第三章流体通过颗粒及颗粒层的流动 Key words: Equivalent diameter, Specific surface, Drag coefficient 第一节概述 固定床反应器 流化床反应器 化工单元中经常遇到一多相流过滤 吸附一离子交换 沉降 单颗粒的特性及表征: 大小 颗粒的特性了表面积 形状 1、对于球形颗粒,只用直径dp可以表征 S=丌d 2、对于非球形颗粒:厂当量直径 球形度 dev=v6VIr, de-S/T, d=6/a, de=6/a=6V/S=(d /d)?d )2与非球形颗粒体积相同球形颗粒表面积 称作球形度 非球形颗粒表面积 d=dnd=dn/√ 两个参数:d、p→V=(π/6)d3,S=mdn21p,a=6/ddln 正方体φ=0.805,直径与高相等圆柱0.874,一般在0.6-0.7之间。 颗粒群的特性及表征: 1、粒度分布: d<d1的质量分率为F;, d pmax处F=1.0 (F:粒度分布函数) f=X,/(dn-dn)=AF/△d F=omf.d(d,) o f-d(,)=1 (f:粒度分布密度函数
33 第三章 流体通过颗粒及颗粒层的流动 Key words：Equivalent diameter, Specific surface, Drag coefficient 第一节 概述 固定床反应器 流化床反应器 化工单元中经常遇到→多相流 过滤 吸附－离子交换 沉降 ······ 一、单颗粒的特性及表征： 大小 颗粒的特性 表面积 形状 1、对于球形颗粒，只用直径 dP 可以表征 V＝ 3 6 d p S= 2 dp a= 6 p S V d = 2、对于非球形颗粒： 当量直径 球形度 dev= 3 6 / V ，des= S / ，dea= 6/ a ，dea= 6/ a = 2 6 / ( / ) V S d d d = ev es ev 令 = ＝（ ）2 es ev d d 非球形颗粒表面积 与非球形颗粒体积相同 球形颗粒表面积 <1 ，称作球形度； d d ea ev = / d d es ev = 两个参数： dev、 V=(π/6)dev 3，S＝ / 2 dev ，a=6/dev 正方体 ＝0.805，直径与高相等圆柱 0.874，一般在 0.6~0.7 之间。 二、颗粒群的特性及表征： 1、粒度分布： dp < dpi 的质量分率为 Fi， d pmax 处 F=1.0 （F：粒度分布函数） 1 /( ) / i i p p p i i f X d d F d + = − = 0 ( ) dpi F f d d i p = 0 ( ) 1 p f d d = （f：粒度分布密度函数）
2、平均直径:利用体积表面积直径 球形:a=6 ∑nxd2∑ n,Papi n (z/6)d 代入:1/dm=∑(x,ldln)dm=1/2(x,ldn 3、分形维:( fracta)2×10°CD=01(边界层分离点后移) 三、流体通过不规则颗粒 以不同φ值,CD~Re关系,φ↓CD↑
34 2、平均直径：利用体积表面积直径： 球形： 6 2 3 / 6 i p i p i i pm a n d n d d = = 3 3 6 ( / 6) i i i p p i i p pi X x n d n d = = 代入： 1/ ( / ) pm i pi d x d = 1/ ( / ) pm i pi d x d = 非球形： d d pi ev = 3、分形维： ( fractal) fractional (分数的，碎的) 海岸线、山脉、粗糙断面， → 极不规则 二维平面 N 2 D − D 维客体，N 最小数，σ截面积 第二节 流体通过颗粒的流动 一、曳力和曳力系数 sin cos D W A A F dA p dA = + 曳力：固体颗粒流动方向受到的力 FD = f (L,u,p,)，u 相对速度 光滑球体： 2 / ( / 2) F A C u D P D = A p 流动方向投影面积 (Re ) C f p p = Rep 颗粒 Re 数＝ / d up 二、流体通过球形颗粒： 速度很小：爬流 F d u D p = 3 表面曳力占 2/3，形体曳力占 1/3 实验求得： ① 层流区 Re 2 p 24/ Re , C F u D p D = ⑵ 过渡区 2<Rep<1000 0.6 1.4 0.6 18.5/ Re C F u D p D = ③ 湍流区 1000< 5 Re 2 10 p 2 C F u D D = 0.44 形体曳力 ④ 湍流边界层区 5 Re 2 10 p CD = 0.1 (边界层分离点后移) 三、流体通过不规则颗粒 以不同 值， CD ~ Reev 关系， CD
