化工原理第四章流體通過顆粒層的流動課件

第四章流體通過顆粒層的流動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----顆粒懸浮（沸騰床）

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，屬管流；當顆粒較細時，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雜，難以準確描述。（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量直徑de來描述非球形顆粒特征（等效性不同）體積等效當量直徑表面積等效當量直徑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（一個參數(shù)）非球形顆粒：通常:dev,ψ（兩個參數(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）常采用一套標準篩篩分分析結(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，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:；濕法：；難重復。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）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，可以認為床層各向同性。但壁效應: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驗規(guī)劃，本節(jié)介紹數(shù)學模型的實驗規(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雜性通道錯綜復雜，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，直管阻力：層流條件下，直管阻力，而與表面形狀無關(guān)。得單位實際床層高度的壓降為：ΔP≈Δp 也稱壓降模型的驗證和模型參數(shù)的估值定義：床層雷諾數(shù)

則當Re’<2時，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Re’<3,右邊第二項忽略；當Re’>100，右邊第一項忽略所以，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)學模型的基本方法在充分掌握過程本質(zhì)的前提下，對復雜的過程大膽、合理地簡化對簡化后的過程建立物理、數(shù)學模型實驗驗證模型的合理性，并對模型參數(shù)估值。2數(shù)學模型法的基本特征必須充分掌握過程特征，了解研究目的。模型僅在某個方面與實際過程等效實驗目的僅是驗證模型的可靠性，測定模型參數(shù)，工作量大為減少。模型方程是半經(jīng)驗、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)束時用清水或其他溶劑通過濾餅。過濾過程特點1）濾液是通過固定床的流動，但一般過程是非定態(tài)的2）過濾速率——單位時間、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。箱式壓濾機回轉(zhuǎn)真空過濾機回轉(zhuǎn)真空過濾機過濾面積不大，壓差也不高，但它操作自動連續(xù)。離心機離心過濾是借旋轉(zhuǎn)液體產(chǎn)生壓差作為過濾的推動力。刮刀卸料式離心機活塞往復式卸料離心機4.5過濾過程計算4.5.1過濾過程的數(shù)學模型物料衡算令（懸浮液中固體的體積百分數(shù)）w——懸浮液中固體的質(zhì)量百分數(shù)；ρ，ρp—濾液密度，顆粒真實密度。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)學模型法關(guān)鍵：對過程規(guī)律要深刻理解。步驟1）將復雜的真實過程簡化為物理模型；2）對物理模型進行數(shù)學描述，即建立數(shù)學模型；3）由實驗檢驗數(shù)學模型的合理性并測定模型參數(shù)。量綱分析法與數(shù)學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，應使K與τ嚴格對應。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

實驗往往在恒壓下進行，由于當△P維持恒定后，已過濾了τ1時間，獲q1濾液量。因此，應用先變壓、后恒壓方程得：實驗測得不同τ與q的對應值，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洗滌速率與洗滌時間洗滌過程的特點：1）仍為過濾過程；2）過程是定態(tài)的。葉濾機的洗滌時間洗滌流經(jīng)通道與過濾終了時的通道相同。當洗滌與過濾終了時的操作壓強相同，洗滌液與濾液黏度相等，則洗滌速率與最終過濾速率相等，即板框壓濾機的洗滌速率板框壓濾機過濾終了時，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，在板框壓濾機的洗滌時間為葉濾機的四倍。4.5.4過濾過程的計算1）設(shè)計型計算給定物系及生產(chǎn)任務V,Ve,K（r0,s,μ,Ф,△P）τ求過濾面積、確定過濾設(shè)備型號、規(guī)格。2）操作型計算給定物系及設(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V，Ve，r0,s,μ,Ф,τ，A求操作條件△P（實際上是先求K）間歇式過濾機的生產(chǎn)能力過濾周期所需的時間：a.過濾時間τ；b.洗滌時間τw;c.輔助時間τD每一周期時間:∑τ=τ+τw+τD生產(chǎn)能力討論：（1）對恒速過濾，過濾時間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，其對應的過濾時間為最佳過濾時間?；剞D(zhuǎn)真空過濾機的生產(chǎn)能力回轉(zhuǎn)真空過濾機是在恒壓下操作的。設(shè)轉(zhuǎn)速為n，浸入面積分率為φ，則每個周期的過濾時間設(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、轉(zhuǎn)速n