Vật liệu Hạt cát (trịn) Hạt cát cĩ cạnh Hạt than đá (nghiền)
Hạt mica
Thơng thường cầu tính rất khĩ xác định được và chủ yếu dựa vào các kết quả từ các tài liệu sẵn cĩ. Tuy nhiên, nếu biết trước được vận tốc dịng khí và độ rỗng của lớp hạt thì cĩ thể dựa vào một mối tương quan giữa tiêu chuẩn Archimedes và tiêu chuẩn Reynolds ở trạng thái sơi tối thiểu để xác định được cầu tính của hạt vật liệu [14]:
Ar 150
Trong đĩ: Ar – Tiêu chuẩn Archimedes
Ar
Rett – Tiêu chuẩn Reynolds ở trạng thái sơi tối thiểu Re
tt – Độ rỗng ở trạng thái sơi tối thiểu
1.3.2. Đường kính trung bình
(1.3)
(1.4)
(1.5)
Đối với vật liệu rời cĩ kích thước đa phân tán, cĩ thể xác định đường kính trung bình bằng phương pháp sàng (rây) như sau:
Lấy một lượng nhỏ vật liệu rồi tiến hành thưc,̣ hiêṇ phân loaịkích thước qua hê ,̣thống rây, phần khối lượng mẫu được giữ lại do kích thước của lỗ rây, xi, sau đĩ tiến hành cân đo mẫu, dữ liệu được xử lý theo phương trình xác định kích thước trung bình của hạt:
d m
Trong đĩ: di – Trung bình cộng kích thước hai lỗ kề nhau của rây, m
xi – Tỷ số giữa lượng hạt cịn lại trên rây và khối hạt mẫu lấy phân tích
(1.6)
Hình 1.15 Phân tích kích thước khối hạt bằng sàng tiêu chuẩn
Tuy nhiên, từ định nghĩa cầu tính (1.2) thì diện tích bề mặt hạt sẽ được tính theo
/4 . Do đĩ, đối với một hỗn hợp hạt khơng cầu cĩ cùng cầu tính thì kích thước hạt trung được tính ở cơng thức (1.6) sẽ được tính theo [19]:
d
t
1.3.3. Khối lượng riêng và khối lượng thể tích
Khối lượng riêng chính xác của hạt sử dụng trong các phương trình hĩa sơi là khối lượng riêng của một hạt và được định nghĩa là khối lượng của một hạt chia cho thể tích thủy động của nĩ. Thể tích này “được thấy” bằng dịng lưu chất trong tương tác động học giữa lưu chất với hạt bao gồm thể tích của tất cả các lỗ rỗng kín và hở. (Hình 1.16)
Hình 1.16 Thể tích thủy động của một hạt
h
Trong đĩ: h – Khối lượng riêng của hạt, kg/m3 mh – Khối lượng của hạt, kg
Vh – Thể tích thủy động của hạt, m3
Khái niệm khối lượng riêng thể tích của hạt, b (bed density) được đề cập để tính tốn chính xác kích thước buồng sấy hạt và đặc biệt là trong tính tốn các thơng số thủy động học khi thiết kế lớp hạt hĩa sơi. Khối lượng riêng thể tích khơng dễ đo được một cách trực tiếp mặc dù Geldart (1972) [19] đã đề xuất nhiều phương pháp. Khối lượng riêng thể tích được xác định bằng:
b
Trong đĩ: b – Khối lượng riêng thể tích, kg/m3 mb – Khối lượng của khối hạt, kg
Vb – Thể tích chiếm chỗ của khối hạt, m3 (bao gồm độ rỗng giữa các hạt)
1.3.4. Độ rỗng
Độ rỗng hay cịn gọi độ xốp của một lớp hạt, , là phần thể tích lớp hạt chiếm chỗ do khoảng khơng gian giữa các hạt rắn. Giá trị của độ rỗng phụ thuộc vào hình dạng hạt, dạng mà chúng sắp xếp trong lớp hạt (những hạt nhỏ cĩ thể lấp đầy độ rỗng giữa các hạt lớn hơn), kích thước của lớp hạt (độ rỗng gần buồng chứa hoặc là bề mặt bên trong khác với độ rỗng ở giữa lớp hạt). Độ rỗng được phỏng chừng từ dạng hình học của các hạt đơn lẻ là thiếu tin cậy trong thực tiễn.
