過濾操作基本概念ppt課件

1、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

2、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

3、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,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,一、過濾基本方程 二、過濾過程的計(jì)算 三、過濾常數(shù)的測定 四、濾餅洗滌 五、過濾機(jī)生產(chǎn)能力的計(jì)算,本節(jié)的主要內(nèi)容,第二節(jié) 表面過濾的基本理論

4、,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。 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),第二節(jié) 表面過濾的基本理論,轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī),回轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)工作過程示意,第二節(jié) 表面過濾的基本理論,帶式脫水機(jī),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

5、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(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, s dVdt時(shí)間內(nèi)通過過濾面的濾液量, m3 A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/m Rc：濾餅層過濾阻力, 1/m,假設(shè)rm，r分別為過濾介質(zhì)

6、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,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：單位壓差下濾餅的比阻，m-2 Pa-1； s：濾餅的壓縮

7、指數(shù)， 對于可壓縮濾餅，s=0.20.8， 對于不可壓縮濾餅，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。 對于指定的懸浮液，K為常數(shù)。 對式(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

8、計(jì)，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(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)測定,積分時(shí)：時(shí)間從0 t， 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,如何應(yīng)用恒壓過濾方程,設(shè)計(jì)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,

9、7.2.16b,7.2.16a,在恒速過程方程中，過濾壓差隨時(shí)間是變化，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，則簡化為,或,第二節(jié) 表面過濾的基本理論,7.2.18a,7.2.18a,實(shí)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(shí)，以較低的恒速操作，避免顆粒穿透過濾介質(zhì)。 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(jì)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,第二節(jié) 表面過濾的基本理論,三、過濾常數(shù)的測定 （一）過濾常數(shù)K，qe的計(jì)算 對于恒壓過濾，過濾積分方程改寫

10、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,7.2.20,四、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(shí)，對濾餅進(jìn)行洗滌。 洗滌過程需要確定的主要內(nèi)容是計(jì)算洗滌速度和洗滌時(shí)間,第二節(jié) 表面過濾的基本理論,洗滌速度是單位時(shí)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(shí)的濾餅層狀態(tài)有關(guān)。 若洗滌壓力與過濾終了時(shí)的操作壓力相同，則洗滌速度與過濾終了時(shí)速度之間有如下近似關(guān)系,w濾液、洗滌液的粘度，Pas；

11、 L、Lw過濾終了時(shí)濾餅層厚度、洗滌時(shí)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,如果洗滌液走的路徑和過濾終了時(shí)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(shí)間為,第二節(jié) 表面過濾的基本理論,7.2.23,7.2.24,五、過濾機(jī)生產(chǎn)能力的計(jì)算,過濾機(jī)的生產(chǎn)能力一般以單位時(shí)間得到的濾液量qV表示。 （一）間歇式過濾機(jī) 間歇式過濾機(jī)的每一個(gè)操作循環(huán)包括,過濾tF,洗滌tW,卸料tD,假設(shè)在每個(gè)操作循環(huán)中過濾機(jī)的濾液量為V，則間歇式過濾機(jī)的生產(chǎn)能力為,tT,第二節(jié) 表面過濾的基本理論,7.2.26,二）連續(xù)式過濾機(jī),其定義與間歇式過濾機(jī)相同。 但連

12、續(xù)式過濾機(jī)在生產(chǎn)周期的任一時(shí)刻，過濾機(jī)不同部位同時(shí)進(jìn)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,轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)為n（r/s）,即旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)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(jià)于過濾時(shí)間在旋轉(zhuǎn)周期中所占的比例，因此每個(gè)周期中有效的過濾時(shí)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(jī)的生產(chǎn)能力為： （m3/s,第二節(jié) 表面過濾的基本理論,7.2.29,7.2.30,7.2.31,1)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

13、)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(dāng)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,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(shí)驗(yàn)測定過濾常數(shù)、過濾介質(zhì)的比當(dāng)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(jī)和連續(xù)式過濾機(jī)的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)是什么,本節(jié)思考題,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,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(yùn)動 三、深層過濾的水力學(xué),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

14、。 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 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)行測量,混合顆粒的累計(jì)粒度分布曲線,稱量篩留物，計(jì)算在混合顆粒中的質(zhì)量分?jǐn)?shù),第三節(jié) 深層過濾的基本理論,2.混合顆粒的平均粒徑 混合顆粒的平

15、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?jǐn)?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,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(dāng)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,7.3.1,7.3.2,二）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

16、空隙率為0.48，最緊密排列時(shí)的空隙率為0.26。 非球形顆粒任意堆積時(shí)的床層空隙率往往要大于球形顆粒，一般為0.350.7,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： 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,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(shí)流動過程。 將實(shí)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,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)簡化模型,第三節(jié) 深層過濾的基本理論,對

17、于非球形顆粒,dea：等比表面積當(dāng)量直徑 dev：等體積當(dāng)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(dāng)量直徑為,第三節(jié) 深層過濾的基本理論,7.3.5,7.3.6,三）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(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，Pa s； 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

18、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0.30.5時(shí)，Kl5,第三節(jié) 深層過濾的基本理論,7.3.11,2.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

19、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(yàn)求得,第三節(jié) 深層過濾的基本理論,7.3.12,1)遷移行為： 顆粒偏離流線運(yùn)動到濾料內(nèi)部空隙表面 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(shí)，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(yùn)動 顆粒進(jìn)入濾料內(nèi)部后，主要包括以下幾個(gè)行為,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,第三節(jié) 深層過濾的基本理論,三、深層過濾的水力學(xué) 過濾過程中，流體通過濾料層時(shí)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(jì)算,第三節(jié) 深層過濾的基本理論,7.3.11,加壓砂濾器,如果Kl=5，則,式中, L濾料層厚度, m; 運(yùn)動黏滯系數(shù)