化工原理第三章.2

1、第三章 机械分离与固体流态化 3.3 3.3 滤饼过滤滤饼过滤 一、概述一、概述 二、过滤基本方程二、过滤基本方程 三、过滤常数的测定三、过滤常数的测定 四、滤饼洗涤四、滤饼洗涤 五、过滤设备及过滤计算五、过滤设备及过滤计算 习题课习题课幻灯片2目录第三章 机械分离与固体流态化 滤滤饼饼过过滤滤深深层层过过滤滤两两种种过过滤滤方方式式 3.2 3.2 滤饼过滤滤饼过滤一、概述一、概述（一）、过滤（一）、过滤深层过滤深层过滤滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤滤饼过滤推动力：重力、压力、离心力推动力：重力、压力、离心力 第三章 机械分离与固体流态化（一）、过滤（一）、过滤 3.2 3.2 滤饼过滤滤饼过

2、滤滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤滤饼过滤过滤介质：过滤介质： 多孔性介质、耐腐蚀、耐热并具有多孔性介质、耐腐蚀、耐热并具有足够的机械强度。足够的机械强度。 工业用过滤介质主要有：工业用过滤介质主要有： 织物介质织物介质，如棉、麻、丝、毛、合，如棉、麻、丝、毛、合 成纤维、金属丝等编织成纤维、金属丝等编织 成的滤布；成的滤布； 多孔性固体介质多孔性固体介质，如素瓷板或管、，如素瓷板或管、 烧结金属等。烧结金属等。第三章 机械分离与固体流态化滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤滤饼过滤滤饼的压缩性：滤饼的压缩性： 空隙结构易变形的滤饼为可压缩滤饼。空隙结构易变形的滤饼为可压缩滤饼。 （一）、过滤（一）、过滤

3、第三章 机械分离与固体流态化爬流：来流速度很小，流动很缓慢，颗粒迎流面与背流面的流线对称。（二）（二）流体通过颗粒层的流动流体通过颗粒层的流动概述概述 过滤过滤 滤饼层固液分离滤饼层固液分离吸附吸附 分子筛吸附某种气体分子筛吸附某种气体离子交换离子交换离子柱离子柱反应器反应器 催化剂颗粒层等概念催化剂颗粒层等概念固定床：固定床：众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒层众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒层 以上化工操作中均为流体通过颗粒层的流动，与流体以上化工操作中均为流体通过颗粒层的流动，与流体在管道中的流动相比较：阻力增大，速度分布均一，在管道中的流动相比较：阻力增大，速度分布均一， 流动特点：层流

4、，绕流（因速度慢也称爬流）。流动特点：层流，绕流（因速度慢也称爬流）。 流体通过固流体通过固定床的流动定床的流动第三章 机械分离与固体流态化 工程上感兴趣的是工程上感兴趣的是阻力增大问题（压降问题）阻力增大问题（压降问题），因而本，因而本章主要讨论章主要讨论流体通过颗粒层的压降流体通过颗粒层的压降 。 由于固定床内大量细小而密集的固体颗粒对流体形成很由于固定床内大量细小而密集的固体颗粒对流体形成很大的阻力，这种阻力一方面是流体沿床层截面的速度分布大的阻力，这种阻力一方面是流体沿床层截面的速度分布变得相当均匀，另一方面在床层两端造成很大压降。变得相当均匀，另一方面在床层两端造成很大压降。 为什么

5、流体通过颗粒层的流动比一般管道流体流动的为什么流体通过颗粒层的流动比一般管道流体流动的速度分布均一、阻力增大？速度分布均一、阻力增大？思考：思考：压降与压强差有何不同？压降与压强差有何不同？第三章 机械分离与固体流态化1 1、 颗粒床层的特性颗粒床层的特性 （1）、单颗粒特性 A、球形颗粒 比表面积pdVSa6 与颗粒的大小（体积V）、形状 （取向 ）、表面积（S）、比表面积 a（即S/V）等因素有关。 或36PVd体积2pdS表面积 可用单一参数 直径dP表示第三章 机械分离与固体流态化B、非球形颗粒 形状千变万化，不可能用单一参数全面表示颗粒的形状千变万化，不可能用单一参数全面表示颗粒的V

6、、S、a 一般以某种当量的球形颗粒代表一般以某种当量的球形颗粒代表形状系数形状系数一般定义一般定义dev作为当量直径，简写为作为当量直径，简写为de dev球形颗粒球形颗粒V、S 和和 a 均可以颗粒直径均可以颗粒直径 dP 确定，确定，非球形颗粒必须定义两个参数非球形颗粒必须定义两个参数第三章 机械分离与固体流态化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C、 的物理意义的物理意义称为形状系数称为形状系数 体积相等时，球形颗粒的表面积最小体积相等时，球形颗粒的表面积最小1第三章 机械分离与固体流态化A、床层的空隙率、床层的空隙率333610.486pppddd (2)、床层特性及基本