Độ rỗng lớp hạt chỉ được tin cậy cao chỉ khi tiến hành thí nghiệm trong điều kiện cụ thể khi cĩ tính đến độ ẩm của hạt.
Độ rỗng của khối hạt ở trạng thái tĩnh được xác định bằng cơng thức: 1 0
Theo [14] độ rỗng của lớp hạt ở trạng thái sơi tối thiểu cĩ thể được tính bằng cơng thức thực nghiệm:
tt
(1.11) Kunii và Levenspiel [10] đưa ra phương trình tương quan về mặt cân bằng khối lượng:
Như vậy chiều cao lớp hạt khi sơi tối thiểu:
H
(1.12)
(1.13)
Trong đĩ 0; H0 là độ rỗng và chiều cao của lớp hạt ở trạng thái tĩnh; tt, Htt là độ rỗng và chiều cao của lớp hạt ở trạng thái sơi tối thiểu.
Khi tính tốn độ rỗng của lớp hạt ở trạng thái sơi ổn định, Zabrodsky [14] đưa ra cơng thức tính theo tiêu chuẩn Reynolds và Archimedes như sau:
s
Khi lớp hạt bị dịng tác nhân khí lơi cuốn thì = 1.
(1.14)
1.3.5. Các tính chất thủy động học của quá trình sấy tầng sơi
1.3.5.1. Vai trị của vận tốc hĩa sơi tối thiểu
Các giai đoạn của tầng sơi phần lớn dựa vào vận tốc khí vượt qua lớp hạt. Theo Ridgeway và Quinn [15] các giai đoạn của tầng sơi cĩ thể tĩm tắt lại như sau:
a)Tầng tĩnh
b) Tầng giãn nỡ
c)Tầng động
d) Hình thành bọt
e)Dịch chuyển theo dịng khí
Một lượng vật liệu rắn mịn được biến đổi thành tầng sơi nhờ tác động nâng của dịng khí đi xuyên qua lớp vật liệu đĩ. Do đĩ, ba giai đoạn cĩ thể xác định được trong tầng sơi là dựa vào vân tốc khí thổi xuyên qua, bao gồm:
1) Tầng chặt hay tầng tĩnh
2) Tầng giãn nở hay tầng hĩa sơi hạt
(a) Vận tốc nhỏ (b) Vận tốc trung gian (vừa đủ) (c) Vận tốc lớn
v0 < vtt vtt ≤ v0 < vth v0 ≥ vth
Hình 1.17 Tầng chặt, sơi, động38 38
Khi chất lưu được thổi lên trên với tốc độ rất thấp thì chất lưu sẽ thẩm thấu qua các lỗ trống mà khơng làm xáo trộn tầng vật liệu. Đĩ là giai đoạn tầng chặt (tầng tĩnh).
Nếu tốc độ dịng lưu chất rất lớn thì nĩ sẽ tập trung đầy khơng khí và cĩ thể bị quét ra khỏi bồn chứa. Giai đoạn đĩ được gọi là tầng động.
Tại một tốc độ dịng lưu chất trung gian thì tầng bị giãn nở. Đĩ là giai đoạn tầng giãn nở.
Sau giai đoạn tầng động nếu vận tốc khí tăng thêm nữa thì tầng bị giãn nở đáng kể cùng với việc gia tăng lỗ trống và giai đọan hình thành bọt xuất hiện.
Nếu vận tốc khí tăng thêm nữa thì từ từ lực nâng của khí sẽ thổi vật liệu ra khỏi tầng cùng lúc đĩ đưa đến giai đoạn vận chuyển bằng khí.
Trong tầng chặt thì các hạt vật liệu tiếp xúc trực tiếp với nhau nâng đỡ lẫn nhau. Trong tầng giãn nở thì các hạt cĩ một khoảng cách tự do trung bình với nhau và được nâng bởi lực nâng của khí. Tầng giãn nỡ cĩ tính chất của chất lưu nên cũng được gọi là tầng sơi.
