slurry concentration.
[0029]
[Formula 6]
Figure 0004038587
It becomes. Substituting this into Eq. (2),
[Formula 7]
Figure 0004038587
Assuming that, the following filtration rate equation is obtained.
[0030]
[Formula 8]
Figure 0004038587
[0031]
In order to investigate the increase / decrease in dt / dv, the following equation is obtained when dt / dv is fully differentiated and arranged.
[0032]
[Formula 9]
Figure 0004038587
[0033]
Where ν and Φ (1-Φ) (Φ-φ 0 ) Is always positive, but 2Φ 2 + (1-φ 0 ) Φ-2φ 0 Can take a negative value as shown in FIG. Therefore d 2 t / dν 2 Is {2Φ 2 + (1-φ 0 ) Φ-2φ 0 } It becomes negative when dΦ / dν <0 and the following equation is satisfied, and dt / dν decreases with increasing ν.
[0034]
[Formula 10]
Figure 0004038587
Eq. (9) shows that dt / dν can decrease with increasing ν regardless of dΦ / dν> 0 or dΦ / dν <0.
[0035]
2. Analyzing data using velocity equations
Using Eq. (7) to calculate Φ from experimental data of ν and dt / dν, two solutions are obtained as shown in Fig. 3. Therefore, FIG. 4 is a plot of the particle volume LΦ in the cake against the filtrate amount ν. Slurry initial height L 0 Then LΦ ≦ L 0 φ 0 Must. In this experiment, L 0 = 20mm, φ 0 = 0.35, so LΦ ≦ L 0 φ 0 L is satisfied 2 Φ 2 It can be seen that it is. L 1 Φ 1 ≦ L 0 φ 0 Even in the region that satisfies the conditions, the particle volume is halved (the cake returns to the slurry), which is an unthinkable result.
[0036]
Φ is the correct value 2 Is always 2Φ as shown in Fig. 2. 2 + (1-φ 0 ) Φ-2φ 0 > 0, so when the filtration rate increases, dΦ / dν <0, that is, the average cake filling rate decreases with the progress of filtration.
[0037]
3. Comparison with Ruth formula
Next, the amount of filtrate in the cake was ignored.
[Formula 11]
Figure 0004038587
Consider the Ruth formula. The Ruth equation is given by
[0038]
[Formula 12]
Figure 0004038587
dt / dν is fully differentiated and arranged to obtain the following equation.
[0039]
[Formula 13]
Figure 0004038587
Where porosity function Φ (1-Φ) -3 And (1 + 2Φ) / (1-Φ) is 0 <Φ D is always positive for <1 2 t / dν 2 In order for the filtration rate to increase as filtration proceeds and dΦ / dν <0, that is, the average cake filling rate decreases with the progress of filtration, which is the same as the result obtained from Eq. (7).
[0040]
Using Eq. (11), Φ was calculated from the experimental data of ν and dt / dν, and compared with the result obtained from Eq. (7) in FIG. As is clear from the figure, the trends are consistent, but the values of Φ are quite different. Therefore, the amount of filtrate in the cake and the amount of filtrate squeezed out are compared in FIG. As is clear from the figure, the cake contains more than 30% of the squeezed liquid, which is assumed by the Ruth equation.
[Formula 14]
Figure 0004038587
It can be seen that is not established.
[0041]
4). Conclusion
It was clarified that the change rate of the average cake filling rate with the progress of filtration can be calculated by deriving the filtration rate equation considering the amount of filtrate in the cake. It became possible to discuss the influence of interparticle interactions on the cake formation mechanism by enabling analysis of the process of filtration. When the Ruth equation was applied to high-concentration slurry, it was found that the average cake filling rate was calculated higher.
[0042]
<Experimental considerations>
1. Device used and program
Next, a filtration experiment using an alumina slurry was performed. The filtering device and the analysis program algorithm are shown in FIGS. First, the structure of the molded body manufacturing apparatus and the computer 10 will be described with reference to FIGS.
