篩分過濾實驗報告

1、篩分實驗一、實驗目的(1) 測定天然河砂的顆粒級配。(2) 繪制篩分級配曲線，求d0、d80、K80。(3) 按設(shè)計要求對上述河砂進行再篩選。二、實驗原理 濾料級配是指將不同大小粒徑的濾料按一定比例加以組合，以取得良好的過濾效果。濾料是帶棱角的顆粒，其粒徑是指把濾料顆粒包圍在內(nèi)的球體直徑(這是一個假想直徑)。在生產(chǎn)中簡單的篩分方法是用一套不同孔徑的篩子篩分濾料試樣，選取合適的粒徑級配。我國現(xiàn)行規(guī)范是以篩孔孔徑0.5 mm及1.2mm兩種規(guī)格的篩子過篩，取其中段。這雖然簡便易行但不能反映濾料孔徑的均勻程度，因此還應該考慮級配情況。能反映級配狀況的指標是通過篩分級配曲線求得的有效粒徑的d10以及d

2、80和不均勻系數(shù)K80。d10是表示通過濾料質(zhì)量10的篩孔孔徑，它反映濾料中細顆粒尺寸，即產(chǎn)生水頭損失的“有效”部分尺寸；d80系指通過濾料質(zhì)量80的篩孔孔徑，它反映粗顆粒尺寸；K80為d80與d10之比，即K80d80/d10。K80越大表示粗細顆粒尺寸相差越大，濾料粒徑越不均勻，這樣的濾料對過濾及反沖均不利。尤其是反沖時，為了滿足濾料粗顆粒的膨脹要求就會使細顆粒固過大的反沖強度而被沖走：反之，若為滿足細顆粒個被沖走的要求而減小反沖強度，粗顆?？赡芤驔_不起來而得不到充分清洗。故濾料需經(jīng)過篩分級配。三、實驗內(nèi)容3.1 實驗設(shè)備與試劑(1) 圓孔篩一套，直徑0.15-0.9mm，篩孔尺寸如表4-

3、1所示。(2) 托盤天平，稱量300g，感量0.1g。(3) 烘箱。(4) 帶拍搖篩機，如無，則人工手搖。(5) 淺盤和刷（軟、硬）。(6) 1000mL量筒。3.2 實驗步驟(1) 取樣。取天然河砂300g，取樣時要先將取樣部位的表層鏟去，然后取樣。將取樣器中的砂樣洗凈后放在棧盤中，將淺盤置于105恒溫箱中烘干，冷至室溫備用。(2) 稱取砂樣 200g，選用一組篩子過篩。篩子按篩孔大小順序排列，砂樣放在最上面的一只篩（1.68mm 篩）中。 (3) 將該組套篩裝入搖篩機，搖篩約 5min，然后將篩套取出，再按篩孔大小順序在潔凈的淺盤上逐個進行手篩，直至每分鐘的篩出量不超過試樣總量的 0.1%

4、時為止。通過的砂顆粒并入下一篩號一起過篩，這樣依次進行直至各篩號全部篩完。若無搖篩機，可直接用手篩。 (4) 稱量在各個篩上的篩余試樣的質(zhì)量（精確至 0.1g）。所有各篩余質(zhì)量與底盆中剩余試樣質(zhì)量之和與篩分前的試樣總質(zhì)量相比，其差值不應超過 1%。 (5) 將上述所得的各項數(shù)值填入表 4-1 中。四、數(shù)據(jù)記錄與整理表4-1 篩分記錄表篩號篩孔孔徑/mm留在篩上的砂量通過該號篩的砂量質(zhì)量/g/%質(zhì)量/g/%102.00 27.213.65 172.1 86.35 121.60 4.72.36 167.4 83.99 141.43 0.80.40 166.6 83.59 161.25 10.55.

