Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория процессов и аппаратов очистки газов. Учебно-методическое пособие
.pdf
Средняя теплоемкость для каждого потока определяется с учетом то-
го, что каждый поток представляет, в свою очередь, смесь пара и газа:
С
= С
р
/ М + (рсм / рМ)(С
гМг
рпМп
– С
ргМг
).
Пересыщение в зоне смешения
S = (p
где давление насыщенного пара p
+ p2bn) / (1 + bn)p
1
берется при температуре смеси.
нас
нас(Тсм
),
По полученным данным можно построить график функции S(n),
который имеет вид кривой с экстремумом S
наносится линия критических значений пересыщения S
учитывает рост ядер конденсации. По данным Амелина для водяного
пара, S
= exp[0,242 (M / ρ)(σ / T)
кр
1,5
]. Точки пересечения этих двух
. На этот же график
max
, которое
кр
кривых дают возможность определить зону возникновения тумана
при смешении потоков n
и n2.
1
Пример решения задачи
1. Установить возможность образования тумана при турбулентном смешении струи водяного пара с сухим воздухом. Температура
струи пара t
ление пара в струе Р
= 100 °C, струи воздуха – t2 = 15 °С. Парциальное дав-
1
= 98,42 кПа, в сухом воздухе Р2 = 0, общее дав-
1
ление В = 98,42 кПа. Отношение масс смешивающихся потоков принять равными: n
= G1 / G2 = 1, n2 = 5, n3 = 10 и n4 = 15.
1
Решение. Средняя молярная масса каждого из смешивающихся
потоков, кг / кмоль:
М = М
где М
го пара, М
М
и Мп – соответственно молярная масса воздуха и моля водяно-
в
= 29, Мп = 18.
в
= 29 + (98,42 / 98,42)(18 – 29) = 18, М2 = 29.
1
+ (Р / Р
в
)(Мп – Мв),
общ
Средняя удельная теплоемкость каждого из потоков, кДж/кг ⋅ К:
С
= (98,42 / 98,42 ⋅ 18)(2,02 ⋅ 18 – 1,01 ⋅ 29) = 2,02, С
= (1,01 ⋅ 29 / 18) +
р1
= 1,01.
р2
Отношение молярных масс:
b = M
/ M2 = 18 / 29 = 0,62.
1
Давление пара в смеси в зоне смешивания, кПа,
Р = (Р
+ Р2bn) / (1 + bn);
1
31
для n1 = 1 P = (98,42 + 0) / (1 + 0,62 ⋅ 1) = 60,75;
для n
= 5 P = 98,42 /(1 + 0,62 ⋅ 5) = 24;
2
для n
= 10 P = 13,7;
3
для n
= 15 P = 9,5.
4
Отношение удельных теплоемкостей потоков:
а = С
/ Ср1 = 1,01 / 2,02 = 0,5.
р2
Температура смеси в зоне смешения Т, К, и давление сухого на-
сыщенного пара при этой температуре Р
(Т), кПа (взять из таблиц
нас
значений для водяного пара):
Т = (Т
= 1 T = (373 + 288 ⋅ 0,5 ⋅ 1) / (1 + 0,5 ⋅ 1) = 344,6 (K) =
для n
1
= 71,6 °C, P
для n
для n
для n
(Т) = 33,6;
нас
= 5 Т = 312,3 (К) = 39,3 °С, P
2
= 10 Т = 302 (К) = 29 °С, P
3
= 15 Т = 298 (К) = 25 °С, P
4
+ Т2аn) / (1 + аn), Р
1
(Т) = 7,13;
нас
(Т) = 4,02;
нас
(Т) = 3,17.
нас
нас
(Т):
Пересыщение в зоне смешения
S = (P
для n
= 1 S = 60,75 / 33,6 = 1,8;
1
для n
= 5 S = 24 / 7,13 = 3,37;
2
= 10 S = 13,7 / 4,02 = 3,4;
для n
3
= 15 S = 9,5 / 3,17 = 3.
