Đang tải... (xem toàn văn)
Bài giảng Quá trình thiết bị công nghệ hóa học: Chương 10 - Thuỷ động lực học của lớp hạt được biên soạn với các nội dung chính sau: Động lực học của chất lỏng; Thuỷ động lực học của lớp hạt; Thuỷ động lực học của dòng 2 pha khí - lỏng. Mời các bạn cũng tham khảo bài giảng tại đây!
Thuỷ%động%lực%học%của%lớp%hạt Giảng&viên:&Nguyễn&Minh&Tân& Bộ&mơn&QT7TB&CN&Hóa&học&&&Thực&phẩm Trường&Đại&học&Bách&khoa&Hà&nội Động%lực%học%của%chất%lỏng Trạng&thái&lỏng&giả/Fluidization Động%lực%học%của%chất%lỏng Thuỷ%động%lực%học%của%lớp%hạt Hệ pha lỏng– rắn - Lớp hạt rắn thiết bị trạng thái tĩnh (trong tháp đệm trình chưng luyện, tháp xúc tác dị thể phản ứng hóa học) - Lớp hạt rắn thiết bị trạng thái lơ lửng (tầng sôi) - Lớp hạt chuyển động với dịng khí (q trình vận chuyển khí thổi) Q trình tầng sơi vận dụng để tiến hành q trình hóa học xúc tác dị thể để khí hóa nhiện liệu rắn, tháp hoạt hóa than hoạt tính, lị đốt pirit sản xuất H2SO4, thiết bị sấy nông sản dạng hạt Quá trình tầng sơi có ưu điểm: nhanh mãnh liệt, hiệu cao chất lượng sản phẩm đồng đều, thiết bị cấu tạo đơn giản Thủy động lực học lớp hạt Chế độ thủy động lực lớp hạt ΔP D C B A w k w k w - Khi ww K (là vận tốc giới hạn lớp sôi hay gọi vận tốc phụt): Các hạt bị dịng khí theo chuyển động với dịng khí giống q trình vận chuyển hạt rắn khí thổi Khi trở lực lớp hạt lại tăng với tăng vận tốc dịng khí Thủy động lực học lớp hạt Trở$lực$của$lớp$hạt Khi chất lỏng (khí) chảy qua lớp vật liệu rắn dạng hạt, ta xem chuyển động dọc theo khe trống hạt lớp xốp Đặc trưng lớp hạt xốp - Bề mặt riêng: f [m2/m3] tổng bề mặt hạt vật liệu tính đơn vị thể tích lớp hạt chiếm - Thể tích tự (độ xốp) ε[m3/m3] tỉ lệ tổng khoảng không gian trống hạt thể tích khoảng thiết bị có chứa lớp hạt Bề mặt riêng thể tích tự lớp hạt phụ thuộc: - hình dạng - kích thước - cách xếp lớp hạt thiết bị (các hạt đổ lộn xộn hay xếp theo thứ tự) Thủy động lực học lớp hạt Trở$lực$của$lớp$hạt Tổn thất áp suất dòng chảy qua lớp hạt tính theo cơng thức: #p = " !0 w 2 l " =! d tđ ,N /m λ: l: dtđ: hạt, m ρ0 : w0: ξ0: khối lượng riêng dòng chảy, kg/m3 vận tốc dịng khí (lỏng), m/s hệ số trở lực, hệ số trở lực ma sát chiều cao lớp hạt, m đường kính tương đương khe λ =f(Re)=A/Re - Muốn tính trở lực lớp hạt, trước tiên phải xác định λ - Xác định λh dựa vào chế độ chuyển động dòng Thủy động lực học lớp hạt Trở$lực$của$lớp$hạt Reh < 50: 220 !h = Re h 11,6 !h = 0, 25 Re h Reh = 50 - 7200: Khi Reh > 7200 có: Re hạt: Re h = !h = 1,26 wd h ! µ Đường kính tương đương rãnh là: ) "d & 4''1 # n $$ 4V % = !d d td = td = ( 6"d Fuot (1 # ! ) n 6d "d h! d td = 1# ! hạt