第,„届伞困,,均拥分离技术学术交流会论文集 多孔介质孔隙率与截留精度的表征 都丽红,,王士勇?(乇月?邓伯虎„朱企新,鲁淑, (,(上海化(，:研究院上海,,,,,,(,(天津人学化，,:学院天津,,,,,,) 擅要,为研究液体以渗流方式通过多孔介质、州体被截留的过滤过程，必须深入,，解液州分离用多孔介质的扎隙牢，渗透率和饿留梢度(奉文以液同分离用助滤荆辟藻十及新型过滤介质糟帐单丝滤布为主要研究对象;讨论砖藻十助滤剂构成的颅缴滤饼层的孔隙牢测定，对两种孔隙牢的实验测定和计算的结果进行,比较(论文覃点对滤布结构、丝径、孔彳～,～、孔隙举等因岽对渗透牢的影响进行了理论分析与讨论:同时对】?孔径、透水,率、孔隙率、截留精度(采用园际标准进行实验测定。并对截留精度的经验计算进行丫实验验证，对正确选掸?,科学使用过滤介质单丝滤布提供自(益的参考( 关键词, 多孔介质;孔隙冲;;截留楷度;擐人透过粒张;,前言…【,,【,,〔,, 研究过滤过程应该从液体流过多孔介质的描述入手。把基本理论融入能够实用的方程。由丁嘲液两相的过滤技术是复杂的科学技术。涉及两相其至多相流体流动，既有宏观的流体力学因素，如过滤介质特性(滤饼结构、压著，黏度笛;又与微观的物化因素，如电动现象、毛细现象、絮凝与聚结现象有关。冈此过滤模型的建立，也应依赖充实的实验数据作为支持，才能够比较准确描述流体流动物理过程的基本方程。滤饼过滤模型比较容易理 解并且相对比较成熟的根本原因也就在于此( 液圊两相的过滤分离是利用多孔介质使液体以渗流的方式透过、同体颗粒被截留达到液同两相分离的目的。„„,参透率”与“截留精度”是考核液同分离过挫的两项基本指标(过滤分离是籍多孔介质(滤饼和戚过滤介质)来完成的。所采用的多孔介质，其孔隙率、渗透率、可压缩性、比表面积的四大特性中(孔隙率是最基本的列为首位(“渗透率”与孔隙率直接有关。而“截留精度”与多孔介质开孔人小及分布有关，但研究者涉足这方面的较少。 本研究采用近期国外重视开发的单丝滤布以及常用助滤剂硅藻土为对象。由丁精密单丝滤布丝径细。厚度薄、流体通过的阻力小，制成后再经过砑光处理，更具有孔径小、过滤精度高、不易堵塞、再生性能好等良好的过滤性能，硅藻十是强化难过滤物料过滤过程的常用助滤剂。都是当前研究的重点。,孔隙率测定及比较„„,„,,??„,, ,(，孔隙率 多孔介质的种类繁多，结构复杂，通常多孔介质的孔隙率是指孔(空)隙体积与总体积之比。对颗粒堆积床层而言，床层内所含固体颗粒的多少显然具有决定意义。同体颗粒数目越多，流体流经的内部表面积越大，圃液两相的摩擦越大，压力降就越高。颗粒床层内液体流过的孔隙占?总体积的比例称为孔隙率， 孔隙率萨揣孔隙率的定义为: (,) 助滤剂滤饼的孔隙率直接影响到整个过滤过羁,～，包括过滤精度(滤饼渗透率和滤饼比阻，涉及颗粒的形状(粒度分布，颗粒的硬度，操作压筹笱因素(对纤维编织的过滤介质，
孔隙率的含义也相同( 多孔介质的孔隙有通孔(贳通型)和盲孔(非贯通型)两种，只有通孔对流体流动起作用，对过滤过程有贡献(事实上(作为有效孔隙率应是指; 有效孔隙体积 占，薯—,两矿一 (,) 目前研究和测定孔隙率的方法有称巫法、幽像处理方法等。本文还根据过滤理论和实测的数据，提山第,„届全国非均相分离技术学术交流会论文集了计算助滤剂滤饼孔隙率的方法。 ,(,称重法„,,„?, 孔隙率占可以通过称重法测得。若已知多孔介质的质量,、真密度以、面积,及滤饼的厚度,。就可根据称重法计算得到孔隙率 吲,。寿)×,,,, (,) 式中:叶一干滤饼的质量(或面积为,的滤布质避)，,,， ,?
