流体通过颗粒层的流动PPT学习教案

1、会计学1流体通过颗粒层的流动流体通过颗粒层的流动固定床固定床(Fixed bed)：由大量颗粒装填而成的颗粒床层（如悬浮液的过滤、流体通过填料层或固体催化剂床层的流动），由于流体以较小的流速从床层的空隙中流动，颗粒所受的曳力较小而使床层保持静止状态，这样的床层称为固定床。固定床催化反应器固定床催化反应器固体悬浮液的过滤固体悬浮液的过滤吸附吸附离子交换器离子交换器 吸收塔吸收塔流化床流化床(fluidized bed)：流体自下而上流过颗粒层，颗粒悬浮在床层中进行剧烈的随机运动。第1页/共55页基础基础：流体及颗粒间的相对运动，相互作用第2页/共55页1 单颗粒的性质表示颗粒大小的几何参数：大小

2、（尺寸）、形状、表面积（或比表面积）。形状规则的颗粒：大 小：用颗粒的某一个或某几个特征尺寸表示，如球形颗粒的大小用直径dp表示。比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积，其单位为m2/m3 ,对球形颗粒为：a球=S/V=6/ dp 球形颗粒体积V=dp3/6 球形颗粒表面积S= dp2第3页/共55页形状不规则的颗粒：形状不规则的颗粒： 非球形颗粒的表面积的球的表面积与非球形颗粒体积相等相同第4页/共55页eeeeeseVeVeaeaeseVdadSdVdddddadSdVd666623223，简写为通常使用体积当量直径第5页/共55页2 颗粒群的特性颗粒群的特性 化工中常遇到流体通过大小不等的

3、混合颗粒群的流动，此时常认为这些颗粒形状一致，只考虑大小不同。常用筛分的方法测得粒度分布，再求其相应的平均特性参数 颗粒粒度测量：筛分法、沉降法、比表面法、显微镜法、电阻变化法、光的散射与衍射法等。(1)颗粒的筛分分析颗粒的筛分分析 对于工业上常见的中等大小的混合颗粒，一般采用一套标准筛进行测量，这种方法称为筛分。将筛分所得结果在表或图上表示，可直观地表示出颗粒群的粒径分布: 用表格表示：筛孔尺寸每层筛上颗粒质量。 用图表示：各层筛网上颗粒的筛分尺寸质量分率第6页/共55页 标准筛：标准筛：有不同的系列，其中泰勒（有不同的系列，其中泰勒（Tyler）标准筛是较为常用的标准筛之一，其标准筛是较为

4、常用的标准筛之一，其筛筛孔的大小以每英寸长度筛网上所具有的筛孔的大小以每英寸长度筛网上所具有的筛孔数目表示，称为目孔数目表示，称为目，每个筛的筛网金属，每个筛的筛网金属丝的直径也有规定，因此一定目数的筛孔丝的直径也有规定，因此一定目数的筛孔尺寸一定。例如尺寸一定。例如200目的筛子即指长度为目的筛子即指长度为1英寸的筛网上有英寸的筛网上有200个筛孔。所以筛号越大个筛孔。所以筛号越大，筛孔越小。此标准系列中各相邻筛号（，筛孔越小。此标准系列中各相邻筛号（按从大到小的次序）的筛孔大小按筛孔的按从大到小的次序）的筛孔大小按筛孔的净宽度计以净宽度计以 0.5的倍数递增，即筛孔面积的倍数递增，即筛孔面

5、积按按2的倍数递增。的倍数递增。 筛号筛号(目数目数)：每英寸边长的筛孔数目 筛过量：筛过量：通过筛孔的颗粒量 筛余量：筛余量：截留于筛面上的颗粒量 第7页/共55页筛分筛分(Sieving) 进行筛分分析时，将几个筛子按筛孔大小的次序从上到下叠置起来，筛孔尺寸最大的放在最上面，筛孔尺寸最小的放在最下面，在它底下放一无孔的底盘。将称量过的颗粒样品放在上部筛子上，有规则地摇动一定时间，较小的颗粒通过各个筛的筛孔依次往下落。显然，各筛网上的颗粒尺寸应介于其上一层筛孔与本层筛孔尺寸之间。称量各层筛网上的颗粒量，即得筛分分析的基本数据。筛析操作完成后，应检查各粒级的质量总和与取样量的差值（损失），其值

