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1、4流體通過顆粒床層的流動(dòng)4.1單顆粒與顆粒群的幾何特性4.2床層特性4.3流體通過固定床的壓降4.4過濾10/4/202114流體通過顆粒床層的流動(dòng)固定床：由固體顆粒堆積而成的靜止顆粒層。用于反應(yīng)及分離過程，如固定床反應(yīng)器、吸附及過濾等操作。流體通過固定顆粒床層的流動(dòng)在化工生產(chǎn)和自然界中是常見的現(xiàn)象。例如：過濾過程中濾液通過濾餅層的流動(dòng)；固定床催化反應(yīng)器中流體在固定催化劑床層中的流動(dòng)；地下水在土壤、砂層中的滲流等10/4/202124.1單顆粒與顆粒群的幾何特性4.1.1單顆粒球型：單顆粒體積等效非球型：當(dāng)量直徑表面積等效比表面積等
2、效非球型顆粒的三種當(dāng)量直徑互不相等，有如下關(guān)系10/4/202134.1.1單顆粒=與非球型顆粒體積相等的球的表面積/非球型顆粒的表面積為顆粒的形狀系數(shù)，對于球形顆粒的表征只需一個(gè)參數(shù)，直徑dp而對于非球形顆粒，表征需二個(gè)參數(shù)，一般為dev及則：10/4/202144.1.2顆粒群的特性主要考察兩個(gè)方面：粒度分布和平均直徑（1）顆粒粒度測量方法：篩分法，沉降法，電阻變化法及顯微鏡法等。（2）平均直徑由比表面積相等的原則a總=S總/V總=6/dm而則10/4/202154.2床層特性(1)床層的空隙率?=（床層體積-顆粒所占的體積）/
3、床層體積?大疏松，小緊密。一般亂堆的?值0.47＜?＜0.7?=f(顆粒的形狀、粒度分布，充填方式）可證明：均勻的球形顆粒作最松排列時(shí)的?=0.48均勻的球形顆粒作最緊密排列時(shí)的?=0.26非球形顆粒的直徑越小，形狀與球的差異越大，則床層的空隙率越大。一般?非球形＞?球形?非均勻＜?均勻?受充填方式的影響。充填時(shí)設(shè)備受到振動(dòng)，則?較小，若采用濕法充填，則?大。在床層靠壁處的局部空隙率比中間部位的大，因?yàn)楣腆w顆粒與器壁間的空隙中難以再填入另一個(gè)顆粒。10/4/20216(2)床層的各向同性工業(yè)上的小顆粒床層通常是亂堆的，若顆粒是非球形
4、，各顆粒的定向應(yīng)是隨機(jī)的，這樣的床層就可視為各向同性的。各向同性床層橫截面上可供流體通過的實(shí)際面積（或自由截面）與床層截面之比在數(shù)值上等于?，這是其的重要特點(diǎn)之一。10/4/20217(3)床層的比表面aB=顆粒表面積/床層體積=S總/V床=S總/V顆×（V顆/V床）=a(1-?)（忽略顆粒相互接觸使裸露的顆粒表面面積減小的部分）10/4/202184.3流體通過固定床的壓降流體通過固定顆粒床層的流動(dòng)，一方面起到分流的作用另一方面產(chǎn)生壓強(qiáng)降（即流動(dòng)阻力）對于過濾等操作過程而言，工程上感興趣的是流體通過固定床層的壓降，而不是速度分布。
5、根據(jù)已學(xué)的流體動(dòng)力學(xué)知識(shí)，定量計(jì)算直管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，可采用范寧公式：10/4/2021910/4/202110范寧方式能否用于計(jì)算流體通過固定顆粒床層的壓降呢？（1）流體通過固定顆粒床層壓降直接計(jì)算時(shí)存在的困難當(dāng)流體通過固定顆粒床層時(shí)，由于顆粒層內(nèi)的顆粒大小不均勻，形狀不規(guī)則，所形成的通道是彎彎曲曲的、變截面的、縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。彎曲、變截面的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)成為了顆粒層內(nèi)流體通道的特點(diǎn)，也成為了壓降（流動(dòng)阻力）直接計(jì)算的困難。因?yàn)橛梅秾幑接?jì)算時(shí)，無法確定通過顆粒層的流體通道的邊界尺寸。10/4/202111（2）床層的一維簡化物理模型建立
6、簡化的物理模型是工程問題處理方法之一。顆粒床層簡化模型有一維、二維和三維模型，但在工程上使用最廣、最為成熟的是一維模型。1）簡化的依據(jù)：過程的特殊性——爬流流體通過顆粒層的流動(dòng)一般是很緩慢的，呈爬流狀態(tài)，不存在邊界層脫體，爬流是此過程所特有的。因此流動(dòng)壓降主要來自表面摩擦，它只與流體通道的表面積成正比，而與通道的形狀幾乎無關(guān)，亦即只與顆粒的表面積成正比，而與顆粒的形狀是球形、菱形、方形還是流線形無關(guān)。10/4/2021122）．合理的簡化將復(fù)雜的無規(guī)則的網(wǎng)狀通道簡化為許多管徑為de，長度為Le的平行細(xì)管。10/4/2021133）．
7、本質(zhì)近似（等效）簡化不能失真，物理模型與實(shí)際過程在本質(zhì)上要近似（等效）。即：a）在相同的u條件下，兩者的△P應(yīng)相同。b）細(xì)管的內(nèi)表面積等于床層顆粒的全部表面積。c）細(xì)管的全部流動(dòng)空間等于顆粒床層的空隙體積。10/4/202114de為床層空隙的當(dāng)量直徑de=4?流通截面/潤濕周邊=（4?流通截面?Le)/(潤濕周邊?Le)=4?流動(dòng)空間/細(xì)管的全部內(nèi)表面=4V?/(aB?v)=4?/(a?(1-?))Le為固定床層顆粒的當(dāng)量高度，Le與L有關(guān)。流體通過固定床的壓降等于流體通過一組當(dāng)量直徑為de，長度為Le的細(xì)管壓降。10/4/202
8、115（3）建立數(shù)學(xué)模型引入模型參數(shù)對簡化的物理模型建立數(shù)學(xué)模型，引入模型參數(shù)。由范寧方程而u=?u1或u1=u/?,de=4?/(a?(1-?))代入上式，得（4-1）式中模型參數(shù)，流動(dòng)摩擦系數(shù)。10/4/202116（4）模型的檢
