化工原理课件4流体通过颗粒层的流动

4.流体通过颗粒层的流动

4.1概述4.2颗粒床层的特征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化工原理4.流体通过颗粒层的流动4.1概述化工原理14.流体通过颗粒层的流动1、本章学习的知识点过滤基本理论及基本参数；过滤基本方程及其应用；板框过滤机、叶滤机与转鼓真空过滤机基本结构、工作原理及计算；过滤操作型问题的定性分析；间歇过滤机的最佳生产周期的定量计算；连续过滤机最佳转速的确定；滤饼的可压缩性；恒速过滤；离心分离原理与离心机；其他分离设备构造、原理。

2、本章学习的重点过滤基本方程及其应用；板框过滤机、叶滤机与转鼓真空过滤机设计型和操作型问题的定量计算；过滤操作型问题的定性分析；间歇过滤机的最佳生产周期的定量计算。

4.流体通过颗粒层的流动1、本章学习的知识点24.流体通过颗粒层的流动3、本章学习的难点过滤基本方程及其应用；板框过滤机、叶滤机与转鼓真空过滤机设计型和操作型问题的定量计算；过滤操作型问题的定性分析。4.流体通过颗粒层的流动3、本章学习的难点34.1概述一、固定床的定义固定床是众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒床层。二、流体通过固定床的流动有关的情况如下: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堆积而成的滤饼看作是固定床）

3、离子交换4、地下水、石油渗透三、流动研究的内容1、速度分布：u小且均匀2、压力降：很大（最感兴趣的问题）4.流体通过颗粒层的流动4.1概述一、固定床的定义4.流体通过颗粒层的流动4爬流其流动阻力主要来自表面摩擦，而与通道的形状关系很小，所以流动阻力颗粒总表面积/单位床层体积。4.1概述问题（讨论）：流体通过颗粒层的流动具有什么样的特殊性？答：流动的二个极限：(1)极慢流动（爬流）：不脱体，形体阻力基本不变。(2)高速流动（湍流）：脱体，形体阻力改变4.流体通过颗粒层的流动返回爬流其流动阻力主要来自表面摩擦，而与通道的形状关54.2颗粒床层的特性4.2.1单颗粒的特性4.2.2颗粒群的特性4.2.3床层特性4.流体通过颗粒层的流动返回4.2颗粒床层的特性4.2.1单颗粒的特性4.流体通过64.2.1单颗粒的特性根据：几何面积相等的原则，确定非球形颗粒的当量直径。其它略4.流体通过颗粒层的流动返回4.2.1单颗粒的特性根据：几何面积相等的原则，确定74.2.2颗粒群的特性根据：总比面积相等原则，确定颗粒群的平均直径。其它略。4.流体通过颗粒层的流动返回4.2.2颗粒群的特性根据：总比面积相等原则，确定颗84.2.3床层特性根据：按总自由空间相等和总面积相等原则，确定床层通道的当量直径和当量长度。4.流体通过颗粒层的流动1、床层空隙率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=

====4.2.3床层特性根据：按总自由空间相等和总面积相94.2.3床层特性4.流体通过颗粒层的流动

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。ε，。

2、床层的各向同性乱堆各颗粒的定向应是随机的床层是各向同性的各向同性床层的一个重要特点：床层横截面上可供流体通过的空隙面积（自由截面）与床层截面之比在数值上等于空隙率ε。4.2.3床层特性4.流体通过颗粒层的流动ε的104.2.3床层特性壁效应：4.流体通过颗粒层的流动3、床层的比表面积单位床层体积（不是颗粒体积）具有的颗粒表面积称为床层的比表面积4.2.3床层特性壁效应：4.流体通过颗粒层的流动3、床114.2.3床层特性4.流体通过颗粒层的流动=

颗粒比表面=

返回4.2.3床层特性4.流体通过颗粒层的流动=颗粒比表124.3流体通过固定床的压力降困难：通道的细微几何结构十分复杂，即使是爬流时压降的理论计算也是十分困难的。解决方法：用简化模型通过实验数据关联。一、物理模型因为流动呈爬流状态阻力与床层表面积成正比，所以床层可简化为无数平行的弯弯曲曲的毛细管—虑拟细管，其简化的机理模型如下。4.流体通过颗粒层的流动4.3流体通过固定床的压力降困难：通道的细微几何结构十分复134.3流体通过固定床的压力降也就是将床层中的不规则通道简化成长度为Le的一组平等细管。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。根据上述假定，可求得这些虚拟细管的当量直径de4.流体通过颗粒层的流动4.3流体通过固定床的压力降也就是将床层中的144.3流体通过固定床的压力降

