华东理工化工原理课件

1概述1.1工业背景固定床—由许多固体颗粒堆积成的静止颗粒层第四章流体通过颗粒层的流动1.2固定床阻力的影响因素①流体物性：ρ,μ②操作因素：u③设备因素：颗粒直径，颗粒大小分布，空隙大小2颗粒床层的特性2.1单颗粒的特性实际遇到两个问题：①非球形②大小不一(分布)球形颗粒，只需一个参数dp3表面积S=dpSV6dp=比表面a=ψ≤1非球形：定当量直径，目标不同结果不同dev6面积当量des，S=des26dea两个独立的,取dev和球形度(形状系数)ψ6LL例1边长为L=4mm的正方体颗粒求：dev,des,dea,ψ,a36=4×1.24=5mmdeV=L36S=6L2=deS2=4×1.38=5.5mmdeS=L6SV6dea23==a=dea=L=4mm=2=②dev,des,dea三者关系dea≤dev≤des60.0046dea=1500m2/m3=a=2525.5=0.81deV2deS1.52.2颗粒群的特性大小不一：筛分分析1kg颗粒群频率函数(粒级质量分率~dp)特点：某粒级范围的颗粒质量分率=该范围曲线下的面积曲线下的面积和=1fi=xidi1dimip分布函数F与频率函数f的关系定平均直径dm，准则：比表面相等原因：流动较慢时，阻力以表面剪切力为主，表面积对阻力影响大dFd(dp)f=dp0=xiai=SiVia=(ai)m/pxid由，得ε受充填方式的影响与dp无关dm=1di2.3床层特性①空隙率=V空=V床VpV床V床∴Vp=(1)V床6dma=6diai==0.48d3p/63p=1与dp分布有关②床层比表面==a(1)S(1)VpaB=SV床3．流体通过固定床的压降几何边界复杂，无法解析解，要靠实验数学模型法主要步骤：3.1简化模型过程特征：①爬流，表面剪切力为主，形体力(压差力)为次②空隙中实际速度与空隙大小有关简化原则：模型与原型①表面积要相等②空隙容积相等将原型简化成一组平行细管细管直径deu1=de=4V床a(1)V床=得P32u1Leu=KLa(1)a(1)3.2解数学模型u4×流通面积润湿周边de==4×流动空间润湿表面4a(1)P=de2Lea2(1)23细管层流=2Lu322u322=5实验得康采尼方程PL床层雷诺数Re'=deu1=细管hf=PLeu18Lu='适用范围：Re’23.3实验验证4ua(1)P2宽范围：=LL2de2Leu12de2Lea(1)3==u2a(1)34.17Re'+0.29'=u+0.29uPa2(1)2a(1)用a=6devP(1)(1)=1503u+1.753u2(dev)devL粘性项惯性项Re’3时，可忽略惯性项Re’100时，可忽略粘性项影响因素分析：①物性:ρ,μ②操作:u③设备:ψ,dm,ε空隙率的影响最大,2L=4.1733代入，得欧根方程：2232(1)例2要估计20℃,1.0MPa(绝)的CO通过固定床脱硫器的压降,用20℃,101.3kPa(绝)的空气进行实测已知：20℃,1.0MPa(绝)的一氧化碳µ=2.4×10-5Pa・s,ρ=11.4kg/m3测得u=0.4m/s时=470Pa/m，Lu=0.9m/s时。LPL2300=C1×1.81×10×0.9+C2×1.2×0.93-5根据欧根方程，取代入空气数据470=C1×1.81×10-5×0.4+C2×1.2×0.42-52解得C1=3.9×106,C2=2301=6604Pa/m=C1u+C2u2PL一氧化碳PL=3.9×106×2.4×10-5×0.5+2301×11.4×0.52本例也可用a,ε表达,先用实验值算出a、ε，再用a、ε来计算实际工艺物料的压降2ua(1)3u+0.29a2(1)23=4.17PL3．