第四章 流體通過顆粒層的流動.ppt

1、第四章 流體通過顆粒層的流動,爬流：爬流速度很小，流動很緩慢，顆粒迎流面與背流面的流線對稱。,第一節(jié) 概述,過濾 濾餅層固液分離 吸附 分子篩吸附某種氣體 離子交換離子柱 反應(yīng)器 催化劑顆粒層等概念,固定床：眾多固體顆粒堆積而成的靜止的顆粒層,以上化工操作中均為流體通過顆粒層的流動，與流體 在管道中的流動相比較：阻力增大，速度分布均一， 流動特點：層流，繞流（因速度慢也稱爬流）。,流體通過固 定床的流動,顆粒層中流體流動特點：,（2）流體通過顆粒層的流動多呈爬流狀態(tài),原因：單位床層的顆粒表面積對流動阻力起決定性作用,原因：大量顆粒隨機堆積，顆粒對流體的流動造成很大的阻力,（1）床截面的流體速度

2、分布均勻，床層兩端產(chǎn)生很大壓降P,工程上感興趣的是阻力增大問題（壓降問題），因而本章主要討論流體通過顆粒層的壓降 。,第二節(jié) 顆粒床層的特性,一、單顆粒特性,1、球形顆粒,比表面積,體積,表面積,可用單一參數(shù) 直徑dP表示,2、非球形顆粒,形狀千變?nèi)f化，不可能用單一參數(shù)全面表示顆粒的V、S、a 一般以某種當量的球形顆粒代表,影響流體通過顆粒層流動阻力的主要顆粒特性是顆粒的比表面積 a，因此常用比表面當量直徑dea,dea 、 dev、des三者之間換算關(guān)系式：,則,(1),(2),(3),稱為形狀系數(shù),3、 的物理意義,稱為形狀系數(shù),4、非球形顆粒的參數(shù)表達,球形顆粒V、S 和 a 均可以顆粒

3、直徑 dP 確定， 非球形顆粒必須定義兩個參數(shù),與球形顆粒 比較相差,二、顆粒群的特性,1、粒度分布的篩分分析,了解顆粒群的特性，以解決顆粒的尺寸大小不均問題。 顆粒分布對顆粒層內(nèi)流動有影響，需測量并定量表示這一分布,對大于70m的顆粒通常采用 一套標準篩進行測量，這種方 法稱為篩分分析,篩過量 通過篩孔的顆粒量,篩余量 截留于篩面上的顆粒量,特性 ： a）與dpi對應(yīng)的Fi值表示直徑小于dpi的顆粒占全部試樣的質(zhì)量分率。 b）在最大粒徑dpmax處，分布函數(shù)為1。,（1）分布函數(shù)曲線,以不同篩號（篩孔尺寸為dPi）上的篩過量占試樣總量的分率 Fi 與其篩孔尺寸 dPi作圖，所示曲線稱為分布函

4、數(shù)。,2、篩分分析結(jié)果的顯示分布函數(shù)和頻率函數(shù),( 2 ) 頻率函數(shù)曲線（分布密度函數(shù)）,相鄰兩號篩孔直徑didi-1之間顆粒占全部試樣的質(zhì)量百分率 xi，以矩形面積表示，則：,表示粒徑處于 di-1di 范圍內(nèi) 顆粒的平均分布密度,a）一定粒度范圍內(nèi)顆粒占全部顆粒的質(zhì)量分率為該粒度范圍內(nèi)頻率函數(shù)曲線下的面積，粒度為某一定值的顆粒的質(zhì)量分率為零。,b）頻率函數(shù)曲線下全部面積為1。,特性：,( 3 ) 分布函數(shù) F 與頻率函數(shù) f 二者關(guān)系,2、顆粒群的平均直徑,（1）過程分析：考察流體在顆粒層內(nèi)流動的特點 流體在顆粒層內(nèi)流動是極其緩慢的爬流，無邊界層脫體現(xiàn)象發(fā)生；流動阻力主要由顆粒表面積大小決

5、定，顆粒形狀不重要。,可見應(yīng)以比表面積相等為準則確定顆粒群平均直徑,顆粒群具有粒度分布，但希望以平均值或當量值代替,（2）顆粒群的平均直徑: 根據(jù)比表面 a 相等的原則,（相鄰兩篩號間顆粒質(zhì)量 mi 占總質(zhì)量 m 的比例）,1、床層的空隙率,三、床層特性,均勻球形顆粒按最松排列時空隙率0.48，最緊密排列空隙率0.26,球形顆粒床層的 小于亂堆的非球形顆粒床層,非均勻（大小不等）顆粒的床層 小于均勻顆粒的,2、床層的各向同性,（1）顆粒亂堆方向不同，但性質(zhì)相同,特點：床層橫截面上空隙面積 / 床層面積 = 空隙率,（2）壁效應(yīng)使近壁區(qū)的空隙率總是大于床層內(nèi)部空隙率,壁效應(yīng)特點：阻力小，流速大，

