环境工程原理第07章过滤(NXPowerLite)

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1、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 类主 要 内 容第 一 节 过 滤 操 作 的 基 本 概 念 悬 浮 液(滤 浆 )滤 饼过 滤 介 质 滤 液过 滤 方 式 很 多 ， 适 用 广 泛 ， 固 -液 、 固 -气 、 大 、 小 颗粒 等 。 无 论 采 用 何 种 过 滤 方 式 ， 均 需 过 滤 介 质 ， 过 滤介 质 是 影 响 过 滤 操 作 重 要 因 素 。一 、

2、 过 滤 过 程过 滤 操 作 的 外 力 ： 重 力 、 压 力 差 或 惯 性 离 心 力 。 在 外 力 作 用 下 ， 使 流 体 通 过 多 孔 介 质 孔 道 而 将 固体 颗 粒 截 留 ， 从 而 实 现 固 体 颗 粒 与 流 体 的 分 离 。 过 滤 介 质 多 孔 物 质 ；滤 浆 (料 浆 ) 被 处 理 的 悬 浮 液 ；滤 饼 (滤 渣 ) 截 留 的 固 体 颗 粒 ；滤 液 通 过 滤 饼 及 过 滤 介 质 的 液 体 二 、 过 滤 介 质织 物 介 质 ： 又 称 滤 布 (网 )， 由 天 然 纤 维 、 玻 璃 纤 维 、 合 成 纤维 或 金 属

3、丝 编 织 而 成 。 截 留 几 十 微 米 颗 粒 。多 孔 材 料 ： 如 素 瓷 、 烧 结 金 属 或 玻 璃 、 多 孔 塑 料 、 滤 纸 和 压紧 的 毡 与 棉 等 。 介 质 较 厚 ， 孔 道 细 ， 截 留 13m微 小 颗 粒 。固 体 颗 粒 床 层 ： 由 沙 、 木 炭 等 固 体 颗 粒 (滤 料 )堆 积 而 成 ， 称作 滤 床 ， 应 用 在 各 类 滤 池 中 ， 使 含 少 量 悬 浮 物的 液 体 澄 清 。多 孔 膜 ： 由 特 殊 工 艺 合 成 的 聚 合 物 薄 膜 ， 常 见 的 是 醋 酸 纤 维膜 与 聚 酰 胺 膜 ， 膜 过 滤

4、属 精 密 过 滤 ， 可 分 离 5nm 微 粒 。起 支 撑 滤 饼 作 用 ， 并 让 滤 液 通 过 ， 基 本 要 求 是 具 有 足够 的 机 械 强 度 、 尽 可 能 小 的 流 动 阻 力 ， 耐 腐 蚀 和 耐 热 三 、 过 滤 方 式1、 滤 饼 过 滤 (表 面 过 滤 )： 过 滤 介 质 为 织 物 、 多 孔 材 料 或 膜 等 ， 孔 径 可 大 于最 小 颗 粒 的 粒 径 。 过 滤 初 期 ， 部 分 小 颗 粒 可 以 进 入 或穿 过 介 质 的 小 孔 ， 后 因 颗 粒 的 架 桥 作 用 使 介 质 的 孔 径缩 小 形 成 有 效 的 阻 挡

5、 。 截 留 在 介 质 表 面 的 颗 粒 形 成 滤 渣 层 （ 滤 饼 ） ，随 滤 饼 的 形 成 ， 真 正 起 过 滤 介 质 作 用 的 是 滤 饼 ， 而非 过 滤 介 质 本 身 ， 故 称 作 滤 饼 过 滤 。 主 要 用 于 含 固 量 较 大（ 1%） 的 场 合 。慢 滤 池 ; 袋 滤 器 ; 压 滤 机 。 2、 深 层 过 滤 ： 过 滤 介 质 一 般 为 介 质 层 较 厚 的 滤 床 (如 沙 层 、 硅 藻土 等 )。 小 于 介 质 孔 隙 的 颗 粒 可 进 入 到 介 质 内 部 ， 在 长而 曲 折 的 孔 道 中 被 截 留 并 附 着 于

