第四章 流体通过颗粒层的流动.ppt

1、第四章 流体通过颗粒层的流动,爬流：爬流速度很小，流动很缓慢，颗粒迎流面与背流面的流线对称。,第一节 概述,过滤 滤饼层固液分离 吸附 分子筛吸附某种气体 离子交换离子柱 反应器 催化剂颗粒层等概念,固定床：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 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，绕流（因速度慢也称爬流）。,流体通过固 定床的流动,颗粒层中流体流动特点：,（2）流体通过颗粒层的流动多呈爬流状态,原因：单位床层的颗粒表面积对流动阻力起决定性作用,原因：大量颗粒随机堆积，颗粒对流体的流动造成很大的阻力,（1）床截面的流体速度

2、分布均匀，床层两端产生很大压降P,工程上感兴趣的是阻力增大问题（压降问题），因而本章主要讨论流体通过颗粒层的压降 。,第二节 颗粒床层的特性,一、单颗粒特性,1、球形颗粒,比表面积,体积,表面积,可用单一参数 直径dP表示,2、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V、S、a 一般以某种当量的球形颗粒代表,影响流体通过颗粒层流动阻力的主要颗粒特性是颗粒的比表面积 a，因此常用比表面当量直径dea,dea 、 dev、des三者之间换算关系式：,则,(1),(2),(3),称为形状系数,3、 的物理意义,称为形状系数,4、非球形颗粒的参数表达,球形颗粒V、S 和 a 均可以颗粒

3、直径 dP 确定， 非球形颗粒必须定义两个参数,与球形颗粒 比较相差,二、颗粒群的特性,1、粒度分布的筛分分析,了解颗粒群的特性，以解决颗粒的尺寸大小不均问题。 颗粒分布对颗粒层内流动有影响，需测量并定量表示这一分布,对大于70m的颗粒通常采用 一套标准筛进行测量，这种方 法称为筛分分析,筛过量 通过筛孔的颗粒量,筛余量 截留于筛面上的颗粒量,特性 ： a）与dpi对应的Fi值表示直径小于dpi的颗粒占全部试样的质量分率。 b）在最大粒径dpmax处，分布函数为1。,（1）分布函数曲线,以不同筛号（筛孔尺寸为dPi）上的筛过量占试样总量的分率 Fi 与其筛孔尺寸 dPi作图，所示曲线称为分布函

4、数。,2、筛分分析结果的显示分布函数和频率函数,( 2 ) 频率函数曲线（分布密度函数）,相邻两号筛孔直径didi-1之间颗粒占全部试样的质量百分率 xi，以矩形面积表示，则：,表示粒径处于 di-1di 范围内 颗粒的平均分布密度,a）一定粒度范围内颗粒占全部颗粒的质量分率为该粒度范围内频率函数曲线下的面积，粒度为某一定值的颗粒的质量分率为零。,b）频率函数曲线下全部面积为1。,特性：,( 3 ) 分布函数 F 与频率函数 f 二者关系,2、颗粒群的平均直径,（1）过程分析：考察流体在颗粒层内流动的特点 流体在颗粒层内流动是极其缓慢的爬流，无边界层脱体现象发生；流动阻力主要由颗粒表面积大小决

5、定，颗粒形状不重要。,可见应以比表面积相等为准则确定颗粒群平均直径,颗粒群具有粒度分布，但希望以平均值或当量值代替,（2）颗粒群的平均直径: 根据比表面 a 相等的原则,（相邻两筛号间颗粒质量 mi 占总质量 m 的比例）,1、床层的空隙率,三、床层特性,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0.26,球形颗粒床层的 小于乱堆的非球形颗粒床层,非均匀（大小不等）颗粒的床层 小于均匀颗粒的,2、床层的各向同性,（1）颗粒乱堆方向不同，但性质相同,特点：床层横截面上空隙面积 / 床层面积 = 空隙率,（2）壁效应使近壁区的空隙率总是大于床层内部空隙率,壁效应特点：阻力小，流速大，

