流体通过颗粒层的流动

1、百度文库-让每个人平等地提升自我174S =4，灰(4球形颗粒比表面积:(4-3)第4章流体通过颗粒层的流动由众多固体堆积而成的静止颗粒层称为固定床。工业生产中流体通过固定床流动的典型 例子:1 .固定床反应器-催化剂颗粒堆积成的固定床。2 .悬浮液白过滤-悬浮液中颗粒沉积形成的滤饼可看成固定床. 本章重点考查流体通过固定床的基本流动规律和过滤操作规律。4 .2 ,颗粒床层的特性/ 颗粒床层由不同大小和形状的颗粒组成，流体在其中的流动与管内流动类似。. 但颗粒床层内的流道尺寸不同， 形状各异，具有复杂的网状结构。对其特性的了解应从组成通道的颗粒着手。4.2.1单颗粒的特性（）球形颗粒的几何特性

2、可用单一参数dp全面表示，如：体积：非球形颗粒：非球形颗粒的几何特征不能用单一参数全面表示，通常以某种等当的球形颗粒近似表示，以使所考查领域内非球形颗粒的特征与球形颗粒等效。此球的直径称 当量直径可用不同方式定义。等于实际颗粒的体积V。（2） .面积当量直径：使当量球形颗粒的表面积兀des2等于实际颗粒的表面积So仆即（4-5）-（3） .比表面当量直径 ：使当量球形颗粒的 6/d ea等于实际颗粒的比表面积 adea = 6/ct=yJ ¥（ 4 6 ）非球形颗粒的形状系数： 对非球形颗粒，只以一个当量直径不能确定其几何特征, 此定义形状系数。W 与非球形颗粒体积相等的球的表面积

3、也琮- 非球形颗粒的表面积 一无中 Ml （4-7）4. 2. 2颗粒群特性由不同大小、形状颗粒组成的颗粒群， 各单个颗粒的尺寸不会完全一样。颗粒群的大小分布用筛分分析得出。筛分分析一一用一组具有不同大小筛孔的利用筛孔的机械阻挡，将颗粒群按其粒度范围分为若干子群即对其分布进行测定（为促使颗粒通过筛孔，筛面应作某种运动）。通过筛孔的颗粒量称为筛过量，截留于筛面的颗粒量称为筛余量。称取各筛面上的颗粒筛余量，即得筛分分析基本数据，筛分分析适用于>70 pm的颗粒（）标准筛-不同国家采用不同的标准筛制， 其筛孔为正方形时，其尺寸可直接用边长（mrm 表示；也可用筛号或筛目（筛网单位长度上的孔数）

4、 表示。相邻筛间尺寸变化通常为 41 或 也倍。筛分分析结果-粒度分布常用分布函数表或分布函数曲线、频率分布表或频率函数曲线表本.分布函数-某号筛（筛孔尺寸为 da）的筛过量（质量）占试样总量的分率（ R）。不同 筛号的Fi与dpi标绘在图上，成为分布函数曲线。其特性为：/（1） 对应某一尺寸da的Fi值表示直径小于da的所有颗粒占全部试样的质量分率；/（2） 在该批试样的颗粒最大直径处，其 E=1o频率函数-各种粒径相对应颗粒的质量分率fi或某号筛面上筛余量占全部试样的质量分率。将不同筛号的fi与dpi标绘在图上，成为频率函数曲线，其特性为：/（3） 在一定粒度范围内的颗粒占全部颗粒的质量分

5、率等于该粒度范围内频率函数曲线下的面积' ;一眄图4-1粒度分布函数（4） 频率函数曲线下的全部面积等于1.图4-2频率函数曲线4.2.3颗粒床特性(1)颗粒群的平均直径为简便起见，常用某个平均或当量直径来代替颗粒群的粒度分布。平均直径可用长度平均、表面积平均、体积平均或比表面积平均直径表示，它们可按颗粒计数平均或按筛分结果(质量分率)平均。对本章所考查的小颗粒，因其流动阻力主要由颗粒层中固体表面决 定，所以采用比表面积平均直径dm对球形颗粒定义1/1幽j右式中：m-颗粒总质量kg。 mi-相邻筛号间颗粒质量kg,其直径为dpi,对非球形颗粒以(W de)代替式中dpi即可。(2)床层

