环境工程原理：第七章 过滤VIP

1、第七章 过 滤,第三节 深层过滤的基本理论,一、流体通过颗粒床层的流动 二、深层过滤过程中悬浮颗粒的运动 三、深层过滤的水力学,本节的主要内容,深层过滤过程,利用过滤介质间空隙进行过滤。 通常发生在以固体颗粒为滤料的过滤操作中。 滤料内部空隙大于悬浮颗粒粒径。 悬浮颗粒随流体进入滤料内部，在拦截、惯性碰撞、扩散沉淀等作用下颗粒附着在滤料表面上而与流体分开。,流体在颗粒滤料层中的流动规律,第三节 深层过滤的基本理论,深层过滤在水处理中的应用 水处理中的快滤池、加压砂滤器 深层过滤一般适用于流体中颗粒含量少的场合。,快滤池,第三节 深层过滤的基本理论,一、流体通过颗粒床层的流动 颗粒床层是由一定大

2、小和形状的颗粒组成。 （一）混合颗粒的几何特性 1.粒度分布 筛分实验:,第三节 深层过滤的基本理论,标准筛由一系列筛孔大小不同的筛组成，筛的筛网由金属丝网制成，筛孔呈正方形。 一套标准筛的各个筛的筛网与筛孔大小都是按标准规定的。,泰勒标准筛,世界上最通用的标准筛法。 各个筛以筛网上每英寸长度上的孔数为其筛号，也称目数。 每个筛的筛网金属丝的直径也有规定，因此一定目数的筛孔大小一定。 在进行筛分时，将一系列的筛按筛孔大小的次序从大到小叠起来，大的在上面，小的在下面。 取一定量的混合颗粒放入最上面的筛中，均衡振动整的叠筛，较小的颗粒将从各个筛依次落下。,第三节 深层过滤的基本理论,对于每个筛，尺

3、寸小于筛孔的颗粒通过筛下落，称为筛过物。 尺寸大于筛孔的颗粒留在筛上，称筛留物。 振动一定时间后称量筛留物，计算在混合颗粒中的质量分数，得到筛分结果。,混合颗粒的累计粒度分布曲线,混合颗粒粒度分布最直观的表示方法是对不同颗粒粒径作相应的质量分数曲线。 粒度分布还可以用累计分布曲线来表示。,第三节 深层过滤的基本理论,图中的某一点表示的是粒径等于和小于dp的颗粒的累计质量分数。,2.混合颗粒的平均粒径 混合颗粒的平均粒径有多种表示方法。 通常定义：比表面积等于混合颗粒的比表面积的颗粒粒径 对于球形颗粒，取1kg密度为p的混合颗粒，其中粒径为dpi的颗粒的质量分数为xmi，则混合颗粒的比表面积为：

4、,单颗粒比表面积 单位体积颗粒所具有的表面积,第三节 深层过滤的基本理论,假设混合颗粒的平均直径为dpm，则,对于非球形颗粒：,：颗粒的球形度 deVi：颗粒i的等体积当量直径,各筛上筛留物的平均直径,第三节 深层过滤的基本理论,(7.3.1),(7.3.2),（二）颗粒床层的几何特性 1.颗粒床层的空隙率：反应颗粒的疏密程度和对流体的阻滞程度,孔隙率越小，颗粒床层越密，对流体的阻滞程度越大。 空隙率的大小与颗粒的形状、粒度分布、颗粒床的填充方法和条件、容器直径与颗粒直径之比等有关。 对于均匀的球形颗粒，最松排列的空隙率为0.48，最紧密排列时的空隙率为0.26。 非球形颗粒任意堆积时的床层空

