第四章流体通过颗粒层的流动

1、华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件1第四章第四章 流体通过颗粒层的流动流体通过颗粒层的流动 4.1 4.1 概述概述 4.2 4.2 颗粒床层的特性颗粒床层的特性 4.3 4.3 流体通过固定床的压降流体通过固定床的压降 4.4 4.4 过滤原理及设备过滤原理及设备4.5 4.5 过滤过程计算过滤过程计算华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件24.1 4.1 概述概述 均相物系：均相物系：物系内部各处物料性质均匀而不物系内部各处物料性质均匀而不存在相界面的混合物系。溶液以及各种气体存在相界面的混合物系。溶液以及各种气体的混合物都是均相物系，它们的分离方法将的混合物都是均

2、相物系，它们的分离方法将在后面章节讨论。在后面章节讨论。 非均相物系：非均相物系：物系内部有明显的相界面存在物系内部有明显的相界面存在而界面两侧物料的性质不同的混合物系。而界面两侧物料的性质不同的混合物系。一、均相物系和非均相物系一、均相物系和非均相物系华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件3二、非均相物系的分类二、非均相物系的分类 1.1.按状态分按状态分液态非均相物系：液态非均相物系：固、液、气分散在液相中。固、液、气分散在液相中。悬浮液悬浮液( (液固物系液固物系) )：指液体中含有一部分固体颗粒：指液体中含有一部分固体颗粒乳浊液乳浊液( (液液物系液液物系) )：指一种液体分

3、散在与其不互溶：指一种液体分散在与其不互溶的另一种液体中的另一种液体中泡沫液泡沫液( (液气物系液气物系) )：指液体中含有气泡的物系：指液体中含有气泡的物系气态非均相物系：气态非均相物系：固、液分散在气相中。分：固、液分散在气相中。分：含尘气体含尘气体( (气固物系气固物系) )：指气体中含有固体颗粒：指气体中含有固体颗粒含雾气体含雾气体( (气液物系气液物系) )：指气体中含有少量液滴：指气体中含有少量液滴 华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件4 粗悬浮系统：粗悬浮系统：d100md100m悬浮系统：悬浮系统：0.10.1mmd100md100m胶体系统：胶体系统：d0.1md

4、0.1m2.2.按颗粒大小分按颗粒大小分华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件5三、连续相与分散相三、连续相与分散相 分散相分散相( (分散物质分散物质) )：处于分散状态的物质处于分散状态的物质 连续相连续相( (分散介质分散介质) )：包围着分散物质而处于连续状包围着分散物质而处于连续状态的物质态的物质 由于非均相物系中连续相与分散相之间具有不同的由于非均相物系中连续相与分散相之间具有不同的物理性质物理性质( (如密度、粒子的大小与另一相分子尺寸如密度、粒子的大小与另一相分子尺寸等等) )，受到外力作用时运动状态就不同，受到外力作用时运动状态就不同，因而可应因而可应用机械方法将它

5、们分开。用机械方法将它们分开。 要实现这种分离，其方法是使分散物质与分散介质要实现这种分离，其方法是使分散物质与分散介质之间发生相对运动，之间发生相对运动，所以非均相物系的分离操作也所以非均相物系的分离操作也遵循流体流动的基本规律遵循流体流动的基本规律。本章主要讨论液固非均。本章主要讨论液固非均相物系和气固非均相物系分离所依据的基本原理和相物系和气固非均相物系分离所依据的基本原理和设备，即设备，即颗粒相对于流体而运动的沉降操作和流体颗粒相对于流体而运动的沉降操作和流体相对于固粒而运动的过滤操作。相对于固粒而运动的过滤操作。 华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件6四、非均相物系分离的

6、目的四、非均相物系分离的目的1 1、回收有用物质、回收有用物质如从气流干燥器排出尾气中回收带出的固体颗粒作如从气流干燥器排出尾气中回收带出的固体颗粒作为产品，或者从某些排泥中回收带走的液体等。为产品，或者从某些排泥中回收带走的液体等。2 2、净化物料、净化物料如除去浑液中的固相杂质而使其成为清液，或者使如除去浑液中的固相杂质而使其成为清液，或者使压缩后气体中的油滴分离而净化气体等。压缩后气体中的油滴分离而净化气体等。3 3、环境保护的需要、环境保护的需要象烟道气的排放、废液的排放都要求其含固量达到象烟道气的排放、废液的排放都要求其含固量达到一定标准，以防止对大气、河海等环境污染。一定标准，以防

7、止对大气、河海等环境污染。 华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件7五、非均相物系的分离方法五、非均相物系的分离方法 1.1.沉降：沉降：依据重力、离心力、惯性力，使分散相与依据重力、离心力、惯性力，使分散相与连续相分离。据力的不同分：重力沉降、离心沉降连续相分离。据力的不同分：重力沉降、离心沉降 2.2.过滤：过滤：借助压力或离心力使混合物通过某介质借助压力或离心力使混合物通过某介质( (固固体体) )，使液相与固相截留于介质两侧而达到分离的目，使液相与固相截留于介质两侧而达到分离的目的。主要用于分离液态非均相物系。的。主要用于分离液态非均相物系。 3.3.气体湿法净制：气体湿法净

8、制：让含尘气体通过水或其它液体中，让含尘气体通过水或其它液体中，使颗粒溶于液体中或润湿颗粒，而使颗粒粘在一起，使颗粒溶于液体中或润湿颗粒，而使颗粒粘在一起，通过重力沉降分离。通过重力沉降分离。 4.4.电子除尘：电子除尘：使含有悬浮尘粒或雾滴的气体通过金使含有悬浮尘粒或雾滴的气体通过金属电极间的高压直流静电场，气体电离产生离子附属电极间的高压直流静电场，气体电离产生离子附着于悬浮尘粒或雾滴上而使之荷电。荷电的尘粒、着于悬浮尘粒或雾滴上而使之荷电。荷电的尘粒、雾滴在电场力的作用下至电极后发生中和而恢复中雾滴在电场力的作用下至电极后发生中和而恢复中性从而达到分离。性从而达到分离。华东交通大学化工原

