第四章 流體通過顆粒層的流動

第四章流體通過顆粒層的流動

4.1概述4.2顆粒床層的特性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4.1概述

均相物系：物系內(nèi)部各處物料性質(zhì)均勻而不存在相界面的混合物系。溶液以及各種氣體的混合物都是均相物系，它們的分離方法將在后面章節(jié)討論。

非均相物系：物系內(nèi)部有明顯的相界面存在，而界面兩側(cè)物料的性質(zhì)不同的混合物系。一、均相物系和非均相物系二、非均相物系的分類

1.按狀態(tài)分液態(tài)非均相物系：固、液、氣分散在液相中。懸浮液(液固物系)：指液體中含有一部分固體顆粒；乳濁液(液液物系)：指一種液體分散在與其不互溶的另一種液體中；泡沫液(液氣物系)：指液體中含有氣泡的物系。氣態(tài)非均相物系：固、液分散在氣相中。分：含塵氣體(氣固物系)：指氣體中含有固體顆粒；含霧氣體(氣液物系)：指氣體中含有少量液滴。

粗懸浮系統(tǒng)：d>100μm懸浮系統(tǒng)：0.1μm<d<100μm膠體系統(tǒng)：1nm<d<100nm2.按顆粒大小分三、連續(xù)相與分散相

分散相(分散質(zhì))：處于分散狀態(tài)的物質(zhì);

連續(xù)相(分散介質(zhì))：包圍著分散物質(zhì)而處于連續(xù)狀態(tài)的物質(zhì);由于非均相物系中連續(xù)相與分散相之間具有不同的物理性質(zhì)(如密度、粒子的大小與另一相分子尺寸等)，受到外力作用時運動狀態(tài)就不同，因而可應(yīng)用機械方法將它們分開。

要實現(xiàn)這種分離，其方法是使分散質(zhì)與分散介質(zhì)之間發(fā)生相對運動，所以非均相物系的分離操作也遵循流體流動的基本規(guī)律。本章主要討論液、固非均相物系和氣、固非均相物系分離所依據(jù)的基本原理和設(shè)備，即顆粒相對于流體而運動的沉降操作和流體相對于顆粒而運動的過濾操作。四、非均相物系分離的目的1、回收有用物質(zhì)如從氣流干燥器排出尾氣中回收帶出的固體顆粒作為產(chǎn)品，或者從某些排泥中回收帶走的液體等。2、凈化物料如除去渾濁液中的固相雜質(zhì)而使其成為清液，或者使壓縮后氣體中的油滴分離而凈化氣體等。3、環(huán)境保護的需要象煙道氣的排放、廢液的排放都要求其固含量達到一定標準，以防止對大氣、河流等環(huán)境污染。五、非均相物系的分離方法

1.沉降：依據(jù)重力、離心力、慣性力，使分散相與連續(xù)相分離。根據(jù)力的不同分：重力沉降、離心沉降

2.過濾：借助壓力或離心力使混合物通過某介質(zhì)(固體)，使液相與固相截留于介質(zhì)兩側(cè)而達到分離的目的。主要用于分離液態(tài)非均相物系。

3.氣體濕法凈制：讓含塵氣體通過水或其它液體中，使顆粒溶于液體中或潤濕顆粒，而使顆粒粘在一起，通過重力沉降分離。

4.靜電除塵：使含有懸浮塵?；蜢F滴的氣體通過金屬電極間的高壓直流靜電場，氣體電離產(chǎn)生離子附著于懸浮塵?；蜢F滴上而使之荷電。荷電的塵粒、霧滴在電場力的作用下至電極后發(fā)生中和而恢復(fù)中性從而達到分離。靜電除塵是被人們公認的高效可靠的除塵技術(shù)。

通了電以后，粉塵去了哪里呢？我們先來看看靜電除塵裝置的結(jié)構(gòu)。在煙囪的軸線上，懸置了一根導(dǎo)線，稱之謂電暈線；在煙囪的四周設(shè)置了一個金屬線圈，我們稱它為集電極。直流高壓電源的正極接在線圈上，負極接在電暈線上，如下圖所示:靜電除塵裝置示意圖