5、27 156.1 78.32 240.80 22.711.39 133.4 66.93 320.58 6.93.46 126.5 63.47 600.30 82.541.39 44.0 22.08 800.20 22.511.29 21.5 10.79 砂樣篩分前總質(zhì)量/g200.0砂樣篩分后總質(zhì)量/g199.3由上表可以得知，共稱取200.0g河砂進行篩分，篩分后砂樣總質(zhì)量減少為199.3，與篩分前稱取質(zhì)量相比，其相對誤差為：=200.0-199.3200.0100%=0.35%前后質(zhì)量相差小于 1%，故實驗數(shù)據(jù)可用于理論分析。實驗誤差的可能來源有：篩分時有小部分砂粒卡在篩孔中，這部分取不出

6、的砂粒無法納入天平進行稱量，因此導致砂樣質(zhì)量損失。在將砂樣轉(zhuǎn)移到燒杯的過程中，可能有一小部分砂粒未能倒入燒杯中，從而使實驗稱量結(jié)果偏小。五、數(shù)據(jù)處理與分析5.1 相關(guān)計算1. 篩余百分率計算即用各篩號的篩余量除以試樣總質(zhì)量的百分率，計算結(jié)果記錄在表4-1中。以10號篩號為例，計算過程如下：10=172.1200.0100%=13.65%2. 通過各號篩的砂量百分率計算即用通過各篩號的砂量除以試樣總質(zhì)量的百分率，計算結(jié)果記錄在表4-1中。以10號篩號為例，計算過程如下：10=96.5100.0100%=96.5%10=27.2200.0100%=86.35%5.2 濾料篩分級配曲線的繪制根據(jù)表4

7、-1的相關(guān)數(shù)據(jù)，以篩孔孔徑為橫坐標、通過篩孔的砂量百分率為縱坐標，繪制濾料篩分級配曲線如圖5-1所示。圖5-1 濾料篩分級配曲線根據(jù)散點圖的分布特點選擇合適的曲線模型進行擬合，擬合函數(shù)的相關(guān)參數(shù)如表5-1所示。其相關(guān)系數(shù)R2=0.97257，極其接近1，說明曲線的擬合效果較好。表5-1 濾料篩分級配曲線擬合方程參數(shù)Equationy = A1exp(xt1) +y0Adj. R-Square0.981840ValueStandard Error通過篩孔的砂量y085.776792.77079通過篩孔的砂量A1-130.5611.78299通過篩孔的砂量t10.379020.05714代入表5-

8、1的參數(shù)數(shù)值可得濾料篩分級配曲線的擬合方程為y =-130.56exp(x0.37902) +85.77679當y = 10時，解得d10 = x 0.206mm當y = 80時，解得d80 = x 1.182mm故不均勻系數(shù)為K80=d80d10=1.1820.206=5.745.3 不均勻系數(shù)分析濾料的不均勻系數(shù)是指80%（按質(zhì)量計算）能通過篩孔孔徑（d80）的濾料，與10%濾料能通過的篩孔孔徑（d10）的濾料之比。不均勻系數(shù)越大表明濾料粒徑的分布越不均勻。濾池在反沖洗的過程中，濾料呈流化和膨脹狀態(tài)，沖洗完成后細小顆粒濾料積聚在濾床上部，大顆粒濾料沉到濾床底部，由上而下形成細-粗濾料濾床。

9、不均勻系數(shù)越大，形成粗細的差距就越明顯，這種濾料稱為級配濾料，級配濾料的不均勻系數(shù)K80一般為1.62.0。當不均勻系數(shù)過大時，濾料顆粒極不均勻，將影響過濾效果：一是使反洗操作困難。因為當反洗強度太大時，會帶出細小顆粒的濾料，造成濾料的流失。而當反洗強度太小時，又不能松動下部大塊濾料，長期下去，易造成濾層“結(jié)塊”，這樣會使過濾情況惡化。二是由于濾料顆粒大小不均勻，就會有細小的濾料顆粒。這些細小顆粒會因反洗等原因集中在濾層表面，結(jié)果又會使過濾下來的污物堆積在濾層表面，使過濾時的水頭損失增加太快，使過濾周期變短。本次篩分實驗測出的不均勻系數(shù)K80為5.74，遠遠大于設(shè)計要求（1.62.0），故需對

10、砂樣進行再篩選。5.4 濾料的再篩選濾料的再篩選是根據(jù)篩分級配曲線方程求得的數(shù)值進行的，方法如下：設(shè)設(shè)計要求d10=0.60 mm，K80=1.80，則d80=0.60 mm 1.80=1.08 mm，按此要求進行濾料再篩選。（1）先自橫坐標0.60 mm和1.08 mm 兩點各作一垂線與篩分曲線相交，自兩交點作與橫坐標相平行的兩條線與右邊縱坐標軸線相交于上下兩點。（如圖5-2中藍色線條和紅色方點所示。）（2）再以上面之點作為新的d80，以下面之點作為新的d10，重新建立新坐標。（圖5-2中兩紅色方點即分別為新的d80和新的d10。）圖5-2 濾料再篩分過程（3）找出新坐標原點和l00%點，由

