化工原理課件4流體通過顆粒層的流動

4.流體通過顆粒層的流動

4.1概述4.2顆粒床層的特征4.3流體通過固定床的壓降4.4過濾原理及設(shè)備4.5過濾過程計算4.6加快過濾速率的途徑化工原理4.流體通過顆粒層的流動4.1概述化工原理14.流體通過顆粒層的流動1、本章學(xué)習(xí)的知識點過濾基本理論及基本參數(shù)；過濾基本方程及其應(yīng)用；板框過濾機、葉濾機與轉(zhuǎn)鼓真空過濾機基本結(jié)構(gòu)、工作原理及計算；過濾操作型問題的定性分析；間歇過濾機的最佳生產(chǎn)周期的定量計算；連續(xù)過濾機最佳轉(zhuǎn)速的確定；濾餅的可壓縮性；恒速過濾；離心分離原理與離心機；其他分離設(shè)備構(gòu)造、原理。

2、本章學(xué)習(xí)的重點過濾基本方程及其應(yīng)用；板框過濾機、葉濾機與轉(zhuǎn)鼓真空過濾機設(shè)計型和操作型問題的定量計算；過濾操作型問題的定性分析；間歇過濾機的最佳生產(chǎn)周期的定量計算。

4.流體通過顆粒層的流動1、本章學(xué)習(xí)的知識點24.流體通過顆粒層的流動3、本章學(xué)習(xí)的難點過濾基本方程及其應(yīng)用；板框過濾機、葉濾機與轉(zhuǎn)鼓真空過濾機設(shè)計型和操作型問題的定量計算；過濾操作型問題的定性分析。4.流體通過顆粒層的流動3、本章學(xué)習(xí)的難點34.1概述一、固定床的定義固定床是眾多固體顆粒堆積而成的靜止的顆粒床層。二、流體通過固定床的流動有關(guān)的情況如下:1、固定床反應(yīng)器（組成固定床的是粒狀或片狀催化劑）

2、懸浮液的過濾（組成固定床的是懸浮液中的固定顆粒堆積而成的濾餅看作是固定床）

3、離子交換4、地下水、石油滲透三、流動研究的內(nèi)容1、速度分布：u小且均勻2、壓力降：很大（最感興趣的問題）4.流體通過顆粒層的流動4.1概述一、固定床的定義4.流體通過顆粒層的流動4爬流其流動阻力主要來自表面摩擦，而與通道的形狀關(guān)系很小，所以流動阻力顆粒總表面積/單位床層體積。4.1概述問題（討論）：流體通過顆粒層的流動具有什么樣的特殊性？答：流動的二個極限：(1)極慢流動（爬流）：不脫體，形體阻力基本不變。(2)高速流動（湍流）：脫體，形體阻力改變4.流體通過顆粒層的流動返回爬流其流動阻力主要來自表面摩擦，而與通道的形狀關(guān)54.2顆粒床層的特性4.2.1單顆粒的特性4.2.2顆粒群的特性4.2.3床層特性4.流體通過顆粒層的流動返回4.2顆粒床層的特性4.2.1單顆粒的特性4.流體通過64.2.1單顆粒的特性根據(jù)：幾何面積相等的原則，確定非球形顆粒的當(dāng)量直徑。其它略4.流體通過顆粒層的流動返回4.2.1單顆粒的特性根據(jù)：幾何面積相等的原則，確定74.2.2顆粒群的特性根據(jù)：總比面積相等原則，確定顆粒群的平均直徑。其它略。4.流體通過顆粒層的流動返回4.2.2顆粒群的特性根據(jù)：總比面積相等原則，確定顆84.2.3床層特性根據(jù)：按總自由空間相等和總面積相等原則，確定床層通道的當(dāng)量直徑和當(dāng)量長度。4.流體通過顆粒層的流動1、床層空隙率ε

固定床層中顆粒堆積的疏密程度可用空隙率來表示，其定義如下：ε=

====4.2.3床層特性根據(jù)：按總自由空間相等和總面積相94.2.3床層特性4.流體通過顆粒層的流動

ε的大小反映了床層顆粒的緊密程度，ε對流體流動的阻力有極大的影響。ε，。

2、床層的各向同性亂堆各顆粒的定向應(yīng)是隨機的床層是各向同性的各向同性床層的一個重要特點：床層橫截面上可供流體通過的空隙面積（自由截面）與床層截面之比在數(shù)值上等于空隙率ε。4.2.3床層特性4.流體通過顆粒層的流動ε的104.2.3床層特性壁效應(yīng)：4.流體通過顆粒層的流動3、床層的比表面積單位床層體積（不是顆粒體積）具有的顆粒表面積稱為床層的比表面積4.2.3床層特性壁效應(yīng)：4.流體通過顆粒層的流動3、床114.2.3床層特性4.流體通過顆粒層的流動=