Tầng chặt đạt được khi vận tốc mặt ngồi (vận tốc tới) v0 nhỏ hơn nhiều so với vận tốc hĩa sơi tối thiểu. Tầng sơi đạt được khi vận tốc tới nằm giữa (trung gian) giữa vận tốc hĩa sơi tối thiểu và vận tốc cuối. Tầng động đạt được khi vận tốc tới lớn hơn rất nhiều so với vận tốc cuối của hạt (vth).
Do đĩ vấn đề đặt ra là phát triển các khái niệm về vận tốc hĩa sơi tối thiểu (vtt) mà tại đĩ tầng sơi bắt đầu hình thành. Vì vậy vấn đề chính yếu là làm sao xác định được và tối ưu vtt
để tăng hiệu suất tầng sơi.
1.3.5.2. Các phương pháp xác định vận tốc hĩa sơi tối thiểu
Việc xác định vận tốc hĩa sơi tối thiểu đĩng vai trị quan trọng trong hiệu quả của việc vận hành hệ thống tầng sơi. Dựa vào bản chất của phân bố kích thước của tầng thì cách tính vtt sẽ khác nhau.
a. Theo phương trình Ergun
Khi dịng khí cĩ áp suất và vận tốc đủ lớn đi qua lớp hạt tĩnh sẽ làm lớp hạt bắt đầu giãn nở (các hạt vật liệu trở nên “linh động”), trạng thái này được gọi là trạng thái hĩa sơi tối thiểu và được mơ phỏng và giải thích bằng phương trình Ergun đối với vật liệu cĩ hình dạng bất kỳ:
Trong đĩ:
– Cầu tính của hạt
Htt – Chiều dày lớp hạt hĩa sơi tối thiểu, m
tt – Độ rỗng của lớp hạt ở trạng thái sơi tối thiểu vtt – Vận tốc khí bề mặt đi qua lớp hạt, m/s
k – Độ nhớt động học của dịng khí, N.s/m2
(1.15)
Về mặt lý thuyết để hạt cĩ thể hĩa sơi thì trọng lượng thực của lớp hạt phải cân bằng với lực tác động hướng lên lớp hạt và cĩ giá trị bằng tổn áp qua lớp hạt Δp nhân với diện tích mặt cắt ngang của buồng chứa hạt (A). Với lớp hạt sơi tối thiểu cĩ chiều dày lớp là Htt, độ xốp khối hạt
(1– tt)( h – k).A.Htt.g
Cân bằng hai thành phần trọng lượng thực của khối hạt và lực tác động hướng lên khối hạt của dịng khí cĩ giá trị tính theo:
Thay phương trình (1.17) vào (1.15) ta được:
(1
b. Theo mối tương quan của tiêu chuẩn Reynolds (Rett) và tiêu chuẩn Archimedes (Ar)
Khi dịng khí đi qua lớp hạt cĩ hình dạng bất kỳ, tiêu chuẩn Reynolds ở trạng thái sơi tối thiểu (Rett) được xác định qua phương trình:
Re
tt
Tương quan giữa tiêu chuẩn Ar và Rett biểu diễn theo phương trình sau [14].
Ar 150
cùng với độ rỗng của lớp hạt ở trạng thái sơi tối thiểu (1
tt
2 3
tt
Trong đĩ tiêu chuẩn Archimedes (Ar) được xác định bằng phương trình (1.21) cho hạt vật liệu cĩ hình dạng bất kỳ:
Ar
Từ đĩ ta thiết lập được phương trình (1.22)
k ) g ( dh )3
2
k
(1.21)
(1.22)
Giải phương trình bậc hai trên để xác định được tiêu chuẩn Rett và kết hợp với phương trình (1.22) sẽ xác định vận tốc hĩa sơi tối thiểu.
c. Theo tương quan của Kozeny – Carman
Kozeny – Carman đưa ra cơng thức tính vận tốc lớp hạt sơi tối thiểu theo phương trình sau:
v
tt
Trong đĩ: tt là độ rỗng của lớp hạt ở trạng thái sơi tối thiểu và là cầu tính của hạt.