9、理课件华东交通大学化工原理课件8六、固定床六、固定床 由众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒床层称由众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒床层称为固定床。为固定床。许多化工操作都与流体通过固定床许多化工操作都与流体通过固定床的流动有关，其中最常见的有：的流动有关，其中最常见的有： （1 1）固定床反应器）固定床反应器（组成固定床的是粒状或片（组成固定床的是粒状或片状催化剂）状催化剂） （2 2）悬浮液的过滤）悬浮液的过滤（组成固定床的是悬浮液中（组成固定床的是悬浮液中的固定颗粒堆积而成的滤饼看作是固定床）的固定颗粒堆积而成的滤饼看作是固定床）本章讨论的主要内容本章讨论的主要内容华东交通大学化工原理课件华

10、东交通大学化工原理课件94.2 4.2 颗粒床层的特性颗粒床层的特性 1 1、球形颗粒、球形颗粒一、单颗粒的特性一、单颗粒的特性224drSdVSa6361dV常用直径常用直径d d作为特征长度，其体积、表面积和作为特征长度，其体积、表面积和比表面积为：比表面积为：对一定直径的颗粒，比表面积一定；颗粒的直对一定直径的颗粒，比表面积一定；颗粒的直径愈小，比表面积愈大，因此可以根据比表面径愈小，比表面积愈大，因此可以根据比表面积的大小，来表示颗粒的大小，特别是微小颗积的大小，来表示颗粒的大小，特别是微小颗粒。粒。华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件10 2.2.非球形颗粒非球形颗粒 常

11、用颗粒的当量直径和球形度表示其特性。常用颗粒的当量直径和球形度表示其特性。 (1)(1)体积当量直径体积当量直径d de e：与实际颗粒体积与实际颗粒体积VpVp相等的球相等的球形颗粒的直径定义为非球形颗粒的当量直径。即：形颗粒的直径定义为非球形颗粒的当量直径。即：3peV6dpsSdpaa6d (2)(2)表面积当量直径表面积当量直径d ds s：表面积等于实际颗粒表面表面积等于实际颗粒表面积积S Sp p的球形颗粒的直径定义为非球形颗粒的表面的球形颗粒的直径定义为非球形颗粒的表面积当量直径。即：积当量直径。即：(3)(3)比表面积当量直径比表面积当量直径d da a: :比表面积等于实际颗

12、料比比表面积等于实际颗料比表面积的球形颗粒的直径定义为非球形颗粒的比表表面积的球形颗粒的直径定义为非球形颗粒的比表面积当量直径。即：面积当量直径。即：工程上常用工程上常用dede华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件11(4)(4)形状系数形状系数v亦称球形度亦称球形度，用于表征颗粒的形状与球形的差异，用于表征颗粒的形状与球形的差异程度。程度。v定义：体积与实际颗粒相等时球形颗粒表面积与定义：体积与实际颗粒相等时球形颗粒表面积与实际颗粒的表面积之比，即：实际颗粒的表面积之比，即：v由于体积相同时，球形颗粒的表面积最小，故非由于体积相同时，球形颗粒的表面积最小，故非球形颗粒的球形颗粒的

13、 s s 1, 1,而且颗粒与球形差别愈大，其而且颗粒与球形差别愈大，其 s s值愈小。值愈小。 v对非球形颗粒必须有两个参数才能确定其几何特对非球形颗粒必须有两个参数才能确定其几何特性，通常选用性，通常选用dede和和 s s来表征。来表征。 pspSS VV时，当华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件12 1 1粒度分布（粒径分布）粒度分布（粒径分布） (1) (1) 定义：不同粒径范围内所含粒子的个数定义：不同粒径范围内所含粒子的个数或质量或质量 （2 2）测定方法：）测定方法：标准筛法、透射电镜法标准筛法、透射电镜法等等 （3 3）筛分结果的图示：分布函数和频率函数）筛分结果

14、的图示：分布函数和频率函数 分布函数：分布函数：令某号筛子的筛过量占试样总量令某号筛子的筛过量占试样总量的分率为的分率为F Fi i，不同筛号的，不同筛号的F Fi i与筛孔尺寸绘成与筛孔尺寸绘成的曲线称为的曲线称为分布函数曲线。分布函数曲线。 二、颗粒群的特性二、颗粒群的特性华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件13频率函数：频率函数：设某号筛面上的颗粒占全部试样的设某号筛面上的颗粒占全部试样的质量百分率为质量百分率为x xi i。这些颗粒的直径介于相邻两。这些颗粒的直径介于相邻两号筛直径号筛直径d di-1i-1与与d di i之间。之间。将该粒径范围内颗粒的质量分率将该粒径范围

15、内颗粒的质量分率x xi i用一矩形的用一矩形的面积表示，矩形的高度为：面积表示，矩形的高度为：iiiiddxf1上式即称为粒径处于上式即称为粒径处于d di-1i-1与与d di i范围内颗粒的范围内颗粒的平均平均分布密度。分布密度。以粒径为横坐标，以平均分布密度为纵坐标，以粒径为横坐标，以平均分布密度为纵坐标，绘成的线称为绘成的线称为频率函数曲线。频率函数曲线。华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件142 2平均直径平均直径以球形颗粒为例，根据比以球形颗粒为例，根据比表面积相等的原则：表面积相等的原则：颗粒群的平均粒径有不同颗粒群的平均粒径有不同的表示方法，常以比表面的表示方法，