7、概念、床层特性及基本概念 床颗粒床颗粒床VVVVV1均匀球形颗粒按最松排列时空隙率均匀球形颗粒按最松排列时空隙率0.48，最紧密排列空隙率，最紧密排列空隙率0.26球形颗粒床层的球形颗粒床层的 小于乱堆的非球形颗粒床层小于乱堆的非球形颗粒床层非均匀（大小不等）颗粒的床层非均匀（大小不等）颗粒的床层 小于均匀颗粒的小于均匀颗粒的第三章 机械分离与固体流态化B、床层的中的速度、床层的中的速度表观流速（空床流速）表观流速（空床流速）u与实际流速与实际流速 u1 的关系的关系 ：11111AuAu AuuuA流量相等：第三章 机械分离与固体流态化C、床层的比表面、床层的比表面床层比表面积床层比表面积)

8、1 ( aaB床颗粒VSaB颗粒颗粒VSa 推导过程：推导过程：指单位体积床层具有的颗粒表面积，用指单位体积床层具有的颗粒表面积，用 表示表示Ba颗粒颗粒aVS11VVVV 颗粒颗粒床床1aVaVVSaB床颗粒床颗粒思考：思考： 和和 的区别的区别aBa颗粒颗粒VSa 第三章 机械分离与固体流态化 u L 1 由流体与颗粒表面之间的摩擦所引起的由流体与颗粒表面之间的摩擦所引起的-粘性摩擦阻力粘性摩擦阻力 2 流体流动过程中， 因孔道截面的突然扩大和收缩以及流体对颗流体流动过程中， 因孔道截面的突然扩大和收缩以及流体对颗粒的撞击而产生的粒的撞击而产生的-形体阻力。形体阻力。 空空床床气气速速（表

9、表观观速速度度）二、过滤基本方程二、过滤基本方程过滤过程流动的特点：过滤过程流动的特点：v 流体在固定床中同一截面上的流速分布很均匀流体在固定床中同一截面上的流速分布很均匀v 产生压降的主要原因：产生压降的主要原因：第三章 机械分离与固体流态化 u u L le de 流体在固定床内流动的简化模型 空空床床气气速速（表表观观速速度度）1、过滤基本方程的推导、过滤基本方程的推导简化模型简化模型：二、过滤基本方程二、过滤基本方程221udlpweef eR64 滤饼内，雷诺数很小，属层流流动，滤饼内，雷诺数很小，属层流流动， ude eR于是：于是：2132eedlpu -哈根哈根-泊谡叶方程泊谡

10、叶方程真真实实速速度度u 流体通过固定床的压降等同于流体通过一流体通过固定床的压降等同于流体通过一组当量直径为组当量直径为de、长度为、长度为 Le 的毛细管束的压的毛细管束的压降降第三章 机械分离与固体流态化润湿周边润湿周边流通截面积流通截面积 4ed 1444aVaVB细管的全部内表面积细管的全部内表面积细管的流动空间细管的流动空间 1aaB uu u u L le de u 流体在固定床内流动的简化模型 真真实实速速度度CLle AuuA 由质量守恒得：由质量守恒得：固体颗粒固体颗粒床层体积床层体积床层截床层截面积面积二、过滤基本方程二、过滤基本方程2132eedlpu 将将le、de、

11、u 表达式代入得：表达式代入得：第三章 机械分离与固体流态化 LpCau 122312 令 32212 Car Lrpu 1 ddqAddV 过滤阻力过滤阻力过滤推动力过滤推动力 eLrpLrpLrpu 221 介质阻力）介质阻力）（滤饼阻力（滤饼阻力过滤总推动力过滤总推动力 eLLrp -单位时间内通单位时间内通 过单位过滤面过单位过滤面 积的滤液体积积的滤液体积过过滤滤速速度度即过滤速度即过滤速度二、过滤基本方程二、过滤基本方程思考：思考： 影响过滤阻力的因素有哪些？影响过滤阻力的因素有哪些？ 影响过滤速度的因素有哪些？影响过滤速度的因素有哪些？ p2 p1u 表观速度表观速度第三章 机械

12、分离与固体流态化压缩指数压缩指数s=s=0.20.2 0.80.8（可压缩滤饼）（可压缩滤饼）s=0s=0（不可压缩滤饼）（不可压缩滤饼）比阻 eVVcrpA AddV 设每获得单位体积滤液时，被截留在过滤介质上的滤饼体设每获得单位体积滤液时，被截留在过滤介质上的滤饼体积为积为c（m3滤饼滤饼/m3滤液），则滤液），则 代入过滤速度表达式中代入过滤速度表达式中：sprr 0令令 AddV esVVcrAp 01故故 crpKs012 令令二、过滤基本方程二、过滤基本方程AcVL AcVLee eLLrpu 第三章 机械分离与固体流态化 eVVKAddV 22 eqqKddq 2 -过滤基本方程

