環(huán)境工程原理第07章_過濾幻燈片.ppt

第七章過濾,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,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,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(dòng)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(shí)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(duì)象？粗大顆粒、細(xì)微離子、細(xì)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,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,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。,第一節(jié)過濾操作的基本概念,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(dòng)的推動(dòng)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(shí)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,一、過濾基本方程二、過濾過程的計(jì)算三、過濾常數(shù)的測(cè)定四、濾餅洗滌（略）五、過濾機(jī)生產(chǎn)能力的計(jì)算（略）,本節(jié)的主要內(nèi)容,第二節(jié)表面過濾的基本理論,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或過濾速度較慢的情況。,多孔性介質(zhì),第二節(jié)表面過濾的基本理論,主要特征：隨著過濾過程的進(jìn)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(shí)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！,一、過濾基本方程,第二節(jié)表面過濾的基本理論,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(dòng)力：由流體位差、壓差或離心力場(chǎng)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：?jiǎn)挝粫r(shí)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,某一過濾時(shí)間t時(shí)的過濾狀態(tài),相應(yīng)的濾液量為V,過濾速度u定義為：,dt微分過濾時(shí)間,sdVdt時(shí)間內(nèi)通過過濾面的濾液量,m3A過濾面積,m2,（表觀）,第二節(jié)表面過濾的基本理論,（7.2.1）,過濾速度與推動(dòng)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,(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,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),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：?jiǎn)挝粔翰钕聻V餅的比阻，m-2Pa-1；s：濾餅的壓縮指數(shù)，對(duì)于可壓縮濾餅，s=0.20.8，對(duì)于不可壓縮濾餅，s=0,第二節(jié)表面過濾的基本理論,將比阻計(jì)算式代入式（7.2.8），得：,假設(shè),則：,第二節(jié)表面過濾的基本理論,(7.2.10),(7.2.11),K：過濾常數(shù)，如何測(cè)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,二、過濾過程的計(jì)算確定濾液量與過濾時(shí)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(duì)于指定的懸浮液，K為常數(shù)。對(duì)式(7.2.11)或式(7.2.12)進(jìn)行積分：,第二節(jié)表面過濾的基本理論,若過濾介質(zhì)阻力可忽略不計(jì)，則簡(jiǎn)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(jì)到L1的條件下開始時(shí)，應(yīng)如何計(jì)算？,K可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定。,積分時(shí)：時(shí)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),第二節(jié)表面過濾的基本理論,第二節(jié)表面過濾的基本理論,（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(shí)間呈正比。,或,第二節(jié)表面過濾的基本理論,(7.2.16b),(7.2.16a),在恒速過程方程中，過濾壓差隨時(shí)間而變化，因此過濾常數(shù)K隨時(shí)間t變化,若忽略過濾介質(zhì)阻力，則簡(jiǎn)化為:,或,第二節(jié)表面過濾的基本理論,(7.2.18a),(7.2.18a),三、過濾常數(shù)的測(cè)定（一）過濾常數(shù)K，qe的計(jì)算對(duì)于恒壓過濾，過濾積分方程改寫為：,第二節(jié)表面過濾的基本理論,(7.2.19),（二）壓縮指數(shù)s的計(jì)算,在不同的過濾壓差下做過濾實(shí)驗(yàn)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),第三節(jié)深層過濾的基本理論,一、流體通過顆粒床層的流動(dòng)二、深層過濾過程中懸浮顆粒的運(yùn)動(dòng)三、深層過濾的水力學(xué)（略）,本節(jié)的主要內(nèi)容,深層過濾過程,利用過濾介質(zhì)間空隙進(jìn)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(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(dòng)規(guī)律,第三節(jié)深層過濾的基本理論,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(chǎng)合。,快濾池,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(dòng)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(shí)驗(yàn):采用一套標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行測(cè)量,混合顆粒的累計(jì)粒度分布曲線,第三節(jié)深層過濾的基本理論,2.混合顆粒的平均粒徑,（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)。,第三節(jié)深層過濾的基本理論,(7.3.3),2.顆粒床層的比表面顆粒的比表面a：?jiǎn)挝惑w積顆粒所具有的表面積,第三節(jié)深層過濾的基本理論,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(jiǎn)化的流動(dòng)模型來代替床層內(nèi)的真實(shí)流動(dòng)過程。將實(shí)際床層簡(jiǎn)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,顆粒床層的當(dāng)量直徑定義為：,取面積1m2，厚度為1m的顆粒床層為基準(zhǔn)，根據(jù)簡(jiǎn)化模型,第三節(jié)深層過濾的基本理論,與床層空隙率和顆粒尺寸有關(guān),則顆粒床層的當(dāng)量直徑為：,第三節(jié)深層過濾的基本理論,(7.3.5),（三）流體在顆粒床層中的流動(dòng),1.流動(dòng)速度根據(jù)上述的簡(jiǎn)化模型，流體在顆粒床層中的流動(dòng)可以看成是在小孔道管束中的流動(dòng)。流體在孔道內(nèi)的流動(dòng)可以看成是層流。流動(dòng)速度可以用Hagen-Poiseuille定律來描述。,ul流體在床層空隙中的實(shí)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；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),又，顆粒床層的空床流速u：,dVdt時(shí)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(shí)際流速ul與空床流速u之間有如下關(guān)系：,實(shí)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),按照簡(jiǎn)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0.30.