化工原理课件 流体通过颗粒层的流动

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化工原理课件4.流体通过颗粒层的流动

化工原理课件4.流体通过颗粒层的流动
三、模型的检验和模型参数的估算 1、 康采尼(Kozeny)对此进行了实验研究,发现在 流速较低 ,Re/<2时,实验数据能较好地符合下式
k R e k 康尼常数, 其值 5.0, Re 为床层雷诺数

4. 流体通过颗粒层的流动
4.3 流体通过固定床的压力降
d eu1 u Re 4 (1 ) 2 (1 ) 2 k u (k 5.0) 3 L
4. 流体通过颗粒层的流动
4.4.1 过滤原理
助滤剂的加法有两种: ① 直接以一定比例加到滤浆中一起过滤。若过滤的 目的是回收固体物此法便不适用。 ② 将助滤剂预先涂在滤布上,然后再进行过滤。此 法称为预涂。 四、滤饼的洗涤 1、目的: (1) 回收滤渣中残留的滤液 (2) 除去滤渣中的可溶性杂质 2、洗涤液用量(略)
G
P 堆 =1 = 1 V p
4. 流体通过颗粒层的流动
4.2.3 床层特性
粒度分布、 形状、 密度、 表面光滑度 填充方式 、 ......
一般乱堆: 0.47 ~ 0.7
ε的大小反映了床层颗粒的紧密程度,ε对流体流动的 阻力有极大的影响。ε, hf 。 2、床层的各向同性 乱堆各颗粒的定向应是随机的床层是各向同性的 各向同性床层的一个重要特点:床层横截面上可供流 体通过的空隙面积(自由截面)与床层截面之比在数值 上等于空隙率ε。
对于均匀颗粒, 6 代入上式得: d ev
(1 ) 2 (1 ) 150 3 u 1.75 3 u 2 L (dev ) 2 (dev )
—欧根方程
1 条件: Re (1 ~ 2500) 6 20 Re 时, 上式第二项可忽略 6 100 Re 时, 上式第一项可忽略 6

流体通过颗粒层的流动

流体通过颗粒层的流动

反应器 催化剂颗粒层等概念
以上化工操作中均为流体通过颗粒层的流动,与流体
在管道中的流动相比较:阻力增大,速度分布均一,
流动特点:层流,绕流(因速度慢也称爬流)。
爬流:爬流速度很小,流动很 缓慢,颗粒迎流面与背流面的 流线对称。
颗粒层中流体流动特点:
(1)床截面的流体速度分布均匀,床层两端产生很大压降△P 原因:大量颗粒随机堆积,颗粒对流体的流动造成很大 的阻力
真正的过滤介质:架桥作用 。
滤浆
滤饼 过滤介质
滤液
滤饼过滤
(2)深层过滤——本质不同于表面过滤,是依靠吸附作用。
深层过滤 深层过滤主要用于含固量很少的悬浮液 化工生产广泛使用的是滤饼过滤。
3、过滤介质 织物介质: 滤布滤网(截留颗粒dp:5~6μm) 多孔性固体介质:素瓷、多孔塑料(dp: 1~3μm) 堆积介质: 固体颗粒如砂、木炭、非编织纤维如玻璃纤维 ——用于含固量少的悬浮液
2、颗粒床层的数学模型
ΔP
hf
Le de
u12 2
;Le
L,Le L
常数
ΔP 1
L
u
de、u1
流体在固定床内流动的简化模型
Le Δ P 1
Δ P Le u12 de 2
表观流速(空床流速)u与实际流速 u1 的关系 :
uA
u1 A1
u
u1
A1 A
u1
化简得到单位床层高度压降: Δ P ( 1 )a u2
影 响
2 、空隙率随装填情况而变,
L
同种物料同样方式装填,空隙率未必能重复
第四节 过滤原理及设备
一、过滤 固液分离的常用方法是通过过滤获得清净的液体或
作为产品的固体颗粒 1、过滤原理 利用重力或人为造成的压差使悬浮液通过某种多孔性 过滤介质分离悬浮液。 2、两种过滤方式 (1)滤饼过滤——依靠通道尺度小于颗粒直径,滤饼是