5、隙率往往要大于球形颗粒，一般为0.350.7 。,第三节 深层过滤的基本理论,(7.3.3),2.颗粒床层的比表面积 颗粒的比表面积a： 单位体积颗粒所具有的表面积,第三节 深层过滤的基本理论,忽略颗粒相互接触减少的裸露表面,3.颗粒床层的当量直径 颗粒床层中空隙所形成的流体通道结构非常复杂。 通常采用简化的流动模型来代替床层内的真实流动过程。 将实际床层简化成由许多相互平行的小孔道组成的管束，认为流体流过颗粒床层的阻力与通过这些小孔道管束时的阻力相等。,小孔道管束的长度与床层厚度成正比,l=L,第三节 深层过滤的基本理论,假设：小孔道管束的长度与床层厚度成正比 孔道内表面积之和等于床层中全部

6、颗粒的总表面积 孔道全部流动空间等于床层孔隙的容积。 颗粒床层的当量直径定义为：,取面积为1m2，厚度为1m的颗粒床层为基准，根据简化模型,第三节 深层过滤的基本理论,对于非球形颗粒，,dea：等比表面积当量直径 deV：等体积当量直径 ：形状系数,与床层空隙率和颗粒尺寸有关,则颗粒床层的当量直径为：,第三节 深层过滤的基本理论,(7.3.5),(7.3.6),（三）流体在颗粒床层中的流动,1. 流动速度 根据上述的简化模型，流体在颗粒床层中的流动可以看成是在小孔道管束中的流动。 由于孔道的直径很小，阻力很大，流体在孔道内的流动速率很小，可以看成是层流。 流动速度可以用Hagen-Poiseu

7、ille定律来描述。,ul流体在床层空隙中的实际流速，m/s； deb颗粒床层的当量直径，m; p流体通过颗粒床层的压力差，Pa； 流体黏度，Pa s； l孔通道的平均长度，m。,第三节 深层过滤的基本理论,(7.3.7),又，颗粒床层的空床流速u：,dVdt时间内通过床层的滤液量，m3； A垂直于流向的颗粒床层截面积，m2。,床层空隙中的实际流速ul与空床流速u之间有如下关系：,实际流速与空床流速的物理意义？,第三节 深层过滤的基本理论,(7.3.9),(7.3.8),按照简化模型，孔通道的长度l与颗粒床层厚度L成正比，则,Kozeny-Carmam方程,Kl 为Kozeny系数，与下列因素

8、有关： 床层颗粒粒径、形状 床层空隙率等 在床层空隙率0.30.5时，Kl5。,第三节 深层过滤的基本理论,(7.3.11),反应颗粒床层的特性,2.颗粒床层的阻力,颗粒床层比阻,则：,流体在颗粒床层中流动速度的影响因素？ 一是促使流体流动的推动力p； 二是阻碍流体流动的因素rL： (1)流体黏度； (2)床层阻力：床层性质（比阻r）及厚度L。,与颗粒床（过滤介质）的颗粒大小和孔隙率有关,通过试验求得。,第三节 深层过滤的基本理论,(7.3.12),(1)迁移行为： 颗粒偏离流线运动到滤料内部空隙表面 推动力主要包括： a.扩散作用力（布朗运动），主要对非常小的颗粒（1m）起作用； b.重力沉

9、降，当颗粒较大时，重力沉降起主要作用； c.流体运动作用力（惯性力），如惯性离心力，使颗粒偏离流线而运动到滤料表面。,第三节 深层过滤的基本理论,二、深层过滤过程中悬浮颗粒的运动 颗粒进入滤料内部后，主要包括以下几个行为：,(2)附着行为：影响附着的作用力有： 静电作用力（静电斥力或静电引力）：颗粒表面和滤料表面由于界面的电化学作用，一般具有的电势都不高，荷电量与电荷的电性受固相物质成分、流体中离子组成、离子浓度、pH等化学性质影响。 范德华引力,(3)脱落行为：影响附着颗粒脱落的主要因素有： 流体对附着颗粒的剪切作用 运动颗粒对附着颗粒的碰撞作用,第三节 深层过滤的基本理论,三、深层过滤的水