,,,体密,,(或纤维密度)，,,,,,; ,—介质面积，,,; ,广一介质厚度。,。 括号内的符合意义，均为指织造过滤介质而言。 ,,图像分析法 由于颗粒形态和滤饼结构、纤维织造过滤介质的复杂性，无法用传统的儿何学来描述滤饼的结构和织造滤布的结构。随着测试手段和图像分析技术的发展，使得多孔介质内部结构的测试成为可能。目前有: ?扫描电镜(,,,)，,,,能够提供高消晰的二维结构图像，但只能测定表面层的孔隙，使川时有一定局限性: ?核磁共振(,,，)，分辨率较低，有些使用功能与其使,,,,场合不同还应进一步开发: ?,射线断层扫描，该技术(;,)比较成熟， ,,能够获得视野较大，不破坏测试对象的结构，(例如对滤饼结构、絮凝体的测试)，但是通常需要选抒合适的造影剂来提高测试的分辨率。 本文采用了,,,法和微
机幽像分析系统米分析助滤剂预敷层滤饼孔隙率和单丝滤布的图像。必须指,山，对由,,,法得到的图片需要通过图像处理软什获得其孔隙率。而,～，，像处理存在一定的人为因素(图像灰度阈值的判别与确定需要有丰富经验)。存在一定误差。 ,(,助滤剂滤饼孔隙率的测定 由于助滤剂构成的多孔预敷层结构，使得称重法结果偏人，而扫描电镜图像分析法不仅费用高，同时滤饼取样也比较繁琐，图像处理上也存在一定的误差，冈此我们希望能到一种方法，通过过滤实验就能获得滤饼的孔隙率参数。 ,(,(,计算法„,, 很多学者都对孔隙率进行了研究。其中最有影响的是,,,,,,,提出的渗透率公式。它将渗透率和滤饼孔隙率关联起来，我们根据这个公式和达西方程。推导出了利川实验数据滤液累计量,和和过滤时间,求 扣研解孔隙率的方法。 ， 占, (,) 根据压力除滤饼上的压力降，过滤介质上的压力降，有 ,,,卸;，卸一 (,) 根据达州定律?分别滤饼上的压力降和过滤介质上的乐力降弓,,(,)，(,)式 卸。:丝×坐 ,,;, ,, (,) ”告×警 伪 第,?届伞困,,均相分离技术学术交流会论义集 将(,)。(,)式代入(,)式(得到(,)式 卸,丝,(,×警，,×警 。,， 其中滤饼高度,可以用滤液体积,和滤饼的孔隙率表示，如(,)所示: ,,;驾墨 【,—,,彳,, 卸,,警，告×警 (,) 将式(,入到(,中，御，(，,式 ?， 对(,,)式积分，得到(, ,)式 ,:(，;,，;,，,,),,‖，?,, 七。彳卸 ,占,彳,,,卸 (… 在(,,)式中，时间,是滤液体积累计量,的函数，除了滤饼孔隙率占和七一(,,和,项中的其他系数均可知，时间,和滤液体积
累计量,通过试验获得，那么可以根据实验和计算的方法来求取滤饼的孔隙率? 矩阵求解 丝茎,二～超:血 令口，;,,,彳,风印 ，,,,,。彳卸，则(,,)弓成(,,)形式。为解得？和啦，可以通过不同的,，,求解。通过,次实验，得到,个方程。方氍组如(,,) ,,,，,,，,,, (,,) ，,， ,,,,,,，,,,， ， ，,,口，,,，口,, ,…(( (,,) 弋 „一,,口，匕一,,，呸匕一， ， 厶,？,,，吃圪 , 将,，,写成向鬣形式 ,,,，,『,,…,,〕, ‰:, , , ,,, ?;? ( ( ( ( ( ( ( ,明 口 则(,,)表示为矩阵形式: ,,,,,,,,,×,,,, (,,) 通过矩阵运算(可求出,,和口?。料浆粘度‖，料浆质鼙分数乙,，,(,为,,,,,,,常数，通常在,,，,，定的颗粒床层或低速移动的颗粒床层取,(单何颗粒体积的比表面积„),，滤饼面积,?, 蹇帕,拿芏龋校螅 私橹实暮穸取刖 芍 源司涂梢缘贸雎吮 隙率占和过滤介质的渗透率“”? ,,第,„届伞固非均相分离投术学术
