Гидродинамика потоков в насадках
ГИДРОДИНАМИКА ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ
Характерной чертой двухфазных потоков является наличие границы раздела между фазами. Одна фаза называется сплошной средой, а другая распределена в ней в виде твердых частиц, капель, пузырей и называется дисперсной фазой.
Различают 2 вида двухфазных потоков:
1. Сплошная среда является газом или жидкостью, дисперсная фаза – твердая [Г-Т]; [Ж-Т]
Встречается при:
· Осаждении;
· Псевдоожижении;
· Пневмо- и гидротранспорте.
2. Системы: газ (пар) - жидкость [Г-Ж]; две несмешиваемые жидкости [Ж-Ж].
Они встречается при:
· Абсорбции;
· Ректификации;
· Экстракции;
· Мокрой пылеочистке газов.
Основное различие в их движении заключается в том, что твердые частицы практически не меняют свою форму и массу, а пузыри, капли, пленки меняют свою форму, а также и массу (из-за слияния и дробления пузырей или капель.)
Движение фаз может быть прямоточным (при пневмотранспорте или гидротранспорте) и противоточным. (Г – Ж - системы).
Основные закономерности однофазных потоков – движение в трубопроводах и аппаратах, составляющее внутреннюю задачу гидродинамики – рассмотрены нами ранее в гидравлике.
Закономерности движения двухфазных потоков более сложны.
1. Осаждение
Осаждение связано с движением взвешенных частиц в жидкости или газе под действием различных сил (тяжести, инерционных, центробежных, электростатических). Изучение закономерностей обтекания тел жидкостью или газом составляет внешнюю задачу гидродинамики.
|
|
|
Движение твердого тела в жидкости и в газе (или обтекание неподвижного тела движущейся жидкостью или газом) зависит от сопротивления среды (R ), направленного в сторону, обратную движению. Для преодоления этого сопротивления должна быть затрачена определенная энергия.
В свою очередь сопротивление среды складывается из двух составляющих: сопротивления сил трения и сил инерции, а величина его зависит от режима движения и формы обтекаемого тела.
При ламинарном движении (а), наблюдающемся при небольших скоростях и малых размерах движущихся частиц, а также при высокой вязкости среды, преобладают силы трения среды. При этом поток плавно обтекает частицу и она окружена малоподвижным пограничным слоем жидкости или газа.
С развитием турбулентности (б) все большую роль начинают играть силы инерции. Пограничный слой под действием сил инерции отрывается от поверхности движущегося тела. Это приводит к понижению давления за движущимся телом и возникновению обратных вихрей.
При этом возрастает перепад давлений жидкости или газа на переднюю и заднюю поверхности частицы. Начиная с некоторого значения критерия R е, роль лобового сопротивления, обусловленного силами инерции, становится преобладающей, а сопротивлением трения можно практически пренебречь.
|
|
|
Говорят, что режим движения частицы становится автомодельным по R е и энергия расходуется в основном на преодоление лобового сопротивления.
Для всех режимов движения справедлив обобщенный закон сопротивления среды:
где: R – сила сопротивления среды;
– коэффициент сопротивления среды;
S – площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную движению.
Поскольку R/S = ∆p, следовательно, перепад давлений, преодолеваемый движущимся телом, то 
Соответственно, уравнения для расчета могут быть получены обработкой опытных данных методами теории подобия:
На основе большого числа экспериментальных данных для шарообразных частиц диаметром d ч найден вид этой функции, при этом существуют 3 области обтекания, следовательно, то есть три режима движения.
I. Ламинарный режим ( R е < 0, 2 ).
уравнение Стокса;
II. Переходный режим (0,2 < R е < 500)
Наблюдается плавный переход от ламинарного к турбулентному, так как толщина ламинарного слоя сравнима с диаметром частиц (в трубопроводах такого перехода нет).
|
|
|
III. Автомодельный режим (500 < Re < 2*105 )
Рассмотренный закон сопротивления относится к свободному движению (без учета влияния соседних частиц) одиночных шарообразных твердых частиц.
Нижний предел применимости закона Стокса 
, ниже которого на скорость осаждения очень мелких частиц начинает влиять тепловое движение среды. Диаметр частиц соизмерим с длиной свободного пробега молекул (d = 0.1м).
Верхний предел применимости закона Ньютона 
, так как выше этого возникает вакуум за движущимися частицами (в технике практически не используется).
Для не шарообразных частиц:
где: Ф – фактор формы, учитывающий не шарообразность частицы.
Значения Ф для большинства имеются в таблицах (например, для куба Ф = 0.806) или определяется экспериментально.
При осаждении частиц в реальных условиях, необходимо учитывать рад факторов (в том числе, объемную концентрацию частиц, их формы, движение среды и другие).