顆粒比表面=

返回4.2.3床層特性4.流體通過顆粒層的流動=顆粒比表124.3流體通過固定床的壓力降困難：通道的細(xì)微幾何結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，即使是爬流時壓降的理論計算也是十分困難的。解決方法：用簡化模型通過實驗數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。一、物理模型因為流動呈爬流狀態(tài)阻力與床層表面積成正比，所以床層可簡化為無數(shù)平行的彎彎曲曲的毛細(xì)管—慮擬細(xì)管，其簡化的機理模型如下。4.流體通過顆粒層的流動4.3流體通過固定床的壓力降困難：通道的細(xì)微幾何結(jié)構(gòu)十分復(fù)134.3流體通過固定床的壓力降也就是將床層中的不規(guī)則通道簡化成長度為Le的一組平等細(xì)管。規(guī)定：①細(xì)管的內(nèi)表面積等于床層顆粒的全部表面；②細(xì)管的全部流動空間等于顆粒床層的空隙體積。根據(jù)上述假定，可求得這些虛擬細(xì)管的當(dāng)量直徑de4.流體通過顆粒層的流動4.3流體通過固定床的壓力降也就是將床層中的144.3流體通過固定床的壓力降

結(jié)論：按簡化模型，流體通過固定床的壓降等同于流體通過一組當(dāng)量直徑為de，長度為Le的細(xì)管的壓降。二、數(shù)學(xué)模型4.流體通過顆粒層的流動4.3流體通過固定床的壓力降結(jié)論：按簡化模型，流體154.3流體通過固定床的壓力降單位床層高度的虛擬壓強降：4.流體通過顆粒層的流動細(xì)管長度將其并入中得—固定床的壓降的數(shù)學(xué)模型4.3流體通過固定床的壓力降單位床層高度的虛擬壓強降：4.16稱為模型參數(shù)，也可稱為固定床的流動摩擦系數(shù)。4.3流體通過固定床的壓力降當(dāng)床層不高，重力的影響可以忽略時：4.流體通過顆粒層的流動注：在本章中均稱為壓降。三、模型的檢驗和模型參數(shù)的估算1、康采尼（Kozeny）對此進(jìn)行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)在流速較低，Re/<2時，實驗數(shù)據(jù)能較好地符合下式稱為模型參數(shù)，也可稱為固定床的流動摩擦系數(shù)。4.3流體通過174.3流體通過固定床的壓力降4.流體通過顆粒層的流動—此式適用條件，Re/<22、歐根（Ergun）關(guān)聯(lián)式：Re/=（0.17~420）4.3流體通過固定床的壓力降4.流體通過顆粒層的流動—此184.3流體通過固定床的壓力降對于均勻顆粒，代入上式得：4.流體通過顆粒層的流動—歐根方程4.3流體通過固定床的壓力降對于均勻顆粒，代入194.3流體通過固定床的壓力降3、方程的作用(1)從一種工況推算另一種工況(2)指導(dǎo)實驗測定（采用常溫、常壓的空氣或水模擬實驗—冷模）4、影響壓降的主要因素4.流體通過顆粒層的流動4.3流體通過固定床的壓力降3、方程的作用4.流體通過顆204.3流體通過固定床的壓力降四、因次分析和數(shù)學(xué)模型法的比較4.流體通過顆粒層的流動方法關(guān)鍵對過程認(rèn)識程度實驗?zāi)康囊虼畏治鰯?shù)學(xué)模型返回能否如數(shù)列出影響過程的主要因素不甚了解，過程如同“黑箱”尋找各無因次數(shù)群間函數(shù)關(guān)系對復(fù)雜過程的合理簡化；精髓：(1)緊緊抓住過程特征，(2)研究目的的特殊性深刻理解過程特殊性檢驗?zāi)Ｐ偷暮侠硇圆y定模型參數(shù)4.3流體通過固定床的壓力降四、因次分析和數(shù)學(xué)模型法的比較214.4過濾原理及設(shè)備4.4.1過濾原理4.4.2過濾設(shè)備4.流體通過顆粒層的流動返回4.4過濾原理及設(shè)備4.4.1過濾原理4.流體通過顆粒224.4.1過濾原理過濾是利用可以讓液體通過而不能讓固體通過的多孔介質(zhì)，將懸浮液中的固、液兩相加以分離的操作。一、兩種過濾方式1、表面過濾（濾餅過濾）4.流體通過顆粒層的流動過濾介質(zhì)為織物、多孔材料或膜等，孔徑可大于最小顆粒的粒徑。過濾初期，部分小顆粒可以進(jìn)入或穿過介質(zhì)的小孔，后因顆粒的架橋作用使介質(zhì)的孔徑縮小形成有效的阻擋。如下圖所示。4.4.1過濾原理過濾是利用可以讓液體通過234.4.1過濾原理4.流體通過顆粒層的流動

