Thủy động lực học của lớp hạt | Bài giảng môn quá trình thiết bị | Đại học Bách khoa hà nội

Thuỷ%động%lực%học%của%lớp%hạt
Giảng&viên:&Nguyễn&Minh&Tân&
Bộ&môn&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 2 pha lỏng– rắn
- Lớp hạt rắn trong thiết bị ở trạng thái tĩnh (trong tháp đệm trong quá
trình chưng luyện, tháp xúc tác dị thể trong phản ứng hóa học)
- Lớp hạt rắn trong thiết bị ở hoặc trạng thái lơ lửng (tầng sôi)
- Lớp hạt cùng chuyển động với dòng khí (quá trình vận chuyển bằng khí thổi)
Quá trình tầng sôi được vận dụng để tiến hành các quá trình hóa học như
xúc tác dị thể để khí hóa nhiện liệu rắn, tháp hoạt hóa than hoạt tính, lò
đốt pirit trong sản xuất H2SO4, thiết bị sấy nông sản dạng hạt.
Quá trình tầng sôi có ưu điểm: nhanh và mãnh liệt, hiệu quả cao và chất
lượng sản phẩm đồng đều, thiết bị cấu tạo đơn giản
Thủy động lực học của lớp hạt
Chế độ thủy động lực của lớp hạt ΔP D C B A w w k k w
- Khi wvận tốc thăng bằng: lớp hạt ở trạng thái tĩnh. Khi đó dòng khí qua
lớp hạt tuân theo những định luật của quá trình lọc
Thủy động lực học của lớp hạt ΔP D C B A w w k k w
- Khi w=w K , lớp hạt bắt đầu trở nên linh động, các hạt khuấy trộn lẫn
nhau. Thể tích lớp hạt tăng dần lên. Trở lực của lớp hạt tăng đến một giá
trị nhất định và không thay đổi. Khi đó lớp hạt đạt trạng thái tầng sôi.
Các hạt chuyển động hỗn loạn trong dòng khí giống hiện tượng sôi của
chất lỏng, nên trạng thái này còn được gọi là trạng thái lỏng giả, hoạc
trạng thái sôi. Ở trạng thái này, trở lực của lớp hạt bằng trọng lượng của
nó trong môi trường gây ra trạng thái sôi, nên có tính ổn định
Thủy động lực học của lớp hạt ΔP D C B A w w k k w
- w>w K (là vận tốc giới hạn trên của lớp sôi hay còn gọi là vận tốc
phụt): Các hạt bị dòng khí cuốn theo và cùng chuyển động với dòng khí
giống như quá trình vận chuyển hạt rắn bằng khí thổi. Khi đó trở lực lớp
hạt lại tăng cùng với sự tăng của vận tốc dòng khí
Thủy động lực học của lớp hạt
Trở$lực$của$lớp$hạt
Khi chất lỏng (khí) chảy qua lớp vật liệu rắn dạng hạt, ta có thể xem như nó chuyển
động dọc theo các khe trống giữa các hạt trong lớp xốp.
Đặc trưng cơ bản của lớp hạt xốp
- Bề mặt riêng: f [m2/m3] là tổng bề mặt của các hạt vật liệu tính trên một đơn vị
thể tích do lớp hạt chiếm
- Thể tích tự do (độ xốp) ε[m3/m3] là tỉ lệ giữa tổng khoảng không gian trống giữa
các hạt và thể tích khoảng thiết bị có chứa lớp hạt
Bề mặt riêng và thể tích tự do của lớp hạt phụ thuộc: - hình dạng - kích thước
- cách sắp xếp của lớp hạt trong thiết bị (các hạt được đổ lộn xộn hay xếp theo thứ tự).
Thủy động lực học của lớp hạt
Trở$lực$của$lớp$hạt
Tổn thất áp suất của dòng chảy qua lớp hạt được tính theo công thức: 2 ! w 0 0 2 p # = " , N / m ρ0 :
khối lượng riêng của dòng chảy, kg/m3 w 2 0:
vận tốc của dòng khí (lỏng), m/s ξ0: hệ số trở lực, λ:
hệ số trở lực ma sát l:
chiều cao lớp hạt, m d l tđ:
đường kính tương đương của khe giữa các " = ! hạt, m d λ =f(Re)=A/Re tđ
- Muốn tính được trở lực của lớp hạt, trước tiên
phải xác định được λ.
