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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,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、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
2、天然纤维、玻璃纤维、合成纤维或金属丝编织而成。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
3、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。,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
4、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？
5、(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,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：,dt微分过滤时间,s dVdt时间内通过的滤液量,m3
6、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：,过程速率=过程推动力/过程阻力,又：Rm=rmLm；Rc=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,假设每过滤 1m3 滤液，产生滤饼量 f m3，,V：滤液体积，m3,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
7、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与p有关。,单位压差下滤饼的比阻，m-2 Pa-1,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。,代入,故：,令 q=V/A，qe=Ve/A,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、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，
8、K为常数。,忽略过滤介质阻力,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？,积分时：时间0 t，滤液量V1V,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；已知过滤面积和悬浮液处理量，求推动力。,（二）恒速过滤,特点：K不为常数，,忽略过滤介质阻力,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
9、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进行积分求解。,1、恒压过滤常数K，qe的测定,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qe。,2、压缩指数s的测定,在不同过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。,【例题】采用边长0.24m0.23m小型板框对某固体粉末与水的悬浮液进行过滤实验
10、。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。,（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,：2.8110-4，0.0458；：5.5910-4，0.0270；：6.8410-4，0.0238,（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s0.363。,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
11、洗涤面积洗涤液量,洗涤时间：,式中下标W表示洗涤操作,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,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。,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,tw校正后的洗涤时间，s；tw
12、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；pw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,常见滤板与滤框,一个操作循环的工作过程,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
13、-10、14格：吸干区；12-13格：洗涤区；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：,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
14、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转周期（1/n）中所占的比例，故每周期的有效过滤时间为：,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：,每周期滤液量为：,生产能力：,恒压过滤时：,忽略介质阻力:,转筒真空过滤机转速高生产能力大；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
15、成？(2)表面过滤的过滤速度与推动力和阻力的关系如何 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
16、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
17、：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：,筛分实验：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:
18、,Vpi ai,若混合颗粒平均直径为dpm，,Vp a,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。,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。ab与a之间的关系如下：,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
19、)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，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：,取
20、面积1m2，厚度1m的颗粒床层为基准，据简化模型,则颗粒床层的当量直径为：,与床层空隙率和颗粒尺寸有关,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。,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；流体黏度，Pa s；l孔通道的平均长度，m。,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
21、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：,在计算颗粒床各参数关系式中，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，,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。,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
22、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，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
23、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。,三、深层过滤的水力学,过滤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：,阻力损失：,式中：L滤料层厚度，m；运动黏滞系数，m/s2,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,随着过滤
24、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,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,(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？,
