流体通过颗粒层(含小结).ppt

1/88,第4章流体通过颗粒层的流动,1概述2颗粒床层的特性3流体通过固定床的压降4过滤原理及设备5过滤过程计算6加快过滤速率的途径,2/88,1概述,1.非均相的含义指体系包含互不相溶的两相或多相,通常可分为:,气液相：如雾、泡沫液气固相：如烟、含尘气体液液相：如油水混合物、乳浊液液固相：如泥浆、悬浮液固固相：如矿石、泥砂,3/88,3.非均相分离的目的（1）回收分散物质：如海盐结晶后从母液中分离结晶盐。（2）净化分散介质：如江水处理制备自来水。（3）环保：如化工厂污水处理。,4.常用的分离手段（1）筛分：分离固固混合物。（2）沉降：分离气液、气固混合物。（3）过滤：分离液固混合物。（4）离心分离：分离液液、液固混合物。,2.分散相与连续相分散相：处于分散状态的物质，也称分散物质。连续相：处于连续状态的物质，也称分散介质。,4/88,众多固体颗粒堆积而成的静止颗粒层称为固定床。许多化工操作都与流体流过固定床的流动有关，常见的有：（1）流体通过固定床进行化学反应，此时组成固定床的颗粒是粒状或片状。（2）固体悬浮液的过滤。悬浮液中固体颗粒形成的滤饼作为固定床，滤液通过颗粒间的流动。,5/88,2颗粒床层的特性,6/88,7/88,当量直径dev、dea、des在数值上是不相等的，它们间存在如下关系：,称非球形颗粒的形状系数,8/88,非球形颗粒通常定义当量直径和形状系数表示其体积、表面积和比表面积。它们的值为,9/88,粒度分布,测量颗粒粒度有筛分法、光学法、电学法、流体力学法等。工业上常见固定床中的混合颗粒，粒度一般大于70m，通常采用筛分的方法来分析颗粒群的粒度分布。,标准筛：国际标准组织ISO规定制式是由一系列筛孔孔径递增（0.045mm4.0mm）的，筛孔为正方形的金属丝网筛组成，相邻两筛号筛孔尺寸之比约为。由于历史的原因，各国还保留一些不同的筛孔制，例如常见的泰勒制，即是以筛网上每英寸长度的筛孔数为筛号，国内将其称之为目数。,分布函数和频率函数,粒度的分布函数,令某号筛子（筛孔尺寸为dpi）的筛过量占试样总量的分率为Fi，不同筛号的Fi与其筛孔尺寸dpi绘成如图所示的曲线。,11/88,分布函数的特性（1）对应于某一尺寸dpi的Fi值表示直径小于dpi的颗粒占全部试样的质量分率。例如d501.7m表示直径小于1.7m的颗料质量占总质量的50%。（2）在该批颗粒的最大直径dp,max处，其分布函数为1。,12/88,频率函数曲线设某号筛面上的颗粒占全部试样质量百分率为xi，这些颗粒直径介于相邻两号筛孔直径di-1与di之间。以粒径dp为横坐标，将该粒径范围内颗粒的质量分率xi用一矩形面积表示，矩形的高度为表示粒径处于di-1di范围内颗粒的平均分布密度,14/88,频率函数的特性（1）在一定粒度范围内的颗粒占全部颗粒的质量分率等于该粒度范围内频率函数曲线下的面积。粒度为定值的颗粒，原则上其质量分率为零。（2）频率函数曲线下的全部面积为1。,15/88,颗粒群的平均直径,由于颗粒的比表面对流体通过固定床的流动影响最大，通常以比表面积相等的原则定义混合颗粒的平均直径dpm。,若密度为p的质量m混合球形颗粒中，粒径为dpi的颗粒的质量为mi，则颗粒群的平均直径为,对于非球形颗粒，按同样的原则可得,或,16/88,床层的空隙率、自由截面和比表面,一般乱堆的值0.470.7，均匀的球形颗粒作最松排列时的=0.48，作最紧密排列时的=0.26。乱堆的非球形颗粒床层空隙率球形颗粒，而非均匀空隙率均匀空隙率。,17/88,单位体积床层具有的颗粒的表面积,18/88,3流体通过固定床的压降,20/88,21/88,22/88,因次分析法和数学模型法的比较,化工过程都是在固定的边界内部进行，由于边界的复杂性和物系性质的不同，难以采用数学解析求解，只能依靠实验。,23/88,因次分析法,因次分析法规划实验，关键是能否列出影响过程的主要因素。要做到这一点，考察每个变量对实验结果的影响即可，无须对过程的内在规律有深入了解。对某些复杂的系统，即使其内在规律不了解，照样进行研究。,24/88,数学模型法,对于数学模型法，关键是对复杂过程的合理简化，即得到简单的数学方程式而又不失真的物理模型，即物理模型与真实过程是等效的。只有了解过程的内在规律，深刻理解过程的特殊性，才能对真实的复杂的过程进行简化。