环境工程实验

过滤实验

一、实验目的

1、了解滤料级配方法

2、熟悉过滤实验设备的过滤、反冲洗过程

3、验证清洁砂层水头损失与滤速成正比

4、加深对过滤基本规律的理解

二、实验原理及设备

在水处理技术中，过滤是通过具有空隙的粒状滤料层（如石英砂等）截留水中的悬浮物和胶体，从而使水得到澄清的工艺工程。滤池的形式有多种多样，以石英砂为滤料的普通快滤池使用历史最久，并在此基础上发展出现了双层滤池、多层滤池和上向流过滤等。

过滤的作用，不仅可以截留水中的悬浮物，而且通过滤层还可以把水中的有机物、细菌乃至病毒等随着浊度降低而被大量的去除，净水的原理如下：

1、阻力截留

当污水流过颗粒状滤料层时，粒径较大的悬浮物颗粒首先被截留在表层的滤料的空隙中，随着此层滤料间的空隙越来越小，截污能力也越来越大，逐渐形成一层主要由被截留的固体颗粒构成的滤膜，并由他起到重要的过滤作用。这种作用属于阻力截留或筛滤作用。悬浮物粒径越大，表层滤料和滤速越小，就越容易形成表层筛滤膜，滤膜的截污能力也越高。

2、重力沉降

污水通过滤料层时，众多的滤料表面提供了巨大的沉降面积。重力沉降强度主要与滤料的直径以及过滤速度有关。滤料越小，沉降面积越大，滤速越小，水流越平稳，这些都有利于悬浮物的沉降。

3、接触絮凝

由于滤料具有巨大的比表面积，它与悬浮物质间有明显的物理吸附作用。此外，沙粒在水中常常带有表面负电荷，能吸附带正电荷的胶体，从而在滤料表面形成带正电荷的薄膜，并进而吸附带负电荷的粘土和多种有机物等胶体，在沙粒上发生接触絮凝。

在实际过滤过程当中，上述三种机理往往同时起作用，只是随着条件不同而有主次之分。对粒径较大的悬浮物颗粒，以阻力截流为主，因为这一过程主要发生在滤料的表面，通称成为表面过滤。对于细微的悬浮物，以发生在滤料深层的重力沉降和接触絮凝为主，称为深层过滤。

在过滤当中，滤料起着核心的作用，为了取得良好的过滤效果，滤料应具有一定级配。滤料级配是指将不同粒径的滤料按一定的比例组合。滤料是带棱角的颗粒，不是规则的球体，所说的粒径是指把滤料颗粒包围在内的球体直径（这是一个假想直径）。在生产中，简单的筛分方法是用一套不同孔径的筛子筛分滤料试样，选取合适的级配。我国现行的规范是采用0.5mm和1.2mm孔径的筛子进行筛选，取其中段，这种方法虽然简单易行，但却不能反映滤料粒径的均匀程度，因此还应该考虑级配的情况。

能反映级配状况的指标是通过筛分曲线求得的有效粒径d10、d80和不均匀系数K80。d10时表示通过滤料重量10%的孔径，它反映滤料中细颗粒的尺寸，即产生水头损失的“有效”部分尺寸；d80时表示通过滤料重量80%的孔径，它反映滤料中粗颗粒的尺寸；K80=d80/d10。K80越大，表示粗细颗粒的尺寸相差越大，滤料粒径越不均匀，这样的滤料对过滤及反冲洗

均不利。尤其是反冲洗的时候，为了满足率料粗颗粒的膨胀要求就会使细颗粒因为过大的反冲洗强度而被冲走；反之，若为了满足细颗粒不被冲走而减小冲洗强度，粗颗粒可能因为冲不起来而得不到充分的清洗。所以，滤料需要经过筛分以求得适宜的级配。 在研究过滤过程的有关问题时，常常涉及到孔隙度的概念，其计算方法为：

V

V m n

=

式中：m —滤料孔隙度（%） V n —滤料层孔隙体积（m 3） V —滤料层体积（m 3） 滤层的水头损失，与滤料的孔隙度，过滤速度，水的性质等诸多因素有关，一般认为，在其他条件一定的情况下，水头损失与过滤速度呈线性关系。 为了保证滤后的水质和过滤速率，当过滤一段时间后，需要对滤层进行反冲洗，使滤料层在短时间内恢复工作能力。反冲洗流量增大后，滤料层完全膨胀，处于流态化状态。根据滤料层膨胀前后的厚度就可求出膨胀度：