6、床層 D/dp 大，壁效應(yīng)所占比例小，影響可忽略；D/dp 小則應(yīng)考慮。,表觀流速（空床流速）u 與實際流速 u1 的關(guān)系 ：,3、床層的比表面,床層比表面積,推導(dǎo)過程：,指單位體積床層具有的顆粒表面積，用 表示,第三節(jié) 流體通過固定床的壓降,根據(jù)前面已學(xué)的直管阻力損失計算式,可推導(dǎo)出壓降計算式,以上阻力損失計算公式應(yīng)用了因次理論進行了實驗規(guī)劃，較好地確定了各個變量之間的函數(shù)關(guān)系； 本節(jié)將應(yīng)用另一種實驗規(guī)劃方法 數(shù)學(xué)模型法來解決流體通過固定床的壓降問題。,一、數(shù)學(xué)模型法,應(yīng)用數(shù)學(xué)模型法求算流體通過顆粒床層中壓降是最典 型 的例子，在20世紀40年代已經(jīng)完善。 數(shù)學(xué)模型法立足于對所研究過程的深刻

7、理解,（2）建立數(shù)學(xué)模型及求解,（3）模型檢驗及參數(shù)估值,1、基本特征,（1）過程分解對過程的研究分析簡化的基礎(chǔ)和前提,（2）過程簡化對過程的理解無簡化得不到數(shù)學(xué)模型,2、主要步驟,二、 顆粒床層的數(shù)學(xué)模型,床層流動空間 = 床層空隙容積= 管束內(nèi)表面積 = 床層顆粒全部表面積=aB,取 1m3 床層,1、床層的簡化物理模型,2、建立流體壓降的數(shù)學(xué)模型,流體通過固定床的壓降等同于流體通過一組當量直徑為de、長度為 Le 的毛細管束的壓降,通過單位床層高度壓降：,得,由此推導(dǎo)出通過單位床層高度壓降的 數(shù)學(xué)模型：,3、模型的檢驗和參數(shù)的估值,床層的簡化處理只是一種假定，其有效性必須通過 實驗檢驗，

8、其中的模型參數(shù) 也必須由實驗測定,（1）康采尼方程,注意比較雷諾數(shù)、攪拌雷諾數(shù)及床層雷諾數(shù),（2）歐根方程,三、 影響床層壓降的變量,的影響,第四節(jié) 過濾原理及設(shè)備,一、過濾,固液分離的常用方法是通過過濾獲得清凈的液體或 作為產(chǎn)品的固體顆粒,利用重力或人為造成的壓差使懸浮液通過某種多孔性 過濾介質(zhì)分離懸浮液。,1、過濾原理,2、兩種過濾方式,（1）濾餅過濾依靠通道尺度小于顆粒直徑，濾餅是 真正的過濾介質(zhì)：架橋作用 。,（2）深層過濾本質(zhì)不同于表面過濾，是依靠吸附作用。,深層過濾主要用于含固量很少的懸浮液 化工生產(chǎn)廣泛使用的是濾餅過濾。,3、過濾介質(zhì),織物介質(zhì)： 濾布濾網(wǎng)（截留顆粒dp：56m）

9、 多孔性固體介質(zhì)：素瓷、多孔塑料（dp： 13m） 堆積介質(zhì): 固體顆粒如砂、木炭、非編織纖維如玻璃纖維,用于含固量少的懸浮液, 可壓縮濾餅在操作壓差作用下濾餅發(fā)生變形，致使流 道縮?。?減小），阻力迅速增加。,增加濾餅剛性，實質(zhì)是增加濾餅空隙率，目的：減少可壓縮濾餅的流動阻力。用于顆粒細微且粘度很大懸浮液。,只有濾液作產(chǎn)品時才可用，固體作產(chǎn)品不可用，否則難以分離,4、濾餅的壓縮性和助濾性, 不可壓縮濾餅具有一定的剛性，濾餅的空隙結(jié)構(gòu)不因 為操作壓差的增大而變形。, 助濾劑作用：,常用助濾劑：硅藻土、纖維粉末、活性炭、石棉等,5、過濾過程特點,6、過濾過程速率,二、過濾設(shè)備,1、葉濾機：,加壓

10、過濾,2、板框壓濾機：大型板框壓濾機；濾框,3、回轉(zhuǎn)真空過濾機，2,4、離心過濾機,連續(xù)式：吸濾洗滌卸渣 一體化/轉(zhuǎn)一圈,旋轉(zhuǎn)液體產(chǎn)生徑向壓差作為過濾的推動力,第五節(jié) 過濾過程的計算,一、過濾過程數(shù)學(xué)描述,1、物料衡算,（1）懸浮液中含固量的表示方法,質(zhì)量分數(shù) w： w kg固體/kg懸浮液,體積分數(shù)： m3固體/m3懸浮液,兩者關(guān)系（顆粒在液體中不發(fā)生溶脹的物系）,（2） 物料衡算式,總量衡算,固體物量衡算,由兩式聯(lián)立解得：,P131：例4-3已知 w = 0.1kgTiO2/kg懸浮液，100g 濕濾餅烘干為 55g 固體TiO2= 3850 kg/m3 ，H2O=1000 kg/m3 （