[0043]
The manufacturing apparatus is provided with a filter 1 having a suspension storage space 1 </ b> A for storing the suspension 2, and a filter medium 3 provided in the filter 1. At the lower end of the filter 1, an outflow tube 4 for the filtrate 5 that passes through the filter medium 3 and flows out of the filter 1 is provided on the back side of the filter medium 3. A container 6 is provided below the outflow tube 4, and this container 6 is placed on the upper surface of a measurement site 7A of an electronic balance 7 as a measuring machine.
[0044]
Prior to the start of filtration, a predetermined amount of liquid 5 is stored in the container 6 in advance. Further, the inside of the outflow tube 4 is filled with the liquid 5, and the outlet 4 </ b> A is in contact with the liquid 5 in the container 6. In this way, since the suspension 2 in the filter 1 and the liquid 5 whose weight is measured by the electronic balance 7 are in a continuous state, the time change of the filtrate amount is continuously measured from the start of filtration. can do. Further, the outlet 4A of the outflow tube 4 is cut off obliquely in a bamboo basket shape so as to restrict the ingress of air into the tube and the filtrate can quickly come into contact with the lower liquid 5. .
[0045]
Further, a pressurizing device 8 that applies pressure to the suspension storage space 1A is provided. The pressurizing device 8 is a compressor, and a pressurizing tube 9 is connected to the pressurizing device 8 and the filter 1.
Next, the configuration of the computer 10 as a recording apparatus will be described with reference to FIG. The computer 10 is provided with a central information processing device (CPU) 12 having a ROM and a RAM, and an I / O port 16 for exchanging signals between the CPU 12 and the outside. Further, a display 13, a printer 14, a keyboard and a mouse 15 are provided as peripheral devices connected via the I / O port 16. Further, a hard disk 17 for reading and writing predetermined programs and data, a CD-ROM 18 on which programs and the like are written, and the like are provided.
[0046]
Next, programs that can be executed by the computer 10 will be described with reference to FIGS. 9 and 10.
FIG. 9 is a flowchart showing a procedure for fetching data from the electronic balance. When the program is started, first, initial values (including a predetermined time interval for taking in data and data relating to the filtration end time) are input (S90).
[0047]
Next, it is determined whether a predetermined time interval has passed (S100). In this embodiment, after a very short time (for example, 2 seconds) after the start of pressure filtration, the time after the start of filtration, and the amount of filtrate at that time, every predetermined time interval (for example, 5 seconds). Start importing a set of data. When the predetermined time has elapsed, data is fetched (S110), and it is determined whether or not the filtration end time has been reached (S120). If the filtration end time has not been reached, the process returns to step 100, and data is taken in every predetermined time (S110). When the end time of filtration is reached, the program is terminated.
[0048]
Next, a flowchart of a program for obtaining the cake filling rate from a plurality of sets of data strings in which the time after the start of filtration and the amount of filtrate become one set will be described with reference to FIG. First, the basic theoretical formula (for example, the loose formula (Eq. (10)), the basic formula for filtration (Eq. (2)), or the formula developed by the present inventors (Eq. (7), Eq (2-14), Eq. (2-142), Eq. (2-15), etc.) (S200) Next, the parameter value and the allowable error value D0 required for the theoretical equation are set. (S210) The error value D is a value for evaluating the error between the theoretical formula and the data string, and for example, the error in each data (the difference between the value in the theoretical formula and the data) is squared. In addition, the allowable error value D0 is a value set in advance in order to end the repeated calculation.
[0049]
Next, a data string is input (S220), and an error value D between the theoretical formula and the data string is calculated (S230). Here, the difference between the error value D and the allowable error value D0 is compared (S240). If the error value D is larger than the allowable error value D0, the parameter value is changed (S250), and the process returns to step 230. On the other hand, if the error value D is equal to or smaller than the allowable error value D0 in step 240, the cake filling rate is calculated using the parameter value at that time (S260).