%100*0

L L L e -=

式中：L —砂层膨胀后的厚度（m ） L 0—砂层膨胀前的厚度（m ） 反冲洗的强度的大小决定了滤料层的膨胀度，膨胀度的大小直接影响了反冲洗的效果。

碱液吸收二氧化硫实验

一实验目的：

本实验采用填料吸收塔，用5%NaOH或Na2CO3溶液吸收SO2。通过实验可初步了解用填料塔的吸收净化有害气体的实验研究方法，同时还有助于加深理解在填料塔内气液接触状况及吸收过程的基本原理。通过实验要达到以下目的：

1．了解用吸收法净化废气中SO2的效果；

2．改变气流速度，观察填料塔内气液接触状况和液泛现象；

3．测定填料塔的吸收效率及压降；

4．测定化学吸收体系（碱液吸收SO2）的体积吸收系数。

二实验原理

1、填料塔流体力学特性：

气体通过干填料层时，流体流动引起的压降和湍流流动引起的压降规律相一致。

在双对数坐标系中用压降对气速作图得到一条斜率为1.8-2的直线（图中aa线）而有喷淋量时，在低气速时（C点以前）压降也比例于气速的1.8-2次幂，但大于同一气速下干填料的压降（图中bc段）。随气速增加，出现载点（图中c点），持液量开始增大，压降-气速线向上弯曲，斜率变大，（图中cd段）。到液泛点（图中d点）后在几乎不变的气速下，压降急剧上升。

测定填料塔的压降和液泛速度，是为了计算填料塔所需动力消耗和确定填料塔的适宜制作范围，选择合适的气液负荷。

2、传质实验：

填料塔与板式塔内气液两相的接触情况有着很大的不同。在板式塔中，两相接触在各块塔板上进行，因此接触是不连续的。但在填料塔中，两相接触是连续地在填料表面上进行，需计算的是完成一定吸收任务所需填料高度。填料层高度计算方法有传质系数法、传质单元法以及等板高度法。总体积传质系数K Ya是单位填料体积、单位时间吸收的溶质量。它是反映填料吸收塔性能的主要参数，是设计填料高度的重要数据。

本实验是用NaOH或Na2CO3溶液吸收空气-二氧化硫混合气体中的二氧化硫。吸收方式为化学吸收。通过实验，得到以浓度差为推动力的体积吸收系数（K ya）：

Q---------通过填料塔的空气量[kmol/h];

h---------填料层高度[m];

A---------填料塔的截面积[m2];

y1、y2-----进出填料塔气体中SO2的比摩尔分率；

Δy m-------------对数平均推动力；

其中

p A1、p A2--进出塔气体中SO2的分压力[Pa];

P--------吸收塔气体的平均压力[Pa];

因为吸收反应为极快不可逆反应，吸收液面上SO2的平衡浓度y*可看作为零。则对数平均推动力（Δy m）可表示为：

由上面公式可得到以分压差为推动力的体积吸收系数（K Ga）的计算公式为：

以上式中：

Q---------通过填料塔的空气量[kmol/h];

h---------填料层高度[m];

A---------填料塔的截面积[m2];

y1、y2-----进出填料塔气体中SO2的比摩尔分率； p A1、p A2-----进出塔气体中SO2的分压力[Pa];

P----------吸收塔气体的平均压力[Pa];

