筛分过滤实验报告

筛分实验筛分实验 一 实验目的一 实验目的 1 测定天然河砂的颗粒级配 2 绘制筛分级配曲线 求 d0 d80 K80 3 按设计要求对上述河砂进行再筛选 二 实验原理二 实验原理 滤料级配是指将不同大小粒径的滤料按一定比例加以组合 以取得良好的过 滤效果 滤料是带棱角的颗粒 其粒径是指把滤料颗粒包围在内的球体直径 这是 一个假想直径 在生产中简单的筛分方法是用一套不同孔径的筛子筛分滤料试样 选取合适 的粒径级配 我国现行规范是以筛孔孔径 0 5 mm 及 1 2mm 两种规格的筛子过筛 取其中段 这虽然简便易行但不能反映滤料孔径的均匀程度 因此还应该考虑级 配情况 能反映级配状况的指标是通过筛分级配曲线求得的有效粒径的 d10以及 d80和 不均匀系数 K80 d10是表示通过滤料质量 10 的筛孔孔径 它反映滤料中细颗粒 尺寸 即产生水头损失的 有效 部分尺寸 d80系指通过滤料质量 80 的筛孔孔 径 它反映粗颗粒尺寸 K80为 d80与 d10之比 即 K80 d80 d10 K80越大表示粗 细颗粒尺寸相差越大 滤料粒径越不均匀 这样的滤料对过滤及反冲均不利 尤 其是反冲时 为了满足滤料粗颗粒的膨胀要求就会使细颗粒固过大的反冲强度而 被冲走 反之 若为满足细颗粒个被冲走的要求而减小反冲强度 粗颗粒可能因 冲不起来而得不到充分清洗 故滤料需经过筛分级配 1 三 实验内容三 实验内容 3 1 实验设备与试剂实验设备与试剂 1 圆孔筛一套 直径 0 15 0 9mm 筛孔尺寸如表 4 1 所示 2 托盘天平 称量 300g 感量 0 1g 3 烘箱 4 带拍摇筛机 如无 则人工手摇 5 浅盘和刷 软 硬 6 1000mL 量筒 3 2 实验步骤实验步骤 1 取样 取天然河砂 300g 取样时要先将取样部位的表层铲去 然后取样 将 取样器中的砂样洗净后放在栈盘中 将浅盘置于 105 恒温箱中烘干 冷至 室温备用 2 称取砂样 200g 选用一组筛子过筛 筛子按筛孔大小顺序排列 砂样放在最 上面的一只筛 1 68mm 筛 中 3 将该组套筛装入摇筛机 摇筛约 5min 然后将筛套取出 再按筛孔大小顺序 在洁净的浅盘上逐个进行手筛 直至每分钟的筛出量不超过试样总量的 0 1 时为止 通过的砂颗粒并入下一筛号一起过筛 这样依次进行直至各筛号全 部筛完 若无摇筛机 可直接用手筛 4 称量在各个筛上的筛余试样的质量 精确至 0 1g 所有各筛余质量与底盆 中剩余试样质量之和与筛分前的试样总质量相比 其差值不应超过 1 5 将上述所得的各项数值填入表 4 1 中 2 四 数据记录与整理四 数据记录与整理 表 4 1 筛分记录表 留在筛上的砂量通过该号筛的砂量 筛号筛孔孔径 mm 质量 g 质量 g 102 00 27 213 65 172 1 86 35 121 60 4 72 36 167 4 83 99 141 43 0 80 40 166 6 83 59 161 25 10 55 27 156 1 78 32 240 80 22 711 39 133 4 66 93 320 58 6 93 46 126 5 63 47 600 30 82 541 39 44 0 22 08 800 20 22 511 29 21 5 10 79 砂样筛分前总质量 g200 0 砂样筛分后总质量 g199 3 由上表可以得知 共称取 200 0 g 河砂进行筛分 筛分后砂样总质量减少为 199 3 与筛分前称取质量相比 其相对误差为 200 0 199 3 200 0 100 0 35 前后质量相差小于 1 故实验数据可用于理论分析 实验误差的可能来源有 筛分时有小部分砂粒卡在筛孔中 这部分取不出的砂粒无法纳入天平进行 称量 因此导致砂样质量损失 在将砂样转移到烧杯的过程中 