环境工程原理第07章_过滤

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• 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。
第三节 深层过滤的基本理论
2.颗粒床层的比表面
颗粒的比表面a: 单位体积颗粒所具有的表面积
颗粒表面积 a 颗粒体积
床层的比表面积ab:单位体积的床层中颗粒的表面积
ab与a之间的关系如下:
ab (1 )a
属丝等编制成的滤布。
• 多孔固体介质:如素烧陶瓷板或管、烧结金属板或管等。
• 多孔膜:由高分子有机材料或无机材料制成的薄膜,根据 分离孔径的大小,可分为微滤、超滤等。
第一节 过滤操作的基本概念
三、过滤分类
1.按过滤机理分:有表面过滤和深层过滤 2.按促使流体流动的推动力分:
•重力过滤:在水位差的作用下被过滤的混合液通过过滤介 质进行过滤,如水处理中的快滤池。
d eb p ul 32l '
(7.3.7)
2
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;
若忽略过滤介质阻力,则简化为:
K 2 V A t (7.2.18a) 或 2
2
K q t 2
2
(7.2.18a)
在恒速过程方程中,过滤压差随时间而变化, 因此过滤常数 K 随时间 t 变化
第二节 表面过滤的基本理论
三、过滤常数的测定
(一)过滤常数K,qe的计算
对于恒压过滤,过滤积分方程改写为:
第三节 深层过滤的基本理论
则颗粒床层的当量直径为:
d eb
4 (1 )a
(7.3wk.baidu.com5)
…与床层空隙率和颗粒尺寸有关
第三节 深层过滤的基本理论
(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。 流体在孔道内的流动可以看成是层流。 流动速度可以用Hagen-Poiseuille定律来描述。
本节的主要内容
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(略)
第三节 深层过滤的基本理论
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
三、过滤常数的测定
四、滤饼洗涤(略) 五、过滤机生产能力的计算(略)
第二节 表面过滤的基本理论
表面过滤过程
被过滤的颗粒粒 径较小的情况
滤饼过滤
多孔性 介质
表面过滤通常发生在过滤流体中颗粒物浓度较高或过滤速 度较慢的情况。
第二节 表面过滤的基本理论
一、过滤基本方程
主要特征:随着过滤过程的进行,流体中的固体颗粒被截
s:滤饼的压缩指数,
对于可压缩滤饼,s=0.2~0.8, 对于不可压缩滤饼,s=0
第二节 表面过滤的基本理论
将比阻计算式代入式(7.2.8),得:
dV Ap1s Adt r0 f (V Ve )
假设
(7.2.10)
2p1s K r0 f
则: dV
Adt
KA 2(V Ve )
第三节 深层过滤的基本理论
颗粒床层的当量直径定义为:
d eb
4 流道截面积 4 流道截面积 流道长度 4 流道容积 湿润周边 湿润周边 流道长度 流道表面积
取面积1m2,厚度为1m的颗粒床层为基准,根据简化模型
流道容积 1
流道表面积 床层体积 床层比表面积 1 (1 )a
p u ( Rm Rc )
(7.2.2)
Rm:过滤介质过滤阻力, 1/m Rc:滤饼层过滤阻力, 1/m
假设rm,r分别为过滤介质和滤饼层的过滤比阻, 1/m2 Rm= rmLm;Rc= rL
p u ( rm Lm rL)
(7.2.4) Ruth 过滤方程
r:与过滤介质上形成的滤饼层的孔隙结构特性有关 L:与滤液量有关,在过滤过程中是变化的。
1.6 10
2 2

2 1.6 102 qe 600 K (2)
第二节 表面过滤的基本理论
联立两式可以求得
qe 0.7 10 2 m3/m2,K 0.8 106 m3/m2s 2 2 6 q 2 0.7 10 q 0.8 10 t, 因此, 2 2 6 t 15 60 900 s q 2 0.7 10 q 0.8 10 900 , 3 当 3 s, 则: 3 2 q 2.073 10 解得: 3 m3/m2
第七章 过 滤
第七章 过滤
本章主要内容
第一节 过滤操作的基本概念 第二节 表面过滤的基本理论 第三节 深层过滤的基本理论
第一节 过滤操作的基本概念
本节的主要内容
一、过滤过程
二、过滤介质 三、过滤分类
第一节 过滤操作的基本概念
一、过滤过程
• 混合物的分离:液体和气体混合物 • 什么现象属于过滤? 混合物中的流体在推动力(重力、压力、离心力)的 作用下通过过滤介质,固体粒子被截留,而流体通过 过滤介质,从而实现流体与颗粒物的分离。 液-固分离,气-固分离 如砂滤池、袋式除尘器、口罩…… • 过滤分离的对象? 粗大颗粒、细微离子、细菌、病毒和高分子物质等
或:
dV A2 p dt r f (V Ve )
……(7.2.8)
第二节 表面过滤的基本理论
滤饼层的比阻r有两种情况: •不可压缩滤饼:滤饼层的颗粒结构稳定,在压 力的作用下不变形,r与p无关
•可压缩滤饼:在压力的作用下容易发生变形
经验式:
r r0 p
s
(7.2.9)
r0:单位压差下滤饼的比阻,m-2 Pa-1;
2 2 3 q q 0.1 2.073 10 1.6 10 0.1 0.473 10 所以 3 m3 2
因此可再得到的滤液为 0.473L。
第二节 表面过滤的基本理论
(二)恒速过滤 恒速过滤是指在过滤过程中过滤速度保持不变,即滤 液量与过滤时间呈正比。
q ut
(7.2.16a) 或 V Aut
(7.2.16b)
dV V 常数 Adt At
2
代入式(7.2.11)
dV KA2 dt 2(V Ve )
K 2 (7.2.17a) 或 V VV e A t 2
K (7.2.17b) q qq e t 2
2
第二节 表面过滤的基本理论
(7.2.13a)

q
0
2( q qe )dq Kdt
0
t
q 2qqe Kt
2
(7.2.13b)
第二节 表面过滤的基本理论
若过滤介质阻力可忽略不计,则简化为:
V 2 KA2 t
(7.2.14a)
q 2 Kt
(7.2.14b)
K可通过实验测定。 如果恒压过滤是在滤液量已达到V1,即滤饼层厚度已
2
1103 q1 1102 m3/m2, t1 5 60 300 s 0.1 1 0.6 103 q2 1.6 102 m3/m2, t2 600 s 0.1
代入过滤方程得
110
2 2