4两种实验规划方法的比较量纲分析法：对过程无须有深刻理解,“黑箱”法①析因实验②无量纲化③测定性实验数学模型法：对过程有深刻理解，能将过程大幅度简化①简化模型②解析解③验证性实验4．过滤原理及设备4.1基本原理最简单的过滤操作：布氏漏斗悬浮液中固体颗粒被过滤介质截留，清液在压差下通过多孔过滤介质，使固液分离。过滤介质缝隙并不需要比颗粒小---架桥现象“穿滤”5%颗粒粘，不出滤液—用助滤剂助滤剂刚性颗粒方式1.预涂方式2.混入悬浮液工业上，例如用板框压滤机过滤完毕时，框内充满滤饼5过滤计算5.1物料衡算悬浮液含固量表示方法：质量分数w,kg固体/kg悬浮液33w/p取1kg悬浮液=取1m悬浮液w=13注意：①三个去向要清楚②基准要选好滤饼空隙率ε与含清液质量分率a关系3,pp+(1)q=1V1Aa/a/+(1a)/p=+(1)pa=滤饼层厚L~V关系(V+LA)=LA(1-ε),L=Lq例1有一板框压滤机,框的边长为450mm,厚度为25mm，有20个框。用来过滤含固体w=0.025的水-固悬浮液,滤饼含水40%(质量分率),3的滤液量。23==0.583=wV=V饼[(1)(1)]w10.025=3.39m3a(1)5.2过滤速率过滤特点：①滤饼中流体流动很慢②非定态压差一定时,τ↑,u↓3处理：①用康采尼方程②拟定态r滤饼比阻,L(1-ε)=φqdqddVAd=u=322u=r(1)u=KP饼LdqP饼P介drqrqe∆P饼=rΦqµu∆P=∆P饼+∆P介dqdP饼rq=u=串联过程：速率相同===Pr(q+qe)qe为过滤介质当量滤液量rK2(q+qe)=过滤速率基本方程dqd过滤常数K,qe是否真为常数，得看条件滤饼比阻：不可压缩滤饼，r=常数,K∝∆PS1-Sqe与介质性质、悬浮液性质有关K,qe的影响因素2Pr5.3过滤基本方程的应用1．恒速过滤隔膜式往复泵流量一定dqKd2(q+qe)K终终2(q终+qe)q+qqe=V+VVe=或注意K变化2K222KA2例2某过滤机恒速操作τ(min)=10+10+10①V(l)=4+?+?②共滤了30min后,用VW=0.2V总的洗涤液量洗涤，速率不变,则τW=?③每次过滤洗涤后,所需装卸时间τD为20min,=?V求：生产能力Q=解：①由于速度恒定,∴V∝τV=4+4+4=12升②∴τW=0.2τ=0.2×30=6min③VWWV0.2VW===0.21l/min1230+6+20=Q=V+W+D+2(q+qe)dq=K+d2.恒压过滤若τ=0,q=0则积分2或V2+2VVe=KA2τK2(q+qe)=dqd0q0q=K+qe2qe例3某叶滤机恒压操作τ(min)=10+10+10①V(l)=4+2+?②共滤了30min后,用VW=0.2V总的洗涤液量洗涤ΔP洗=ΔP滤,μ洗液=μ滤液,则τW=?③每次过滤洗涤后,所需装卸时间τD为20min,=?V求：生产能力Q=dVdVKAdWd终2(V终+Ve)22代入数据求KA2,Ve2262+2×6Ve=KA2×2022∴τ=30min时∆V=1.54升②洗涤过程定态,饼厚为过滤终了的饼厚(叶滤机当ΔP洗=ΔP滤,μ洗液=μ滤液时，2222=0.141升/分2.42×(7.54+1)====0.124升/分=10.7min0.2×7.540.141=VWdVdWW=7.5430+10.7+20=③Q=V+W+D恒速段q1=3.先变压后恒压或从τ=τ1,q=q1起开始恒压操作qq112(V2V12)+2Ve(VV1)=KA2(1)K终如先恒速后恒压12(q1+qe)K终=K恒压2P4.过滤常数的测定由小装置上测定的实验数据能否用于大装置？