6、不应超过12%，否则没有代表性，应重新取样筛析。 第8页/共55页Fi :筛孔尺寸dpi的筛过量占试样总量的分率。如di-1和di相差不大，可把这一范围内的颗粒视为相同直径的均匀颗粒，dpi= (di-1+di)/2粒度分布函数：不同筛号的Fi与其筛孔尺寸dpi标绘出的曲线。全部试样的质量百分数号筛面上的颗粒占范围的平均分布密度。表示粒径处于矩形高度ixddfiiii:1第9页/共55页（2）颗粒群的平均特性参数）颗粒群的平均特性参数 颗粒群的平均粒径有不同的表示法，但对于流体与颗粒之间的相对运动过程，主要涉及流体与颗粒表面间的相互作用，即颗粒的比表面积起重要作用，因此通常用来表示颗粒的平均直

7、径，则混合颗粒的平均比表面积dm。 xi第i层筛网上颗粒的质量分率 dpi=(di-1+di)/2piimdxd1第10页/共55页3 颗粒床层的特性 当流体流过由颗粒堆集成的床层时，与流动有关的颗粒床层的几何特性有以下三项(1)床层的空隙率床层的空隙率 ：单位体积颗粒床层中空隙的体积，即单位体积颗粒床层中空隙的体积，即： 床层空隙率是颗粒床层的一个重要特性，它反映了床层中颗粒堆集的紧密程度，其大小与颗粒的形状、粒度分布、装填方法、床层直径、所处的位置等有关。 一般颗粒床层的空隙率为0.470.7。 测量床层的空隙率的方法：充水法和称量法。（2）床层的比表面积）床层的比表面积单位体积床层中颗粒

8、的表面积称为床层的比表面积。若忽略因颗粒相互接触而减小的裸露面积，则床层的比表面积B与颗粒的比表面积的关系为： B= (1- ) 影响床层的比表面积的主要因素：颗粒尺寸。一般，颗粒尺寸越小，床层的比表面积越大。 空隙颗粒颗粒床层第11页/共55页（3）床层的自由截面积床层的自由截面积 床层中某一床层截面上空隙所占的截面积（即流体可以通过的截面积）与床层截面积的比值称为床层的自由截面积。 对于乱堆的颗粒床层，颗粒的定位是随机的，所以可认为堆成的床层各向同性，即从各个方位看，颗粒的堆积都是相同的。对于这样的床层，其床层截面积在数值上与床层空隙率相等。同样，由于壁效应的影响，壁面附近的床层自由截面积

9、较大。当D/dp较小时，必须考虑壁效应。第12页/共55页第13页/共55页leL u u L le de 流体在固定床内流动的简化模型 假定：假定：CLle 第14页/共55页ade)1 (4444细管的全部内表面床层流动空间流道长度润湿周边长流道长度通道截面积润湿周边长通道截面积流体压降的数学模型法流体压降的数学模型法根据以上简化模型，可将流体通过固定床层的流动看作是直管内的流动问题。 康采尼方程： 欧根方程：)1 ( auRe床层雷诺数42017. 0)1 (29. 0)1 (17. 423322eRuauaL)52()1 (322eeRKRuaKL第15页/共55页4.4.1 过滤原理

10、过滤原理 过滤目的：从悬浮液中分离出固体颗粒。 过滤原理：在外力（重力、压力、离心力）的作用下，悬浮液中的液体通过多孔介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固、液分离。 过滤术语：过滤操作所处理的悬浮液称为滤浆（filter slurry），所用的多孔物质称为过滤介质（当过滤介质是织物时，也称为滤布(Filter cloth)，通过介质孔道的液体称为滤液(Filterate，被截留的物质称为滤饼(Filter cake)或滤渣(filter residue)。滤液过滤介质滤饼滤浆第16页/共55页饼层过滤时，颗粒的尺寸大多数都比过滤介质的孔道大过滤之初，会有一些细小颗粒穿过介质而使滤液浑浊，