可能有一小部分砂粒未能倒入烧杯中 从 而使实验称量结果偏小 五 数据处理与分析五 数据处理与分析 5 1 相关计算相关计算 1 筛余百分率计算筛余百分率计算 即用各筛号的筛余量除以试样总质量的百分率 计算结果记录在表 4 1 中 以 10 号筛号为例 计算过程如下 3 10 172 1 200 0 100 13 65 2 通过各号筛的砂量百分率计算通过各号筛的砂量百分率计算 即用通过各筛号的砂量除以试样总质量的百分率 计算结果记录在表 4 1 中 以 10 号筛号为例 计算过程如下 10 96 5 100 0 100 96 5 10 27 2 200 0 100 86 35 5 2 滤料筛分级配曲线的绘制滤料筛分级配曲线的绘制 根据表 4 1 的相关数据 以筛孔孔径为横坐标 通过筛孔的砂量百分率为纵 坐标 绘制滤料筛分级配曲线如图 5 1 所示 图 5 1 滤料筛分级配曲线 根据散点图的分布特点选择合适的曲线模型进行拟合 拟合函数的相关参数 如表 5 1 所示 其相关系数 R2 0 97257 极其接近 1 说明曲线的拟合效果较好 4 表 5 1 滤料筛分级配曲线拟合方程参数 Equation 1 1 0 Adj R Square0 981840 ValueStandard Error 通过筛孔的砂量y085 776792 77079 通过筛孔的砂量A1 130 5611 78299 通过筛孔的砂量t10 379020 05714 代入表 5 1 的参数数值可得滤料筛分级配曲线的拟合方程为 130 56 0 37902 85 77679 当 y 10 时 解得 d10 x 0 206mm 当 y 80 时 解得 d80 x 1 182mm 故不均匀系数为 80 80 10 1 182 0 206 5 74 5 3 不均匀系数分析不均匀系数分析 滤料的不均匀系数是指 80 按质量计算 能通过筛孔孔径 d80 的滤料 与 10 滤料能通过的筛孔孔径 d10 的滤料之比 不均匀系数越大表明滤料粒径的分布越不均匀 滤池在反冲洗的过程中 滤 料呈流化和膨胀状态 冲洗完成后细小颗粒滤料积聚在滤床上部 大颗粒滤料沉 到滤床底部 由上而下形成细 粗滤料滤床 不均匀系数越大 形成粗细的差距就 越明显 这种滤料称为级配滤料 级配滤料的不均匀系数 K80一般为 1 6 2 0 当不均匀系数过大时 滤料颗粒极不均匀 将影响过滤效果 一是使反洗操 作困难 因为当反洗强度太大时 会带出细小颗粒的滤料 造成滤料的流失 而 当反洗强度太小时 又不能松动下部大块滤料 长期下去 易造成滤层 结块 这样会使过滤情况恶化 二是由于滤料颗粒大小不均匀 就会有细小的滤料颗粒 这些细小颗粒会因反洗等原因集中在滤层表面 结果又会使过滤下来的污物堆积 在滤层表面 使过滤时的水头损失增加太快 使过滤周期变短 本次筛分实验测出的不均匀系数 K80为 5 74 远远大于设计要求 1 6 2 0 5 故需对砂样进行再筛选 5 4 滤料的再筛选滤料的再筛选 滤料的再筛选是根据筛分级配曲线方程求得的数值进行的 方法如下 设设计要求 d10 0 60 mm K80 1 80 则 d80 0 60 mm 1 80 1 08 mm 按此 要求进行滤料再筛选 1 先自横坐标 0 60 mm 和 1 08 mm 两点各作一垂线与筛分曲线相交 自 两交点作与横坐标相平行的两条线与右边纵坐标轴线相交于上下两点 如图 5 2 中蓝色线条和红色方点所示 2 再以上面之点作为新的 d80 以下面之点作为新的 d10 重新建立新坐标 图 5 2 中两红色方点即分别为新的 d80和新的 d10 图 5 2 滤料再筛分过程 3 找出新坐标原点和 l00 点 由此两点向左方作平行于横坐标的直线 并与筛分曲线相交 在此两条平行线内所夹面积是所选滤料 其余全部筛除 如图 