化工原理課件第4章：過(guò)濾

4.流體通過(guò)顆粒層的流動(dòng)4.1概述混合物均相物系：物系內(nèi)部不存在相界面非均相物系：存在兩種以上的相態(tài)4.2顆粒床層的特性4.2.1單顆粒的特性表示顆粒特性的幾何參數(shù)：大小、形狀、表面積（或比表面積）。1.

球形顆粒比表面積：?jiǎn)挝惑w積顆粒所具有的表面積，其單位為

2.

非球形顆粒非球形顆?？捎卯?dāng)量直徑和形狀系數(shù)來(lái)表示其特性①體積當(dāng)量直徑令實(shí)際顆粒的體積V等于當(dāng)量球形顆粒的體積4.2.1單顆粒的特性令實(shí)際顆粒的表面積等于當(dāng)量球形顆粒的表面積②表面積當(dāng)量直徑2.

非球形顆粒③比表面積當(dāng)量直徑令實(shí)際顆粒的比表面積a

等于當(dāng)量球形顆粒的比表面積④形狀系數(shù)形狀系數(shù)（球形度）表征顆粒的形狀與球形的差異程度2.

非球形顆粒∵球的表面積最小，∴由還可得出：⑤不規(guī)則顆粒特性的表征通常選和來(lái)表征其特性，即：1.粒度分布2.平均粒徑非球形顆粒：4.2.2顆粒群的特性1.床層空隙率單位體積顆粒床層中空隙的體積為床層的空隙率ε

，即：ε反映了床層中顆粒堆集的緊密程度，其大小與顆粒的形狀、粒度分布、裝填方法、床層直徑、所處的位置等有關(guān)。球形：0.26～0.48亂堆：0.47～0.7壁效應(yīng)4.2.3床層特性

ε的測(cè)量方法：

充水法：

不適于多孔性顆粒

稱量法：

床層密度與顆粒密度的關(guān)系：2.床層的比表面積即單位體積床層中顆粒的表面積。若忽略因顆粒相互接觸而減小的裸露面積，則：

影響的主要因素：顆粒尺寸，一般，顆粒尺寸越小，越大。

3.床層的各向同性指從各個(gè)方位看，顆粒的堆積情況都是相同的。自由截面積：床層截面上可供流體通過(guò)的空隙面積4.3流體通過(guò)固定床的壓降4.3.1固定床的床層簡(jiǎn)化模型

a.顆粒床層由許多平行細(xì)管組成，孔道長(zhǎng)度Le與床層高度L成正比

b.孔道內(nèi)表面積之和等于全部顆粒的表面積，孔道內(nèi)全部流動(dòng)空間等于床層空隙的容積。水力半徑以1m3

床層體積為基準(zhǔn)：4.3.2流體壓降的數(shù)學(xué)模型單位床層高度的壓降，Pa模型參數(shù)4.3.3模型的檢驗(yàn)和模型參數(shù)的估計(jì)1.康采尼（Kozeny）方程在流速較低，時(shí)（層流），實(shí)驗(yàn)測(cè)得其中：把代入模型方程，得：半經(jīng)驗(yàn)半理論關(guān)聯(lián)式2.歐根（Ergun）方程歐根在較寬的床層雷諾數(shù)范圍內(nèi)研究了的關(guān)系，得：代入模型方程得：誤差：±25%，不適于細(xì)長(zhǎng)物體及環(huán)狀填料影響床層壓降的因素：，其中ε影響最大。4.3.4因次分析法和數(shù)學(xué)模型法的比較實(shí)驗(yàn)：尋找函數(shù)形式，決定參數(shù)4.4過(guò)濾過(guò)濾的目的：從懸浮液中分離出固體顆粒獲得清凈的液體過(guò)濾原理：在外力的作用下，懸浮液中的液體通過(guò)多孔介質(zhì)的孔道而固體顆粒被截留下來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)固、液分離。過(guò)濾術(shù)語(yǔ)：過(guò)濾操作所處理的懸浮液稱為濾漿，所用的多孔物質(zhì)稱為

過(guò)濾介質(zhì)（當(dāng)過(guò)濾介質(zhì)是織物時(shí)，也稱為濾布），通過(guò)介質(zhì)孔道的液體稱為濾液，被截留的物質(zhì)稱為濾餅或?yàn)V渣。重力、離心力、壓力差4.4.1過(guò)濾操作的基本概念1.兩種過(guò)濾方式深層過(guò)濾和濾餅過(guò)濾。

