1、4.1 概述概述4.1.1 工业背景工业背景固定床固定床是是由许多固体颗粒堆积成的静止颗粒层。由许多固体颗粒堆积成的静止颗粒层。第第4章章 流体通过颗粒层的流动流体通过颗粒层的流动4.1.2 固定床阻力的影响因素固定床阻力的影响因素流体物性：流体物性：,操作因素：操作因素：u设备因素：设备因素：颗粒直径，颗粒直径，颗粒大小分布，颗粒大小分布，空隙大小空隙大小 4.2 颗粒床层的特性颗粒床层的特性4.2.1 单颗粒的特性单颗粒的特性球形颗粒，只需一个参数球形颗粒，只需一个参数dp颗粒特性颗粒特性:体积体积 表面积表面积 比表面比表面实际遇到两个问题：实际遇到两个问题：非球形非球形大小不一大小不一
2、(分布分布)36pdV 2pdS pdVSa6 非球形：定当量直径，目标不同结果不同非球形：定当量直径，目标不同结果不同 体积当量体积当量dev,面积当量面积当量des，比表面当量比表面当量dea,两个独立的两个独立的,取取dev和球形度和球形度(形状系数形状系数)1 36evdV 2esdS eada6 例例 1边长为边长为L=4mm的正方体颗粒的正方体颗粒求：求：dev,des,dea,a解：解：336evdLV mm524.1463 LdeV226eSdLS mm5.538.146 LdeSeadLLVSa6632 mm4 Ldeadev,des,dea三者关系三者关系 deadevde
3、s 32/mm1500004.066 eada81.05.552222 eSeVdd eseveaddd5.1 4.2.2 颗粒群的特性颗粒群的特性大小不一大小不一筛分分析筛分分析 1 kg 颗粒群颗粒群 频率函数频率函数(粒级质量分率粒级质量分率dp)特点：某粒级范围的颗粒质量分率特点：某粒级范围的颗粒质量分率 =该范围曲线下的面积该范围曲线下的面积 曲线下的面积和曲线下的面积和=1 iiiiddxf 1分布函数分布函数F与频率函数与频率函数f的关系的关系定平均直径定平均直径dm，准则：比表面相等，准则：比表面相等原因：流动较慢时，阻力以表面剪切力为主，原因：流动较慢时，阻力以表面剪切力为主
4、，表面积对阻力影响大表面积对阻力影响大)(ddpdFf dpppddF0)(fd)(iipipiiiaxmamVSa /)(由由 ，得得4.2.3 床层特性床层特性 空隙率空隙率 受充填方式的影响受充填方式的影响与与dp无关无关iimdxd 1床床床床床床空空VVVVVp 床床VVp)1(mda 6 iida 6 48.06/133 ppdd 与与dp分布有关分布有关床层比表面床层比表面)1()1(aVSVSapB床床空隙率不仅与颗粒形状、大小分布有关，还和空隙率不仅与颗粒形状、大小分布有关，还和填充方式有关。填充方式有关。非非 球球；非均非均床床 床层床层D大，可忽略；大，可忽略；D小，小，
5、加以考虑。加以考虑。4.3 流体通过固定床的压降流体通过固定床的压降几何边界复杂，无法解析解，要靠实验几何边界复杂，无法解析解，要靠实验数学模型法主要步骤：数学模型法主要步骤：4.3.1 简化模型简化模型过程特征：过程特征：爬流，表面剪切力为主，爬流，表面剪切力为主，形体力形体力(压差力压差力)为次；为次；空隙中实际速度与空隙大小有关。空隙中实际速度与空隙大小有关。简化原则：简化原则：模型与原型模型与原型表面积要相等表面积要相等 空隙容积相等空隙容积相等将原型简化成一组平行细管将原型简化成一组平行细管细管直径细管直径de4.3.2 解数学模型解数学模型细管层流细管层流得得实验得康采尼方程实验得
6、康采尼方程 uu 1润湿表面润湿表面流动空间流动空间润湿周边润湿周边流通面积流通面积 44ed床床床床VaVde)1(4 )1(4 a2132eedLu PuaLLLe 322)1(2 PuaK 322)1(uaL 322)1(5 P适用范围：适用范围：Re2床层雷诺数床层雷诺数宽范围：宽范围：细管细管4.3.3 实验验证实验验证 )1(41 auudRee221udLheef PeeduLLL221 P23)1(8uaLLe 23)1(ua 29.017.4 Re 用用 代入，得欧根方程：代入，得欧根方程：黏性项黏性项 惯性项惯性项Re 100时，可忽略黏性项。时，可忽略黏性项。影响因素分析