The above program can be recorded on a CD-ROM, which is a computer-readable recording medium, for example.
[0050]
2. experimental method
In the experiment, a concentration of 35 vol% (φ 0 = 0.35) alumina slurry was used. Alumina particles are easily sintered alumina (Sumitomo Chemical Co., AES-11E), the dispersant is ammonium polyacrylate (Toagosei, A-30SL), the dispersion medium is distilled water, and the amount of dispersant added is 0.16. 0.24, 0.36, 0.6 g / 100 g-alumina. The specific volume surface area of the particles is 2.39x10 7 m -1 True density is 3.98x10 Three kg ・ m -3 Met. Since the dispersant concentration is dilute, the viscosity and density of the liquid medium are 10 -3 Pa · s, 10 Three kg ・ m -3 It was. A predetermined amount of the sample powder and dispersant were placed in distilled water, stirred for 1 h with a ball mill, vacuum degassed for 10 min and kept at 20 ° C, and then a filtration experiment was conducted. The apparent viscosity and the amount of dispersant adsorbed on the slurry were measured with a B-type viscometer (manufactured by Tokimec, BL type) and a total carbon analyzer (Toray Engineering, TOC-650).
[0051]
The constant pressure filtration experiment was performed at a filtration pressure of 100, 200, and 300 kPa using compressed air by injecting slurry into an acrylic cylinder with an inner diameter of 35 mm to a height of 20 mm. A cellulose mixed ester type membrane filter (manufactured by Advantech Toyo, A020A047A) was used as the filter medium. The filter medium was placed on a sintered metal plate to prevent deformation. The amount of filtrate was measured with an electronic balance, and was taken into a personal computer at predetermined time intervals (every 1 second) from the point of 1 second after the start of filtration.
[0052]
3. Experimental results and discussion
FIG. 11 shows the results of measuring the dispersant adsorption amount, and FIG. 12 shows the apparent viscosity.
Ruth plots at filtration pressures of 100 kPa and 300 kPa are shown in FIGS. As is clear from both figures, the filtration rate increases immediately after the start of filtration at 100 kPa, whereas the filtration rate decreases immediately after filtration at 300 kPa, and increases rapidly after a while. To do. Although not shown in the figure, it can be seen that 200 kPa shows the same tendency and has a significant pressure dependence.
[0053]
15 and 16 show changes in the average filling rate of the cake. The results of FIGS. 15 and 16 correspond to the results of FIGS. 13 and 14. In the case of 100 kPa, a very dense cake was formed at the initial stage of filtration, and the cake filling rate decreased with the growth of the cake. On the other hand, at 300 kPa, the cake density formed at the beginning of filtration was not as high as at 100 kPa, and after a while the density increased and then decreased rapidly and then approached a constant level.
[0054]
17 and 18 show the relationship between the cake thickness and the average filling rate. Looking at the effect of the dispersant addition amount on the final filling rate, the final filling rate does not change even when the filtration pressure is increased at 0.16 g, but at higher addition amounts, the filling rate increases with the filtration pressure. It was. In 100kPa, 0.16, 0.14g and 300kPa, 0.16, 0.36g approached a constant filling rate regardless of the cake thickness, but at 0.60g, the filling rate increased with the progress of filtration. When the filtration pressure was 300 kPa and the dispersant was added, the layer with the filling rate distribution was thin, but under other conditions, the thicker layer had the distribution.
[0055]
4). Consideration
Discussing the mechanism of cake formation requires less data and further experiments in the future. However, the fact that the cake is not laminated at a uniform filling rate is an analysis of the ceramic casting process. It is important to do. Elucidation of the phenomenon in which the filling rate increases or decreases in the early stages of filtration is awaited for further research, but factors that must be considered are compression forces such as external forces such as fluid drag, cake yield strength, and volume viscosity. It seems to be deformation speed. If the formation mechanism of the filter cake is elucidated by these factors, it will be possible to quantitatively determine the effect of the interaction between particles, which varies depending on the amount of dispersant added, on the formation mechanism of the filter cake. The constant pressure filtration test is a new slurry evaluation technology. It is expected to demonstrate its power as.