для n
4
+ P2bn) / (1 + bn) P
1
(Т) = Р / P
нас
нас
(Т);
Критическое пересыщение при гомогенной конденсации водяного
пара вычислим по формуле
S
= exp [0,242 (M/ρ)(σ / T)
кр
1,5
],
где σ – коэффициент поверхностного натяжения воды, Н / м (см.
прил. 2);
для n
= 1 ℓg Sкр = 0,35, Sкр = 2,24;
1
= 5 ℓg Sкр = 0,45, Sкр = 2,86;
для n
2
= 10 ℓg Sкр = 0,5, Sкр = 3,15;
для n
3
для n
= 15 ℓg Sкр = 0,51, Sкр = 3,28.
4
Из сравнения расчетных величин пересыщения S с соответствую-
щими критическими значениями S
при одинаковых отношениях
кр
смешивающихся масс n видно, что условия образования тумана создаются в той части зоны смешения, где численное значение n = 1...5.
Наибольшая вероятность образования тумана соответствует диапазону n = 5...10. В зоне, где значения n = 10...15, образование тумана
32
прекращается. Температура смеси, соответствующая началу туманообразования, составляет около 70 °С, а его окончанию – около 27 °С.
Задачи для самостоятельного решения
1. Определить параметры зоны смешения двух потоков, в которой
происходит гомогенное образование водяного тумана. Температура смешивающихся потоков Т
струе Р
ние смеси Р
, кПа, а в воздухе, в который втекает струя, Р2, кПа. Общее давле-
1
, кПа. Расчет выполнить для массовых соотношений двух
общ
и Т2, К, парциальное давление водяного пара в
1
потоков n = 1, 5, 10 и 15. Исходные данные приведены в таблице.
Вариант 1 2 3 4 5 6 7
Т
373 373 373 378 381 383 385
1
Т
288 290 292 294 296 298 300
2
Р
98,4 98,4 98,4 98,4 98,4 98,4 98,4
1
Р
10 10 10 10 10 5 5
2
Р
101 101 101 101 101 101 101
общ
Вариант 8 9 10 11 12 13 14
Т
387 389 391 393 395 397 399
1
Т
302 304 306 308 310 312 314
2
Р
101 101 101 98,4 98,4 98.4 98,4
1
Р
5 5 5 0 0 0 0
2
Р
101 101 101 98,4 98,4 98,4 98,4
общ
2. Для условий задачи 1 исходные данные приведены в таблице.
Вариант 1 2 3 4 5 6 7
Т
373 373 373 373 373 383 383
1
Т
283 283 288 288 288 298 298
2
Р
101 101 101 101 101 101 101
1
Р
0 5 10 15 20 0 5
2
Р
101 101 101 101 101 101 101
общ
Вариант 8 9 10 11 12 13 14
Т
383 383 383 393 393 393 393
1
Т
298 298 298 308 308 308 308
2
Р
101 101 101 98,4 98,4 98,4 98,4
1
Р
10 15 20 0 5 10 15
2
Р
101 101 101 98,4 98,4 98,4 98,4
общ
33
3. Определить диапазон температур парогазовой смеси, характерный для усовий образования водяного тумана. Для этого построить
график зависимости Т = f(n). Расчетные точки получить для n = 1, 5,
10 и 15. Принять давление Р
= Р1, кПа; Р2 = 0. Исходные данные
общ
приведены в таблице.
Вариант
Т
401 399 397 395 393 391 389
1
Т
316 314 312 310 308 306 304
2
Р
101 101 101 101 101 101 101
1
1 2 3 4 5 6 7
Вариант 8 9 10 11 12 13 14
Т
387 385 383 381 379 377 375
1
Т
302 300 298 298 294 292 290
2
Р
101 101 101 101 101 101 101
1
4. Рассчитать параметры зоны смешения парогазовых струй и определить условия конденсации водяного пара. Определить, при какой температуре окружающей среды (Т
нять Р
= 0. Исходные данные приведены в таблице.