5 3 所示 两绿色水平线即是新坐标系中的 y 0 和 y 100 其在原坐 标系中的值分别为 y 56 05 和 y 83 55 图中两绿色水平线所夹部分为所选滤料 阴影部分为筛除部分 根据拟合方程 6 130 56 0 37902 85 77679 当 y 56 05 时 解得 x 0 56mm 当 y 83 55 时 解得 x 1 54mm 则滤料粒径在 0 56 1 54 mm 为再筛分实验所选滤料 对应的筛子通过率分别 为 56 05 83 55 图 5 3 滤料再筛分结果 六 思考与讨论六 思考与讨论 1 为什么为什么 d10称称 有效粒径有效粒径 K80过大或过小各有何利弊 过大或过小各有何利弊 d10指 10 的滤料 按质量计 能通过的筛孔孔径 mm 经过大量试验资 料统计发现 不均匀滤层的透水性与全部由这种滤料的累计含量为 10 的颗粒所 组成的均匀滤层的透水性相当 因此 d10被认为是能够有效地反映滤层透水性的 粒径 即有效粒径 K80指 滤料的不均匀系数 即 80 按质量计 能通过筛孔孔径 d80 的滤料 与 10 滤料能通过的筛孔孔径 d10 的滤料之比 不均匀系数 K80过大或过小对过 滤及反冲均不利 K80越大 则大小颗粒间的差别越大 大小颗粒掺杂的结果 会降低滤料层的孔隙率 影响滤料层的含污能力和增加过滤时的阻力 K80越小 7 大小颗粒间的差别越小 孔隙率增大 过滤阻力降低 影响过滤效果 至于反冲 为了满足滤料粗颗粒的膨胀要求就会使细颗粒因过大的反冲强度而被冲走 反之 若为满足细颗粒不被冲走的要求而减小反冲强度 粗颗粒可能因冲不起来而得不 到充分清洗 故滤料需经过筛分级配 2 我国用我国用 dmin dmax衡量滤料 与用衡量滤料 与用 d10 d80相比 有什么伏缺点 相比 有什么伏缺点 用 dmin dmax衡量滤料的优点是 dmin dmax取值比较简单 而 d10 d80则需要 多次筛分才能进行确定 其缺点是 dmin dmax因粒径范围较宽 对滤料粒径不均 匀性的反应程度不及 d10 d80好 取值容易使 K80偏大或偏小 3 孔隙率大小对过滤有什么影响孔隙率大小对过滤有什么影响 孔隙率系指滤料间空隙的体积大小与滤料堆积体积大小的比值 滤料孔隙率 过大时 杂质的穿透深度会随之增大 过滤水头损失增加缓慢 过滤周期可以延 长 滤层截污能力较高 但悬浮杂质易穿透 孔隙率过小时 过滤周期短 水流 阻力较大 水头损失增长较快 4 滤料粒径对过滤有什么影响滤料粒径对过滤有什么影响 滤料粒径应根据不同滤料和不同过滤情况具体选用 不宜过大或过小 滤料 粒径过大 细小的悬浮物杂质易穿过滤层 使其质量不好 同时滤料粒径过大 则反洗时不能使滤层充分松动 使反洗不彻底 沉积物和滤料易 结块 因而产 生过滤水流不均 使滤池很快失效 滤料粒径过小 则水流阻力增大 使过滤水 头损失增加过快和过滤周期缩短 反洗水消耗量也会增加 8 过滤实验过滤实验 一 实验目的一 实验目的 1 熟悉普通快滤池过滤 冲洗的工作过程 2 加深对滤速 冲洗强度 滤层膨胀率 初滤水浊度的变化 冲洗强度与滤层 膨胀率关系以及滤速与清洁滤层水头损失的关系的理解 二 实验原理二 实验原理 快滤池滤料层能截留粒径远比滤料孔隙小的水中杂质 主要通过接触絮凝作 用 其次为筛滤作用和沉淀作用 要想使过滤出水水质好 除了滤料组成需符合 要求外 沉淀前或滤前投加混凝剂也是必不可少的 当过滤水头损失达到最大允许水头损失时 滤池需进行冲洗 少数情况下 虽然水头未达到最大允许值 但如果滤池出水浊度超过规定要求 也需进行冲洗 冲洗强度需满足底部滤层恰好膨胀的要求 根据运行经验 冲洗排水浊度降至 10 20 度以下可以停止冲洗 快滤池冲洗停止时 池中水杂质较多且未投药 故初滤水浊度较高 滤池运行一段时间 约 5 