化工原理(清华大学) 第三章 流体流过颗粒和颗粒层的流动1

化工原理(清华大学) 第三章 流体流过颗粒和颗粒层的流动1

p
d
3 pi
ni
(
/
xiΒιβλιοθήκη 6)pd3 pi
代入:1/ d pm (xi / d pi ),d pm 1/ (xi / d pi )
非球形:d pi dev
3、分形维
(fractal)--fractional(分数的,碎的)
海岸线、山脉、粗糙断面,极不规则
二维平面
D
N 2
D维客体,N最小数,σ截面积
第三章 流体通过颗粒及颗粒床层的流动
第一节 概述 第二节 流体通过颗粒的流动 第三节 颗粒在流体中的流动 第四节 流体通过颗粒床层流动 第五节 固体流态化
第二节 流体通过颗粒的流动
曳力和曳力系数
曳力:固体颗粒流动方向受到的力
FD = f (L,u,p,),u相对速度
FD
AW sindA
pcosdA
化工原理(清华大学) 第三章 流体流过颗粒和颗粒层的流动
1


绪论
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章
流体流动 流体输送机械 流体流过颗粒和颗粒层的流动 非均相物系的分离 传热 蒸发 总结
第三章 流体通过颗粒及颗粒床层的流动
第一节 概述 第二节 流体通过颗粒的流动 第三节 颗粒在流体中的流动 第四节 流体通过颗粒床层流动 第五节 固体流态化
A
光滑球体:FD / Ap CD(u2 / 2)
Ap流动方向投影面积
CD f (Rep),Rep 颗粒Re数 dpu /
二、流体通过球形颗粒
速度很小:爬流 FD=3dpu, 表面曳力占2/3, 形体曳力占1/3。
实验求得:
1、层流区
Re p 2,CD=24 / Re p FD ,u

化工原理课件第4章:过滤

化工原理课件第4章:过滤
单位体积颗粒床层中空隙的体积为床层的空隙率ε ,即:
ε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。 球形:0.26~0.48 乱堆:0.47~0.7
壁效应
化工原理——流体通过颗粒层的流动
ε的测量方法:
充水法: 称量法:
V水
V
V G
p
V
不适于多孔性颗粒
K 2P1s
r0
化工原理——流体通过颗粒层的流动
4.5.2 间歇过滤的滤液量与过滤时间的关系 1. 恒速过滤方程
若Ve=0,则? K虽为变量,但应为τ时刻的过滤常数值。
化工原理——流体通过颗粒层的流动
2. 恒压过滤方程
若Ve=0,则?
若V=Ve ? qe2 K e
q qe 2 K e
求Ve,τe
(1
- 3
)a
ρu 2
P' L
'
(1- )a 3
u2
单位床层高度的压降, Pa
模型参数
化工原理——流体通过颗粒层的流动
4.3.3 模型的检验和模型参数的估计
1. 康采尼(Kozeny)方程
在流速较低, Re'<2时(层流),
'
K' Re'
其中:
Re'
deu1
u a(1 )
实验测得
K ' 5.0
p
p (1)
化工原理——流体通过颗粒层的流动
流入的量=流出的量+累积量
总量衡算: V悬=V LA
固体量衡算: V悬 LA(1 ) 由上两式可得: L q
1
一般,<<, L q 1

化工原理课件 流体通过颗粒层的流动

化工原理课件 流体通过颗粒层的流动

4.4.1过滤原理 4.4.2过滤设备
4.4.1过滤原理
(1)过滤


过滤是在外力作用下,使悬浮液中的液体通过多孔介 质的孔道,而悬浮液中的固体颗粒被截留在介质上, 从而实现固、液分离的操作。 几点说明: 1)过滤介质:将过滤操作所使用的多孔性物质称为 过滤介质,其作用是截留悬浮液中的固体颗粒。
K ——称为康采尼常数 ,其值为5.0
a (1 ) 2 u 3 L K K a(1 ) Re u
a 2 (1 ) 2 K u 3 L
——康采尼方程
4.3.1颗粒床层的简化模型