6、介 质 之 上 。 深 层 过 滤 无 滤 饼 形 成 ， 主 要 用 于 净 化 含 固 量 较 少（ 0.1%） 的 流 体 ， 如 水 的 净 化 、 烟 气 除 尘 等 。 过 滤 介 质 深 层 过 滤 示 意 图 在 拦 截 、 惯 性 碰 撞 、 扩散 沉 淀 等 作 用 下 ， 颗 粒物 最 终 附 着 在 介 质 表 面快 滤 池 等 。 为 降 低 可 压 缩 滤 饼 的 过 滤 阻 力 ， 可 加 入 助 滤 剂 改变 滤 饼 的 结 构 。 助 滤 剂 是 某 种 质 地 坚 硬 而 能 形 成 疏 松饼 层 的 固 体 颗 粒 或 纤 维 状 物 质 ， 有 两 种

7、加 法 ： 一 是 直接 将 其 混 入 悬 浮 液 ； 二 是 预 涂 于 过 滤 介 质 上 。 一 般 只 有 在 以 获 得 清 净 滤 液 为 目 的 时 才 使 用 助 滤剂 。 常 用 的 助 滤 剂 有 粒 状 （ 硅 藻 土 ， 珍 珠 岩 粉 ， 碳 粉或 石 棉 粉 等 ） 和 纤 维 状 （ 纤 维 素 、 石 棉 等 ） 两 大 类 。四 、 滤 饼 的 压 缩 性 和 助 滤 剂滤 饼 不 可 压 缩 滤 饼 : 颗 粒 具 有 一 定 刚 性 ， 形 成 的 滤 饼不 因 受 到 压 力 而 变 形 。 可 压 缩 滤 饼 : 颗 粒 较 软 ， 形 成 的 滤

8、饼 在 压 差 作 用下 易 变 形 ， 导 致 滤 饼 中 通 道 变 小 ，阻 力 增 大 。 (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

9、 滤 机 生 产 能 力 的 计 算主 要 内 容第 二 节 表 面 过 滤 的 基 本 理 论 掌 握 过 滤 过 程 的 基 本 计 算 、 过 滤 常 数 及 其 测 定 ，掌 握 过 滤 机 生 产 能 力 的 计 算 。 主 要 特 征 ： 过 滤 是 一 种 不 稳 定 流 动 过 程 ， 随 过 滤 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 厚 度 ： 随 过 滤 时 间 的 延 长 而 增 厚 ， 其 增 厚 速 率 与过 滤 所 得 滤 液 量 成 正 比 。过 滤 速 度 ： 由 于 滤

10、 饼 厚 度 增 加 ， 过 滤 速 度 逐 渐 减 小 。 一 、 过 滤 基 本 方 程过 滤 速 度 u定 义 为 ： d dVu A t dt微 分 过 滤 时 间 , s dVdt时 间 内 通 过 的 滤 液 量 , m3 A过 滤 面 积 , m2 表 观 Rm： 过 滤 介 质 过 滤 阻 力 , 1/mRc： 滤 饼 层 过 滤 阻 力 , 1/m过 滤 速 度 与 推 动 力 间 的 关 系 可 用 Darcy 定 律 表 示 ： m c( )pu R R 过 程 速 率 =过 程 推 动 力 /过 程 阻 力 表 面 过 滤 过 程 示 意 图 p 过 滤压 差 LL 滤

11、饼L m过 滤介 质 又 ： Rm= rmLm； Rc= rL m m( )pu r L rL Ruth 过 滤 方 程rm， r 过 滤 介 质 和 滤 饼 层 的 过 滤 比 阻 ， m-2， 单 位 厚 度 过 滤 介 质 或 滤 饼 层 的 阻 力 ；Lm， L 过 滤 介 质 和 滤 饼 层 厚 度 ， m。把 过 滤 介 质 阻 力 转 化 成 厚度 为 Le的 滤 饼 层 阻 力 ， Le为过 滤 介 质 的 当 量 滤 饼 厚 度 m m er L rL eLLr pu 假 设 每 过 滤 1m3 滤 液 ， 产 生 滤 饼 量 f m3 ，fV LA fVL A V： 滤 液

12、 体 积 ， m3 ee fVL A edd ( )V A pu A t r f V V 则 ：同 理 ， 生 成 厚 度 Le的 滤 饼 获 得 过 滤 介 质 的 当 量 滤 液 体积 用 Ve表 示 过 滤 过 程 中 饼 厚 L 难 以 直 接 测 定 ， 而 滤 液 体 积 V易 于 测 量 ， 故 用 V 计 算 过 滤 速 度 更 为 方 便 。 滤 饼 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 作 用下 不 变 形 ， r与 p无 关 。可 压 缩 滤 饼 ： 在 压 力 作 用 下 易 变 形 ， r

