ПАХТ (все лекции)

Здесь Мч и Vч - масса и объем твердых частиц соответственно; M и V - масса и объем несущей среды. Объемная концентрация на практике обычно достигает 4%.

Рассмотрим вертикальный трубопровод. При гидро- и пневмотранспорте зернистых материалов в вертикальных трубопроводах скорость потока жидкости (газа) должна быть больше скорости витания наиболее крупных частиц. Перемещение частиц в вертикальной трубе возможно как при турбулентном, так и при ламинарном режимах движения жидкости. Скорость транспортирования частицы wтр определяется как разность скорости потока wп и скорости витания частицы wв :

Для устойчивой работы вертикального транспорта предлагается для

пневмотранспорта wп / wв 1,3 3, для гидротранспорта wп 5. wв

Согласно формуле (3.25) гидротранспорт требует значительно меньших скоростей несущего потока, чем пневмотранспорт, поскольку скорость витания в газе твердой частицы гораздо больше соответствующей скорости в жидкости.

На рис. 3.6 представлена схема вертикального пневмотранспорта. На участке l p

зернистый материал разгоняется до постоянной скорости. В разгонном участке концентрация зернистого материала в потоке не постоянна, она уменьшается снизу вверх.

Рис. 3.6 Вертикальный пневмотранспорт.

На стабилизированном участке lc концентрация зернистого материала в потоке уже постоянная.

Перепад давление в вертикальном гидро- и пневмотранспорте определяется по формуле:

Здесь - pст - статическое давление, создаваемое столбом двухфазной системы;pг - гидравлическое сопротивление несущей среды; pт - потеря на трение между частицами и при движении частицы относительно несущей среды; p р - потери на

Рассмотрим горизонтальный трубопровод. При движении двухфазной системы в горизонтальных трубопроводах под действием силы тяжести возможно осаждение твердых частиц на дно трубопровода. Во избежание этого скорость потока должна быть достаточно большой. Её можно оценить зная массу частицы m. Чтобы поддержать частицу во взвешенном состоянии, ей должна быть сообщена несущей средой мощность Nт , равная:

где woc - скорость осаждения частицы.

Эта мощность передается от несущей среды к твердым частицам турбулентными пульсациями. Мощность потока несущей среды можно определить по формуле:

где V – объемный расход несущей среды, p - потеря давления несущей среды, D

Не проводя экспериментов ориентировочно оценим значение wср . При движении частиц в горизонтальном трубопроводе на частицу действуют сила тяжести и

сопротивления среды. Под действием этих сил частица движется в ламинарном потоке по пологой траектории и достигает стенки трубы. В турбулентном потоке осаждению частиц препятствуют направленные вверх пульсационные движения со

скоростью wy . Поскольку пульсации происходят как вверх, так и вниз, траектория

отдельной частицы представляет собой волнистую линию. Силу турбулентной пульсации определим как:

в трубе).

Необходимо отметить, что если частица окажется внизу в пределах ламинарного подслоя и толщина ламинарного подслоя и размер частиц одного порядка, то на частицу будет действовать подъемная сила согласно уравнению Бернулли:

Здесь - коэффициент сопротивления частицы.

По опытным данным установлено, что коэффициент сопротивления составляет около 25% коэффициента лобового сопротивления свободного осаждения (рис. 3.7).

Для обеспечения гидротранспорта по горизонтальной трубе должно соблюдаться

Исходя из соотношения (3.46) можно ориентировочно оценить необходимую скорость транспортирующей (несущей) среды:

Рис. 3.7 Схема сил, влияющих на твердую частицу.

Как известно, для турбулентного потока wcp 0,75 0,90 wocp.

Скорость потока, при которой не происходит осаждение твердых частиц на дно трубопровода, называется критической.

Экономически более выгодна организация гидро- и пневмотранспорта при скоростях равных или несколько превышающих критическое значение скорости wкр .

