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、细微离子、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
2、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。 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：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。
3、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，如水处理中的压力滤池 。 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。 三、过滤分类 第一节 过滤操作的基本概念 一、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 被过滤的颗粒粒 径较小的情况 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
4、等） 滤饼过滤 多孔性 介质 第二节 表面过滤的基本理论 转筒真空过滤机 回转真空过滤机工作过程示意 第二节 表面过滤的基本理论 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。 过滤速度是描述过滤过程的关键！ 推动力 其它因素 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(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
5、(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 p 过滤 压差 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 Lm （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： 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,单位厚 度过滤介质或滤饼层的阻力， 1/m2 Rm= rmLm；Rc= rL (7.2.2) (7
6、.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。 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） V：滤液体积(m3) 第二节 表面过滤的基本理论 (7.2.5) (7.2.8) 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)(7.2.7) 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
7、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 经验式： (7.2.9) 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 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。
8、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 (7.2.13a) (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。 L1 V1 积分时：时间从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
9、动力。 第二节 表面过滤的基本理论 第二节 表面过滤的基本理论 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。 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) 或(7.2.17b)(7.2.17a) 在恒速过程方程中，过滤压差随时间是变化， 因此过滤常数K随时间t变化 若忽略过滤介质阻力，则简化为: 或 第二节 表面过滤的基本理论 (7.2.18a)(7.2.18a) 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
10、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 第二节 表面过滤的基本理论 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： t/q q 2qe/K 斜率 1/K 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。 第二节 表面过滤的基本理论 (7.2.20) (1)表面过滤的过滤阻力由哪些部分组成。 (2)表面过滤的过滤速度与推动力和阻力的关
11、系如 何表示。 (3)过滤常数与哪些因素有关。 (4)哪些因素影响滤饼层比阻。 本节思考题 第二节 表面过滤的基本理论 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
12、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 混合颗粒的累计粒度分布曲线 大 小 称量筛留物，计 算在混合颗粒中 的质量分数。 第三节 深层过滤的基本理论 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： 单颗粒比表面积 单位体积颗粒所具 有的表面积 第三节
13、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 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
14、位体积颗粒所具有的表面积 第三节 深层过滤的基本理论 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主要与颗粒尺寸有关，颗粒尺寸愈小，床层的比表面愈 大。 (7.3.4) 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。 与床层厚 度成正比 l=L 第三节 深层过滤的基本理论 按照确定非圆形管道当量直径的方法，颗粒床层的当量直径定 义为： 取底面积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
15、， 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。 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。 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； 流体粘度，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
16、) 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： 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) 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
17、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
18、作用力（静电斥力或静电引力） 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 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
19、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的滤料重量占全部滤料重量之比为pi，则清 洁滤料层的总阻力损失为： 阻力损失的影响因素？ 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) 了解悬浮物在滤料床层中的分布及累积过程。 过滤水头损失的时间变化 第三节 深层过滤的基本理论 总水头损失/Ht 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 深层过滤的基本理论 作业：7.1，7.7
