流体通过颗粒层的流动课件.ppt
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1、4.流体通过颗粒层的流动 4.1概述 4.2颗粒床层的特性 4.3流体通过固定床的压降 4.4过滤原理及设备4.5 过滤过程计算4.6 加快过滤速率的途径固定床固定床(Fixed bed):由大量颗粒装填而成的颗粒床层(如悬浮液的过滤、流体通过填料层或固体催化剂床层的流动),由于流体以较小的流速从床层的空隙中流动,颗粒所受的曳力较小而使床层保持静止状态,这样的床层称为固定床。固定床催化反应器固定床催化反应器固体悬浮液的过滤固体悬浮液的过滤吸附吸附离子交换器离子交换器 吸收塔吸收塔流化床流化床(fluidized bed):流体自下而上流过颗粒层,颗粒悬浮在床层中进行剧烈的随机运动。基础基础:流
2、体及颗粒间的相对运动,相互作用1 单颗粒的性质表示颗粒大小的几何参数:大小(尺寸)、形状、表面积(或比表面积)。形状规则的颗粒:大 小:用颗粒的某一个或某几个特征尺寸表示,如球形颗粒的大小用直径dp表示。比表面积:单位体积颗粒所具有的表面积,其单位为m2/m3 ,对球形颗粒为:a球=S/V=6/ dp 球形颗粒体积V=dp3/6 球形颗粒表面积S= dp2形状不规则的颗粒:形状不规则的颗粒: 非球形颗粒的表面积的球的表面积与非球形颗粒体积相等相同体积当量直径deV,即体积等于颗粒体积的球形颗粒的直径为非球形颗粒的等体积当量直径。表面积当量直径des ,即将表面积等于颗粒表面积的球形颗粒的直径定
3、义为非球形颗粒的等表面积当量直径。比表面积当量直径dea,即将比表面积等于颗粒比表面积的球形颗粒的直径定义为非球形颗粒的等比表面积当量直径。eeeeeseVeVeaeaeseVdadSdVdddddadSdVd666623223,简写为通常使用体积当量直径2 颗粒群的特性颗粒群的特性 化工中常遇到流体通过大小不等的混合颗粒群的流动,此时常认为这些颗粒形状一致,只考虑大小不同。常用筛分的方法测得粒度分布,再求其相应的平均特性参数 颗粒粒度测量:筛分法、沉降法、比表面法、显微镜法、电阻变化法、光的散射与衍射法等。(1)颗粒的筛分分析颗粒的筛分分析 对于工业上常见的中等大小的混合颗粒,一般采用一套标
4、准筛进行测量,这种方法称为筛分。将筛分所得结果在表或图上表示,可直观地表示出颗粒群的粒径分布: 用表格表示:筛孔尺寸每层筛上颗粒质量。 用图表示:各层筛网上颗粒的筛分尺寸质量分率 标准筛:标准筛:有不同的系列,其中泰勒(有不同的系列,其中泰勒(Tyler)标准筛是较为常用的标准筛之一,其标准筛是较为常用的标准筛之一,其筛孔筛孔的大小以每英寸长度筛网上所具有的筛孔的大小以每英寸长度筛网上所具有的筛孔数目表示,称为目数目表示,称为目,每个筛的筛网金属丝,每个筛的筛网金属丝的直径也有规定,因此一定目数的筛孔尺的直径也有规定,因此一定目数的筛孔尺寸一定。例如寸一定。例如200目的筛子即指长度为目的筛子
5、即指长度为1英英寸的筛网上有寸的筛网上有200个筛孔。所以筛号越大,个筛孔。所以筛号越大,筛孔越小。此标准系列中各相邻筛号(按筛孔越小。此标准系列中各相邻筛号(按从大到小的次序)的筛孔大小按筛孔的净从大到小的次序)的筛孔大小按筛孔的净宽度计以宽度计以 0.5的倍数递增,即筛孔面积按的倍数递增,即筛孔面积按2的倍数递增。的倍数递增。 筛号筛号(目数目数):每英寸边长的筛孔数目 筛过量:筛过量:通过筛孔的颗粒量 筛余量:筛余量:截留于筛面上的颗粒量 筛分筛分(Sieving) 进行筛分分析时,将几个筛子按筛孔大小的次序从上到下叠置起来,筛孔尺寸最大的放在最上面,筛孔尺寸最小的放在最下面,在它底下放
