顆粒床層特性

顆粒床層特性第一頁，共二十四頁，2022年，8月28日第一節(jié)概述

過濾濾餅層固液分離吸附分子篩吸附某種氣體離子交換離子柱反應(yīng)器

催化劑顆粒層等概念固定床：眾多固體顆粒堆積而成的靜止的顆粒層

以上化工操作中均為流體通過顆粒層的流動(dòng)，與流體在管道中的流動(dòng)相比較：阻力增大，速度分布均一

流動(dòng)特點(diǎn)：層流，

繞流（因速度慢也稱爬流）

流體通過固定床的流動(dòng)第二頁，共二十四頁，2022年，8月28日

但對于流體在顆粒層中的流動(dòng)，由于顆粒層是隨機(jī)堆積，邊界條件難找，因此不以原理探討為主，而談實(shí)際如何處理問題。

工程上感興趣的是阻力增大問題，因而本章主要討論流體通過顆粒層的壓降

由于固定床內(nèi)大量細(xì)小而密集的固體顆粒對流體形成很大的阻力，這種阻力一方面是流體沿床層截面的速度分布變得相當(dāng)均勻，另一方面在床層兩端造成很大壓降

為什么流體通過顆粒層的流動(dòng)比一般管道流體流動(dòng)的速度分布均一、阻力增大？第三頁，共二十四頁，2022年，8月28日第二節(jié)顆粒床層的特性

一、單顆粒特性

1、球形顆粒

比表面積

與顆粒的大?。w積V）、形狀（取向）、表面積（S）、比表面積a（即S/V）等因素有關(guān)。

或體積表面積

可用單一參數(shù)—

直徑dP表示第四頁，共二十四頁，2022年，8月28日2、非球形顆粒

體積當(dāng)量直徑

體積等效面積當(dāng)量直徑

表面積等效比表面當(dāng)量直徑

比表面積等效

形狀千變?nèi)f化，不可能用單一參數(shù)全面表示顆粒的V、S、a

一般以某種當(dāng)量的球形顆粒代表第五頁，共二十四頁，2022年，8月28日

影響流體通過顆粒層流動(dòng)阻力的主要顆粒特性是顆粒的比表面積，因此常用比表面當(dāng)量直徑令即則dev、des、dea三者之間換算關(guān)系式：第六頁，共二十四頁，2022年，8月28日3、的物理意義稱為形狀系數(shù)

體積相等則球形顆粒的表面積最小第七頁，共二十四頁，2022年，8月28日4、非球形顆粒的參數(shù)表達(dá)球形顆粒以顆粒直徑dP確定，非球形顆粒必須定義兩個(gè)參數(shù)與球形顆粒比較相差通過形狀系數(shù)保證了表面積相等一般定義dev作為當(dāng)量直徑，簡寫為de

dev第八頁，共二十四頁，2022年，8月28日二、顆粒群的特性1、粒度分布的表示

—

篩分分析了解顆粒群的特性，以解決顆粒的大小不均問題

對大于70μm的顆粒通常采用一套標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行測量，這種方法稱為篩分分析篩過量—通過篩孔的顆粒量篩余量—截留于篩面上的顆粒量第九頁，共二十四頁，2022年，8月28日特性

：

a）與dpi對應(yīng)的Fi值表示直徑小于dpi的顆粒占全部試樣的質(zhì)量分率。b）在最大粒徑dpmax處，分布函數(shù)為1。（1）分布函數(shù)

dPi—篩孔尺寸Fi—對應(yīng)于dPi的篩過量占試樣總量的分率

以不同篩號上試樣的分率Fi與所對應(yīng)篩孔尺寸dPi所標(biāo)繪出的曲線稱為分布函數(shù)第十頁，共二十四頁，2022年，8月28日(2)頻率函數(shù)（分布密度函數(shù)）

矩形面積表示相鄰兩號篩孔粒徑di～di-1之間顆粒占全部試樣的質(zhì)量百分率Xi

表示顆粒處于di-1～di范圍內(nèi)顆粒的平均分布密度

a）一定粒度范圍內(nèi)顆粒占全部顆粒質(zhì)量百分率為此范圍內(nèi)曲線下面積，某一定值粒度質(zhì)量百分率為零。

b）曲線下全部面積為1。特性：第十一頁，共二十四頁，2022年，8月28日(3)分布函數(shù)與頻率函數(shù)二者關(guān)系

第十二頁，共二十四頁，2022年，8月28日2、顆粒群的平均直徑

（1）過程分析：考察流體在顆粒層內(nèi)流動(dòng)的特點(diǎn)

