固体流态化
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实验七、固体流态化实验
1. 固体流态化过程的基本概念 如果流体自下而上地流过颗粒层，则根据
流速的不同，会出现三种不同的阶段，如图所 示。
（a）固定床
（b）流化床
（c）气力输送
2．固体流态化的分类
流态化按其性状的不同，可以分成两类，即散 式流态化和聚式流态化。
散式流态化一般发生在液－固系统 . 聚式流态化一般发生在气－固系统，这也是目
五．实验报告
1. 在双对数坐标纸上作出曲线，并找出 临界流化速度。
2. 对实验中观察到的现象，运用气（液） 体与颗粒运动的规律加以解释。
六．思考题
1. 实际流化时，由压差计测得的广义压 差为什么会波动？
2. 由小到大改变流量与由大到小改变流 量测定的流化曲线是否重合？为什么？
3. 流化床底部流体分布板的作用是什么？
四．实验步骤
1. 检查装置中各个开关及仪表是否处于备用状态。 2. 用拳头轻敲床层，目的使固体颗粒填充较紧密，然后测定静
床高度。 3. 启动风机或泵，由小到大改变进气量（注意，不要把床层内
的固体颗粒带出！），记录压差计和流量计读数变化。观察床 层高度变化及临界流化状态时的现象。 4. 由大到小改变气（或液）量，重复步骤3，注意操作要平稳 细致。 关闭电源，测量静床高度，比较两次静床高度的变化。 实验中需注意，在临界流化点前必须保证有六组以上数据，且 在临界流化点附近应 多测几组数据。
前工业上应用较多的流化床形式 . 聚式流化床中有以下两种不正常现象：
腾涌现象 沟流现象
流化床压降与流速关系
pA ms g ml g (1)
ml
( AL
ms
p
)
(2)
p L gຫໍສະໝຸດ msA p(p
第三章 固体流态化技术
沟流对反应过程的影响：沟流现象发生时，大部分气体没有 与固体颗粒很好接触就通过了床层，这在催化反应时会引起催 化反应的转化率降低。由于部分颗粒没有流化或流化不好，造 成床层温度不均匀，从而引起催化剂的烧结，降低催化剂的寿 命和效率。
4、恒定的压降
流化床的重要优点
流化床床层压降 =（重量-浮力）/单位床截面积
固定床阶段 床层不动 u1 ut
流化床阶段 u1 ut开始悬浮
颗粒输送阶段 u1 ut 颗粒带走
u ，u1 ，u1 ut
(a)固定床
(b)流化床
(c)气力输送
此时流体的真正速 度 u < 颗粒的沉降 速度u0
此时u= u0 颗粒悬浮于流体中，床层 有一个明显的上界面，与 沸腾水的表面相似
流化阶段，压降与气速无关，始终保持定值
固定床 流化床 C ΔP B A ¢ u 带出开始
m P ( p ) g Ap
起始流化速度
表观速度 流体通过颗粒床层的压降
D（ 带出速度 ）
推导：
流化床阶段，近似认为颗粒处于动态平衡。
即：总曳力 总重力 总浮力
p f A Fg Fb AL(1 )(s ) g
此时u> u0
固体流态化运用在粉粒状物料的输送、混合、加热或冷 却、干燥、吸附、煅烧和气固反应等过程中。
3、流化床存在的基础—大量颗粒群居 颗粒能在相当宽范围内悬而不走，离开群体的个别颗粒上 升后， 速度将减小，则会回落。
浮力
曳力 u1（实际速度） 重力
u（表观速度）
二、实际流化现象
流态化按其性状的不同，可以分成两类， 即散式流态化和聚式流态化。
主要用途：
固体流态化技术
因此，在流化床的范围内，每一个表观气速u对应一个空隙率， 表观气速越大，空隙率也越大。只要颗粒悬浮状态，表明流体 通过空隙时的实际速度u1不变，始终为颗粒的ut 。
2015-6-3 7
（2）流化床
需要特别指出的是，流化床原则上应有一个明 显的上界面。在此界面之下的颗粒，u1=ut 。
假设某个悬浮的颗粒由于某种原因离开了床层 而进入界面以上的空间，在该空间中（ε=1.0） 该颗粒的表观速度u即为其真实速度u1 u=u1＜ut 故颗粒必然回落到界面上。
2015-6-3
10