[0056]
5. Conclusion
The present inventors have confirmed by experiment that the newly derived filtration rate equation is effective for analyzing the filtration cake formation process, and showed that the constant pressure filtration test is effective as a new slurry evaluation method.
[0057]
<Other theoretical formulas>
From the above analysis results and experimental facts, the fact that dt / dν can decrease with increasing ν is dΦ / dν It turns out that it is only when <0.
But thickness l 1 Fill rate φ 1 In this case, dt / dν is given by
[0058]
[Formula 15]
Figure 0004038587
New thickness on top of this cake 2 Fill rate φ 2 ( <φ 1 When the cake is formed,
[0059]
[Formula 16]
Figure 0004038587
[0060]
[Formula 17]
Figure 0004038587
Therefore, as long as the cakes are stacked, dΦ / dν <0 can occur, but dt / dν cannot decrease with increasing ν.
[0061]
Then why was the solution obtained from "theory" Eq. (7)?
The premise of Eq. (7) is that the cake is not laminated, but a new cake with a uniform filling rate Φ is formed. That is, the cake that has already been formed is expanded to Φ or slurried to newly form a homogeneous cake having a filling rate Φ. Therefore, the assumption of Eq. (7) is mathematically possible but not in reality.
Therefore, we will consider the basic formula KZ formula for filtration rate.
[0062]
[Formula 18]
Figure 0004038587
[0063]
In the above basic equation, the filtrate is squeezed out at the top of the cake, and the squeezed filtrate permeates the cake at the dν / dt rate. As long as this assumption is made, as described above, dΦ / dν <0 can occur, but dt / dν cannot decrease with increasing ν.
However, if squeezing occurs at the bottom of the cake, dt / dν may decrease with increasing ν.
[0064]
Concentration φ 0 When pressure P is applied to the slurry, the height l 0 'Slurry fill factor φ 1 At height l 1 Shrink uniformly into the cake.
[0065]
[Formula 19]
Figure 0004038587
Dν / dt at height l in the cake is
[0066]
[Formula 20]
Figure 0004038587
Cake pressure loss is
[0067]
[Formula 21]
Figure 0004038587
[0068]
[Formula 22]
Figure 0004038587
[0069]
Next, the height l 1 '( <l 1 ) Slurry is filling rate φ 2 At height l 2 If the cake shrinks uniformly to
[0070]
[Formula 23]
Figure 0004038587
Therefore,
[0071]
[Formula 24]
Figure 0004038587
In order for dt / dν to decrease with increasing ν,
[0072]
[Formula 25]
Figure 0004038587
Must. From Eq. (2-5)
[0073]
[Formula 26]
Figure 0004038587
For Eq. (2-10) to hold,
[0074]
[Formula 27]
Figure 0004038587
[0075]
[Formula 28]
Figure 0004038587
φ 2 > φ 1 > φ 0 Than
[0076]
[Formula 29]
Figure 0004038587
Therefore, Eq. (2-13) holds.
[0077]
When P = 100kPa
As shown in FIG. 20, the cake is formed with the model shown in FIG. φ i = φ Then, φ i-1 → φ , Φ i-2 → φ , Φ i-3 → φ The filtrate is squeezed out at the top of the cake, the value of LΦ increases and dt / dν starts to increase.
[0078]
When P = 300kPa
φ 0 A cake with a slightly higher filling rate grows and LΦ increases. At a certain point, the behavior shown in FIG. 2 Φ 2 LΦ decreases to the line, and then a cake is formed at the top.