10min 后 出水浊度始符合要求 时间长短与原 水浊度 出水浊度要求 药剂投量 滤速 水温以及冲洗情况有关 如初滤水历 时短 初滤水浊度比要求的出水浊度高不了多少 或者说初滤水对滤池过滤周期 出水平均 浊度影响不大时 初滤水可以不排除 清洁滤层水头损失计算公式采用卡曼 康采尼 Carman Kozony 公式 0 180 1 0 2 3 0 1 0 2 0 式中 h0 水流通过清洁滤层水头损失 cm 水的运动黏度 cm2 s g 重力加速度 981cm s2 9 0 滤料孔隙率 d0 与滤料体积相同的球体直径 cm L0 滤层厚度 cm v 滤速 cm s 滤料颗粒球度系数 天然滤料一般采用 0 75 0 80 当滤速不高 清洁滤层水流属层流时 水头损失与滤速成正比 两者成直线 关系 当滤速较高时 上式计算结果偏低 即水头损失增加率超过滤速增长率 为了保证滤池出水水质 常规过滤的滤池进水浊度不宜超过 10 15 度 本 实验采用投加混凝剂的直接过滤 进水浊度可以高达几十以至百度以上 因原水 加药较少 混凝后不经反应直接进入滤池 形成的矾花粒度小 密度大 不易穿 透 故允许进水浊度较高 三 实验内容三 实验内容 3 1 实验设备与试剂实验设备与试剂 1 过滤装置 1 套 2 光电式浊度仪 1 台 3 200ml 烧杯 2 个 取水样测浊度用 4 20ml 量筒 1 个 秒表 1 块 测投药量用 5 2m 钢卷尺 1 个 温度计 1 个 3 2 实验步骤实验步骤 作滤速与清洁滤层水头损失的关系实验 通入清水 测不同滤速 从 40 L h 到 400 L h 之间取适合间隔的流量进行测量 根据滤柱内平面面积计算滤速 时 滤层顶部的测压管水位和滤层底部附近的测压管水位 测水温 将有关数据记入 表 4 2 停止冲洗 结束实验 10 四 数据记录与整理四 数据记录与整理 表 4 1 滤柱有关数据 滤柱内径 mm滤料名称滤粒粒径 cm滤料厚度 cm 100石英砂 43 5 表 4 2 滤速与清洁滤层水头损失的关系 水温 25 流量 L h 滤速 m h 清洁层顶部测压管 水位 cm 清洁层底部测压管 水位 cm 清洁滤层水头损 失 cm 607 6480 572 58 0 8010 19102 090 711 3 10012 73102 988 114 8 12015 28103 085 217 8 14017 83104 283 420 8 16020 37107 383 923 4 20025 46108 978 530 4 22028 01112 077 834 2 24030 56113 476 836 6 26033 10141 9100 041 9 30038 20144 095 748 3 34043 29163 7104 858 9 40050 93167 997 670 3 其中 滤速计算公式如下 4 2 式中 滤速 m h P 过滤的体积流量 m3 h S 滤层的横截面面积 m2 d 表示滤层横截面的直径 m 11 五 数据处理与分析五 数据处理与分析 5 1 滤速与清洁滤层水头损失关系曲线绘制滤速与清洁滤层水头损失关系曲线绘制 以滤速为横坐标 对应的清洁滤层水头损失为纵坐标 绘制滤速与清洁滤层 水头损失关系曲线如图 5 1 所示 图 5 1 滤速与清洁滤层水头损失关系曲线 由上图可以看出 清洁滤层的水头损失随着滤速的增大而增大 理论上 当滤速不高 清洁滤层水流属层流时 水头损失与滤速成正比 两 者成直线关系 当滤速较高时 水头损失增加率超过滤速增长率 观察图 5 1 的 曲线 发现确实存在与理论相符的情况 曲线前一小段的数据点呈正比例关系 而当滤速大于 20m h 后 曲线斜率开始慢慢变大 水头损失增加率超过滤速增长 率 再通过作图对此规律作进一步的验证 取滤速小于 