5.4.3 流化床的主要特性----恒定的总压降 流化床的横截面积A ,床层高度L ，床 内所有颗粒的质量m ，颗粒的密度ρp 流体的密度ρ，截面1的压强P1 ，截面 2的压强P2 。 方向向上的力之和=方向向下的力之和
P2
L
P1 A
总床层 高度上 的压降
m
p
g P2 A mg
P1
流体
mg m 1 P1 P2 g A p A
如果忽略 P P mg 1 2 浮力 A
2015-6-3
特别注意：总床层高度上的压降近似等于单位 截面床内固体颗粒的重量，与流体速度无关， 是定值。但是，单位床层高度上的压降随着流 体速度增加而减小。 11
注意：在流化床的范围内，随着气体速度的增加，床层高度L逐 渐增加，尽管总床的压降基本不变。但是，单位床层高度上的 压降是变化（减小）的。 pf,L1 L1 mL1 例5－4床层固存量的近似估计 mL g 在某一各处均匀状态的流化床中，pf,L
由此可见，流化床存在的基础是大量颗粒的群 居。群居的大量颗粒可以通过床层的膨胀以调 整空隙率，从而能够在一个相当宽的表观速度 范围内悬浮于流体之中。这就是流化床之可能 存在的物理基础。
固体流态化实验报告
一、实验目的1. 观察固体颗粒在流态化过程中的聚式和散式流化现象。
2. 测定床层的堆积密度和空隙率。
3. 测定流体通过颗粒床层时的压降与空塔气速的曲线，并确定临界流化速度。
二、实验原理固体流态化是指固体颗粒在气体或液体介质中，由静止状态逐渐过渡到具有一定流动性的状态。
在此过程中，颗粒的流动速度与气体（或液体）的流速之间存在一定的关系。
当气体（或液体）流速达到某一临界值时，颗粒开始由静止状态转变为流态化状态，此时的流速称为临界流化速度。
三、实验装置1. 实验装置流程：鼓风机→ 气体流量调节阀→ 气体转子流量计→ 温度计→ 气体分布板→ 颗粒床层→ 床层顶部。
2. 实验材料：石英砂、空气或水。
四、实验步骤1. 将石英砂装入床层，轻轻敲打床层，使床层高度均匀一致，并测量首次静床高度。
2. 打开电源，启动风机，调节气体流量，从最小刻度开始，每次增加0.5m³/h，同时记录相应的空气流量、空气温度、床层压降等上行原始数据。
最大气体流量以不把石英砂带出床层为准。
3. 调节气体量从上行的最大流量开始，每次减少0.5m³/h，直至最小流量，记录相应的下行原始实验数据。
4. 测量结束后，关闭电源，再次测量经过流化后的静床高度，比较两次静床高度的变化。
5. 在临界流化点之前，保证床层稳定，避免发生颗粒带出现象。
五、实验数据及处理1. 记录实验数据，包括空气流量、空气温度、床层压降、静床高度等。
2. 绘制压降与空塔气速的曲线。
3. 根据实验数据，确定临界流化速度。
六、实验结果与分析1. 通过实验观察，发现当气体流速较低时，颗粒处于静止状态；随着气体流速的增加，颗粒逐渐开始流动，床层开始出现波动；当气体流速达到临界流化速度时，颗粒完全流态化，床层波动明显。
2. 根据实验数据，绘制压降与空塔气速的曲线，曲线呈非线性关系。
3. 根据曲线，确定临界流化速度为0.4m/s。
七、实验结论1. 固体流态化过程中，颗粒的流动速度与气体流速之间存在一定的关系，当气体流速达到临界流化速度时，颗粒开始由静止状态转变为流态化状态。
固体流态化实验报告
固体流态化实验报告一、实验目的。
本实验旨在通过固体流态化实验，探究固体颗粒在气体流体中的运动规律，了解流态化现象的基本特征，以及对流态化过程的影响因素进行分析和研究。
二、实验原理。
固体流态化是指在气体流体作用下，固体颗粒呈现出类似流体的运动状态，其主要原理包括气体流体的作用力和颗粒本身的特性。
气体流体通过固体颗粒时，会产生上升力和阻力，使颗粒呈现出浮力和下沉的运动状态，最终形成流态化现象。
三、实验装置与方法。
本次实验采用了自行设计的固体流态化实验装置，主要包括气源、颗粒料仓、气固分离器、流化床和实验数据采集系统。
实验方法为先将颗粒料充满流化床，然后通过气源将气体通过床层，观察颗粒料的流态化现象，并采集实验数据。
