化工原理第四章流體通過顆粒層的流動(dòng)課件

第四章流體通過顆粒層的流動(dòng)4.1概述1）顆粒床層的分類固定床----顆粒靜止；（流體通過催化劑固定床；通過懸浮液顆粒組成的濾餅）流化床----顆粒懸?。ǚ序v床）

固定床流化床2）考察內(nèi)容流體通過顆粒（固定床）的壓降(hf)3）流體通過顆粒床流動(dòng)的本質(zhì)特征流體在由大量粒群組成的封閉固體邊界內(nèi)流動(dòng)，屬管流；當(dāng)顆粒較細(xì)時(shí)，床層內(nèi)流速一般極慢（爬流），屬層流形態(tài)；流體所接觸的顆粒幾何邊界極其復(fù)雜，難以準(zhǔn)確描述。（三大因素）4.2顆粒床層的特性4.2.1單顆粒的特性球形顆粒體積：

表面積：

比表面積：非球形顆粒工程上用當(dāng)量直徑de來描述非球形顆粒特征（等效性不同）體積等效當(dāng)量直徑表面積等效當(dāng)量直徑ψ的物理意義：同體積下，球形顆粒的表面積與非球形顆粒的表面積之比（ψ≤1）。球形顆粒：dp（一個(gè)參數(shù)）非球形顆粒：通常:dev,ψ（兩個(gè)參數(shù)）簡便：dev=de4.2.2顆粒群的特性在任何顆粒群中，各顆粒的尺寸都不可能完全一樣，形成一定的尺寸（粒度）分布。粒度分布測量：篩分法，顯微鏡法，沉降法等。粒度分布的篩分分析（>70m）常采用一套標(biāo)準(zhǔn)篩篩分分析結(jié)果的圖示－分布函數(shù)和頻率函數(shù)分布函數(shù)曲線：取顆?？傎|(zhì)量為w,直徑<dpi的顆粒質(zhì)量為wdpi,，則篩過率:Fi=wdpi/w,Fi=f(dpi)Fi稱為分布函數(shù)，在該批顆粒的最大直徑dpmax處，F(xiàn)i＝1頻率函數(shù)曲線：設(shè)顆粒直徑范圍dpi<dp<dpi-1的質(zhì)量為wi,則其質(zhì)量分率: xi=wi/w,現(xiàn)以粒徑dp為橫坐標(biāo)，將該粒徑質(zhì)量分率xi用一矩形表示，矩形高度等于：頻率函數(shù)曲線兩個(gè)重要特性：1）某粒徑范圍內(nèi)顆粒的質(zhì)量分率，等于該粒徑范圍內(nèi)頻率函數(shù)曲線下的面積。而粒徑為一定值的顆粒的質(zhì)量分率為零。2）頻率函數(shù)曲線下的全部面積等于1。4.2.3床層的特性床層的空隙率（疏密程度）均勻球形最松排列的孔隙率為0.48，最緊排列的孔隙率0.26。空隙率不僅與顆粒形狀、大小分布有關(guān)，還和填充方式有關(guān)。非>球；非均<均；振動(dòng):；濕法：；難重復(fù)。一般亂堆床層的孔隙率大致在0.47~0.7之間。床層的各向同性（定向隨機(jī)）工業(yè)上小顆粒床層亂堆，若顆粒非球形，各顆粒的定向隨機(jī)，可以認(rèn)為床層各向同性。但壁效應(yīng):ε壁>ε床床層D大，可忽略； D小，加以考慮。床層的比表面積

4.3流體通過固定床的壓降前面介紹了量綱理論的實(shí)驗(yàn)規(guī)劃，本節(jié)介紹數(shù)學(xué)模型的實(shí)驗(yàn)規(guī)劃。4.3.1顆粒床層的簡化模型床層的簡化物理模型問題的復(fù)雜性通道錯(cuò)綜復(fù)雜，彎彎曲曲；床層內(nèi)，l,d不均勻，通道不規(guī)則，難確定。層流阻力特征

