用,使得沿水流方向的砂子粒径逐渐变大,孔隙尺寸也是从上到 下逐渐变大。在过滤中,水流先流经粒径小的上部砂层,再到粒 径大的下部砂层。大部分悬浮物截留在床层上部孔隙尺寸较小的 数厘米深度范围内,床层上部孔隙容易被堵塞,水头损失迅速上 升,滤床下部尚未充分发挥作用就不得不终止过滤。 为了克服这一缺点,人们首先改用双层滤料,在石英砂层上 部放置一层粒径较大密度较小的轻质滤料。这种双层滤料在一定 程度上提高了床层有效容量和滤速,延长了过滤周期。 在此基础上又进一步发展了三层滤料,即在双层滤料下面冉 加一层密度大、粒径小的滤料。三层滤料床层结构要比双层滤料 床层更为合理。依此推论,由无数层滤料组成的床层结构应最合 理,床层孔隙从上至下连续变小。但在实际应用中,多层结构的 过滤也存在着问题,例如滤料来源受限制,以及加工复杂和容易 发生严重混层与流失现象,因而限制了这…技术的推广应用 纡维过滤技术的出现以其细微的直径和可调节的纤维孔隙度 等特点,取得了令人耳目一新的处理效果。应用实践表明,它不 仅对悬浮液、胶体、细菌等具有极高的去除效果,而且对水中的 铁、锰、甚至滏解状态的有机物也显示出明显的净化功能。 般过滤器都存在着两个基本操作,即过滤和反洗。新兴的 纤维过滤器如果要发展也一定要从这两个方面入手。人们希望过 滤时纤维排列紧密,实现沿水流方向滤层孔隙度由大到小、比表 面积由小到大分布,过滤效率则是由低到高递增变化的理想方式 过滤。出水端较小的孔隙率是使其获得高质量出水的可靠保证 在反洗时,人们希望纤维膨松舒展,内部孔隙充分张开,有利于 洗涤水进入得到充分的洗涤。反洗可以使过滤器达到初始状态, 这是和实际操作同等重要的一个参数。…般都是气水混合反洗 压缩气体和水同时吹人纤维内部,产生很高的冲击力、振荡力和 摩擦力,这比单一气相或液相反洗效果要好。这就是为什么在废 水处理这种反洗次数较高的场合,对于纤维介质的耐磨强度有很 18
高的要求。反洗可以保证床层的使用寿命,并可以冲掉微生物的 沉积。几种新型的纤维过滤器的工作原理、性能和应用范围,将 在第九章作详细介绍。 我国是一个水资源贫乏的国家,虽然总水量占到世界第6 位,但按人均占有量计算,仅居世界第88位。以石油化工企业 为例,-个30万吨/年的合成氨厂,用于冷却的水量约为2.2万 m3h,加上锅炉用水350m3/h和其他用水200m3h,总共需水量 约为2.25万m3/h;-个3万吨/生产能力的乙烯厂,总用水 量约为415万m3/h;-万吨树脂的石油化纤厂,总用水量约为 414万m3/h;个250万吨/年的炼油,需总水量约为1.1万 m3/h可见,如何高效率、低成本地节约淡水资源、保护环境、 降低水耗、污水处理并回用,已成为当务之急! 我国环境污染非常严重,许多企业缺乏有效的污水处理系 统,已经越来越严重地威胁着人类的健康和生命。根据国家科委 和计委的预计,我国污染的治理费用至少需要200亿元,但目 前的环保产值仅为6亿元。可见,环保工业的新技术开发在我 国工业化高度发展进程中将是-…项前途无量的跨世纪的“黄金工 程”,而其中的高科技—过滤新技术则是这项宏伟工程的支柱。 为了节约淡水资源、保护环境、降低水耗,目前普遍推广以 循环水代替直流供水的新技术和新工艺,这样仅需补充循环冷却 水量2%~4%的新鲜淡水即可满足生产要求。表1-6为石化企业 循环供水与直流供水的用水单耗对比。 19
