Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Procesy Mechaniczne. Procesy kontaktowania faz.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Procesy Mechaniczne. Procesy kontaktowania faz."— Zapis prezentacji:

1 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Procesy Mechaniczne. Procesy kontaktowania faz

2 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz W wielu procesach przemysłu chemicznego mamy do czynienia z kontaktowaniem się w jednym aparacie kilku faz: gazu, cieczy i ciała stałego. Można wydzieli następujące grupy procesów: Przepływ płynu przez ładunek porowaty nieruchomy. Przepływ przez ładunek fluidyzacyjny.Transport pneumatyczny. Przepływ przeciwprądowy gazu i cieczy przez wypełnienie sypkie. Barbotaż gazu w cieczy Atomizacja (rozpylanie) cieczy w gazie Zetknięcie się gazu ze spływającą warstewką cieczy Współprądowy przepływ cieczy i gazu w rurze

3 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz ciecz gaz ciecz gaz Złoże jest nieruchome

4 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz gaz ciecz gaz Faza ciągła - ciecz Faza rozproszona – gaz (pęcherze) Faza ciągła - gaz Faza rozproszona – ciecz (krople) Barbotaż gazu w cieczyAtomizacja (rozpylanie) cieczy w gazie

5 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Przepływ płynu przez ładunek porowaty nieruchomy. Ten przypadek zetknięcia strumienia płynu z nieruchomym porowatym lub sypkim ładunkiem ma miejsce przy: adsorpcji, w reakcjach katalitycznych, w niektórych procesach suszenia i in. Zasadniczym problemem są tu straty ciśnienia podczas przepływu przez taki ładunek.

6 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Kryterium przepływu stanowi liczba Reynoldsa: lepkość płynu gęstość płynuprędkość pozorna płynu Zastępcza średnica elementów wypełnienia prędkość pozorna płynu objętościowe natężenie przepływu płynu pole przekroju poprzecznego aparatu Prędkość liniowa płynu liczona na pusty aparat !!!!!!

7 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Średnicę zastępczą wypełnienia określa się jako równą średnicy kuli, mającej tę samą objętość co dane ziarno. W przypadku ładunku o ziarnach niejednorodnych, jeżeli znamy ułamki masowe X i poszczególnych frakcji o danych średnicach d i wówczas średnia średnica ziarna może być przedstawiona umownie jako:

8 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Stwierdzono doświadczalnie, że przy Re < 10 przepływ płynu przez ładunek sypki ma charakter LAMINARNY W tym przypadku opory możemy określić z równania Kozeny : Porowatość Powierzchnia właściwa wypełnienia [m 2 /m 3 ] L u Współczynnik k~5

9 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Powierzchnia właściwa a jest odwrotnie proporcjonalna do średnicy zastępczej d z Wprowadzając czynnik kształtu φ czyli stosunek powierzchni ziarna F do powierzchni kuli o tej samej objętości ( średnicy d z ) objętość ziarna dostajemy równanie Leva:

10 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz równania Kozeny i Leva można przekształcić do postaci: K współczynnik przepuszczalnościokreślany doświadczalnie

11 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz W przypadku przepływu poziomego gazu lub cieczy lub pionowego gazu można zaniedbać wpływ ciśnienia statycznego i w ostatnim równaniu zastąpić opory przez spadek ciśnienia: W przypadku przepływu cieczy przez wysokie wypełnienia spadek ciśnienia określa się przy pomocy równia Bernoullego: L u L u przepływu w górę przepływu w dół

12 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Stąd ostatecznie równanie przepuszczalności (-) – przepływ w górę (+) – przepływ w dół W szczególnym przypadku spływania cieczy przez wypełnienie tylko pod działaniem siły grawitacji, a więc przy swobodnym zalewaniu wypełnienia u góry i swobodnym ściekaniu u dołu, nad i pod wypełnieniem panuje to samo ciśnienie pa: pozorna prędkość obciekania

13 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz W przypadku przepływu burzliwego przez wypełnienie stosuje się równanie analogiczne do równania Darcy – Weisbacha (opory w rurach) : n i λ są funkcjami liczby Re. Dla przepływu laminarnego n=1 λ=400/Re odczytujemy z wykresu

14 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz

15 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Przepływ przez ładunek fluidyzacyjny. gaz materiał sypki przegroda w tym przypadku rozdrobnione ciało stałe jest intensywnie mieszane przez płynący w górę gaz i pozostaje jakby zawieszone w tym strumieniu. suszenie ciał sypkich reakcja ze stałymi katalizatorami

