過濾操作的基本概念

過濾操作的基本概念第1頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四第七章過濾

第一節(jié)過濾操作的基本概念第二節(jié)表面過濾的基本理論第三節(jié)深層過濾的基本理論本章主要內(nèi)容第2頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四一、過濾過程二、過濾介質(zhì)三、過濾分類本節(jié)的主要內(nèi)容第一節(jié)過濾操作的基本概念第3頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四混合物的分離：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、細微離子、細菌、病毒和高分子物質(zhì)等

一、過濾過程第一節(jié)過濾操作的基本概念第4頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四固體顆粒：由一定形狀的固體顆粒堆積而成，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。固體顆粒過濾介質(zhì)在水處理中的各類濾池中應(yīng)用廣泛，通常稱為濾料。二、過濾介質(zhì)第一節(jié)過濾操作的基本概念第5頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四

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)：如素燒陶瓷板或管、燒結(jié)金屬板或管等。

多孔膜：由高分子有機材料或無機材料制成的薄膜，根據(jù)分離孔徑的大小，可分為微濾、超濾等。第一節(jié)過濾操作的基本概念第6頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四1.按過濾機理分：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)進行過濾，如水處理中的快濾池。

真空過濾：在真空下過濾，如水處理中的真空過濾機。

壓力差過濾：在加壓條件下過濾，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。三、過濾分類

第一節(jié)過濾操作的基本概念第7頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四(1)過濾過程在環(huán)境工程領(lǐng)域有哪些應(yīng)用。(2)環(huán)境工程領(lǐng)域中的過濾過程，使用的過濾介質(zhì)主要有哪些。(3)過濾的主要類型有哪些。(4)表面過濾和深層過濾的主要區(qū)別是什么。本節(jié)思考題第一節(jié)過濾操作的基本概念第8頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四一、過濾基本方程二、過濾過程的計算三、過濾常數(shù)的測定四、濾餅洗滌五、過濾機生產(chǎn)能力的計算本節(jié)的主要內(nèi)容第二節(jié)表面過濾的基本理論

第9頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四表面過濾過程被過濾的顆粒粒徑較小的情況表面過濾通常發(fā)生在過濾流體中顆粒物濃度較高或過濾速度較慢的情況。給水處理：慢濾池污泥脫水：使用的各類脫水機（如真空過濾機、板框式壓濾機等）濾餅過濾多孔性介質(zhì)第二節(jié)表面過濾的基本理論

第10頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四轉(zhuǎn)筒真空過濾機回轉(zhuǎn)真空過濾機工作過程示意第二節(jié)表面過濾的基本理論

第11頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四帶式脫水機第二節(jié)表面過濾的基本理論

第12頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四主要特征：隨著過濾過程的進行，流體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！推動力其它因素一、過濾基本方程第二節(jié)表面過濾的基本理論

第13頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四處理量：處理的流體流量或分離得到的純流體量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u過濾過程的主要參數(shù)第二節(jié)表面過濾的基本理論

第14頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四某一過濾時間t時的過濾狀態(tài)

p

過濾壓差

相應(yīng)的濾液量為V

過濾速度u定義為：

dt——微分過濾時間,sdV——dt時間內(nèi)通過過濾面的濾液量,m3

A——過濾面積,m2

Lm（表觀）第二節(jié)表面過濾的基本理論

（7.2.1）第15頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四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/m2

Rm=rmLm；Rc=rL

(7.2.2)

(7.2.4)

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。第二節(jié)表面過濾的基本理論

第16頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四假設(shè)每過濾1m3濾液得濾餅f（m3）

V：濾液體積(m3)第二節(jié)表面過濾的基本理論

(7.2.5)……(7.2.8)另外，可把過濾介質(zhì)的阻力轉(zhuǎn)化成厚度為Le的濾餅層阻力

(7.2.6)(7.2.7)則：或：(7.2.8)第17頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四濾餅層的比阻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=0.2～0.8，對于不可壓縮濾餅，s=0第二節(jié)表面過濾的基本理論

經(jīng)驗式：(7.2.9)第18頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四將比阻計算式代入式（7.2.8），得：假設(shè)則：令q=V/A，qe=Ve/A（qe稱為過濾介質(zhì)比當量濾液體積），則

(7.2.12)（濾餅過濾基本方程）第二節(jié)表面過濾的基本理論

(7.2.10)(7.2.11)第19頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四K：過濾常數(shù)，如何測定?與下列因素有關(guān)：濾餅的顆粒性質(zhì)懸浮液濃度濾液黏度濾餅的可壓縮性qe：過濾介質(zhì)特性參數(shù)第二節(jié)表面過濾的基本理論

第20頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四二、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(7.2.11)或式(7.2.12)進行積分：第二節(jié)表面過濾的基本理論

(7.2.13a)(7.2.13b)第21頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四若過濾介質(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。

L1V1積分時：時間從0t，濾液量V1V

第二節(jié)表面過濾的基本理論

(7.2.14a)(7.2.14b)(7.2.15)第22頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四如何應(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。第二節(jié)表面過濾的基本理論