欧根在较宽的 Re/范围内研究了λ/与 Re/的关系: 4.17 0.29 Re a (1 ) 2 u 3 L (1 )2 a 2 (1 )a 2 4.17 u 0.29 u 3 3 L
1 xi (d ) pi
对非球形颗粒以(ψde)i代替式中的dpi
4-1 筛分分析计算

取颗粒试样500克作筛分分析,所用的筛号及筛孔 尺寸见表4-1中1、2列。筛分后称取各号筛面上的 颗粒筛余量列于表第3列。试作该颗粒群的分布函 数曲线与频率曲线,设颗粒为球形,试以比表面积 相等为准则计算颗粒群的平均直径。
a 2 (1 ) 2 K u 3 L
1 3 1 a L K (1 ) 2 u
校验床层雷诺数:
Re'< 2 ,上述计算有效。
4.3. 2 量纲分析法和数学模型法的比较

化工过程具有复杂性难以采用数学解析法求解,而必 须依靠实验 。 ①化学工程学科本身的基本规律和基本观点 ②正确的实验方法论
Le a(1 ) 2 ) u 3 8L

化工原理第四章流体通过颗粒层的流动

化工原理第四章流体通过颗粒层的流动
A.流速的影响(同圆管) 层流(Re’<3), 高度湍流( Re’<100 );
15
B.物性的影响(同圆管) Re‘<3,ΔP ∝μ,与ρ无关 Re’<100 ΔP ∝ρ,与μ无关
C.床层特性的影响 (1)空隙率ε: 空隙率ε对压降ΔP 的影响非常大,反映在 ε的可变性大,可靠性差; ε较小的误差,将引起压降明显的误差 (2)比表面积α ΔP ∝α2,对同形状颗粒,dp↓, α越大↑,hf(ΔP )↑。 例:其他条件不变空隙率ε由0.5降为0.4,单位床层压降 增加2.8倍。
体积等效 当量直径
3
表面积等效 当量直径
V

V

6
d
3 ev
dev
6V
S非
S球
d
2 es
des
S
3
比表面积等效当量直径
a非
a球
6 dea
a S /V ,
dea
6 a
三者关系:
dea
6V S
d
3 ev
d
2 es
2
dev des
dev
2

dev des

dea dev
des
d
ev 0.5
K 2P 1s c r0
由:dq
d
K 2(q
qe
)
,积分:q
0
2(q
qe
)dq
de
4 流通截面 润湿周边
de
4A流(Le ) ( Le )
4V空 S颗
4
aB
4 a(1 )
4 de a(1 ) 毛细管模型的数学描述
hf

第4章颗粒与流体优秀课件

第4章颗粒与流体优秀课件

解:查得30 ℃、常压下的空气的粘度 和密度分别为: μ,=1.86×10-5 Pa·s,密度ρ,=1.17 kg/m3 实验条件下的雷诺数
RP edP u m ''f' 0.4 5 1 1.8 3 0 6 0 1 .0 5 04 1.1 9 71.3 920