16 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz zwiększenie przepływu gazu przez ładunek sypki powoduje wzrost oporów, a więc i strat ciśnienia. w pewnym momencie nadciśnienie płynu pod ładunkiem przewyższy ciśnienie statyczne tego ładunku następuje przejście do stanu o maksymalnej porowatości dalszy wzrost prędkości przepływu gazu powoduje przejście całego ładunku w stan FLUIDALNY

17 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Ziarna ładunku są wprowadzane w ruch i podlegają intensywnemu mieszaniu taki układ jest idealny do prowadzenia procesów cieplnych, dyfuzyjnych i chemicznych zachodzących między fazą stała i gazową. intensywne mieszanie dalszy wzrost prędkości praktycznie nie powoduje wzrostu spadków ciśnienia. po przekroczeniu przez płyn prędkości swobodnego opadania ziaren nastąpi wywianie ładunku z aparatu.

18 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Redukcja prędkości spowoduje osłabienie mieszania i w pewnym momencie przejście w ładunek nieruchomy, o maksymalnej porowatości ale wykazujący inną zależność oporów od przepływu niż poprzedni ładunek przed sfluidyzowaniem. warunkiem fluidyzacji jest przekroczenie pewnej krytycznej prędkości płynu U k w tym momencie ciśnienie statyczne ładunku zrównuje się ze spadkiem ciśnienia płynu przez nieruchomy ładunek (o porowatości maksymalnej ε k ) ciśnienie statyczne ciężar właściwy ziaren

19 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Straty ciśnienia przy przepływie przez ładunek sypki (laminarny) przedstawia równanie (Leva): przyrównując możemy wyznaczyć prędkość krytyczną fluidyzacji: wzrost temperatury powoduje redukcję prędkości krytycznej fluidyzacji !!!! wyznaczone z doświadczenia

20 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Przy przepływie gazu przez ładunek materiału gruboziarnistego mogą występować zakłócenia tworzenie się pęcherzy gazu. Mogą one urosnąć do wielkości współmiernej ze średnicą aparatu, powodując pulsacje w złożu. Jako kryterium ich występowania można przyjąć liczbę Frouda: Przy Fr < 1 fluidyzacja zachodzi na ogół normalnie, dla 1< Fr < 50 występują pulsacje

21 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Prędkość przepływu gazu przez ładunek fluidalny nie może być dowolnie duża, występuje górna granica U s przy której materiał stały zostaje wywiany z aparatu. Ta graniczna prędkość jest równa prędkości swobodnego opadania ziaren ciała stałego w danym płynie Dla Re < 2 (zakres laminarny) Dla Re > 500 (zakres burzliwy)

22 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Barbotaż gazu w cieczy Podstawowy sposób zetknięcia fazy gazowej i ciekłej. Polega na przepuszczeniu gazu w postaci pęcherzyków przez warstwę cieczy Sposób ten stosowany jest gdy ze względów kinetycznych zależy nam na mieszaniu cieczy. GAZ

23 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Podczas wypływu gazu z kapilary zanurzonej w cieczy powstaje pęcherzyk o promieniu δ δ d Siała wyporu działająca na pęcherzyk unosi go do góry i wynosi: S Pęcherzyk ten utrzymywany jest na wylocie z kapilary siła napięcia powierzchniowego, mierzoną iloczynem obwodu wylotu kapilary oraz napięcia powierzchniowego: S` średnica kapilary (otworka)

24 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Gdy siła wyporu przewyższy nieco siłę napięcia powierzchniowego, pęcherzyk urywa się i płynie do góry. Dla S=S` możemy wyznaczyć graniczną średnicę płynącego pęcherzyka: Wprowadźmy bezwymiarową liczbę Webera: wówczas wielkość pęcherzyków możemy przedstawić następująco:

25 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Badania empiryczne pozwoliły wyznaczyć zależność w postaci: Charakterystyczne jest, że średnica pęcherzyków nie zależy od objętościowego natężenie przepływu gazu V, natomiast zależy od średnicy otworka kapilary.

26 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Liczba pęcherzyków N [1/s] powstających w jednostce czasu jest związana z objętościowym natężeniem przepływu gazu zależnością Wraz ze wzrostem natężenia objętościowego V rosnąć będzie liczba pęcherzyków N. Maleć będzie odległość pomiędzy poszczególnymi pęcherzykami podczas ich przepływu w górę. Jeżeli każdy pęcherzyk płynie oddzielnie to proces nazywamy: BARBOTAŻEM SWOBODNYM

27 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Po przekroczeniu pewnej krytycznej wartości V, odległość pomiędzy pęcherzykami spadnie do zera. Spowoduje to powstanie łańcucha złożonego z pęcherzy gazu. BARBOTAŻ ŁAŃCUCHOWYBARBOTAŻ SWOBODNY

28 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Prędkość ruchu w górę łańcucha U jest równa iloczynowi Nδ [m/s] Uwzględniając to w równaniu na V otrzymamy: Stąd możemy obliczyć średnicę pęcherzyków w ruchu łańcuchowym: Dla barbotażu łańcuchowego średnica pęcherzyków jest zależna od objętościowego natężenia przepływu gazu.

