第四章 流体通过颗粒层的流动

第四章流体通过颗粒层的流动

4.1概述4.2颗粒床层的特性4.3流体通过固定床的压降*

4.4过滤原理及设备*4.5过滤过程计算*4.6加快过滤速率的途径4.1概述

均相物系：物系内部各处物料性质均匀而不存在相界面的混合物系。溶液以及各种气体的混合物都是均相物系，它们的分离方法将在后面章节讨论。

非均相物系：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。一、均相物系和非均相物系二、非均相物系的分类

1.按状态分液态非均相物系：固、液、气分散在液相中。悬浮液(液固物系)：指液体中含有一部分固体颗粒；乳浊液(液液物系)：指一种液体分散在与其不互溶的另一种液体中；泡沫液(液气物系)：指液体中含有气泡的物系。气态非均相物系：固、液分散在气相中。分：含尘气体(气固物系)：指气体中含有固体颗粒；含雾气体(气液物系)：指气体中含有少量液滴。

粗悬浮系统：d>100μm悬浮系统：0.1μm<d<100μm胶体系统：1nm<d<100nm2.按颗粒大小分三、连续相与分散相

分散相(分散质)：处于分散状态的物质;

连续相(分散介质)：包围着分散物质而处于连续状态的物质;由于非均相物系中连续相与分散相之间具有不同的物理性质(如密度、粒子的大小与另一相分子尺寸等)，受到外力作用时运动状态就不同，因而可应用机械方法将它们分开。

要实现这种分离，其方法是使分散质与分散介质之间发生相对运动，所以非均相物系的分离操作也遵循流体流动的基本规律。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设备，即颗粒相对于流体而运动的沉降操作和流体相对于颗粒而运动的过滤操作。四、非均相物系分离的目的1、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为产品，或者从某些排泥中回收带走的液体等。2、净化物料如除去浑浊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。3、环境保护的需要象烟道气的排放、废液的排放都要求其固含量达到一定标准，以防止对大气、河流等环境污染。五、非均相物系的分离方法

1.沉降：依据重力、离心力、惯性力，使分散相与连续相分离。根据力的不同分：重力沉降、离心沉降

2.过滤：借助压力或离心力使混合物通过某介质(固体)，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。

3.气体湿法净制：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，通过重力沉降分离。

4.静电除尘：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性从而达到分离。静电除尘是被人们公认的高效可靠的除尘技术。

通了电以后，粉尘去了哪里呢？我们先来看看静电除尘装置的结构。在烟囱的轴线上，悬置了一根导线，称之谓电晕线；在烟囱的四周设置了一个金属线圈，我们称它为集电极。直流高压电源的正极接在线圈上，负极接在电晕线上，如下图所示:静电除尘装置示意图

接通电源以后，集电极与电晕线之间就建立了一个非均匀电场，电晕线周围电场最大。改变直流高压电源的电压值，就可以改变电晕线周围的电场强度。当实际电场强度与空气的击穿电场相近时，空气发生电离，形成大量的正离子和自由电子。自由电子随电场向正极飘移，在飘移的过程中和尘埃中的中性分子或颗粒发生碰撞，这些粉尘颗粒吸附电子以后就成了荷电粒子，这样就使原来中性的尘埃带上了负电。在电场的作用下，这些带负电的尘埃颗粒继续向正极运动，并最后附着在集电极上。（集电极可以是金属线圈，也可以是金属圆桶壁）当尘埃积聚到一定程度时，通过振动装置，尘埃颗粒就落入灰斗中。六、固定床

由众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒床层称为固定床。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：

（1）固定床反应器（组成固定床的是粒状或片状催化剂）

（2）悬浮液的过滤（组成固定床的是悬浮液中的固定颗粒沉积而成的滤饼看作是固定床）本章讨论的主要内容4.2颗粒床层的特性

1、球形颗粒一、单颗粒的特性常用直径d作为特征长度，其体积、表面积和比表面积为：对一定直径的颗粒，体积一定；颗粒的直径愈小，比表面积愈大，因此可以根据比表面积的大小，来表示颗粒的大小，特别是微小颗粒。2.非球形颗粒（当量直径）三者关系：设则可得非球形颗粒的形状系数均小于1非球形

