Движение жидкости через неподвижные зернистые и пористые слои

Форма и размеры элементов зернистых слоев весьма разнообразны: мельчайшие частицы слоев осадка на фильтрах, гранулы, кусочки катализаторов, крупные насадочные тела. При этом зернистые слои могут быть монодисперсными или полидисперсными.

Зернистые слои характеризуются размерами его частиц, а также удельной поверхностью и долей свободного объема.

Удельная поверхность а (м²/м³) представляет собой поверхность элементов, или частиц материала, находящихся в единице объема, занятого слоем.

Доля свободного объема или порозность ε выражает объем свободного пространства между частицами в единице объема, занятого слоем

где V – общий объем, занимаемый зернистым слоем;

V₀ – объем занимаемый самими элементами.

Эквивалентный диаметр каналов в зернистом слое определяется по уравнению

где – кривизны каналов.

Рассмотрим подробнее гидродинамику кипящих (псевдоожиженных) зернистых слоев.

Широкое распространение процессов в кипящем слое обусловлено рядом их преимуществ таких как: псевдоожиженного подвергаются частицы значительно меньших размеров, чем частицы материалов, находящиеся в неподвижном слое; гидравлическое сопротивление кипящего слоя при этом относительно невелико, а уменьшение размеров частиц приводит к увеличению поверхности их контакта с потоком в результате возрастает скорость протекания процессов.

Здесь возможны три вида состояния слоя твердых частиц: неподвижный слой, кипящий слой и унос твердых частиц потоком.

Зависимости высоты зернистого слоя (а) и его гидравлического сопротивления (б) от скорости потока.

Скорость, при которой нарушается неподвижность слоя и он начинает переходить в псевдоожиженное состояние, называют скоростью псевдоожижения и обозначают.

Начало псевдоожижения наступает при равенстве силы гидравлического сопротивления слоя весу всех его частиц.

Скорость при которой слой разрушается и начинается массовый унос частиц потоком называется скоростью уноса или скоростью свободного витания.

В случае уменьшения скорости потока после псевдоожижения слоя наблюдается явление гистерезиса: зависимость гидравлического сопротивления неподвижного слоя от скорости потока выражается не линией АВС, прямой CD

Отношение рабочей скорости ω_О , величина которой должна находится в пределах между ω_ПС и ω_СВ к скорости начала псевдоожижения называется числом псевдоожижения К_ω

Оно характеризуется интенсивность перемешивания частиц и состояние пседоожиженного слоя.

Полностью однородное псевдоожижение практически возможно лишь при псевдоожижении твердых частиц в потоке капельной жидкости. Система газ – твердая фаза является неоднородным псевдоожижением – поршневое псевдоожижение – каналообразование – фонтанирование.

Для определения ω_ПС можно воспользоваться следующей зависимостью, где Rе_{О, ПС} – критическое значение при котором начинается псевдоожижение.

где Ф – коэффициент формы.