- •Раздел I гидромеханические процессы
- •Основы гидравлики
- •Основные свойства жидкостей в гидравлике
- •Элементы гидростатики
- •Уравнения гидростатического равновесия
- •Давление жидкости на дно и стенки сосуда
- •Практическое использование законов гидростатики
- •Элементы гидродинамики
- •Основные понятия и определения
- •Уравнения динамического равновесия жидкости
- •Основные уравнения гидравлики
- •Уравнение неразрывности или сплошности потока
- •Уравнение Бернулли
- •Теория движения жидкости по трубам
- •Распределение скоростей по сечению трубопровода
- •Сопротивления в трубопроводах
- •Гидродинамическое подобие
- •Движение твердых тел в жидкости (газе)
- •Движение жидкости (газа) через слои пористых и зернистых твердых материалов
- •Движение жидкости через неподвижный слой
- •Движение жидкости через псевдоожиженный слой
- •Перемещение жидкостей. Насосы
- •Общие сведения
- •Основные характеристики насосов
- •Объемные насосы
- •Лопастные насосы
- •Струйные насосы
- •Пневматические насосы
- •Сжатие и разрежение газов
- •Общие сведения
- •Термодинамические основы процесса сжатия газов
- •Поршневые компрессионные машины
- •Установка поршневых компрессоров и вакуум-насосов
- •Центробежные и осевые компрессионные машины
- •Роторные компрессионные машины
- •Струйные компрессионные машины
- •Разделение неоднородных систем
- •Характеристика неоднородных систем и методов их разделения
- •Материальный баланс процесса разделения
- •Разделение неоднородных систем осаждением
- •Отстаивание
- •Устройство отстойников
- •Расчёт отстойников
- •Осаждение под действием центробежной силы
- •Мокрая очистка газов
- •Осаждение под действием электрического поля
- •Устройство и расчёт электрофильтров
- •Фильтрование
- •Скорость фильтрования
- •Фильтровальные перегородки
- •Перемешивание в жидких средах
- •Общие сведения
- •Степень перемешивания
- •Интенсивность перемешивания
- •Эффективность перемешивания
- •Механическое перемешивание
- •Мощность, потребляемая механическими мешалками
- •Сравнительная характеристика и область применения механических мешалок
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 называютпсевдоожиженным, а слой –кипящим. Скорость частиц твердого материала, взвешенных в потоке, называютскоростьювитания;
– 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.
Порозностьпредставляет 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 поверхностьf(м2/м3) – это поверхность твердых частиц в единице объема слоя. В монодисперсном слое шарообразных частиц диаметромудельная 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)
Движение жидкости через неподвижный слой
Закон сопротивления для неподвижного слоя зернистых материалов по аналогии с уравнением (1.60) может быть записан в виде
, (1.100)
где – потеря напора при движении потока жидкости или газа через слой;– высота слоя;– скорость потока;– эквивалентный диаметр каналов между твердыми частицами;– коэффициент гидравлического сопротивления слоя.
В уравнение (1.100) входит трудно определяемая действительная скорость движения потока. Обычно ее выражают через скорость, условно отнесенную к полному поперечному сечению слоя или аппарата. Эту скорость, равную отношению объемного расхода жидкости ко всей площади поперечного сечения слоя, называют фиктивной скоростью и обозначают через . Зависимость между действительной скоростью и фиктивной выражается соотношением
. (1.101)
В действительности скорость меньше, чем это следует из соотношения (1.101) из-за кривизны каналов. Однако это различие не оказывает существенного влияния на вид расчетной зависимости для определения гидравлического сопротивления.
Если ввести поправку на извилистость каналов , подставить значенияи, получим
(1.102)
либо
, (1.103)
где – плотность жидкости, движущейся через слой.
Величина является функцией режима течения потока через слой. Критическое значение критерия Рейнольдса при этом, соответствующее концу ламинарного режима, принимают равным. В случае ламинарного режима для определенияможно воспользоваться выражением, полученным ранее для потока в прямой трубе, согласно которому
. (1.104)
Тогда
(1.105)
либо
. (1.106)
При турбулентном режиме определение связано с дополнительными трудностями из–за влияния шероховатости поверхности твердых частиц. Поэтому на практике пользуются универсальной полуэмпирической формулой, позволяющей определять перепад давленияpв неограниченном интервале значений Re:
. (1.107)