1．粒度分布（粒径分布）(1)定义：不同粒径范围内所含粒子的数量或质量。（2）测定方法：标准筛法（P117）、电镜法等（3）筛分结果的图示：分布函数和频率函数

分布函数：令某号筛子的筛过量占试样总量的分率为Fi，不同筛号的Fi与筛孔尺寸dpi绘成的曲线称为分布函数曲线。

二、颗粒群的特性频率函数：设某号筛面上的颗粒占全部试样的质量百分率为xi。这些颗粒的直径介于相邻两号筛直径di-1与di之间。以粒径为横坐标，将该粒径范围内颗粒的质量分率xi用一矩形的面积表示，矩形的高度为：上式即称为粒径处于di-1与di范围内颗粒的平均分布密度。（见P117图4-2）不难设想，如果相邻两号筛孔直径无限接近，则矩形数目无限增多，而每个矩形的面积无限缩小并趋于一条直线。将这些直线的顶点连起来，可得到一条光滑的曲线，称为频率函数曲线。曲线上任一点的纵坐标fi称为粒径为dpi的颗粒的频率函数。频率函数曲线两个重要特性（P118）流体在颗粒层内流动特点：爬流Hf颗粒层内固体表面积（主要）颗粒形状（次要）以比表面积相等原则确定实际颗粒群的平均直径某号筛子（筛孔孔径为di)的筛余量占试样总质量的百分率(mi/m即xi)n=1n=in=mmim颗粒群的平均直径P118非球形颗粒群P118例4-1（1）床层的空隙率ε

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：

ε的大小反映了床层颗粒的紧密程度，ε对流体流动的阻力有极大的影响.

三、颗粒床层的特性

P119（2）床层的各向同性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，所以堆成的床层可认为是各向同性（意指从各个方向看，颗粒的堆积情况都是相同的）。(3)颗粒密度（2）堆积密度（表观密度）：单位体积床层所具有的质量，即（1）真密度：单位体积颗粒所具有的质量（3）两者关系：

(4)床层自由截面积分率A。

空隙率与床层自由截面积分率之间有何关系？假设床层颗粒是均匀堆积（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，把颗粒都压到中间直径为D1长为L的圆柱中（圆柱内没有空隙）。

所以对颗粒均匀堆积的床层(各向同性床层），在数值上空隙率与床层自由截面积分率相等。即(5)床层比表面单位床层体积（非颗粒体积）具有的颗粒表面积，即：

颗粒比表面所以

此式是近似的，在忽略床层中因颗粒相互接触而彼此覆盖使裸露的颗粒表面积减少时成立。

v

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——因次理论、数学模型法等。

(1)颗粒床层的简化模型单位体积床层所具有的颗粒表面积和床层空隙率对流动阻力有决定性的作用。将实际床层简化成由许多相互平行的小孔道组成的管束。规定：①细管的内表面积等于床层颗粒的全部表面；

②细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙体积。4.3流体通过固定床的压降颗粒床层的简化模型Lede颗粒床层的简化模型(一组长为Le,直径de的平行细管）固体颗粒床层体积实际床层简化模型（2）流体压降的数学模型P121流体流过圆管的阻力损失数学描述：

模型参数或固定床的流动摩擦系数并联管道由质量守恒得：床层截面积流体通过固定床压降的数学模型Lede（3）模型的检验和模型参数的估值经实验数据验证简化模型合理，并且，当： (床层雷诺数的定义式)

康采尼方程：

（式中称为康采尼常数，其值为5.0。对于不同的床层，的可能误差不超过10%）P121…………欧根方程欧根在较宽的雷诺数范围内研究了模型参数λ′与雷诺数Re′的关系，获得如下关联式：（4）欧根方程影响床层压降的因素在上述因素中，影响最大的是空隙率，如由0.5降为0.4，则压降增加2.8倍。P122例4-2从康采尼方程或欧根方程可看出，影响床层压降的变量有三类：

①操作变量

②流体物性 和

③床层特性和过滤过程的特点

①流体流过固定床层的一种具体情况。③滤饼厚度随时间延长而增加，但增加缓慢；非定态，但可作为拟定态处理（洗涤时与固定床相同）②一定压差下，滤液通过速率随时间延长而降低4.4过滤基本方程A：过滤面积过滤速率：单位时间、单位过滤面积所得的滤液量。悬浮液含固量：对固体颗粒在液体中不发生溶胀（体积无变化）的物系，以每Kg悬浮液为基准，按体积加和原则可得： AV:滤液量V悬总物料体积衡算固体体积衡算滤饼厚度L对一定的悬浮液一定，若滤饼一定，一定，则 。一般悬浮液中颗粒的体积分数较滤饼空隙率小的多，可忽略过滤速率u△p1u表观速度△p2得将代入上式，并令(滤饼比阻)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（ ）。由康采尼公式，忽略重力（位能），得滤饼