При скоростях меньше wкр начнется заиление трубопровода, а при скоростях,

значительно превышающих wкр , будут большие гидравлические потери.

Потеря давления ртр в горизонтальном гидро- и пневмопроводе слагается из потерь давления несущей среды p и потери давления, обусловленной движением

Транспортирование кусковых материалов характеризуется тем, что они перемещаются в пристеночной области потока или по дну трубопровода. В зависимости от крупности частиц, формы и их концентрации движение происходит (при наличии влечения частиц) по нижней стенке трубопровода или прерывным взвешиванием так, что в пристеночной области образуется подвижная шероховатость.

сопротивления, то частица будет двигаться по дну трубопровода. Если сила трения

больше силы лобового сопротивления, то произойдет заиление трубопровода, частица останется лежать на дне.

При заилении трубопровода живое сечение потока уменьшается и, как следствие, скорость потока увеличивается и транспортирование зернистого материала идет во взвешенном их состоянии. Происходит процесс саморегулирования режима транспортирования.

Однако при заилении возникает неустойчивый режим работы, что может привести к срыву процесса транспортирования.

3.1.5.1. Пневмотранспорт заторможенным плотным слоем (ЗПС)

Недостатки классического пневмотранспорта:

-большой расход воздуха из-за низкой концентрации транспортируемого зернистого материала;

-большая скорость витания твердой частицы и, как следствие, большие скорости двухфазной системы;

-износ трубопроводов и зернистого материала;

-накапливание статического электричества.

Всех этих недостатков не имеет новый способ пневмотранспорта – пневмотранспорт ЗСП, разработанный и исследованный на кафедре гидравлики КГТУ (КХТИ) (Б.Ф. Степочкин, Ю.И. Разинов).

Торможение транспортируемого материала с помощью клапана или диафрагмы, установленного на выходе из транспортного трубопровода сильно изменяет структуру двухфазной системы в транспортном трубопроводе, концентрация зернистого материала приближается к предельной (лишь на 5 -10% ниже концентрации насыпного слоя транспортируемого материала). Если частицы

Здесь рф - потери давления на фильтрацию газа через «пористый поршень»,

рт - потери давления на трение между частицами.

Новый способ пневмотранспорта ЗПС экономически более выгоден, чем классический: КПД установки пневмотранспорта ЗПС составляет 12-20 % КПД установки классического пневмотранспорта при аналогичных условиях – 6-10%.

Пневмотранспорт ЗПС может применятся для транспортирования зернистых материалов на небольшие расстояния: для вертикального пневмотранспорта - 12 15м , для горизонтального – до 50м.

Пневмотранспорт ЗПС особенно эффективен при совмещении его с технологическим процессом, так как время контактирования газа с твердой фазой достаточно велико даже при небольших длинах транспортирования из-за возможности установления низких скоростей движения материала.

Пневмотранспорт ЗПС может быть применен для дозирования сыпучих материалов. В этом случае одна питающая емкость может обслуживать несколько дозирующих устройств, причем расход зернистого материала в каждом уз них можно легко регулировать путем соответствующих тормозящих насадок или диафрагм.

3.2. Система газ (пар) – жидкость

Многочисленные промышленные технологические процессы происходят при взаимодействии жидкости и газа (пара). Возможны случаи:

-жидкость движется в газе в виде тонкой пленки противотоком или прямотоком;

-движение капель жидкости в потоке газа или в неподвижной среде;

-движение газовых пузырей в жидкости.

Во всех случаях реализуется развитая межфазная поверхность, что необходимо для проведения тепло- и массообменных процессов и химических реакций.

3.2.1. Пленочное течение жидкости

Пленочное течение жидкости по вертикальным плоским и цилиндрическим стенкам широко используется в технологических процессах. При небольших скоростях (до 3 м/с) его влияние на течение пленки жидкости незначительно. Поскольку толщина пленки значительно меньше радиуса технологического аппарата, по которому она стекает, то поверхность обычно рассматривают как плоскую.