Поэтому действительная скорость осаждения значительно уменьшается и часто ее принимают равной половите теоретической скорости осаждения для одиночной частицы в неподвижной среде.
При этом определяющим , то есть, основным размером аппаратов для отстаивания (отстойников) является площадь поверхности осаждения .
|
|
|
Общий закон сопротивления не зависит от природы сил, вызывающих движение твердых частиц. Для конкретных случаев имеются конкретные выражения.
R=G, следовательно, при осаждении:
;
Псевдоожиженный слой (ПС)
Он возникает при движении газа (реже жидкости) снизу вверх через слой мелких твердых частиц.
Сначало, рассмотрим слой монодисперсных шарообразных частиц.
а) при относительно небольших скоростях газа зернистый слой остается неподвижным, и его порозность не изменяется.
Порозность – это доля пустот в объеме зернистого слоя (свободный объем):
; [ 
]
Для неподвижного слоя шарообразных частиц одинакового размера 
В инженерных расчетах условно принимают 
С порозностью тесно связаны понятия фиктивной и действительнойскоростей.
Фиктивная скорость рассчитывается на пустой аппарат, то есть на его полное поперечное сечение: 
; Эта скорость чаще всего используется при расчете аппаратов.
Действительная скорость в каналах слоя будет всегда больше фиктивной:
;
Рассмотрим характер изменения сопротивления слоя от величины 
.
1. С ростом фиктивной скорости сопротивление зернистого слоя возрастает, происходит фильтрация газа через неподвижный слой.
Кривая идеального псевдоожижения монодисперсных частиц.
I – фильтрация;
II – псевдоожижение;
III – унос.
2. По достижении так называемой критической скорости псевдоожижения 
. При крторой слой скачкообразно переходит в псевдоожиженное состояние и частицы начинают хаотически перемещаться в различных направлениях. Условием этого перехода является равенство подъемной силы газа весу всех частиц слоя ( 
.
При псевдоожижении слой приобретает свойства жидкости, а именно:
а) Текучесть (из одного аппарата в другой);
б) Принимаетвнутреннюю форму аппарата;
в) Имеет четко выраженную поверхность раздела от разряженной фазы).
Тело, погруженное в ПС в зависимости от его плотности, может всплы-
вать или тонуть.
Сопротивление слоя остается постоянным, так как с ростом фиктивной скорости пропорционально увеличивается порозность и высота слоя, а действительная скорость остается постоянной !!!
3) При дальнейшем увеличении скорости газа достигается новая критическая скорость, которая называется скоростью витания, при которой частицы движутся по хаотическим траекториям, не имея поступательного движения относительно стенок аппарата.
Частица свободно витает, она не осаждается и не уносится потоком и движется независимо от других частиц. При этом 
При малейшем превышении скорости витания начинается унос частиц из слоя. Слой разрушается и переходит в состояние пневмотранспорта, поэтому 
слоя начинает уменьшаться.
Для реальных систем на кривой 
имеется пик давления, возникающий вследствие необходимости преодоления инерции покоящегося слоя и сил сцепления между частицами.
Для полидисперсных систем существует интервал критических скоростей псевдоожижения: сначала псевдоожижаются мелкие частицы, потом более крупные. Аналогичная картина наблюдается и для уноса частиц.
Таким образом, псевдоожиженный слой существует в интервале скоростей: критическая скорость псевдоожижения 
Достоинства ПС:
1) ускорение гетерогенных процессов вследствие большой поверхности контакта и ее постоянного обновления, в особенности для процессов, протекающих во внешнедиффузионной области;
2) сравнительно невысокое и постоянное гидравлическое сопротивление;
3) равномерный прогрев частиц, исключающий местные перегревы (аппарат полного смешения). ПС обладает свойством изотермичности.
Недостатки ПС:
1) значительный пылеунос, требующий использования мощной газоочистительной аппаратуры;
2) истирание частиц;
3) сепарация частиц по размерам в слое.
Области применения:
1) газификация;
2) обжиг;
3) сушка;
4) адсорбция;
5) теплообмен;
6) каталитический крекинг и др.
Отношение рабочей скорости псевдоожижения к критической скорости называется числом псевдоожижения:
Величина kw характеризует интенсивность перемешивания частиц в ПС.
Интенсивное перемешивание сухих не липких частиц достигается уже при 
Оптимальные величины для каждого процесса определяются практически, что связано с возникающей неоднородностью псевдоожижения.
Полностью однородное псевдоожижение возможно практически лишь в системе Ж – Т в которой плотности жидкой среды и твердых частиц являются величинами одного порядка).
