環(huán)境工程 第九章 過濾(極力推薦)幻燈片.ppt

,第九章過濾,第一節(jié)過濾操作的基本概念,一、過濾過程混合物的分離：液體和氣體混合物什么現(xiàn)象屬于過濾？混合物中的流體在推動力（重力、壓力、離心力）的作用下通過過濾介質(zhì)，固體粒子被截留，而流體通過過濾介質(zhì)，從而實現(xiàn)流體與顆粒物的分離。液固分離，氣固分離如砂濾池、袋式除塵器、口罩過濾分離的對象？粗大顆粒、細(xì)微離子、細(xì)菌、病毒和高分子物質(zhì)等,二、過濾介質(zhì)粒狀顆粒：具有一定形狀的固體顆粒，包括天然的和人工合成的。天然：石英砂、無煙煤、磁鐵礦粒等人工：聚苯乙烯發(fā)泡塑料球等。粒狀顆粒過濾介質(zhì)在水處理中的各類濾池中應(yīng)用廣泛，通常稱為濾料。,織物介質(zhì)：又稱濾布，如棉、麻、絲、毛、合成纖維、金屬絲等編制成的濾布。多孔固體介質(zhì)：如素?zé)沾砂寤蚬?、燒結(jié)金屬板或管等。多孔膜：由高分子有機(jī)材料或無機(jī)材料制成的薄膜，根據(jù)分離孔徑的大小，可分為微濾、超濾等。,三、過濾分類1.按過濾機(jī)理分：有表面過濾和深層過濾2.按促使流體流動的推動力分：重力過濾：在水位差的作用下被過濾的混合液通過過濾介質(zhì)進(jìn)行過濾，如水處理中的快濾池。真空過濾：在真空下進(jìn)行過濾，如水處理中的真空過濾機(jī)。壓力差過濾：在加壓條件下進(jìn)行過濾，如水處理中的壓濾濾池。離心過濾：使被分離的混合液旋轉(zhuǎn)，在所產(chǎn)生的慣性離心力的作用下，使流體通過周邊的濾餅和過濾介質(zhì)，從而實現(xiàn)與顆粒物的分離。,第二節(jié)表面過濾的基本理論,一、表面過濾過程,表面過濾通常發(fā)生在過濾流體中顆粒物濃度較高的情況。給水處理：慢濾池污泥脫水：使用的各類脫水機(jī)（如真空過濾機(jī)、板框式壓濾機(jī)等）,多孔性介質(zhì),慢濾池,帶式脫水機(jī),水,二、過濾基本方程主要特征：隨著過濾過程的進(jìn)行，懸浮液中的固體顆粒被截留在過濾介質(zhì)表面并逐漸積累成濾餅層。濾餅層厚度：隨過濾時間的增長而增厚，其增加速率與過濾所得的濾液的量成正比。過濾速度：由于濾餅層厚度的增加，因此在過濾過程中是變化的。,過濾速度是描述過濾過程的關(guān)鍵！,過濾過程的主要參數(shù)：處理量：處理的懸浮液流量或分離得到的純凈濾液量V(m3).過濾推動力：由流體位差、壓差或離心力場造成的過濾壓差p。過濾面積：表示過濾設(shè)備的大小A(m2)。過濾速度：單位時間通過單位面積的濾液量過濾速率：單位時間得到的濾液量。,某一過濾時間t時的過濾狀態(tài),相應(yīng)的過濾濾液為V,過濾速度u定義為：,dt微分過濾時間,sdVdt時間內(nèi)通過過濾面的濾液量,m3A過濾面積,m2,（表觀）,過濾速度與推動力之間的關(guān)系可用下式（Darcy定律）表示：,Rm：過濾介質(zhì)過濾阻力,1/mRc：濾餅層過濾阻力,1/m,假設(shè)rm，r分別為過濾介質(zhì)和濾餅層的過濾比阻,1/m2Rm=rmLm；Rc=rL,(9.2-2),(9.2-4)Ruth過濾方程,r：與過濾介質(zhì)上形成的濾餅層的孔隙結(jié)構(gòu)特性有關(guān)L：與濾液量有關(guān)，在過濾過程中是變化的。,假設(shè)每過濾1m3濾液得濾餅c（m3）,V：濾液體積(m3),濾餅層的比阻r有兩種情況：不可壓縮濾餅：濾餅層的顆粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在壓力的作用下不變形，r與p無關(guān)可壓縮濾餅：在壓力的作用下容易發(fā)生變形,r0：單位壓差下濾餅的比阻，m-2Pa-1；s：濾餅的壓縮指數(shù)，對于可壓縮濾餅，s=0.20.8，對于不可壓縮濾餅，s=0,經(jīng)驗式：,將比阻計算式代入式（9-2-9），得：,假設(shè),則：,K？過濾常數(shù)：與濾餅的顆粒性質(zhì)、懸浮液濃度、濾液粘度以及濾餅的可壓縮性有關(guān)。qe：過濾介質(zhì)特性參數(shù),(9.2-12),三、過濾過程的計算確定濾液量與過濾時間和過濾壓差等之間的關(guān)系。,（一）恒壓過濾在過濾過程中，過濾壓差自始自終保持恒定。對于指定的懸浮液，K為常數(shù)。對式(9.2-12)或式(9.2-13)進(jìn)行積分：,若過濾介質(zhì)阻力可忽略不計，則簡化為：,如果恒壓過濾是在濾液量已達(dá)到V1，即濾餅層厚度已累計到L1的條件下開始時，應(yīng)如何計算？,K可通過實驗測定。,積分時：時間從0t，濾液量V1V,如何應(yīng)用恒壓過濾方程？