16、常以比表面积等于颗粒群的比表面积积等于颗粒群的比表面积的颗粒直径定义为颗粒群的颗粒直径定义为颗粒群的平均直粒的平均直粒d dm m。eiimdxds/1非球形颗粒非球形颗粒666621nssssSSSS32221116666VSmVSmVSmVmSnn66662211nnamamamma66662211nnaxaxaxaniiinnmdxdxdxdxdd1221111nSSSS21平均直径计算过程平均直径计算过程华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件153 3颗粒密度颗粒密度（2 2）堆积密度（表观密度）：）堆积密度（表观密度）：单位体积床单位体积床层所具有的质量，即层所具有的质量，

17、即（1 1）真密度：）真密度：单位体积颗粒所具有的质量单位体积颗粒所具有的质量VmsbbVmsb)1 ( （3 3）两者关系：）两者关系：华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件16 1 1、床层空隙率、床层空隙率 固定床层中颗粒堆积的疏密程度可用空隙率来固定床层中颗粒堆积的疏密程度可用空隙率来表示，其定义如下：表示，其定义如下： 的大小反映了床层颗粒的紧密程度，的大小反映了床层颗粒的紧密程度，对流对流体流动的阻力有极大的影响。体流动的阻力有极大的影响。 1VvvV 空隙体积床层体积颗粒所占体积床层体积床层体积V,1fh。三、颗粒床层的特性三、颗粒床层的特性华东交通大学化工原理课件华东

18、交通大学化工原理课件17在工业上小颗粒的床层采用乱堆方式堆成，这在工业上小颗粒的床层采用乱堆方式堆成，这时颗粒的定位是随机的，时颗粒的定位是随机的，所以堆成的床层可认所以堆成的床层可认为是各向同性为是各向同性（意指从各个方向看，颗粒的堆（意指从各个方向看，颗粒的堆积情况都是相同的）。积情况都是相同的）。2 2、床层的各向同性、床层的各向同性华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件18 3 3、床层自由截面积分率、床层自由截面积分率A A。 空降率与床层自由截面积分率之间有何关系？空降率与床层自由截面积分率之间有何关系？假假设床层颗粒是均匀堆积（即认为床层是各向同性设床层颗粒是均匀堆积（

19、即认为床层是各向同性的）。想象用力从床层四周往中间均匀压紧，把的）。想象用力从床层四周往中间均匀压紧，把颗粒都压到中间直径为长为颗粒都压到中间直径为长为L L的圆柱中（圆柱内设的圆柱中（圆柱内设有空隙）。有空隙）。 所以对颗粒均匀堆积的床层所以对颗粒均匀堆积的床层( (各向同性床层），在各向同性床层），在数值上数值上空降率与床层自由截面积分率空降率与床层自由截面积分率相等。相等。PP01AAAA 床层截面积A-颗粒所占的平均截面积A流动截面积床层截面积床层截面积2211241114D LDvVDD L 22110241114PDADAADD 0A即即华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理

20、课件19 此式是近似的，在忽略床层中固颗粒相互接此式是近似的，在忽略床层中固颗粒相互接触而彼此覆盖使裸露的颗粒表面积减少时成触而彼此覆盖使裸露的颗粒表面积减少时成立。立。 BaV颗粒表面积S床层体积4 4、床层比表面、床层比表面SaV颗粒表面积颗粒体积颗粒比表面颗粒比表面B1Sa 1SSav取取V=1V=1立方米的床层考虑立方米的床层考虑B(1)aa所以所以华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件204.3 4.3 流体通过固定床的压降流体通过固定床的压降 流体通过复杂的通道时的阻力（压降）难以进行理流体通过复杂的通道时的阻力（压降）难以进行理论计算，必须依靠实验来解决问题。现在介绍一

21、种论计算，必须依靠实验来解决问题。现在介绍一种实验规划方法实验规划方法数学模型法。数学模型法。 1 1、颗粒床层的简化物理模型、颗粒床层的简化物理模型 单位体积床层所具有的颗粒表面积单位体积床层所具有的颗粒表面积 和床层空隙率和床层空隙率 对流动阻力有决定性的作用。对流动阻力有决定性的作用。将实际床层简化成由将实际床层简化成由许多相互平行的小孔道组成的管束。许多相互平行的小孔道组成的管束。 规定：规定： 细管的内表面积等于床层颗粒的全部表面；细管的内表面积等于床层颗粒的全部表面； 细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙体积。细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙体积。Ba华东交通大学化工原理课件华

22、东交通大学化工原理课件21与床层厚与床层厚度成正比度成正比表观流速表观流速实际流速实际流速华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件22根据上述假定，可求得虚拟细管的当量直径根据上述假定，可求得虚拟细管的当量直径空隙率床层体积比表面积空隙率床层体积14颗粒体积比表面积空隙率床层体积颗粒表面积空隙体积润湿周边长流通截面积444llde以以1 1立方米床层体积为基准，则有立方米床层体积为基准，则有14ade华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件23所以所以 床层截面积床层空隙率滤液体积流量面积床层截面中空隙部分的滤液体积流量1u22ee3( )(1)(1)()()428uLLpaa

23、uLLL2 2、流体压降的数学模型、流体压降的数学模型流体流过圆管的阻力损失数学描述：流体流过圆管的阻力损失数学描述：其中滤液流速其中滤液流速u u1 1: :u u1 1与与u u的关系的关系udAdVu1u u为按整个床层截面计算为按整个床层截面计算 的空床流速（表观流速）的空床流速（表观流速）221udLpee华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件24 上式为流体通过固定床压降的数学模型，未知上式为流体通过固定床压降的数学模型，未知的待定系数的待定系数 称为称为模型参数模型参数，就其物理意义，就其物理意义而言称为固定床的而言称为固定床的流动摩擦系数流动摩擦系数。 pL式中式中为