13、与 p有 关 。单 位 压 差 下 滤 饼 的比 阻 ， m-2 Pa-1 sprr 0经 验 式 ： 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 。 edd ( )V A pu A t r f V V 代 入 故 ： 10 ed ( )sV A pAdt r f V V 102 spK r f edd 2( )V KAA t V V 令 q=V/A， qe=Ve/A edd 2( )q Kt q q 滤 饼 过 滤 基 本 方 程令 K 过 滤 常 数 ， 与 滤 饼 的 颗 粒 性 质 、悬 浮 液 浓 度

14、、 滤 液 黏 度 、 滤 饼 的可 压 缩 性 有 关 ， 由 实 验 测 定 。qe： 过 滤 介 质 特 性 参 数 二 、 过 滤 过 程 的 计 算 过 滤 计 算 的 基 本 问 题 ： 确 定 过 滤 速 度 与 推 动 力 、阻 力 等 因 素 的 具 体 关 系 。 1、 恒 压 过 滤 ：对 指 定 悬 浮 液 ， K为 常 数 。 edd 2( )V KAA t V V edd 2( )q Kt q q 2e0 02( )d dV tV V V KA t e0 02( )d dq tq q q K t 2 2e2V VV KA t 2 e2q qq Kt tKAV 22

15、Ktq 2忽 略 过 滤介 质 阻 力 过滤阻力过滤推动力 AdtdVu 如 果 恒 压 过 滤 的 滤 液 量 已 达 到 V1， 即 滤 饼 层 厚 度 已 累计 到 L1 的 条 件 下 开 始 ， 如 何 计 算 L1V1积 分 时 ： 时 间 0 t， 滤 液 量 V1V 2 2 2 1 e 1( ) 2 ( )V V V V V KA t 如 何 应 用 恒 压 过 滤 方 程 ？设 计 型 ： 已 知 悬 浮 液 量 和 推 动 力 ， 求 所 需 过 滤 面 积 。操 作 型 ： 已 知 过 滤 面 积 和 推 动 力 ， 求 悬 浮 液 处 理 量 ； 已 知 过 滤 面 积

16、 和 悬 浮 液 处 理 量 ， 求 推 动 力 。 （ 二 ） 恒 速 过 滤特 点 ： K不 为 常 数 ， 常 数 AtV过 滤 阻 力过 滤 推 动 力 AdtdVu edd 2( )V KAA t V V edd 2( )q Kt q q 忽 略 过 滤介 质 阻 力dtAKdVVVV 20 t0e 2)( dtKdqqqq 0 t0e 2)(2 2e 2KV VV A t 2 e 2Kq q q t tAKV 22 2 tKq 22 讨 论 ：要 保 持 恒 速 则 过 滤 压 差 (推 动 力 )需 随 滤 饼 增 厚 或 累 积滤 液 量 增 加 而 增 加 ， 过 滤 结 束

17、 阶 段 操 作 压 力 会 过 高 。实 际 操 作 中 常 常 采 用 ： 先 恒 速 过 滤 后 恒 压 过 滤过 滤 开 始 时 ， 以 较 低 的 恒 速 操 作 ， 以 便 在 过 滤 介 质 上平 稳 、 均 匀 地 形 成 滤 饼 ， 减 少 颗 粒 穿 透 量 、 避 免 初 滤液 浑 浊 或 网 孔 堵 塞 。 进 入 滤 饼 过 滤 阶 段 ， 压 差 上 升 到一 定 值 后 ， 即 转 入 恒 压 过 滤 直 至 过 滤 终 止 。这 种 过 滤 操 作 可 分 段 进 行 计 算 ， 也 可 根 据 p 随 V 的 变化 关 系 直 接 由 过 滤 基 本 方 程

18、进 行 积 分 求 解 。 1、 恒 压 过 滤 常 数 K， qe的 测 定 e1 2t q qq K K 三 、 过 滤 常 数 的 测 定 对 恒 压 过 滤 ， 过 滤 积 分 方 程 改 写 为 ： 测 出 不 同 过 滤 时 间 t内 的 滤液 量 q (按 单 位 面 积 计 )， 在 直 角坐 标 系 中 绘 制 t/q 与 q 的 函 数 关系 ， 得 到 一 直 线 。 由 斜 率 求 K， 由 截 距 求 q e。 t/q q 2qe/K 斜 率1/K 2 e2q qq Kt 2、 压 缩 指 数 s的 测 定102 spK r f BpsK lg)1(lg在 不 同 过