2 1102 qe 300 K (1)
(7.2.11)
令q=V/A,qe=Ve/A(qe称为过滤介质比当量滤液体积),则
dq K dt 2( q qe )
(7.2.12)(滤饼过滤基本方程)
第二节 表面过滤的基本理论
K:过滤常数,如何测定?与下列因素有关:
•滤饼的颗粒性质
•悬浮液浓度 •滤液黏度 •滤饼的可压缩性 qe:过滤介质特性参数
留在过滤介质表面并逐渐积累成滤饼层。
滤饼层厚度:随过滤时间的增长而增厚,其增加速率与过
滤所得的滤液的量成正比。
过滤速度:由于滤饼层厚度的增加,因此在过滤过程中是
变化的。
过滤速度是描述过滤过程的关键!
推动力 其它因素
第二节 表面过滤的基本理论
过滤过程的主要参数
处理量:处理的流体流量或 分离得到的纯流体量V(m3) 过滤推动力:由流体位差、压差或离心力场 造成的过滤压差p 过滤面积:表示过滤设备的大小A(m2) 过滤速度:单位时间通过单位面积的滤液量u
累计到L1的条件下开始时,应如何计算?
积分时:时间从0 t, 滤液量V1V
L1
(V V ) 2Ve (V V1 ) KA t
2 2 1 2
(7.2.15)
V1
第二节 表面过滤的基本理论
例 7.2.1 在实验室中用过滤面积为 0.1m2 的滤布对某种水悬浮液进 行过滤试验,在恒定压差下,过滤 5min 得到滤液 1L,又过滤 5min 得到滤液 0.6L。如果再过滤 5min,可以再得到多少滤液? 解:在恒压过滤条件下,过滤方程为 q 2qqe Kt
第二节 表面过滤的基本理论
假设每过滤1m3滤液得滤饼f(m3)
fV LA
fV L A
V:滤液体积(m3)
(7.2.5)
另外,可把过滤介质的阻力转化成厚度为Le的滤饼层阻力
rm Lm rLe
则:
(7.2.6)
fVe Le A
(7.2.7) (7.2.8)
dV Ap u Adt r f (V Ve )
•真空过滤:在真空下过滤,如水处理中的真空过滤机。
•压力差过滤:在加压条件下过滤,如水处理中的压滤滤池。 •离心过滤:使被分离的混合液旋转,在所产生的惯性离心 力的作用下,使流体通过周边的滤饼和过滤介质,从而实 现与颗粒物的分离。
第二节 表面过滤的基本理论
本节的主要内容
一、过滤基本方程 二、过滤过程的计算
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: 采用一套标准筛进行测量
t 1 2 q qe q K K
t/q
(7.2.19)
2qe/K q
斜率 1/K
第二节 表面过滤的基本理论
(二)压缩指数s的计算
2p1s K r0 f
lg K (1 s) lg p B
(7.2.20)
在不同的过滤压差下做过滤实验求得相应的K, 由上式可得s。
第三节 深层过滤的基本理论
第一节 过滤操作的基本概念
二、过滤介质
•固体颗粒:由一定形状的固体颗粒堆积而成,包括天
然的和人工合成的。 天然:石英砂、无烟煤、磁铁矿粒等。 人工:聚苯乙烯发泡塑料球等。
固体颗粒过滤介质在水处理中的各类滤池中应用广泛,
通常称为滤料。
第一节 过滤操作的基本概念
• 织物介质:又称滤布,如棉、麻、丝、毛、合成纤维、金
第二节 表面过滤的基本理论
某一过滤时间 t 时的过滤状态
相应的滤液量为V 过滤速度u定义为:
(表观)
dV dV——dt时间内通过过滤面的滤液量, m3 u Adt 2
A——过滤面积, m
dt——微分过滤时间, s
(7.2.1)
Lm
过滤 压差
p
第二节 表面过滤的基本理论
过滤速度与推动力之间的关系可用下式(Darcy 定律)表示:
累计质量分数F(%)
100 80 60 40 20 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 dp(mm)
2.混合颗粒的平均粒径
混合颗粒的累计粒度分布曲线
第三节 深层过滤的基本理论
(二)颗粒床层的几何特性
1.颗粒床层的空隙率
床层空隙体积 床层体积 颗粒体积 (7.3.3) 床层体积 床层体积
(7.3.4)
ab主要与颗粒尺寸有关,颗粒尺寸愈小,床层的比表面愈 大。
第三节 深层过滤的基本理论
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。
l’=L
与床层厚 度成正比
第二节 表面过滤的基本理论
二、过滤过程的计算
确定滤液量与过滤时间和过滤压差等之间的关系。 (一)恒压过滤 在过滤过程中,过滤压差自始自终保持恒定。 对于指定的悬浮液,K为常数。 对式(7.2.11)或式(7.2.12)进行积分:

V
0
2(V Ve )dV KA2 dt
0
t
V 2 2VVe KA2t
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