被截留在介質(zhì)表面的顆粒形成濾渣層（濾餅），透過濾餅層的則是被凈化了的濾液。隨濾餅的形成，真正起過濾介質(zhì)作用的是濾餅，而非過濾介質(zhì)本身，故稱作濾餅過濾。

濾餅過濾主要用于含固量較大（>1%）的場合。2、深層過濾過濾介質(zhì)一般為介質(zhì)層較厚的濾床類（如沙層、硅藻土等）。小于介質(zhì)孔隙的顆?？蛇M(jìn)入到介質(zhì)內(nèi)部，在長而曲折的孔道中被截留并附著于介質(zhì)之上。深層過濾無濾餅形成，主要用于凈化含固量很少（<0.1%）的流體，如水的凈化、煙氣除塵等。如下圖4.4.1過濾原理4.流體通過顆粒層的流動244.4.1過濾原理二、過濾介質(zhì)1、織物介質(zhì)：即棉、毛、麻或各種合成材料制成的織物，也稱為濾布。2、粒狀介質(zhì)：細(xì)紗、木炭、碎石等。3、多孔固體介質(zhì)（一般要能夠再生的才行）：多孔陶瓷、多孔塑料、多孔玻璃等。4.流體通過顆粒層的流動4.4.1過濾原理二、過濾介質(zhì)4.流體通過顆粒層的流動254.4.1過濾原理三、濾餅的壓縮性和助濾劑