Для системы Г – Т псевдоожижение, как правило, является неоднородным: часть газа движется в виде пузырей, которые разрушаются при достижении верхней границы слоя и вызывают колебания высоты слоя, выбрасывание из него частиц.
При малых 
неоднородность слоя не оказывает отрицательного влияния, наоборот, движущиеся пузыри способствуют перемешиванию.
При больших диаметр пузырей может достичь диаметра аппарата, и слой разделяется на отдельные части газовыми пробками. Прорыв пузыря сопровождается большим выбросом частиц. Наступает поршневое псевдоожижение, которое является нежелательным из-за колебания сопротивления аппарата, больших выбросов и ухудшения контакта между газом и твердыми частицами.
Возникновение, так называемого, поршневого режима псевдоожижения наблюдается в аппаратах с большим отношением Н/Д (узкие и высокие аппараты).
Напротив в аппаратах с малым отношением Н/Д при псевдоожижении некоторых материалов может возникнуть явление каналообразования. При этом происходит проскок («байпасирование») значительного количества газа через каналы, образующиеся в слое.
В слое образуются более уплотненные зоны, оказывающие значительное сопротивление проходу газа, вследствие чего и образуются каналы. Контакт газа с частицами ухудшается.
-для очень мелких частиц или слипающихся частиц, склонных к агломерации.
Для улучшения перемешивания могут быть использованы разновидность ПС => так называемый фонтанирующий слой и специальные газораспределительные решетки, обеспечивающие образование активных газовых струй. В последнее время с этой целью используется вибрация (ВКС).
Некоторые гидродинамические характеристики ПС.
1.Критическая скорость псевдоожижения и витания наиболее надежно определяется опытным путем. Для монодисперсного слоя шарообразных частиц при 
где:
2.Скорость витания определяется по уравнению при 
3.Для области 0.4< 
< 1 можно пользоваться методом Лященко: 
;
Зная диаметр частицы, находят 
и для задания порозности 
определяют 
. По 
→ 
, необходимую для достижения этой порозности.
4. Перепад давлений в слое: 
Это очень важная величина, так как она служит для выбора побудителя тяги.
С учетом архимедовой силы:
Перепад давления в слое (возможно для выбора побудителя тяги):
0.21;
Для критической скорости 
Отсюда высота псевдоожиженного слоя:
Аппаратурное оформление
а) цилиндроконические аппараты для монодисперсных материалов;
б) конические аппараты для полидисперсных материалов;
в) при увеличении объема газов в ходе процесса (с целью поддержания одинакового гидродинамического режима).
Важнейшим элементом этих аппаратов является газораспределительные решетки:
Существуют «провальные» и «беспровальные» конструкции решеток.
«Живое» сечение решеток 10 – 30 %;
Гидродинамика потоков в насадках
Насадки – твердые тела различной формы – часто используются в аппаратах, предназначенных для проведения массообменных процессов, процессов контактного теплообмена и др.
Назначение насадки: создание и развитие поверхности контакта между фазами (или турбулизации в пределах одной фазы).
В ряде процессов (адсорбции, ионный обмен, химические превращения) через слой насадки движутся однофазные потоки. Используемые для этих процессов насадки представляют собой, как правило, кусковые твердые материалы.
В массообменных процессах в системах Г – Ж и Ж – Ж имеют место двухфазные течения в слое насадки.
Используют насадки двух типов:
А) насыпные - насадочные тела определенной формы и размеров, изготовленные из керамики, металлов и др. (кольца Рашига h = d, седла и т.д.).
Б) регулярные – чаще всего изготавливаются из металлических листов или сеток, пластмасс.
Основные характеристики насадки:
1) Удельная поверхность а, [м2/м3];
2) Свободный объем (порозность) 
[м3/м3],
3) Эквивалентный диаметр 
, [м]
4) Коэффициент смоченности насадки 
,[%]
3.1. Гидродинамика однофазного течения через насадку
Гидравлическое сопротивление при движении однофазного потока через слой насадки определяется по формуле Дарси-Вейсбаха:
= 
Коэффициент трения 
зависит от режима движения, который определяется критерием Рейнольдса: 
где: 
фиктивная скорость; 
– действительная скорость.
Наличие насадки приводит к турбулизации потока раньше, чем в гладких трубах. При Re < 40 обтекание насадки происходит без возникновения вихрей - ламинарное движение; при Re>40 происходит турбулизация потока.
Re<40 => 
;
Re>40 => 
Эти формулы справедливы для кольцевых насадок. Для седлообразных насадок, шаров, гранул, зерен при всех режимах движения:
(зернистый слой с равномерным распределением пустот).
Для регулярных насадок существуют особые формулы
Дата добавления: 2020-11-15; просмотров: 542; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!