看影响因素qe=f(过滤介质，悬浮液性质)与A无关(而Ve∝A)操作压强改变后要换算,悬浮液浓度变化后要换算1Sr0=K=2PrK=q+2qqe在恒压下做实验No.qτ1……由23……………22qeK1Kq+=线性化q5.4过滤过程计算1．变量分析设计型：已知：qe,K,V,τ,∆P求：A操作型：已知：A,qe,K,V,∆P(或τ)求：τ(或∆P)2．生产能力的优化间歇过滤机恒压操作有优化问题=f()V+W+DQ=dQ令可得τopt(KA(W+D)+Ve)V图解思维222KA2e=opt当Ve=0时，opt=W+D5.5常用过滤设备1.叶滤机PWV+2VVe当Ve=0时,叶滤机洗涤速率(面积，饼厚不变)====VWdVdW若是恒压操作W=VW=PW2(V+Ve)2WPW2VWPWV=2.板框压滤机板框每边长a,厚b,洗涤时，饼厚为b(加倍)2过滤面积2a2,过滤终了L饼=b2当Ve=0时,板框压滤机洗涤(面积减半,饼厚加倍)===2PW8VWPWVW=∆P一定，q=K+qqe=K3.回转真空过滤机+qe2qe2en+qeqe)思考题：n↑,τ,Q,q,δ饼。Q=V2=nqA=nA(Kn=KA2n+n2Ve2nVe例1拟用一板框过滤机在0.3MPa压差下恒压过滤某悬浮液。已知K=7×10-5m2/s,qe=0.015m3/m2,现要求每一操作周期得到10m3滤液,过滤时间为0.5h,33饼空隙率ε=0.5,试问：①需要多大的过滤面积；②如操作压差提高到0.8MPa,恒压操作。现有一台板框过滤机,每一个框的尺寸为0.635×0.635×0.025m,若要求每个过滤周期得到的滤液量仍为10m3,过滤时间不得超过0.5h,则至少需要多少个框？A===17.7m2a这样可行吗？解：①q=K+qe2qe523V102q0.34②S=0,K'=P'K=0.8×7×105=1.87×104m2/sP0.322=0.565m3/m2V10q0.5652=22个17.72×0.635=A2n=ba(V+V饼)Φ=V饼(1-ε)取31个V1V饼==0.309m310×0.01510.50.015=2=31个0.3090.025×0.635=V饼2n=例2一板框压滤机在恒压下进行过滤,水悬浮液含固量0.1kg固体/kg悬浮液,滤饼空隙率ε=0.4,ρp=5000kg/m3,qe=0,若过滤10分钟,则得滤液1.2m3,试问：①当τ=1h,V=?②过滤1小时后的滤饼体积；③过滤1小时后，用0.1V的水洗涤,τW=?(操作压强不变)VKA==1.2V'=KA'=0.144×60=2.94mV饼(1)pV饼[(1)p+]+V解：①w=0.1,ε=0.5,τ=10min,V=1.2m3210=0.144m6/minV2=KA2τ2232②w=pV1)(1)1w(V饼=5000100010.1(=0.11m30.42.941)(10.4)=③VWW8P=min48601.08=××=VWPW=×例3某叶滤机恒压过滤操作,过滤介质阻力可忽略过滤终了V=0.5m3,τ=1h,滤液粘度是水的四倍。现用水洗涤，VW=0.05m3,则τW=。W×60=3min12×0.0540.5W6加快过滤速率的途径过滤技术的改进①物料的适应性②加快过滤速率6.1改变滤饼结构结构特征：空隙率、压缩性办法：用助滤剂(刚性,多孔性,尺度均匀)预敷和掺滤6.2改变悬浮液中颗粒聚集状态目的：小颗粒—聚成大颗粒办法：加聚合电解质、无机电解质如：脏水用明矾凝聚剂、絮凝剂、沉降剂如：聚丙烯酰胺极性基团对尘粒的吸附作用氢键作用6.3动态过滤传统的滤饼过滤—终端过滤动态过滤—用机械的，水力的,电场的方法限制滤饼增长1概述1.1工业背景重力沉降—除尘旋风分离器—回收细颗粒催化剂粒