1、第七章过 滤,第七章 过滤,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,本章主要内容,一、过滤过程 二、过滤介质 三、过滤分类,本节的主要内容,第一节 过滤操作的基本概念,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、细微粒子、细菌、病毒和高分子物质等,一、过滤过程,第一节 过滤操作的基本概念,固体颗粒：由一定形状的固体颗粒堆积而成，包括天
2、 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。,二、过滤介质,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,1.按过滤机理分：表面过滤和深层过滤 2.按促使流体流动的推动力分： 1）重力过滤 2）真空过滤 3）压力差过滤 4）离心过滤,三、过滤分类,第一节 过滤操作的基本概念,一、
3、过滤基本方程 二、过滤过程的计算 三、过滤常数的测定 四、滤饼洗涤 五、过滤机生产能力的计算,本节的主要内容,第二节 表面过滤的基本理论,表面过滤过程,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。 给水处理：慢滤池； 污泥脱水：使用的各类脱水机（如真空过滤机、板框式压滤机等） 。,多孔性介质,第二节 表面过滤的基本理论,回转真空过滤机工作过程示意图,主要特征：随着过滤过程的进行，流体中的固体颗粒被截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
4、速度是描述过滤过程的关键！,一、过滤基本方程,第二节 表面过滤的基本理论,处理量：处理的流体流量或分离得到的纯流体量V（滤液量），单位为 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，单位为m2 过滤速度：单位时间通过单位面积的滤液量u,过滤过程的主要参数,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：,dt微分过滤时间, s dVdt时间内通过过滤面的滤液量, m3 A过滤面积, m2,（表观）,第二节 表面过滤的基本理论,（7.2.1）,过滤速度与推动力之间的关系可用下式Darcy 定律表示：,R
5、m：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,(7.2.2),(7.2.3) 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。,第二节 表面过滤的基本理论,假设每过滤1m3滤液得滤饼f，单位为m3,V：滤液体积，m3,第二节 表面过滤的基本理论,(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,(7.2.6),则：,或：,(7.2.8),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
6、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,r0：单位压差下滤饼的比阻，m-2 Pa-1； s：滤饼的压缩指数， 对于可压缩滤饼，s=0.20.8， 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：,假设,则：,令q=V/A，qe=Ve/A（qe称为过滤介质比当量滤液体积），则,(7.2.12)（滤饼过滤基本方程）,第二节 表面过滤的基本理论,(7.2.10),(7.2.11),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,第二节 表面过滤的基本理论
7、,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：,第二节 表面过滤的基本理论,(7.2.13b),若过滤介质阻力可忽略不计，则简化为：,如果恒压过滤是在滤液量已达到V1，即滤饼层厚度已累计到L1的条件下开始时，应如何计算？,K可通过实验测定。,积分时：时间0 t，滤液量V1V,第二节 表面过滤的基本理论,(7.2.14a),(7.2.14b),(7.2.15),如何应用恒压过滤方程？,设计型： 已知要处理的悬浮液量和推动力，求所需的过滤面
8、积。 操作型： 已知过滤面积和推动力，求悬浮液的处理量； 已知过滤面积和悬浮液的处理量，求推动力。,第二节 表面过滤的基本理论,(7.2.15),恒压过滤，若介质阻力可以忽略，滤饼不可压缩。 （1）过滤量增大一倍，则过滤速率为原来的 。（2）当操作压差增加1倍，过滤速率为原来的 倍，在同样时间内所得到的滤液量将增大到原来的 倍。,（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。,或,代入式（7.2.11）,第二节 表面过滤的基本理论,(7.2.16b),(7.2.16a),在恒速过滤方程中，过滤压差随时间是变化的，因此过滤常数K随时间t变化 。,若忽略过滤介
9、质阻力，则简化为:,或,第二节 表面过滤的基本理论,(7.2.18a),(7.2.18a),滤饼过滤基本方程,（一）恒压过滤,对于指定的悬浮液，K为常数,（二）恒速过滤,实际上过滤模式常常采用： 先恒速过滤后恒压过滤 在开始过滤时，以较低的恒速操作，避免颗粒穿透过滤介质。 当压差上升到给定数值后，再采用恒压过滤，直到过滤终止。 计算： 恒压过滤中的起始滤液量为恒速过滤末段的滤液量。,第二节 表面过滤的基本理论,第二节 表面过滤的基本理论,【例题7.2.2】用一台过滤面积为10m2的过滤机过滤某种悬浮液。已知悬浮液中固体颗粒的含量为60kg/m3，颗粒密度为1800 kg/m3。已知单位压差滤饼