6、一无孔的底盘。将称量过的颗粒样品放在上部筛子上,有规则地摇动一定时间,较小的颗粒通过各个筛的筛孔依次往下落。显然,各筛网上的颗粒尺寸应介于其上一层筛孔与本层筛孔尺寸之间。称量各层筛网上的颗粒量,即得筛分分析的基本数据。筛析操作完成后,应检查各粒级的质量总和与取样量的差值(损失),其值不应超过12%,否则没有代表性,应重新取样筛析。 Fi :筛孔尺寸dpi的筛过量占试样总量的分率。如di-1和di相差不大,可把这一范围内的颗粒视为相同直径的均匀颗粒,dpi= (di-1+di)/2粒度分布函数:不同筛号的Fi与其筛孔尺寸dpi标绘出的曲线。全部试样的质量百分数号筛面上的颗粒占范围的平均分布密度。
7、表示粒径处于矩形高度ixddfiiii:1 (2)颗粒群的平均特性参数)颗粒群的平均特性参数 颗粒群的平均粒径有不同的表示法,但对于流体与颗粒之间的相对运动过程,主要涉及流体与颗粒表面间的相互作用,即颗粒的比表面积起重要作用,因此通常用来表示颗粒的平均直径,则混合颗粒的平均比表面积dm。 xi第i层筛网上颗粒的质量分率 dpi=(di-1+di)/2piimdxd13 颗粒床层的特性 当流体流过由颗粒堆集成的床层时,与流动有关的颗粒床层的几何特性有以下三项(1)床层的空隙率床层的空隙率 :单位体积颗粒床层中空隙的体积,即:单位体积颗粒床层中空隙的体积,即: 床层空隙率是颗粒床层的一个重要特性,
8、它反映了床层中颗粒堆集的紧密程度,其大小与颗粒的形状、粒度分布、装填方法、床层直径、所处的位置等有关。 一般颗粒床层的空隙率为0.470.7。 测量床层的空隙率的方法:充水法和称量法。(2)床层的比表面积)床层的比表面积单位体积床层中颗粒的表面积称为床层的比表面积。若忽略因颗粒相互接触而减小的裸露面积,则床层的比表面积B与颗粒的比表面积的关系为: B= (1- ) 影响床层的比表面积的主要因素:颗粒尺寸。一般,颗粒尺寸越小,床层的比表面积越大。 空隙颗粒颗粒床层(3)床层的自由截面积床层的自由截面积 床层中某一床层截面上空隙所占的截面积(即流体可以通过的截面积)与床层截面积的比值称为床层的自由
9、截面积。 对于乱堆的颗粒床层,颗粒的定位是随机的,所以可认为堆成的床层各向同性,即从各个方位看,颗粒的堆积都是相同的。对于这样的床层,其床层截面积在数值上与床层空隙率相等。同样,由于壁效应的影响,壁面附近的床层自由截面积较大。当D/dp较小时,必须考虑壁效应。leL u u L le de 流体在固定床内流动的简化模型 假定:假定:CLle ade)1 (4444细管的全部内表面床层流动空间流道长度润湿周边长流道长度通道截面积润湿周边长通道截面积流体压降的数学模型法流体压降的数学模型法根据以上简化模型,可将流体通过固定床层的流动看作是直管内的流动问题。 康采尼方程: 欧根方程:)1 ( auR
10、e床层雷诺数42017. 0)1 (29. 0)1 (17. 423322eRuauaL)52()1 (322eeRKRuaKL4.4.1 过滤原理过滤原理 过滤目的:从悬浮液中分离出固体颗粒。 过滤原理:在外力(重力、压力、离心力)的作用下,悬浮液中的液体通过多孔介质的孔道而固体颗粒被截留下来,从而实现固、液分离。 过滤术语:过滤操作所处理的悬浮液称为滤浆(filter slurry),所用的多孔物质称为过滤介质(当过滤介质是织物时,也称为滤布(Filter cloth),通过介质孔道的液体称为滤液(Filterate,被截留的物质称为滤饼(Filter cake)或滤渣(filter re