2
) туман не образуется. При-
2
Вариант 1 2 3 4 5 6 7
Т
573 563 553 543 533 523 513
1
Т
373 363 353 393 383 373 313
2
Р
1200 1100 1000 500 500 500 360
1
Р
600 600 600 300 300 300 200
общ
Вариант 8 9 10 11 12 13 14
Т
503 493 483 473 463 453 443
1
Т
303 293 383 373 363 403 393
2
Р
360 360 200 200 200 101 101
1
Р
200 200 101 101 101 101 101
общ
34
8. КОАГУЛЯЦИЯ В АЭРОДИСПЕРСНЫХ
СИСТЕМАХ
Свободная, или броуновская коагуляция. В связи с тем, что броуновское движение всегда имеет место из-за молекулярно-кинетической
природы вещества, броуновская коагуляция также всегда существует. Однако столкновение, или коагуляция, твердых частиц или слипание, т.е. коалесценция, жидких капель происходит не всегда. Это
зависит
от крупности частиц: чем меньше размер частиц, тем более
эффективнее процесс коагуляции. Теория коагуляции монодисперсных частиц изучалась Смолуховским и в наше время акад. А.Н. Колмогоровым.
Кинетика изменения концентрации частиц n за время t описывает-
ся уравнением
1 / n – 1 / n
= K0t,
0
или
n = n
где К
– константа броуновской коагуляции, К0 = 8πrDт; здесь Dт –
0
коэффициент диффузии частиц аэрозоля, м
/ (1 + K0nt),
0
2
/ с.
Аналитическое решение для определения скорости полидисперсных аэрозолей оказывается весьма сложным, что обусловлено влиянием температуры и давления на константу коагуляции, как видно из
ее формулы. Увеличение счетной и массовой концентрации частиц и
их размеров приводит к снижению константы коагуляции.
Вынужденная коагуляция. Если аэрозоль находится в поле дейст-
внешних сил, то возникает вынужденная коагуляция. Все виды
вия
вынужденной коагуляции можно разделить на две группы: кинема-
тическая и направленная (ортокинетическая) коагуляция. К кинематической коагуляции относится гравитационная, градиентная и турбулентная коагуляция; к направленной – акустическая, электрическая и др.
Гравитационная коагуляция, вызванная действием гравитационного поля, приводит к различным скоростям
осаждения частиц разной крупности. С гравитационной коагуляцией связан процесс
столкновения капель жидкости диаметром 100...200 мкм с частицами
пыли размером δ
= 0,5...1 мкм. Такой процесс протекает в скруббе-
50
ре или в естественных условиях во время дождя.
35
При градиентной коагуляции столкновение частиц происходит,
когда возникает поперечное потоку ускорение, что превращается в
градиент скорости газа
2
du / dt = 1 / 2d(u
) / dx.
Это приводит к возникновению поперечной составляющей скорости частиц
V
= –1 / 2(m / 6 πμr)(du2 / dx).
x
Опыты Смолуховского показали, что градиентная коагуляция превосходит броуновскую в 15...20 раз при размерах частиц r ≥ 10 мкм, но
заметно уступает при r ≤ 0,5 мкм.
Турбулентная коагуляция это род градиетной, она зависит от
уровня турбулентности, т.е. его масштаба λ
ной пульсационной скорости газа (du / dλ
. Градиент относитель-
0
) возникает в направлении
0
нормали к линии центров частиц, что приводит к их столкновениям,
особенно у стенок каналов, где градиент скорости имеет наибольшее
значение.
Примером направленной (ортокинетической) коагуляции является
акустическая коагуляция, на которой следует остановиться подробнее.