1、壓縮性(1)不可壓縮性濾餅：剛性。床層壓差增加空隙結(jié)構(gòu)不變即空隙率不變(2)可壓縮性濾餅：床層壓差增加空隙率減少流動阻力大大增加助濾劑來增加其過濾速率。2、助濾劑助濾劑是一種堅硬而形狀不規(guī)則的小顆粒，即不可壓縮的粉狀或纖維固體，能形成結(jié)構(gòu)疏松而且?guī)缀跏遣豢蓧嚎s的濾餅。常用作助濾劑的物質(zhì)有：硅藻土、珍珠巖、炭粉、石棉粉等。4.流體通過顆粒層的流動4.4.1過濾原理三、濾餅的壓縮性和助濾劑4.流體通過264.4.1過濾原理助濾劑的加法有兩種：①直接以一定比例加到濾漿中一起過濾。若過濾的目的是回收固體物此法便不適用。②將助濾劑預(yù)先涂在濾布上，然后再進(jìn)行過濾。此法稱為預(yù)涂。四、濾餅的洗滌1、目的：(1)回收濾渣中殘留的濾液(2)除去濾渣中的可溶性雜質(zhì)2、洗滌液用量（略）4.流體通過顆粒層的流動4.4.1過濾原理助濾劑的加法有兩種：4.274.4.1過濾原理五、過濾過程的特點4.流體通過顆粒層的流動1、爬流：2、非定態(tài)過程：不過，由于濾餅厚度的增加是比較緩慢的，過濾操作可作為擬定定態(tài)處理。3、過濾速率—單位時間、單位過濾面積所得的濾液量。返回4.4.1過濾原理五、過濾過程的特點4.流體通過顆粒層的284.4.2過濾設(shè)備按產(chǎn)生壓差的方式不同分類4.流體通過顆粒層的流動壓濾和吸濾：e.g.葉濾機、板框壓濾機、回轉(zhuǎn)真空過濾機等。離心過濾：e.g.有各種間歇卸渣和連續(xù)卸渣離心機。一、板框壓濾機：間歇操作通過直接給懸浮液加壓，迫使其穿過過濾介質(zhì)來實現(xiàn)過濾的目的。其歷史最久且已有超過100種以上的結(jié)構(gòu)，最為常見的是板框式壓濾機。4.4.2過濾設(shè)備按產(chǎn)生壓差的方式不同分類4.流體通過顆294.4.2過濾設(shè)備1、結(jié)構(gòu)由交替排列的濾板、濾框與夾于板框之間的濾布疊合組裝壓緊而成。板框數(shù)視工藝要求在機座長度范圍內(nèi)可靈活調(diào)節(jié)。組裝后，在板框的四角位置形成連通的流道，由機頭上的閥門控制懸浮液、濾液及洗液的進(jìn)出。4.流體通過顆粒層的流動4.4.2過濾設(shè)備1、結(jié)構(gòu)4.流體通過顆粒層的流動30板4.4.2過濾設(shè)備過濾操作：過濾階段懸浮液從通道進(jìn)入濾框，濾液在壓力下穿過濾框兩邊的濾布、沿濾布與濾板凹凸表面之間形成的溝道流下，既可單獨由每塊濾板上設(shè)置的出液旋塞排出，稱為明流式；也可匯總后排出，稱為暗流式。4.流體通過顆粒層的流動框板框板洗滌板非洗滌板懸浮液濾液非洗滌板2、操作板4.4.2過濾設(shè)備過濾操作：過濾階段懸浮液從通道進(jìn)入濾框314.4.2過濾設(shè)備洗滌操作：洗滌液由洗滌板上的通道進(jìn)入其兩側(cè)與濾布形成的凹凸空間，穿過濾布、濾餅和濾框另一側(cè)的濾布后排出。洗滌液的行程（包括濾餅和濾布）約為過濾終了時濾液行程的2倍，而流通面積卻為其1/2，故洗滌速率約為過濾終了速率的1/4。4.流體通過顆粒層的流動洗滌液洗出液框板框板洗滌板非洗滌板板非洗滌板洗滌終了，若有必要可引入壓縮空氣使濾餅脫濕后再折開過濾機卸出濾餅，結(jié)束一次過濾操作。然后清洗、整理、重新組裝、準(zhǔn)備下一次操作。

4.4.2過濾設(shè)備洗滌操作：洗滌液由洗滌板上的通道進(jìn)入其兩324.4.2過濾設(shè)備

濾板和濾框可為鑄鐵、碳鋼、不銹鋼、塑料及木材等，聚乙烯和聚丙烯是目前較為廣泛使用的材料。常用規(guī)格的板框其厚度為25~60mm，邊框長為0.2~2.0m，框數(shù)由生產(chǎn)所需定，由數(shù)個至上百個不等。板框壓濾機的操作壓強一般在0.3~1.0Mpa之間。3、優(yōu)點和缺點

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單緊湊，過濾面積大并可承受較高的壓差。

缺點：間歇式操作，所費的裝、折、清洗時間較長，勞動強度大，生產(chǎn)效率較低。板框式壓濾機主要用于含固量較多的懸浮液過濾。

4.流體通過顆粒層的流動4.4.2過濾設(shè)備濾板和濾框可為鑄鐵、碳鋼、不銹鋼334.4.2過濾設(shè)備4.流體通過顆粒層的流動XASL/630-UB系列XAZ/2000-UB系列XAZ/800-UB系4.4.2過濾設(shè)備4.流體通過顆粒層的流動XASL/6344.4.2過濾設(shè)備板框壓濾機工作原理圖。二、其它過濾機（自學(xué)）加壓葉濾機、轉(zhuǎn)筒真空過濾機4.流體通過顆粒層的流動XKZ系列全自動快開式壓濾機返回4.4.2過濾設(shè)備板框壓濾機工作原理圖。4.流體通過顆粒354.5過濾過程計算4.5.1過濾過程的數(shù)學(xué)描述4.5.2間歇過濾的濾液量與過濾時間的關(guān)系4.5.3洗滌速率與洗滌時間4.5.4過濾過程的計算4.流體通過顆粒層的流動返回4.5過濾過程計算4.5.1過濾過程的數(shù)學(xué)描述4.流體364.5.1過濾過程的數(shù)學(xué)描述一、物料衡算