層流時(shí)，直管阻力：層流條件下，直管阻力，而與表面形狀無關(guān)。得單位實(shí)際床層高度的壓降為：ΔP≈Δp 也稱壓降模型的驗(yàn)證和模型參數(shù)的估值定義：床層雷諾數(shù)

則當(dāng)Re’<2時(shí)，λ=k’/Re’, k’=5.0代入得：上式稱為康采尼方程（注意適用條件：層流）;歐根在更寬的Re’范圍內(nèi)，得出：代入基本式：

當(dāng)Re’<3,右邊第二項(xiàng)忽略；當(dāng)Re’>100，右邊第一項(xiàng)忽略所以，影響床層壓降的因素：操作變量u；物性μ,ρ；床層特性ε,α。討論1數(shù)學(xué)模型的基本方法在充分掌握過程本質(zhì)的前提下，對復(fù)雜的過程大膽、合理地簡化對簡化后的過程建立物理、數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的合理性，并對模型參數(shù)估值。2數(shù)學(xué)模型法的基本特征必須充分掌握過程特征，了解研究目的。模型僅在某個(gè)方面與實(shí)際過程等效實(shí)驗(yàn)?zāi)康膬H是驗(yàn)證模型的可靠性，測定模型參數(shù)，工作量大為減少。模型方程是半經(jīng)驗(yàn)、半理論的。3影響床層壓降的因素A.流速的影響（同圓管）層流（Re’<3），高度湍流（Re’<100）；4.4過濾原理及設(shè)備4.4.1過濾原理過濾將固—液兩相的懸浮液分離成濾餅和濾液。兩種過濾方法濾餅過濾（表面過濾）顆粒截留在過慮介質(zhì)表面。適用于較高濃度的懸浮液

架橋現(xiàn)象——對表面過濾，真正起過濾作用的是濾餅本身，過濾介質(zhì)僅給架橋現(xiàn)象提供條件深層過濾顆?？快o電力、表面力吸附于過濾。介質(zhì)內(nèi)部。適用于低濃度、細(xì)顆粒的分離過濾介質(zhì)1）織物介質(zhì)：由纖維、金屬絲編織而成。2）多孔介質(zhì)：由固體顆粒燒（粘）結(jié)而成。（布氏漏斗）3）堆積介質(zhì)：由固體顆粒、纖維堆積而成。（沙濾）濾餅的壓縮性和助濾劑1）濾餅的壓縮性——濾餅的空隙率ε與操作壓差有關(guān)的稱可壓縮濾餅，反之稱為不可壓縮濾餅。2）助濾劑能提高空隙率和減少阻力的固體顆粒、纖維。使用助濾劑必須不使產(chǎn)品純度變化。濾餅的洗滌某些過濾過程需回收濾餅中的濾液，或除去濾餅中的可溶性鹽，則在過濾結(jié)束時(shí)用清水或其他溶劑通過濾餅。過濾過程特點(diǎn)1）濾液是通過固定床的流動(dòng)，但一般過程是非定態(tài)的2）過濾速率——單位時(shí)間、單位過濾面積（床層截面積）通過的濾液量（表觀流速）q＝V/A：單位過濾面積流過的累積濾液量m3/m2V：累積濾液量m3； A:過濾面積m2。由于濾餅的增厚，過濾速率必隨時(shí)間而降低。對洗滌過程，由于濾餅不再增厚，壓差與速率的關(guān)系與固定床相同。箱式壓濾機(jī)回轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)回轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)過濾面積不大，壓差也不高，但它操作自動(dòng)連續(xù)。離心機(jī)離心過濾是借旋轉(zhuǎn)液體產(chǎn)生壓差作為過濾的推動(dòng)力。刮刀卸料式離心機(jī)活塞往復(fù)式卸料離心機(jī)4.5過濾過程計(jì)算4.5.1過濾過程的數(shù)學(xué)模型物料衡算令（懸浮液中固體的體積百分?jǐn)?shù)）w——懸浮液中固體的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；ρ，ρp—濾液密度，顆粒真實(shí)密度。1）物料衡算基本式懸浮液中固體體積=濾餅中固體體積懸浮液中清液體積=濾液質(zhì)量+濾餅中清液體積4.3.2量綱分析法與數(shù)學(xué)模型法的比較量綱分析法關(guān)鍵:了解過程的全部主要影響因素，但無需對內(nèi)在規(guī)律有深刻理解。是“黑箱”的研究。數(shù)學(xué)模型法關(guān)鍵：對過程規(guī)律要深刻理解。步驟1）將復(fù)雜的真實(shí)過程簡化為物理模型；2）對物理模型進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，即建立數(shù)學(xué)模型；3）由實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型的合理性并測定模型參數(shù)。量綱分析法與數(shù)學(xué)模型法兩者相輔相成。過濾速率（特征方程）由康采尼方程：令得討論：（1）dq/dτ與τ的關(guān)系；（2）q與τ的關(guān)系；（3）K與τ的關(guān)系；（4）ΔP與τ的關(guān)系。必須注意：使用恒速速率方程時(shí)，應(yīng)使K與τ嚴(yán)格對應(yīng)。dq/dττqτττKΔPqe≠0KΔPττqe＝0qe＝0，s＝0qe≠0，s≠0恒壓過濾方程討論：（1）K與τ的關(guān)系（2）q與τ的關(guān)系（3）dq/dτ與τ的關(guān)系τττKqdq/dτ先恒速、后恒壓過濾常數(shù)的測定