19、 滤 压 差 下 做 过 滤 实验 ， 求 相 应 K， K与 p的 关系 在 对 数 坐 标 上 是 一 条 直 线 ，直 线 的 斜 率 为 (1-s)， 可 得 s。 lgK lg p 斜 率(1 s) 实 验 序 号 过 滤 压 强 差 p/MPa 0.1 0.3 0.4滤 液 体 积 V/m3 过 滤 时 间 /s0.00 0 0 00.01 74.0 29.6 22.60.02 214.3 95.1 74.50.03 448.0 205.2 170.70.04 756.2 351.7 285.80.05 1120.2 530.8 423.2【 例 题 】 采 用 边 长 0.24m

20、 0.23m小 型 板 框 对 某 固 体 粉 末 与水 的 悬 浮 液 进 行 过 滤 实 验 。 悬 浮 液 固 体 含 量 25kg/m3， 温 度为 20 。 测 定 过 滤 压 差 p为 0.1、 0.3、 0.4MPa下 不 同 过 滤时 间 所 得 滤 液 量 见 下 表 。 求 ： （ 1） 各 p下 的 过 滤 常 数 K及 过 滤 介 质 的 当 量 滤 液 qe； （ 2） 滤 饼 压 缩 指 数 s。 实 验 序 号 过 滤 压 差 p/ 0.1 0.3 0.4V/m3 q/m3m-2 t t/q t t/q t t/q0.01 0.104 74.0 711.5 29.

21、6 284.6 22.6 217.30.02 0.208 214.3 1030.3 95.1 457.2 74.5 358.20.03 0.31 448.0 1445.2 205.2 661.9 170.7 550.60.04 0.416 756.2 1817.8 351.7 845.4 285.8 687.00.05 0.520 1120.2 2167.7 530.8 1020.8 423.2 813.8（ 1） 计 算 q与 t/q， 绘 出 t/q q图 ， 得 三 条 直 线 。读 取 直 线 斜 率 和 截 距 可 求 得 K、 qe ： 2.81 10 -4， 0.0458； ：

22、5.59 10-4， 0.0270； ： 6.84 10-4， 0.0238 （ 2） 将 三 次 实 验 的 K和 p数 据 绘 制 于 双 对 数 坐 标 上 ， 读 取 直 线 斜 率 ， 求 得 s 0.363。 四 、 滤 饼 洗 涤 回 收 滞 留 在 颗 粒 缝 隙 间 的 滤 液 ， 或 去 除 滤 饼 中 的 可 溶性 杂 质 ， 洗 涤 操 作 大 多 具 有 恒 速 恒 压 的 特 点 。洗 涤 速 度 :单 位 时 间 通 过 单 位 洗 涤 面 积 洗 涤 液 量 wddVA t 洗 涤 时 间 ： w w wddVt Vt 式 中 下 标 W表 示 洗 涤 操 作

23、若 洗 涤 压 力 与 过 滤 终 了 时 的 操 作 压 力 相 同 ， 洗 涤液 与 滤 液 的 粘 度 大 致 相 等 ， 则 洗 涤 速 度 与 过 滤 终 了 时速 度 之 间 存 在 一 定 的 关 系 ， 它 取 决 于 特 定 过 滤 设 备 上采 用 的 洗 涤 方 式 。 连 续 过 滤 机 及 叶 滤 机 等 采 用 置 换 洗 涤 法 ， 洗 水 与 过滤 终 了 时 滤 液 流 过 的 路 径 基 本 相 同 ， 洗 涤 与 过 滤 面 积 也相 同 ， 洗 涤 速 率 大 致 等 于 过 滤 终 了 时 的 过 滤 速 率 ， 即 2w F 2 edV dV KAd

24、t dt V V 板 框 过 滤 机 采 用 横 穿 洗 涤 法 ， 洗 水 横 穿 两 层 滤 布 及 整个 厚 度 的 滤 饼 ， 流 径 长 度 约 为 过 滤 终 了 时 滤 液 流 动 的两 倍 ， 而 洗 水 流 通 面 积 仅 为 过 滤 面 积 的 一 半 。 终F,w )(2)( ee LLLL AA 21w 2w F12 8 edV dV KAdt dt V V 若 洗 水 粘 度 、 洗 水 表 压 与 滤 液 粘 度 、 过 滤 压 力 差 有 明显 差 异 时 ， 所 需 洗 涤 时 间 可 按 下 式 进 行 校 正 ， 即 wwww pptt tw校 正 后 的