6、床层 D/dp 大，壁效应所占比例小，影响可忽略；D/dp 小则应考虑。,表观流速（空床流速）u 与实际流速 u1 的关系 ：,3、床层的比表面,床层比表面积,推导过程：,指单位体积床层具有的颗粒表面积，用 表示,第三节 流体通过固定床的压降,根据前面已学的直管阻力损失计算式,可推导出压降计算式,以上阻力损失计算公式应用了因次理论进行了实验规划，较好地确定了各个变量之间的函数关系； 本节将应用另一种实验规划方法 数学模型法来解决流体通过固定床的压降问题。,一、数学模型法,应用数学模型法求算流体通过颗粒床层中压降是最典 型 的例子，在20世纪40年代已经完善。 数学模型法立足于对所研究过程的深刻

7、理解,（2）建立数学模型及求解,（3）模型检验及参数估值,1、基本特征,（1）过程分解对过程的研究分析简化的基础和前提,（2）过程简化对过程的理解无简化得不到数学模型,2、主要步骤,二、 颗粒床层的数学模型,床层流动空间 = 床层空隙容积= 管束内表面积 = 床层颗粒全部表面积=aB,取 1m3 床层,1、床层的简化物理模型,2、建立流体压降的数学模型,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 的毛细管束的压降,通过单位床层高度压降：,得,由此推导出通过单位床层高度压降的 数学模型：,3、模型的检验和参数的估值,床层的简化处理只是一种假定，其有效性必须通过 实验检验，

8、其中的模型参数 也必须由实验测定,（1）康采尼方程,注意比较雷诺数、搅拌雷诺数及床层雷诺数,（2）欧根方程,三、 影响床层压降的变量,的影响,第四节 过滤原理及设备,一、过滤,固液分离的常用方法是通过过滤获得清净的液体或 作为产品的固体颗粒,利用重力或人为造成的压差使悬浮液通过某种多孔性 过滤介质分离悬浮液。,1、过滤原理,2、两种过滤方式,（1）滤饼过滤依靠通道尺度小于颗粒直径，滤饼是 真正的过滤介质：架桥作用 。,（2）深层过滤本质不同于表面过滤，是依靠吸附作用。,深层过滤主要用于含固量很少的悬浮液 化工生产广泛使用的是滤饼过滤。,3、过滤介质,织物介质： 滤布滤网（截留颗粒dp：56m）

9、 多孔性固体介质：素瓷、多孔塑料（dp： 13m） 堆积介质: 固体颗粒如砂、木炭、非编织纤维如玻璃纤维,用于含固量少的悬浮液, 可压缩滤饼在操作压差作用下滤饼发生变形，致使流 道缩小（ 减小），阻力迅速增加。,增加滤饼刚性，实质是增加滤饼空隙率，目的：减少可压缩滤饼的流动阻力。用于颗粒细微且粘度很大悬浮液。,只有滤液作产品时才可用，固体作产品不可用，否则难以分离,4、滤饼的压缩性和助滤性, 不可压缩滤饼具有一定的刚性，滤饼的空隙结构不因 为操作压差的增大而变形。, 助滤剂作用：,常用助滤剂：硅藻土、纤维粉末、活性炭、石棉等,5、过滤过程特点,6、过滤过程速率,二、过滤设备,1、叶滤机：,加压

10、过滤,2、板框压滤机：大型板框压滤机；滤框,3、回转真空过滤机，2,4、离心过滤机,连续式：吸滤洗涤卸渣 一体化/转一圈,旋转液体产生径向压差作为过滤的推动力,第五节 过滤过程的计算,一、过滤过程数学描述,1、物料衡算,（1）悬浮液中含固量的表示方法,质量分数 w： w kg固体/kg悬浮液,体积分数： m3固体/m3悬浮液,两者关系（颗粒在液体中不发生溶胀的物系）,（2） 物料衡算式,总量衡算,固体物量衡算,由两式联立解得：,P131：例4-3已知 w = 0.1kgTiO2/kg悬浮液，100g 湿滤饼烘干为 55g 固体TiO2= 3850 kg/m3 ，H2O=1000 kg/m3 （

