Движение жидкости (газа) через слои пористых и зернистых твердых материалов

В различных технологических процессах часто приходится сталкиваться с движением потока через слои зернистых или кусковых материалов, а также насадочных элементов разнообразных размеров и формы. При этом слой может быть монодисперсным (состоять из частиц одинакового размера). Такое движение характерно для гидромеханических процессов, осуществляемых в скрубберах, фильтрах, центрифугах, сушилках, адсорберах, экстракторах, химических реакторах и других аппаратах.

При заполнении жидкостью или газом свободного пространства между частицами слоя поток одновременно обтекает отдельные частицы или элементы слоя и движется внутри пор и пустот, образующих систему извилистых каналов переменного сечения. В зависимости от скорости потока возможны следующие случаи:

– жидкость или газ при небольшой скорости потока проходят через слой, как через фильтр. При этом твердые частицы, образующие слой, находятся в состоянии покоя и перепад давления или сопротивление слоя по мере увеличения скорости потока тоже увеличивается;

– слой частиц твердого материала при достижении определенной скорости потока начинает заметно увеличиваться в объеме, отдельные частицы его приобретают способность перемещаться и перемешиваться, а перепад давления, т.е. сопротивление слоя, становится постоянным;

– частицы материала слоя при дальнейшем увеличении скорости потока жидкости или газа увлекаются потоком и образуют взвесь. Это состояние наступает тогда, когда сопротивление движению отдельной частицы, взвешенной в жидкости или газе, становится равным весу частицы в данной среде. Такое состояние слоя твердого материала называют псевдоожиженным, а слой – кипящим. Скорость частиц твердого материала, взвешенных в потоке, называют скоростью витания ;

– при увеличении скорости потока до величины, большей скорости витания, т.е. , твердые частицы выносятся потоком из аппарата;

– если скорость потока меньше скорости витания, т.е. , взвешенные твердые частицы под влиянием силы тяжести осаждаются.

Основными характеристиками слоя зернистого или кускового материала являются порозность , размер частиц , их геометрическая форма и удельная поверхность .

Порозность представляет собой долю свободного объема в общем объеме слоя

(1.97)

где – объем слоя, свободный объем и объем твердой фазы соответственно; – насыпная плотность зернистого материала и плотность самого материала.

Удельная поверхность f (м²/м³) – это поверхность твердых частиц в единице объема слоя. В монодисперсном слое шарообразных частиц диаметром удельная поверхность может быть определена через порозность слоя и размер частиц:

. (1.98)

Эквивалентный диаметр каналов, образуемых пустотами между частицами твердого материала, может быть также рассчитан с помощью порозности слоя и размера частиц:

. (1.99)