结论：按简化模型，流体通过固定床的压降等同于流体通过一组当量直径为de，长度为Le的细管的压降。二、数学模型4.流体通过颗粒层的流动4.3流体通过固定床的压力降结论：按简化模型，流体154.3流体通过固定床的压力降单位床层高度的虚拟压强降：4.流体通过颗粒层的流动细管长度将其并入中得—固定床的压降的数学模型4.3流体通过固定床的压力降单位床层高度的虚拟压强降：4.16称为模型参数，也可称为固定床的流动摩擦系数。4.3流体通过固定床的压力降当床层不高，重力的影响可以忽略时：4.流体通过颗粒层的流动注：在本章中均称为压降。三、模型的检验和模型参数的估算1、康采尼（Kozeny）对此进行了实验研究，发现在流速较低，Re/<2时，实验数据能较好地符合下式称为模型参数，也可称为固定床的流动摩擦系数。4.3流体通过174.3流体通过固定床的压力降4.流体通过颗粒层的流动—此式适用条件，Re/<22、欧根（Ergun）关联式：Re/=（0.17~420）4.3流体通过固定床的压力降4.流体通过颗粒层的流动—此184.3流体通过固定床的压力降对于均匀颗粒，代入上式得：4.流体通过颗粒层的流动—欧根方程4.3流体通过固定床的压力降对于均匀颗粒，代入194.3流体通过固定床的压力降3、方程的作用(1)从一种工况推算另一种工况(2)指导实验测定（采用常温、常压的空气或水模拟实验—冷模）4、影响压降的主要因素4.流体通过颗粒层的流动4.3流体通过固定床的压力降3、方程的作用4.流体通过颗204.3流体通过固定床的压力降四、因次分析和数学模型法的比较4.流体通过颗粒层的流动方法关键对过程认识程度实验目的因次分析数学模型返回能否如数列出影响过程的主要因素不甚了解，过程如同“黑箱”寻找各无因次数群间函数关系对复杂过程的合理简化；精髓：(1)紧紧抓住过程特征，(2)研究目的的特殊性深刻理解过程特殊性检验模型的合理性并测定模型参数4.3流体通过固定床的压力降四、因次分析和数学模型法的比较214.4过滤原理及设备4.4.1过滤原理4.4.2过滤设备4.流体通过颗粒层的流动返回4.4过滤原理及设备4.4.1过滤原理4.流体通过颗粒224.4.1过滤原理过滤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、液两相加以分离的操作。一、两种过滤方式1、表面过滤（滤饼过滤）4.流体通过颗粒层的流动过滤介质为织物、多孔材料或膜等，孔径可大于最小颗粒的粒径。过滤初期，部分小颗粒可以进入或穿过介质的小孔，后因颗粒的架桥作用使介质的孔径缩小形成有效的阻挡。如下图所示。4.4.1过滤原理过滤是利用可以让液体通过234.4.1过滤原理4.流体通过颗粒层的流动

被截留在介质表面的颗粒形成滤渣层（滤饼），透过滤饼层的则是被净化了的滤液。随滤饼的形成，真正起过滤介质作用的是滤饼，而非过滤介质本身，故称作滤饼过滤。

滤饼过滤主要用于含固量较大（>1%）的场合。2、深层过滤过滤介质一般为介质层较厚的滤床类（如沙层、硅藻土等）。小于介质孔隙的颗粒可进入到介质内部，在长而曲折的孔道中被截留并附着于介质之上。深层过滤无滤饼形成，主要用于净化含固量很少（<0.1%）的流体，如水的净化、烟气除尘等。如下图4.4.1过滤原理4.流体通过颗粒层的流动244.4.1过滤原理二、过滤介质1、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。2、粒状介质：细纱、木炭、碎石等。3、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。4.流体通过颗粒层的流动4.4.1过滤原理二、过滤介质4.流体通过颗粒层的流动254.4.1过滤原理三、滤饼的压缩性和助滤剂