- Xác định được λh dựa vào các chế độ chuyển động của dòng
Thủy động lực học của lớp hạt
Trở$lực$của$lớp$hạt Reh < 50:
Đường kính tương đương của rãnh là: 220 ! = h Re ) " 3 d & h '' 4 1# n$$ 4Vtd ( 6 % 2 ! d = = = d td F " 6 3 d 3 uot (1#! ) Reh = 50 - 7200: 6 , 11 ! = n 6d h 0,25 Reh "d !
hạt có hình dạng bất kỳ: d = h Khi Re td 1# !
h > 7200 có: ! = ,126
! hệ số phụ thuộc vào hình dạng của hạt h với hạt cầu: 2 ! = wd ! 3 0 Re của hạt: Re h = h µ
Thủy động lực học của lớp hạt
Trở$lực$của$lớp$hạt w w = 0
vận tốc chảy qua lớp hạt: !
Trở lực của lớp hạt A l (1# " )2 1
Re của dòng chảy trong thiết bị: $p = i 3 2 w d # w "d ! # " Re d " ! Re = 0 td 0 = h 0 = Re h µ ! (1$ ! ) µ h 1$ ! 1
là hệ số hình dạng phụ thuộc vào kích 2 " = l w $ 1& ! 2 ! 0 ( # )2 'p = % "
thước và hình dáng của hạt, được xác h 3 ! d 2 # định bằng thực nghiệm h d 3 ! h Re % 35 :" = 0091 , 0 Eu Re h # & 2 wd ' # (1$! ) h l ( = f (Re = f h h $$ h 0 ) !! % µ " d 3 ! h Re = 50 ÷ 7200 :" = 713 , 0 Eu Re h # (1$! )2 h l p " Eu = 2 ! w 0
Thủy động lực học của lớp hạt
Xác$định$vận$tốc$của$dòng$chảy$qua$lớp$hạt
Khi lớp hạt ở trạng thái tầng sôi, trở lực của lớp hạt có giá trị xác định và không
thay đổi, vì lúc này lực nâng và trọng lượng của lớp hạt bằng nhau: G p h $ = = l(1# " )(! # ! h 0 )g F
G = Fl 1# " ! # ! , h ( )( h 0)g N
Tính vận tốc thăng bằng l w 2 ' ! 1&" k 0 ( ) $
# F = Fl 1&" ! & ! h % ( )( 3 h 0 )g d 2 " h 2 2 gd 2 2 3 w# d gd ! " ! 2 k h h ( h 0 ) h (" & " h 0 )! 3 ' w = Re = : Ar = k $ # " 1& h 2 2 v v ! h % 0 ( ! ) 0 $ 2 3 # 3 2 Ar " 2 Ar Re = = $ = h ! 1& $ # ! (1%# )" h ( ) % h !
Thủy động lực học của lớp hạt
Xác$định$vận$tốc$của$dòng$chảy$qua$lớp$hạt
Tại các chế độ chuyển động khác nhau: Re " 35 #!Ar " 10 . 58 , 3 3 : Re = ! 0091 , 0 Ar h h 3 6 Re = 50 ÷ 7200 # 10 . 86 , 9 "!Ar " 10 . 14 , 31 : Re = 367 , 0 ! h h ( Ar) ,157
Biết được Reh , sẽ tính được vận tốc thăng bằng; w k w " = là số tầng sôi w!k ! = 2
tầng sôi có cường độ khuấy đảo mãnh liệt nhất
lớp hạt trở nên không đồng đều, thoạt đầu xuất hiện các bọt khí rải "!2
rác và theo mức độ tăng của w, các bọt sẽ lớn lên và hòa vào nhau
choán đầy khoang thiết bị, làm cho lớp hạt phân tầng. Các hạt ở trên
bị bắn tung lên và dễ bị dòng khí cuốn theo.