Mối tương quan được đưa ra bởi Kozeny – Carman thích hợp trong tính tốn các hạt cĩ độ rỗng hĩa sơi tối thiểu tt = 0,4 0,45. Tuy nhiên, trong tính tốn cho từng loại hạt cụ thể khi biết được đường kính hạt ta tính độ rỗng theo tương quan Wen và Yu hoặc xác định bằng thực nghiệm [14].
d. Theo tương quan của Wen và Yu
Trong thực tế nếu độ rỗng lớp hạt tt hoặc cầu tính khơng cĩ sẵn (khơng xác định được), thì phải xác định vận tốc tối thiểu bằng tương quan thực nghiệm của Wen và Yu (1966).
Rett ( 33, 7 2 0, 0408. Ar )1/ 2 33, 7 (1.24) Phương trình (1.24) được áp dụng khi tính tốn cho các hạt vật liệu cĩ kích thước lớn
hơn 100 m. Từ giá trị Rett vừa tìm được ta tính được vtt theo phương trình (1.22). 40
Mở rộng hơn cho các hạt vật liệu bé khơng phải hình cầu, vận tốc khí hĩa sơi tối thiểu được tính:
v 7,9.10
tt
(1.25)
e. Theo mối tương quan của Beayens và Geldart
Beayens và Geldart (1972) [19] đã đưa ra một tương quan thực nghiệm giữa Ar và Rett cho hạt cĩ kích thước 0,05mm < d < 4mm cùng khối lượng riêng của hạt 850 kg/m3 < dh < 8810 kg/m3.
1,07
Ar 1823Re
tt
(1.26) Và vận tốc hĩa sơi tối thiểu được tính theo
v
tt
(1.27)
Khi sử dụng phương trình (1.26) và (1.27) của Beayens và Geldart để tính vận tốc hĩa sơi tối thiểu, ta cũng phải dựa vào các thơng số vật lý của hạt và của khơng khí cĩ sẵn.
f. Theo mối tương quan của Todes và Goroshko
Vận tốc khí bề mặt hĩa sơi tối thiểu cĩ thể được xác định từ tiêu chuẩn Rett theo Todes [14]. Đối với hạt cĩ hình dạng là hạt cầu
Re (1.28)
Đối với lớp hạt đa phân tán (kích thước phân bố tự nhiên khơng đều nhau) khi sử dụng phương trình (1.28), tiêu chuẩn Re cĩ sai số từ 15 – 20 % [19].
g. Theo phương trình của Leva
Từ cơng thức của Kozeny – Carman, Leva đã đưa ra cơng thức xác định vận tốc hĩa sơi thiểu như sau [17].
vtt
Điểm giới hạn trong cơng thức của Leva tốt nhất là Rett < 10.
h. Theo phương trình Kunii và Levenspiel
Kunii và Levenspiel đưa ra hai trường hợp tính vận tốc khí hĩa sơi tối thiểu. Trường hợp khi hệ số Rett < 20 thì sử dụng phương trình:
( d
vtt
Trường hợp khi hệ số Rett > 1000 thì sử dụng phương trình:
v 2
( d
tt
i. Theo cơng thức của Martin
Martin đưa ra cơng thức tính vận tốc khí lớp hạt sơi tối thiểu theo hai hệ số thực nghiệm là B và E:
v
tt
Trong đĩ: B = 15 và E = 1,75.
1.3.5.3. Vai trị của tổn thất áp suất qua lớp hạt (độ sụt áp)
Khi chất lưu thổi xuyên qua lớp vật liệu, nĩ sẽ tác dụng lực kéo lên các hạt và kết quả là gây ra sụt áp ngang qua lớp. Khi vận tốc của lưu chất tăng, thì sụt áp cũng tăng.
Trong lớp vật liệu khi điều kiện tầng sơi đạt được, cùng với sự gia tăng tốc độ lưu chất, lực kéo sẽ làm cho lớp giãn nở. Sự giãn nở này làm cho lớp ít cản trở dịng lưu chất hơn. Khi lực kéo đủ lớn để nâng tồn bộ trọng lượng vật liệu trong lớp thì lớp được gọi là lớp sơi (tầng sơi). Hệ thống chất lưu/chất rắn này cĩ tính chất giống như chất lưu và lớp vật liệu cĩ thể chảy từ bồn này sang bồn khác.
