流体通过颗粒层的流动.ppt

4流体通过颗粒床层的流动,4.1 单颗粒与颗粒群的几何特性 4.2 床层特性 4.3 流体通过固定床的压降 4.4 过滤,4流体通过颗粒床层的流动,固定床：由固体颗粒堆积而成的静止颗粒层。 用于反应及分离过程，如固定床反应器、吸附及过滤等操作。 流体通过固定颗粒床层的流动在化工生产和自然界中是常见的现象。 例如： 过滤过程中滤液通过滤饼层的流动； 固定床催化反应器中流体在固定催化剂床层中的流动； 地下水在土壤、砂层中的渗流等,4.1 单颗粒与颗粒群的几何特性,4.1.1 单颗粒 球型： 单颗粒 体积等效 非球型：当量直径 表面积等效 比表面积等效 非球型颗粒的三种当量直径互不相等，有如下关系,4.1.1 单颗粒,=与非球型颗粒体积相等的球的表面积/非球型颗粒的表面积 为颗粒的形状系数， 对于球形颗粒的表征只需一个参数，直径 d p 而对于非球形颗粒，表征需二个参数，一般为dev及 则：,4.1.2颗粒群的特性,主要考察两个方面：粒度分布和平均直径 （1）颗粒粒度测量方法：筛分法，沉降法，电阻变化法及显微镜法等。 （2）平均直径 由比表面积相等的原则 a总=S总/ V总=6/dm 而 则,4.2 床层特性,(1) 床层的空隙率 =（床层体积-颗粒所占的体积）/床层体积 大 疏松， 小 紧密。一般乱堆的 值0.47 0.7 = f(颗粒的形状、粒度分布，充填方式） 可证明：均匀的球形颗粒作最松排列时的 =0.48 均匀的球形颗粒作最紧密排列时的 =0.26 非球形颗粒的直径越小，形状与球的差异越大，则床层的空隙率越大。 一般 非球形 球形 非均匀 均匀 受充填方式的影响。充填时设备受到振动，则 较小，若采用湿法充填，则 大。 在床层靠壁处的局部空隙率比中间部位的大，因为固体颗粒与器壁间的空隙中难以再填入另一个颗粒。,(2) 床层的各向同性,工业上的小颗粒床层通常是乱堆的，若颗粒是非球形，各颗粒的定向应是随机的，这样的床层就可视为各向同性的。 各向同性床层横截面上可供流体通过的实际面积（或自由截面）与床层截面之比在数值上等于 ，这是其的重要特点之一。,(3) 床层的比表面,aB=颗粒表面积/床层体积 = S总/ V床 = S总/ V颗（ V颗/ V床） =a(1-) （忽略颗粒相互接触使裸露的颗粒表面面积减小的部分）,4.3流体通过固定床的压降,流体通过固定颗粒床层的流动，一方面起到分流的作用另一方面产生压强降（即流动阻力） 对于过滤等操作过程而言，工程上感兴趣的是流体通过固定床层的压降，而不是速度分布。 根据已学的流体动力学知识 ，定量计算 直管内流动时，可采用范宁公式：,范宁方式能否用于计算流体通过固定颗粒床层的压降呢？ （1）流体通过固定颗粒床层压降直接计算时存在的困难 当流体通过固定颗粒床层时，由于颗粒层内的颗粒大小不均匀，形状不规则，所形成的通道是弯弯曲曲的、变截面的、纵横交错的网状结构。 弯曲、变截面的网状结构成为了颗粒层内流体通道的特点，也成为了压降（流动阻力）直接计算的困难。因为用范宁公式计算时，无法确定通过颗粒层的流体通道的边界尺寸。,（2）床层的一维简化物理模型,建立简化的物理模型是工程问题处理方法之一。颗粒床层简化模型有一维、二维和三维模型，但在工程上使用最广、最为成熟的是一维模型。 1）简化的依据：过程的特殊性爬流 流体通过颗粒层的流动一般是很缓慢的，呈爬流状态，不存在边界层脱体，爬流是此过程所特有的。因此流动压降主要来自表面摩擦，它只与流体通道的表面积成正比，而与通道的形状几乎无关，亦即只与颗粒的表面积成正比，而与颗粒的形状是球形、菱形、方形还是流线形无关。,2）合理的简化 将复杂的无规则的网状通道简化为许多管径为de，长度为Le的平行细管。,3）本质近似（等效） 简化不能失真，物理模型与实际过程在本质上要近似（等效）。