25、洗 涤 时 间 ， s； tw未 经 校 正 的 洗 涤 时 间 ， s；w洗 水 粘 度 ， Pas；p过 滤 终 了 时 的 推 动 力 ，Pa； p w洗 涤 推 动 力 ， Pa。 五 、 过 滤 设 备 间 歇 过 滤 机 ： 板 框 过 滤 机 和 叶 滤 机连 续 过 滤 机 ： 转 筒 真 空 过 滤 机操 作方 式结 构 ： 由 若 干 交 替 排 列 的 滤 板 、 滤 框 与 夹 于 板 框之 间 的 滤 布 叠 合 组 装 压 紧 而 成 。1、 板 框 过 滤 机滤 板 滤 框滤 布 滤 板滤 布 滤 布滤 框 滤 布 常 见 滤 板 与 滤 框 一 个 操 作 循

26、环 的 工 作 过 程 2、 转 筒 真 空 过 滤 机 设 备 的 主 体 是 一 个 能 转 动 的 水 平 圆 筒 ， 其 表 面 有 一层 金 属 网 ， 网 上 复 盖 滤 布 ， 筒 的 下 部 侵 入 滤 浆 中 2、 转 筒 真 空 过 滤 机 转 筒 及 分 配 头 的 结 构a 转 筒 ； b 滤 饼 ； c 割 刀 ； d 转 动 盘 ； e 固 定 盘 ； f 走 滤 液 的 真 空凹 槽 ； g 吸 走 洗 水 的 真 空 凹 槽 ； h 通 入 压 缩 空 气 的 凹 槽1-7格 ： 过 滤 区 ； 8-10、 14格 ： 吸 干 区 ； 12-13格 ： 洗 涤

27、区 ；16-17格 ： 吹 松 区 ； 11、 15、 18格 ： 不 工 作 。 六 、 过 滤 机 生 产 能 力 一 个 操 作 循 环 ： 过 滤 洗 涤 卸 饼 、 清 洗 滤 布 、 组 装时 间 ： tF tW tD生 产 能 力 为 ： F W DV Vq t t t 一 般 以 单 位 时 间 得 到 的 滤 液 量 qV 表 示 ， 当 以 滤 饼 为产 品 时 也 可 用 单 位 时 间 得 到 的 滤 饼 量 来 表 示 。1、 间 歇 式 过 滤 机滤 液 量 ： qV 0 0一 个 循 环 总 时 间 ： tT=tF+tW+tD 生 产 中 应 尽 量 缩 短 辅

28、助 操 作 时 间 以 提 高 生 产 能 力 。注 意 ： 恒 压 操 作 过 滤 速 率 随 过 滤 时 间 增 长 而 下 降 ， 合 理 选择 每 个 循 环 中 的 过 滤 时 间 ， 可 得 到 最 大 的 生 产 能 力 。 2、 连 续 式 过 滤 机 特 点 : 过 滤 ， 洗 涤 ， 卸 饼 等 操 作 是 在转 筒 表 面 的 不 同 区 域 同 时 进 行 ， 即在 转 筒 回 转 一 周 过 程 中 起 过 滤 作 用的 表 面 所 占 比 例 是 一 定 的 。以 转 速 n（ 转 /分 ） 匀 速 旋 转 的 过 滤 机 ， 又 等 价 于 过滤 时 间 在 旋

29、转 周 期 （ 1/n） 中 所 占 的 比 例 ， 故 每 周 期的 有 效 过 滤 时 间 为 ： 2将 这 种 分 区 概 念 等 价 转 换 为 浸 没 度 ， 即 浸 没 在 料 浆中 的 转 筒 表 面 所 对 应 的 圆 心 角 与 2之 比 ： Ft n 每 周 期 滤液 量 为 ： 2 2 2 2F e e e eV KA t V V KA V Vn 生 产 能 力 ：恒 压 过 滤 时 ： F2e2 2 tKAVVV sVVnKAnnVq ee /m 322v snKAnKAnq /m 32v 忽 略 介 质 阻 力 : 转 筒 真 空 过 滤 机 转 速 高 生 产 能

