3.12颗粒特性

3.2 颗粒及颗粒床层的特性
一 单颗粒的特性参数
1 描述颗粒形状 ① 颗粒的球形度φ s
球形颗粒 非球形颗粒
与颗粒等体积的球形颗 粒的表面积 球形度s 颗粒的表面积
S 公式表示： S 1 SP
表明：颗粒形状接近于球形的程度； φ s↑，则颗粒越接近于球形。 球形颗粒：
s 1
②
6 sa
（2）等比表面积当量直径 dea 与非球形颗粒比表面积相等的球形颗粒的直径
d 2 a 6 / d ea dea 3
ea
6
d ea
dea 6 / a
比较： d eV
6 sa
得：deV dea / s
d ea s (d ea d eV ) d eV
(aB a(1 ))
6 (d ea ) a
当量直径：d eB
孔道长度：l CL
2 流体流过固定床的阻力
(1) 层流
32CLu p f 2 d eB
32lu (p f ) 2 d
其中，u：流体在孔道中流速
qV uA来自百度文库 u1( A AP )
代入：u1 u /
2
2
优点：适应于各种流型。 (4) 欧根方程的其它形式*
Pf dea 3 150(1 ) 1.75 2 u L 1 udea
令无量纲数群：
Pf dea 3 fF 2 u L 1
udea Rep
1 则：f F 150 (1 )Rep 1.75 u d eB u ReB ▲ 层流 a(1 )
非均相物系分离及流态化
• 3.1 概述 • 3.2 颗粒及颗粒床层的特性
3.1 概 述
• 1 非均相物系：体系内包含一个以上的相，相界
面两侧物质的性质完全不同的物系。 如悬浮液、含尘气体、乳浊液、泡沫液、含雾气等 分散相（分散质） 连续相（分散介质） • 2分离依据：相间物理性质差异（密度、粒径）
ReP/(1-ε)
fF与ReP/(1-ε)的关系
udea Rep
• 通常采用机械（外力）的方法将不同相分离。
分离方法与目的
• • • • • • • • • • • • 3 分离方法 重力沉降 沉降： 离心沉降 重力过滤 加压过滤 过滤： 真空过滤 离心过滤 利用过滤介质 粒度 利用外力场 密度
4 分离目的 收集分散物质：回收分散物质、环境保护和安全生产 净化分散介质
适用条件：流体为层流 , 床层空隙率 0.5
6 (d ea ) a
(2) 湍流**
l u1 2 根据 范宁公式： p f d eB 2
代入：u1 u / ,
l CL,
d eB
4 d ea 6 1
p f 6 (1 ) u 得： C 2 L 4 3 d ea

d P / D ,
颗粒光滑，
颗粒形状： s , ;
靠壁面处： 粒径分布：
壁效应，使 颗粒均匀， ；
③ 空隙率测量---充水法、称量法
2 床层的自由截面积 即：床层中空隙的面积(流体的流通截面积)。各向同性 自由截面积分率：
A AP AP Ao 1 1 A A
1
ReB 1时,
用比表面积 a dea
6 (d ea ) a
2 2 p f ( 1 ) a u ' (3 15)康采尼方程： k L 3
▲
湍流
ReB 1000 时,
f F 1.75
200 100
fF
20
10
3 2 1 2 3 10 20 100 200 1000
② 筛分尺寸与颗粒特性参数的关系
颗粒不是明显的长或短： d ai
颗粒在某方向上略长： d d (长短比 2) ai pi
s 1 d pi 2
2 颗粒群的平均特性参数
① 平均比表面积：
6 am x i ai xi di
② 颗粒群的等比表面积当量直径
d am 6 am 1
3.2.3 流体通过固定床的流动
固定床：流体以较小的流速通过颗粒床层，颗粒保持静止状态。
流动情况：流体在床层的空隙中流动；
复杂性：孔道的形状、数目、流动状态随机， 孔道中流动属层流，但局部出现湍流。 处理方法：数学模型法 简化床层，管外流问题→管内流问题。 优点：用简化的物理模型来代替床层内的真实流动，便于用数 学模型方法来处理，然后再通过实验校正。
二 混合颗粒的特性参数
1 颗粒的筛分尺寸
标准筛：有不同的系列，常用泰勒标准筛，见表3-2 。
筛号(目数)：每英寸长度筛网上的筛孔数目；
筛过量：通过筛孔的颗粒量； 筛余量：截留于筛面上的颗粒量。
①
颗粒的筛分尺寸
算术平均： d pi
d i 1 d i 2
di-1 di
di+1 di+2
几何平均： d pi di 1di
虚拟细管的当量直径：
L 流通截面积 d eB 4rH 4 润湿周边长度 L
孔道(空隙)体积 4 孔道内表面积
u (a) L
u (b)
以1m3床层为基准
实际床层
简化模型
rH

aB
d ea a(1 ) 6(1 )

4d ea 6(1 )
颗粒的比表面积 a
颗粒表面积(m 2 ) Sp a 3 颗粒体积(m ) Vp
说明：V相同时，a ↓，则颗粒越接近球形。 球形颗粒比表面积：
2 d S 6 a V d3 d
6
Sp S a 与φs关系：a Vp sVp
2 描述颗粒大小 （1） 等体积当量直径 dev 与颗粒体积相等的球形颗粒的直径。
实验数据证明，
6 c 3 .5 4
p f (1 ) u Burke Plum m er 方程： 1.75 2 L 3 dea
适用条件：高度湍流，摩擦系数为常数。
(3) 欧根(Ergun)方程*
将以上两方程叠加得到：
p f
(1 ) u (1 ) u 150 1.75 3 3 2 L d ea d ea
即： V V p

6
3 d eV d eV
因此， d eV (
6Vp

)1/ 3
dev 与 a、φ s关系：
S S a Vp sVp sa
d eV (
6Vp

)
1/ 3
(
2 6d eV / as

)1/ 3
2 6d eV ( )1/ 3 as
因此， d eV
l CL
u1 u /
d eB 4 d ea 6 1
Pf 2 36Cu (1 ) 2 得： 2 L d ea 3
Pf (1 ) 2 u (1 ) 2 a 2 u (3 15) Kozeny方程： 150 5 3 2 L dea 3
A0与ε 关系：同样表明颗粒堆积的松散程度
均匀颗粒，则A0↑，ε ↑。
3 床层的比表面积 aB
床层中颗粒的表面积 SP aB 床层体积 VB
忽略颗粒相互重叠减少的面积，则：
Sp Sp aB a(1 ) VB V (1 )
6 B aB d s
aB a
B (1 ) s
1 固定床的床层简化模型
床层阻力：床层中所有颗粒所受曳力之和。
简化物理模型：
1）颗粒床层由许多平行的细管组成，孔道长度与床层高度成正比； 2）孔道内表面积之和 = 全部颗粒的外表面积；
3）孔道内全部流动空间 = 床层中空隙的体积；
u (a)
L
u (b)
实际床层
物理模型
根据物理模型：
l u 2 p f d 2
xi
1 di
L
u
三 颗粒床层的特性
1 床层空隙率 ① 定义：床层中，空隙所占体积分率。
VB V V 1 VB VB
表明： 床层堆积的松散程度；乱堆0.48-0.70 ε ↑，空隙越大，床层越松散； ε 对流体流过床层的阻力影响很大。
② 影响床层空隙率的因素 （a）装填方法：干装 湿装 （b）颗粒特性的影响