umf
dP2(P )g 1650
1.3 流体通过颗粒床层的流动 流体通过固定床的压降由下式给出: 球形颗粒:
L P15(13 0dP)22u1.7(5 13 dP)u2
非球形颗粒用φSdP代替dP即可。 式中u为流体的空床流速,m/s。
当ReP<20时,等式>1000时,右方第一项可略 去,即此时惯性力起主导 作用。
ut
dP2(P )g 18
当RePt>0.4,则应对ut校正,校正 系数ft可由图4-17查出。 ②球形颗粒,且0.4<RePt <500时
1
ut
4(2P25)2g2
3 dP
③对于非球形颗粒的ut,,乘以一 个系数c:
ut,=cut c=0.834×lg(φs/0.065) 注意:在计算umf 时,颗粒直径取 床层中实际颗粒粒度分布的平均 直径,而计算ut时须用具有相当数 量的最小颗粒的粒度。 操作弹性: ut/umf 比值的大小。 对于细颗粒,RePt<0.4,有 ut/umf =91.6
3.1.3 流化床中的传热 传热的特点 : 流化床内部温度分布均匀一致。 (1)床层与床壁或物体表面间的传热 对流传热式为:
Q=αS(Tb-Tw) 式中:Tb为床层内平均温度,K; Tw为器壁表面温度,K。 α为床层与床壁间的对流传热系数, W/m2.K。
α有如下几个计算式: a) 列d文P 斯0.波6(C -沃P尔)顿(dP 关u联)0.3式

化工原理 第三章-流体流过颗粒和颗粒层的流动3.

化工原理 第三章-流体流过颗粒和颗粒层的流动3.

u2 dev
ReB

u a(1 )

Re p
6(1 )
Re p
10,umf


2
3 mf
de2v (s )g
150(1 mf )



2
3 mf
(1 mf )
111,umf

de2v (s )g 1650
Re p 1000,umf
第五节 固体流态化
大量固体颗粒,由于流体流动悬浮 于流体之中。 一、流态化基本概念
垂直圆筒中装填均匀颗粒
1)、固定床阶段,u较低
u1 u / ut,L为常数,p f u 2)、流化床阶段,u1 u / ut
若u1 ut, (界面上升、稳定),
明显上界面,p f 不变 3)、气力输送 u ut
化工原理
清华大学 戴猷元教授
2003 年 2 月
目录
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章
绪论
流体流动 流体输送机械 流体流过颗粒和颗粒层的流动 非均相物系的分离 传热 蒸发 总结
第三章 流体通过颗粒及颗粒床层的流动
第一节 概述 第二节 流体通过颗粒的流动 第三节 颗粒在流体中的流动 第四节 流体通过颗粒床层流动 第五节 固体流态化

3 mf
dev (s

)g
1.75

3 mf
1/14,umf

dev (s )g
24.5
2、带出速度u ut 对于大小不均匀分布d ut, d取值应比大多数d小 小颗粒:ut / umf 91.6 大颗粒:ut / umf 8.61 粒径小的操作范围宽
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4.4.1过滤原理


2)滤浆、滤饼和滤液 滤浆:将过滤操作中需 要处理的悬浮液称为滤 浆或料浆; 滤饼:留在过滤介质上 的固体颗粒,称为滤饼 或滤渣;

滤液:通过滤饼和过滤介质后的清液,称为滤液。
4.4.1过滤原理



3)驱使液体通过过滤介质的推动力可以有重力、压 力(或压差)和离心力; 4)过滤操作的目的可能是为了获得清净的液体产品, 也可能是为了得到固体产品。 5)洗涤的作用:回收滤饼中残留的滤液或除去滤饼 中的可溶性盐。
4.3.1颗粒床层的简化模型

根据上述假定,虚拟细管的当量直径为:
4 通道的截面积 de 润湿周边
4 通道的截面积 Le 4 床层的流动空间 de 润湿周边 Le 细管的全部内表面积

以1m3床层体积为基准,有:
4 4 de a B a(1 )
4.3.1颗粒床层的简化模型
xi fi di 1 di
4.2.2 颗粒群的特性
Fi

d pi
0
f d (d p )


频率函数的两个重要特性: ① 在一定范围内的颗粒占全部试样的质量分率等于 该颗粒范围内频率函数曲线下的面积; 原则上讲,粒度为某一定值的颗粒的质量分率为零。 ② 频率函数曲线下的全部面积为1。
(1 )2 (1 ) 2 150 3 2 u 1.75 3 u ——欧根方程 L dp dp
◆对非球形颗粒,以ψdev代替上式中的dp
4.3.1颗粒床层的简化模型




