事繁勿慌，事闲勿荒有言必信，无欲则刚和若春风，肃若秋霜取象于钱，外圆内方 黄炎培1流 体通过颗粒层的流动2河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理4.1 概 述在第一章主要阐述流体流动的基本规律，即讨论流体在密闭管道中流动时的压强变化和能量损失，着重研究固体边界对流体的作用。本章讨论流体流过颗粒、颗粒在流体中的运动以及流体流过颗粒层的流动。这里既研究固体界面对流体的作用与流体压力的变化，也讨论流体对颗粒的作用。化工过程中很多单元操作和反应过程涉及此类流动，如：1、不均匀混合物的分离：气-固、液-固；2、传质过程中很多过程与这类流动有关（精馏、吸收、吸附、离子交换、浸取等）3、流体与固体之间的化学反应（非均相催化反应等）4、固体颗粒状物料的输送；4. 流体通过颗粒层的流动3 3河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理固定床众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒层。讨论：流体固体颗粒相对运动。相对运动应用非均相分离(机械分离)非均相反应固粒物料分离单元操作沉降 过滤固定床 流化床 气流输送 液流输送 蒸馏、吸收、萃取、 吸附、离子交换等4 4河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理4.2 4.2 颗粒床层的特性颗粒床层的特性球形颗粒体积：表面积：4.2.1 4.2.1 单颗粒的特性单颗粒的特性比表面积：dp 球形颗粒直径比表面积单位体积颗粒具有的表面积 m2/m3。5 5河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理非球形颗粒将非球形颗粒以某种当量的球形颗粒代表； 根据不同方面的等效性,定义不同的当量直径：表面积等效：比表面积等效：三者关系：体积等效：体积当量直径面积当量直径比表面当量直径6 6河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理体积相同时，球形颗粒的表面积最小，则 ： 的物理含义：令球形：非球形：形状系数7 7河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理则非球形颗粒：简化体积当量直径：4.2.2 4.2.2 颗粒群的特性颗粒群的特性 测定颗粒粒度的方法有：筛分法、显微镜法、沉降 法、电阻变化法、光散射与衍射法、表面积法等。 粒度分布的筛分分析：分样筛、分布函数、频率函数 颗粒群的平均直径： 8 8河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理4.2.3 4.2.3 床层特性床层特性单位体积床层中的床层中的空隙体积球形：床层的空隙率床层的空隙率各向同性床层的特点： （空隙面积 / 床层截面）在数值上等于床层截面）在数值上等于 （床层床层体积颗粒所占体积）/ 床层床层体积 空隙体积 / 床层床层体积 疏松 =0.48 紧密 =0.26床层的各向同性床层的各向同性非球形： =0.470.79 9河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理床层的比表面积床层的比表面积B B单位床层床层体积具有的具有的颗粒表面积V床床V V / （1 ）即： （床层床层体积颗粒所占体积）/ 床层床层体积 （V床床V V）/ V床床则：1010河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理把流体通过复杂通道的流动简化为在一长度为Le的一组平行细管内的流动。床层的简化物理模型 4.3 流动通过固定床的压降4.3.1 颗粒床层的简化模型简化uLeLu颗粒层 细管内表面=颗粒层所有颗粒表面 细管流动空间=颗粒层空隙体积流体力学相当1111河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理则有 则虚拟细管的当量直径: =空隙体积 / 床层床层体积床层体积取1立方米体积为基准： V床床1m1m3 3床层的比表面积为：B即 床层的流动空间=mm3 31212河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理Fanning公式u1 流体在细管内(空隙)的流速m/s，u1=u/ u 空床流速(表观流速)则：流体压降的数学模型流体通过固定床的压降等同于通过一组当量直径为de， 长度为Le的细管的压降 。两边乘以/L：1313河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理或：模型参数(固定床的流动摩擦系数)，实验测定当重力可以忽略时: 单位床层高度的床层高度的虚拟压强差简化： 压降1414河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理1、康采尼方程在低Re下(Re1%悬浮液)（1）饼层过滤 (表面过滤) 架桥现象 在饼层过滤中，真正发挥分离作用的主要是滤饼 层，而不是过滤介质。 （2）深层过滤（深床过滤） 1919河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理过滤介质1、 织物介质：天然、合成纤维，金属丝等编织而成。（565微米）2、多孔性固体介质：素磁、烧结金属、玻璃、塑料等构成（13微米）3、堆积介质 固体颗粒或非编制物堆积而成。用于除去固含量较少的悬浮液（水净化）。 2020河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理滤饼性质2、可压缩 空隙率变化() 可加助滤剂改善之1、不可压缩 空隙率不变3、助滤剂：刚性颗粒、化学性质稳定、操作范围 内具有不可压缩性（硅藻土、木碳、碳酸钙等）,可 采用预涂法、或与悬浮液混合。 2121河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理1、 洗涤液用量； 2、洗涤速率；3、 洗涤曲线。滤饼的洗涤 回收滤液：回收滞留在颗粒缝隙中的滤液 回收滤饼:净化构成滤饼的颗粒 2222河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理过滤过程的特点流体流过固定床流体通道复杂床层厚度变化非定态过程过程的拟定态化 设过滤面积为A， 过滤时间为时获得的滤液量为V 过滤速率 m/s u单位时间、单位面积上所获得的滤液量 m3/s2 q通过单位面积所获得的滤液量 2323河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理4.4.2 过滤设备 一、叶滤机 叶滤机主要由滤叶和壳体组成。叶滤机通常采用置叶滤机通常采用置换洗涤法。滤液流换洗涤法。滤液流过面积与洗液一样过面积与洗液一样，流经路径也与洗，流经路径也与洗液一样。液一样。 