第三节颗粒在流体中流动 Key words: Terminal velocity, Gravity settling process, Centrifugal settling process, Porosity Pressure drop in bed 重力沉降:存在Δρ,在力场作用下存在相对运动,加速→等速→终端速度u 对于球形颗粒:dn(pn-p)g=Cndn2 P-pgd, / 3pc ()层流区:CD=24/Re,4=dg(n-P)/184 okes (2)过渡区2Re (3)无因次判据K 层流区上限Ren=2Ren=d1up/H=dngp(n-p)/l82 令d2gp(Pn-p)42=KK≤36层流区 同样,湍流区下限Ren=1000, d (e-p)g pg(p-p ep K≥3.3×103湍流区 三、影响颗粒沉降的其它因素 原讨论范围 ①球形颗粒 ②颗粒沉降互不干扰 ③忽略器壁阻滞作用 ④d不可过小d不小于2~3m
35 第三节 颗粒在流体中流动 Key words：Terminal velocity, Gravity settling process, Centrifugal settling process, Porosity, Pressure drop in bed 一、重力沉降：存在 Δ，在力场作用下存在相对运动，加速 → 等速→ 终端速度 ut 对于球形颗粒： 2 3 2 ( ) 6 4 2 t p p D p u d g C d − = 4( ) / 3 (Re ) u gd C C f t p p D D p = = − ⑴ 层流区： CD＝24/Re， 2 ( )/18 . u d g Stokes eq t p p = − ⑵ 过渡区 2 Re 1000 ， 0.6 18.5/ Re CD p = 0.6 0.27 ( )Re / . u gd Allen eq t p p p = − ⑶ 湍流区 5 1000 Re 2 10 ，CD = 0.44 1.74 ( ) / . u d g Newton eq t p p = − 二、颗粒沉降的计算方法 ⑴ 试差法 u t → 区域，CD → u t ⑵ 通过不含 u t(d)的数群： 2 2 2 3 1 3 4 ( ) / 3 Re / Re 4 ( ) / 3 Re 4 ( ) / 3 t p p D p p t D p p D p t u d g C d u C d g C g u − = − = = − = − ， ， 2 1 Re Re Re Re p D t t D p d C u u C d → ⎯⎯⎯→ → → ⎯⎯⎯→ → 查图 查图 ； − ⑶ 无因次判据 K 层流区上限 Re 2 p = 3 2 Re / ( )/18 p p t p p = = − d u d g 令 3 2 ( )/ d g K p p − = K 36 层流区 同样，湍流区下限 Re 1000 p = ， 3 2 ( ) ( ) Re 1.74 1.74 1000 p p p p p p d d g d g − − = = 5 K 3.310 湍流区 三、影响颗粒沉降的其它因素 原讨论范围 ① 球形颗粒 ② 颗粒沉降互不干扰 ③ 忽略器壁阻滞作用 ④ ｄ不可过小 ｄ不小于 2～3 ｍ
1、非球形颗粒Δ形体影响dy,Φ→CD △沉降方位,以投影圆直径为d, 2、干扰沉降: △密度和粘度大于清液的悬浮体系中(浮力↑,阻力↑) Δ颗粒向下,流体向上补充,影响其它颗粒↓ hold up>10 3、器壁影响碰撞D 模型法:长度为L一组平行管∫细管表面积=全部表面积 细管全部流动空间=ε·总体积 1、床层当量直径: d=4x流道截面积=4体积=4 4ed 润湿周边a体积a(-)6(1-) )主要与da有关 2、流体通过床层的压降: 4=%,L=M,am=01)
36 １、非球形颗粒 Δ形体影响 de v，Φ → CD Δ沉降方位，以投影圆直径为 de， ２、干扰沉降： Δ密度和粘度大于清液的悬浮体系中（浮力↑，阻力↑） Δ颗粒向下，流体向上补充，影响其它颗粒↓ hold up>10% ３、器壁影响 碰撞 D 模型法：长度为 Le一组平行管 细管表面积＝全部表面积 细管全部流动空间＝ε·总体积 1、床层当量直径： 4 4 4 4 ( ) (1 ) 6(1 ) ea eB B d d a a = = − − 流道截面积 体积 ＝ ＝ 润湿周边 体积 主要与 dea 有关 2、流体通过床层的压降： 2 1 1 4 ) 2 (1 ) e f e eB eB L u u p u L kL d d a = = = = − （ ，
