Движение и время пребывания частиц в химических аппаратах

Казанский Государственный  Технологический Университет 
 
 
 
 
 

Реферат

На тему «Движение и время пребывания частиц в химических аппаратах» 
 
 
 
 
 

Казань

2009 

Содержание

1. Введение.
2. Теоритическая часть. (на примере ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ)
3. Практическая часть . (На примере гидравлической классификации)
4. Заключение.

Введение

 Моя работа  посвящена изучению такой темы  как движение и время пребывания частиц в химических аппаратах. Актуальность этой работы состоит в исследование химических аппаратов и частиц, а так же в разных направлениях, которые входят в дисциплину  Процессы и аппараты химических технологий. Я рассмотрел движение и время прибывания частиц в химических аппаратах на примере ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, а так же рассмотрел такой термин как «КЛАССИФИКАЦИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ». Эту проблема затрагивается в разных работах. Исследованию данной проблемы затрагиваются в таких работах как «Исследование процессов переноса в аппаратах с дисперсными системами», «Кинетика и аэродинамика процессов горения топлив», «Совершенствование конструкций машин и аппаратов химических производств»…и т.д

Целью моей работы является изучение определённых свойств в  процессе движения частиц в химических аппаратах, так же задачи гидродинамики, внешнее движение частиц в газообразных и жидких средах, осаждение пыли под действием силы тяжести в пылеосадительных камерах или центробежной и инерц. сил в циклонах; разделение суспензий и эмульсий в отстойниках, гидроциклонах, осадительных центрифугах и сепараторах; пневмо- и гидротранспорт; барботирование и перемешивание твердых частиц с жидкостями; диспергирование жидкостей при распыливании в газовых и паровых средах. 
 
 
 
 
 
 
 

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ химической технологии, подразделяют на процессы, протекающие с образованием неоднородных систем (диспергирование, перемешивание, псевдоожижение, пенообразование), с разделением этих систем (классификация гидравлическая, осаждение, фильтрование, центрифугирование и др.), с перемещением потоков в трубопроводах или аппаратах (см. Компрессорные машины, Насосы).

По условиям движения потоков различают след. задачи гидродинамики: 1) внутреннюю-движение жидкостей и газов в трубопроводах и аппаратах, в т. ч. в змеевиках, рубашках, трубном и межтрубном пространстве теплообменников, ректификационных, экстракционных и абсорбционных колоннах, выпарных и сушильных установках, печах; 2) внешнюю-движение частиц в газообразных и жидких средах, включая осаждение пыли под действием силы тяжести в пылеосадительных камерах или центробежной и инерц. сил в циклонах; разделение суспензий и эмульсий в отстойниках, гидроциклонах, осадительных центрифугах и сепараторах; пневмо- и гидротранспорт; барботирование и перемешивание твердых частиц с жидкостями; диспергирование жидкостей при распыливании в газовых и паровых средах (см. Газов очистка, Циклоны); 3) смешанную-движение жидкостей и газов через пористые слои кусковых или зернистых материалов (см. Фильтрование). В последнем случае в зависимости от высоты слоя материала Я различают процессы: а) при H = = const-движение газа в абсорберах, регенеративных теплообменниках, реакторах с неподвижным слоем катализатора (см. Реакторы химические), адсорберах, сушилках и печах; промывка осадков на фильтрах и др.; б) при H const - фильтрование на пром. фильтрах и центрифугах. Осн. законы, к-рым подчиняется движение жидкостей, газов и их смесей в трубах, каналах и аппаратах: сохранения массы, энергии, кол-ва движения (импульса). Движение жидкости (газа) описывается системой дифференц. ур-ний, включающей ур-ния движения Навье-Стокса и ур-ние неразрывности (сплошности) потока. Интегрирование этого ур-ния приводит к ур-нию постоянства расхода: V = f1w1= = f2w2 =f3w3 (f1, f2, f3 - плошдди поперечных сечений трубопровода, м2; w1, w2, w3-средние скорости потока, м/с). Распределение скоростей по сечению канала зависит от режима движения потока. При ламинарном режиме (наблюдается при умеренных скоростях или в трубах малого диаметра) устанавливается параболич. профиль скоростей (wcp = 0,5wмакс), при турбулентном режиме (наблюдается при больших скоростях и сопровождается хаотич. пульсационными движениями масс жидкости) wcp = = 0,817wмакс. Сопротивление движению описывается ур-нием Дарси-Вейсбаха: , где-потеря давления на преодоление трения при движении потока в круглой цилиндрич. трубе, L-длина трубы, d-ee диаметр,-плотность жидкости,-коэф. сопротивления, определяемый режимом потока и шероховатостью стенок трубы. Для ламинарного режима= 64/Re, где Re = =-число Рейнольдса,-динамич. вязкость; для турбулентного режима, где А и n-постоянные (для гидравлически гладких труб А = 0,316, п = 0,25 в пределах Re от 4*103 до 105).  