接通電源以后，集電極與電暈線之間就建立了一個非均勻電場，電暈線周圍電場最大。改變直流高壓電源的電壓值，就可以改變電暈線周圍的電場強度。當實際電場強度與空氣的擊穿電場相近時，空氣發(fā)生電離，形成大量的正離子和自由電子。自由電子隨電場向正極飄移，在飄移的過程中和塵埃中的中性分子或顆粒發(fā)生碰撞，這些粉塵顆粒吸附電子以后就成了荷電粒子，這樣就使原來中性的塵埃帶上了負電。在電場的作用下，這些帶負電的塵埃顆粒繼續(xù)向正極運動，并最后附著在集電極上。（集電極可以是金屬線圈，也可以是金屬圓桶壁）當塵埃積聚到一定程度時，通過振動裝置，塵埃顆粒就落入灰斗中。六、固定床

由眾多固體顆粒堆積而成的靜止的顆粒床層稱為固定床。許多化工操作都與流體通過固定床的流動有關(guān)，其中最常見的有：

（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沉積而成的濾餅看作是固定床）本章討論的主要內(nèi)容4.2顆粒床層的特性

1、球形顆粒一、單顆粒的特性常用直徑d作為特征長度，其體積、表面積和比表面積為：對一定直徑的顆粒，體積一定；顆粒的直徑愈小，比表面積愈大，因此可以根據(jù)比表面積的大小，來表示顆粒的大小，特別是微小顆粒。2.非球形顆粒（當量直徑）三者關(guān)系：設(shè)則可得非球形顆粒的形狀系數(shù)均小于1非球形

1．粒度分布（粒徑分布）(1)定義：不同粒徑范圍內(nèi)所含粒子的數(shù)量或質(zhì)量。（2）測定方法：標準篩法（P117）、電鏡法等（3）篩分結(jié)果的圖示：分布函數(shù)和頻率函數(shù)

分布函數(shù)：令某號篩子的篩過量占試樣總量的分率為Fi，不同篩號的Fi與篩孔尺寸dpi繪成的曲線稱為分布函數(shù)曲線。

二、顆粒群的特性頻率函數(shù)：設(shè)某號篩面上的顆粒占全部試樣的質(zhì)量百分率為xi。這些顆粒的直徑介于相鄰兩號篩直徑di-1與di之間。以粒徑為橫坐標，將該粒徑范圍內(nèi)顆粒的質(zhì)量分率xi用一矩形的面積表示，矩形的高度為：上式即稱為粒徑處于di-1與di范圍內(nèi)顆粒的平均分布密度。（見P117圖4-2）不難設(shè)想，如果相鄰兩號篩孔直徑無限接近，則矩形數(shù)目無限增多，而每個矩形的面積無限縮小并趨于一條直線。將這些直線的頂點連起來，可得到一條光滑的曲線，稱為頻率函數(shù)曲線。曲線上任一點的縱坐標fi稱為粒徑為dpi的顆粒的頻率函數(shù)。頻率函數(shù)曲線兩個重要特性（P118）流體在顆粒層內(nèi)流動特點：爬流Hf顆粒層內(nèi)固體表面積（主要）顆粒形狀（次要）以比表面積相等原則確定實際顆粒群的平均直徑某號篩子（篩孔孔徑為di)的篩余量占試樣總質(zhì)量的百分率(mi/m即xi)n=1n=in=mmim顆粒群的平均直徑P118非球形顆粒群P118例4-1（1）床層的空隙率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.

三、顆粒床層的特性

P119（2）床層的各向同性在工業(yè)上小顆粒的床層采用亂堆方式堆成，這時顆粒的定位是隨機的，所以堆成的床層可認為是各向同性（意指從各個方向看，顆粒的堆積情況都是相同的）。(3)顆粒密度（2）堆積密度（表觀密度）：單位體積床層所具有的質(zhì)量，即（1）真密度：單位體積顆粒所具有的質(zhì)量（3）兩者關(guān)系：

(4)床層自由截面積分率A。

空隙率與床層自由截面積分率之間有何關(guān)系？假設(shè)床層顆粒是均勻堆積（即認為床層是各向同性的）。想象用力從床層四周往中間均勻壓緊，把顆粒都壓到中間直徑為D1長為L的圓柱中（圓柱內(nèi)沒有空隙）。

所以對顆粒均勻堆積的床層(各向同性床層），在數(shù)值上空隙率與床層自由截面積分率相等。即(5)床層比表面單位床層體積（非顆粒體積）具有的顆粒表面積，即：

顆粒比表面所以

此式是近似的，在忽略床層中因顆粒相互接觸而彼此覆蓋使裸露的顆粒表面積減少時成立。

v

流體通過復(fù)雜的通道時的阻力（壓降）難以進行理論計算，必須依靠實驗來解決問題——因次理論、數(shù)學(xué)模型法等。

(1)顆粒床層的簡化模型單位體積床層所具有的顆粒表面積和床層空隙率對流動阻力有決定性的作用。將實際床層簡化成由許多相互平行的小孔道組成的管束。規(guī)定：①細管的內(nèi)表面積等于床層顆粒的全部表面；

