化工原理第四章流体通过颗粒层的流动

1、第四章 流体通过颗粒层的流动思考题一、试证明：流体以层流状态通过管道时，其阻力损失与单位流体体积所具有的表面积（S/V）2呈正比。二、床层颗粒的当量直径是以什么原则确定的，为什么？三、床层模型与实际床层在哪些物理量上是等效的？四、数学模型法的基本步骤是什么？五、表面过滤时，真正起过滤作用的是什么？六、过滤过程的特点是什么？为什么可用康采尼方程描述其速率？七、影响过滤速率的因素有哪些？八、试讨论各种条件下滤液量、过滤时间、过滤压差、过滤常数K的相互关系？九、洗涤过程的特点是什么？如何确定洗涤速率(dq/d)w？第四章 流体通过颗粒层的流动第一节 概述一、颗粒床层的分类分类：固定床-颗粒静止；(催

2、化反应，过滤)流化床-颗粒悬浮（沸腾床） 固定床 流化床二、考察内容：流体通过颗粒（固定床）的压降(hf)三、流体通过颗粒床流动的本质特征1. 流体在由大量粒群组成的封闭的固体边界内流动，属管流；2. 当颗粒较细时，床层内流速一般极慢（爬流），属层流形态；3. 流体所接触的颗粒几何边界极其复杂，难以准确描述。（三大因素）第二节 颗粒床层的特性§2-1 单颗粒特性（影响流动通道）一、球形颗粒体积：表面积：比表面积：对球形颗粒，直径dp即可描述其全部外表特征二、非球形颗粒工程上用当量直径de来描述非球形颗粒特征（等效性不同）1. 体积当量直径()2. 表面积当量直径(S非=S球)3. 比

3、表面积当量直径（非=球）的几何意义：同体积下，球形颗粒的表面积与非球形颗粒的表面积之比（1）球形颗粒：dp（一个参数）非球形颗粒：S, ;(通常:dev,)（两个参数）简便：dev=de§2-2颗粒群的特征粒度分布测量：筛分法，显微镜法，沉降法等。一、粒度分布的筛分分析(>70mm)1. 分布函数：取颗粒总质量为w,直径<dpi的颗粒质量为wdpi,，则筛过率:Fi=wpi/w,Fi=f(dpi)Fi-分布函数，Fi<1（见图）3. 频率函数设颗粒直径范围dpi<dp<dpi-1的质量为wi,则其质量分率:xi=wi/w,频率函数曲线两个重要特性：1）某

4、粒径范围内颗粒的质量分率，等于该粒径范围内频率函数曲线下的面积。而粒径为一定值的颗粒的质量分率为零。2）频率函数曲线下的全部面积等于1。4. 颗粒群的平均直径以比表面积相等为原则，寻求颗粒群的平均直径对非球形颗粒：dpi=deai=（dev）§2-3 床层特性一、空隙率（疏密程度） 定义：空隙率不仅与颗粒形状、大小分布有关，还和填充方式有关。e非>e球；e非均<e均；振动: e¯；湿法：­；e难重复二、床层的各向同性（定向随机）特点：壁效应:壁>床床层D大，可忽略；D小，加以考虑。三、床层的比表面积定义：例：下图颗粒床层中，颗粒体积为Vp，求该床

5、层的空隙率。解： V床=床层空隙率：空隙率反映了床层内颗粒的疏密程度对均匀直径的球形颗粒：最松散规则排列 =0.48最紧密规则排列 =0.26第三节 流体通过固定床的压降§3-1 颗粒床层的简化模型一、问题的复杂性复杂性：通道错综复杂，弯弯曲曲管流阻力： 床层内，l,d不均匀，通道不规则，难确定二、层流阻力特征 层流时，直管阻力： 层流条件下，直管阻力，而与表面形状无关三、床层的简化模型（图4-4）毛细管模型：床层由长为Le,直径de的并联细管束构成，为使模型=实际，必须：（1）细管内颗粒的表面积床层实际表面积相等（2）细管内流动空间与床层实际流动空间相等可推出：四、毛细管模型的数学

6、描述u1-流体在细管内的流速（床层内流体的真实流速）u-空床流速（表观流速）单位实际床层高度的压降为：则 p也称压降五、模型的验证及参数估值定义：床层雷诺数则 当Re，<2时，=k/Re/,k/=5.0代入得：上式称为康采尼方程（注意适用条件：层流）欧根在更宽的Re/范围内，得出：代入基本式：当Re<20/6,右边第二项忽略；当Re>100/6，右边第二项忽略所以，影响床层压降的因素：操作变量u；物性,；床层特性,。六、讨论1 数学模型的基本方法A. 在充分掌握过程本质的前提下，对复杂的过程大胆、合理地简化B. 对简化后的过程建立物理、数学模型C. 实验验证模型的合理性，并对

7、模型参数估值2 数学模型法的基本特征A. 必须充分掌握过程特征，了解研究目的。B. 模型仅在某个方面与实际过程等效C. 实验目的仅是验证模型的可靠性，测定模型参数，工作量大为减少D. 模型方程是半经验、半理论的。3 影响床层压降的因素A.流速的影响（同圆管）层流（Re，<2），高度湍流（），B.物性的影响（同圆管）Re，<2，,与无关，与无关C.床层特性的影响(1)空隙率：空隙率对压降的影响非常大，反映在b. 的可变性大，可靠性差；c. 较小的误差，将引起压降明显的误差(2)比表面积2，对同形状颗粒，dp，越大，hf()。第四节 过滤§4-1过滤原理一、过滤1. 过滤目的