Акустический генератор (например, свисток Гартмана) создает стоячую звуковую волну в аэрозоле. Стоячая звуковая волна
в сплошной
газовой среде представляет собой чередующиеся зоны высокого и
низкого давления. Это приводит в движение (колебание) газ, что и вовлекает в движение частицы. В полидисперсном аэрозоле это вызывает относительное движение мелких и крупных частиц, что приводит к
их коагуляции. Схемой акустической коагуляции может служить движение и столкновение
частиц r
мером r
до n
и частиц колеблющихся с акустической амплитудой X раз-
1
. В результате концентрация мелких частиц изменится от n
2
по следующей экспоненциальной зависимости:
2
частиц двух размеров – крупных, неподвижных
2
0
n
= n
exp [–2n1wX(r1 + r2)t],
2
2
0
где w – скорость движения потока, м / с; t – время, с.
Задачи для самостоятельного решения
1. Определить счетную концентрацию частиц после броуновской
коагуляции в течение времени t, c, если начальный радиус частиц
был r, мкм, массовая концентрация частиц Z, кг / м
36
3
, плотность час-
тиц ρ, кг / м3, константа коагуляции К0, м3 / с. Исходные данные приведены в таблице.
Вариант 1 2 3 4 5 6 7
t 1 10 3 5 4 2 7
10–2 r 3 30 0,2 4 60 5 40
10–3 Z 1,2 1,5 4 2,8 0,28 40 2
10–3 ρ 7,8 7,0 6,5 7,8 4,5 3,8 1,9
–16
10
K0 3 3 2 1,0 4 2,8 4
Вариант 8 9 10 11 12 13 14
t 6 0,1 1,5 0,8 9 2 0,05
10–2 r 2 10 100 1 2 7 3
10–3 Z 1,5 0,8 1,5 15 11 4 6,5
10–3 ρ 1,8 2,2 4,3 4,0 5,5 6,8 5,6
–16
10
K0 5 6 1 20 300 2 1,8
2. Определить размер частиц аэрозоля после коагуляции в течение
t, с, используя исходные данные задачи 1.
Задание по исследованию движения частиц
в акустическом поле
*
Исследование движения частиц в акустическом поле состоит в
изучении с помощью компьютерной модели процесса движения частиц в акустическом поле.
В результате моделирования необходимо определить амплитуду
колебания частиц X при переменных параметрах акустического поля:
f – частоте звуковых колебаний или I – интенсивности звуковых колебаний; либо при переменных значениях параметров аэрозоля:
пературы газа Т, вязкости газа μ или плотности частиц ρ
.
т
тем-
Затем следует сравнить полученные амплитуды со средними расстояниями между частицами, вычисленными по формуле ℓ
0,33
/ Z )
(ρ
т
*
Исследование проводится с помощью программы расчета движения
частиц, разработанной доц. И.А. Левицким, которая находится в компьютерном зале кафедры ТЭМП (файл akust.exe).
, м. Исходные данные приведены в следующих таблицах.
= 1,6r
ср
37
0,05...10
0,05...10
0,05...10
0,05...10
0,05...10
0,05...10
0,05...10
1 0,75 0,1 0,75 1 0,5 0,1 1
2
100 200 150 300 50
) 0000000000
) 000000000
г
т
X(f) 000000000
X(ρ
X(μ
3
X(I) 00000000000
X(T) 0000000000
Вариант 1; 6; 11 2; 7; 12 3; 8; 13 4; 9; 14 5; 10; 15
Вариант 1; 2 3; 4 5; 6 7; 8 9; 10 11; 12 13; 14 15
Z, мг /м
20 50 80 100 30 40 60 70
200 500 1000 1200 2000 7500 5000 10000
2000 1500 1000 5000 6000 3000 2000 1500
3
лебаний I, Вт / см
Диаметр трубы, d м 1 0,5 1,5 0,75 1,2 1,5 0,5 0,75
Интенсивность звуковых ко-
Частота звуковых колебаний
f, Гц
Температура газа T, °C
Плотность пылевых частиц
18 18 18 18 18 18 18 18
μ, Па ⋅ с
6
, кг / м
т
ρ
газа при н. у. 10
Радиус пылевых частиц r, мкм 0,05...10
Динамическая вязкость
29 29 29 29 29 29 29 29
1,29 1,29 1,29 1,29 1,29 1,29 1,29 1,29
3
, кг / м
г
ρ
Плотность газа при н. у.