Hình 1.18 Tổn áp qua lớp hạt và các chế độ sơi của hạt theo vận tốc khí hĩa sơi
Sụt áp ngang qua lớp, ∆P, vẫn khơng đổi (thậm chí ngay khi vận tốc của lưu chất tăng thêm nữa) và bằng với trọng lượng thực tế của lớp trên đơn vị diện tích.
Khi thiết bị vận hành ở áp suất mà cĩ thể so sánh được với áp suất khí quyển, thì việc so sánh k và h cĩ thể bỏ qua. Khi vận tốc khí, vk, tăng quá mức cần thiết để hĩa sơi lớp, nghĩa là tăng quá vận tốc hĩa sơi tối thiểu vtt, thì lớp bắt đầu hình thành bọt khí. Trường hợp này gọi là tầng sơi kết hợp. Nếu vận tốc khí tăng q mức (thừa) thì bọt khí sẽ phát triển lớn đến nỗi các bọt này gần như hay hồn tồn lấp đầy mặt cắt ngang của ống thúc đẩy hình thành các hạt nút kín tạo nên tầng nút kín.
Nếu lưu chất nặng hơn (chẳng hạn khí ở áp suất tĩnh cao), hay là nếu vật liệu thì mịn hơn (20 – 100 µm) (1) và nhẹ hơn (< 1400 kg/m3) (2), thì lớp cĩ thể duy trì một mức độ giãn nở ổn định được gọi là tầng sơi hạt. Lớp cịn duy trì trạng thái ổn định cho đến khi nào vtt bị
vượt qua bởi yếu tố 1 hay 2. Ngược lại khi sử dụng khí để hĩa sơi thì lớp sẽ sụt hay tái hình thành bọt khi vận tốc khí tăng thêm nữa. Tầng sơi lỏng tiếp tục giãn nở ổn định khi vận tốc tăng, kết quả là chế độ khơng hình thành bọt khí được gọi là tầng dừng (tầng lặng).
Hình 1.19 Các chế độ của tầng sơi
Với các loại bột (vật liệu) mịn hơn, nhẹ hơn và dính kết thì rất khĩ hĩa sơi tồn bộ vật liệu bởi vì lực liên kết nội phân tử của vật liệu thì lớn hơn trọng lực. Vật liệu cĩ xu hướng dính vào nhau và khí đi xuyên qua lớp thơng qua các kênh.
1.3.5.4. Các phương pháp xác định tổn áp của dịng khí qua lớp hạt a. Tổn áp qua lớp hạt tĩnh
Khi dịng khi đi xuyên qua lớp hạt trạng thái tĩnh dưới dạng chảy tầng (laminar flow) thì trở lực qua lớp hạt tĩnh cĩ hình dạng bất kỳ được tính theo cơng thức của Blacke–Kozeny,
Trong đĩ:
vt – Vận tốc dịng khí qua lớp hạt tĩnh, m/s H0
– Chiều cao lớp hạt trạng thái tĩnh, m 0 – Độ rỗng lớp hạt ở trạng thái tĩnh
(1.33)
Trong nhiều thực nghiệm Blacke – Kozeny đã xác định k = 150. Phạm vi sử dụng của cơng thức Blake – Kozeny là khi Re < 10 và độ rỗng lớp hạt trạng thái tĩnh 0 = 0,5 khi đĩ hệ số Reynolds (Ret) tương ứng được tính:
(1.34)
Trường hợp tác nhân khí qua lớp hạt tĩnh cĩ hình dạng bất kỳ chế độ chảy quá độ (Intermediater flow) Ergun đã đưa ra cơng thức tính trở lực qua lớp hạt tĩnh bằng tổng của trở lực dịng chảy lớp và dịng chảy rối.
P
(1.35)
b. Tổn áp qua lớp hạt ở trạng thái sơi tối thiểu
Tiếp tục tăng vận tốc khí qua lớp hạt lên đến trạng thái mà lớp hạt bắt đầu giãn nở, lúc này độ rỗng của lớp hạt chuyển từ trạng thái tĩnh sang trạng thái bắt đầu giả lỏng (hĩa sơi) tt = 0.n và lúc này tổn áp qua lớp hạt trạng thái sơi tối thiểu (tại vị trí A, hình 1.18) cĩ thể biểu diễn
bằng phương trình (1.36), tức là tổn áp của dịng tác nhân khí qua lớp hạt bằng với trọng