顆粒床層特性

顆粒床層特性第一節(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，與流體在管道中的流動相比較：阻力增大，速度分布均一

流動特點：層流，

繞流（因速度慢也稱爬流）

流體通過固定床的流動第2頁,共24頁，2024年2月25日，星期天

但對于流體在顆粒層中的流動，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比一般管道流體流動的速度分布均一、阻力增大？第3頁,共24頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)顆粒床層的特性

一、單顆粒特性

1、球形顆粒

比表面積

與顆粒的大小（體積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4頁,共24頁，2024年2月25日，星期天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5頁,共24頁，2024年2月25日，星期天

影響流體通過顆粒層流動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6頁,共24頁，2024年2月25日，星期天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7頁,共24頁，2024年2月25日，星期天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8頁,共24頁，2024年2月25日，星期天二、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9頁,共24頁，2024年2月25日，星期天特性

：

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10頁,共24頁，2024年2月25日，星期天(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11頁,共24頁，2024年2月25日，星期天(3)分布函數(shù)與頻率函數(shù)二者關(guān)系

第12頁,共24頁，2024年2月25日，星期天2、顆粒群的平均直徑

（1）過程分析：考察流體在顆粒層內(nèi)流動的特點

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

流動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13頁,共24頁，2024年2月25日，星期天1、床層的空隙率

三、床層特性

均勻球形顆粒按最松排列時亂堆的非球形顆粒（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14頁,共24頁，2024年2月25日，星期天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15頁,共24頁，2024年2月25日，星期天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：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：阻力小，流速大床層D大，壁效應(yīng)可忽略第16頁,共24頁，2024年2月25日，星期天4、顆粒層中流動特點速度分布均勻—

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多呈爬流狀態(tài)●單位床層的顆粒表面積對流動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17頁,共24頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)流體通過固定床的壓降根據(jù)前面已學(xué)的直管阻力損失計算式可推導(dǎo)出壓降計算式

以上阻力損失計算公式應(yīng)用了因次理論進(jìn)行了實驗規(guī)劃，較好地確定了各個變量之間的函數(shù)關(guān)系；本節(jié)將應(yīng)用另一種實驗規(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18頁,共24頁，2024年2月25日，星期天一、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19頁,共24頁，2024年2月25日，星期天二、

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20頁,共24頁，2024年2月25日，星期天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21頁,共24頁，2024年2月25日，星期天由此推導(dǎo)出通過單位床層高度壓降的數(shù)學(xué)模型：或固定床的流動摩擦系數(shù)模型參數(shù)的物理意義：第22頁,共24頁，2024年2月25日，星期天3、模型的檢驗