②細管的全部流動空間等于顆粒床層的空隙體積。4.3流體通過固定床的壓降顆粒床層的簡化模型Lede顆粒床層的簡化模型(一組長為Le,直徑de的平行細管）固體顆粒床層體積實際床層簡化模型（2）流體壓降的數(shù)學(xué)模型P121流體流過圓管的阻力損失數(shù)學(xué)描述：

模型參數(shù)或固定床的流動摩擦系數(shù)并聯(lián)管道由質(zhì)量守恒得：床層截面積流體通過固定床壓降的數(shù)學(xué)模型Lede（3）模型的檢驗和模型參數(shù)的估值經(jīng)實驗數(shù)據(jù)驗證簡化模型合理，并且，當： (床層雷諾數(shù)的定義式)

康采尼方程：

（式中稱為康采尼常數(shù)，其值為5.0。對于不同的床層，的可能誤差不超過10%）P121…………歐根方程歐根在較寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)研究了模型參數(shù)λ′與雷諾數(shù)Re′的關(guān)系，獲得如下關(guān)聯(lián)式：（4）歐根方程影響床層壓降的因素在上述因素中，影響最大的是空隙率，如由0.5降為0.4，則壓降增加2.8倍。P122例4-2從康采尼方程或歐根方程可看出，影響床層壓降的變量有三類：

①操作變量

②流體物性 和

③床層特性和過濾過程的特點

①流體流過固定床層的一種具體情況。③濾餅厚度隨時間延長而增加，但增加緩慢；非定態(tài)，但可作為擬定態(tài)處理（洗滌時與固定床相同）②一定壓差下，濾液通過速率隨時間延長而降低4.4過濾基本方程A：過濾面積過濾速率：單位時間、單位過濾面積所得的濾液量。懸浮液含固量：對固體顆粒在液體中不發(fā)生溶脹（體積無變化）的物系，以每Kg懸浮液為基準，按體積加和原則可得： AV:濾液量V懸總物料體積衡算固體體積衡算濾餅厚度L對一定的懸浮液一定，若濾餅一定，一定，則 。一般懸浮液中顆粒的體積分數(shù)較濾餅空隙率小的多，可忽略過濾速率u△p1u表觀速度△p2得將代入上式，并令(濾餅比阻)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，忽略重力（位能），得濾餅

過濾介質(zhì)對濾液流動的阻力可視為通過單位過濾面積獲得的某當量濾液量qe所形成的虛擬濾餅層的阻力，則由其中：Δp1，Δp2

分別為濾餅兩側(cè)，過濾介質(zhì)兩側(cè)的壓強差

△p1u表觀速度△p2一定條件下相同在衡壓下，①懸浮液的性質(zhì)，如；φ，μ等；②濾餅特性，如空隙率ε

，比表面積a等（包含在r內(nèi)）保持恒定，在解決具體工程時，令：過濾速率基本方程(微分式）K，qe為過濾常數(shù)，用指定的實驗物系，直接由實驗測定。Ve=Aqe為形成與過濾介質(zhì)阻力相等的濾餅層所得的濾液量，m3相關(guān)參數(shù)說明：

（1）過濾常數(shù)K

與懸浮液、濾餅的性質(zhì)及操作壓差ΔP

有關(guān)，對指定的懸浮液，只有當ΔP不變時才是常數(shù)。

（2）濾餅比阻r

反映了濾餅的特性，表征了濾餅結(jié)構(gòu)對過濾速率的影響，其數(shù)值大小顯示過濾操作的難易程度，其值與懸浮液的物理性質(zhì)和操作壓差有關(guān)，一般服從如下經(jīng)驗關(guān)系：恒壓過濾(積分式）△pu表觀速度特點：

K為常數(shù)