11、但颗粒会在孔道中迅速发生“”现象，使小于孔道的颗粒也能被截留，故当滤饼开始形成，滤液即变清，此后过滤才能有效地进行。 。深层过滤时，颗粒的尺寸比介质的孔道小得多，但孔道弯曲细长，颗粒进入之后很容易被截留，更由于流体流过时所引起的挤压和冲撞作用，颗粒紧附在孔道的壁面上。此法适合于从液体中除去很小量的悬浮液。如饮用水的净化。 深层过深层过滤滤 架桥现象“架桥架桥”现象现象第17页/共55页第18页/共55页第19页/共55页床层滤饼厚度不断增加拟定态处理设过滤面积为A,在过滤时间内所获得的滤液量为V液总量。通过单位过滤面积的滤过滤速率:AVqddqAddVu第20页/共55页第21页/共55页分类

12、 a.主要结构及操作 主要构件是矩形或圆形的滤叶。滤叶由金属丝网组成的框架上覆以滤布构成。将若干个平行排列的滤叶组装成一体，安装在密闭的机壳内，即构成叶滤机。滤叶可垂直放置，也可水平放置。滤饼厚度一般535mm。 叶滤机也是间歇操作设备。 叶滤机设备紧凑，密闭操作，劳动条件较好，每次循环滤布不需装卸，劳动力较省。缺点是结构相对较复杂，造价较高。如果滤饼需要洗涤，则在过滤完毕后通入洗水，洗水路径和滤液路径相同，这种洗涤方式叫置换洗涤法。洗涤过后，打开机壳，拔出滤叶除去滤饼。 第22页/共55页第23页/共55页板和框的角端均开有圆孔，装合、压紧后即构成了滤浆、滤液和洗涤液的通道。 滤框（中图）的

13、左上角和右上角均有孔，右上角的孔还有小通道与框内的空间相通，滤液可由此进入，框的两侧复以四角开孔的滤布，空框与滤布围成了容纳滤浆及滤饼的空间。滤板除上方两角均有孔外，下方的一角尚有小旋塞，与板面的两侧相通。滤板又分为两种，左图为非洗板（过滤板），右图为洗涤板，洗涤板的特点是左上角的孔还有小通道与板面的两侧相通，洗水可以由此进入。为了便于区别，在板与框的边上作不同的记号，过滤板为一钮，框为二钮，洗涤板为三钮。装合时按钮数1-2-3-2-1-2-3的顺序排列板和框。可以通过手动、电动或液压传动压紧装置。 料液通道2钮1钮3钮洗涤液通道洗涤板框非洗涤板第24页/共55页 板板 框框 悬浮液悬浮液 入

14、口入口第25页/共55页4悬 浮 液 入 口3126滤 液 流 出 （A） 过 滤 阶 段1-板 ； 2-框 ； 3-滤 布 ； 4-悬 浮 液 入 口5-滤 饼 ； 6-滤 液 流 出5洗 水入 口4213876洗 水 流 出关 （B)洗 涤 阶 段1-非 洗 涤 板 ； 2-洗 涤 板 ； 3-框 ； 4-滤 布 ；5-洗 水 入 口 ； 6-滤 饼 ； 7-阀 门 ； 8-洗 水 流 出第26页/共55页第27页/共55页厢式过滤机外表与板框过滤机相似，仅由滤板组成。每块滤板凹进的两个面与另外的滤板压紧后组成过滤室。料浆由中心孔加入，滤液从下脚排出。带有中心孔的滤布覆盖在滤板上第28页/

15、共55页回转真空过滤机是应用最广的一种连续操作的过滤设备。 依靠真空系统造成的转筒内外压差进行过滤。它的主体是能转动的圆筒，其表面有一层金属网，网上覆盖滤布。筒的下部浸在滤浆中，转筒沿圆周分隔成若干个互不相通的扇形格，每格都有单独的孔道与分配头的转动盘上相渔的孔相连。圆筒旋转时，其壁面的每一段，可以依次与处于真空下的滤液罐或鼓风机（正压下）相通。每旋转一周，转筒表面的每一部分，都依次经历过滤、洗涤、吸干、吹松、卸渣等到阶段。因此，每旋转一周，对任何一部分表面来说，都有经历了一个操作循环。第29页/共55页第30页/共55页4.5.1过滤过程的数学描述过滤过程的数学描述 对给定的滤浆，所获得的滤