,設(shè)計型：已知要處理的懸浮液量和推動力，求所需的過濾面積操作型：已知過濾面積和推動力，求懸浮液的處理量；已知過濾面積和懸浮液的處理量，求推動力。,（二）恒速過濾恒速過濾是指在過濾過程中過濾速度保持不變，即濾液量與過濾時間呈正比。,或,或,恒速過程方程中的過濾常數(shù)K隨時間t變化,實際上過濾模式常常采用：先恒速過濾后恒壓過濾在開始過濾時，以較低的恒速操作，避免顆粒穿透濾布。當(dāng)壓差上升到給定數(shù)值后，再采用恒壓過濾，直到過濾終止。計算：恒壓過濾中的起始濾液量為恒速過濾末段的濾液量,四、過濾常數(shù)的測定1.過濾常數(shù)K，qe的計算對于恒壓過濾，過濾積分方程改寫為：,2.壓縮指數(shù)s的計算,在不同的過濾壓差下做過濾實驗求得相應(yīng)得K，由上式可得s。,第三節(jié)深層過濾的基本理論,一、深層過濾過程,通常發(fā)生在以粒狀顆粒為濾料的過濾操作中。濾料內(nèi)部孔隙大于顆粒粒徑。顆粒隨流體進(jìn)入濾料內(nèi)部，在攔截、慣性碰撞、擴(kuò)散沉淀等作用下顆粒附著在濾料表面上而與流體分開。,流體在顆粒濾料層中的流動規(guī)律,舉例：水處理中的快濾池、空氣凈化中的袋式除塵器、口罩深層過濾一般適用于流體中顆粒含量少的場合。,二、流體通過顆粒濾料層的流動在深層過濾中，濾料床層是由一定大小和形狀的粒狀顆粒組成。（一）混合顆粒的幾何特性1.粒度分布篩分實驗：,混合顆粒的累計粒度分布曲線,2.混合顆粒的平均粒徑通常定義：比表面積等于混合顆粒的比表面積的顆粒直徑對于球形顆粒，取1kg密度為p的混合顆粒，其中粒徑為dp,i的顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為xi，則混合顆粒的表面積為：,對于非球形顆粒：,（二）顆粒床層的幾何特性1.顆粒床層的空隙率,空隙率的大小與顆粒的形狀、粒度分布、顆粒床的填充方法和條件、容器直徑與顆粒直徑之比等有關(guān)。對于均勻的球形顆粒，最松排列的空隙率為0.48，最緊密排列時的空隙率為0.26。非球形顆粒任意堆積時的床層空隙率往往要大于球形顆粒，一般為0.350.7,2.顆粒床層的比表面顆粒的比表面a：單位體積顆粒所具有的表面積,3.顆粒床層的當(dāng)量直徑顆粒床層中空隙所形成的流體通道結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。通常采用簡化的流動模型來代替床層內(nèi)的真實流動過程。將實際床層簡化成由許多相互平行的小孔道組成的管束。,與床層厚度成正比,顆粒床層的當(dāng)量直徑為：,取面積1m2，厚度為1m的顆粒床層為基準(zhǔn)，則顆粒床層的當(dāng)量直徑為：,（三）流體在顆粒床層中的流動,1.流動速度根據(jù)上述的簡化模型，流體在顆粒床層中的流動可以看成是在小孔道管束中的流動。流體在孔道內(nèi)的流動可以看成是層流。流動速度可以用Hagen-Poiseuille定律來描述。,ul流體在床層空隙中的實際流速，m/s；deb顆粒床層的當(dāng)量直徑，m;p流體通過顆粒床層的壓力差，Pa；液體粘度，Pas；l孔通道的平均長度，m。,顆粒床層的空床流速u：,V時間t秒內(nèi)流過的液體體積，m3；A垂直于流向的顆粒床層表面積，m2。,床層空隙中的實際流速ul與空床流速u之間有如下關(guān)系：,2.顆粒床層的阻力,顆粒床層比阻,則：,流體在顆粒床層中流動速度的影響因素？一是促使流體流動的推動力p；二是為阻礙流體流動的阻力rL：(1)流體粘度；(2)顆粒床層的性質(zhì)r及厚度L。,三、深層過濾過程中顆粒的運(yùn)動顆粒進(jìn)入濾料內(nèi)部后，主要包括以下幾個行為：(1)遷移行為：顆粒偏離流線運(yùn)動到濾料內(nèi)部孔隙表面推動力主要包括：a.擴(kuò)散作用力（布朗運(yùn)動），主要對非常小的顆粒（1m）起作用；b.重力沉降，當(dāng)顆粒較大時，重力沉降起主要作用；c.流體運(yùn)動作用力（慣性力），如慣性離心力，使顆粒偏離流線而運(yùn)動到濾料孔隙內(nèi)表面。,(2)附著行為：影響附著的作用力有：靜電作用力（靜電斥力或靜電引力）范德華引力,(3)脫落行為：影響附著顆粒脫落的主要因素有：流體對附著顆粒的剪切作用運(yùn)動顆粒對附著顆粒的碰撞作用。,四、深層過濾的水力學(xué)（一）清潔濾料床層的水頭損失,式中，h0清潔濾料層的水頭損失，m；L濾料層厚度,m運(yùn)動粘滯系數(shù)，cm/s2,如果Kl=5，則,對于非均勻濾料的實際濾層，計算水頭損失時：可以按篩分曲線分成若干微小濾料層，取相鄰兩層的篩孔孔徑的平均值作為各層的計算粒徑。假設(shè)粒徑為dp,i的濾料重量占全部濾料重量之比為pi，則清潔濾料層的總水頭損失為：,（二