30、力 大 ； 实 际 操 作 中转 速 一 般 不 会 超 过 3转 /分 。 原 因 是 转 速 较 高 时 形 成 的滤 饼 薄 且 含 液 率 高 ， 不 仅 会 增 加 卸 除 滤 饼 的 难 度 ， 也将 影 响 滤 饼 质 量 和 滤 液 收 率 。 这 样 就 把 回 转 真 空 过 滤 机 部 分 转 鼓 表 面 的 连 续 过 滤 转换 为 全 部 转 鼓 表 面 的 间 歇 过 滤 ， 恒 压 过 滤 方 程 仍 适 用 。 (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

31、 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 ？(5) 过 滤 介 质 的 比 当 量 滤 液 量 的 物 理 意 义 是 什 么 ？本 节 思 考 题第 二 节 表 面 过 滤 的 基 本 理 论 (6) 恒 压 过 滤 和 恒 速 过 滤 的 主 要 区 别 是 什 么 ？(7) 如 何 通 过 实 验 测 定 过 滤 常 数 、 过 滤 介 质 的 比 当 量 滤 液 量 和 压 缩 指 数 ？(8) 洗 涤 过 程 和 过 滤 过 程 有 什 么 关 系 ？(9) 间 歇 式 过 滤 机 和 连 续 式

32、 过 滤 机 的 相 同 点 和 不 同 点 是 什 么 ？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 学主 要 内 容掌 握 流 体 通 过 颗 粒 床 层 的 流动 、 深 层 过 滤 过 程 中 悬 浮 颗粒 的 运 动 特 性 。 深 层 过 滤 是 利 用 过 滤 介 质 间 的 空 隙 进 行 过 滤 的 过程 ， 实 际 上 是 流 体 通 过 颗 粒 过 滤 介 质 床 层 的 流

33、 动 过 程 众 多 固 体 颗 粒 堆 积 而 成 的 静 止 的 颗 粒 床 层 称 为 固 定床许 多 化 工 操 作 都 与 流 体 通 过 固 定 床 的 流 动 有 关 ， 其 中常 见 的 有 ： （ 1） 固 定 床 反 应 器 (组 成 是 粒 状 或 片 状 催 化 剂 ) （ 2） 悬 浮 液 的 过 滤 (组 成 是 悬 浮 液 中 的 固 定 颗 粒 堆 积而 成 的 滤 饼 )深 层 过 滤 一 般 适 用 于 流 体 中 颗 粒 含 量 少 的 场 合 。 深 层 过 滤 在 水 处 理 中 的 应 用水 处 理 中 的 加 压 砂 滤 器 、 快 滤 池 快 滤

34、 池 一 、 流 体 通 过 颗 粒 床 层 的 流 动颗 粒 与 流 体 之 间 的 相 对 运 动 特 性 与 颗 粒 本 身 的 特 性密 切 相 关 。（ 一 ） 混 合 颗 粒 的 几 何 特 性1、 粒 度 分 布混 合 颗 粒 滤 料 单 颗 粒 粒 径 不 同 粒 度 分 布 筛 分 法标 准 筛 ： 是 由 一 系 列 筛 孔 孔 径 递 增 (0.045mm4.0mm)、筛 孔 为 正 方 形 的 金 属 丝 网 组 成 ， 筛 网 上 每 英 寸 长 度 的孔 数 为 筛 号 ， 国 内 将 其 称 之 为 目 数 。 累 计 粒 度 分 布 曲 线 ： 大小筛 分 实

35、验 ： 将 一 套 标 准 筛 按 筛 孔 上 大 下 小 的 顺序 叠 在 一 起 ， 将 称 重 后 的 颗 粒 样 品 放 在 最 上 面的 筛 子 上 ， 整 套 筛 子 用 振 荡 器 振 动 ， 不 同 粒 度的 颗 粒 分 别 被 截 留 在 各 号 筛 网 面 上 。 称 量 各 号筛 网 上 的 筛 留 物 ， 计 算 其 在 混 合 颗 粒 中 的 质 量分 数 ， 即 可 得 到 样 品 的 粒 度 分 布 。 2、 混 合 颗 粒 的 平 均 粒 径 颗 粒 比 表 面 对 流 体 通 过 固 定 床 的 流 动 影 响 最 大 ， 常以 比 表 面 积 相 等 的 原