積分得：

或若過濾介質(zhì)阻力可忽略不計，則

或恒速過濾(積分式）△pu表觀速度特點：

K不為常數(shù)，而u為常數(shù)。整理得：

若過濾介質(zhì)阻力可忽略不計，則

或或恒壓：思考：先恒速再恒壓操作，恒壓段過濾方程？設(shè)恒速段過濾時間為1，則或恒壓時：求出壓縮指數(shù)s

過濾常數(shù)的測定P134濾餅洗滌特點：洗滌時推動力、阻力不變，洗滌速度為常數(shù)。

1、洗滌速度與過濾終了速度間的關(guān)系

當洗滌與過濾終了時的操作壓強相同、洗滌液與濾液的粘度相等，則洗滌速率與最終過濾速率相等。2、洗滌時間w

洗滌曲線（小型實驗確定）＋經(jīng)濟角度即：4.4過濾設(shè)備及過濾計算過濾設(shè)備

過濾計算設(shè)計型：已知qe、K、V、選擇△p、A操作型：已知設(shè)備尺寸和參數(shù)，給定操作條件，核定該設(shè)備可以完成的生產(chǎn)任務(wù)等名詞解釋：單位時間得到的濾液體積或濾渣體積，m3/s對間歇操作，一個操作周期時間：洗滌時間洗出液中溶質(zhì)濃度置換洗滌(εAL)

(洗滌量εAL)

通過小型實驗確定過濾機生產(chǎn)能力(Q)P137組裝、卸渣及清洗濾布等輔助時間。生產(chǎn)能力為最佳過濾時間（設(shè)備操作最優(yōu)化）P137(4-59)濾框、濾板結(jié)構(gòu)：洗板板框壓濾機框非洗板洗板一個操作循環(huán)：過濾、洗滌、卸渣、整理重裝

濾液流出懸浮液入口1060塊不等，過濾面積約為280m2

洗滌液流出洗滌液入口屬間歇式特點：橫穿洗滌：Lw=2LAW=A1、板框過濾機P127板框過濾機動畫

優(yōu)點：

構(gòu)造簡單，過濾面積大而占地省，過濾壓力高，便于用耐腐蝕材料制造，操作靈活，過濾面積可根據(jù)產(chǎn)生任務(wù)調(diào)節(jié),適合過濾含固量多的細小顆?；蛞后w粘度較高的物料。

缺點：

間歇操作，勞動強度大，產(chǎn)生效率低。主要優(yōu)缺點:2、葉濾機結(jié)構(gòu)與工作原理

間歇操作設(shè)備，具有過濾推動力大，過濾面積大，濾餅洗滌較充分，每次操作時濾布不用裝卸等，生產(chǎn)能力比壓濾機大，機械化程度高，勞動力較省。

缺點：構(gòu)造較為復(fù)雜，造價較高，粒度差別較大的顆?？赡芊謩e聚集于不同的高度，此時存在洗滌不均勻，濾布破損后更換較困難。主要優(yōu)缺點優(yōu)點：

轉(zhuǎn)筒真空過濾機是工業(yè)上應(yīng)用最廣的一種連續(xù)操作的過濾設(shè)備。設(shè)備的主體是一個能轉(zhuǎn)動的水平圓筒，圓筒表面有一層金屬網(wǎng)，網(wǎng)上覆蓋濾布，筒的下部進入濾漿中，圓筒沿徑向分割成若干扇形格，每個都有單獨的孔道通至分配頭上。圓筒轉(zhuǎn)動時，憑借分配頭的作用使這些孔道依次分別與真空管及壓縮空氣管相通，因而在回轉(zhuǎn)一周的過程中每個扇形格表面即可順序進行過濾、洗滌、吸干、吹松、卸餅等項操作。

3、回轉(zhuǎn)真空過濾機(連續(xù)過濾機)結(jié)構(gòu)與工作原理

優(yōu)點：能連續(xù)自動操作，省人力，生產(chǎn)能力大，適用于處理量較大而壓差不需很大的物料的過濾。

缺點：附屬設(shè)備較多，投資費用高，過濾面積不大。過濾推動力有限，不易過濾高溫的懸浮液。主要優(yōu)缺點其中：——轉(zhuǎn)化為恒壓間歇模式處理

生產(chǎn)能力：

操作周期：

若介質(zhì)阻力忽略不計，則

回轉(zhuǎn)真空過濾機設(shè)轉(zhuǎn)筒浸入面積占全部轉(zhuǎn)筒面積的分率為浸沒分數(shù)φ，則可見：此式近似的表達了各種參對回轉(zhuǎn)真空過濾機生產(chǎn)能力的影響

例某板框過濾機有5個濾框，框的尺寸為63563525mm。過濾操作在20℃、恒定壓差下進行，過濾常數(shù)K=4.2410-5m2/s，qe=0.0201m3/m2，濾餅體積與濾液體積之比c=0.08m3/m3，濾餅不洗滌，卸渣、重整等輔助時間為10分鐘。試求框全充滿所需時間?，F(xiàn)改用一臺回轉(zhuǎn)真空過濾機過濾濾漿，所用濾布與前相同，過濾壓差也相同。轉(zhuǎn)筒直徑為1m，長度為1m，浸