10、力学 过滤过程中，流体通过滤料层时的流速和水头损失。 （一）清洁滤料床层,过滤初期，滤料层孔隙尚无堵塞，孔隙大小与孔隙率没有变化。 流速计算：,第三节 深层过滤的基本理论,(7.3.11),加压砂滤器,如果Kl=5，则,式中, L滤料层厚度, m; 运动黏滞系数，m/s2,清洁滤料层的阻力损失:,第三节 深层过滤的基本理论,(7.3.13),对于非均匀滤料的实际滤层，计算阻力损失时： 可以按筛分曲线分成若干微小滤料层，取相邻两层的筛孔孔径的平均值作为各层的计算粒径。 假设粒径为dpi的滤料质量占全部滤料质量之比为pi，则清洁滤料层的总阻力损失为：,阻力损失的影响因素？ 颗粒床层的孔隙率和颗粒粒

11、径,第三节 深层过滤的基本理论,(7.3.14),第三节 深层过滤的基本理论,第三节 深层过滤的基本理论,（二）运行过程中滤料床层,随着过滤时间的延长，滤层中截留的悬浮物量逐渐增多，滤层空隙率逐渐减少。 如果空隙率减少，则在阻力损失不变条件下，滤速将降低。 反之，如果滤速保持不变，阻力损失将增加。 等速过滤，任意过滤时间t时的滤料层的总阻力损失,第三节 深层过滤的基本理论,(7.3.15),随着过滤时间的延长，水头损失逐渐增加。当水头损失增加到一点值后，就需要对滤料床层进行反冲洗，以清除积累在滤料中的悬浮物，开始下一个过滤周期。,Kt：实验系数 0：过滤原液的固体浓度,了解悬浮物在滤料床层中的

12、分布及累积过程。,过滤水头损失的时间变化,第三节 深层过滤的基本理论,o,d,s,t,第三节 深层过滤的基本理论,减少或消除滤料表层的堵塞可以采用以下措施： 通过预处理降低过滤器进口浓度； 采用粗滤去除悬浊液中较大的颗粒； 采用孔隙尺寸较大的过滤介质作为进口层； 增大过滤速率。,第三节 深层过滤的基本理论,第三节 深层过滤的基本理论,(1) 混合颗粒和颗粒床层有哪些主要的几何特性？ (2)混合颗粒的平均粒径和颗粒床层的当量直径如何定义？ (3)流体通过颗粒床层的实际流速与哪些因素有关，与空床流速是什么关系？ (4)深层过滤的过滤速度与推动力和阻力的关系如何表示？,本节思考题,第三节 深层过滤的

13、基本理论,(5)悬浮颗粒在床层中的运动包括哪些主要行为？ (6) 流体在深层过滤中的水头损失如何变化，主要存在哪些变化情况？ (7) 如何防止滤料表层的堵塞？,本节思考题,第三节 深层过滤的基本理论,第七章 过滤,作业：7.9,（1）板框压滤机（Plate-and-frame type filter press）,过滤设备,板框过滤机为最普遍使用的一种过滤机，它由许多块滤板与滤框交替排列组合而成。滤板与滤框靠支耳架在一对横梁上，通过压紧装置将其压紧。,过滤设备,过滤设备,板框过滤机为间歇操作，每一操作循环由组装、过滤、洗涤、卸饼、清理五个阶段组成。板框组装完毕，开始过滤，滤浆在指定压强下由滤框

14、角上的滤浆通道并行进入各个滤框，滤液分别穿过滤框两侧的滤布，沿滤板面上的沟槽至滤液出口排出；颗粒则被滤布截留在框内，待滤渣充满每个框后，停止进料过滤结束。关闭进料浆阀及滤液出口阀。,过滤设备,洗涤时洗水从洗涤板角上的洗水通道并行进入各洗涤板的两侧，在压强差推动下先穿过一层滤布和整个滤饼层，再穿过一层滤布后沿过滤板面上的沟槽至洗液出口排出。这种洗涤方法称为横穿洗涤法，其特点是：,洗水路径为过滤终了时过滤路径的两倍， 洗涤面积为过滤面积的一半。,洗涤结束后，旋开压紧装置，将板框拉开卸出滤饼。对板、框和滤布进行清理后，重新组装进行下一个循环。,滤液排出方式： 明流：滤液经每块过滤板底部侧管直接排出