Рассмотрим гравитационное ламинарное течение вязкой жидкости в виде пленки по вертикальной плоской поверхности без учета влияния на течение газового потока

(рис. 3.8).

Для одномерного движения пленки жидкости вдоль оси z уравнение Навье – Стокса имеет вид:

Будем считать, что движение стационарное wz 0.t

В условиях волнообразования существенную роль играют капиллярные силы, возникающие при деформации пленки. Они соизмеримы с силами вязкого трения. При волнообразовании увеличивается свободная поверхность пленки и несколько уменьшается средняя толщина пленки ср :

Изучение турбулентной падающей пленки проводится с использованием модели пристенной турбулентности Прандтля.

Рассмотрим движение пленки жидкости, взаимодействующей с газовым потоком. Пусть будет противоток: пленка жидкости вниз, газ – вверх. С возрастанием скорости газа сила его трения о поверхность жидкости увеличивается. Как в газе, так и в жидкости на поверхности их раздела возникают напряжения . При этом движение жидкой пленки начинает тормозиться, причем её толщина увеличивается, а средняя скорость уменьшается. При определенной скорости газа ~ 5 10м / с достигается равновесие между силой тяжести, под действием которой движется пленка, и силой трения у поверхности пленки, тормозящей её движение. Это приводит к захлебыванию аппарата. Для случая захлебывания средняя скорость по высоте стенки равна нулю wzcp 0 (рис. 3.9).

Рис. 3.9 Схема взаимодействия пленки жидкости с газовым потоком. (направо скорость газа увеличивается, wг з - скорость захлебывания).

Учет напряжения сдвига на свободной поверхности жидкости приводит к

Значение может быть определено экспериментальным путем или установлено решением сопряженной задачи взаимодействия жидкостного и газового потоков.

В общем случае возможно 4 варианта взаимодействия жидкостного и газового потоков:

- противоток (жидкость – вниз, газ - вверх);

-восходящий прямоток (жидкость и газ - вверх);

-нисходящий прямоток (жидкость и газ - вниз);

-захлебывание.

Восходящий прямоток реализуется тогда, когда скорость газового потока выше скорости захлебывания. В случае нисходящего прямотока средняя скорость жидкой пленки wzcp возрастает за счет увлечения газовым потоком, а толщина

уменьшается.

Большие скорости газа wzcp 15 30м / с приводят к брызгоуносу.

Влияние ПАВ на пленочное течение. ПАВ концентрируется на свободной поверхности пленки и изменяет поверхностное натяжение жидкости. Возникает сила, способствующая гашению волн. Переход к турбулентному режиму течения затягивается Reпл от 1600 до 5000 .

Влияние шероховатости на пленочное течение. Шероховатость твердой поверхности приводит к турбулизации потока жидкости, толщина жидкой пленки увеличивается: шерох г ладк на 20 70%.

3.2.2. Образование и движение капель и газовых пузырей. Барботаж

Диспергирование жидкости и газа в целях увеличения межфазной поверхности широко применяется в промышленной технологии (абсорбция, ректификация, экстракция и т.д.). Во всех случаях необходимо знать размеры, частоту образования и закономерности движения капель и пузырей.

Диспергирование капельных жидкостей в газовой среде. Возможны два режима диспергирования при истечении жидкости из отверстия: капельный и струйный. В первом случае капля образуется непосредственно при истечении жидкости из отверстия. Во втором случае из отверстия вытекает струя, распадающаяся в дальнейшем на полидисперсные капли.

Рассмотрим капельный режим истечения жидкости в газовой среде (рис.

3.10). Этот режим реализуется при небольших скоростях подачи жидкости w . Определим диаметр капли dк в момент отрыва от сопла. Будем считать каплю

сферической. Вблизи отверстия перед отрывом капли образуется более тонкая шейка dш .