华北理工环境工程原理教案第7章 过滤.docx
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1、课程名称:环境工程原理摘要第七章过滤第一节过滤操作的基本概念一、过滤过程二、过滤介质三、过滤分类第二节表面过游的基本理论一、过滤基本方程二、过漉过程的计算三、过滤常数的测定四、滤饼洗涤五、过漉机生产能力第三节深层过漉的基本理论一、深层过滤中悬浮颗粒的运动二、流体通过颗粒床层的流动三、深层过滤的水力学本讲的要求及重点难点:【目的要求】要求学生了解过滤过程、过滤介质、过滤分类;了解滤饼洗涤速度和过滤时间的计算;了解流体通过颗粒床层的流动情况和影响因素,理解深层过滤过程中悬浮颗粒的运动情况。掌握恒压、恒速过滤的相关计算,能够进行空床流速、操作压差、滤饼厚度、颗粒床层高度的相关计算,了解深层过滥的水头
2、损失的计算方法。【重点】表面过滤中恒压过滤、恒速过滤的相关计算,深层过滤中空床流速、操作压差、滤饼厚度、颗粒床层高度的相关计算0【难点】表面过滤中恒压过滤、恒速过滤的相关计算,深层过滤中空床流速、操作压差、滤饼厚度、颗粒床层高度的相关计算0内容【本讲课程的引入】分离过程包括机械分离和传质分离。机械分离是针对非均相混合体系,比如沉降、过滤,分别为第六、七章内容;传质分离是针对均相混合体系,包括平衡分离过程(如第八章吸收,第九章吸附,第十章中的萃取)和速率分离过程(第十章的离子交换、膜分离)。下面学习机械分离中的过渡。【本章课程的内容】第七章过漉7-1过滤操作的基本概念一、过滤过程过滤是非均相混合
3、物的分离方法,包括液体和气体混合物。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。过滤操作在工业上应用非常广泛,在环境工程领域也是极为重要的分离手段。(D应用于分离液体非均相混合物,如水处理中的滤池、污泥脱水用的真空过滤机和板框式压滤机等;(2)也可用于分离气体非均相混合物,如袋式除尘器、颗粒层除尘器等。(3)也可应用于细菌、病毒和高分子物质的分离。本章侧重讨论液体非均相混合物的分离,其基本理论对气体非均相混合物的过滤也是适用的。二、过滤介质过滤介质有很多种,在工业应用中常用的过滤介质包括以下几类:1 .固体颗
4、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。前者如石英砂、无烟煤、磁铁矿粒等;后者如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。2 .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。根据编织方法和网孔的疏密程度的不同,滤布所能截留的颗粒的粒径范围很广,可从几十微米到1微米。3 .多孔固体介质:如素烧陶瓷板或管、烧结金属板或管等。这类过滤介质较厚,孔道细,过滤阻力较大。4 .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。过滤介质可根据待分离混合物中颗粒含量、粒度分布、性质和分离要求
5、的不同来选择。过滤设备形式不同,采用的过滤介质也不同。三、过滤分类1 .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渡介质进行过滤,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,如水处理中的压滤漉池。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漉介质,从而实现与颗粒物的分离。2 .按过滤机理分:有表面过滤和深层过滤,过滤机理将在第二、三节重点讨论。【本节小结】要求学生了解过滤过程、过滤介质、过滤分类。7-2表面过滤的基本理论表面过滤中采用的过滤介质的孔-般要比待()7-1-
6、1(b)过滤流体中的固体颗粒粒径小,过滤时这些固体颗粒被过滤介质截留,并在其表面逐渐积累成滤饼,如图7-1-1中的(a),此时沉积的滤饼亦起过滤作用。因此表面过滤又称滤饼过滤。实际上,表面过滤所用的过渡介质的孔不一定都小于待过滤流体中所有的颗粒物粒径。刚开始过滤时,小颗粒可能会进入过滤介质孔道内,但随着过滤的进行,细小的颗粒会在过滤介质的孔道内发生架桥,从而形成滤饼,如图7-1-1中的(b)。其后,逐渐增厚的滤饼层成为真正有效的过滤介质。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,如给水处理的慢滤池、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)、大气除尘中的袋滤
7、器等均为表面过滤设备。一、过滤基本方程1 .表面过渡的特征表面过滤的主要特征是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。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。由于滤饼层厚度的增加,过滤速度在过滤过程中是变化的。过滤速度是描述过滤过程的关键,关系到过滤机的生产能力。2 .过滤过程的主要参数(1)处理量:处理的流体流量或分离得到的纯流体量V(M)(2)过滤推动力:由流体位差、压差或离心力场造成的过滤压差AP(3)过滤面积:表示过滤设备的大小(m2)(4)过渡速度:单位时间通过单位面积的滤液量u二、过滤过程的计算aa算的基本内容是确定滤液量与
8、由觑WW和/SiA滤处差题之2间=的AC底。按操作条件的不同,一般分两种情况进行计算:恒压过滤和恒速过滤。(一)恒压过滤在恒压过滤过程中,过滤压差自始自终保持恒定。对于指定的悬浮液,K为常数。过滤方程为:V2+2We=KA2I(7.2.13a)q2+2qqe=Kt(7.2.13b)式中,V滤液量,m3;A过滤表面积,m?;t过滤时间,s;q单位过滤面积得到的滤液量mVm2;K过滤常数,可通过实验测定;Ve、qc过滤介质特性参数。、式中,”一-大滤饼压缩指数;K=-Tj湎M4.Pas;网r.潴恸的比WLf一一得到Im、的滤液产生的滤饼体积。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
9、量已达到VI,即滤饼层厚度已累计到Ll的条件下开始时,应如何计算?(V2-V12)+2,(V-V1)=KA2I(7.2.15)例7.2.1在实验室中用过滤面积为O.In?的滤布对某种水悬浮液逃小行过滤试验,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Cf+2qqe=Ktq,-一=1X10-2m3m2,=5X60=300sOl_O.=6XIO-2m3m2,1-600SOI代入过滤方程得(1XIO2)2+2XIXIO2,=300/C(1)(1.6XIO2)2+2X1.6XIO*2=600A:(2)联
10、立两式可以求得qe-0.7XIO2m3m2,K=O.8X106m3m2s因此,+2X0.7XIO2=0.8X106Z,当4二15X60=9005s,则:?+2X0.7XIO2=0.8XIO6X900,解得:%=2.073X10-2m3m2所以(%-%)xl=(2.073XIO-2-1.6X102)X0.1=0.473X10-3m3因此可再得到的滤液为0.473Lo(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。KKV2+VVe=A2r(7.2.17a或q2+qqe=t(7.2.17b)9)若忽略过滤介质阻力,则简化为:V2=KA2I或q2=31)在恒速过程方程
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