20m h 的前 6 个实验数据 点进行线性拟合 拟合结果如图 5 2 所示 拟合方程参数如表 5 1 所示 相关系 数 R2 0 99883 极其接近 1 说明该直线的拟合程度是非常好的 前 6 个数据点 呈正比例关系 而随着滤速增大 后 7 个实验数据点越来越偏离拟合直线 且都 处于直线上方 说明此时水流的水头损失增加率超过滤速增长率 这与理论规律 12 以及上文的观察结果是相符的 图 5 2 滤速与清洁滤层水头损失拟合直线图 表 5 1 滤速与清洁滤层水头损失拟合直线参数 Y B X ParameterValueError A0 B1 150080 01218 RSDNP 0 998830 437436 0 0001 5 2 理论水头损失曲线绘制理论水头损失曲线绘制 1 滤料的当量直径计算滤料的当量直径计算 由再筛分滤料粒径分析可知 过滤实验滤料设计选用砂粒为粒径范围在 0 56mm 1 54mm 之间的石英石沙粒 已知滤料的当量直径计算公式为 式中 de 滤料的当量直径 mm di 滤料颗粒粒径 mm pi 粒径为 di 的颗粒质量频率 13 现以再筛分设计滤料粒径 0 56mm 1 54mm 为例进行计算 通过筛孔孔径为 0 56mm 的砂量为 200 0g 56 05 112 1g 通过筛孔孔径为 1 54mm 的砂量为 200 0g 83 55 167 1g 故 再筛分滤料的总质量为 167 1g 112 1g 55 0g 对该粒径范围的颗粒求其当量直径 计算结果如表 5 2 所示 表 5 2 设计滤料的当量直径计算 粒径范围 mm0 56 0 580 58 0 800 80 1 251 25 1 431 43 1 54 平均粒径 di mm0 570 691 0251 341 485 质量 g14 86 922 710 51 54 质量频率0 2690 1250 4130 1910 028 di pi mm0 1530 0870 4230 2560 042 di pi mm0 96 2 理论水头损失计算理论水头损失计算 根据卡曼 康采尼 Carman Kozony 公式 0 180 1 0 2 3 0 1 0 2 0 式中 h0 水流通过清洁滤层水头损失 cm 水的运动黏度 cm2 s g 重力加速度 981cm s2 0 滤料孔隙率 石英砂孔隙率 一般为 0 43 0 47 d0 与滤料体积相同的球体直径 cm L0 滤层厚度 cm v 滤速 cm s 滤料颗粒球度系数 天然滤料一般采用 0 75 0 80 25 时 查表可知 水的运动粘度 0 893 10 2 cm2 s 取 0 0 45 d0 0 096 cm 0 80 已知 L0 43 5cm 代入公式可得理论水头损失计算式为 0 180 0 893 10 2 981 1 0 45 2 0 453 1 0 80 0 096 2 43 5 39 50 14 也即 h0 1 10v v 的单位为 m h 3 滤速与理论水头损失关系曲线绘制滤速与理论水头损失关系曲线绘制 根据理论水头损失计算式 h0 1 10v 在图 5 1 所示的滤速与清洁滤层水头损 失关系曲线基础上绘制滤速与理论水头损失关系曲线 结果如图 5 3 所示 图 5 3 滤速与理论水头损失关系曲线 由上图可以看出 当滤速较低时 实验数据点与理论曲线相对较为吻合 计 算式 h0 1 10v 的计算结果与实验结果相近 而当滤速较高时 实验数据点均处于 理论曲线偏上方 计算式 h0 1 10v 的结算结果偏低 即水头损失增加率超过滤速 增长率 因此 可判断本次实验的结果大致符合理论规律 但应当指出的 采用该方法计算本实验的理论水头损失存在一定的弊端 得 出的理论水头损失曲线与实验结果较为吻合在某种程度上是一种巧合 原因如下 在用 Carman K