13、过滤基本方程过滤常数过滤常数二、过滤基本方程二、过滤基本方程 pu 表观速度表观速度第三章 机械分离与固体流态化 crpKs012 32212 Car影响影响K的因素：的因素：影响影响qe或或Ve 的因素：的因素：二、过滤基本方程二、过滤基本方程滤饼性质（滤饼性质（s、 、a）滤浆性质（滤浆性质（c、 ）推动力（推动力（ p）过滤介质的性质（孔的结构、过滤介质的性质（孔的结构、 、r0、厚度）、厚度） pu 表观速度表观速度第三章 机械分离与固体流态化 222KAVVVe 2 2、恒压过滤、恒压过滤 crpKs012 过滤阻力过滤阻力过滤推动力过滤推动力 AddVu eVVKA 2二、过滤基本

14、方程二、过滤基本方程 pu 表观速度表观速度特点：特点： K为常数为常数 积分得：积分得： 或或 Kqqqe 22若过滤介质阻力可忽略不计，则若过滤介质阻力可忽略不计，则 22KAV 或或 Kq 2第三章 机械分离与固体流态化eqKqKq21 1500 1000 q 500 0 0 0.025 0.05 0.075q/qq 图斜率1/K截距2qe/KCpsK log)1(log crpKs012 三、过滤常数的测定三、过滤常数的测定恒压时：恒压时： Kqqqe 22求出压缩指数求出压缩指数s 第三章 机械分离与固体流态化 洗涤液 p u 表观速度洗洗涤涤速速度度洗涤阻力洗涤阻力洗涤推动力洗涤推

15、动力 wAddV 与滤饼厚度、滤饼性质、洗涤液粘度、介质阻力有关wwewLLAddVAddV eeVVKAAddV 2 其中其中四、滤饼洗四、滤饼洗涤涤特点：特点：洗涤时推动力、阻力不变，洗涤速度为常数。洗涤时推动力、阻力不变，洗涤速度为常数。 1 1、洗涤速度与过滤终了速度间的关系、洗涤速度与过滤终了速度间的关系 若推动力相同，则：若推动力相同，则：第三章 机械分离与固体流态化wwwddVV 洗涤液量四、滤饼洗四、滤饼洗涤涤2 2、洗涤时间、洗涤时间 w 第三章 机械分离与固体流态化 以以压压力力差差为为推推动动力力：如如板板框框压压滤滤机机、叶叶滤滤机机、 回回转转真真空空过过滤滤机机等等

16、； 以以离离心心力力为为推推动动力力：如如各各种种离离心心机机。 五、过滤设备及过滤计算五、过滤设备及过滤计算过滤过滤设备设备 第三章 机械分离与固体流态化1 1、板框过滤机、板框过滤机五、过滤设备及过滤计算五、过滤设备及过滤计算滤框、滤板滤框、滤板 非非洗洗板板洗洗板板结构：结构：洗洗板板板框压滤机板框压滤机框框非非洗洗板板洗洗板板一个操作循环：一个操作循环：过滤、洗涤、卸渣、整理重装过滤、洗涤、卸渣、整理重装 滤液流出滤液流出悬悬浮浮液液入入口口10 60块不等，块不等，过滤面积约为过滤面积约为2 80m2 洗涤液流出洗涤液流出洗洗涤涤液液入入口口属间歇式属间歇式特点：特点：横穿洗涤：横穿

17、洗涤：Lw=2L第三章 机械分离与固体流态化DwVVQ 板板 框框 悬浮液悬浮液 入口入口1 1、板框过滤机、板框过滤机五、过滤设备及过滤计算五、过滤设备及过滤计算辅辅助助时时间间洗洗涤涤时时间间过过滤滤时时间间操操作作周周期期 Dw 生产能力：生产能力： 操作周期：操作周期： 单位时间内获得的滤液量或滤饼量单位时间内获得的滤液量或滤饼量 。222KAVVVe 其中：其中：wwwddVV 思考：思考： V、Ve、A的含义是什么？的含义是什么？ 第三章 机械分离与固体流态化 板板 框框 悬浮液悬浮液 入口入口1 1、板框过滤机、板框过滤机五、过滤设备及过滤计算五、过滤设备及过滤计算最佳操作周期：

18、最佳操作周期： 生产能力最大时的操作周期生产能力最大时的操作周期DwVVQ 222KAVVVe 其中：其中：wwwddVV 第三章 机械分离与固体流态化例例1 某板框过滤机有某板框过滤机有5个滤框，框的尺寸为个滤框，框的尺寸为635 635 25mm。过滤操作在过滤操作在20、恒定压差下进行，过滤常数、恒定压差下进行，过滤常数K=4.24 10-5m2/s，qe=0.0201m3/m2，滤饼体积与滤液体积之比，滤饼体积与滤液体积之比c=0.08 m3/m3，滤饼不洗涤，卸渣、重整等辅助时间为，滤饼不洗涤，卸渣、重整等辅助时间为10分钟。试求框全充满所需时间和生产能力。分钟。试求框全充满所需时间和生产能力。 假设滤饼不可压缩。假设滤饼不可压缩。习题课习题课第三章 机械分离与固体流态化解：解：以一个框为基准进行计算。框全充满时滤饼的体积为：以一个框为基准进行计算。框全充满时滤饼的体积为： 30101. 0025. 0635. 0635. 0mV 饼饼滤液量滤液量 cVV饼饼 23/156. 0806. 0126.