15、暗流：各板流出的滤液汇集在总管后排出,过滤设备,特点: 优点：结构简单，过滤面积大（100100mm1500 1500mm）而占地省，过滤压力高（可达1.5MPa），操作灵活，便于用耐腐蚀材料制造，所得滤饼水分含量少，又能充分地洗涤。 缺点：间歇过滤，劳动强度大，适用于中小规模的生产及有特殊要求的场合。 横穿洗涤（洗涤液的流通路径是过滤滤液流通路径的两倍，洗涤液的流通截面积为过滤滤液流通截面积的一半；故洗涤速率为过滤终了速率的四分之一）。,过滤设备,构造：加压叶滤机是由若干不同宽度的长方形滤叶组装而成，滤叶由金属多孔板或金属网制成，内部具有空间，外部覆盖滤布，滤叶组装完毕后放入密闭圆筒内，见图

16、。 过滤：将滤浆用泵送入圆筒内，滤液穿过滤布进入滤叶中心空间，汇集至总管后排出；颗粒则沉积在滤布上形成滤饼，当积到一定厚度时停止进料过滤结束，滤饼厚度为535mm，视情况而定。,（2）叶滤机（Leaf filter）,过滤设备,洗涤：过滤完毕放尽筒内残存滤浆通入洗水，洗涤方法与过滤完全相同，称为置换洗涤法洗涤路径与过滤终了路径相同 洗涤面积与过滤终了面积相同,洗涤后可用压缩空气反吹滤饼，然后打开圆筒上盖，抽出滤叶经旋转卸出滤饼，清洗后重新装入圆筒中进行下一循环操作，因此亦为间歇过滤机。,过滤设备,流程: 装合、过滤、洗涤、卸渣、整理 特点: 优点：间歇过滤，单位地面所容纳的过滤面积大，洗涤充分

17、，生产能力比压滤机大，机械化程度高，劳动力省，密闭过滤，操作环境较好。 缺点：构造复杂，造价高，滤饼中粒度差别较大的颗粒可能分别积聚于不同的高度，使洗涤不均匀。 置换洗涤（洗涤液的流通路径与过滤滤液流通路径相同，洗涤液的流通截面积与过滤滤液流通截面积相等；洗涤速率与过滤终了速率相等）。,过滤设备,（3）转筒真空过滤机（Rotary vacuum drum filter） 结构与工作原理：,过滤设备,过滤设备,流程 过滤、洗涤、吸干、吹松、卸渣 特点 优点：操作连续、自动 缺点：设备体积庞大，过滤面积相对较小，过滤、洗涤推动力小，洗涤不充分，适用于处理量大而容易过滤的悬浮液分离。 洗涤方式为置换

18、洗涤。,过滤设备,膜过滤机,膜过滤的滤芯是由纤维和其他高分子聚合物构成的过滤膜，其过滤原理主要是筛析过滤。过滤膜的孔隙率高达80%；膜厚约为0.15mm，材料孔径致密，可截留极小的细菌。滤芯具有较强的机械抗性和抗热能力,能够承受3-5bar的工作压力及80的灭菌温度。 滤芯有平板状、管状、毛细管状(空心纤维)等几种结构形式。葡萄酒生产中主要用于装瓶前的除菌过滤，过滤澄清的葡萄酒。,过滤设备,一、膜过滤器结构,在滤筒3中装着许多根毛细管滤膜4，膜4的两头沿管外壁用环氧树脂胶粘结并固定在不锈钢滤筒中。上下端盖与滤筒上下端面结合处用橡胶垫密封并用卡箍联接。,1.压力表；2.上端盖；3.滤筒；4.毛细管滤膜；5.下端盖,过滤设备,料液在泵的作用下从进口沿毛细管孔道流动，并从回流管流出。流动过程中，清液