6、特性/床层空隙率£ ()床层的空隙体积与床层总体积之比。其大小反映床层颗粒堆积疏密程度。它影响着：流体的通过能力或床层阻力；/床层体积-颗粒所占体积宫=-t _床层的总体积。干1“"根床层比表面积a B单位体积床层中颗粒的比表面积m3/m3,它与颗粒比表面积a间有如下关系a b= a 1 1 e ）（ 4 一 9 ）床层的各向同性-固定床层中任意截面上各处性质均相同。对小颗粒堆积的床层，可以认为床层各向同性。其重要特点为：床层流通截面积/床层截面积二£。床层的壁效应-固定床的壁面处空隙率总大于床层内部，流体在近壁处因阻力小，其流速必大于床层内部。若床层直径D/颗粒

7、直径dp>10,壁效应可忽略。4. 3流体通过固定床压降一一数学模型法。4.3.1颗粒床层的简化模型床层简化物理模型一一由大量细小颗粒堆积而成的固定床，空隙率较小，流体流过时因阻力较大，将产生很大压降。为解决压降问题，对颗粒床层进行简化。（1）将床层中的不规则通道简化成一组平行虚拟细管，其长度为Le； （2）细管的内表面积等于床中颗粒的全部表面积；（3）细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积集观速度图4-3床层简化数学模型一一由简化物理模型知，流体通过复杂几何边界的压降已简化成通过一组当量直径为de,长度为Le均匀细管的压降。应用流体通过圆管流动概念，作出数学描 述。虚拟细管当量直径

8、de=4 £ / a （ 1- £ ）（49）2流体通过细管的阻力 hf = A P/ P =入LeU1 /2de（4 - 10）式中：U1-床层中颗粒间白实际流速m/s；AP-床层的虚拟压差，忽略重力时。AP=A p流体通过细管的压降（）（空床流速）u与实际流速的关系为：u尸u/ e ,实际床层高度 L与虚拟细管长度Le 的关系为：Le/L二常数C,夕=' p'U2AP q Le二XL L 久(4 -11 )令兄二A：C8-4 -12) 模型参数(由实验定)，重力忽略时AP 学L L4.3.2模型的检验和模型参数的实验值/ 颗粒床层的简化模型是否有效必须由

9、实验检验，即测定模型参数a*(1)康采尼(Kozeny)实验：当床层雷诺数 Re<2时，人与Re(4-14)式中K'-康采尼常数。Re= 5.0? 的误差w io%此时：至 a2(l-f)2-K RUTe3L匕(4-15)康米尼方程。(2)欧根(Ergun)实验：当 Re'=420 时， 4 17久+ 0_29R/此时：Ar? . (1 s)2(1 e) 150 - u, - u + 1.75 夕虱匚L '/篇 后 /尸产/ (4-16)/-欧根方程。Re<3时，上式右边第二项可忽略；当 R，>>100时，右边第一项可忽略。 欧根方程误差土 25

10、%且不适用于细长及环状颗粒。床层雷诺数Ref(4 -17)p-u d(l （5）离心机依靠旋转机械产生离心力场，,使非均相混合物分离的设备通称为离心机。因离心机的转速可达很高，使其很大，故能分离极小的颗粒（25m）和乳浊液。离心机可以间歇或连续操作，间歇离心机又可分为人工或自动卸料。三足立式离心机：间歇操作，手工卸料，其主要部件为一篮式转鼓，壁面上开孔并内衬金属丝网及滤布，外壳、 机座和传动装置悬挂在三个支柱上，以减轻运转时的振动，料液分批加入转鼓，滤液穿过转鼓从机座下排出，滤饼沉积在转鼓内壁。活塞往复式离心机一一连续操作，连续卸料。其主要部件为一侧卧式转鼓和装在转鼓底 部与转鼓一起旋转的推料

11、活塞。转鼓由内向外，依此分为过滤、洗涤、沥干、卸料等区域。 料液加到转鼓的内侧，活塞与料斗一起沿转轴作往复运动，将生成的滤饼向外逐渐推出.4 .4过滤原理及设备4.4.1过滤原理：利用重力或人为造成的压差，使悬浮液通过能截留固体颗粒的过滤介质，使悬浮液中的固体分散相与流体连续相分离的操作 .主要用于液-固分离.（）两种过滤方式：应用中的过滤方式有两种-过滤（）与深层过滤，有关概念见下表滤饼过滤深层过滤常用过滤介质卜（）各种材料的织物（滤布）和金属丝网烧结陶瓷.烧结金属.堆积砂砾.木 炭.石棉粉和非编织纤维等特征1 .固体颗粒尺寸大部分大于介质通道.2 .过滤在介质表面进行.3 .颗粒在介质上堆