交流会论义集 ,,,,,〔,,,,, ,,,,〕?, ,,,,, ,,, (,,) ,(,(,三种孔隙率方法对比”? 称重方法最简单，由丁称重法计算得到的孔隙率包括了颗粒间和颗粒表面、内部的孔隙(因此结果偏人;图像处理法需要破坏滤饼的完整性，在测域时。获得清晰二维图片，在图像处理时存在人为因素:因此作者试图利圳计算法在试验数据的基础上，来计算得到滤饼在不同压差，,的平均孔隙率。 表,中给出了在,(,,,,,压差卜(测定的和计算得到的砖藻十预敷滤饼层的孔隙率，称重法得到的孔隙率最人，图像方法,,,计算方法得剑的孔隙率较为接近。由丁(滤饼的孔隙率存在
盲孔和通孔，通孔是对过滤过程有贡献的。也是我们所需要的。用称重法获得的孔隙率是盲孔(包括硅藻十表面孔隙)和通孔的总和。因此称重方法的结果最大。相比较而言，利,,计算方法得到的孔隙率更为便捷，在了解物料的物性情况后，可根据实验参数获得滤饼在不同压差下的滤饼孔隙率。 表, 二种结果对比,, 方法 孔隙率,(,) 称重法 ,,(,, 图像处理方法 ,,(,, 计算法 ,,(,, ,(,单丝织造滤布孔隙率 ,(,(,
编织的多孔介质的结构特征包括:组织结构、丝径大小、织造滤布的结构特征 纤维
孔隙形态与大小等。结构特征对液体的透过特性、过滤性能和污染起因等均有直接影响。组织结构与纱线类型、织法等都有关。纤维编织的滤布主要依靠其具有人量孔隙存在，在外力作用下液体通过孔隙，周相被截留。孔隙的特征决定了液体透过度、截留精度、分离效率、污染趋势、再生效率及使用寿命等。 织造滤布的孔隙有:纤维上的孔隙、纱线内纤维间的孔隙和织物内纱线间的孔隙。按孔隙的通透性可分通孔与盲孔，贯通的孔隙对过滤才有贡献。在上述三类孔隙中，纤维上的孔隙其本上无透过性。对过滤起作用的主要是纱线内纤维间、织物内纱线间通孔的孔隙。精密单丝滤布的孔隙只有纤维间的孔隙和纤维上的孔隙。 ,(,(,单丝织造滤布孔隙率对其透水速率的影响 由于流体流经多孔介质的状况，必须
先将实际情况加以简化，即参照,,,,,(,,,,,,,,,,的圆形、直管内的层流流动等假设，求解液体通过多孔介质过滤的速率，再根据实际情况加以修正„,,„引〔,,,〔,,,。考虑多孔介质中通道截面并非规则的圆形，采用水力半径，?来表示圆管直径，即: ‰;篓(竽 ”厶 (,,) 式中:毛一水力半径: 毛一比例系数 水力半径定义为流体流经的横截面与润湿周边之比，对圆形截面 ,, 若多孔介质的平均孔隙率为,(则 嘞,去。,， …) 式中:,?比表面积等于多孔介质表面积，多孔介质的体积 若多孔介质中通道都是幽的、直的，则流体通过介质孔隙中的流速为: 第,?争闻”均扣”高拙术学,变,,,,塑 “, ,‰肛 ;,,) 同时，迁麻考虑多孔，,质流体通道(由丁编,埘受到相自(挤爪(人部丹地,苴的有破长应,,比多孔介质的厚度,,人(殴,,,,,,『,,(单丝滤布较复丝峨其它多层滤布的,值耍小,。纤维受纠挤压弯曲，导致截面通道收缩(,,;;体流谜加快，所以琉谜麻为: ,, ,,,,, ,,,, (,,) 由式(,,)、(,,)、(,,)可以得到 ,一一 ,? 廿 ,,, ,(,一,),岛止(,,、 , 设， ,，。,(,为科兹尼常数。对叫,,,:形丝释山叶的单丝化纤滤布(矗, ,町则: 一‖?, ,,,,,,(,一,),皿 (,” 从式(,,)看出，滤布的透水谜率是与磬【法、丝径人小、滤布孔酿率、孔的形状、人小等多个因素有黄(上述理论分析可以看山这些田素对透水速率的影响较大。特别是孔隙率,影响昂人(但目前研究孔隙率,测定的学者根少。 ,,,…,… ,，,,时论〔,, 过滤过程中
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