颗粒床层特性

颗粒床层特性第一节概述

过滤滤饼层固液分离吸附分子筛吸附某种气体离子交换离子柱反应器

催化剂颗粒层等概念固定床：众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒层

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）

流体通过固定床的流动第2页,共24页，2024年2月25日，星期天

但对于流体在颗粒层中的流动，由于颗粒层是随机堆积，边界条件难找，因此不以原理探讨为主，而谈实际如何处理问题。

工程上感兴趣的是阻力增大问题，因而本章主要讨论流体通过颗粒层的压降

由于固定床内大量细小而密集的固体颗粒对流体形成很大的阻力，这种阻力一方面是流体沿床层截面的速度分布变得相当均匀，另一方面在床层两端造成很大压降

为什么流体通过颗粒层的流动比一般管道流体流动的速度分布均一、阻力增大？第3页,共24页，2024年2月25日，星期天第二节颗粒床层的特性

一、单颗粒特性

1、球形颗粒

比表面积

与颗粒的大小（体积V）、形状（取向）、表面积（S）、比表面积a（即S/V）等因素有关。

或体积表面积

可用单一参数—

直径dP表示第4页,共24页，2024年2月25日，星期天2、非球形颗粒

体积当量直径

体积等效面积当量直径

表面积等效比表面当量直径

比表面积等效

形状千变万化，不可能用单一参数全面表示颗粒的V、S、a

一般以某种当量的球形颗粒代表第5页,共24页，2024年2月25日，星期天

影响流体通过颗粒层流动阻力的主要颗粒特性是颗粒的比表面积，因此常用比表面当量直径令即则dev、des、dea三者之间换算关系式：第6页,共24页，2024年2月25日，星期天3、的物理意义称为形状系数

体积相等则球形颗粒的表面积最小第7页,共24页，2024年2月25日，星期天4、非球形颗粒的参数表达球形颗粒以颗粒直径dP确定，非球形颗粒必须定义两个参数与球形颗粒比较相差通过形状系数保证了表面积相等一般定义dev作为当量直径，简写为de

dev第8页,共24页，2024年2月25日，星期天二、颗粒群的特性1、粒度分布的表示

—

筛分分析了解颗粒群的特性，以解决颗粒的大小不均问题

对大于70μm的颗粒通常采用一套标准筛进行测量，这种方法称为筛分分析筛过量—通过筛孔的颗粒量筛余量—截留于筛面上的颗粒量第9页,共24页，2024年2月25日，星期天特性

：

a）与dpi对应的Fi值表示直径小于dpi的颗粒占全部试样的质量分率。b）在最大粒径dpmax处，分布函数为1。（1）分布函数

dPi—筛孔尺寸Fi—对应于dPi的筛过量占试样总量的分率

以不同筛号上试样的分率Fi与所对应筛孔尺寸dPi所标绘出的曲线称为分布函数第10页,共24页，2024年2月25日，星期天(2)频率函数（分布密度函数）

矩形面积表示相邻两号筛孔粒径di～di-1之间颗粒占全部试样的质量百分率Xi

表示颗粒处于di-1～di范围内颗粒的平均分布密度

a）一定粒度范围内颗粒占全部颗粒质量百分率为此范围内曲线下面积，某一定值粒度质量百分率为零。

b）曲线下全部面积为1。特性：第11页,共24页，2024年2月25日，星期天(3)分布函数与频率函数二者关系

第12页,共24页，2024年2月25日，星期天2、颗粒群的平均直径

（1）过程分析：考察流体在颗粒层内流动的特点

流体在颗粒层内流动是极其缓慢的爬流，无边界层脱体现象发生

流动阻力主要由颗粒表面积大小决定，颗粒形状不重要

可见应以比表面积相等为准则确定颗粒群平均直径

颗粒群具有粒度分布，但希望以平均值或当量值代替（2）颗粒群的平均直径（表示各种筛号上颗粒直径所占比例）由第13页,共24页，2024年2月25日，星期天1、床层的空隙率

三、床层特性

均匀球形颗粒按最松排列时乱堆的非球形颗粒（大小均匀）大于球形颗粒的非均匀（大小不等）颗粒的床层小于均匀颗粒的第14页,共24页，2024年2月25日，星期天2、床层的比表面床层内表面积由颗粒比表面积指单位床层体积具有的颗粒表面积，用表示思考：和的区别第15页,共24页，2024年2月25日，星期天3、床层的各向同性（1）颗粒乱堆方向不同，但性质相同特点：床层横截面上空隙面积/床层面积=空隙率（2）近壁区空隙率大于床层内部D/dp小则应考虑特点：阻力小，流速大床层D大，壁效应可忽略第16页,共24页，2024年2月25日，星期天4、颗粒层中流动特点速度分布均匀—

大量随机堆积爬流—

速度极其缓慢关键在压降（1）大量固体颗粒对流体的流动造成很大的阻力●

使床截面的速度分布均匀●床层两端产生很大压降（2）流体通过颗粒层的流动多呈爬流状态●单位床层的颗粒表面积对流动阻力起决定性作用工程上感兴趣的是压降问题思考：压降与压强差有何不同？第17页,共24页，2024年2月25日，星期天第三节流体通过固定床的压降根据前面已学的直管阻力损失计算式可推导出压降计算式

以上阻力损失计算公式应用了因次理论进行了实验规划，较好地确定了各个变量之间的函数关系；本节将应用另一种实验规划方法—数学模型法来解决流体通过固定床的压降问题。第18页,共24页，2024年2月25日，星期天一、数学模型

应用数学模型法求算流体通过颗粒床层中压降是最典型的例子在20世纪40年代已经完善。数学模型法立足于对所研究过程的深刻理解（1）简化—

建立物理模型（2）建立数学模型及求解（3）模型检验及参数估值1、基本特征（1）过程分解—对过程的研究分析—简化的基础和前提（2）过程简化—对过程的理解—没有简化得不到数学模型2、主要步骤第19页,共24页，2024年2月25日，星期天二、

床层的数学模型

随机堆积

毛细管束

均匀圆管的压降

床层流动空间=床层空隙容积=管束内表面积=床层颗粒全部表面=以1m3床层体积为基准1、简化—建立物理模型×le×le简化物理模型第20页,共24页，2024年2月25日，星期天2、建立数学模型

流体通过固定床的压降等同于流体通过一组当量直径为de、长度为le的毛细管束的压降通过单位床层高度压降：空床流速：

代入上式得第21页,共24页，2024年2月25日，星期天由此推导出通过单位床层高度压降的数学模型：或固定床的流动摩擦系数模型参数的物理意义：第22页,共24页，2024年2月25日，星期天3、模型的检验