12、积形成滤饼（固定床），不断 增厚的饼层为真正的过滤介质1 .颗粒尺寸小于介质的孔隙尺寸2 .颗粒沉积在弯曲细长的介质孔道中）3 .介质表面无滤饼形成应用适用于悬浮液中固体含量 >1%.若固体含量在 0 . 1 1 %同时，可选择增稠.在化工生产应用 很广.适用于悬浮液中固体含量 <%.主要 用于细小粒子的分离以得到清洁的 滤液，如饮用水的净化.滤饼的压缩性：若颗粒形成的滤饼具有一定刚性 ，其空隙结构£不随压强变化，称为不可 压缩滤饼。若滤饼的e随压强增大而减小，流动阻力急剧增加，则称为可压缩滤饼。 （实际 上滤饼均是可压缩的，但对空隙结构随压力变化不大的滤饼，可近似认为是

13、不可压缩的。）滤饼的洗涤：过滤结束后， 滤饼孔道中会残留，无论是回收固体或滤液，均要用清 水对滤饼进行洗涤，必要时还要通入压缩空气，进一步驱除滤饼中液体， 然后进行滤饼卸除。滤饼过滤的特点（本章仅讨论滤饼过滤）（1）通过过滤介质和滤饼的流体，属于固定床中的流动，但床层厚度不断增加；（2）因床层阻力不断增加，随过滤时间延长，过滤速率不断减小；（3）过滤操作属非定态过程。dV d* 11 过滤速率定义Adr /d七 （4-18） 式中：v过滤时间为。时，所获滤?量m*;A过滤面积m2; qq=v/A,通过单位过滤面积的滤液总量m3/m2。'、4. 4. 2过滤设备（）为适应不同的过滤目的和

14、不同性质的悬浮液，发展了各种各样的过滤设备。（1）板框压滤机分类板框压滤机是一种有较长历史，至今仍广泛用于生产的间歇式压滤机。按压紧方式-手动，液压或电动（半自动），自动。按滤液流出方式-和。按框的容积性质-定容积滤室，变容积滤室。板框压滤机结构：（）滤板：滤板为正方形，两面车有棱槽，用以支撑滤布并使滤液沿槽流动。板的四角 各开一圆孔。非洗涤板：非洗涤板在板的左右下角各有孔道和角上的圆孔相通。左上角为滤液出口通道，右上角为洗水出口通道。在板的外侧以一钮标识。洗涤板：洗涤板在板的左上角和左下角各有孔道和角上的圆孔相通。左下角为洗水进口，左上角为滤液出口。在板的外侧以三钮标识。滤框：滤框为正方形，

15、两侧覆以滤布构成滤室。框的四角开有圆孔，右下角的圆孔 与框内相通，滤浆（悬浮液）从此处进入滤框，在框外侧以二钮标识。板框压滤机的操作：组装：过滤开始前，先将滤框覆以四角开孔的滤布，然后将滤板和滤框交替排列在机架上。若滤饼需洗涤，排列方式为（以标识钮记）1-2-3-2-1 - 2-3-2-1 最后使螺杆转动压紧板和框。过滤操作：过滤时，滤浆由管路送入板框右下角圆孔构成的通道，并从框的右下角进入框和滤布构成的滤室，滤液穿过框两侧的滤布分别流向相邻滤板， 并从每板的左上角经孔道 排出机外。框内滤饼不断增厚，直至充满滤框，即停止过滤。洗涤操作:'滤饼需洗涤时，洗液由三钮板左上角孔道进入洗涤板两

16、侧，依此穿过整块框内的滤饼和滤布到达一钮板（非洗涤板）的表面并汇集由右上角小孔排出。此法称为。卸渣：洗涤完成后，停车松开螺旋，卸除滤饼，清洗滤布，为下一次过滤作准备。板框压滤机的特点：1 .过滤时：过滤面积为12X框面积X框数；滤液所走路程为1/2框厚。2 .洗涤时：洗涤面积为框面积X框数 =1/2过滤面积；洗液所走路程为整个框厚 =2X滤 液所走路程。3 .优点是：构造简单，结构紧凑,过滤面积大，承受压力高，可过滤细小颗粒或粘度 较高物料。4 .缺点是：采用手动或半自动过滤机时，劳动强度大。（2）叶滤机是一种间歇式过滤设备叶滤机的结构：滤叶：由金属丝网构成圆柱形扁圆形或矩形框架，外包滤布。叶