Профили скоростей  обусловлены формой сечения потока. Ур-ние движения интегрируют для разл. случаев, имеющих практич. применение (движение жидкости в узких каналах, кольцевом зазоре, пленке и др.). Для описания реальных процессов используют обобщенные ур-ния гидродинамики, приведенные к безразмерному виду с помощью подобия теории, а также типовые гидродинамич. модели (в зависимости от структуры потоков в аппаратах, в к-рых осуществляется процесс). Модель полного вытеснения характеризуется поршневым движением потоков при отсутствии продольного перемешивания (напр., в трубчатых аппаратах с L/d > 20 при больших скоростях). Модель полного перемешивания отличается равномерным распределением частиц потока во всем объеме (напр., в реакторах с интенсивно работающей мешалкой). Промежут. модели (диффузионные, ячеечные) характеризуются частичным перемешиванием в продольном и радиальном направлениях.  

Движение твердых  частиц в жидкости или газе (внеш. задача) описывается с помощью  упрощенных ур-ний Навье-Стокса (ползущее течение при Re < 1, течение в пограничном слое при больших числах Re). Закон сопротивления выражается зависимостью , где-коэф. сопротивления. Для шарообразных частиц при Re < 1 величина= = 24/Re; при развитой турбулентности. Скорость своб. осаждения под действием силы тяжести по закону Стокса для одиночной шарообразной частицы woc = =(прив области 10-4 < Reoc < 2). Для приближенного учета взаимного влияния частиц при стесненном осаждении суспензии в ф-лу Стокса вводится поправка, зависящая от объемной доли жидкости в суспензии. При расчете отстойников для сгущения суспензии различают режимы свободного и стесненного осаждения. При действии центробежной силы осаждение твердой фазы из жидкости или газа характеризуется центробежным числом Фруда-Fr (т. наз. фактором разделения)-отношением центробежной силы Gц к силе тяжести GT: Fru = Gц/Gт =, где r-радиус аппарата,=9,81 м/с2. Для разделения суспензий в центробежном поле применяют гидроциклоны и осадительные центрифуги, а для разделения пылегазовых систем-циклоны. Эффективность работы последних характеризуется величиной= (c1 — c2)/c1, где с1и с2-концентрации пыли в газе на входе в аппарат и выходе из него.  

Для описания процессов, составляющих смешанную задачу гидродинамики, используются упрощенные ур-ния Навье-Стокса с соответствующими граничными условиями. Закон сопротивления для неподвижного слоя зернистых материалов аналогичен ур-нию Дарси - Вейсбаха при замене d на dэ-эквивалентный диаметр межзерновых каналов.  

Гидромеханические процессы разделения суспензий и  аэрозолей (запыленных газов) фильтрованием (пропусканием через пористые перегородки, задерживающие дисперсную фазу) рассматривают  отдельно. Теория фильтрования основана на эмпирич. законе Дарси.  

Перспективы развития гидромеханических процессов определяются совр. достижениями теоретич. и прикладной гидроаэродинамики и широким использованием методов моделирования и вычислит. техники.  
 

КЛАССИФИКАЦИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ, разделение твердых полидисперсных систем или суспензий (в т. ч. пульп) на фракции по крупности или плотности  частиц с близкой скоростью движения в горизонтальном либо восходящем потоке жидкости (обычно воды). классификация гидравлическая подчиняется общим законам осаждения твердых тел (см. Осаждение) и осуществляется в спец. аппаратах - классификаторах. В последних характер и скорость движения твердых частиц определяются соотношением сил гравитации, центробежной, подъемной (архимедовой), гидравлич. сопротивления и сил мех. взаимодействия частиц при их контакте. Движение наз. свободным при объемном содержании твердой фазы менее 5%, стесненным - при более высоком (в данном случае скорость движения меньше). классификация гидравлическая применяют для разделения частиц с преимуществ, размером менее 2-3 мм (реже до 13 мм). При своб. движении частиц происходит их наиб. полное разделение, которое производится под действием сил тяжести в гравитац. классификаторах. Скорость потока поддерживается такой, что частицы меньше определенного размера (верхний продукт, или слив), не успевая оседать, выносятся в виде взвеси из аппарата, а частицы большего размера (нижний продукт, или пески) осаждаются в нем. Различают классификаторы с самотечной (напр., многосeкционные, конусные) либо принудительной (напр., отстойники, спиральные, реечные, чашевые) выгрузкой целевых фракций. Многосекционные классификаторы (рис. 1) состоят из корпуса, расширяющегося по ходу потока, и ряда конич. сборников, снабженных мешалками и ячейковыми выгружателями. Разделяемая суспензия постепенно теряет