欧根方程,其实验范围为 Re' = 0.17~420。 当 Re ' <3 时,等式右方第二项可以略去; 当 Re ' >100 时,右方第一项可以略去。 其误差约为 25%,且不适用于细长物体及瓷环等塔用 填料。 从康采尼或欧根公式可以看出,影响床层压降的变量 有三类:操作变量 u、流体物性μ和ρ以及床层特性ε和 a。 在所有这些因素中,影响最大的是空隙率ε。在进行设 计计算时,空隙率ε的选取应当十分慎重。
Le a(1 ) 2 ) u 3 8L
Le 认为 C , 并入中 L a (1 ) 2 u 3 L
4.3.1颗粒床层的简化模型
a (1 ) 2 u 3 L ——流体通过固定床压降的数学模型
——单位床层高度的虚拟压强差 L
——模型参数或固定床的流动摩擦系数

当床层不高,重力的影响可以忽略时:
p L L
4.3.1颗粒床层的简化模型
(3)模型的检验和模型参数的估值

当床层雷诺数
Re
deu1 u 2 4 a(1 )
时,实验数据符合下式:

K K a(1 ) Re u
4.2.2 颗粒群的特性
(3) 颗粒群的平均直径

设有一批大小不等的球形颗粒,其总质量为 m,颗粒 密度为 ρp ,相邻两号筛之间的颗粒质量为 mi,其直径 为dpi ,根据比表面积相等的原则,颗粒群的平均直径 应为:
xi 1 1 mi ( ) ( ) dm d pi m d pi

或 dm
K ——称为康采尼常数 ,其值为5.0
a (1 ) 2 u 3 L K K a(1 ) Re u
a 2 (1 ) 2 K u 3 L
——康采尼方程
4.3.1颗粒床层的简化模型

欧根在较宽的 Re/范围内研究了λ/与 Re/的关系: 4.17 0.29 Re a (1 ) 2 u 3 L (1 )2 a 2 (1 )a 2 4.17 u 0.29 u 3 3 L
①量纲分析法 ②数学模型法
(1)指导实验的理论包括两个方面:

(2)指导实验的理论 :

4.3. 2 量纲分析法和数学模型法的比较
(3)量纲分析法的步骤: ①找出过程的影响因素 ; ②将影响过程的各个物理量的因次抽出进行 分析,整理成若干个无因次数群 ; ③通过实验确定各数群之间的定量关系 。


4.1概述

2)常用的混合物分离方法
4.1概述
(2)固定床

1)固定床的定义 众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒层称为固定床。 2)常见的固定床 ①固定床反应器 ②悬浮液的过滤——本章讨论的主要内容
4.2 颗粒床层的特性

4.2.1 单颗粒的特性 4.2.2 颗粒群的特性 4.2.3 床层的特性


4.2.2 颗粒群的特性
(1) 粒度分布的筛分分析



对大于 70μm 的颗粒,也就是工业固定床经常遇到的 情况,通常采用一套标准筛进行测量。这种方法称为 筛分分析。 常用泰勒标准筛:每英寸边长上开的孔数为筛号或称 目数 目前各种筛制正向国际标准组织ISO筛系统一。 筛过量:通过筛孔的颗粒量 筛余量:截留于筛面上的颗粒量
a 2 (1 ) 2 K u 3 L
1 3 1 a L K (1 ) 2 u
校验床层雷诺数:
Re'< 2 ,上述计算有效。
4.3. 2 量纲分析法和数学模型法的比较