17、滤机：将多片滤叶平行排列组装成一体，插入盛有滤浆的密闭滤槽中。叶滤机操作过滤操作：过滤时，滤液在压力下穿过滤布进入滤叶内，并汇集于下部总管中流出，滤饼沉积在滤叶的外表面上。过滤结束后排出剩余滤浆。洗涤操作：滤饼需洗涤时滤槽中充入洗液或将滤叶吊入洗涤槽，洗液穿过滤叶表面上的全部滤饼，到达滤叶内部汇集排出，此法称为法。叶滤机的特点：1、过滤与洗涤时，滤液与洗液穿过的面积和通过的路程相同。2、优点；过滤面积大，设备紧凑，灵活，劳动条件好，滤饼厚度均匀，洗涤充分， 操作稳定。缺点：构造较复杂，造价高，滤布更换较困难。(3 )厢式压滤机是一种间歇式过滤设备/厢式压滤机的外表与板框压滤机相似，其工作原理相

18、同。但厢式压滤机仅有滤板没有滤框。每块滤板的两面均内凹，相邻两板叠合后，内凹部分形成滤室。滤浆从板中心孔进入，滤布也开有中心孔，并在此处压紧在板上，滤液从下角排出。滤饼洗涤也采用横穿洗涤法。(4)回转真空过滤机是一种连续过滤设备<1>回转真空过滤机的构造：转鼓：主体为一水平放置的圆柱形 (长/径=1/22)中空筒，柱体表面上覆以滤布， 其下部有3040% 的表面浸在滤浆中。转鼓内分为12个扇形格，每格的表面均有孔道连至中心转轴端面上的分配头上，扇形格间互不相通。分配头：分配头由一个转动盘和一个固定盘组成。转动盘上开12个孔，分别与转鼓上12个扇形格相通，它安装在转鼓的端面上，随其一

19、起转动。固定盘上开有 3至4条长孔， 分别与滤液槽洗液槽和压缩空气系统相通， 它固定在支架上，靠压紧弹簧与转动盘紧密叠合。b 址阿情JC车it旗机事市商用1 HthJr凯事术E，whji常比鼻机的分配及rr呵力Mi九*长空/抻孔图4-5回转真空过滤机操作简图<2>回转真空过滤机的操作回转真空过滤机在操作时，转鼓以转/分的速度顺时针方向转动，每旋转一周，相继进 行过滤，脱水，洗涤，吹松，卸渣等操作，即完成一个操作周期。当转鼓某一格转至滤槽液面以 下时，与此格对应的转盘上小孔即和固定盘的槽1相通，随之进行真空抽吸过滤， 滤饼沉积在转鼓表面；此格转离液面时，即与固定盘的槽2相通，真空抽干

20、滤饼中的滤液； 转筒继续转动，此格与固定盘槽 3相通，这时转鼓表面淋洒洗液，对滤饼进行洗涤，洗液则由槽3抽往储槽，此种洗涤方法也属置换洗涤；转鼓转至该格与固定盘上槽 4相通时，吹入压缩空气，使滤饼变松，同时固定在滤槽边缘上的刮刀将滤饼卸掉；必要时可由固定盘上的槽吹入压缩空气，以再生和清洗滤布，重新开始下一周期的操作。4.5过滤过程的计算4.5.1 过滤过程的数学描述悬浮液中固体含量的表示方法:质量分率(4-19)=体积分率暧固体/悬浮液质量分率与体积分率的关系（对颗粒在液体中不发生溶涨物系，按体积加和原则）(4 -21 )式中：p p, p -分别为固体颗粒和滤液的密度K/m3,kg/m 3物

21、料衡算总物料衡算V 悬=V+LA式中：V悬、V-分别为悬浮液、滤液的体积(n3i)L-滤饼厚度(m);A-过滤面积(R)。固体物料衡算 V悬e=LA (1-e)从上两式推出(4 -22 )般()<<£(4 -23 )上式表明：过滤时若滤饼空隙率e不变，即滤饼不可压缩，滤饼厚度L与单位面积上累积滤液量q成正比。般 Re'<2 ,由于过滤所涉颗粒尺寸均很小，所以液体在所形成的滤饼层中流速均很低,适)皿采尼公式。由过滤速率u定义式和康采尼公式有：(4 -24 )的3 £Adr dr (1-封口1过滤速_dq _=过滤的推前力率-二嬴二远而二过滤的阻力4