36、 则 定 义 混 合 颗 粒 的 平 均 直 径 dpm。 若 密 度 为 p的 单 位 质 量 混 合 球 形 颗 粒 中 ， 粒 径 为 dpi颗 粒 的 质 量 分 率 为 xmi ， 则 混 合 颗 粒 的 表 面 积 为 : p mp1m iid xd pipmi d6xA Vpi ai若 混 合 颗 粒 平 均 直 径 为 dpm， pmp d61A Vp a p me1m iVid xd 对 于 非 球 形 颗 粒 （ 二 ） 颗 粒 床 层 的 几 何 特 性 流 体 流 过 颗 粒 床 层 时 ， 其 流 动 特 性 与 颗 粒 床 层 的 一下 几 何 特 性 有 关 。

37、床 层 体 积颗 粒 体 积床 层 体 积床 层 体 积床 层 空 隙 体 积 1、 颗 粒 床 层 的 空 隙 率表 示 床 层 中 颗 粒 堆 积 的 疏 密 程 度 ， 紧 密 ， 阻 力 。2、 颗 粒 床 层 的 比 表 面 床 层 的 比 表 面 积 ab： 单 位 体 积 的 床 层 中 颗 粒 的 表面 积 。 a b与 a之 间 的 关 系 如 下 ： b (1 )a a ab与 颗 粒 尺 寸 有 关 ， 颗 粒 尺 寸 愈 小 ， 床 层 比 表 面 愈 大 。 3、 颗 粒 床 层 的 当 量 直 径 L P当 流 体 通 过 固 定 颗 粒 床 层 时 ， 由 于 颗

38、 粒大 小 不 均 匀 ， 形 状 不 规 则 ， 所 形 成 的 通道 是 弯 曲 、 变 截 面 、 纵 横 交 错 的 网 状 结构 ， 造 成 直 接 计 算 流 动 阻 力 的 困 难 。 合 理 简 化 过 程 ， 建 立 物 理 模 型 是 工 程问 题 处 理 方 法 之 一 。 (1) 简 化 的 依 据 ： 过 程 的 特 殊 性 爬 流 流 体 通 过 颗 粒 层 的 流 动 一 般 很 缓 慢 ， 呈 爬 流 状 态 ，不 存 在 边 界 层 脱 体 。 因 此 ， 流 动 压 降 主 要 来 自 表 面 摩擦 ， 只 与 流 体 通 道 的 表 面 积 成 正 比 ，

39、 与 通 道 的 形 状 几乎 无 关 ， 亦 即 只 与 颗 粒 的 表 面 积 成 正 比 ， 与 颗 粒 形 状无 关 。 (2) 合 理 简 化 将 复 杂 、 不 规 则 的 网 状 通 道 简 化 为许 多 管 径 为 deb， 长 度 为 Leb的 平 行 细 管 。(3) 本 质 近 似 （ 等 效 ） 简 化 不 能 失 真 ， 简 化 的 物 理 模 型 与实 际 过 程 在 本 质 上 要 近 似 （ 等 效 ） 。 在 此 体 现 为 ：1） 细 管 长 度 与 床 层 厚 度 成 正 比 ；2） 在 相 同 的 u条 件 下 ， 两 者 的 P相 同 ；3） 细 管

40、的 内 表 面 积 等 床 层 颗 粒 的 全 部 表 面 积 ；4） 细 管 的 全 部 流 动 空 间 等 于 颗 粒 床 层 的 空 隙 体 积 。 颗 粒 床 层 的 当 量 直 径 定 义 为 ： eb 4 4 4d 流 道 截 面 积 流 道 截 面 积 流 道 长 度 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 1m的 颗 粒 床 层 为 基 准 ， 据 简 化 模 型 1流 道 容 积 a)1(1 床 层 比 表 面 积床 层 体 积流 道 表 面 积 eb 4(1 )d a 则 颗 粒 床 层 的 当 量 直

41、径 为 ：与 床 层 空 隙 率 和 颗 粒 尺 寸 有 关 对 于 非 球 形 颗 粒 e eeb 4 46(1 ) 6(1 )a vd dd dea： 等 比 表 面 积 当 量 直 径deV： 等 体 积 当 量 直 径： 形 状 系 数 （ 三 ） 流 体 在 颗 粒 床 层 中 的 流 动 1、 流 动 速 度 根 据 上 述 简 化 模 型 ， 流 体 在 颗 粒 床 层 中 流 动 可 以看 成 是 在 小 孔 道 管 束 中 流 动 ， 而 流 体 在 孔 道 内 的 流 动可 以 看 成 是 层 流 。 流 动 速 度 可 以 用 哈 根 一 泊 肃 叶 定 律 来 描 述