1、压缩性(1)不可压缩性滤饼：刚性。床层压差增加空隙结构不变即空隙率不变(2)可压缩性滤饼：床层压差增加空隙率减少流动阻力大大增加助滤剂来增加其过滤速率。2、助滤剂助滤剂是一种坚硬而形状不规则的小颗粒，即不可压缩的粉状或纤维固体，能形成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。4.流体通过颗粒层的流动4.4.1过滤原理三、滤饼的压缩性和助滤剂4.流体通过264.4.1过滤原理助滤剂的加法有两种：①直接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。②将助滤剂预先涂在滤布上，然后再进行过滤。此法称为预涂。四、滤饼的洗涤1、目的：(1)回收滤渣中残留的滤液(2)除去滤渣中的可溶性杂质2、洗涤液用量（略）4.流体通过颗粒层的流动4.4.1过滤原理助滤剂的加法有两种：4.274.4.1过滤原理五、过滤过程的特点4.流体通过颗粒层的流动1、爬流：2、非定态过程：不过，由于滤饼厚度的增加是比较缓慢的，过滤操作可作为拟定定态处理。3、过滤速率—单位时间、单位过滤面积所得的滤液量。返回4.4.1过滤原理五、过滤过程的特点4.流体通过颗粒层的284.4.2过滤设备按产生压差的方式不同分类4.流体通过颗粒层的流动压滤和吸滤：e.g.叶滤机、板框压滤机、回转真空过滤机等。离心过滤：e.g.有各种间歇卸渣和连续卸渣离心机。一、板框压滤机：间歇操作通过直接给悬浮液加压，迫使其穿过过滤介质来实现过滤的目的。其历史最久且已有超过100种以上的结构，最为常见的是板框式压滤机。4.4.2过滤设备按产生压差的方式不同分类4.流体通过颗294.4.2过滤设备1、结构由交替排列的滤板、滤框与夹于板框之间的滤布叠合组装压紧而成。板框数视工艺要求在机座长度范围内可灵活调节。组装后，在板框的四角位置形成连通的流道，由机头上的阀门控制悬浮液、滤液及洗液的进出。4.流体通过颗粒层的流动4.4.2过滤设备1、结构4.流体通过颗粒层的流动30板4.4.2过滤设备过滤操作：过滤阶段悬浮液从通道进入滤框，滤液在压力下穿过滤框两边的滤布、沿滤布与滤板凹凸表面之间形成的沟道流下，既可单独由每块滤板上设置的出液旋塞排出，称为明流式；也可汇总后排出，称为暗流式。4.流体通过颗粒层的流动框板框板洗涤板非洗涤板悬浮液滤液非洗涤板2、操作板4.4.2过滤设备过滤操作：过滤阶段悬浮液从通道进入滤框314.4.2过滤设备洗涤操作：洗涤液由洗涤板上的通道进入其两侧与滤布形成的凹凸空间，穿过滤布、滤饼和滤框另一侧的滤布后排出。洗涤液的行程（包括滤饼和滤布）约为过滤终了时滤液行程的2倍，而流通面积却为其1/2，故洗涤速率约为过滤终了速率的1/4。4.流体通过颗粒层的流动洗涤液洗出液框板框板洗涤板非洗涤板板非洗涤板洗涤终了，若有必要可引入压缩空气使滤饼脱湿后再折开过滤机卸出滤饼，结束一次过滤操作。然后清洗、整理、重新组装、准备下一次操作。

4.4.2过滤设备洗涤操作：洗涤液由洗涤板上的通道进入其两324.4.2过滤设备

滤板和滤框可为铸铁、碳钢、不锈钢、塑料及木材等，聚乙烯和聚丙烯是目前较为广泛使用的材料。常用规格的板框其厚度为25~60mm，边框长为0.2~2.0m，框数由生产所需定，由数个至上百个不等。板框压滤机的操作压强一般在0.3~1.0Mpa之间。3、优点和缺点