即： a）在相同的u条件下，两者的P应相同。 b）细管的内表面积等于床层颗粒的全部表面积。 c）细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙体积。,de为床层空隙的当量直径 de=4流通截面/润湿周边 = （4流通截面Le)/(润湿周边Le ) =4 流动空间/细管的全部内表面 =4V/(aB v)= 4/(a (1- ) Le为固定床层颗粒的当量高度，Le 与L有关。 流体通过固定床的压降等于流体通过一组当量直径为de，长度为Le的细管压降。,（3）建立数学模型 引入模型参数,对简化的物理模型建立数学模型，引入模型参数。由范宁方程 而u=u1或u1 =u/, de= 4/(a (1- )代入上式，得 （4-1） 式中 模型参数，流动摩擦系数。,（4）模型的检验和模型参数的确定,上述的简化处理只是一种假设，其有效性必须通过实验检验，其中的模型参数亦经由实验结果确定。与床层雷诺数Re相关。 定义床层雷诺数,康采尼方程 当 Re 2 时， = K/ Re 则 （4-2） 式中，pu 成一次关系，流动阻力为表面摩擦阻力，证明假设是成立的，简化是合理的。 实测值与康采尼方程计算值的误差不超过10%。,欧根方程 当Re =0.17420 时， 代入式（4-1）整理得欧根方程： 当 Re 3 时，右边第二项可忽略 当 Re 100 时，右边第一项可忽略 欧根方程的误差约为25%，且不适用于细长物体和瓷环等塔用填料。,分析康采尼或欧根方程，影响床层流动压降的变量有三类： 操作变量u 流体物性， 床层特性， 其中影响最大的是。 数学模型法是处理工程问题的基本研究方法之一，其核心是合理的简化，本质的近似。,4.4过滤,过滤是指以某种多孔物质作为介质，在外力的作用下，使流体通过介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固体颗粒与流体分离目的的操作。 除气固系中的颗粒 过滤 除液固系中的固体颗粒 化工生产中过滤大多用于悬浮液中固液分离，本节只介绍悬浮液的过滤操作。 重力 实现过滤操作的外力 压强差 或惯性离心力,目的： 获得洁净的流体或获得作为产品的固体颗粒。 名词： 滤浆（料浆）是指被处理的悬浮液； 过滤介质 过滤操作中采用的多孔物质； 滤液是指通过介质孔道的液体； 滤饼是指被截留的固体颗粒。,2019/6/18,23,过滤介质： 多孔性介质、耐腐蚀、耐热并具有 足够的机械强度。 工业用过滤介质主要有： 织物介质，如棉、麻、丝、毛、合 成纤维、金属丝等编织 成的滤布； 多孔性固体介质，如素瓷板或管、 烧结金属等。,2019/6/18,24,4.4.1过滤操作的分类,（1）饼层过滤（滤饼过滤） 定义:过滤过程中在过滤介质表面形成固体颗粒的滤饼层.,4.4.1过滤操作的分类,（1）饼层过滤（滤饼过滤） 过滤之初滤液浑浊?由于滤浆中部分固体颗粒的粒径小于介质的孔径，而在过滤之初穿过介质。但颗粒会在孔道内很快发生“架桥”现象，并形成滤饼层，滤液由浑浊变为清澈。 随着过滤的进行，滤饼增厚，过滤阻力增加，在推动力不变时，过滤速度变慢。,（2） 深层过滤,定义：将固体颗粒截留在过滤介质内部，且过滤介质表面不生成滤饼。 小于床层孔道直径的粒子，因分子间力和静电作用力的作用，粒子粘附在孔道壁面上被截留。 适用于滤浆中固体颗粒的含量0.1%(v),且粒径较小的场合。,（3）动态过滤,饼层过滤中，饼层不断增厚，阻力亦不断增加，在推动力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年提出了动态过滤的方式。 动态过滤操作时料浆沿过滤介质表面作高速流动，滤液与料浆呈错