11、20， 0.05MPa） 求 LA/V（单位体积滤液形成滤饼体积）,解：,2、过滤速率,液体在滤饼空隙中的流动多处于康采尼公式适用范围内,为某瞬时流体经过固定床的表观速度,过滤特征方程,S = 0 ： 不可压缩 S = 0.20.8 ：可压缩 S = 1： P 与过滤速率无关 S 1： 不可能,S为压缩指数,qe=Ve/A：形成与过滤介质阻力相等的滤饼层所得的单位面积滤液量，可实验测得 Ve 或者 qe 。,过滤速率基本方程,悬浮液性质：, ,滤饼特性：比阻,根据参数归并法,操作压降：P,二、间歇过滤的滤液量q与过滤时间的关系,1、恒速过滤方程,（过滤速率为常数）,恒速过滤方程,思考：恒速过滤

12、时，随着滤液量增加，过滤操作压差是否变化？,2、恒压过滤方程,（恒定压差下K为常数）,恒压过滤方程,思考：恒压过滤时，随着滤液量增加，过滤速率是否变化？,先恒速再恒压 过滤方程,01 恒速过滤，得滤液 q1； 1 恒压过滤，得总滤液 q,01 恒速,1 恒压,作图题举例：,（1）先恒速后恒压过程,作业：P140：3、7,三、过滤常数的测定,概念题举例：,1倍,减小1倍,4倍,四、滤饼的洗涤速率与洗涤时间,1、洗涤速率,2、洗涤时间,q 为过滤终了时单位面积滤液量,qW 为单位洗涤面积(AW) 洗涤液量,讨论：,答：由于洗涤过程中滤饼不再增厚，LW为常数，洗涤压降、比阻、洗涤液粘度、悬浮液体积分

13、数等阻力均不变，所以洗涤速率为一常数。,问题1：为何洗涤过程为恒速过程？, 洗涤速率可由过滤终了时速率求出,问题2：洗涤速率与过滤速率的内在联系及区别在哪里？,A. 置换洗涤法例如叶滤机的洗涤、回转真空过滤机的洗涤,B. 横穿洗涤法例如板框压滤机的洗涤,3、洗涤方式,框,板,框,板,洗涤板,非洗涤板,悬浮液,滤液,板,非洗涤板,图1：板框过滤过程,洗涤液,洗出液,图2：板框洗涤过程,4、叶滤机的洗涤速率和洗涤时间,洗涤速率为：,洗涤时间为：,5、板框压滤机的洗涤速率和洗涤时间,注意！式中 VW = qWAW,洗涤速率:,洗涤时间:,五、过滤过程计算,1、设计型计算,给定 V及，选择P 和1 计

14、算过滤面积 A,2、操作型计算,计算 V和,已知 A、P 、V1、1,计算P 和 V1,或 已知 A、V、1,六、间歇式过滤机的生产能力,1、叶滤机的生产能力,（2）操作周期所需的总时间,（1）生产能力：单位时间可能得到的滤液量,（3）最大生产能力及最佳过滤时间,显然，对一定洗涤和辅助时间，必存在一个最佳过滤时间， 过分延长过滤时间并不能提高过滤机的生产能力。,过滤曲线上任何一点与原点联线的斜率即为生产能力。,板框压滤机的过滤洗涤计算 教材习题P141.第10题,已知：板框10只，尺寸63563525mm3，水悬浮液含固量质量分数=13.9%，滤饼含水质量分数 =50%，纯CaCO3固体密度p

15、=2710 kg/m3，过滤常数 K=1.5710-5 m2/s，qe=0.00378m3/m2， 求（1）滤饼充满框时的过滤时间 （2）当Vw=0.1V时的洗涤时间w （3）当D =200 s时的生产能力,作业：P140：9、10,3、回转真空过滤机的生产能力,恒压过滤方程仍能适用：,恒定压差操作，转速 n （n/s），转鼓浸入面积 分率,生产能力 Q（单位时间总滤液量 m3/S）：,七、加快过滤速率的途径,1、过滤技术的改进 寻找适当的过滤方法和设备以适应物料的性质 加快过滤速率以提高过滤机的生产能力,2、加快过滤速率的三种途径,使用助滤剂（料浆的0.10.5%）,方法,预敷将含助滤剂的悬浮液先行过滤 形成13mm预敷层，再滤浆料。,掺滤将助滤剂混入悬浮液中一并过滤。,（2）改变悬