16、液必形成一定的滤饼，它们之间的对应关系可由物料衡算求得。：质量分数质量分数（kg固体固体/kg悬浮液）悬浮液）体积分数体积分数(m3固体固体/m3悬浮液悬浮液)密度。分别为固体颗粒和滤液、PPP)1 (/第31页/共55页过滤面积空隙率，总量。的滤饼所消耗的悬浮液并形成厚度为为获得滤液量的滤饼体积每单位体积滤液所形成滤饼厚度悬悬悬:111)1 (ALVVVLAqqLLAVLAVV第32页/共55页：单位时间通过单位面积的滤液体积，可表示为 ，单位为m/s。过滤过程中，滤液通过滤布和滤饼的流速较低，其流动一般处于层流状态，处于康采尼公式适用的低雷诺数范围。过滤基本方程式过滤基本方程式 量单位面积

17、所得到的滤液滤液的粘度，滤饼层两侧压差，阻力推动力令:.:)1 (11)1 (32223qsPaPaqrddqaKrqLLKaddqAddVu第33页/共55页滤液通过过滤介质的阻力可视为通过单位过滤面积获得某当量滤液量qe所形成的虚拟滤饼层的阻力。)()(212121eeeqqrqqrddqqrddqqrddq过滤介质两侧压降分别是滤饼和和设第34页/共55页过滤速率基本方程可得：令.)(2)(222eeVVKAddVqqKddqrKsraKr032)1 (常数r反应了滤饼的特性，成为滤饼的比阻。比阻r数值的大小反映了过滤操作的难易程度。S、r0:实验常数 S:压缩性指数不可压缩滤饼s=0，

18、可压缩滤饼s=0.20.8硅藻土 s=0.01 碳酸钙 s=0.19 氢氧化铝s=0.9 第35页/共55页4.5.2间歇过滤的滤液量与过滤时间的关系间歇过滤的滤液量与过滤时间的关系 (1)(1)过滤操作方式过滤操作方式 第36页/共55页(2)恒压过滤恒压过滤定义定义：若过滤操作是在恒定压差下进行的，则称为恒压过滤。恒压过滤是最常见的过滤方式。a.恒压过滤方程 悬浮液一定，压差恒定，K为常数，且过滤开始即为恒压操作，则由式(4-41)可得：恒压过滤方程式或积分可得.22:2)(22200KAVVVKqqqdKdqqqeeqe若介质阻力可忽略不计，则可简化为：Ve和e间的关系为：qe单位面积上

19、的当量滤液量222KAVKq或eeeeKAVKq222或)()()()(222eeeeeKAVVKqq或第37页/共55页 当量滤液量Ve和当量过滤时间 之间的关系如图中的oa线，实际过滤中的滤液量V与过滤时间的关系为图中的ab段。若不计过滤介质的阻力，即Ve=0，则实际过滤过程中V与的关系为图中ob 段。 恒压过滤的特点 : 滤饼不断变厚致使阻力逐渐增加，但推动力维持不变，因而过滤速度不断变小 应用恒压过滤方程式，可进行恒压过滤各种计算。 a.a.设计型：设计型：已知要求处理的悬浮液量及操作压差p，求所需的过滤面积。 b.b.操作型：操作型：已知过滤面积A和操作压差p，求能处理的悬浮液量，或

20、已知滤面积和悬浮液处理量,求所需的操作压差p第38页/共55页)()(2)()()(2)(2)(1212121121211KAVVVVVKqqqqqdKdqqqeetqqe或：222KAVKq或第39页/共55页0122rrKs一齐称为总过滤常数与和单位分别为称为介质常数小的常数是反映过滤介质阻力大Kmmsqee,23)(2)(22eeqqKddqVVKAddV速率单位过滤面积上的过滤过滤速率第40页/共55页(3)恒速过滤恒速过滤22222)(2AKVVVKqqqqqqKddqeee或常数(4)先恒速后恒压过滤先恒速后恒压过滤)()(2)()()(2)(12121211212KAVVVVVK

21、qqqqqee或第41页/共55页（5）过滤常数的计算）过滤常数的计算测定过滤常数一般在恒压下进行eeqKqKqKqqq2122由恒压过滤方程 在恒压过滤时,/q与q呈直线关系，直线的斜 率为1/K，截距为 2qe/K。由此可知，只要测出不同过滤时间时单位过滤面积所得的滤液量，即可由上式求得K和qe。如果恒压过滤时间从如果恒压过滤时间从 1 1、已经得到滤液量已经得到滤液量q q1 1开始开始0122rrKs如何求？)(2)(11111qqKqqKqqe 1500 1000 q 500 0 0 0.025 0.05 0.075q斜率1/K/qq 图截距 2qe/K第42页/共55页4.5.3洗