10、的比阻为41011m-2pa-1，压缩指数为0.3，滤饼含水的质量分数为0.3，且忽略过滤介质的阻力，滤液的物性接近20的水。采用先恒速后恒压的操作方式，恒速过滤10min后，进行恒压操作30min，得到的总滤液的量为8m3。求最后的操作压差和恒速过滤阶段得到的滤液量。,?,?,?,第二节 表面过滤的基本理论,第二节 表面过滤的基本理论,恒压过滤中的起始滤液量为恒速过滤末段的滤液量V1,三、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：,第二节 表面过滤的基本理论,(7.2.19),（二）压缩指数s的计算,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
11、。,第二节 表面过滤的基本理论,(7.2.20),四、滤饼洗涤,在某些过滤操作中，为了去除或回收滤饼中残留的滤液或可溶性杂质，需要在过滤结束时，对滤饼进行洗涤。 洗涤过程需要确定的主要内容是计算洗涤速度和洗涤时间。,第二节 表面过滤的基本理论,五、过滤机生产能力的计算,过滤机的生产能力一般以单位时间得到的滤液量qV表示。 （一）间歇式过滤机 间歇式过滤机的每一个操作循环包括：,过滤tF,洗涤tW,卸料tD,假设在每个操作循环中过滤机的滤液量为V，则间歇式过滤机的生产能力为：,tT,第二节 表面过滤的基本理论,(7.2.26),+,+,=,例题,用叶滤机在等压条件下过滤某悬浮液，过滤开始后10m
12、in 和20 min ，获得累积滤液量分别为1.327m3/m2和1.882m3/m2，所得滤饼需用1/5滤液体积的清水等速洗涤（洗涤水粘度和滤液粘度相同），每操作一周的辅助时间为15min，问每周期的过滤时间多长时才能使叶滤机达到最大的生产能力?,等压过滤 1、qe、K，得到过滤方程。 2、通过等压过滤方程得到过滤时间3、等速过滤，洗涤时间4、过滤机单位过滤面积的生产能力为5、令 ，求得qV最大时的q,tFtwt,过滤加洗涤所需时间等于1/2周期,例：用一板框过滤机，对某种悬浮液进行恒压过滤，过滤时间为20min,得到滤液20m3, 滤饼不洗涤，拆装时间为15min,滤饼不可压缩，介质阻力可
13、忽略不计。 试求该机的生产能力，以m3(滤液)/h表示之。 如果将该机的过滤压力增加20%，拆装时间不变，试求该机的生产能力为多少m3(滤液)/h？,解：（1）,（2）介质阻力忽略不计： 过滤压力增加20%，过滤面积A、滤液量V不变,（二）连续式过滤机,生产能力的定义与间歇式过滤机相同。 一般在恒压下连续操作。 但连续式过滤机在生产周期的任一时刻，过滤机不同部位同时进行着过滤、洗涤、卸饼和清洗等操作。,第二节 表面过滤的基本理论,回转真空过滤机工作过程示意图,转筒真空过滤机的转速为n（r/s）,即旋转一周的时间为1/n (s)。 起过滤作用的是浸没在液体中的转筒表面，所对应的圆心角与2之比称为
14、浸没度。 浸没度等价于过滤时间在旋转周期中所占的比例，因此每个周期中有效的过滤时间为：,由式（7.2.13a）可求得每一周期可得的滤液量为：,生产能力为： ，单位为m3/s,第二节 表面过滤的基本理论,(7.2.29),(7.2.30),(7.2.31),例题7.2.4,?,?,?,?,?,n=0.0064/A=0.0064/0.005A,一分钟内形成的滤饼体积,转一圈形成的滤饼体积,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
15、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,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),一、流体通过颗粒床层的流动,（一）混合颗粒的几何特性,（二）颗粒床层的几何特性 1.颗粒床层的空
16、隙率,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。 非球形颗粒任意堆积时的床层空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 颗粒的比表面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,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.,3、颗粒床层的当量直径,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 流体在孔道内的流动可以看成是层流。,第三节
17、深层过滤的基本理论,床层空隙中的实际流速ul：,(7.3.9),Kozeny-Carmam方程,Kl 为Kozeny系数，与床层颗粒粒径、形状、床层空隙率等因素有关。 在床层空隙率0.30.5时，Kl5。,(7.3.11),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),如果Kl=5，则,式中, L滤料层厚度, m;运动黏滞系数，m/s
18、2,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),三、深层过滤的水力学,（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),习题7.2,恒压过滤,总物料衡算：V悬浮液=V+LA,颗粒体积衡算：0.1 V悬浮液=LA（1-）,习题7.3,（二）恒压过滤,对于指定的悬浮液，K为常数,（一）恒速过滤,0,V1=2m3,V,恒压过滤,恒速过滤,4
19、0min,20min,=4.47m3,习题7.8,板框压滤机， 过滤面积=2框长框宽框数 滤饼体积=框长框宽框厚框数,（1）滤框全充满时：,t=1233s,(2)恒速过滤,u为常数，K为变量。,初始时间，即t=0,q=0时，p=50.5kpa，K为恒压过滤方程中的K值。,K=5.1610-5m2/s,qe=0.02,框全充满时间：t=q/u,=0.232/0.00129=180s,?,(2)恒速过滤,K=6.5010-4m2/s,过滤结束时压差为：,?,(3)先恒速过滤：,后恒压过滤：,p=50.5kpa,t1=31s,q1=0.04m3/m2,？,？,？,？,t2=288s,t=319s,习题7.14,平均体积流量：,