四、实验结果与分析。
经过实验观察和数据采集，我们发现在一定气体流速下，颗粒料开始呈现出流态化现象，颗粒料呈现出了类似流体的运动状态。
通过对实验数据的分析，我们发现气体流速、颗粒料粒径和颗粒料密度是影响固体流态化现象的重要因素。
当气体流速增大时，颗粒料的流态化现象更加明显；颗粒料粒径较小、密度较大时，流态化现象也更加显著。
五、实验结论。
通过本次实验，我们得出了固体流态化现象的一些基本规律，即在气体流体作用下，固体颗粒呈现出流体的运动状态。
同时，我们也发现了影响固体流态化现象的重要因素，为进一步研究和应用固体流态化提供了一定的理论基础。
六、实验总结。
固体流态化实验是固体颗粒与气体流体相互作用的重要研究内容，通过本次实验，我们对固体流态化现象有了更深入的了解，也为今后的研究工作提供了一定的参考。
希望通过我们的努力，能够为固体流态化领域的发展做出更大的贡献。
七、参考文献。
1. 王明，李华. 固体流态化基础与应用. 北京，化学工业出版社，2008.2. 张三，李四. 固体流态化实验技术与应用. 上海，上海科学技术出版社，2010.以上就是本次固体流态化实验的报告内容，谢谢大家的阅读。
《固体流态化技术》课件
新型流态化技术的研发
随着科技的不断发展，新型流态化技术也不断涌现，如气固 流态化技术、液固流态化技术等，这些新型流态化技术具有 更高的效率和更好的应用前景。
新型流态化技术的研发需要不断探索和尝试，通过实验和模 拟等方式，不断优化和完善技术参数和工艺条件，提高技术 的应用效果和可靠性。
智能化与自动化的提升
进一步拓展。
技术局限
颗粒大小限制
固体流态化技术对固体颗粒的大小有 一定要求，过小的颗粒可能导致技术 效果不佳。
操作参数敏感
该技术的操作参数较为敏感，需要精 确控制以获得最佳效果。
高成本
固体流态化技术的设备成本较高，增 加了应用成本。
稳定性问题
在某些情况下，固体流态化技术的稳 定性有待提高。
技术挑战与前景
01
化工
用于反应、分离、混合等工艺过 程，如石油化工、化学反应工程 等。
02
03
能源
环保
用于煤炭、生物质等固体燃料的 燃烧、气化、热解等过程，提高 能源利用效率。
用于固体废弃物的处理、处置和 资源化利用，如城市垃圾焚烧、 工业废弃物处理等。
02
固体流态化技术的原 理
基本原理
固体流态化技术的基本原理是利用流 体对固体颗粒进行作用，使固体颗粒 呈现出流体的某些特性，从而实现固 体颗粒的流动和运输。
04
固体流态化技术的优 缺点
技术优势
高效性
固体流态化技术能够实现连续 、大规模的物质处理，提高了
生产效率。
节能环保
该技术能够降低能耗，减少环 境污染，符合绿色发展理念。
灵活性
固体流态化技术适用于多种不 同性质的固体颗粒，应用范围 广泛。
可扩展性
12.3.1第12章第3节固体流态化
气体或液体 （b）
流态化床的特点：
固定床与流态化床的分界点 F 称为流态化临界点。 相应的流速umf 称为流态化临界速度（或称最小流化速度）。
流态化床的床层高度和空隙率随流速的升高而增大。但流体穿过床层的实际流 速u却维持不变。这是因为随着净空流速uf的提高，流态化床在胀大，使得颗粒之间 的流通截面也跟着增大的缘故。因此，如果忽略由于器壁效应产生的阻力损失时，在 流态化床内的流体阻力损失并不因流速 uf 的提高而变化。因而在这一较大的范围内 增加流体的速度，并不增加流体流动需要的功率。
p 150 (1 0 )2 • uf 1.751 0 • uf 2
L0
3 0
(s • dp )2
3 0
s d p
2) 流化床阶段 BC段 流化床阶段，整个床层压
强降保持不变，其值等于单 位面积床层的净重力。
3) 气体输送阶段
(2)实际流化床的压强降 ：
1）在固定床和流化区域有一个 “驼峰”。
不正常现象
气固系统流态化比较复杂，经常出现一些不正 常现象，使操作不稳定。 最常见的不正常现象有沟流、死床及腾涌等。
3 流化床工作参数的计算
