化工原理第四章 流体通过颗粒层流动.docVIP

第四章 流体通过颗粒层的流动 思考题 一、试证明：流体以层流状态通过管道时，其阻力损失与单位流体体积所具有的表面积（S/V）2呈正比。 二、床层颗粒的当量直径是以什么原则确定的，为什么？ 三、床层模型与实际床层在哪些物理量上是等效的？ 四、数学模型法的基本步骤是什么？ 五、表面过滤时，真正起过滤作用的是什么？ 六、过滤过程的特点是什么？为什么可用康采尼方程描述其速率？ 七、影响过滤速率的因素有哪些？ 八、试讨论各种条件下滤液量、过滤时间、过滤压差、过滤常数K的相互关系？ 九、洗涤过程的特点是什么？如何确定洗涤速率(dq/d)w？ 第四章 流体通过颗粒层的流动 第一节 概述 一、颗粒床层的分类 分类：固定床----颗粒静止；(催化反应，过滤) 流化床----颗粒悬浮（沸腾床） 固定床 流化床 二、考察内容： 流体通过颗粒（固定床）的压降(hf) 三、流体通过颗粒床流动的本质特征 流体在由大量粒群组成的封闭的固体边界内流动， 属管流； 当颗粒较细时，床层内流速一般极慢（爬流）， 属层流形态； 流体所接触的颗粒几何边界极其复杂，难以准确描述。 （三大因素） 第二节 颗粒床层的特性 §2-1 单颗粒特性（影响流动通道） 一、球形颗粒 体积： 表面积： 比表面积： 对球形颗粒，直径dp即可描述其全部外表特征 二、非球形颗粒 工程上用当量直径de来描述非球形颗粒特征（等效性不同） 体积当量直径() 表面积当量直径(S非=S球) 比表面积当量直径（α非=α球） ψ的几何意义：同体积下，球形颗粒的表面积与非球形颗粒的表面积之比（ψ≤1） 球形颗粒：dp（一个参数） 非球形颗粒：S, ; (通常:dev,ψ)（两个参数） 简便：dev=de §2-2颗粒群的特征 粒度分布测量：筛分法，显微镜法，沉降法等。 一、粒度分布的筛分分析(70(m) 分布函数：取颗粒总质量为w,直径dpi的颗粒质量为wdpi,， 则筛过率: Fi=wpi/w, Fi=f(dpi) Fi---分布函数，Fi1 （见图） 频率函数 设颗粒直径范围dpidpdpi-1的质量为wi, 则其质量分率: xi=wi/w, 频率函数曲线两个重要特性： 1）某粒径范围内颗粒的质量分率，等于该粒径范围内频率函数曲线下的面积。而粒径为一定值的颗粒的质量分率为零。 2）频率函数曲线下的全部面积等于1。 颗粒群的平均直径 以比表面积相等为原则，寻求颗粒群的平均直径 对非球形颗粒：dpi=deai=（ψdev） §2-3 床层特性 一、空隙率（疏密程度） 定义： 空隙率不仅与颗粒形状、大小分布有关， 还和填充方式有关。 (非(球；(非均(均；振动: ((；湿法：(；(难重复 二、床层的各向同性（定向随机） 特点： 壁效应: ε壁ε床 床层D大，可忽略； D小，加以考虑。 三、床层的比表面积 定义： 例：下图颗粒床层中，颗粒体积为Vp，求该床层的空隙率。 解： V床= 床层空隙率： 空隙率反映了床层内颗粒的疏密程度 对均匀直径的球形颗粒：最松散规则排列 =0.48 最紧密规则排列 =0.26 第三节 流体通过固定床的压降 §3-1 颗粒床层的简化模型 一、问题的复杂性 复杂性：通道错综复杂，弯弯曲曲 管流阻力： 床层内，l,d不均匀，通道不规则，难确定 二、层流阻力特征 层流时，直管阻力： 层流条件下，直管阻力，而与表面形状无关 三、床层的简化模型（图4-4） 毛细管模型：床层由长为Le,直径de的并联细管束构成，为使模型=实际，必须： （1）细管内颗粒的表面积床层实际表面积相等 （2）细管内流动空间与床层实际流动空间相等 可推出： 四、毛细管模型的数学描述 u1----流体在细管内的流速（床层内流体的真实流速） u----空床流速（表观流速） 单位实际床层高度的压降为： 则 Δ≈Δp 也称压降 五、模型的验证及参数估值 定义：床层雷诺数 则 当Re，2时，λ=k//Re/, k/=5.0 代入得： 上式称为康采尼方程（注意适用条件：层流） 欧根在更宽的Re/范围内，得出： 代入基本式： 当Re’20/6,右边第二项忽略；当Re’100/6，右边第二项忽略 所以，影响床层压降的因素： 操作变量u；物性μ,ρ；床层特性ε,α。 六、讨论 1 数学模型的基本方法 在充分掌握过程本质的前提下，对复杂的过程大胆、合理地简化 对简化后的过程建立物理、数学模型 实验验证模型的合理性，并对模型参数估值 2 数学模型法的基本特征 必须充分掌握过程特征，了解研究目的。 模型仅在某个方面与实际过程等效 实验目的仅是验证模型的可靠性，测定模型参数，工作量大为减少 模型方程是半经验、半理论的。 3 影响床