实验三 阻力系数的测定实验

（一）实验名称：沿程阻力系数的测定

实验目的：（1）测定不同雷诺数Re 时的沿程阻力系数λ；

（2）掌握沿程阻力系数的测定方法。

实验原理：对I 、Ⅱ两断面列能量方程式，可求得L 长度上的沿程水头损失

h P P h f ?=-

=

γ

γ

2

1

根据达西公式

g

V d L h f 22

??=λ 可直接测得流量，并算出断面平均流速，即可求得沿程阻力系数λ。

2

2

22V h

L gd LV gdh f ??=

=

λ 令

2;2V

h

k k L gd ??==λ则 实验设备：多功能水力学实验台，秒表

参考实验步骤：

1、准备工作

⑴记录仪器常数d 、L ，并算出k 值。

⑵检查测压计管3、4测面是否水平（此时Q=0），如果不在同一水平面上，必须将橡皮管内空气排尽，使两测压管的测面处于水平状态。

⑶关闭测点1、2、5、6、7、8、9、10的小阀门 ⑷打开大阀门2、4、5、9、10 ⑸关闭大阀门3、6、7、8 2、进行实验

⑴开泵，打开秒表，此时测压管3、4中应出现较小高差。

⑵缓慢调节大阀门2，使3、4测压管中压差出现最大，记录最大压差值。关闭泵，记录此时时间，记录计量箱内水的体积。

实验数据处理：

注意事项：

1、若3、4测压管中液位较高，可用压气球从13号测压管中打压，使液位降至中部，以增大量测范围。

2、如出现测压管冒泡现象，不必惊慌，可把大阀门10全开，或停泵重做。

思考题：

1.本实验的理论依据是什么？

2.如何使沿程阻力系数的测定结果与实际相符？

实验四文丘里流量计校正实验

一、实验目的：

1、在文丘里管收缩段和扩张段，观察压力水头、速度水头沿程的变化规律，加深对伯努利方程的理解。

2、了解文丘里流量计的工作原理。

3、掌握文丘里管流量系数的测定方法。

二、实验装置：

稳压水箱、压差板、测点、供水箱、供水泵、文丘里、

上水管、溢流管、计量水箱、回水管、实验桌等。

三、实验原理及方法（P69）：

原理：利用在管道中造成流速差，引起压强变化，通过

压差的量测来求出流速和流量。

组成：文丘里流量计由渐缩管、喉管、渐扩管三部分所

组成。

当主管水流通过此流量计时，由于喉管断面缩小，流速增加，压强相应减低，用压差计测定压强水头的变化△h，即可计算出流速和流量。

取1、2两渐变流断面，写理想流体能量方程式：

g

v p g v p 20202

2

2211

+

+=++γγ 移项得：h g

v g v p p ?=-=-222

12

22

1γγ

由连续性方程可得：

42121

2222112)()(d d

v v d d v v =?=

代入能量方程得：

1)(222)(4

2

112

121421-?=

??=-d d h

g v h g

v g v d d

流量为：1)(24

4

4

212

1211

-?=

=d d h

g d d v Q π

π

对于一定的流量计，令1)(24

42

12

1-=

d d

g d K π

由于推导过程采用了理想流体的力学模型，求出的流量值较实际为大。为此，乘以μ值来修正。μ值根据实验确定，称为文丘里流量系数。它的值约在0.95~0.98之间，则：

h K Q ?=μ

注意：在文丘里流量计的喉管中，或在某些水流的局部区域中，由于出现巨大的流速，会发生压强在该处局部显著地降低，可能达到和水温相应的汽化压强，这时水迅速汽化，使一部分液体转化为蒸汽，出现了蒸汽气泡的区域，气泡随水流流入压强较高的区域而破灭，这种现象称为空化。

空化限制了压强的继续降低和流速的增大，减少了流通面积，从而限制了流量的增加，影响到测量的准确性。空化现象在设计中是必须注意避免的。空化现象对水力机械的有害作用称为气蚀。 四、实验步骤

1. 侧记各有关常数。

2. 打开电源开关，全关阀12，检核测管液面读数h1－h2＋h3－h4是否为０，不为０时，需查出原因并予以排除。

3. 全开调节阀１２检查各测管液面是否都处在滑尺读数范围内？否则，按下列步序调节：拧开气阀８／将清水注入测管２、３／待h2＝h3≈24cm ，打开电源开关充水／待连通管无气泡，渐关阀12，并调开关３／至h1＝h2≈28.5cm ，既速拧紧气阀８。

4. 全开调节阀门12，待水流稳定后，读取各测压管的液面读数h1、h2、h3、h4，并用秒表、量筒测定流量。

5. 逐次关小调节阀，改变流量７～９次，重复步骤４，注意调节阀门应缓慢。

6. 把测量值记录在实验表格内，并进行有关计算。

7. 如测管内液面波动时，应取时均值。

8. 实验结束，需按步骤２校核压差计是否回零。

五、实验记录表格

1 .记录计算有关常数。

d1= cm，d2= cm，

水温t= oC，υ=cm2/s，

水箱液面标尺值▽o＝cm,

管轴线高程标尺值▽＝cm。

2.整理记录计算表

2.5

六、实验分析

1. 本实验中，影响管流量系数大小的因素有哪些？哪个因素最敏感？

2. 为什么计算流量Q与实际流量Q不相等？

3. μ偏大（小）的原因是什么？

图２