,25/88,数学模型法简化实例,例如，流体通过颗粒层的流动进行简化，只要使物理模型与实际过程在阻力损失这一侧面保持等效，其它是否与物理模型等效就无关紧要。简化结果，只要颗粒的表面积与物理模型中流体流动空间的表面积相等作为准则来保证阻力损失等效。,26/88,数学模型的精髓,数学模型的精髓是抓住过程的特征和研究目的这两方面的特殊性，但数学模型必须通过实验解决问题。其目的是为了检验物理模型的合理性并测定少量的模型参数，因次分析法的实验目的是寻找各无因次变量间的函数关系。可见数学模型法更具有科学性，但数学模型法立足于对所研究过程的深刻理解。,27/88,4过滤原理及设备,28/88,29/88,30/88,洗涤滤饼的目的：回收残留在滤饼中的滤液，或者净化构成滤饼的颗粒状物料。,单位时间内消耗的洗水体积称为洗涤速率。洗涤时滤饼厚度不变，因而当洗涤推动力恒定时，洗涤速率为常数。,31/88,过滤：过滤操作中的主要阶段，在过程中滤饼不断增厚、阻力不断上升，流体的通过能力则不断减小；洗涤：无论是以滤饼还是滤液为产品，都有必要在卸料之前用清液置换滤饼中存留的滤液并且洗涤滤饼；脱湿：以滤饼为产品时洗涤后还可用压缩空气进行脱湿；卸料：将滤饼从过滤介质上移去；清洗过滤介质：使被堵塞的网孔“再生”，以便重复使用。,过滤的操作方式,32/88,式中：dVd时间内通过过滤面的滤液量；A过滤面积；u单位时间内通过单位过滤面积的滤液量。,-通过单位过滤面积的滤液总量,33/88,34/88,属间歇式,1、叶滤机,滤叶,结构,一个操作循环,过滤、洗涤、卸渣、整理重装,特点,缺点：结构比较复杂，造价较高。,优点：过滤面积大，设备紧凑，密闭操作，劳动条件较好。不必每次循环装卸滤布，劳动强度也大大降低。,35/88,叶滤机,36/88,叶滤机,NYB系列高效板式密闭过滤机,MYB型全自动板式密闭过滤机,37/88,叶滤机,SYB系列水平叶片过滤机,WYB系列卧式叶片过滤机,38/88,2、板框过滤机,1060块不等，过滤面积约为280m2,内部结构？,40/88,41/88,板框压滤机,42/88,过滤操作：过滤阶段悬浮液从通道进入滤框，滤液在压力下穿过滤框两边的滤布、沿滤布与滤板凹凸表面之间形成的沟道流下，既可单独由每块滤板上设置的出液旋塞排出，称为明流式；也可汇总后排出，称为暗流式。,优点：结构简单紧凑，过滤面积大并可承受较高的压差。缺点：间歇式操作，所费的装、折、清洗时间较长，劳动强度大，生产效率较低。板框式压滤机主要用于含固量较多的悬浮液过滤。,小型板框过滤设备是,44/88,板框压滤机,XASL/630-UB系列,XAZ/2000-UB系列,XAZ/800-UB系,45/88,板框压滤机,DY-Q带式压榨过滤机,XKZ系列全自动快开式压滤机,过程：安装过滤洗涤拆洗安装过程：细活（次序、压皱）助滤剂与絮凝剂的使用滤液回流（开始）操作压力：结束信号流量变化,板框过滤经验谈,过滤设备可以连续操作吗？,48/88,过滤、洗涤、吹松、刮渣,3、回转真空过滤机,转筒-筒的侧壁上覆盖有金属网长、径之比约为1/22，滤布-蒙在筒外壁上。分配头-转动盘、固定盘,构造,一个操作循环,浸没于滤浆中的过滤面积约占全部面积的3040%转速为0.1至3（转/分）,特点,49/88,优点：连续进料，操作自动化，便于在转鼓表面预涂助滤剂后用于黏、细物料的过滤。,缺点：过滤推动力有限，滤饼含液量较大，常达30%。,50/88,4、离心过滤机,离心过滤机分为立式和卧式两种。离心过滤机是一种利用物料在转鼓表面受到的离心力的分力进行过滤的全自动过滤机。离心过滤机生产能力大、适应范围广，适用于分离固相颗粒0.05mm的易过滤悬浮液。,51/88,离心过滤机,卧式刮刀离心机,三足刮刀下离心机,卧式活塞推料离心机,三足式离心机,离心机的世界,有何收获？,过滤操作的一般步骤怎样？如何根据处理量确定沉降设备的大小？（Chap5）,54/88,5过滤过程计算,1、物料衡算,与w间关系设悬浮液的质量分数为w（kg固体/kg悬浮液），体积分数为（m3固体/m3悬浮液），固体在液体中不发生溶胀，体积可以加和，两者关系为：,55/88,总悬浮液衡算,固体物料衡算,式中，为单位面积累积滤液量，为滤饼厚度，为滤液体积，悬为悬浮液体积。