11、此兩點向左方作平行于橫坐標的直線，并與篩分曲線相交，在此兩條平行線內(nèi)所夾面積是所選濾料，其余全部篩除。如圖5-3所示，兩綠色水平線即是新坐標系中的y = 0和y = 100，其在原坐標系中的值分別為y = 56.05和y = 83.55，圖中兩綠色水平線所夾部分為所選濾料，陰影部分為篩除部分。根據(jù)擬合方程y =-130.56exp(x0.37902) +85.77679當y = 56.05時，解得x 0.56mm當y = 83.55時，解得x 1.54mm則濾料粒徑在0.56-1.54 mm為再篩分實驗所選濾料，對應的篩子通過率分別為56.05%、83.55%。圖5-3 濾料再篩分結(jié)果六、思考

12、與討論1. 為什么d10稱“有效粒徑”？K80過大或過小各有何利弊？d10指10%的濾料（按質(zhì)量計）能通過的篩孔孔徑（mm）。經(jīng)過大量試驗資料統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，不均勻濾層的透水性與全部由這種濾料的累計含量為10的顆粒所組成的均勻濾層的透水性相當，因此d10被認為是能夠有效地反映濾層透水性的粒徑，即有效粒徑。K80指濾料的不均勻系數(shù)，即80（按質(zhì)量計）能通過篩孔孔徑(d80)的濾料，與10濾料能通過的篩孔孔徑(d10)的濾料之比。不均勻系數(shù)K80過大或過小對過濾及反沖均不利。K80越大，則大小顆粒間的差別越大，大小顆粒摻雜的結(jié)果，會降低濾料層的孔隙率，影響濾料層的含污能力和增加過濾時的阻力；K80越小，

13、大小顆粒間的差別越小，孔隙率增大，過濾阻力降低，影響過濾效果。至于反沖，為了滿足濾料粗顆粒的膨脹要求就會使細顆粒因過大的反沖強度而被沖走；反之，若為滿足細顆粒不被沖走的要求而減小反沖強度，粗顆粒可能因沖不起來而得不到充分清洗。故濾料需經(jīng)過篩分級配。2. 我國用dmin、dmax衡量濾料，與用d10、d80相比，有什么伏缺點？用dmin、dmax衡量濾料的優(yōu)點是dmin、dmax取值比較簡單，而d10、d80則需要多次篩分才能進行確定。其缺點是dmin、dmax因粒徑范圍較寬，對濾料粒徑不均勻性的反應程度不及d10、d80好，取值容易使K80偏大或偏小。3. 孔隙率大小對過濾有什么影響?孔隙率系

14、指濾料間空隙的體積大小與濾料堆積體積大小的比值。濾料孔隙率過大時，雜質(zhì)的穿透深度會隨之增大，過濾水頭損失增加緩慢，過濾周期可以延長，濾層截污能力較高，但懸浮雜質(zhì)易穿透；孔隙率過小時，過濾周期短，水流阻力較大，水頭損失增長較快。4. 濾料粒徑對過濾有什么影響?濾料粒徑應根據(jù)不同濾料和不同過濾情況具體選用，不宜過大或過?。簽V料粒徑過大，細小的懸浮物雜質(zhì)易穿過濾層，使其質(zhì)量不好；同時濾料粒徑過大，則反洗時不能使濾層充分松動，使反洗不徹底，沉積物和濾料易“結(jié)塊，因而產(chǎn)生過濾水流不均，使濾池很快失效；濾料粒徑過小，則水流阻力增大，使過濾水頭損失增加過快和過濾周期縮短，反洗水消耗量也會增加。過濾實驗一、實

15、驗目的(1) 熟悉普通快濾池過濾、沖洗的工作過程。(2) 加深對濾速、沖洗強度、濾層膨脹率、初濾水濁度的變化、沖洗強度與濾層膨脹率關(guān)系以及濾速與清潔濾層水頭損失的關(guān)系的理解。二、實驗原理快濾池濾料層能截留粒徑遠比濾料孔隙小的水中雜質(zhì)，主要通過接觸絮凝作用，其次為篩濾作用和沉淀作用。要想使過濾出水水質(zhì)好，除了濾料組成需符合要求外，沉淀前或濾前投加混凝劑也是必不可少的。 當過濾水頭損失達到最大允許水頭損失時，濾池需進行沖洗。少數(shù)情況下，雖然水頭未達到最大允許值，但如果濾池出水濁度超過規(guī)定要求，也需進行沖洗。沖洗強度需滿足底部濾層恰好膨脹的要求。根據(jù)運行經(jīng)驗，沖洗排水濁度降至 1020 度以下可以停