第23頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)表面過濾的基本理論

第24頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)表面過濾的基本理論

第25頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四（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。或代入式（7.2.11）第二節(jié)表面過濾的基本理論

(7.2.16b)(7.2.16a)或(7.2.17b)(7.2.17a)第26頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四在恒速過程方程中，過濾壓差隨時間是變化，因此過濾常數(shù)K隨時間t變化若忽略過濾介質(zhì)阻力，則簡化為:或第二節(jié)表面過濾的基本理論

(7.2.18a)(7.2.18a)第27頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四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，避免顆粒穿透過濾介質(zhì)。當壓差上升到給定數(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第二節(jié)表面過濾的基本理論

第28頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)表面過濾的基本理論

第29頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)表面過濾的基本理論

第30頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)表面過濾的基本理論

第31頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四三、過濾常數(shù)的測定

（一）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：

t/q

q

2qe/K

斜率1/K

第二節(jié)表面過濾的基本理論

(7.2.19)第32頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四（二）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)的K，由上式可得s。第二節(jié)表面過濾的基本理論

(7.2.20)第33頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四四、濾餅洗滌

在某些過濾操作中，為了去除或回收濾餅中殘留的濾液或可溶性雜質(zhì)，需要在過濾結(jié)束時，對濾餅進行洗滌。洗滌過程需要確定的主要內(nèi)容是計算洗滌速度和洗滌時間。第二節(jié)表面過濾的基本理論

第34頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四洗滌速度是單位時間通過單位洗滌面積的洗滌液量：洗滌液在濾餅層中的流動過程與過濾過程類似。洗滌速度與過濾終了時的濾餅層狀態(tài)有關(guān)。若洗滌壓力與過濾終了時的操作壓力相同，則洗滌速度與過濾終了時速度之間有如下近似關(guān)系：

、w——濾液、洗滌液的粘度，Pa·s；L、Lw——過濾終了時濾餅層厚度、洗滌時穿過的濾餅層厚度，m第二節(jié)表面過濾的基本理論

(7.2.21)第35頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四如果洗滌液走的路徑和過濾終了時的路徑完全相同，洗滌液粘度和濾液粘度亦相同，則：設(shè)洗滌液用量為Vw，則洗滌時間為第二節(jié)表面過濾的基本理論

(7.2.23)(7.2.24)第36頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四五、過濾機生產(chǎn)能力的計算過濾機的生產(chǎn)能力一般以單位時間得到的濾液量qV表示。（一）間歇式過濾機間歇式過濾機的每一個操作循環(huán)包括：

過濾tF洗滌tW卸料tD假設(shè)在每個操作循環(huán)中過濾機的濾液量為V，則間歇式過濾機的生產(chǎn)能力為：tT第二節(jié)表面過濾的基本理論

(7.2.26)第37頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四（二）連續(xù)式過濾機

其定義與間歇式過濾機相同。但連續(xù)式過濾機在生產(chǎn)周期的任一時刻，過濾機不同部位同時進行著過濾、洗滌、卸餅和清洗等操作。第二節(jié)表面過濾的基本理論

第38頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四轉(zhuǎn)筒真空過濾機的轉(zhuǎn)數(shù)為n（r/s）,即旋轉(zhuǎn)一周的時間為1/n(s)。起過濾作用的是浸沒在液體中的轉(zhuǎn)筒表面，所對應(yīng)的園心角與2之比稱為浸沒度。浸沒度等價于過濾時間在旋轉(zhuǎn)周期中所占的比例，因此每個周期中有效的過濾時間為：由式（7.2.13a）可求得每一周期可得的濾液量為：轉(zhuǎn)筒真空過濾機的生產(chǎn)能力為：（m3/s）第二節(jié)表面過濾的基本理論

(7.2.29)(7.2.30)(7.2.31)第39頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四(1)表面過濾的過濾阻力由哪些部分組成。(2)表面過濾的過濾速度與推動力和阻力的關(guān)系如何表示。(3)過濾常數(shù)與哪些因素有關(guān)。(4)哪些因素影響濾餅層比阻。(5)過濾介質(zhì)的比當量濾液量的物理意義是什么。本節(jié)思考題第二節(jié)表面過濾的基本理論

第40頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四(6)恒壓過濾和恒速過濾的主要區(qū)別是什么。(7)如何通過實驗測定過濾常數(shù)、過濾介質(zhì)的比當量濾液量和壓縮指數(shù)。(8)洗滌過程和過濾過程有什么關(guān)系。(9)間歇式過濾機和連續(xù)式過濾機的相同點和不同點是什么。本節(jié)思考題第二節(jié)表面過濾的基本理論