7、：影响因素分析：物性物性:,操作操作:u u 设备设备:,d dm m,空隙率的影响最大空隙率的影响最大,：0.30.4 0.30.4 ：185.6 185.6 23322)1(29.0)1(17.4uauaL Pevda 6 23232)1(75.1)()1(150ududLevev P32)1(例例2 要估计要估计20,1.0MPa(绝绝)的的CO通过固定床脱通过固定床脱硫器的压降硫器的压降,用用20,101.3kPa(绝绝)的空气进行实测，的空气进行实测，测得测得u=0.4m/s时时 ，u=0.9m/s时时 。求：求：CO以以u=0.5m/s通过时的通过时的 。已知：已知：20,1.0M
8、Pa(绝绝)的一氧化碳的一氧化碳 =2.410-5Pa s,=11.4kg/m3Pa/m470 LPPa/m2300 LPLP 解：解：20,常压空气常压空气=1.2kg/m3,=1.8110-5Pa s根据欧根方程，取根据欧根方程，取代入空气数据代入空气数据470=C11.8110-50.4+C21.20.422300=C11.8110-50.9+C21.20.92解得解得C1=3.9106,C2=2301一氧化碳一氧化碳 =3.91062.410-50.5+230111.40.52 =6604 Pa/m221uCuCL P221uCuCL P本例也可用本例也可用a a,表达表达,先用实验值
9、算出先用实验值算出a a、，再用再用a a、来计算实际工艺物料的压降。来计算实际工艺物料的压降。23322)1(29.0)1(17.4uauaL P4.3.4 两种实验规划方法的比较两种实验规划方法的比较量纲分析法：量纲分析法：对过程无须有深刻理解对过程无须有深刻理解,“黑箱黑箱”法。法。析因实验析因实验无量纲化无量纲化测定性实验测定性实验数学模型法：数学模型法：对过程有深刻理解，能将过程大幅度简化。对过程有深刻理解，能将过程大幅度简化。简化模型简化模型解析解解析解验证性实验验证性实验讨论讨论1 数学模型的基本方法数学模型的基本方法 在充分掌握过程本质的前提下，对复杂的过程大担、在充分掌握过程
10、本质的前提下，对复杂的过程大担、合理地简化对简化后的过程建立物理、数学模型实验验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。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。验、半理论的。3 影响床层压降的因素影响床层压降的因素 A.流速
11、的影响（同圆管）流速的影响（同圆管）层流（层流（Re3），），高度湍流（高度湍流（Re100）；）；B.物性的影响（同圆管）物性的影响（同圆管）Re3，P P,与与无关无关 Re100 P P，与，与无关无关C.床层特性的影响床层特性的影响 （1）空隙率）空隙率：空隙率空隙率对压降对压降P P的影响非常大，反映在的影响非常大，反映在 的可变性大，可靠性差；的可变性大，可靠性差；较小的误差，将引起压降明显的误差较小的误差，将引起压降明显的误差 （2）比表面积）比表面积 P P 2，对同形状颗粒，对同形状颗粒，dp，越大越大，hf（P P ）。例：其他条件不变空隙率例：其他条件不变空隙率由由0.5降为降为0.4，单位，单位 床层压降增加床层压降增加2.8倍。倍。本次讲课习题：本次讲课习题：第第4章章 1，2问题（问题（拿一张小纸写上，课后交）拿一张小纸写上，课后交）1）非球形颗粒用哪些参数来描述？）非球形颗粒用哪些参数来描述？2）计算颗粒平均直径的准则为什么？）计算颗粒平均直径的准则为什么？3）影响床层阻力最大的因素是什么？）影响床层阻力最大的因素是什么？