16、止沖洗。 快濾池沖洗停止時，池中水雜質(zhì)較多且未投藥，故初濾水濁度較高。濾池運行一段時間（約 510min）后，出水濁度始符合要求。時間長短與原水濁度、出水濁度要求、藥劑投量、濾速、水溫以及沖洗情況有關(guān)。如初濾水歷時短，初濾水濁度比要求的出水濁度高不了多少，或者說初濾水對濾池過濾周期出水平均 濁度影響不大時，初濾水可以不排除。清潔濾層水頭損失計算公式采用卡曼-康采尼（Carman-Kozony）公式。h0=180g1-0203(1d0)2L0v式中：h0水流通過清潔濾層水頭損失，cm；水的運動黏度，cm2/s；g重力加速度，981cm/s2；0濾料孔隙率；d0與濾料體積相同的球體直徑，cm；L0

17、濾層厚度，cm；v濾速，cm/s；濾料顆粒球度系數(shù)；天然濾料一般采用 0.750.80。當濾速不高，清潔濾層水流屬層流時，水頭損失與濾速成正比，兩者成直線關(guān)系；當濾速較高時，上式計算結(jié)果偏低，即水頭損失增加率超過濾速增長率。 為了保證濾池出水水質(zhì)，常規(guī)過濾的濾池進水濁度不宜超過 1015 度。本實驗采用投加混凝劑的直接過濾，進水濁度可以高達幾十以至百度以上。因原水加藥較少，混凝后不經(jīng)反應直接進入濾池，形成的礬花粒度小，密度大，不易穿透，故允許進水濁度較高。三、實驗內(nèi)容3.1 實驗設(shè)備與試劑(1) 過濾裝置1套；(2) 光電式濁度儀1臺；(3) 200ml燒杯2個，取水樣測濁度用；(4) 20m

18、l量筒1個，秒表1塊，測投藥量用；(5) 2m鋼卷尺1個，溫度計1個。3.2 實驗步驟作濾速與清潔濾層水頭損失的關(guān)系實驗。通入清水，測不同濾速（從40 L/h到400 L/h之間取適合間隔的流量進行測量，根據(jù)濾柱內(nèi)平面面積計算濾速）時濾層頂部的測壓管水位和濾層底部附近的測壓管水位、測水溫。將有關(guān)數(shù)據(jù)記入表 4-2。停止沖洗，結(jié)束實驗。四、數(shù)據(jù)記錄與整理表4-1 濾柱有關(guān)數(shù)據(jù)濾柱內(nèi)徑/mm濾料名稱濾粒粒徑/cm濾料厚度/cm100石英砂/43.5表4-2 濾速與清潔濾層水頭損失的關(guān)系水溫：25流量/(L/h)濾速/(m/h)清潔層頂部測壓管水位/cm清潔層底部測壓管水位/cm清潔濾層水頭損失/c

19、m607.6480.572.58.08010.19102.090.711.310012.73102.988.114.812015.28103.085.217.814017.83104.283.420.816020.37107.383.923.420025.46108.978.530.422028.01112.077.834.224030.56113.476.836.626033.10141.9100.041.930038.20144.095.748.334043.29163.7104.858.940050.93167.997.670.3其中，濾速計算公式如下：v=PvS=4Pvd2式中：濾速，

20、m/h；P過濾的體積流量，m3/h；S濾層的橫截面面積，m2；d表示濾層橫截面的直徑，m。五、數(shù)據(jù)處理與分析5.1 濾速與清潔濾層水頭損失關(guān)系曲線繪制以濾速為橫坐標、對應的清潔濾層水頭損失為縱坐標，繪制濾速與清潔濾層水頭損失關(guān)系曲線如圖5-1所示。圖5-1 濾速與清潔濾層水頭損失關(guān)系曲線由上圖可以看出，清潔濾層的水頭損失隨著濾速的增大而增大。理論上，當濾速不高，清潔濾層水流屬層流時，水頭損失與濾速成正比，兩者成直線關(guān)系；當濾速較高時，水頭損失增加率超過濾速增長率。觀察圖5-1的曲線，發(fā)現(xiàn)確實存在與理論相符的情況，曲線前一小段的數(shù)據(jù)點呈正比例關(guān)系，而當濾速大于20m/h后，曲線斜率開始慢慢變大，

