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1、第九章 过 滤第一节 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 二、过滤介质 粒状颗粒：具有一定形状的固体颗粒，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。粒状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。 织物介质：又称滤布，如棉、麻、丝、毛、合成纤维、金属
2、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。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。 真空过滤：在真空下进行过滤，如水处理中的真空过滤机 。 压力差过滤：在加压条件下进行过滤，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 一、表
3、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 介质滤膜慢滤池 带 式 脱 水 机水二、过滤基本方程主要特征：随着过滤过程的进行，悬浮液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 其它因素过滤过程的主要参数：处理量：处理的悬浮液流量或分离得到的纯净滤液量V(m3).过滤推动力：由流
4、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过滤速率：单位时间得到的滤液量。某一过滤时间t时的过滤状态 p 过滤 压差 相应的过滤滤液为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 ）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/mRc：滤饼层过滤阻力, 1/m假设rm，r分别为过滤别为过滤 介质质和滤饼层滤饼层 的过滤过滤 比阻, 1/m2 Rm= rmLm；Rc= rL (9.2-2)(9.2
5、-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。 则：或 ：(9.2-9)假设每过滤1m3滤液得滤饼c（m3） V：滤液体积(m3)另外，可把过滤介质的阻力转化成厚度为Le的滤饼层阻力 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，对于可压缩滤饼，s=0.20.8，对于不可压缩滤饼，s=0 经验式：将比阻计算式代入式（9-2-9），得：假设则：令q=V/A，qe=Ve/A（
6、qe称为过滤介质比当量滤液体积），则 (9.2-13)（滤饼过滤基本方程）K？过滤常数：与滤饼的颗粒性质、悬浮液浓度 、滤液粘度以及滤饼的可压缩性有关。qe：过滤介质特性参数 (9.2-12)三、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(9.2-12)或式(9.2-13)进行积分：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。 L1V1积分时：时间从0 t，滤液量V1V 如何应用恒压过滤方程？
7、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。（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。 或或恒速过程方程中的过滤常数K随时间t变化 代入式（9-2-12）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，避免颗粒穿透滤布。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四、过滤常数的测定 1. 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
8、 斜率 1/K 2. 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 应得K，由上式可得s。第三节 深层过滤的基本理论 一、深层过滤过程通常发生在以粒状颗粒为滤料 的过滤操作中。滤料内部孔隙大于颗粒粒径。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 中的流动规律举例：水处理中的快滤池、空气净化中的袋式除尘器、口罩 深层过滤一般适用于流体中颗粒含量少的场合。二、流体通过颗粒滤料层的流动在深层过滤中，滤料床层是由一定大小和形状的粒状颗粒组成。 （一）混合颗粒的几何特性1.粒度分布筛分实验： 混合颗粒的累计粒度分布曲线 大小2
9、.混合颗粒的平均粒径通常定义：比表面积等于混合颗粒的比表面积的颗粒直径对于球形颗粒，取1kg密度为p的混合颗粒，其中粒径为dp,i 的颗粒的质量分数为xi，则混合颗粒的表面积为： 假设混合颗粒的平均直径为dpm，则 对于非球形颗粒 ： （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 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 床
10、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。 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 度成正比颗粒床层的当量直径为： 取面积1m2，厚度为1m的颗粒床层为基准，则颗粒床层的当量直径为： 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（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
11、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；液体粘度，Pa s；l孔通道的平均长度，m。 颗粒床层的空床流速u ： V时间t秒内流过的液体体积，m3；A垂直于流向的颗粒床层表面积，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 ： 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，与颗粒粒 度、形状和孔隙率等因素有关 。 2.颗粒床层的阻力 颗粒床层比阻
12、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；二是为阻碍流体流动的阻力rL：(1)流体粘度；(2)颗粒床层的性质r及厚度L。 三、深层过滤过程中颗粒的运动颗粒进入滤料内部后，主要包括以下几个行为： (1)迁移行为：颗粒偏离流线运动到滤料内部孔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孔隙内表面。 (2)附着行为：影响附着的作用力有：静电作用力（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
13、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。 四、深层过滤的水力学 （一）清洁滤料床层的水头损失 式中，h0清洁滤料层的水头损失，m；L滤料层厚度,m运动粘滞系数，cm/s2 如果Kl=5，则对于非均匀滤料的实际滤层，计算水头损失时：可以按筛分曲线分成若干微小滤料层，取相邻两层的 筛孔孔径的平均值作为各层的计算粒径。假设粒径为dp,i的滤料重量占全部滤料重量之比为pi，则清洁滤料层的总水头损失为： （二）运行过程中滤料床层的水头损失 随着过滤时间的延长，滤层中截留的悬浮物量逐渐增多， 滤层孔隙率逐渐减少。如果孔隙率减少，则在水头损失不变条件下，滤速将降低 。反之，如果滤速保持不变，水头损失将增加。对等速过滤，任意过滤时间t时的滤料层的总水头损失水头 损失进行介绍。 小 结 表面过滤和深层过滤的特点 过滤基本方程的建立与计算 过程基本方程的应用 过滤常数的测定方法