①深層過(guò)濾特點(diǎn)是固體顆粒的沉積發(fā)生在較厚的粒狀過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)部，過(guò)濾介質(zhì)表面上無(wú)顆粒層形成。適用于懸浮液中顆粒尺寸甚小而且含量甚微的場(chǎng)合。如自來(lái)水廠用很厚的石英砂層作為過(guò)濾介質(zhì)來(lái)進(jìn)行水的凈化②濾餅過(guò)濾固體顆粒呈餅層狀沉積于過(guò)濾介質(zhì)的上游一側(cè)，形成濾餅層。濾餅過(guò)濾適用于處理顆粒含量較高的懸浮液，是化工生產(chǎn)中的主要過(guò)濾方式.2.過(guò)濾介質(zhì)①織物介質(zhì)由天然或合成纖維、金屬絲等編制的濾布、濾網(wǎng)②多孔性固體介質(zhì)陶瓷、金屬、玻璃、多孔性塑料管③堆積介質(zhì)石英砂、木炭、石棉粉等基本要求:具有適宜的孔徑、過(guò)濾阻力小，具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性。4.濾餅的洗滌目的：凈化濾餅，回收濾餅中存留的濾液如果濾液為水溶液，一般就用水洗滌。

3.濾餅的壓縮性

可壓縮濾餅——過(guò)濾過(guò)程中ε↓→過(guò)濾阻力↑

不可壓縮濾餅——過(guò)濾過(guò)程中ε不變

濾餅3.回轉(zhuǎn)真空過(guò)濾機(jī)4.5過(guò)濾過(guò)程計(jì)算過(guò)程的特點(diǎn)：擬定態(tài)過(guò)程目的：V(q)～τ過(guò)濾速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位過(guò)濾面積所得的濾液量，即（m/s）4.5.1過(guò)濾過(guò)程的數(shù)學(xué)描述1.物料衡算

ω（kg固體/kg懸浮液）φ

（m3固體/m3懸浮液）總量衡算：固體量衡算：由上兩式可得：流入的量＝流出的量＋累積量2.過(guò)濾速率則有：3.過(guò)濾速率基本方程式加和，得：影響過(guò)濾速率的因素：懸浮液的性質(zhì)(φ、μ）

濾餅特性（ε、a）令可得：式中：當(dāng)量濾液量Ve

不是真正的濾液量，其值與過(guò)濾介質(zhì)的性質(zhì)、濾餅及濾漿的性質(zhì)有關(guān)。

過(guò)濾速率基本方程式（微分式）參數(shù)歸并法：為避免單個(gè)參數(shù)測(cè)量的困難，將數(shù)學(xué)描述中幾個(gè)同類型參數(shù)歸并成一個(gè)新參數(shù)，以明確表述主要變量與結(jié)果之間的關(guān)系。從而用真實(shí)實(shí)驗(yàn)確定該新參數(shù)并檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，從而獲取工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。K：對(duì)于指定的懸浮液，△P不變時(shí)才是常數(shù)r：濾餅的比阻，表示濾餅結(jié)構(gòu)的影響，反映過(guò)濾操作的難易程度不可壓縮濾餅：s＝0

可壓縮：s＝0.2～0.8

s：壓縮指數(shù)，r0：△P為1Pa時(shí)的濾餅比阻。3.過(guò)濾速率基本方程式4.5.2間歇過(guò)濾的濾液量與過(guò)濾時(shí)間的關(guān)系1.恒速過(guò)濾方程若Ve＝0，則？K雖為變量，但應(yīng)為τ時(shí)刻的過(guò)濾常數(shù)值。2.恒壓過(guò)濾方程若Ve＝0，則？若V=Ve

？求Ve，τe3.先恒速后恒壓恒壓：過(guò)濾方式計(jì)入介質(zhì)阻力不計(jì)介質(zhì)阻力恒速過(guò)濾恒壓過(guò)濾先恒速后恒壓4.過(guò)濾常數(shù)的測(cè)定恒壓條件，同一懸浮液：恒壓之前已得濾液：過(guò)濾常數(shù)反映過(guò)濾介質(zhì)特性的常數(shù)反映懸浮液性質(zhì)、濾餅性質(zhì)和操作壓強(qiáng)的常數(shù)注：和過(guò)濾面積有關(guān)，不是常數(shù)4.5.3洗滌速率與洗滌時(shí)間單位洗滌面積，單位時(shí)間內(nèi)所消耗的洗液量。在洗滌過(guò)程中濾餅不增厚，洗滌速率為常數(shù)。1.葉濾機(jī)的洗滌速率置換洗滌法前提：洗滌速率與過(guò)濾終了過(guò)濾速率的比較：2.板框壓濾機(jī)的洗滌速率橫穿洗滌法若無(wú)上述比較前提，則需校正：4.5.4過(guò)濾生產(chǎn)能力單位時(shí)間內(nèi)得到的濾液量（1）間歇過(guò)濾機(jī)生產(chǎn)能力操作周期：（2）連續(xù)過(guò)濾機(jī)生產(chǎn)能力（轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)）以一個(gè)操作周期為基準(zhǔn)，即轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)一周所需時(shí)間：設(shè)轉(zhuǎn)速nr/s則:

設(shè)浸入面積占全部轉(zhuǎn)鼓面積的分率為，則每周期的過(guò)濾時(shí)間