2=a(=e)m2,(yp,=p忽略位头) 三、模型参数估值: a'=f(reB),Re,=aeB41p ① Kozeny公式:ReB100(d大)第一项略) 四、因次分析法与数学模型法 列出主要影响因素 真实过程→物理模型 通过无因次化减少变量数 物理模型的数学描述 实验求取变量关系 实验检验、参数估值 模型:简单、不失真→>某方面等效「目的:压降 特性:爬流,阻力与表面关系 第五节固体流态化 大量固体颗粒,由于流体流动悬浮于流体之中, 、流态化基本概念 垂直圆筒中装填均匀颗粒: ①固定床阶段u较低 l1=u/E,E↑(界面上升、稳定),明显上界面,△P不变 ③气力输送u=u
37 2 3 f (1 ) f p a u p p L − = = ，( ，忽略位头) 三、模型参数估值： (Re ) B ＝f ， 1 Re Re 4 (1 ) (1 ) 6(1 ) eB P B d u u u a a = = = = − − − ① Kozeny 公式：ReB<2, 滞流， 5.0 Reb ＝ ， 2 2 3 (1 ) 5.0 pf a u L − = ② Ergun 公式： 4.17 Reb ＝ +0.29， 6 dev a = 2 2 3 2 3 (1 ) 1 150 1.75 ( ) f ev ev p u u L d d − − = + Re 6(1 )Re ea p B d u = = − ( Re 10( ) Re 10 00 ( ) p p p p d d 小 第二项略； 大 第一项略 ) 四、因次分析法与数学模型法： 列出主要影响因素 真实过程 → 物理模型 通过无因次化减少变量数 物理模型的数学描述 实验求取变量关系 实验检验、参数估值 模型：简单、不失真 → 某方面等效 目的：压降 特性：爬流，阻力与表面关系 第五节 固体流态化 大量固体颗粒，由于流体流动悬浮于流体之中。 一、流态化基本概念： 垂直圆筒中装填均匀颗粒： ① 固定床阶段 ｕ较低 1 / u u ut = L 为常数 p u f ② 流化床阶段 1 / u u ut = = ，若 u u 1 t ， (界面上升、稳定)，明显上界面， p f 不变 ③ 气力输送 u=ut
二、实际流化现象 1、散式流化床:均匀分布于流体之中,随机运动,界面清晰。 2、聚式流化床:空穴运动,上方颗粒被推开,空穴的合并和移动,界面不清。 3、腾涌、节涌和沟流 广义流态化指:非固定床流固系统。 三、流化床特点 轻物浮起 表面水平 ①液体性质颗粒流出 连通床面水平 ②运动及混合 ③碰撞及粉碎 ④比表面积 ⑤停留时间问题 四、最小流化速度及带出速度 1、m4=床重/截面=L1-E),g+Lpg L(-8rp-p)g E(c,)+16人Em Clso(1-8)Au (1-E)6(1-E) φnyd2(p,-p)g o'E3 1 d(p-p)g 1650 peard(P-p)g Re>1000 1.75p 取c=1/14um= de(P,-p)g 24.5
38 二、实际流化现象： 1、散式流化床：均匀分布于流体之中，随机运动，界面清晰。 2、聚式流化床：空穴运动，上方颗粒被推开，空穴的合并和移动，界面不清。 3、腾涌、节涌和沟流 广义流态化指：非固定床流固系统。 三、流化床特点 轻物浮起 表面水平 ① 液体性质 颗粒流出 连通床面水平 Δp=W/A ② 运动及混合 ③ 碰撞及粉碎 ④ 比表面积 ⑤ 停留时间问题 四、最小流化速度及带出速度 1、 mf u p L g L g 1 s = + 床重/床截面＝（－ ） = + p p L g f (1 )( ) p L g f s = − − 2 2 3 2 3 (1 ) 1 150 1.75 ( ) f ev ev u u p d d − − = + Re Re (1 ) 6(1 ) p B u a = = − − Re 10 p 2 3 2 ( ) 150(1 ) mf ev s mf mf d g u − = − 取 2 3 1 (1 ) 11 mf mf = − umf = 2 ( ) 1650 d g ev s − Re 1000 p 1.75 ( ) 3 d g u mf ev s mf − = 取 3 mf =1/14 umf = 24.5 dev ( s − )g
2、带出速度:u=u1 对于大小不均匀分布d→u,d取值应比大多数d小 小颗粒 大颗粒u1/un=861 粒径小的操作范围宽
39 2、带出速度：u=ut 对于大小不均匀分布 d → ut ，d 取值应比大多数 d 小 小颗粒 u u t mf / 91.6 = 大颗粒 u u t mf / 8.61 = 粒径小的操作范围宽