24、单位床层高度的虚拟压强差为单位床层高度的虚拟压强差当床层不高，重力的影响可以忽略时当床层不高，重力的影响可以忽略时23(1)pauL23)1 (uaLpfLpLpf华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件25合理简化得到合理简化得到康采尼方程：康采尼方程： (1)ReKK a 式中式中 称为称为康采尼常数康采尼常数，其值为，其值为5.0 5.0 ，对不，对不同床层其可能误差不超过同床层其可能误差不超过10%10%。K3 3、模型的检验和模型参数的估值、模型的检验和模型参数的估值e1Re24(1)d uua 当床层雷诺数当床层雷诺数时，实验数据符合下式时，实验数据符合下式uaLp322)

25、1 (5（1 1）康采尼方程）康采尼方程一般情况下，流体通过一般情况下，流体通过床层的流速较小，雷诺床层的流速较小，雷诺数在康采尼方程范围数在康采尼方程范围华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件26（2 2）欧根方程）欧根方程欧根在较宽的雷诺数范围内研究了模型参数欧根在较宽的雷诺数范围内研究了模型参数与雷诺数的关系，获得如下关联式：与雷诺数的关系，获得如下关联式：29. 0Re17. 423322)1 (29. 0)1 (17. 4uauaLp代入压降公式：代入压降公式：上式称为上式称为欧根方程欧根方程，其实验范围为，其实验范围为Re=0.17-420Re=0.17-420。当当Re

26、3Re100100时，右方第一项可以略去。时，右方第一项可以略去。华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件27 从康采尼方程或欧根方程可看出，从康采尼方程或欧根方程可看出，影响床层影响床层压降的变量有三类：压降的变量有三类： 操作变量操作变量 流体物性流体物性 和和 床层特性床层特性 和和 在上述因素中，影响最大的是空隙率在上述因素中，影响最大的是空隙率ua华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件28v某固定床反应器，内径为某固定床反应器，内径为3m3m，填料层高度为，填料层高度为4m4m，直，直径为径为5mm5mm的球形颗粒，密度为的球形颗粒，密度为2000kg/m2000k

27、g/m3 3，反应器内，反应器内填料的总质量为填料的总质量为32000kg32000kg。已知通过固定床的气体。已知通过固定床的气体流量为流量为0.03m0.03m3 3/s/s，平均密度为，平均密度为38kg/m38kg/m3 3，粘度为，粘度为0.000017Pa.s0.000017Pa.s，求气体通过固定床的压降。求气体通过固定床的压降。v解：颗粒床层的体积解：颗粒床层的体积V V床床=28=28. .2626m m3 3； 填料的体积填料的体积V V填料填料=32000/2000=16m=32000/2000=16m3 3； 故床层空隙率故床层空隙率=0.43=0.43； 颗粒的比表面

28、积颗粒的比表面积=6/0.005=12000m=6/0.005=12000m2 2/m/m3 3； 气体通过颗粒床层的流速气体通过颗粒床层的流速u=Q/A=0.0042m/su=Q/A=0.0042m/s； 故压降为：故压降为： PauLap4 . 8)1 (5322华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件29v一个滤池由直径为一个滤池由直径为4mm4mm的砂粒组成，的砂粒组成， 其其形状系数为形状系数为0.80.8，滤层高度为，滤层高度为0.8m0.8m， 空空隙率为隙率为0.40.4， 每平方米滤池通过的水量每平方米滤池通过的水量为为12m12m3 3/h/h，求水流通过滤池的压降

29、求水流通过滤池的压降（粘（粘度为度为0.001Pa.s0.001Pa.s）。）。练习题：练习题：华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件30 化工过程具有复杂性难以采用数学解析法求化工过程具有复杂性难以采用数学解析法求解，而必须依靠实验。解，而必须依靠实验。 指导实验的理论包括两个方面：指导实验的理论包括两个方面： 化学工程学科本身的基本规律和基本观点；化学工程学科本身的基本规律和基本观点；正确的实验方法论。正确的实验方法论。 指导实验的理论：指导实验的理论： 因次分析法；因次分析法； 数学模型法。数学模型法。4 4、因次分析法和数学模型法的比较、因次分析法和数学模型法的比较华东交通大

30、学化工原理课件华东交通大学化工原理课件31因次分析法的步骤：因次分析法的步骤： 找出过程的影响因素；找出过程的影响因素；将影响过程的各个物理量的因次抽出进行分析，将影响过程的各个物理量的因次抽出进行分析，整理成若干个无因次数群；整理成若干个无因次数群；通过实验确定各数群之间的定量关系；通过实验确定各数群之间的定量关系；数学模型法的步骤：数学模型法的步骤：将复杂的真实过程简化成易于用数学方程式描将复杂的真实过程简化成易于用数学方程式描述的物理模型；述的物理模型；对所得的物理模型进行数学描述即建立数学模对所得的物理模型进行数学描述即建立数学模型；型；通过实验对数学模型的合理性进行检验并测定通过实验

31、对数学模型的合理性进行检验并测定模型参数；模型参数；这两种方法应同时并存，各有所用，相辅相成这两种方法应同时并存，各有所用，相辅相成。 华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件324.4 4.4 过滤原理及设备过滤原理及设备 过滤过滤是利用可以让液体通过而不能让固体通过是利用可以让液体通过而不能让固体通过的多孔介质，将悬浮液中的固、液两相加以分的多孔介质，将悬浮液中的固、液两相加以分离的操作。离的操作。 过滤操作过滤操作是利用重力或人为造成的压差使悬浮是利用重力或人为造成的压差使悬浮液通过某种多孔性过滤介质，悬浮液中的固体液通过某种多孔性过滤介质，悬浮液中的固体颗粒被截流，滤液则穿过介