22、-25 ）式中"-施加于滤饼两侧的压差。将速率表示成正比于推动力，反比于阻力的形式，其优点在于：在串联过程中，推动力及阻力分别具有 力海口性。/过滤过程基本方程过滤时滤液依次通过滤饼和过滤介质，过滤介质同样具有阻力，其大小可视为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。 设"1和2分别为滤饼两侧和过滤介质两侧的压差，定常时:dq drdq _ 咛1+咛n _ Ap炉斗巧十以巴 （4-26）为过滤操作总压差，令 r/ , K（itf/s）与qe（m3/m2）同称为过滤常数,由实验测定。dV _ KA2石一2（十）(4 -27 )由上式可得本章一个重要方程-过滤

23、dq K=速率基本方程式中Ve=Aqe为形成与过滤介质阻力相等的滤饼层所得的滤液量（m3）滤饼的比阻：系数r反映了滤饼的特性，称为滤饼的. 一 一姬一2前面已定义：比阻有下面一些特性：r表示滤饼结构对过滤速率的影响，其数值大小反映了过滤操作的难易程度. 对不可压缩滤饼,r仅取决于悬浮液的物性。e T , r J ; a T , r T ;床层颗粒 不均匀T, K ' T , r T。对可压缩滤饼，在一定的科下， r随操作压差增加而加大此时r服从经验关系:r=r0 p3式中r0-单位压差下的平均比阻，实验常数。s-压缩性指数（），实验常数。不可压缩滤饼s=0;可压缩滤饼s=，压缩性越大，

24、s越大。4.5.2 间歇过滤的滤液量与过滤时间的关系过滤方式恒压过滤-恒压差，变速率(速率随滤饼增厚逐渐减小)操作；恒速过滤-恒速率，变压差(压差随滤饼增厚逐渐加大)操作；先恒速，后恒压操作-避免过滤初期压差过高引起滤布堵塞或破损。恒速过滤方程使用正位移泵或隔膜泵输送滤浆可实现恒速操作。组三 K 三常数八(4-28)则：/ /十的虐=5工片+叱广彳汇工"上 或上(4 -29 )要保持较高的过滤速率，压差要增至很大，而过高的压差受设备强度及电机能力限制，因此纯粹恒速过滤很少用。恒压过滤方程：恒压时K, qe为常数匕(49于+2帆-31 )若忽略过滤介质阻力，过滤常数的测定过滤常数K,q

25、e,及r,s将恒压过滤方程变形T上式表明q与-Kt 或 V2+2VU=KA2p(4贝U: q2=K° 或 V2=KA2P(4-32)的测定，是用同一种悬浮液在小型设备中进行的。/T 12一=二g十工M 33(4-33)q间呈线性关系，实验时，在恒仃，测定在不同时间。内，所得-30)得单位过滤面积上的滤液量q,将若小组数据标绘在直角坐标系中，即可得到K,qeo若在不同压差力知的馍,4值按长=理/,中下，重复上述实验，并由已求出不同的r。对可压缩滤饼，可由r=r人。s或logr=slog八户+logr 0求出相应的s和r。（）图4-6恒压过滤常数的测定4.5.3 与当滤饼需洗涤时，单位面

26、积洗涤液的用量qw需由实验定.洗涤过程中滤饼不再增厚，洗*为一常数。叶滤机的洗涤速率-此类设备中，洗液流过滤饼的路程与过滤结束时滤液走过的路程相同, 面积与过滤面积相同。按恒压过滤方程求导洗液通过的Tur洗涤速率中下标W表示洗涤-34 -34)式洗涤时间(4-35）若洗涤与过滤结束时的操作压强相同，洗液与滤液粘度相等，则洗涤速率与最终过滤速相等，即率dq1，F+ q J-36)j w(4百度文库-让每个人平等地提升自我Z 2仍+匕）2（夕+匕）/W口 24-38 ）/板框压滤机的洗涤速率-, （横穿洗涤法此类设备中，洗液穿过滤饼的路程是滤液在过滤结束时的两倍，洗液通过的面积是过滤面积的二分么/V_ %速率1$工人4%我"孑）洗涤时间压强相同，洗液与滤液粘度相等，则洗涤速率是最、，也）他）一度3弓J 4曲，一物+如 _妁十一瓦K（4 -39 ）竺竺:8十七）T - "KA2 （4 -40 ）4.5.4过滤过程的计算设计型计算14之一，若仍以过滤面积为基准的话， 则洗涤_ 一一 、 卬 一drjw若洗涤与过滤结束时的操作终过滤速率的四分之一，即：8（/十匕）/百度文库-让每个人平等地提升自我命题：设计得到一定滤液量V所需的过滤面积 A。已知条