流化床流动阻力
(1) 理想流化床的压强降 ：
理想情况下，克服流化床 层的流动阻力而产生的压 强降与空截面流速的关系 如图：
1) 固定床阶段 OB段
气体速度较低时，颗粒床层静止 不动，气体从颗粒空隙中穿流而过。 随着气速的增加，气体通过床层的摩 擦阻力也相应增加。
流化床功率消耗
小 结、作业
小 结： 1、颗粒在流动着的流体中的运动（几种情况） 2、固体流态化 作 业：完成学堂在线章节作业
开始进入连续流态化状态的 T 点，称为连续流态化临界点。T 点所 具有的流体速度ut称为流化极限速度（带出速度或最大流化速度）。 显然，流化床的形成需在流化临界速度umf和带出速度ut之间。在连 续流态化临界点上，床层的高度为无穷大，空隙率达到 1 。
固体流态化
特点：
１、在固定床和流化区域有一个“驼峰 ”，这是因为固定床颗粒之间相互靠紧， 而互相之间有一定摩擦力，因而需要 较大的推动力才能使床层松动。直到 颗粒松动到刚能悬浮时，△p才降到水 平阶段。此时压强降基本不随气速而 变。当降低流化床气速时，压强降沿 DC'A'变化。
第二节 固体流态化(Fluidization)
第二节 固体流态化(Fluidization)
⒉聚式流态化（Aggregative fluidization）：
特 征 ： ρs ＞ ＞ ρ ， 形 成 气
泡，长大并破裂，床层波 动剧烈，膨胀程度不大， 上界面起伏不定。
一般出现在流-固两相密度差较 大的体系，如气-固流化床。
第二节 固体流态化(Fluidization)
（a）
第二节 固体流态化(Fluidization)
⒉流化床阶段：
（1）临界流化床
当u增大到一定程度时，颗粒 开始松动，床层开始膨胀，u 继续升高，床层开始继续膨胀， 直到刚好全部颗粒都悬浮在向 上流动的流体中。此时，颗粒 所受浮重力与流体和颗粒之间 的摩擦力相平衡，称初始或临 界流化床，如图（b）。
第二节 固体流态化(Fluidization)
4、C'D'线的上下各有一条虚线，表示气体流化床的 压强降波动范围，C'D为两条虚线的平均值。之所以 波动是由于气泡在向上运动的过程中不断长大，到 床面破裂。在气泡运动、长大、破裂的过程中产生 压强降的波动。
第二节 固体流态化(Fluidization)
⒊强烈的碰撞与摩擦：
颗粒之间、颗粒与器壁之间的碰撞磨损严重， 生成的细粉易被气体带出，加大了损失量；
第二节 固体流态化(Fluidization)
１、在固定床和流化区域有一个“驼峰 ”，这是因为固定床颗粒之间相互靠紧， 而互相之间有一定摩擦力，因而需要 较大的推动力才能使床层松动。直到 颗粒松动到刚能悬浮时，△p才降到水 平阶段。此时压强降基本不随气速而 变。当降低流化床气速时，压强降沿 DC'A'变化。
第二节 固体流态化(Fluidization)
第二节 固体流态化(Fluidization)
⒉聚式流态化（Aggregative fluidization）：
特 征 ： ρs ＞ ＞ ρ ， 形 成 气
泡，长大并破裂，床层波 动剧烈，膨胀程度不大， 上界面起伏不定。
一般出现在流-固两相密度差较 大的体系，如气-固流化床。
第二节 固体流态化(Fluidization)
（a）
第二节 固体流态化(Fluidization)
⒉流化床阶段：
（1）临界流化床
当u增大到一定程度时，颗粒 开始松动，床层开始膨胀，u 继续升高，床层开始继续膨胀， 直到刚好全部颗粒都悬浮在向 上流动的流体中。此时，颗粒 所受浮重力与流体和颗粒之间 的摩擦力相平衡，称初始或临 界流化床，如图（b）。
第二节 固体流态化(Fluidization)
4、C'D'线的上下各有一条虚线，表示气体流化床的 压强降波动范围，C'D为两条虚线的平均值。之所以 波动是由于气泡在向上运动的过程中不断长大，到 床面破裂。在气泡运动、长大、破裂的过程中产生 压强降的波动。
第二节 固体流态化(Fluidization)
⒊强烈的碰撞与摩擦：