21、水頭損失增加率超過濾速增長率。再通過作圖對此規(guī)律作進一步的驗證。取濾速小于20m/h的前6個實驗數(shù)據(jù)點進行線性擬合，擬合結(jié)果如圖5-2所示，擬合方程參數(shù)如表5-1所示。相關(guān)系數(shù)R2 = 0.99883，極其接近1，說明該直線的擬合程度是非常好的，前6個數(shù)據(jù)點呈正比例關(guān)系。而隨著濾速增大，后7個實驗數(shù)據(jù)點越來越偏離擬合直線，且都處于直線上方，說明此時水流的水頭損失增加率超過濾速增長率，這與理論規(guī)律以及上文的觀察結(jié)果是相符的。圖5-2濾速與清潔濾層水頭損失擬合直線圖表5-1 濾速與清潔濾層水頭損失擬合直線參數(shù)Y = B XParameterValueErrorA0B1.150080.01218RS

22、DNP0.998830.4374360.00015.2 理論水頭損失曲線繪制1. 濾料的當量直徑計算由再篩分濾料粒徑分析可知，過濾實驗濾料設(shè)計選用砂粒為粒徑范圍在（0.56mm，1.54mm）之間的石英石沙粒。已知濾料的當量直徑計算公式為：de=dipi式中：de濾料的當量直徑，mm；di濾料顆粒粒徑，mm；pi粒徑為di的顆粒質(zhì)量頻率?，F(xiàn)以再篩分設(shè)計濾料粒徑（0.56mm，1.54mm）為例進行計算。通過篩孔孔徑為0.56mm的砂量為：200.0g56.05% = 112.1g通過篩孔孔徑為1.54mm的砂量為：200.0g83.55% = 167.1g故，再篩分濾料的總質(zhì)量為：167.1g

23、 112.1g = 55.0g對該粒徑范圍的顆粒求其當量直徑，計算結(jié)果如表5-2所示。表5-2 設(shè)計濾料的當量直徑計算粒徑范圍/mm0.560.580.580.800.801.251.251.431.431.54平均粒徑di /mm0.570.691.0251.341.485質(zhì)量/g14.86.922.710.51.54質(zhì)量頻率0.2690.1250.4130.1910.028dipi /mm0.1530.0870.4230.2560.042dipi /mm0.962. 理論水頭損失計算根據(jù)卡曼-康采尼（Carman-Kozony）公式。h0=180g1-0203(1d0)2L0v式中：h0水

24、流通過清潔濾層水頭損失，cm；水的運動黏度，cm2/s；g重力加速度，981cm/s2；0濾料孔隙率；石英砂孔隙率 一般為0.430.47；d0與濾料體積相同的球體直徑，cm；L0濾層厚度，cm；v濾速，cm/s；濾料顆粒球度系數(shù)；天然濾料一般采用 0.750.80。25時，查表可知，水的運動粘度 = 0.893102 cm2/s，取0 = 0.45，d0 = 0.096 cm， = 0.80，已知L0 = 43.5cm，代入公式可得理論水頭損失計算式為h0=1800.89310-29811-0.4520.45310.800.096243.5v=39.50v也即h0 =1.10v（v的單位為m

25、/h）3. 濾速與理論水頭損失關(guān)系曲線繪制根據(jù)理論水頭損失計算式h0 = 1.10v，在圖5-1所示的濾速與清潔濾層水頭損失關(guān)系曲線基礎(chǔ)上繪制濾速與理論水頭損失關(guān)系曲線，結(jié)果如圖5-3所示。圖5-3 濾速與理論水頭損失關(guān)系曲線由上圖可以看出，當濾速較低時，實驗數(shù)據(jù)點與理論曲線相對較為吻合，計算式h0 =1.10v的計算結(jié)果與實驗結(jié)果相近；而當濾速較高時，實驗數(shù)據(jù)點均處于理論曲線偏上方，計算式h0 =1.10v的結(jié)算結(jié)果偏低，即水頭損失增加率超過濾速增長率。因此，可判斷本次實驗的結(jié)果大致符合理論規(guī)律。但應當指出的，采用該方法計算本實驗的理論水頭損失存在一定的弊端，得出的理論水頭損失曲線與實驗結(jié)果較為吻合在某種程度