Пневмотранспорт и гидротранспорт

Потоки газа и жидкости используются в ряде химических производств для перемещения зернистых материалов с целью их транспортировки на различные расстояния, а также для осуществления физических и химических процессов между фазами. Перемещение зернистых материалов газовым потоком называется пневмотранспортом, а жидкостным - гидротранспортом. Оба вида транспорта могут осуществляться в горизонтальных и вертикальных трубопроводах. Наиболее простым по механизму действия и в эксплуатации является вертикальный пневмотранспорт (рис. 5.20). Зернистый материал, подаваемый питателем, разгоняется на участке длиной и достигает постоянной характерной скорости u, с которой перемещается по трубе вверх. На выходе из трубы зернистый материал отделяется от газа в сепарирующем устройстве, а очищенный от твердой фазы газ выбрасывается из системы. Пневмотранспортный трубопровод делится на два участка: в первом длиной происходит разгон твердых частиц до постоянной скорости u (разгонный участок), их концентрация на этом участке уменьшается снизу вверх; на втором (стабилизированном) участке длиной скорость и концентрация зернистого материала в потоке постоянны.

Для устойчивой работы пневмотранспорта рекомендуется скорость газа , превышающая в 1,5-2 раза скорость витания W_витсамой крупной частицы транспортируемого материала. При гидротранспорте допустимо отношение .

Отличительной особенностью гидротранспорта от пневмотранспорта является значительно меньшее отношение плотностей транспортируемых материалов и транспортирующей среды (около 2 вместо  2000). Вследствие этого гидротранспорт требует значительно меньших скоростей потока, чем пневмотранспорт.

Расчет гидравлического сопротивления аппаратов и оптимизация движения в них

Определение гидравлического сопротивления аппаратов необходимо для нахождения затрат энергии на транспорт сред через них, а также движущей силы - перепада гидродинамического напора.

Простейшим и наиболее часто встречающимся на практике случаем является транспорт сред по трубопроводам. В этом случае гидравлическое сопротивление, характеризующееся потерянным напором h_n или потерянным давлениемр_n, может быть рассчитано в соответствии с соотношениями (5.37)-(5.41):

. (5.259)

Коэффициенты гидравлического трения _г в зависимости от режима движения находятся из (5.69) или (5.103), (5.105), а при неизотермическом течении или турбулентном течении в трубопроводах с шероховатой поверхностью используются соответствующие эмпирические поправки и соотношения. Коэффициенты для всех n местных сопротивлений _м.ск, возникающих при последовательном прохождении потока через вентили, краны, задвижки, колена, врезанные расширения или сужения поперечного сечения и т.д., находятся из справочных таблиц. При изменении поперечного сечения трубопровода коэффициенты местного сопротивления относятся, как правило, к наибольшей скорости, то есть к скорости в наименьшем сечении.

Определение гидравлического сопротивления аппаратов, заполненных зернистым материалом или насадкой, производится по соотношениям (5.233), (5.235), (5.240). Расчет гидравлического сопротивления для ряда других аппаратов будет представлен ниже при рассмотрении соответствующих процессов.

Оптимизация движения в аппаратах заключается в минимизации экономических затрат на транспорт сред через них. Рассмотрим данную задачу на примере движения среды с заданным расходом по трубопроводу заданной длины. Затраты на транспорт З(критерий оптимальности) можно в этом случае представить в виде двух слагаемых, одно из которых пропорционально гидравлическому сопротивлению трубопровода р_n, а другое – количеству материала, пошедшего на его изготовление. Последнее слагаемое при фиксированной толщине стенки будет пропорционально диаметру трубопровода, тогда

. (5.260)

Величина коэффициентаа будет зависеть от толщины и длины трубопровода, срока его службы, стоимости материала; b - от расхода среды, стоимости электроэнергии и нагнетателей, создающих избыточное давление для преодоления гидравлического сопротивления. Анализ соотношений (5.68), (5.105) показывает, что потерянное давление при фиксированных расходе и свойствах среды, а также длине трубопровода зависит лишь от его диаметра. Таким образом, единственным параметром оптимизации будет являться диаметр трубопровода. Из (5.68) следует, что при ламинарном режиме движения р_n ~ d^-4, а для турбулентного из (5.105)р_n ~ d^-4,75. Тогда график зависимости затрат от диаметра будет иметь вид, изображенный на рис. 5.21, где d_опт - оптимальный диаметр трубопровода, соответствующий минимуму затрат.

Поскольку при фиксированном расходе среды ее скорость однозначно связана с внутренним диаметром трубопровода, то можно говорить об оптимальной скорости движения среды в трубопроводе.

Рис. 5.21. Зависимость затрат на транспортировку среды от диаметра трубопровода

Выбор оптимальной скорости (диаметра) аппаратов для проведения импульсо-, тепло- и массообменных процессов является более сложной задачей, так как скорость течения, как правило, влияет на кинетику соответствующего процесса и, следовательно, размер аппарата. Более подробно эти задачи будут решаться при рассмотрении соответствующих процессов.