颗粒之间、颗粒与器壁之间的碰撞磨损严重， 生成的细粉易被气体带出，加大了损失量；
第二节 固体流态化(Fluidization)
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原
V 2 2VVe KA2
理
或 q 2 2qqe K
电
若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为：
子
V 2 KA2
课
q2 K
件
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主题
西
3.1.2 过滤基本方程
安
交 • 2．恒速过滤
大 若过滤时保持过滤速度不变，则过滤过程为恒速过滤。
化
工 对恒速过滤，有 dV V 常数
课
件 常用的助滤剂有：硅藻土、纤维粉末、活性炭、石棉等。
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主题
西
3.1.2 过滤基本方程
安交Biblioteka 大Lleu1
化
u
u
工
图 3-3 流体在滤饼中流动的简化模型
原 • 将孔道视为长度均为le的一组平行细管，流体
理 在细管中的平均流速u1，同时考虑到滤饼较薄，
电 广义压力降可近似用压力降代替，则：
子 课 件
课
件
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主题
西
3.1.1 概 述
安
交 • 3．滤饼的压缩性和助滤剂
大 化
（2）助滤剂
工
若滤浆中所含固体颗粒很小，或者所形成的滤饼孔
原
道很小，又若滤饼可压缩，随着过滤进行，滤饼受压 变形，都使过滤阻力很大而导致过滤困难。可采用助
理
滤剂以改善滤饼的结构，增强其刚性。
电
子
助滤剂通常是一些不可压缩的粉状或纤维状固体，能 形成结构疏松的固体层。
西
3.1 过 滤
安
交 • 3.1.1 概述
大 化
•
3.1.2 过滤基本方程
工 • 3.1.3 过滤常数的测定
原 • 3.1.4 滤饼洗涤
理 电
•
3.1.5 过滤设备及过滤计算
子
课
件
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西
3.1.1 概 述
安
交 • 滤饼过滤其基本原理是在外力（重力、压力、离心 大 力）作用下，使悬浮液中的液体通过多孔性介质，而 化 固体颗粒被截留，从而使液、固两相得以分离，如图 工 3-1所示。
原
Ad A
理 电
代入式3-5中得：
V 2 VVe
K 2
A2
或
q2
qqe
K 2
子
若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为：
课 件
V 2 K A2
2
q2 K
2
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主题
西
3.1.3 过滤常数的测定
安
交 • 过滤计算要有过滤常数K、qe或Ve作依据。由不同物料形成的悬浮液，其
大
过滤常数差别很大。即使是同一种物料，由于操作条件不同、浓度不同，
化
其过滤常数亦不尽相同。过滤常数一般要由实验来测定。
工 原
将恒压过滤积分方程改写成：
q
1 K
q
2 K
qe
理
此式表明，/q与q之间具有线性关系，实验中记录不同过滤 时间 内的单位面积滤液量q，将 /q对q作图，得一直线，
原
理
滤浆
电
滤饼
子
过滤介质
滤液
课
件
图 3-1 过滤操作示意图
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主题
西
3.1.1 概 述
安
交 • 1．过滤介质
大
化
过滤过程所用的多孔性介质称为过滤介质，
工 过滤介质应具有下列特性：多孔性、孔径大小适
原 宜、耐腐蚀、耐热并具有足够的机械强度。
理
工业用过滤介质主要有织物介质（如棉、麻、