4.流體通過顆粒層的流動懸浮液含因量

兩者的關(guān)系式：

4.5.1過濾過程的數(shù)學(xué)描述一、物料衡算4.流體通過顆374.5.1過濾過程的數(shù)學(xué)描述4.流體通過顆粒層的流動固體體積衡算

總物料體積衡算

一般懸浮液中顆粒的體積分?jǐn)?shù)

注：當(dāng)一定時，

4.5.1過濾過程的數(shù)學(xué)描述4.流體通過顆粒層的流動固體384.5.1過濾過程的數(shù)學(xué)描述二、過程特征方程——過濾速率方程4.流體通過顆粒層的流動液體在濾餅空隙中的流動多處于康采尼公式適用的低雷諾數(shù)范圍,由康采尼公式得

將代入上式可得：

令濾餅比阻：4.5.1過濾過程的數(shù)學(xué)描述二、過程特征方程——過濾速率方394.5.1過濾過程的數(shù)學(xué)描述所以：4.流體通過顆粒層的流動優(yōu)點：同歐姆定律，串聯(lián)時，推動力及阻力分別具有加和性。如右圖濾餅：介質(zhì)：4.5.1過濾過程的數(shù)學(xué)描述所以：4.流體通過顆粒層的流404.5.1過濾過程的數(shù)學(xué)描述令過濾常數(shù)：4.流體通過顆粒層的流動所以，過濾速率方程：或——過濾速率基本方程式中：為形成與過濾阻力相等的濾餅層所得的濾液量。4.5.1過濾過程的數(shù)學(xué)描述令過濾常數(shù)：4.流體通過顆粒412、4.5.1過濾過程的數(shù)學(xué)描述三、過濾常數(shù)4.流體通過顆粒層的流動過濾常數(shù)的主要影響因素：1、當(dāng)不變時(一定的懸浮液)2、4.5.1過濾過程的數(shù)學(xué)描述三、過濾常數(shù)4.流體通過424.5.1過濾過程的數(shù)學(xué)描述4.流體通過顆粒層的流動返回4.5.1過濾過程的數(shù)學(xué)描述4.流體通過顆粒層的流動返回434.5.2間歇過濾的濾液量與過濾時間的關(guān)系兩種典型操作方式4.流體通過顆粒層的流動恒壓過濾：恒壓差，變速率恒速過濾：恒速率，變壓差復(fù)合操作：先恒速后恒壓。一、恒速過濾方程—恒速過濾方程4.5.2間歇過濾的濾液量與過濾時間的關(guān)系兩種典型操作方式444.5.2間歇過濾的濾液量與過濾時間的關(guān)系二、恒壓過濾方程4.流體通過顆粒層的流動—恒壓過濾方程4.5.2間歇過濾的濾液量與過濾時間的關(guān)系二、恒壓過濾方程454.5.2間歇過濾的濾液量與過濾時間的關(guān)系三、先恒速后恒壓方程4.流體通過顆粒層的流動先恒速度到，再恒壓或—先恒速后恒壓過濾方程—前面先恒速階段的單位面積濾液量、濾液量、過濾時間

—整個過濾過程（兩個階段）累計的單位面積濾液量、濾液量過濾時間4.5.2間歇過濾的濾液量與過濾時間的關(guān)系三、先恒速后恒壓464.5.2間歇過濾的濾液量與過濾時間的關(guān)系四、過濾常數(shù)K的測定1、恒壓4.流體通過顆粒層的流動此式表明，在恒壓過濾時（）與之間具有線性關(guān)系,直線的斜率為,截距為

4.5.2間歇過濾的濾液量與過濾時間的關(guān)系四、過濾常數(shù)K的474.5.2間歇過濾的濾液量與過濾時間的關(guān)系2、若恒壓前，已得,則4.流體通過顆粒層的流動

作例4-4：過濾常數(shù)的測定。返回4.5.2間歇過濾的濾液量與過濾時間的關(guān)系2、若恒壓前，已484.5.3洗滌速率和洗滌時間一、葉濾機的洗滌速率4.流體通過顆粒層的流動4.5.3洗滌速率和洗滌時間一、葉濾機的洗滌速率4.流體494.5.3洗滌速率和洗滌時間二、板框過濾機的洗滌速率特點：4.流體通過顆粒層的流動返回4.5.3洗滌速率和洗滌時間二、板框過濾機的洗滌速率4