[0079]
Calculation procedure
When P = 100kPa
If Eq. (2-9) is rewritten using Eq. (2-5),
[0080]
[Formula 30]
Figure 0004038587
From the experiment
[0081]
[Formula 31]
Figure 0004038587
It becomes. Substituting this into Eq. (2-14),
[0082]
[Formula 32]
Figure 0004038587
It becomes. Therefore φ 1 , φ 2 , φ Three , ... and l 1 , l 2 , l Three , ... can be determined sequentially.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing a phenomenon in which filtration rate increases with increase in the amount of filtrate at the very initial stage of filtration in constant pressure filtration of a high concentration slurry.
[Figure 2] Cake filling rate and 2Φ 2 + (1-φ 0 ) Φ-2φ 0 It is a graph which shows the relationship with the value of.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the filtrate amount and the cake filling rate.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the filtrate amount and the particle volume in the cake.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the filtrate amount and the cake filling rate, and shows a comparison between the loose equation and the equation developed by the present inventors.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the amount of filtrate and the amount of filtrate in the cake.
FIG. 7 is a diagram illustrating a filtration device and a computer according to the present embodiment.
FIG. 8 is a configuration diagram of a computer.
FIG. 9 is a flowchart of a program for taking in a filtrate amount.
FIG. 10 is a flowchart of a program for calculating a cake filling rate.
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the dispersant and the amount of adsorption.
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the dispersant and the apparent viscosity.
FIG. 13 is a graph showing a loose plot at a filtration pressure of 100 kPa.
FIG. 14 is a graph showing a loose plot at a filtration pressure of 300 kPa.
FIG. 15 is a graph showing the relationship between the filtrate amount and the cake filling rate at a filtration pressure of 100 kPa.
FIG. 16 is a graph showing the relationship between the filtrate amount and the cake filling rate at a filtration pressure of 300 kPa.
FIG. 17 is a graph showing the relationship between cake filling rate and thickness at a filtration pressure of 100 kPa.
FIG. 18 is a graph showing the relationship between cake filling rate and thickness at a filtration pressure of 300 kPa.
FIG. 19 is a model diagram showing a state of cake formation.
FIG. 20 is a graph showing the relationship between the amount of filtrate and the volume of particles in the cake at a filtration pressure of 100 kPa.
FIG. 21 is a graph showing the relationship between the filtrate amount and the particle volume in the cake at a filtration pressure of 300 kPa.
[Explanation of symbols]
1 ... Filter
1A: Suspension storage space
2 ... Suspension
3 Filter media
4 ... Outflow tube
4A ... Outflow opening
5 ... Filtrate
7 ... Electronic balance (measuring machine)
8 ... Pressure device
10. Computer (recording device)

Claims (1)

濾過される懸濁液を貯留する懸濁液貯留空間と濾材とを備えた濾過器と、前記濾材を通過して外部に流出する濾液量を測定する測定機である電子天秤と、この測定機によって測定された測定値を所定の間隔で記録する記録装置と、前記懸濁液貯留空間を加圧する加圧装置と、を備えた懸濁液の評価装置であって、前記濾材の裏面側には濾液が流出する流出用チューブが設けられており、前記測定機の測定部位に設けられた容器内に予め溜められた液体に前記流出用チューブの先端を接触させられることを特徴とする懸濁液の評価装置。A filter having a suspension storage space for storing a suspension to be filtered and a filter medium , an electronic balance that is a measuring machine for measuring the amount of filtrate that passes through the filter medium and flows out to the outside, and the measuring machine A suspension evaluation device comprising: a recording device that records measurement values measured at a predetermined interval; and a pressurization device that pressurizes the suspension storage space, wherein the suspension evaluation device includes: The suspension is characterized in that an outflow tube through which the filtrate flows out is provided, and the tip of the outflow tube is brought into contact with a liquid stored in advance in a container provided at a measurement site of the measuring machine. Liquid evaluation device.
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