22、涤速率与洗涤时间洗涤速率与洗涤时间 洗涤的目的：回收滞留在颗粒缝隙间的滤液，净化滤饼颗粒，在过滤终了时，需要对滤饼进行洗涤。如滤液为水溶液，一般就用水洗涤。 洗涤过程计算的内容：确定使用一定量洗涤液时所需要的洗涤时间。为此需要确定洗涤速率。 洗涤速度是单位时间通过单位面积的洗涤液量。如果洗涤液量为VW ，则滤饼的洗涤时间为W 洗涤液用量取决于对滤渣的质量要求或滤液的回收要求。由于在洗涤过程中，滤饼的厚度不再增加，所以洗涤速率基本上为常数，其大小与洗涤液的性质及洗涤方法有关，后者又与所用的过滤设备结构有关。第43页/共55页(1)叶滤机：置换洗涤法 特点：洗涤液流经滤饼通道与过滤终了时滤液通道相

23、同 （L+Le）W=（L+Le）E AW=AE 22)(2)()(2)()()()()(KAVVVddVVVVKAddVddVddqqqqrddqWeWWWeEWWEWWWWeWWW有当洗涤时间洗涤速率,;,()();WWEWEdVPdpp 洗水中不含固相 洗涤过程中饼层不增厚在恒定操作下 洗涤速率 单位时间消耗的洗水量为常数第44页/共55页 特点：过滤终了，滤液通过滤饼层的厚度为框厚的一半，过滤面积为全部滤框面积的2倍。 洗涤时，洗涤液将通过两倍于过滤终了时滤液的途径。洗涤面积为过滤面积的一半。 （L+Le）W=2（L+Le）E AW=0.5AE 22)(8)()(8)(41)()()(2

24、)(KAVVVddVVVVKAddVddVddqqqqrddqWeWWWeEWWEWWWWeWWW有当洗涤时间洗涤速率若洗水粘度、洗水表压与滤若洗水粘度、洗水表压与滤液相差较大，按右式校正：液相差较大，按右式校正：)(WWWWPP过滤L洗涤L第45页/共55页 间歇过滤机的生产能力间歇过滤机的生产能力 过滤机的生产能力可用单位时间内所得的滤液量或滤渣量表示。在一个过滤操作循环中，过滤装置的拆装、整理、重装等所占的辅助时间D是固定的，而过滤及洗涤时间W却要随产量的增加而增加。在一个循环中，过滤时间应有一最佳值，使生产能力最大。此时已形成的滤饼厚度，是设计压滤机框厚的依据。 操作周期= + W +

25、 D 生产能力生产能力Q=V/ Q=V/ :单位时间得到的滤液量。 过滤时间的相对长短，直接影响过滤机的生产能力 若一个操作周期中过滤时间短，则形成的滤饼薄，过滤速率大，但非过滤时间所占的比例相对较大，生产能力不一定就大。相反，过滤时间长，形成的滤饼则厚，过滤速率小，生产能力也可能小。第46页/共55页max, 0QVQ求最优过滤时间，及令 经推导，可得满足下式条件时，板框过滤机生产能力最大： DWKAVVV22)81 ( 当介质阻力不计时，有下式成立： DW 即：在过滤介质阻力不计（Ve0）的情况下，若过滤时间和洗涤时间之和等于辅助时间，则过滤机的生产能力最大。思考：若D和W一定， opt=?DWKAVVV22)21 (叶滤机第47页/共55页卸渣区洗涤脱水区过滤区1234561-转筒；2-分配头；3-洗涤水喷嘴4-刮刀；5-悬浮液槽；6-抖搅器回转真空过滤机操作简图回转真空过滤机的生产能力回转真空过滤机的生产能力该过滤机特点：过滤、脱水、洗涤、卸料等操作在转筒的不同区段中同时进行，在一个周期中，只有部分时间进行过滤操作。转筒表面浸入滤浆中的分数称为浸没度，以表示，=浸没角度/360。在一个操作周期内，整个转筒表面上任何一小块过滤面积所经历的过滤时间为：= /n 转筒转速n:r/s从生产能力的角度看:一台参数为总过滤面积A、浸没度、转速n r/s的连