32、质流出。颗粒被截流，滤液则穿过介质流出。 一、过滤原理一、过滤原理华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件33 （1 1）滤饼过滤）滤饼过滤（表面过滤）（表面过滤） 过滤时悬浮液置于过滤介质的一侧。过滤介质常过滤时悬浮液置于过滤介质的一侧。过滤介质常用多孔织物，其网孔尺寸未必一定须小于被截留用多孔织物，其网孔尺寸未必一定须小于被截留的颗粒直径。的颗粒直径。在过滤操作开始阶段，会有部分颗在过滤操作开始阶段，会有部分颗粒进入过滤介质网孔中发生架桥现象粒进入过滤介质网孔中发生架桥现象（图（图b b），），也有少量颗粒穿过介质而混与滤液中。也有少量颗粒穿过介质而混与滤液中。随着滤渣随着滤渣的逐

33、步堆积，在介质上形成一个滤渣层，称为的逐步堆积，在介质上形成一个滤渣层，称为滤滤饼饼。不断增厚的滤饼才是真正有效的过滤介质，不断增厚的滤饼才是真正有效的过滤介质，而穿过滤饼的液体则变为清净的滤液。而穿过滤饼的液体则变为清净的滤液。通常，在通常，在操作开始阶段所得到滤液是浑浊的，须经过滤饼操作开始阶段所得到滤液是浑浊的，须经过滤饼形成之后返回重滤。形成之后返回重滤。1 1、过滤方式、过滤方式华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件34被过滤的颗粒粒被过滤的颗粒粒径较小的情况径较小的情况滤饼过滤通常发生在过滤流体中滤饼过滤通常发生在过滤流体中颗粒物浓度较高颗粒物浓度较高或或过滤过滤速度较慢

34、速度较慢的情况。的情况。给水处理：给水处理：慢滤池慢滤池污泥脱水：污泥脱水：使用的各类脱水机（如真空过滤机、板框式使用的各类脱水机（如真空过滤机、板框式压滤机等）压滤机等） 滤饼过滤滤饼过滤多孔性多孔性介质介质华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件35 （2 2）深层过滤）深层过滤 颗粒尺寸比介质孔道小的多，孔道弯曲细长，颗粒尺寸比介质孔道小的多，孔道弯曲细长，颗粒进入孔道后容易被截留。同时由于流体流颗粒进入孔道后容易被截留。同时由于流体流过时所引起的挤压和冲撞作用。颗粒紧附在孔过时所引起的挤压和冲撞作用。颗粒紧附在孔道的壁面上。介质表面无滤饼形成，过滤是在道的壁面上。介质表面无滤饼

35、形成，过滤是在介质内部进行的。介质内部进行的。 深层过滤深层过滤华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件36 利用过滤介质间空隙进行过滤。利用过滤介质间空隙进行过滤。 通常发生在以固体颗粒为滤料的过滤操作中。通常发生在以固体颗粒为滤料的过滤操作中。 滤料内部空隙大于悬浮颗粒粒径。滤料内部空隙大于悬浮颗粒粒径。 悬浮颗粒随流体进入滤料内部，在悬浮颗粒随流体进入滤料内部，在拦截、惯拦截、惯性碰撞、扩散沉淀性碰撞、扩散沉淀等作用下颗粒附着在滤料表等作用下颗粒附着在滤料表面上而与流体分开。面上而与流体分开。深层过滤的特点：深层过滤的特点：华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件37作用

36、是使清液通过，截留和支承滤饼。对其要求是：作用是使清液通过，截留和支承滤饼。对其要求是：（1 1）具有多孔性，孔道大小合适；）具有多孔性，孔道大小合适；（2 2）具有足够的机械强度和尽可能小的流动阻力；）具有足够的机械强度和尽可能小的流动阻力；（3 3）具有相应的耐腐蚀性、耐热性、抗老化性等。）具有相应的耐腐蚀性、耐热性、抗老化性等。工业上常用的过滤介质种类主要有：工业上常用的过滤介质种类主要有：（1 1）织物介质：即棉、毛、麻或各种合成材料制成）织物介质：即棉、毛、麻或各种合成材料制成的织物，也称为滤布。的织物，也称为滤布。（2 2）粒状介质：细纱、木炭、碎石等。）粒状介质：细纱、木炭、碎石

37、等。（3 3）多孔固体介质（一般要能够再生的才行）：多）多孔固体介质（一般要能够再生的才行）：多孔陶瓷、多孔塑料、多孔玻璃等孔陶瓷、多孔塑料、多孔玻璃等 。 2 2、过滤介质、过滤介质华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件38 3 3、助滤剂、助滤剂 若悬浮液中颗粒过于细小将会使通道堵塞，或颗粒若悬浮液中颗粒过于细小将会使通道堵塞，或颗粒受压后变形较大，滤饼的孔隙率大为减小。造成过受压后变形较大，滤饼的孔隙率大为减小。造成过滤困难，往往加助滤剂以增加过滤速率。滤困难，往往加助滤剂以增加过滤速率。 助滤剂的加法有两种：助滤剂的加法有两种： 直接以一定比例加到滤浆中一起过滤。若过滤的直接

38、以一定比例加到滤浆中一起过滤。若过滤的目的是回收固体物此法便不适用。目的是回收固体物此法便不适用。 将助滤剂预先涂在滤布上，然后再进行过滤。此将助滤剂预先涂在滤布上，然后再进行过滤。此法称为预涂。法称为预涂。 助滤剂是一种坚硬而形状不规则的小颗粒，能形成助滤剂是一种坚硬而形状不规则的小颗粒，能形成结构疏松而且几乎是不可压缩的滤饼。常用作助滤结构疏松而且几乎是不可压缩的滤饼。常用作助滤剂的物质有：硅藻土、珍珠岩、炭粉、石棉粉等。剂的物质有：硅藻土、珍珠岩、炭粉、石棉粉等。 华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件39二、过滤设备二、过滤设备 1 1、板框过滤机、板框过滤机 （1 1）结构