實(shí)驗(yàn)往往在恒壓下進(jìn)行，由于當(dāng)△P維持恒定后，已過濾了τ1時(shí)間，獲q1濾液量。因此，應(yīng)用先變壓、后恒壓方程得：實(shí)驗(yàn)測得不同τ與q的對應(yīng)值，作圖

恒定不同的ΔP，可得不同的K值。由上述原理，可測得有關(guān)常數(shù)。4.5.3洗滌速率與洗滌時(shí)間洗滌過程的特點(diǎn)：1）仍為過濾過程；2）過程是定態(tài)的。葉濾機(jī)的洗滌時(shí)間洗滌流經(jīng)通道與過濾終了時(shí)的通道相同。當(dāng)洗滌與過濾終了時(shí)的操作壓強(qiáng)相同，洗滌液與濾液黏度相等，則洗滌速率與最終過濾速率相等，即板框壓濾機(jī)的洗滌速率板框壓濾機(jī)過濾終了時(shí)，濾液通過的濾餅厚度為板框厚度的一半，過濾面積為全部濾框面積之和的兩倍。此時(shí)的洗滌面積為過濾面積的一半，所以同樣體積的洗滌液，在板框壓濾機(jī)的洗滌時(shí)間為葉濾機(jī)的四倍。4.5.4過濾過程的計(jì)算1）設(shè)計(jì)型計(jì)算給定物系及生產(chǎn)任務(wù)V,Ve,K（r0,s,μ,Ф,△P）τ求過濾面積、確定過濾設(shè)備型號(hào)、規(guī)格。2）操作型計(jì)算給定物系及設(shè)備、操作條件Ve，K（r0,s,μ,Ф,△P）,τ,A求生產(chǎn)能力V3）給定物系及設(shè)備、生產(chǎn)任務(wù)V，Ve，r0,s,μ,Ф,τ，A求操作條件△P（實(shí)際上是先求K）間歇式過濾機(jī)的生產(chǎn)能力過濾周期所需的時(shí)間：a.過濾時(shí)間τ；b.洗滌時(shí)間τw;c.輔助時(shí)間τD每一周期時(shí)間:∑τ=τ+τw+τD生產(chǎn)能力討論：（1）對恒速過濾，過濾時(shí)間τ越長，生產(chǎn)能力越大，但壓降越大，能耗增加。（2）對恒壓過濾、有最大生產(chǎn)能力，其對應(yīng)的過濾時(shí)間為最佳過濾時(shí)間?；剞D(zhuǎn)真空過濾機(jī)的生產(chǎn)能力回轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)是在恒壓下操作的。設(shè)轉(zhuǎn)速為n，浸入面積分率為φ，則每個(gè)周期的過濾時(shí)間設(shè)轉(zhuǎn)鼓面積為A，忽略過濾介質(zhì)的阻力結(jié)論：對回轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)、轉(zhuǎn)速n