化工原理第四章流体通过颗粒层的流动课件

第四章流体通过颗粒层的流动4.1概述1）颗粒床层的分类固定床----颗粒静止；（流体通过催化剂固定床；通过悬浮液颗粒组成的滤饼）流化床----颗粒悬浮（沸腾床）

固定床流化床2）考察内容流体通过颗粒（固定床）的压降(hf)3）流体通过颗粒床流动的本质特征流体在由大量粒群组成的封闭固体边界内流动，属管流；当颗粒较细时，床层内流速一般极慢（爬流），属层流形态；流体所接触的颗粒几何边界极其复杂，难以准确描述。（三大因素）4.2颗粒床层的特性4.2.1单颗粒的特性球形颗粒体积：

表面积：

比表面积：非球形颗粒工程上用当量直径de来描述非球形颗粒特征（等效性不同）体积等效当量直径表面积等效当量直径ψ的物理意义：同体积下，球形颗粒的表面积与非球形颗粒的表面积之比（ψ≤1）。球形颗粒：dp（一个参数）非球形颗粒：通常:dev,ψ（两个参数）简便：dev=de4.2.2颗粒群的特性在任何颗粒群中，各颗粒的尺寸都不可能完全一样，形成一定的尺寸（粒度）分布。粒度分布测量：筛分法，显微镜法，沉降法等。粒度分布的筛分分析（>70m）常采用一套标准筛筛分分析结果的图示－分布函数和频率函数分布函数曲线：取颗粒总质量为w,直径<dpi的颗粒质量为wdpi,，则筛过率:Fi=wdpi/w,Fi=f(dpi)Fi称为分布函数，在该批颗粒的最大直径dpmax处，Fi＝1频率函数曲线：设颗粒直径范围dpi<dp<dpi-1的质量为wi,则其质量分率: xi=wi/w,现以粒径dp为横坐标，将该粒径质量分率xi用一矩形表示，矩形高度等于：频率函数曲线两个重要特性：1）某粒径范围内颗粒的质量分率，等于该粒径范围内频率函数曲线下的面积。而粒径为一定值的颗粒的质量分率为零。2）频率函数曲线下的全部面积等于1。4.2.3床层的特性床层的空隙率（疏密程度）均匀球形最松排列的孔隙率为0.48，最紧排列的孔隙率0.26。空隙率不仅与颗粒形状、大小分布有关，还和填充方式有关。非>球；非均<均；振动:；湿法：；难重复。一般乱堆床层的孔隙率大致在0.47~0.7之间。床层的各向同性（定向随机）工业上小颗粒床层乱堆，若颗粒非球形，各颗粒的定向随机，可以认为床层各向同性。但壁效应:ε壁>ε床床层D大，可忽略； D小，加以考虑。床层的比表面积

4.3流体通过固定床的压降前面介绍了量纲理论的实验规划，本节介绍数学模型的实验规划。4.3.1颗粒床层的简化模型床层的简化物理模型问题的复杂性通道错综复杂，弯弯曲曲；床层内，l,d不均匀，通道不规则，难确定。层流阻力特征

层流时，直管阻力：层流条件下，直管阻力，而与表面形状无关。得单位实际床层高度的压降为：ΔP≈Δp 也称压降模型的验证和模型参数的估值定义：床层雷诺数

则当Re’<2时，λ=k’/Re’, k’=5.0代入得：上式称为康采尼方程（注意适用条件：层流）;欧根在更宽的Re’范围内，得出：代入基本式：

当Re’<3,右边第二项忽略；当Re’>100，右边第一项忽略所以，影响床层压降的因素：操作变量u；物性μ,ρ；床层特性ε,α。讨论1数学模型的基本方法在充分掌握过程本质的前提下，对复杂的过程大胆、合理地简化对简化后的过程建立物理、数学模型实验验证模型的合理性，并对模型参数估值。2数学模型法的基本特征必须充分掌握过程特征，了解研究目的。模型仅在某个方面与实际过程等效实验目的仅是验证模型的可靠性，测定模型参数，工作量大为减少。模型方程是半经验、半理论的。3影响床层压降的因素A.流速的影响（同圆管）层流（Re’<3），高度湍流（Re’<100）；4.4过滤原理及设备4.4.1过滤原理过滤将固—液两相的悬浮液分离成滤饼和滤液。两种过滤方法滤饼过滤（表面过滤）颗粒截留在过虑介质表面。适用于较高浓度的悬浮液