优点：结构简单紧凑，过滤面积大并可承受较高的压差。

缺点：间歇式操作，所费的装、折、清洗时间较长，劳动强度大，生产效率较低。板框式压滤机主要用于含固量较多的悬浮液过滤。

4.流体通过颗粒层的流动4.4.2过滤设备滤板和滤框可为铸铁、碳钢、不锈钢334.4.2过滤设备4.流体通过颗粒层的流动XASL/630-UB系列XAZ/2000-UB系列XAZ/800-UB系4.4.2过滤设备4.流体通过颗粒层的流动XASL/6344.4.2过滤设备板框压滤机工作原理图。二、其它过滤机（自学）加压叶滤机、转筒真空过滤机4.流体通过颗粒层的流动XKZ系列全自动快开式压滤机返回4.4.2过滤设备板框压滤机工作原理图。4.流体通过颗粒354.5过滤过程计算4.5.1过滤过程的数学描述4.5.2间歇过滤的滤液量与过滤时间的关系4.5.3洗涤速率与洗涤时间4.5.4过滤过程的计算4.流体通过颗粒层的流动返回4.5过滤过程计算4.5.1过滤过程的数学描述4.流体364.5.1过滤过程的数学描述一、物料衡算

4.流体通过颗粒层的流动悬浮液含因量

两者的关系式：

4.5.1过滤过程的数学描述一、物料衡算4.流体通过颗374.5.1过滤过程的数学描述4.流体通过颗粒层的流动固体体积衡算

总物料体积衡算

一般悬浮液中颗粒的体积分数

注：当一定时，

4.5.1过滤过程的数学描述4.流体通过颗粒层的流动固体384.5.1过滤过程的数学描述二、过程特征方程——过滤速率方程4.流体通过颗粒层的流动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,由康采尼公式得

将代入上式可得：

令滤饼比阻：4.5.1过滤过程的数学描述二、过程特征方程——过滤速率方394.5.1过滤过程的数学描述所以：4.流体通过颗粒层的流动优点：同欧姆定律，串联时，推动力及阻力分别具有加和性。如右图滤饼：介质：4.5.1过滤过程的数学描述所以：4.流体通过颗粒层的流404.5.1过滤过程的数学描述令过滤常数：4.流体通过颗粒层的流动所以，过滤速率方程：或——过滤速率基本方程式中：为形成与过滤阻力相等的滤饼层所得的滤液量。4.5.1过滤过程的数学描述令过滤常数：4.流体通过颗粒412、4.5.1过滤过程的数学描述三、过滤常数4.流体通过颗粒层的流动过滤常数的主要影响因素：1、当不变时(一定的悬浮液)2、4.5.1过滤过程的数学描述三、过滤常数4.流体通过424.5.1过滤过程的数学描述4.流体通过颗粒层的流动返回4.5.1过滤过程的数学描述4.流体通过颗粒层的流动返回434.5.2间歇过滤的滤液量与过滤时间的关系两种典型操作方式4.流体通过颗粒层的流动恒压过滤：恒压差，变速率恒速过滤：恒速率，变压差复合操作：先恒速后恒压。一、恒速过滤方程—恒速过滤方程4.5.2间歇过滤的滤液量与过滤时间的关系两种典型操作方式444.5.2间歇过滤的滤液量与过滤时间的关系二、恒压过滤方程4.流体通过颗粒层的流动—恒压过滤方程4.5.2间歇过滤的滤液量与过滤时间的关系二、恒压过滤方程454.5.2间歇过滤的滤液量与过滤时间的关系三、先恒速后恒压方程4.流体通过颗粒层的流动先恒速度到，再恒压或—先恒速后恒压过滤方程—前面先恒速阶段的单位面积滤液量、滤液量、过滤时间

—整个过滤过程（两个阶段）累计的单位面积滤液量、滤液量过滤时间4.5.2间歇过滤的滤液量与过滤时间的关系三、先恒速后恒压464.5.2间歇过滤的滤液量与过滤时间的关系四、过滤常数K的测定1、恒压4.流体通过颗粒层的流动此式表明，在恒压过滤时（）与之间具有线性关系,直线的斜率为,截距为

4.5.2间歇过滤的滤液量与过滤时间的关系四、过滤常数K的474.5.2间歇过滤的滤液量与过滤时间的关系2、若恒压前，已得,则4.流体通过颗粒层的流动

作例4-4：过滤常数的测定。返回4.5.2间歇过滤的滤液量与过滤时间的关系2、若恒压前，已484.5.3洗涤速率和洗涤时间一、叶滤机的洗涤速率4.流体通过颗粒层的流动4.5.3洗涤速率和洗涤时间一、叶滤机的洗涤速率4.流体494.5.3洗涤速率和洗涤时间二、板框过滤机的洗涤速率特点：4.流体通过颗粒层的流动返回4.5.3洗涤速率和洗涤时间二、板框过滤机的洗涤速率4