39、与工作原理结构与工作原理：由多块带凸凹纹路的滤由多块带凸凹纹路的滤板和滤框交替排列于机架而构成。板和框一般板和滤框交替排列于机架而构成。板和框一般制成方形，其角端均开有圆孔，这样板、框装制成方形，其角端均开有圆孔，这样板、框装合，压紧后即构成供滤浆、滤液或洗涤液流动合，压紧后即构成供滤浆、滤液或洗涤液流动的通道。框的两侧覆以滤布，空框与滤布围成的通道。框的两侧覆以滤布，空框与滤布围成了容纳滤浆和滤饼的空间。了容纳滤浆和滤饼的空间。 华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件40 板和框的结构如图所示。板和框的结构如图所示。悬浮液悬浮液从框右上角的通道从框右上角的通道1 1（位于框内）（位

40、于框内）进入滤框，固体颗粒被截留在框进入滤框，固体颗粒被截留在框内形成滤饼，滤液穿过滤饼和滤内形成滤饼，滤液穿过滤饼和滤布到达两侧的板，经板面从板的布到达两侧的板，经板面从板的左下角旋塞排出。待框内充满滤左下角旋塞排出。待框内充满滤饼，即停止过滤。如果滤饼需要饼，即停止过滤。如果滤饼需要洗涤，先关闭洗涤板下方的旋塞，洗涤，先关闭洗涤板下方的旋塞，洗液从洗板左上角的通道洗液从洗板左上角的通道2 2（位（位于框内）进入，依次穿过滤布、于框内）进入，依次穿过滤布、滤饼、滤布，到达非洗涤板，从滤饼、滤布，到达非洗涤板，从其下角的旋塞排出。其下角的旋塞排出。 华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理

41、课件41 如果将非洗涤板编号为如果将非洗涤板编号为1 1、框为、框为2 2、洗涤板为、洗涤板为3 3，则，则板框的组合方式服从板框的组合方式服从1 12 23 32 21 12 23 3之规之规律。组装之后的过滤和洗涤原理如图所示。律。组装之后的过滤和洗涤原理如图所示。 华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件42 滤液的排出方式有明流和暗流之分滤液的排出方式有明流和暗流之分，若滤液经由，若滤液经由每块板底部旋塞直接排出，则称为每块板底部旋塞直接排出，则称为明流明流（显然，（显然，以上讨论以明流为例）；若滤液不宜暴露于空气以上讨论以明流为例）；若滤液不宜暴露于空气中，则需要将各板流出的

42、滤液汇集于总管后送走，中，则需要将各板流出的滤液汇集于总管后送走，称为称为暗流暗流。 说明说明： 板框压滤机的操作是间歇的，每个操作循环由板框压滤机的操作是间歇的，每个操作循环由装合、过滤、洗涤、卸渣、整理五个阶段组成。装合、过滤、洗涤、卸渣、整理五个阶段组成。 上面介绍的洗涤方法称为横穿洗涤法，上面介绍的洗涤方法称为横穿洗涤法，其洗涤其洗涤面积为过滤面积的面积为过滤面积的1/21/2，洗涤液穿过的滤饼厚度，洗涤液穿过的滤饼厚度为过滤终了时滤液穿过厚度的为过滤终了时滤液穿过厚度的2 2倍。倍。若采用置换若采用置换洗涤法，则洗涤液的行程和洗涤面积与滤液完全洗涤法，则洗涤液的行程和洗涤面积与滤液完

43、全相同。相同。 华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件43 （2 2）主要优缺点主要优缺点 板框压滤机构造简单，过滤面积大而板框压滤机构造简单，过滤面积大而占地省，过滤压力高，便于用耐腐蚀材料占地省，过滤压力高，便于用耐腐蚀材料制造，操作灵活，过滤面积可根据产生任制造，操作灵活，过滤面积可根据产生任务调节。主要缺点是间歇操作，劳动强度务调节。主要缺点是间歇操作，劳动强度大，产生效率低。大，产生效率低。华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件442 2、叶滤机、叶滤机 （1 1）结构与工作原理结构与工作原理：叶滤机由许多滤叶组成。叶滤机由许多滤叶组成。滤叶是由金属多孔板或多孔网

44、制造的扁平框架，滤叶是由金属多孔板或多孔网制造的扁平框架，内有空间，外包滤布，将滤叶装在密闭的机壳内有空间，外包滤布，将滤叶装在密闭的机壳内，为滤浆所浸没。滤浆中的液体在压力作用内，为滤浆所浸没。滤浆中的液体在压力作用下穿过滤布进入滤叶内部，成为滤液后从其一下穿过滤布进入滤叶内部，成为滤液后从其一端排出。过滤完毕，机壳内改充清水，使水循端排出。过滤完毕，机壳内改充清水，使水循着与滤液相同的路径通过滤饼进行洗涤，故为着与滤液相同的路径通过滤饼进行洗涤，故为置换洗涤置换洗涤。最后，滤饼可用振动器使其脱落，。最后，滤饼可用振动器使其脱落，或用压缩空气将其吹下。或用压缩空气将其吹下。 滤叶可以水平放置

45、也可以垂直放置，滤浆可用滤叶可以水平放置也可以垂直放置，滤浆可用泵压入也可用真空泵抽入。泵压入也可用真空泵抽入。 华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件45 （2 2）主要优缺点主要优缺点： 叶滤机也是间歇操作设备。它具有过滤叶滤机也是间歇操作设备。它具有过滤推动力大，过滤面积大，滤饼洗涤较充推动力大，过滤面积大，滤饼洗涤较充分等优点。其产生能力比压滤机还大，分等优点。其产生能力比压滤机还大，而且机械化程度高，劳动力较省。缺点而且机械化程度高，劳动力较省。缺点是构造较为复杂，造价较高，粒度差别是构造较为复杂，造价较高，粒度差别较大的颗粒可能分别聚集于不同的高度，较大的颗粒可能分别聚集