2424河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理基本构件过滤板1、滤框2、洗涤板3二、板框压滤机 2525河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理2626河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理2727河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理2828河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理板框压滤机通常采用横穿洗涤法。 滤液流过滤液流过面积为洗液面积为洗液的二倍，而的二倍，而流经路径为流经路径为洗液的一半。洗液的一半。2929河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理结构与操作原理 如图所示，. 一个操作周期=过滤+洗涤+卸渣四、回转真空过滤机 3030河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理五、离心机 是利用离心力，分离液体与固体颗粒或液体与液体的混合物中各组分的机械。离心机主要用于将悬浮液中的固体颗粒与液体分开；或将乳浊液中两种密度不同，又互不相溶的液体分开。离心过滤是籍旋转液体产生的径向压差作为过滤推动力。 3131河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理利用旋转的转鼓带动转鼓内物料作高速旋转时产生的离心力将两种密度不同且互不相溶的液体与固体颗粒的悬浮液进行分离的机械。是连续运转、间歇操作的过滤式离心机，其控制方式为自动控制，也可手动控制。离心机操作过程中的进料、分离、洗涤、脱水、卸料及滤布再生等过程一般均在全速状态下完成，单次循环时间短，处理量大，并可获得较干的滤渣和良好的洗涤效果。六、刮刀卸料式离心机 3232河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理七、活塞往复式卸料离心机 活塞往复卸料离心机是一种在全速 运转下，同时连续地进行加料、分离、 洗涤、卸料等所有工序的连续式离心机 。其工作原理为:悬浮液由进料管引入 旋转的锥形料斗，沿料斗内壁流至旋转 的滤网上，滤液经滤网缝隙和鼓壁上小 孔被甩至转鼓外，由滤液出口管连续地 排出。积存在滤网上的滤渣被往复运动 的卸料器推出。卸料器沿鼓壁往复频率 为0.170.4Hz ，冲程约为4050mm。 该机主要适用于粗分散的，并能很快脱 水和失去流动状的悬浮液，功率消耗较 均匀。但对悬浮液的浓度变化很敏感。 如浓度太稀，形不成滤饼而“拉稀”， 并造成转鼓中物料分布不均匀，引起转 鼓震动。3333河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理过滤设备分类 按压差产生原因 压滤、吸滤叶滤机、板框、回转 离心离心过滤机 按操作方式 连续真空回转 、离心 间歇板框压滤机、叶滤机 3434河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理4.5 过滤过程计算 4.5.1 过滤过程的数学描述 物料衡算 1、悬浮液固含量的表示方法 质量分数：wkg固体kg悬浮液 体积分数：m3固体m3悬浮液V固V悬 关系：对颗粒在液体中不发生溶胀的体系，体积加和原则 3535河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理2、物料衡算 总物料衡算： 固体物量： L滤饼厚度；A 过滤面积 ； 滤饼空隙率 联立解： 因为 则： 单位滤液形成的滤饼体积 m3滤饼m3滤液 3636河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理过滤速率 1、过滤速率方程（过滤特征方程） 过滤时液体在滤饼间的流动速度很小,雷诺数处于康尼采公式适用的范围。康尼采公式： 将 代入 3737河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理定义r：滤饼的比阻单位厚度滤饼阻力 1m2 则 滤饼两侧的压差滤液的粘度 3838河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理过滤介质的影响： LuP1P2过滤时，滤饼及过滤介质均对滤液产生阻力 经过滤饼的速率 滤液经过过滤介质的速率 推动力和阻力分别具加和性 3939河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理e形成与过滤介质等阻力的滤饼层时，单位面积 的滤液量，即：当量滤液量 Ve形成与过滤介质等阻力的滤饼层时的滤液量，m3 令 则 过滤速率基本方程 过滤速率方程表示某一瞬间过滤速率与物系性质、 操作压力及到该时刻累积滤液量之间的关系 。4040河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理2、压缩指数 不可压缩性滤饼：比阻r为常数 可压缩性滤饼：由于随变，所以一般r不为常数 r0、s均为实验常数 S压缩指数，无因次（s01） 不可压缩性滤饼s0，可压缩性滤饼s值在0.20.8之间 4141河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理4.5.2 间歇过滤的滤液量与过滤时间的关系 恒速过滤方程 (K不是常数)恒速过滤方程 则:4242河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理恒压过滤方程 为常数,则K常数，恒压过滤方程 表达的是恒压条件下累积滤液量与过滤时间的关系。 4343河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理另外，对介质有或将上两式相加得 ：恒压过滤方程 4444河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理若在恒压过滤前，业已进行过一段时间1的其它过滤，得滤液q1 4545河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理过滤常数的测定过滤常数的测定K、qe必须用同一悬浮液在小型实验设备上测定，如图所示4646河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理恒压过滤/qq为线性关系，斜率=1/K，截距=2qe/K 与 之间有线性关系，同样可求出常数 及恒压操作的K值。 各项qK： 若在恒压过滤前，业已进行过一段时间1的其它过滤，得滤液q1 4747河北科技大学化工原理河北科技大学化工原理4.5.3 洗涤速率与洗涤时间 洗涤和过滤区别： 过滤：恒压时，速率是变量 洗涤：(恒压洗涤）L不变，速率为常数 洗涤速率 在恒压下，洗水