có hình dạng bất kỳ: ! hệ số phụ thuộc vào hình dạng hạt với hạt cầu: != Thủy động lực học lớp hạt Trở$lực$của$lớp$hạt vận tốc chảy qua lớp hạt: Trở lực lớp hạt A l (1 # " ) $p = i Re h d " ! & wd h ' # !! µ % " (h = f (Re h ) = f $$ w ! Re dòng chảy thiết bị: Re = l w $ (1 & # ) 'p = %h "! dh # w0 = "! = ! w0 d td # µ = w "d h! # " = Re h ! (1 $ ! ) µ 1$ ! hệ số hình dạng phụ thuộc vào kích thước hình dáng hạt, xác định thực nghiệm d h! Re h % 35 : "# = 0,0091 Eu Re h (1 $ ! ) l d h! Re h = 50 ÷ 7200 : "# = 0,713 Eu Re h (1 $ ! ) l "p Eu = ! w2 Thủy động lực học lớp hạt Xác$định$vận$tốc$của$dòng$chảy$qua$lớp$hạt Tại chế độ chuyển động khác nhau: Re h " 35 # !Ar " 3,58.103 : Re h = 0,0091!Ar Re h = 50 ÷ 7200 # 9,86.103 " !Ar " 31,14.106 : Re h = 0,367(!Ar ) 1, 57 Biết Reh , tính vận tốc thăng bằng; w w "= wk! !=2 "!2 k số tầng sôi tầng sơi có cường độ khuấy đảo mãnh liệt lớp hạt trở nên không đồng đều, đầu xuất bọt khí rải rác theo mức độ tăng w, bọt lớn lên hòa vào choán đầy khoang thiết bị, làm cho lớp hạt phân tầng Các hạt bị bắn tung lên dễ bị dịng khí theo Thủy động lực học lớp hạt Xác$định$vận$tốc$của$dịng$chảy$qua$lớp$hạt Tính vận tốc lắng Trong môi trường chân không, vật thể rơi tự với vận tốc w = g! , m / s Với vật thể có kích thước bé 100micro met, sức cản môi trường tăng nhiều so với trọng lực, sau thời gian rơi, lực cản (kể lực đẩy Arsimet) cân với trọng lực vật bắt đầu rơi với vận tốc không đổi Vận tốc gọi vận tốc lắng Thủy động lực học lớp hạt Xác$định$vận$tốc$của$dòng$chảy$qua$lớp$hạt Theo định luật Newton: Trở lực môi trường tỉ lệ với diện tích mặt chiếu hạt thẳng góc với phương chuyển động khối lượng riêng mơi trường w0 S = "F! ,N Với hạt cầu "d h2 w02 S =# !0 , N F= !d h2 Lực trọng lượng hạt mơi trường có khối lượng riêng ρ0: G= "d h3 (! h # !0 )g , N Hạt có vận tốc rơi khơng đổi (với vận tốc lắng) S=G "d h2 w02 "d h3 (! h $ !0 )g # !0 = gd h (" h # " ) w0 = 3!"0 Thủy động lực học lớp hạt Xác$định$vận$tốc$của$dịng$chảy$qua$lớp$hạt Tính vận tốc lắng 24 Re " ! # = Re Với hạt cầu phương trình Stokes d h2 (! h " ! ) w0 = g, m / s 18µ q trình lắng tn theo định luật Stokes: - Trở lực môi trường tỉ lệ bậc với vận tốc lắng hạt S = 3!d h µw0 , N - Vận tốc lắng tỷ lệ với bình phương đường kính hạt - Định luật Stokes ứng dụng phạm vi: Giới hạn Re - Đường kính hạt khơng vượt q giá trị cực đại ứng với Re=2 2µ dh = = w0 ! 