8、：液固、气固混合物的分离2. 两种常用的过滤操作(1) 滤饼过滤（表面过滤）（见图4-7）颗粒截留在过虑介质表面。适用于较高浓度的悬浮液(2) 深层过滤（见图4-8）颗粒靠静电力、表面力吸附于过滤。介质内部。适用于低浓度、细颗粒的分离二、架桥现象对表面过滤，真正起过滤作用的是滤饼本身，过滤介质仅给架桥现象提供条件三、过滤介质1 织物介质：由纤维、金属丝编织而成。2 多孔介质：由固体颗粒烧（粘）结而成。（布氏漏斗）3 堆积介质：由固体颗粒、纤维堆积而成。（沙滤）四、滤饼的压缩性和助滤剂1 滤饼的压缩性滤饼的空隙率与操作压差有关的称可压缩滤饼，反之称为不可压缩滤饼。2 助滤剂能提高空隙率和减少阻力

9、的固体颗粒、纤维。使用助滤剂必须不使产品纯度变化。五、过滤过程特点1 滤液是通过固定床的流动，但过程是非定态的2 过滤速率-单位时间、单位过滤面积（床层截面积）通过的滤液量（表观流速）：单位过滤面积流过的累积滤液量m3/m2V-累积滤液量m3；A:过滤面积m2§4-2 过滤过程的数学描述一、物料衡算令（悬浮液中固体的体积百分数）w悬浮液中固体的质量百分数；L滤饼厚度 m；A-过滤面积 m2；滤饼空隙率；p颗粒真实密度。1 物料衡算基本式悬浮液中固体体积=滤饼中固体体积悬浮液中清液体积=滤液质量+滤饼中清液体积2 滤液量V（q）与滤饼厚度L的关系对固体进行物料衡算：（q=V/A）在工业

10、上，很小，可忽略，结论：在悬浮液颗粒浓度、性质、滤饼特性一定时，滤饼厚度与累积滤液量成正比。随着过滤时间的继续，滤液量越多，滤饼越厚，滤饼阻力越大。（非定态过程）二、过滤速率(特征方程)由康采尼方程：联立，式中 滤饼的比阻分母滤饼对过滤的阻力-过滤推动力三、过滤速率基本方程清液通过滤饼速率：，令清液通过介质速率：上式称过滤速率基本方程四、过滤常数令，s压缩性指数（不可压缩滤饼：s=0；可压缩滤饼：），显然K=f(,床层特性)习惯称k,qe为过滤常数，而qe仅与过滤介质有关，过滤介质一定，qe一定，为真正的常数，而k往往会变化。§4-3 过滤时间与滤液量的关系一、恒速过滤讨论：(1)

11、dq/d与的关系(如图a)（2）q与的关系(如图b)(3) K与的关系（如图c）必须注意：使用恒速速率方程时，应使K与严格对应。二、恒压过滤讨论：(1) K与的关系(如图a)(2) q与的关系(如图b,4-10)(3) dq/d与的关系(如图c,4-9)三、先恒速、后恒压 四、过滤常数的测定实验往往在恒压下进行，由于当维持恒定后，已过滤了1时间，获q1滤液量。因此，应用先变压、后恒压方程得：实验测得不同与q的对应值，作图恒定不同的，可得不同的K值。由上述原理，可测得有关常数。五、过滤计算1 设计型计算给定物系及生产任务（V,Ve,r0,s,）,求过滤面积、确定过滤设备型号、规格。2 操作型计算

12、 (B) 给定物系及设备、操作条件（r0,s,Ve，,A），求生产能力V(D) 给定物系及设备、生产任务(r0,s,Ve,，A，V），求操作条件§ 4-4滤饼的洗涤一、洗涤过程的特点1 仍为过滤过程；2 过程是定态的二、洗涤速率三、洗涤液用量在洗涤过程中，洗出液中的溶质浓度与洗涤时间w的关系如图 4-29 图中曲线ab的表示洗出液基本上是滤液，它所含的溶质浓度几乎未被洗涤液所稀释，为置换阶段。V洗=AL。 图中曲线bc的段，洗出液中溶质浓度急剧下降，此阶段所用的洗涤液量约与前一阶段相同。图中曲线cd的段，滤饼中的溶质逐步被洗涤液沥取带出，洗出液中溶质浓度很低。第五节 过滤设备和操作一、液滤机(如图4-15)加压操作，间隙式。其特点：(1)过滤面积与洗涤面积相等；(2)洗涤液路径与滤液一致。 二、板框压滤机(如图4-16)框规格 a*b*c过滤面积为2ab,洗涤面积 ab滤框与滤板如图4-17洗涤液通过的滤饼厚度Lw为滤液所通过滤饼厚度L的2倍，所以，对板框压滤机：当w=时，w=终时，洗涤速率为过滤终了时的一半三、回转真空过滤机利用真空抽吸的过滤机，真空回转过滤机每转一周，则完成了从过滤到卸渣的一个过滤周期，但在同一时刻，过滤机的各区域在完成着各项内容（如图4-19）四、间隙过滤机的生产能力1 过滤周期所需的时间：a.过滤时间；b.洗涤时间w;c.辅助时间D每一周期