,一般悬浮液中，颗粒的体积分数比滤饼的空隙率小得多，则：,56/88,滤饼厚度的推导：,57/88,2、过滤速率,58/88,-单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积,59/88,即过滤速度,60/88,-过滤基本方程,过滤常数,61/88,影响K的因素：,影响qe或Ve的因素：,过滤介质的性质（孔的结构、r0、厚度）,滤饼性质（、a）滤浆性质（、）推动力（）,62/88,恒速过滤,特点：,K不为常数，而u为常数。,整理得：,若过滤介质阻力可忽略不计，则,或,或,63/88,恒压过滤,特点：,K为常数,积分得：,或,若过滤介质阻力可忽略不计，则,或,64/88,思考：先恒速再恒压操作，恒压段过滤方程？,设恒速段过滤时间为1，则,或,65/88,恒压时：,求出压缩指数s,过滤常数的测定,物料特性常数K,66/88,若过滤开始时，是非恒压操作。非恒压操作的过滤时间为1，1时间内得到的滤液量为q1，则：,转化为,同样，与(q-q1)为线性关系，可以求出过滤常数qe与K,67/88,过滤常数的测定-微分法,由过滤基本方程式得：2qdq2qedqKd,则：,d和dq用和q代替，则方程变化：,68/88,如果固定时间间隔，求出每个时间间隔内的滤液量q，则/q与总滤液量q之间为线性关系，作直线就可求出过滤常数qe与K。,如果恒压过滤前过滤了时间1，得到滤液量为q1，则微分方程变为：,采用上述相同的方法进行回归，就可求出过滤常数qe与K，这是过滤实验常用的数据方法。见下图。,69/88,过滤常数的测定,q,q,70/88,滤饼洗涤,特点：洗涤时推动力、阻力不变，洗涤速度为常数。,71/88,洗涤时间w,1、叶滤机的洗涤速率,72/88,2、板框压滤机的洗涤速率,73/88,过滤计算有设备选型的设计计算和现有设备的操作核算设计问题：通过小型过滤实验测定的过滤常数，为选择过滤介质和过滤设备提供依据，由设计任务的滤液量和过滤时间，选择操作压强，计算过滤面积A。操作型问题：已知过滤设备和操作条件，核算生产任务；或已知过滤设备和生产任务，求取操作条件。过滤机的生产能力是指单位时间获得的滤液体积。,74/88,1、间歇式过滤机的生产能力,生产能力：,操作周期：,间歇过滤机的操作周期由三部分组成：过滤时间；洗涤时间；辅助时间（卸饼、清理、装合等）,75/88,对恒压过滤，过滤时间太长不能提高过滤机的生产能力。过滤曲线上任何一点与原点联线的斜率即为过滤机的生产能力。此曲线上必存在最佳一点过滤时间opt，此时直线的斜率最大，过滤机的生产能力也最大。一般有这样的关系，,最佳过滤时间,76/88,其中：,设转筒浸入面积占全部转筒面积的分率为浸没分数，则,生产能力：,操作周期：,若介质阻力忽略不计，则,2、回转真空过滤机的生产能力,77/88,可见：,78/88,例1某板框过滤机有5个滤框，框的尺寸为63563525mm。过滤操作在20、恒定压差下进行，过滤常数K=4.2410-5m2/s，qe=0.0201m3/m2，滤饼体积与滤液体积之比c=0.08m3/m3，滤饼不洗涤，卸渣、重整等辅助时间为10分钟。试求框全充满所需时间。现改用一台回转真空过滤机过滤滤浆，所用滤布与前相同，过滤压差也相同。转筒直径为1m，长度为1m，浸入角度为120。问转鼓每分钟多少转才能维持与板框过滤机同样的生产能力？假设滤饼不可压缩。,习题,79/88,解：以一个框为基准进行计算。框全充满时滤饼的体积为：,滤液量,过滤面积,再根据恒压过滤方程得：,K=4.24105m2/s，qe=0.0201m3/m2,习题,80/88,板框过滤机的生产能力为：,81/88,改用回转真空过滤机后，压差不变，故K不变；滤布不变，故qe不变。K=4.24105m2/s，qe=0.0201m3/m2过滤面积,转筒每分钟转n转，则回转真空过滤机生产能力,回转真空过滤机,82/88,6加快过滤速率的途径,改变滤饼结构,改变悬浮液中的颗粒聚集状态,动态过滤,助滤剂,絮凝剂,无机电介质,饼层过滤中，饼层不断增厚，阻力不断增加，在推动力（如压强差）保持不变时则过滤速率会不断变小。为了在过滤过程中限制滤饼的增厚，Tiller于1977年提出了被称为动态过滤的新过滤方式。,83/88,84/88,动态过滤,85/88,小结,过滤：1.公式：,86/88,87/88,88/88,小结,2.重要概念：滤浆、滤饼、过滤介质、滤液、生产能力,