Thủy động lực học của lớp hạt
Xác$định$vận$tốc$của$dòng$chảy$qua$lớp$hạt
Tính vận tốc lắng
Trong môi trường chân không, vật thể rơi tự do với vận tốc
w = g! , m / s
Với các vật thể có kích thước bé hơn 100micro met, sức cản
môi trường tăng nhiều so với trọng lực, do đó sau một thời gian
rơi, lực cản (kể cả lực đẩy Arsimet) mới cân bằng với trọng lực
và vật bắt đầu rơi với vận tốc không đổi. Vận tốc này được gọi là vận tốc lắng
Thủy động lực học của lớp hạt
Xác$định$vận$tốc$của$dòng$chảy$qua$lớp$hạt
Theo định luật Newton: Trở lực của môi trường tỉ lệ với diện tích mặt chiếu
của hạt thẳng góc với phương chuyển động của nó và khối lượng riêng của môi trường w2 S = F 0 " ! , N 0 2 Với hạt cầu d 2 " w2 2 d ! S h 0 = # ! , N h F = 4 0 2 4
Lực trọng lượng của hạt trong môi trường có khối lượng riêng ρ0: d 3 " G h = (! # ! , h )g N 6 0
Hạt có vận tốc rơi không đổi (với vận tốc lắng) khi S=G d 2 " w2 d 3 " 4gdh(" # "0 ) h 0 h # ! = ! $ ! w = h 0 ( h 0)g 0 4 2 6 3!"0
Thủy động lực học của lớp hạt
Xác$định$vận$tốc$của$dòng$chảy$qua$lớp$hạt
Tính vận tốc lắng 24 Re " 2 ! # = phương trình Stokes Re d 2 ! " ! h ( 0 ) w h = g,m / s 0 Với hạt cầu 18µ
quá trình lắng tuân theo định luật Stokes:
- Trở lực môi trường tỉ lệ bậc một với vận tốc lắng của hạt S = 3 d ! w2 µ , N h 0
- Vận tốc lắng tỷ lệ với bình phương của đường kính hạt
- Định luật Stokes ứng dụng trong phạm vi: Giới hạn trên Re là 2
- Đường kính hạt không vượt quá giá trị cực đại ứng với Re=2 2µ 36 2 2 µ µ d = = # 375 , 1 3 , h w ! ! " ! ! ! " ! ! 0 0 ( h 0) 0 ( h 0) m g 0
Thủy động lực học của lớp hạt
Xác$định$vận$tốc$của$dòng$chảy$qua$lớp$hạt
Tính vận tốc lắng
Giới hạn dưới của vận tốc lắng được xác định khi kích thước hạt đạt bằng
quãng đường tự do trung bình l0 của môi trường: 3 d ! w µ S h 0 = , N l 1+ A 0 Quãng%đường%tự%do% d trung%bình%của%phân%tử% khí,%m Hằng%số,%A=%14%- 20 & # Vận tốc lắng w = d 2 ( ' ( 1 0 + , / 0 h ( h 0 ) l g A m s $$ d !! % h "
Thủy động lực học của lớp hạt
Xác$định$vận$tốc$của$dòng$chảy$qua$lớp$hạt
Tính vận tốc lắng 2 ! Re ! 500
Vận tốc lắng được tính bằng phương trình Allen (" # " h 0 ) w = 114d ,m / s 0 h !"0
Thủy động lực học của lớp hạt
Xác$định$vận$tốc$của$dòng$chảy$qua$lớp$hạt
Tính vận tốc lắng 500 ! Re ! 150000
Vận tốc lắng được tính bằng phương trình Newton d " # " h ( 0 ) w h = , 5 48 , m / s 0 !"0
- Để xác định vận tốc lắng, cần phải biết Re, nhưng trong công thức tính
Re, lại có đại lượng vận tốc w0.
Phải giả thiết Re, sau khi tính xong w0, phải kiểm tra lại giá trị Re
Thủy động lực học của lớp hạt
Xác$định$vận$tốc$của$dòng$chảy$qua$lớp$hạt
Tính vận tốc lắng phương pháp Liasenco 3 d g " (1) Tính chuẩn số Ar: h (! !0) Ar h = 2 v !0
(2) Từ giá trị Ar, tính Re 4 Ar Ar Ar ! 36 : Re = hay Re = 3 24 18 1 1 , 1 4 , 1 4 & 4 Ar # & Ar #
36 ' Ar ' 84000 : Re = $ ! hay Re = $ ! % 3 5 , 18 " % 9 , 13 " 4 Ar Ar ! 84000 : Re = = 71 , 1 Ar 3 , 0 44
Thủy động lực học của lớp hạt
Xác$định$vận$tốc$của$dòng$chảy$qua$lớp$hạt
Tính vận tốc lắng phương pháp Liasenco
(3) Tính vận tốc lắng theo phương trình: µ Re w = " ,m / s 0 d ! h 0
φ: là hệ số dạng hạt, đối với hạt cầu : φ=1 còn các hạt có dạng khác: φ< 1
-Theo thực nghiệm:khi lắng ở chế độ xoáy Hạt tròn: φ= 0,77
Hạt dạng góc cạnh: φ= 0,66
Hạt dạng thanh dài: φ = 0,58
Hạt dạng tấm mỏng: φ= 0,13
Với hạt có dạng không cân đối, thường dùng đường kính tương đương: G d = , 1 24
G: khối lượng của hạt, kg 3 td !
ρh: Khối lượng riêng của hạt, kg/m3 h