46、于不同的高度，故洗涤不均匀。故洗涤不均匀。 华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件46华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件473 3、转筒过滤机、转筒过滤机 （1 1）结构与工作原理结构与工作原理 设备的主体是一个转动的水平圆筒，其表面设备的主体是一个转动的水平圆筒，其表面有一层金属网作为支承，网的外围覆盖滤布，筒有一层金属网作为支承，网的外围覆盖滤布，筒的下部浸入滤浆中。圆筒沿径向被分割成若干扇的下部浸入滤浆中。圆筒沿径向被分割成若干扇形格，每格都有管与位于筒中心的分配头相连。形格，每格都有管与位于筒中心的分配头相连。凭借分配头的作用，这些孔道依次分别与真空管凭借分配头

47、的作用，这些孔道依次分别与真空管和压缩空气管相连通，从而使相应的转筒表面部和压缩空气管相连通，从而使相应的转筒表面部位分别处于被抽吸或吹送的状态。这样，在圆筒位分别处于被抽吸或吹送的状态。这样，在圆筒旋转一周的过程中，每个扇形表面可依次顺序进旋转一周的过程中，每个扇形表面可依次顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸渣等操作。行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸渣等操作。 华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件48 分配头由紧密贴合的转动盘与固定盘构成，转动盘分配头由紧密贴合的转动盘与固定盘构成，转动盘上的每一孔通过前述的连通管各与转筒表面的一段上的每一孔通过前述的连通管各与转筒表面的一段相通。固

48、定盘上有三个凹槽，分别与真空系统和吹相通。固定盘上有三个凹槽，分别与真空系统和吹气管相连。气管相连。 当转动盘上的某几个小孔与固定盘上的凹槽当转动盘上的某几个小孔与固定盘上的凹槽2 2相相对时，这几个小孔对应的连通管及相应的转筒表面对时，这几个小孔对应的连通管及相应的转筒表面与滤液真空管相连，滤液便可经连通管和转动盘上与滤液真空管相连，滤液便可经连通管和转动盘上的小孔被吸入真空系统；同时滤饼沉积于滤布的外的小孔被吸入真空系统；同时滤饼沉积于滤布的外表面上。此为过滤。表面上。此为过滤。 转动盘转到使这几个小孔与凹槽转动盘转到使这几个小孔与凹槽3 3相对时，这几相对时，这几个小孔对应的连通管及相应

49、的转筒表面与洗水真空个小孔对应的连通管及相应的转筒表面与洗水真空管相连，转筒上方喷洒的洗水被从外表面吸入连通管相连，转筒上方喷洒的洗水被从外表面吸入连通管中，经转动盘上的小孔被送入真空系统。此为洗管中，经转动盘上的小孔被送入真空系统。此为洗涤、吸干。涤、吸干。 华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件49 当这些小孔凹槽当这些小孔凹槽4 4相对时，这几个小孔对应相对时，这几个小孔对应的连通管及相应的转筒表面与压缩空气吹气相的连通管及相应的转筒表面与压缩空气吹气相连，压缩空气经连通管从内向外吹向滤饼，此连，压缩空气经连通管从内向外吹向滤饼，此为吹松。为吹松。 随着转筒的转动，这些小孔对应

50、表面上的滤随着转筒的转动，这些小孔对应表面上的滤饼又与刮刀相遇，被刮下。此为卸渣。继续旋饼又与刮刀相遇，被刮下。此为卸渣。继续旋转，这些小孔对应的又重新浸入滤浆中，这些转，这些小孔对应的又重新浸入滤浆中，这些小孔又与固定盘上的凹槽小孔又与固定盘上的凹槽2 2相对，又重新开始相对，又重新开始一个操作循环。一个操作循环。 华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件50 每当小孔与固定盘两凹槽之间的空白位每当小孔与固定盘两凹槽之间的空白位置（与外界不相通的部分）相遇时，则转置（与外界不相通的部分）相遇时，则转筒表面与之相对应的段停止工作，以便从筒表面与之相对应的段停止工作，以便从一个操作区转向

51、另一操作区，不致使两区一个操作区转向另一操作区，不致使两区相互串通。相互串通。 （2 2）主要优缺点主要优缺点 转筒过滤机的突出优点是操作自动，对处转筒过滤机的突出优点是操作自动，对处理量大而容易过滤的料浆特别适宜。其缺理量大而容易过滤的料浆特别适宜。其缺点是转筒体积庞大而过滤面积相形之下嫌点是转筒体积庞大而过滤面积相形之下嫌小；用真空吸液，过滤推动力不大，悬浮小；用真空吸液，过滤推动力不大，悬浮液中温度不能高。液中温度不能高。华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件514 4、厢式压滤机、厢式压滤机 厢式压滤机仅由滤板组成，外表与板框压厢式压滤机仅由滤板组成，外表与板框压滤机相似。每

52、块滤板凹进的两个表面与另滤机相似。每块滤板凹进的两个表面与另外的滤板压紧后组成过滤室。料浆通过中外的滤板压紧后组成过滤室。料浆通过中心空加入，滤液在下角排出，带有中心孔心空加入，滤液在下角排出，带有中心孔的滤布覆盖在滤板上，滤布的中心加料孔的滤布覆盖在滤板上，滤布的中心加料孔部位压紧在两壁面上或把两壁面的滤布用部位压紧在两壁面上或把两壁面的滤布用编织管缝合。编织管缝合。华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件52华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件535 5、回转真空过滤机、回转真空过滤机 在水平安装的中空转鼓表面上覆以滤布，转鼓下在水平安装的中空转鼓表面上覆以滤布，转鼓下