电 丝、毛、合成纤维、金属丝等编织成的滤布）、
子 多孔性固体介质（如素瓷板或管、烧结金属等）。
课
固体颗粒被过滤介质截留后，逐渐累积成饼
件 （称为滤饼），如前图3-2所示。
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西
3.1.1 概 述
安
交 • 2．过滤推动力
大
化
在过滤过程中，滤液通过过滤介质和
工 原
滤饼层流动时需克服流动阻力，因此，
理 过滤过程必须施加外力。外力可以是重
式中 u1 流体的真实流速，m/s；
u1
p1 32le
d
2 e
p1 通过滤饼的压力降，N/m2；
（3－1） 滤液的粘度，Ns/m2；
de 滤饼层孔道的当量直径，m；
le 孔道的平均长度，m。
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西
3.1.2 过滤基本方程
安
交 • 在单位时间内通过单位过滤面积的滤液量为瞬
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主题
西
3.1.2 过滤基本方程
安
交 • 将介质阻力折合成厚度为Le的滤饼阻力，式3-3成为：
大 化
dV
p
Ad rL Le
（3－4）
工 滤饼层厚度L为 L cV / A
原 理
令
Le cVe / A
2p 2p1s
K
（3－4a）
rc r0c
电 子
代入（3-4)中得
大 化 工
时过滤速度u：
u
dV
Ad
dq
d
原 理 电 子
式中 q 单位过滤面积所得的滤液量，q=V/A，m3/m2；
A 过滤面积，m2。 V——滤液量
令表示滤饼层空隙率（ = 空隙体积/滤饼层体积），则：
u1
u
dV
Ad
课
取le=CL，式3-1中的de采用水力当量直径，则：
dV
d
KA2
2V Ve
（3－5）
课 件
或
dq
d
K
2q
qe
式中 qe Ve / A
——过滤基本方程
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主题
西
3.1.2 过滤基本方程
安
交 • 1．恒压过滤
大
若过滤过程中保持过滤推动力（压差）不变，则称为恒
化
压过滤。对于指定滤浆的恒压过滤，K为常数，积分式
工
3-5得：
件
de
4 流通截面积 润湿周边长
4 细管的流动空间 细管的全部内表面积
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主题
西
3.1.2 过滤基本方程
安
交 令颗粒比表面积a=颗粒表面积/颗粒体积，则：
大
de 4 a1
化 将上述几式式代入式3-1，整理得：
工 原
dV
Ad
3
2Ca 2 1 2
p1 L
（3－2）
理
r 2Ca 2 1 2 3
电 r称为滤饼的比阻，与滤饼的结构有关。r r0ps
子 可压缩滤饼的s大约为0.20.8。不可压缩滤饼s=0。于是
课 件
式3-2可写成：
dV Ad
p1 rL
过滤推动力 过滤阻力
（3－3）
式中p1 为过滤推动力， rL可视为滤饼阻力。 返回
电 力、压力差，也可以是离心力，其中以
子 压力差和离心力为推动力的过滤过程在
课 工业生产中应用较为广泛。
件
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主题
西
3.1.1 概 述
安
交 • 3．滤饼的压缩性和助滤剂
大 化
（1）压缩性
工
若形成的滤饼刚性不足，则其内部空
原 隙结构将随着滤饼的增厚或压差的增大
理 而变形，空隙率减小，称这种滤饼为可 电 压缩滤饼，反之，若滤饼内部空隙结构 子 不变形，则称为不可压缩滤饼。
电
直线的斜率为1/K，截距为2qe/K，由此可求出K、qe。
子
用上述方法可以测出不同压差条件下的K值，再根据K与p 关系
课
式3-4a，有 log K (1 s) log p B