化工过程具有复杂性难以采用数学解析法求解,而必 须依靠实验 。 ①化学工程学科本身的基本规律和基本观点 ②正确的实验方法论
4.2.2 颗粒群的特性


2)频率函数曲线 设某号筛面上的颗粒占全部试 样的质量百分率为 xi,定义:
1 d pi (di 1 di ) 2
●如果相邻两号筛孔直径无限接近,则矩形数目无限增多,而 每个矩形的面积无限缩小并趋近一条直线。将这些直线的顶点 连接起来,可得到一条光滑的曲线,称为频率函数曲线。曲线 上任一点的纵坐标 fi称为粒径为dpi 的颗粒的频率函数。
4.2.2 颗粒群的特性
(2)筛分分析结果的图示——分布函数和频率 函数

1)分布函数


i号筛子——筛孔尺寸dpi
Fi=(筛过量/试样总量) 分布函数的两个重要特性:

①对应于某一尺寸dpi的Fi 表示直径小于dpi的颗粒占全 部试样的质量分率; ②在该批颗粒的最大直径dpmax处,分布函数Fi =1。
(2)流体压降的数学模型

qV u1 A流动 u1 AA0 u1 A Au
流体流过圆管的阻力损失数学描述: u Le u12 ( )2 Le a(1 ) hf ( ) de 2 L L 4 2
(
4 4 de a B a(1 )

D12 L
2
A0
4.2.3 床层的特性
(3)床层比表面 单位床层体积所具有的颗粒表面积称为床层的比表面, 以aB表示。
颗粒表面积S aB 床层体积V
a
aB
S 1
颗粒表面积S 颗粒表面积S a 颗粒体积v 颗粒体积v
aB a(1 )
此式是近似的,在忽略床层中固颗粒相互接触而彼此 覆盖使裸露的颗粒表面积减少时成立。

4.3流体通过固定床的压降

4.3.1颗粒床层的简化模型 4.3.2 量纲分析法和数学模型法的比较
4.3.1颗粒床层的简化模型
(1)床层的简化物理模型

单位体积床层所具有的颗粒表面积和床层空隙率对流 动阻力有决定性的作用。

规定: ①细管的内表面积等于床层颗粒的全部表面;

②细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙体积。

4.4.1过滤原理 4.4.


过滤是在外力作用下,使悬浮液中的液体通过多孔介 质的孔道,而悬浮液中的固体颗粒被截留在介质上, 从而实现固、液分离的操作。 几点说明: 1)过滤介质:将过滤操作所使用的多孔性物质称为 过滤介质,其作用是截留悬浮液中的固体颗粒。
例 4-2 空隙率及比表面的测定
如图 4-6 所示,空气通过待测粉体组成的床层,其流 量用毛细管流量计测得,床层压降用 U 形压差计测量。
今用 12.2g 水泥充填成截面 5.0cm2、厚度为 1.5cm 的床层。 在常压下,20℃的空气以 4.0×10-6m3/s的流量通过床层, 测得床层压降 。 1500 Pa 已知水泥粉末的密度为 ρp =3120kg/m3,试计算此水泥粉 的比表面。
4.2.3 床层的特性
假设床层颗粒是均匀堆积(即认为床层是各向同性的) 想象用力从床层四周往中间均匀压紧,把颗粒都压到 中间直径为D1,长为L的圆柱中(圆柱内没有空隙)。

v D 1 1 4 1 1 2 V D D L 4 2 2 D1 AP D1 4 A0 1 1 1 2 A D D 4
4.2.3 床层的特性
(1)床层空隙率ε

固定床层中颗粒堆积的疏密程度可用空隙率来表示, 其定义如下:
空隙体积 床层体积V 颗粒所占体积v v 1 床层体积 床层体积V V
空隙率通过实验测得,一般乱堆床层的空隙率: ε =0.47~0.7

ε 的大小反映了床层颗粒的紧密程度,ε 对流体 流动的阻力有极大的影响。 , h 。 1
3
6V

S
②表面积等效——面积当量直径
S dp
2
des

③比表面积等效——比表面当量直径
S 6 a球 V dp
dea
6 6 a SV
4.2.1 单颗粒的特性
dea dev des
1.5
dev 2 dev 2 与非球形颗粒体积相等的球的表面积 2 2 des des 非球形颗粒的表面积
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