第41頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)深層過濾的基本理論一、流體通過顆粒床層的流動二、深層過濾過程中懸浮顆粒的運動三、深層過濾的水力學本節(jié)的主要內(nèi)容第42頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四深層過濾過程利用過濾介質(zhì)間空隙進行過濾。通常發(fā)生在以固體顆粒為濾料的過濾操作中。濾料內(nèi)部空隙大于懸浮顆粒粒徑。懸浮顆粒隨流體進入濾料內(nèi)部，在攔截、慣性碰撞、擴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)律第三節(jié)深層過濾的基本理論第43頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四深層過濾在水處理中的應(yīng)用水處理中的快濾池、加壓砂濾器深層過濾一般適用于流體中顆粒含量少的場合?？鞛V池第三節(jié)深層過濾的基本理論第44頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四一、流體通過顆粒床層的流動顆粒床層是由一定大小和形狀的顆粒組成。

（一）混合顆粒的幾何特性1.粒度分布篩分實驗:采用一套標準篩進行測量

混合顆粒的累計粒度分布曲線

大小稱量篩留物，計算在混合顆粒中的質(zhì)量分數(shù)。第三節(jié)深層過濾的基本理論第45頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四2.混合顆粒的平均粒徑混合顆粒的平均粒徑有多種表示方法。通常定義：比表面積等于混合顆粒的比表面積的顆粒粒徑對于球形顆粒，取1kg密度為p的混合顆粒，其中粒徑為dpi的顆粒的質(zhì)量分數(shù)為xmi，則混合顆粒的比表面積為：…單顆粒比表面積單位體積顆粒所具有的表面積第三節(jié)深層過濾的基本理論第46頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四假設(shè)混合顆粒的平均直徑為dpm，則對于非球形顆粒：

：顆粒的球形度devi：顆粒i的等體積當量直徑各篩上篩留物的平均直徑第三節(jié)深層過濾的基本理論(7.3.1)(7.3.2)第47頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四（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0.35～0.7。第三節(jié)深層過濾的基本理論(7.3.3)第48頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四2.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第三節(jié)深層過濾的基本理論床層的比表面積ab：單位體積的床層中顆粒的表面積ab與a之間的關(guān)系如下：ab主要與顆粒尺寸有關(guān)，顆粒尺寸愈小，床層的比表面愈大。(7.3.4)第49頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四3.顆粒床層的當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l’=L第三節(jié)深層過濾的基本理論第50頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四顆粒床層的當量直徑定義為：取面積1m2，厚度為1m的顆粒床層為基準，根據(jù)簡化模型第三節(jié)深層過濾的基本理論第51頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四對于非球形顆粒，

dea：等比表面積當量直徑dev：等體積當量直徑：形狀系數(shù)…與床層空隙率和顆粒尺寸有關(guān)則顆粒床層的當量直徑為：第三節(jié)深層過濾的基本理論(7.3.5)(7.3.6)第52頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四（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——顆粒床層的當量直徑，m;p——流體通過顆粒床層的壓力差，Pa；——流體粘度，Pas；l’——孔通道的平均長度，m。第三節(jié)深層過濾的基本理論(7.3.7)第53頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四又，顆粒床層的空床流速u：dV——dt時間內(nèi)通過床層的濾液量，m3；A——垂直于流向的顆粒床層截面積，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：實際流速與空床流速的物理意義？第三節(jié)深層過濾的基本理論(7.3.9)(7.3.8)第54頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四按照簡化模型，孔通道的長度l’與顆粒床層厚度L成正比，則Kozeny-Carmam方程Kl為Kozeny系數(shù)，與下列因素有關(guān)：床層顆粒粒徑、形狀床層空隙率等在床層空隙率＝0.3～0.5時，Kl＝5。第三節(jié)深層過濾的基本理論(7.3.11)第55頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四2.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；二是阻礙流體流動的因素rL：(1)流體黏度；(2)床層阻力：床層性質(zhì)（比阻r）及厚度L。與顆粒床（過濾介質(zhì)）的顆粒大小和孔隙率有關(guān)通過試驗求得。第三節(jié)深層過濾的基本理論(7.3.12)第56頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四(1)遷移行為：顆粒偏離流線運動到濾料內(nèi)部空隙表面推動力主要包括：a.擴散作用力（布朗運動），主要對非常小的顆粒（<1m）起作用；b.重力沉降，當顆粒較大時，重力沉降起主要作用；c.流體運動作用力（慣性力），如慣性離心力，使顆粒偏離流線而運動到濾料表面。

第三節(jié)深層過濾的基本理論二、深層過濾過程中懸浮顆粒的運動顆粒進入濾料內(nèi)部后，主要包括以下幾個行為：

第57頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四(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動顆粒對附著顆粒的碰撞作用。第三節(jié)深層過濾的基本理論第58頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四三、深層過濾的水力學過濾過程中，流體通過濾料層時的流速和水頭損失。

（一）清潔濾料床層過濾初期，濾料層孔隙尚無堵塞，孔隙大小與孔隙率沒有變化。流速計算：第三節(jié)深層過濾的基本理論(7.3.11)加壓砂濾器第59頁，共69頁，2023年，2月20日，星期四如果K