11、sidue)。滤液过滤介质滤饼滤浆 :深层过滤和滤饼过滤饼层过滤时,颗粒的尺寸大多数都比过滤介质的孔道大过滤之初,会有一些细小颗粒穿过介质而使滤液浑浊,但颗粒会在孔道中迅速发生“”现象,使小于孔道的颗粒也能被截留,故当滤饼开始形成,滤液即变清,此后过滤才能有效地进行。 。深层过滤时,颗粒的尺寸比介质的孔道小得多,但孔道弯曲细长,颗粒进入之后很容易被截留,更由于流体流过时所引起的挤压和冲撞作用,颗粒紧附在孔道的壁面上。此法适合于从液体中除去很小量的悬浮液。如饮用水的净化。 深层过滤深层过滤 架桥现象“架桥架桥”现象现象:适宜的孔径、滤阻小,同时因过滤介质是滤饼的支承物,应具有足够的机械强度和耐腐
12、蚀性。:棉麻或合成纤维的丝织物或金属丝、玻璃丝等丝织成的金属网,常称为。堆积介质沙粒、碎石、碳屑等多用于深层过滤。多孔固体介质:具有很多微细孔道的固体材料,如多孔陶瓷、多孔塑料及多孔金属制成的管或板。能拦截13m的微细颗粒。 可以是重力、离心力或压力差。重力较小,重力过滤用于过滤阻力较小的场合。压差有可调性,常用压差作推动力 本节着重讨论以压力差为推动力的过滤过程。 滤饼是由截留下的固体颗粒堆积而成的床层,随着操作过程的进行,滤饼的厚度和流动阻力都逐渐增加。滤饼按可压缩性可分为两类: 不可压缩滤饼:不易变形的坚硬固体(如碳酸钙、硅藻土),当滤饼两侧压差增大,颗粒形状和颗粒间的孔隙率不变,单位厚
13、度床层的流动阻力可视作恒定。可压缩滤饼:空隙结构易变形的滤饼为可压缩滤饼。(如氢氧化钠),当滤饼两侧压差增大,颗粒形状有明显的改变,孔隙率降低,单位厚度床层的流动阻力随压差增大而增大。助滤剂:是不可压缩的粉状或纤维状固体,如硅藻土、纤维粉末、活性炭、石棉。 使用时,可预涂,也可以混入待滤的滤浆中一起过滤。助滤剂可改善过滤操作,加快过滤速率。注意:当滤饼是产品时不能使用助滤剂。:在某些过滤过程中为了除去滤饼里存留的滤液,或者为了回收滤饼中存留的滤液,在过滤终了时,需要对滤饼进行洗涤。如果滤液为水溶液,一般就用水洗涤。床层滤饼厚度不断增加拟定态处理设过滤面积为A,在过滤时间内所获得的滤液量为V液总
14、量。通过单位过滤面积的滤过滤速率:AVqddqAddVu分类 a.主要结构及操作 主要构件是矩形或圆形的滤叶。滤叶由金属丝网组成的框架上覆以滤布构成。将若干个平行排列的滤叶组装成一体,安装在密闭的机壳内,即构成叶滤机。滤叶可垂直放置,也可水平放置。滤饼厚度一般535mm。 叶滤机也是间歇操作设备。 叶滤机设备紧凑,密闭操作,劳动条件较好,每次循环滤布不需装卸,劳动力较省。缺点是结构相对较复杂,造价较高。如果滤饼需要洗涤,则在过滤完毕后通入洗水,洗水路径和滤液路径相同,这种洗涤方式叫置换洗涤法。洗涤过后,打开机壳,拔出滤叶除去滤饼。 板和框的角端均开有圆孔,装合、压紧后即构成了滤浆、滤液和洗涤液
15、的通道。 滤框(中图)的左上角和右上角均有孔,右上角的孔还有小通道与框内的空间相通,滤液可由此进入,框的两侧复以四角开孔的滤布,空框与滤布围成了容纳滤浆及滤饼的空间。滤板除上方两角均有孔外,下方的一角尚有小旋塞,与板面的两侧相通。滤板又分为两种,左图为非洗板(过滤板),右图为洗涤板,洗涤板的特点是左上角的孔还有小通道与板面的两侧相通,洗水可以由此进入。为了便于区别,在板与框的边上作不同的记号,过滤板为一钮,框为二钮,洗涤板为三钮。装合时按钮数1-2-3-2-1-2-3的顺序排列板和框。可以通过手动、电动或液压传动压紧装置。 料液通道2钮1钮3钮洗涤液通道洗涤板框非洗涤板 板板 框框 悬浮液悬浮
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