环境工程原理 第07章过滤

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：•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。•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。三、过滤分类第一节过滤操作的基本概念(1)过滤过程在环境工程领域有哪些应用？(2)环境工程领域中的过滤过程，使用的过滤介质主要有哪些？(3)过滤的主要类型有哪些？(4)表面过滤和深层过滤的主要区别是什么？本节思考题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图第二节表面过滤的基本理论带式脱水机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！推动力其他因素一、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，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p过滤压差相应的滤液量为V过滤速度u定义为：ddVuAtdt——微分过滤时间,sdV——dt时间内通过过滤面的滤液量,m3A——过滤面积,m2Lm（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：mc()puRRRm：过滤介质过滤阻力,1/mRc：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/m2Rm=rmLm；Rc=rL(7.2.2)mm()purLrL(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m3fVLAfVLAV：滤液体积，m3第二节表面过滤的基本理论(7.2.4)……(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mmerLrL(7.2.6)eefVLA(7.2.7)2edd()VAptrfVVedd()VApuAtrfVV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-2Pa-1；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sprr0经验式：(7.2.9)将比阻计算式代入式（7.2.8），得：10ed()sVApAdtrfVV假设102spKrf则：edd2()VKAAtVV令q=V/A，qe=Ve/A（qe称为过滤介质比当量滤液体积），则edd2()qKtqq(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。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2e002()ddVtVVVKAt22e2VVVKAt(7.2.13a)e002()ddqtqqqKt2e2qqqKt(7.2.13b)若过滤介质阻力可忽略不计，则简化为：tKAV22Ktq2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。L1V1积分时：时间0t，滤液量V1V第二节表面过滤的基本理论(7.2.14a)(7.2.14b)2221e1()2()VVVVVKAt(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【例题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22eqqqKt3211101100.1qm3/m2，1560300ts32210.6101.6100.1qm3/m2，2600ts代入过滤方程得222e1102110300qK（1）222e1.61021.610600qK（2）联立（1）、（2）两式可以求得2e0.710qm3/m2，60.810Km2/s因此，22620.7100.810qqt，当31560900ts,则：2263320.7100.810900qq，解得：232.07310qm3/m2所以223320.12.073101.6100.10.47310qqm3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。utqAutV或ddVVAtAt常数代入式（7.2.11）2edd2()VKAtVV第二节表面过滤的基本理论(7.2.16b)(7.2.16a)22e2KVVVAt或2e2Kqqqt(7.2.17b)(7.2.17a)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。若忽略过滤介质阻力，则简化为:tAKV222或tKq22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1800kg/m3。已知滤饼的比阻为4×1011m-2，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。解：设恒速过滤阶段得到的滤液体积为V1，根据恒速过滤的方程式（7.2.18a），得2122102sKAtpAtVrf第二节表面过滤的基本理论滤液的物性可查得：黏度μ=1×10-3Pa·s，密度为998.2kg/m3，根据过滤的物料衡算按以下步骤求得f：已知1m3悬浮液形成的滤饼中固体颗粒质量为60kg，含水的质量分数为0.3，所以滤饼中的水的质量y为：0.360yy，所以25.7ykg，所以滤饼的体积为6025.70.0591800998.2m3，滤液体积为10.0590.941m3，所以0.0590.06270.941f所以12220.730.7131101010602.394101104100.0627spAtVpprf（1）第二节表面过滤的基本理论在恒压过滤阶段，应用式（7-2-15），2221VVKAt122220.720.713110210306081.436101104100.0627spAtVpprf（2）联立（1）、（2）式，得2121641.43660.2394VV，所以，求得恒速过滤的滤液体积13.02Vm3，进而求得恒压过滤的操作压力51.310pPa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：e12tqqqKKt/qq2qe/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102spKrfBpsKlg)1(lg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)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洗涤速度是单位时间通过单位洗涤面积的洗涤液量：wddVAt洗涤液在滤饼层中的流动过程与过滤过程类似。洗涤速度与过滤终了时的滤饼层状态有关。若洗涤压力与过滤终了时的操作压力相同，则洗涤速度与过滤终了时速度之间有如下近似关系：终＝、w——滤液、洗涤液的黏度，Pa·s；L、Lw——过滤终了时滤饼层厚度、洗涤时穿过的滤饼层厚度，m第二节表面过滤的基本理论(7.2.21)如果洗涤液走的路径和过滤终了时的路径完全相同，洗涤液黏度和滤液黏度亦相同，则：wF,ddddVVAtAt终设洗涤液用量为Vw，则洗涤时间为第二节表面过滤的基本理论(7.2.23)(7.2.24)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：FWDVVqttttT第二节表面过滤的基本理论(7