11、20， 0.05MPa） 求 LA/V（單位體積濾液形成濾餅體積）,解：,2、過濾速率,液體在濾餅空隙中的流動多處于康采尼公式適用范圍內(nèi),為某瞬時流體經(jīng)過固定床的表觀速度,過濾特征方程,S = 0 ： 不可壓縮 S = 0.20.8 ：可壓縮 S = 1： P 與過濾速率無關(guān) S 1： 不可能,S為壓縮指數(shù),qe=Ve/A：形成與過濾介質(zhì)阻力相等的濾餅層所得的單位面積濾液量，可實驗測得 Ve 或者 qe 。,過濾速率基本方程,懸浮液性質(zhì)：, ,濾餅特性：比阻,根據(jù)參數(shù)歸并法,操作壓降：P,二、間歇過濾的濾液量q與過濾時間的關(guān)系,1、恒速過濾方程,（過濾速率為常數(shù)）,恒速過濾方程,思考：恒速過濾

12、時，隨著濾液量增加，過濾操作壓差是否變化？,2、恒壓過濾方程,（恒定壓差下K為常數(shù)）,恒壓過濾方程,思考：恒壓過濾時，隨著濾液量增加，過濾速率是否變化？,先恒速再恒壓 過濾方程,01 恒速過濾，得濾液 q1； 1 恒壓過濾，得總濾液 q,01 恒速,1 恒壓,作圖題舉例：,（1）先恒速后恒壓過程,作業(yè)：P140：3、7,三、過濾常數(shù)的測定,概念題舉例：,1倍,減小1倍,4倍,四、濾餅的洗滌速率與洗滌時間,1、洗滌速率,2、洗滌時間,q 為過濾終了時單位面積濾液量,qW 為單位洗滌面積(AW) 洗滌液量,討論：,答：由于洗滌過程中濾餅不再增厚，LW為常數(shù)，洗滌壓降、比阻、洗滌液粘度、懸浮液體積分

13、數(shù)等阻力均不變，所以洗滌速率為一常數(shù)。,問題1：為何洗滌過程為恒速過程？, 洗滌速率可由過濾終了時速率求出,問題2：洗滌速率與過濾速率的內(nèi)在聯(lián)系及區(qū)別在哪里？,A. 置換洗滌法例如葉濾機的洗滌、回轉(zhuǎn)真空過濾機的洗滌,B. 橫穿洗滌法例如板框壓濾機的洗滌,3、洗滌方式,框,板,框,板,洗滌板,非洗滌板,懸浮液,濾液,板,非洗滌板,圖1：板框過濾過程,洗滌液,洗出液,圖2：板框洗滌過程,4、葉濾機的洗滌速率和洗滌時間,洗滌速率為：,洗滌時間為：,5、板框壓濾機的洗滌速率和洗滌時間,注意！式中 VW = qWAW,洗滌速率:,洗滌時間:,五、過濾過程計算,1、設(shè)計型計算,給定 V及，選擇P 和1 計

14、算過濾面積 A,2、操作型計算,計算 V和,已知 A、P 、V1、1,計算P 和 V1,或 已知 A、V、1,六、間歇式過濾機的生產(chǎn)能力,1、葉濾機的生產(chǎn)能力,（2）操作周期所需的總時間,（1）生產(chǎn)能力：單位時間可能得到的濾液量,（3）最大生產(chǎn)能力及最佳過濾時間,顯然，對一定洗滌和輔助時間，必存在一個最佳過濾時間， 過分延長過濾時間并不能提高過濾機的生產(chǎn)能力。,過濾曲線上任何一點與原點聯(lián)線的斜率即為生產(chǎn)能力。,板框壓濾機的過濾洗滌計算 教材習(xí)題P141.第10題,已知：板框10只，尺寸63563525mm3，水懸浮液含固量質(zhì)量分數(shù)=13.9%，濾餅含水質(zhì)量分數(shù) =50%，純CaCO3固體密度p

15、=2710 kg/m3，過濾常數(shù) K=1.5710-5 m2/s，qe=0.00378m3/m2， 求（1）濾餅充滿框時的過濾時間 （2）當Vw=0.1V時的洗滌時間w （3）當D =200 s時的生產(chǎn)能力,作業(yè)：P140：9、10,3、回轉(zhuǎn)真空過濾機的生產(chǎn)能力,恒壓過濾方程仍能適用：,恒定壓差操作，轉(zhuǎn)速 n （n/s），轉(zhuǎn)鼓浸入面積 分率,生產(chǎn)能力 Q（單位時間總濾液量 m3/S）：,七、加快過濾速率的途徑,1、過濾技術(shù)的改進 尋找適當?shù)倪^濾方法和設(shè)備以適應(yīng)物料的性質(zhì) 加快過濾速率以提高過濾機的生產(chǎn)能力,2、加快過濾速率的三種途徑,使用助濾劑（料漿的0.10.5%）,方法,預(yù)敷將含助濾劑的懸浮液先行過濾 形成13mm預(yù)敷層，再濾漿料。,摻濾將助濾劑混入懸浮液中一并過濾。,（2）改變懸