53、部浸入盛有悬浮液的滤槽中并以部浸入盛有悬浮液的滤槽中并以0.1-3r/min0.1-3r/min的转的转速转动。转鼓内分速转动。转鼓内分1212个扇形格，每格与转鼓端面个扇形格，每格与转鼓端面上的带孔圆盘相通。此转动盘与装于支架上的固上的带孔圆盘相通。此转动盘与装于支架上的固定盘藉弹簧压力压紧叠合，这两个互相叠合而又定盘藉弹簧压力压紧叠合，这两个互相叠合而又相对转动的圆盘组成一付分配头。转鼓表面的每相对转动的圆盘组成一付分配头。转鼓表面的每一格按顺时针方向旋转一周时，相继进行着过滤、一格按顺时针方向旋转一周时，相继进行着过滤、脱水、洗涤、卸渣、再生等操作。脱水、洗涤、卸渣、再生等操作。 华东交

54、通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件54华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件556 6、离心机、离心机 离心过滤离心过滤是藉旋转液体产生的径向压差作是藉旋转液体产生的径向压差作为过的推动力。离心过滤在各种间歇或连为过的推动力。离心过滤在各种间歇或连续操作的离心过滤机中进行。间歇式离心续操作的离心过滤机中进行。间歇式离心机中又有人工及自动卸料之分。机中又有人工及自动卸料之分。 三足式离心机三足式离心机是一种常用的人工卸料的间是一种常用的人工卸料的间歇式离心机，图歇式离心机，图4-174-17为其结构示意图。离为其结构示意图。离心机的主要部件是一篮式转鼓，壁面钻有心机的主要部件是

55、一篮式转鼓，壁面钻有许多小孔，内壁衬有金属丝及滤布。整个许多小孔，内壁衬有金属丝及滤布。整个机座和外罩藉三根弹簧悬挂于三足支柱上，机座和外罩藉三根弹簧悬挂于三足支柱上，以减轻运转时的振动以减轻运转时的振动 。华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件56 三足式离心机三足式离心机华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件57 三足式离心机的转鼓直径一般很大，转速不高三足式离心机的转鼓直径一般很大，转速不高（20002000r/minr/min）, ,过滤面积约为过滤面积约为0.6-2.7m0.6-2.7m2 2。它。它与其他型式的离心机相比，具有构造简单，运与其他型式的离心机相比，

56、具有构造简单，运转周期可灵活掌握等优点，一般可用于间歇生转周期可灵活掌握等优点，一般可用于间歇生产过程中的小批量物料的处理，尤其适用与各产过程中的小批量物料的处理，尤其适用与各种盐类结晶的过滤和脱水，晶体较少受到破损。种盐类结晶的过滤和脱水，晶体较少受到破损。它的缺点是卸料时的劳动条件较差，转动部位它的缺点是卸料时的劳动条件较差，转动部位位于机座下部，检修不方便。位于机座下部，检修不方便。 华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件584.5 4.5 过滤过程计算过滤过程计算 1 1、物料衡算、物料衡算 通常表示悬浮液含固量有通常表示悬浮液含固量有质量分数质量分数（kgkg固体固体/kg

57、/kg悬浮液）和悬浮液）和体积分数体积分数（m m3 3固体固体/m/m3 3悬浮液）。悬浮液）。 对固体颗粒在液体中不发生溶胀（体积无变化）对固体颗粒在液体中不发生溶胀（体积无变化）的物系，以每的物系，以每KgKg悬浮液为基准，按体积加和原则悬浮液为基准，按体积加和原则可得可得 ：33mmmKgKgKg3悬浮液固体液体悬浮液悬浮液悬浮液PP1 （）一、过滤过程的数学描述一、过滤过程的数学描述PP/1/ （）所以所以华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件59 一般悬浮液中的体积分数较滤饼空隙率一般悬浮液中的体积分数较滤饼空隙率小得多，小得多，故有：故有： 1VLALA（）（）所以所以

58、11VLqA1LqVVLA悬1VLA悬（）总物料体积衡算总物料体积衡算固体体积衡算固体体积衡算华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件6032211dqpudaKL（）2 2、过滤速率、过滤速率A A滤饼层总截面积；滤饼层总截面积； 过滤时间；过滤时间；V V滤液体积滤液体积液体在滤饼空隙中的流动多处于康采尼公式适用液体在滤饼空隙中的流动多处于康采尼公式适用的低雷诺数范围。的低雷诺数范围。由康采尼公式得：由康采尼公式得：1Lq 式中式中 231K ar（） 令令 111dqpppqdrLr qr 过滤推动力（）过滤阻力（） 所以所以 dVdquAdd单位时间、单位过滤单位时间、单位过滤

59、面积所得的滤液量面积所得的滤液量华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件61 滤饼的比阻。单位为滤饼的比阻。单位为 当当 ，在数值上，在数值上 难过滤，难过滤，故故r r的数值大小可反映过滤操作的难的数值大小可反映过滤操作的难易程度。易程度。 232332232/1/pN mrdqmmN SmmmqdSmmm固体滤液（）悬浮液过滤面积()1,1,1dqqd,rp rp ，r 式中式中 滤饼两侧的压强差，即过滤推动力滤饼两侧的压强差，即过滤推动力 P华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件62 比阻与滤饼空隙率，颗粒比表面有关。比阻与滤饼空隙率，颗粒比表面有关。滤饼分滤饼分为两类

60、：为两类： 不可压缩滤饼。不可压缩滤饼。 基本不变，基本不变， 不变不变 可压缩滤饼。可压缩滤饼。 一般服从如下的经验关系：一般服从如下的经验关系： 式中：式中：r r0 0 单位压强差下滤饼的比阻，即单位压强差下滤饼的比阻，即 时的比阻；时的比阻； s s 滤饼的压缩系数，无因次。可滤饼的压缩系数，无因次。可压缩滤饼的压缩指数约为压缩滤饼的压缩指数约为0.20.20.80.8。 p ，rpp ，r，u。r=f（）0srrp1pPa 21/m华东交通大学化工原理课件华东交通大学化工原理课件63 过滤操作中的阻力包括过滤操作中的阻力包括滤液通过滤饼滤液通过滤饼和和过滤介过滤介质中的阻力质中的阻力