流體在顆粒層內(nèi)流動(dòng)是極其緩慢的爬流，無邊界層脫體現(xiàn)象發(fā)生

流動(dòng)阻力主要由顆粒表面積大小決定，顆粒形狀不重要

可見應(yīng)以比表面積相等為準(zhǔn)則確定顆粒群平均直徑

顆粒群具有粒度分布，但希望以平均值或當(dāng)量值代替（2）顆粒群的平均直徑（表示各種篩號上顆粒直徑所占比例）由第十三頁，共二十四頁，2022年，8月28日1、床層的空隙率

三、床層特性

均勻球形顆粒按最松排列時(shí)亂堆的非球形顆粒（大小均勻）大于球形顆粒的非均勻（大小不等）顆粒的床層小于均勻顆粒的第十四頁，共二十四頁，2022年，8月28日2、床層的比表面床層內(nèi)表面積由顆粒比表面積指單位床層體積具有的顆粒表面積，用表示思考：和的區(qū)別第十五頁，共二十四頁，2022年，8月28日3、床層的各向同性（1）顆粒亂堆方向不同，但性質(zhì)相同特點(diǎn)：床層橫截面上空隙面積/床層面積=空隙率（2）近壁區(qū)空隙率大于床層內(nèi)部D/dp小則應(yīng)考慮特點(diǎn)：阻力小，流速大床層D大，壁效應(yīng)可忽略第十六頁，共二十四頁，2022年，8月28日4、顆粒層中流動(dòng)特點(diǎn)速度分布均勻—

大量隨機(jī)堆積爬流—

速度極其緩慢關(guān)鍵在壓降（1）大量固體顆粒對流體的流動(dòng)造成很大的阻力●

使床截面的速度分布均勻●床層兩端產(chǎn)生很大壓降（2）流體通過顆粒層的流動(dòng)多呈爬流狀態(tài)●單位床層的顆粒表面積對流動(dòng)阻力起決定性作用工程上感興趣的是壓降問題思考：壓降與壓強(qiáng)差有何不同？第十七頁，共二十四頁，2022年，8月28日第三節(jié)流體通過固定床的壓降根據(jù)前面已學(xué)的直管阻力損失計(jì)算式可推導(dǎo)出壓降計(jì)算式

以上阻力損失計(jì)算公式應(yīng)用了因次理論進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)規(guī)劃，較好地確定了各個(gè)變量之間的函數(shù)關(guān)系；本節(jié)將應(yīng)用另一種實(shí)驗(yàn)規(guī)劃方法—數(shù)學(xué)模型法來解決流體通過固定床的壓降問題。第十八頁，共二十四頁，2022年，8月28日一、數(shù)學(xué)模型

應(yīng)用數(shù)學(xué)模型法求算流體通過顆粒床層中壓降是最典型的例子在20世紀(jì)40年代已經(jīng)完善。數(shù)學(xué)模型法立足于對所研究過程的深刻理解（1）簡化—

建立物理模型（2）建立數(shù)學(xué)模型及求解（3）模型檢驗(yàn)及參數(shù)估值1、基本特征（1）過程分解—對過程的研究分析—簡化的基礎(chǔ)和前提（2）過程簡化—對過程的理解—沒有簡化得不到數(shù)學(xué)模型2、主要步驟第十九頁，共二十四頁，2022年，8月28日二、

床層的數(shù)學(xué)模型

隨機(jī)堆積

毛細(xì)管束

均勻圓管的壓降

床層流動(dòng)空間=床層空隙容積=管束內(nèi)表面積=床層顆粒全部表面=以1m3床層體積為基準(zhǔn)1、簡化—建立物理模型×le×le簡化物理模型第二十頁，共二十四頁，2022年，8月28日2、建立數(shù)學(xué)模型

流體通過固定床的壓降等同于流體通過一組當(dāng)量直徑為de、長度為le的毛細(xì)管束的壓降通過單位床層高度壓降：空床流速：

代入上式得第二十一頁，共二十四頁，2022年，8月28日由此推導(dǎo)出通過單位床層高度壓降的數(shù)學(xué)模型：或固定床的流動(dòng)摩擦系數(shù)模型參數(shù)的物理意義：第二十二頁，共二十四頁，2022年，8月2