架桥现象——对表面过滤，真正起过滤作用的是滤饼本身，过滤介质仅给架桥现象提供条件深层过滤颗粒靠静电力、表面力吸附于过滤。介质内部。适用于低浓度、细颗粒的分离过滤介质1）织物介质：由纤维、金属丝编织而成。2）多孔介质：由固体颗粒烧（粘）结而成。（布氏漏斗）3）堆积介质：由固体颗粒、纤维堆积而成。（沙滤）滤饼的压缩性和助滤剂1）滤饼的压缩性——滤饼的空隙率ε与操作压差有关的称可压缩滤饼，反之称为不可压缩滤饼。2）助滤剂能提高空隙率和减少阻力的固体颗粒、纤维。使用助滤剂必须不使产品纯度变化。滤饼的洗涤某些过滤过程需回收滤饼中的滤液，或除去滤饼中的可溶性盐，则在过滤结束时用清水或其他溶剂通过滤饼。过滤过程特点1）滤液是通过固定床的流动，但一般过程是非定态的2）过滤速率——单位时间、单位过滤面积（床层截面积）通过的滤液量（表观流速）q＝V/A：单位过滤面积流过的累积滤液量m3/m2V：累积滤液量m3； A:过滤面积m2。由于滤饼的增厚，过滤速率必随时间而降低。对洗涤过程，由于滤饼不再增厚，压差与速率的关系与固定床相同。箱式压滤机回转真空过滤机回转真空过滤机过滤面积不大，压差也不高，但它操作自动连续。离心机离心过滤是借旋转液体产生压差作为过滤的推动力。刮刀卸料式离心机活塞往复式卸料离心机4.5过滤过程计算4.5.1过滤过程的数学模型物料衡算令（悬浮液中固体的体积百分数）w——悬浮液中固体的质量百分数；ρ，ρp—滤液密度，颗粒真实密度。1）物料衡算基本式悬浮液中固体体积=滤饼中固体体积悬浮液中清液体积=滤液质量+滤饼中清液体积4.3.2量纲分析法与数学模型法的比较量纲分析法关键:了解过程的全部主要影响因素，但无需对内在规律有深刻理解。是“黑箱”的研究。数学模型法关键：对过程规律要深刻理解。步骤1）将复杂的真实过程简化为物理模型；2）对物理模型进行数学描述，即建立数学模型；3）由实验检验数学模型的合理性并测定模型参数。量纲分析法与数学模型法两者相辅相成。过滤速率（特征方程）由康采尼方程：令得讨论：（1）dq/dτ与τ的关系；（2）q与τ的关系；（3）K与τ的关系；（4）ΔP与τ的关系。必须注意：使用恒速速率方程时，应使K与τ严格对应。dq/dττqτττKΔPqe≠0KΔPττqe＝0qe＝0，s＝0qe≠0，s≠0恒压过滤方程讨论：（1）K与τ的关系（2）q与τ的关系（3）dq/dτ与τ的关系τττKqdq/dτ先恒速、后恒压过滤常数的测定

实验往往在恒压下进行，由于当△P维持恒定后，已过滤了τ1时间，获q1滤液量。因此，应用先变压、后恒压方程得：实验测得不同τ与q的对应值，作图

恒定不同的ΔP，可得不同的K值。由上述原理，可测得有关常数。4.5.3洗涤速率与洗涤时间洗涤过程的特点：1）仍为过滤过程；2）过程是定态的。叶滤机的洗涤时间洗涤流经通道与过滤终了时的通道相同。当洗涤与过滤终了时的操作压强相同，洗涤液与滤液黏度相等，则洗涤速率与最终过滤速率相等，即板框压滤机的洗涤速率板框压滤机过滤终了时，滤液通过的滤饼厚度为板框厚度的一半，过滤面积为全部滤框面积之和的两倍。此时的洗涤面积为过滤面积的一半，所以同样体积的洗涤液，在板框压滤机的洗涤时间为叶滤机的四倍。4.5.4过滤过程的计算1）设计型计算给定物系及生产任务V,Ve,K（r0,s,μ,Ф,△P）τ求过滤面积、确定过滤设备型号、规格。2）操作型计算给定物系及设备、操作条件Ve，K（r0,s,μ,Ф,△P）,τ,A求生产能力V3）给定物系及设备、生产任务V，Ve，r0,s,μ,Ф,τ，A求操作条件△P（实际上是先求K）间歇式过滤机的生产能力过滤周期所需的时间：a.过滤时间τ；b.洗涤时间τw;c.辅助时间τD每一周期时间:∑τ=τ+τw+τD生产能力讨论：（1）对恒速过滤，过滤时间τ越长，生产能力越大，但压降越大，能耗增加。（2）对恒压过滤、有最大生产能力，其对应的过滤时间为最佳过滤时间。回转真空过滤机的生产能力回转真空过滤机是在恒压下操作的。设转速为n，浸入面积分率为φ，则每个周期的过滤时间设转鼓面积为A，忽略过滤介质的阻力结论：对回转真空过滤机、转速n