Молярная масса M,
кг / кмоль
Скорость звука в газе C, м / с 345 345 345 345 345 345 345 345
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ*
(Часть I)
1. В какие виды энергии может переходить (преобразовываться)
поверхностная энергия АДС?
2. Как выглядит связь внутреннего давления капли с кривизной
поверхности или с величиной ее радиуса?
3. Объясните, почему форма капли всегда сферическая.
4. Как меняется энергия Гиббса (или реакционная способность
АДС) с ростом дисперсности АДС?
5. От чего зависит работа
при изотермическом процессе измене-
ния объема (т.е. сжатия)?
6. Как выглядит уравнение Кельвина – Томпсона для фактора ин-
тенсивности конденсации (пересыщения)?
7. Как выглядит график зависимости S(r)? Что он демонстрирует?
8. Как влияет дисперсность частиц АДС на их температуру фазо-
вого перехода?
9. В чем состоит метод создания объемного газового заряда ионов
10. Как определить условие образования тумана при смешении
влажных потоков?
11. В чем заключается седиментационный способ анализа дис-
персности частиц?
12. Назовите несколько видов коагуляции частиц. Зависит ли она
от их размеров?
13. Что значит «изотермическая перегонка»? Поясните на графике.
14. Запишите простейший вид уравнения движения аэрозольных
частиц.
15. Какова природа сил адгезии
пылевых частиц?
16. Дайте пример графического представления функции плотно-
сти распределения частиц по размерам.
17. Объясните действие аэрозольного баллончика.
18. Как графически определить медиану распределения частиц по
размерам?
19. Перечислите основные условия моделирования течения двух-
фазного потока.
20. Перечислите методы определения размеров частиц аэрозоля.
21. Что общего в различных видах фореза частиц?
?
*
См. об этом: Белоусов В.В. Теоретические основы процессов газоочист-
ки: Учеб. для вузов. М.: Металлургия, 1988. С. 12–147.
39
22. Какие опыты подтверждают молекулярно-кинетические свой-
ства аэрозолей?
23. Чем отличаются индикатрисы молекулярного и аэрозольного
рассеяния света?
24. Перечислите статистические параметры распределения частиц
по их размерам.
25. Что характеризует изотерма адсорбции газов?
26. На каком условии основан вывод формулы для скорости седи-
ментации?
27. В чем состоит физическая модель процесса абсорбции газовых
примесей
в жидкой фазе?
28. Назовите основные виды аэрозолей и дайте их краткую харак-
теристику.
29. Перечислите виды коагуляции частиц. Как броуновская коагу-
ляция зависит от размеров частиц?
30. Происхождение и классификация аэродисперсных систем.
31. В каком диапазоне размеров капель справедлив закон Срез-
невского в процессе их конденсации (испарения)?
32. Какие способы можно рекомендовать
для интенсификации
процесса коагуляции частиц?
33. Что такое седиментация и возможна ли искусственная седи-
ментация?
34. От чего (от каких параметров) зависит величина электрическо-
го заряда частицы, если механизм зарядки – ударный ионный?
35. Как сказывается турбулентность потока на движение аэро-
зольных частиц?
36. Что характеризует изотерма адсорбции газов по Ленгмюру?
37. Покажите на
графике моду и медиану распределения частиц
по размерам.
38. Напишите уравнение движения аэрозольных частиц в безраз-
мерном виде.
39. Какова форма частиц конденсационного и диспергационного
происхождения?
40. Как зависит величина электрического заряда от напряженно-
сти электрического поля?
41. Назовите условие диффузионно-седиментационного равнове-
сия в аэрозолях.
42. В чем аналогия термофореза и турбофореза
аэрозольных частиц?
43. Как сказывается на изотермической перегонке наличие в воз-
духе электрически заряженных частиц?
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]