过滤介质对滤液流动的阻力可视为通过单位过滤面积获得的某当量滤液量qe所形成的虚拟滤饼层的阻力，则由其中：Δp1，Δp2

分别为滤饼两侧，过滤介质两侧的压强差

△p1u表观速度△p2一定条件下相同在衡压下，①悬浮液的性质，如；φ，μ等；②滤饼特性，如空隙率ε

，比表面积a等（包含在r内）保持恒定，在解决具体工程时，令：过滤速率基本方程(微分式）K，qe为过滤常数，用指定的实验物系，直接由实验测定。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相关参数说明：

（1）过滤常数K

与悬浮液、滤饼的性质及操作压差ΔP

有关，对指定的悬浮液，只有当ΔP不变时才是常数。

（2）滤饼比阻r

反映了滤饼的特性，表征了滤饼结构对过滤速率的影响，其数值大小显示过滤操作的难易程度，其值与悬浮液的物理性质和操作压差有关，一般服从如下经验关系：恒压过滤(积分式）△pu表观速度特点：

K为常数

积分得：

或若过滤介质阻力可忽略不计，则

或恒速过滤(积分式）△pu表观速度特点：

K不为常数，而u为常数。整理得：

若过滤介质阻力可忽略不计，则

或或恒压：思考：先恒速再恒压操作，恒压段过滤方程？设恒速段过滤时间为1，则或恒压时：求出压缩指数s

过滤常数的测定P134滤饼洗涤特点：洗涤时推动力、阻力不变，洗涤速度为常数。

1、洗涤速度与过滤终了速度间的关系

当洗涤与过滤终了时的操作压强相同、洗涤液与滤液的粘度相等，则洗涤速率与最终过滤速率相等。2、洗涤时间w

洗涤曲线（小型实验确定）＋经济角度即：4.4过滤设备及过滤计算过滤设备

过滤计算设计型：已知qe、K、V、选择△p、A操作型：已知设备尺寸和参数，给定操作条件，核定该设备可以完成的生产任务等名词解释：单位时间得到的滤液体积或滤渣体积，m3/s对间歇操作，一个操作周期时间：洗涤时间洗出液中溶质浓度置换洗涤(εAL)

(洗涤量εAL)

通过小型实验确定过滤机生产能力(Q)P137组装、卸渣及清洗滤布等辅助时间。生产能力为最佳过滤时间（设备操作最优化）P137(4-59)滤框、滤板结构：洗板板框压滤机框非洗板洗板一个操作循环：过滤、洗涤、卸渣、整理重装

滤液流出悬浮液入口1060块不等，过滤面积约为280m2

洗涤液流出洗涤液入口属间歇式特点：横穿洗涤：Lw=2LAW=A1、板框过滤机P127板框过滤机动画

优点：

构造简单，过滤面积大而占地省，过滤压力高，便于用耐腐蚀材料制造，操作灵活，过滤面积可根据产生任务调节,适合过滤含固量多的细小颗粒或液体粘度较高的物料。

缺点：

间歇操作，劳动强度大，产生效率低。主要优缺点:2、叶滤机结构与工作原理

间歇操作设备，具有过滤推动力大，过滤面积大，滤饼洗涤较充分，每次操作时滤布不用装卸等，生产能力比压滤机大，机械化程度高，劳动力较省。

缺点：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，此时存在洗涤不均匀，滤布破损后更换较困难。主要优缺点优点：

转筒真空过滤机是工业上应用最广的一种连续操作的过滤设备。设备的主体是一个能转动的水平圆筒，圆筒表面有一层金属网，网上覆盖滤布，筒的下部进入滤浆中，圆筒沿径向分割成若干扇形格，每个都有单独的孔道通至分配头上。圆筒转动时，凭借分配头的作用使这些孔道依次分别与真空管及压缩空气管相通，因而在回转一周的过程中每个扇形格表面即可顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸饼等项操作。

3、回转真空过滤机(连续过滤机)结构与工作原理

优点：能连续自动操作，省人力，生产能力大，适用于处理量较大而压差不需很大的物料的过滤。

缺点：附属设备较多，投资费用高，过滤面积不大。过滤推动力有限，不易过滤高温的悬浮液。主要优缺点其中：——转化为恒压间歇模式处理

生产能力：

操作周期：

若介质阻力忽略不计，则

回转真空过滤机设转筒浸入面积占全部转筒面积的分率为浸没分数φ，则可见：此式近似的表达了各种参对回转真空过滤机生产能力的影响

例某板框过滤机有5个滤框，框的尺寸为63563525mm。过滤操作在20℃、恒定压差下进行，过滤常数K=4.2410-5m2/s，qe=0.0201m3/m2，滤饼体积与滤液体积之比c=0.08m3/m3，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。现改用一台回转真空过滤机过滤滤浆，所用滤布与前相同，过滤压差也相同。转筒直径为1m，长度为1m，浸