36 µ µ # 1,3753 ,m (! h " !0 )!0 g (! h " !0 )!0 Thủy động lực học lớp hạt Xác$định$vận$tốc$của$dịng$chảy$qua$lớp$hạt Tính vận tốc lắng Giới hạn vận tốc lắng xác định kích thước hạt đạt quãng đường tự trung bình l0 mơi trường: 3!d h µw0 S= ,N l0 Qng%đường%tự%do% 1+ A trung%bình%của%phân%tử% d khí,%m Hằng%số,%A=%14%- 20 Vận tốc lắng & l0 # w0 = d (( h ' ( )g $$1 + A !!, m / s dh " % h Thủy động lực học lớp hạt Xác$định$vận$tốc$của$dịng$chảy$qua$lớp$hạt Tính vận tốc lắng ! Re ! 500 Vận tốc lắng tính phương trình Allen w0 = 114d h (" h # " ) , m / s !"0 Thủy động lực học lớp hạt Xác$định$vận$tốc$của$dịng$chảy$qua$lớp$hạt Tính vận tốc lắng 500 ! Re ! 150000 Vận tốc lắng tính phương trình Newton w0 = 5,48 d h (" h # " ) !"0 ,m/ s - Để xác định vận tốc lắng, cần phải biết Re, cơng thức tính Re, lại có đại lượng vận tốc w0 Phải giả thiết Re, sau tính xong w0, phải kiểm tra lại giá trị Re Thủy động lực học lớp hạt Xác$định$vận$tốc$của$dịng$chảy$qua$lớp$hạt Tính vận tốc lắng phương pháp Liasenco (1) Tính chuẩn số Ar: d h3 g (! h " ! ) Ar = v !0 (2) Từ giá trị Ar, tính Re Ar Ar Ar ! 36 : Re = hay Re = 24 18 1, & Ar # & Ar # 36 ' Ar ' 84000 : Re = $ ! hay Re = $ ! % 18,5 " % 13,9 " Ar ! 84000 : Re = Ar = 1,71 Ar 0,44 1, Thủy động lực học lớp hạt Xác$định$vận$tốc$của$dịng$chảy$qua$lớp$hạt Tính vận tốc lắng phương pháp Liasenco (3) Tính vận tốc lắng theo phương trình: µ Re w0 = " ,m/ s d h !0 φ: hệ số dạng hạt, hạt cầu : φ=1 cịn hạt có dạng khác: φ< -Theo thực nghiệm:khi lắng chế độ xốy Hạt trịn: φ= 0,77 Hạt dạng góc cạnh: φ= 0,66 Hạt dạng dài: φ = 0,58 Hạt dạng mỏng: φ= 0,13 Với hạt có dạng khơng cân đối, thường dùng đường kính tương đương: d td = 1,243 G !h G: khối lượng hạt, kg ρh: Khối lượng riêng hạt, kg/m3 Thủy động lực học dịng pha khí-lỏng Dịng%hai%pha%khí%lỏng - Nhiều q trình hóa học tiến hành dịng chảy nhờ tiếp xúc pha:có pha phân tán pha liên tục - Sự tiếp xúc pha định trình trao đổi chất, trao đổi nhiệt hiệu trình -> việc nghiên cứu chế độ thủy động lực dòng pha quan trọng - Các pha thiết bị chuyển động chiều, ngược chiều chéo dịng - Ngồi bề mặt phân chia pha pha va thành thiết bị, cịn có bề mặt phân chia pha với nhau: - Dòng pha với pha liên tục pha khí lỏng, pha phân tán rắn - Dịng pha khơng có pha rắn tham gia: khí – lỏng, lỏng – lỏng, khí – khí Thủy động lực học dịng pha khí-lỏng Dịng%hai%pha%khí%lỏng Chế độ thủy động lực phức tạp, đặc trưng chuyển động pha phụ thuộc vào điều kiện chuyển động pha yếu tố khác: sức căng bề mặt, pha –pha -> Việc nghiên cứu thường dựa vào kết thực nghiệm - Kết thực nghiệm thu áp dụng phương pháp phân tích thứ nguyên - Chuẩn số: Weber "w l W = ! l: kích thước hình học (đường kính bọt , giọt,…) σ: sức căng bề mặt, N/m2 w: vận tốc pha liên tục, m/s Chuẩn số Weber đặc trưng cho tỉ lệ lực quán tính sức căng bề mặt phân chia pha Đặc trưng thuỷ động lực dịng pha lỏng – khí khảo sát : trình sục bọt Thủy động lực học dịng pha khí-lỏng Q trình sục bọt - Khi sục dịng khí (hơi) vào chất lỏng phân bố vào pha lỏng dạng bọt - Các bọt không bền: bị phá hủy sau ngừng sục - Muốn có bọt bền phải có chất hoạt động bề mặt - Đặc trưng lớp bọt: + Nồng độ pha khí: thể qua phần thể tích ε thể tích V hệ bọt: nπ dtb3 ε= 6V + Bề mặt tương tác bọt pha khí: Bề mặt riêng a[m2/m3] a=n !dtb2 V , m2 / m3 dtb: đường kính trung bình bọt, m n: số lượng bọt n!d tb3 n!d tb2 V= = , m2 6" a Đường kính trung bình bọt là: 6! d tb = ,m a Thủy động lực học dịng pha khí-lỏng Sự hình thành bọt khí Khí sục vào qua lớp chất lỏng qua lưới vịi - Sự hình thành bọt khí qua lỗ lưới phân phối khí chậm nhanh phụ thuộc vào dịng khí trở lực lớp chất lỏng a Sự hình thành bọt chậm: - Dịng khí thổi vào với tốc độ chậm, với vận tốc nhỏ, trở lực dòng lớn, bọt khí hình thành chậm, vận tốc tạo bọt chậm làm trạng thái cân tĩnh bị phá vỡ (Bỏ qua lực khối lượng cịn bé) Thủy động lực học dịng pha khí-lỏng b Sự hình thành bọt nhanh: - Quá trình hình thành bọt nhanh quan sát qua thực nghiệm, chưa có sở lý thuyết đầy đủ - Dựa vào Quan hệ lưu lượng khí DG tần số tạo bọt f thơng qua thể tích bọt V: DG=f.V Siemens phân thành khu vực: Khu vực 1: hình thành bọt chậm, giới hạn với lưu lượng khí bé DG Khu vực 2: tần số tạo bọt tăng dần thể tích bọt cân Khu vực 3: tần số tạo bọt số: Độ lớn bọt tăng lưu lượng khí Khu vực 4: q trình tạo bột khơng theo qui luật (vùng độ) Khu vực 5: tạo thành khí xuyên qua lớp chất lỏng, bọt riêng lẻ tách Thủy động lực học dòng pha khí-lỏng c Sự hình thành bọt hệ lỗ: - Siemens: hình thành bọt lỗ hệ thống lỗ khơng khác hình thành bọt lỗ riêng lẻ Quá trình thể qua trạng thái khác Ở trạng thái tĩnh, trường hợp có khả tồn tùy thuộc vào áp suất khí + Trường hợp a: 2" pv = pG = phD + #gz ! + p0 R0 Áp suất thủy tĩnh cửa chất lỏng đĩa Khoảng8cách8từ8 mặt8lưới8đến8vịm8 chất8lỏng Nếu pV pG bọt tách khỏi lỗ + Trường hợp c : không tồn trạng thái ổn định Chất lỏng lỗ đẩy lên pv bé tụt xuống pv tăng ... pha lỏng– rắn - Lớp hạt rắn thiết bị trạng thái tĩnh (trong tháp đệm trình chưng luyện, tháp xúc tác dị thể phản ứng hóa học) - Lớp hạt rắn thiết bị trạng thái lơ lửng (tầng sôi) - Lớp hạt chuyển... (q trình vận chuyển khí thổi) Q trình tầng sơi vận dụng để tiến hành q trình hóa học xúc tác dị thể để khí hóa nhiện liệu rắn, tháp hoạt hóa than hoạt tính, lị đốt pirit sản xuất H2SO4, thiết bị. .. khí-lỏng Dịng%hai%pha%khí%lỏng - Nhiều q trình hóa học tiến hành dòng chảy nhờ tiếp xúc pha:có pha phân tán pha liên tục - Sự tiếp xúc pha định trình trao đổi chất, trao đổi nhiệt hiệu trình ->