42、。 u l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 黏 度 ， Pa s；l孔 通 道 的 平 均 长 度 ， m。 2ebl 32 d pu l 颗 粒 床 层 的 空 床 流 速 u： ddVu A tdVdt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 实 际 流 速 ul与 空 床 流 速 u 间 关 系 如 下 ： l uu 在 计 算 颗 粒 床 各

43、参 数 关 系 式 中 ， 所 涉 及 的 流 速 都 是流 体 的 空 床 流 速 （ 表 观 流 速 ） ， 即 用 流 体 体 积 流 速除 以 反 应 器 截 面 积 求 得 。 但 许 多 流 体 力 学 行 为 与 实际 流 速 即 空 隙 速 度 有 关 ， 实 际 流 速 由 体 积 流 速 除 以实 际 通 过 的 截 面 积 求 得 。 实 际 流 通 截 面 就 是 反 应 器截 面 积 减 去 颗 粒 所 占 面 积 得 出 的 空 隙 面 积 。 按 简 化 模 型 ， 孔 通 道 长 度 l与 颗 粒 床 层 厚 度 L成 正 比 ， 3 2 2(1 )l pu K

44、 a L 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 0.3 0.5时 ， Kl 5。 2、 颗 粒 床 层 的 阻 力 2 2l 3(1 )K ar 颗 粒 床 层 比 阻 RprLpu 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。

45、 与 颗 粒 床 颗 粒 大小 和 孔 隙 率 有 关通 过 试 验 求 得 1、 迁 移 行 为 ：颗 粒 进 入 滤 料 内 部 后 ， 主 要 包 括 以 下 几 个 行 为 ： 二 、 深 层 过 滤 过 程 中 悬 浮 颗 粒 的 运 动 颗 粒 偏 离 流 线 运 动 到 滤 料 内 部 空 隙 表 面 推 动 力 包 括 ： a. 扩 散 作 用 (布 朗 运 动 )， 对 1m 的 颗 粒 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 ，

46、 使 颗 粒 偏 离 流 线 而 运 动 到 滤 料 表 面 。 2、 附 着 行 为 ： 3、 脱 落 行 为 ： 影 响 附 着的 作 用 力影 响 附 着 颗 粒脱 落 主 要 因 素 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 。静 电 作 用 力 (静 电 斥 力 或 静 电 引 力 )范 德 华 引 力 1、 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 。 3 2 2l(1 ) pu K a L 三 、 深 层 过 滤 的 水 力 学过 滤

47、水 力 学 是 指 过 滤 过 程 中 流 体 通 过 滤 料 层 时 流速 和 水 头 损 失 的 变 化流 速 计 算 ： 22 2 2l l0 3 3 e(1 ) (1 ) 136 VK a Kh Lu Lug g d 阻 力 损 失 ：式 中 ： L滤 料 层 厚 度 ， m； 运 动 黏 滞 系 数 ， m/s2 22 2l0 0 3 1(1 ) 136 ( / )n i piiKH h Lu p dg 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 相 邻 两 层的 筛 孔

48、孔 径 的 平 均 值 作 为 各 层 的 计 算 粒 径 。 假 设 粒 径 为 dpi的 滤 料 质 量 占 全 部 滤 料 质 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 第 三 节 深 层 过 滤 的 基 本 理 论 2、 运 行 过 程 中 滤 料 床 层 t 0 t 0H H K u t 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 空 隙 率 减 少 ， 在 阻 力 损

49、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 失式 中 ： Kt 实 验 系 数 ； 0过 滤 原 液 的 固 体 浓 度 。 减 少 或 消 除 滤 料 表 层 堵 塞 的 措 施 ： p261过 滤 水 头 损 失 的 时 间 变 化o dst 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 ？

50、(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 (5) 悬 浮 颗 粒 在 床 层 中 的 运 动 包 括 哪 些 主 要 行 为 ？(6) 流 体 在 深 层 过 滤 中 的 水 头 损 失 如 何 变 化 ， 主 要 存 在 哪 些 变 化 情 况 ？(7) 如 何 防 止 滤 料 表 层 的 堵 塞 ， 为 什 么 ？