 Рис. 1. Многосекционный  классификатор: 1 корпус; 2 сборник; 3 мешалки; 4 выгружатeль; 5 привод.  

скорость, поэтому  по направлению ее движения оседают  сначала наиб. крупные частицы, а затем все более мелкие; самая мелкая фракция уносится потоком и отделяется от жидкости на фильтре. Различные по размеру фракции ниж. продукта выводятся из аппарата при медленном перемешивании с помощью выгружателей. В классификаторах этого типа материал можно разделить на число фракций, равное числу секций n+1, т.е. с учетом фракции, идущей в слив. В конусных классификаторах твердые частицы пульпы разделяются в корпусе-конусе на две части. В беспоплавковых аппаратах мелкая фракция поднимается восходящим потоком и отводится через спец. желоб по назначению; крупная фракция оседает на дно и под напором пульпы выходит через ниж. штуцер и сифонную трубу. В поплавковых аппаратах посредством верх. или ниж. клапана-поплавка в качестве целевого продукта выделяют соотв. крупную либо мелкую фракцию. Спиральные классификаторы (рис. 2) представляют собой наклонные (под углом 12-18°) корыта полукруглого сечения, внутри которых вращаются одна или две спирали. Последние частично погружены в жидкость и транспортируют пески в верх, часть корыта, где они выгружаются. Слив удаляется из ниж. конца аппарата. Спец. механизм предназначен для подъема и опускания спирали при остановке и пуске классификатора. С увеличением угла наклона корыта содержание жидкости в осадке уменьшается.

Рис. 2. Спиральный классификатор: 1-корыто; 2-4-соотв. спираль, ее подъемно-опускной механизм и привод.  

В реечных классификаторах (рис. 3) ниж. продукт перемещается вверх по наклонному корыту и сбрасывается через его открытый торец с помощью движущейся возвратно-поступат. рамы, снабженной гребками. При течении суспензии по корыту и качаниях гребков верх. продукт

 Рис. 3. Реечный  классификатор: 1 - корыто; 2, 3 - соотв.  рама с гребками и механизм  ее возвратио-поступат. движения.  

выносится потоком  жидкости через сливной лоток. Эти  аппараты менее производительны, чем  спиральные, и поэтому применяются  обычно в малотоннажных произ-вах. Чашевые классификаторы (рис. 4), обеспечивающие высокий выход слива, состоят из двух фракционирующих устройств: верхнего - конусной чаши-отстойника с медленно вращающимися гребками, нижнего - реечного аппарата.

Рис. 4. Чашевый классификатор: 1 - чаша с гребками; 2 - корыто; 3, 4 - соотв. гребковая рама и механизм ее движения; 5 - кольцевой желоб (карман).  

Разделяемый материал поступает в чашу, где крупные  частицы оседают на дно, сгребаются гребками к центру, через отверстие  в дне попадают в корыто реечного классификатора и далее выводятся  из его верх, части. Мелкая фракция, увлеченная песками, отмывается движущейся противотоком водой. направляется в чашу, откуда вместе с накапливающимися в ней мелкими частицами уходит через край корыта и кольцевой желоб (карман) в слив. При стесненном движении твердых частиц для увеличения скорости их осаждения и четкости разделения классификация гидравлическая проводят под действием центробежных сил в гидро- и мультициклонах (см. Циклоны), а также в осадительных центрифугах (см. Центрифугирование). Для повышения эффективности классификация гидравлическая в ряде технол. процессов разделение суспензий проводят с применением добавок диспергирующих или флотац. реагентов, а также при оптим. рН и температуре дисперсионной среды и соотношении жидкость: твердое. классификация гидравлическая применяют в сочетании с тонким помолом твердых материалов (см. Измельчение), при обогащении руд (см. Обогащение полезных ископаемых, Флотация), в произ-вах СК, красителей, люминофоров, строит. материалов, стекла, абразивных порошков и др. На этом методе разделения частиц основан седиментац. анализ (см. Дисперсионный анализ).