屏买思辦理兰選煲昶靼动 黌量阿媒排恩 尔距 拼糊謝泺兰家理樅氮一 提汹地烟咀的 1N 击凶道 她塔父洲凶訕餐如樂畏回 提以解 长 米88 米 长 号猫烟一猴门贯兴靈米 阿实豢世8 栾实袋 是州将毁帐米猴张的翠张出 L 一说联H 减如世只 叶内
第二章渗流物理和过滤理论 作为一种单元操作,过滤无论在理论或实践方面,与其他单元 操作(诸如蒸馏、传热,甚至更复杂的反应器设计)相比较,它的 进展是比较缓慢的。在现有的文献或手册中很难查找到过滤的设 计数据,般来说,过滤中的主要参变数如渗透率(或过滤阻力) 和孔隙率对于每种不同的滤料和工况都得重新求取。 过滤理论与实践的研究之所以进展缓慢,其主要原因是:首 先,单和复相流体流过细粒床层或纤维床层的情况极为复杂, 即使是采用极为简单的物理和数学模型,也会伴随着许多错综复 杂的不定因素;其次,形成滤床的颗粒和沉淀物,其特性难于复 制;其三,研究者不仅要解决困难的流动问题,同时还需处理与 晶体形成和絮凝作用等复杂现象有关的更为棘手的问题 尽管如此,近数年来过滤过程这门科学还是取得了相当大的 进展。最早研究均匀多孔介质中层流理论的科学家是达西( Darcy), 他所建立的达两定律是…切过滤过程的经典理论。1946年罗斯 (Ruth)提出的压绡渗透槽以及1952年出版的A.ICh.E.过滤丛论 等种种进展,使得过滤过程理论性和实验性研究的发展获得了转 折点。60年代以来,蒂勒( Tiller)和希拉多( Shirato)等人在可压缩 过滤机理方面,对滤饼内部动态如滤液流速分布、液压分布、平 均比阻以及孔隙庋影响等方面作了不少深入的研究,为近代过滤 理论和实践作出了杰出的贡献。 本章将简要地介绍有关多孔介质的基本概念以及具有代表性 的一些过滤理论和计算公式,为以后诸章的专论作好理论准备
2-1多孔介质及其特征量 一般都将“多孔介质”定义成是一种内部含有许多“孔隙” 的固体。虽然,“孔隙”从直观上讲似乎最清楚不过了,然而 若要对“孔隙”作一个严格的几何学定义却相当困难。从直觉上 讲,孔隙就是在物料中或多或少散布着的那些空而无物的间隙, 这种物料称之为“多孔的”。固体中极微细的空隙则称之为“分 子间隙”,而特大空隙则称为“洞穴”,而我们通常所讨论的孔隙 就是指介乎这二者之间的空隙。可见这种对孔隙大小的限定既直 观而又不太确切肯定。 一个多孔介质中的孔隙可以是彼此连通的或者是互不连通 的。仅当其中至少有一部分孔隙空间是彼此连通时,置于其中的 流体才有可能产生流动,故通常将彼此连通的这部分称为此多孔 介质的有效孔隙度。 据此,下列物料都可算是多孔介质了,例如:砂砾堆、马鞍 形填料、由砂子、煤粒或米粒铺成的层状物;石灰岩、泡沫岩 白云岩之类的多孔岩石;纤维性交聚物,如棉布、毛毡、滤纸 等。由此可见,多孔介质包含了范围极广的变化多端的各种 物质。 为了能按照这些物质所含有孔隙空间的类型,将多孔介质分 级,马奈高尔特( Manegold)于1941年设计了一套孔隙空间的分 级法。按照他的理论,孔隙可划分成空隙、毛管隙以及迫开隙三 种级别:空隙的特点为其内壁对内部的水动力学动向只有不大的 影响;在毛管隙中,其内壁对内部的水动力学有颇大影响;而在 迫开隙中流体的分子结构已有受内壁影响的迹象。此外,孔隙空 间也可按有序或无序来加以区分;也可按是否离散(如在颗粒层 中那样)或是否连通来划分。 表征多孔介质的几何标量,可以有多种形式,但其中最首要 的还是孔隙度ε,它表示空隙与总体积的比值。倘若在计算孔隙 22