29 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Aby określić tą średnice należy znać prędkość ich ruchu. Ruch ten jest analogiczny do opadania kul w płynie. Dla małych pęcherzyków ruch może być laminarny i aktualne jest prawo Stokesa: W przypadku ruchu burzliwego Van Krevelen stwierdził aktualność prawa Newtona w postaci:

30 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Wykres zależności prędkości unoszenia pęcherzy w funkcji ich średnicy obszar przejściowy

31 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Uwzględniając zależności na prędkości unoszenia pęcherzyków otrzymujemy średnicę pęcherzyków w łańcuchu płynącym ruchem laminarnym: oraz średnicę pęcherzyków w łańcuchu płynącym ruchem burzliwym:

32 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Można sporządzić wykres wielkości pęcherzyka od objętościowego natężenia przepływu gazu.

33 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Wyznaczenie wartości V k możne być określona poprzez porównanie aktualnych dla tego momentu wyrażeń dla średnic pęcherzyków w obu rodzajach barbotażu:

34 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Podstawiając zależności na prędkości U otrzymamy: Dla przepływu laminarnego Dla przepływu burzliwego Należy pamiętać że V k odnosi się do przepływu pojedynczym otworkiem

35 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Jednym z ważniejszych problemów jest oszacowanie wartości powierzchni międzyfazowej w aparacie. Jeżeli prędkość liniowa przepływu pęcherzyków w górę wynosi U, to czas potrzebny na pokonanie długości równej jednostce wysokości słupa cieczy wynosi 1/U. W jednostce czasu powstaje N pęcherzyków, czyli na wysokości jednostki słupa cieczy znajduje się N/U pęcherzyków z jednej kapilary. Powierzchnia jednego pęcherzyka wynosi: stąd łączna powierzchnia pęcherzyków na jednostkę słupa cieczy wynosi: Wyrażenie to podaje wielkość powierzchni między fazowej na jeden otwór bełkotki i jednostkę wysokości słupa cieczy.

36 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz W przypadku barbotażu swobodnego a prędkość U lub dla ruchu laminarnego

37 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz W przypadku barbotażu łańcuchowego: Znając liczbę otworów w bełkotce na 1 m 2 podstawy słupa cieczy, możemy obliczyć wartość powierzchni między fazowej na 1 m 3 cieczy.

38 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Atomizacja (rozpylanie) cieczy w gazie Metodę rozpylania cieczy w gazie stosuje się wtedy, gdy zależy nam na intensywnym mieszaniu fazy gazowej przez poruszające się w nim krople cieczy. Rozpylanie lub atomizacja cieczy polega na wytworzeniu cienkich strumyków o bardzo małym przekroju, które pod wpływem działania sił napięcia powierzchniowego ulęgają rozerwaniu na drobne krople.

39 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Wytworzenie dużej powierzchni tych kropel połączone jest z wkładem pracy dla pokonania działania siły napięcia powierzchniowego. Metody atomizacji: a) dwu płynowa b) stosowanie dyszy ciśnieniowej c) stosowanie szybko obrotowego talerzad) stosowanie dyszy Venturiego

40 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Krople w strumieniu nie mają jednakowej wielkości, ale występuje rozkład : Zakres średnic można podzielić na równe odcinki Δd. Ogólna liczba kropli w jednostce masy strumienia wynosi N. Dla każdego przedziału przypada liczba kropel ΔN. Wyniki doświadczalne pomiaru ΔN dają krzywą a) która można przedstawić równaniem tzw. normalnego rozkładu Gaussa:

41 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz maksimum ilości kropli wokół średnicy d 0 odchylenie standardowe

42 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Rozdział kropel można przedstawić również w postaci krzywej całkowej rys. b. Podaje ona liczbę kropli N d ( z ogólnej liczby N ) mających średnicę większą od d. Jej przebieg można określić przez całkowanie rozkładu Gaussa: gdzie: wartości F(u) można znaleźć w tablicach statystycznych.

43 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Dla celów praktycznych stosuje się pojęcie średniej zastępczej wielkości kropli d z takiej dla której stosunek powierzchni do objętości jest taki sam jak w całym strumieniu. trzeba znać krzywą rozkładu Powierzchnia właściwa strumienia cieczy (na jednostkę jej objętości) będzie taka jak dla kropli:

44 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Duże znaczenie praktyczne mają równania kryterialne określające średnicę zastępczą d z z właściwości fizycznych cieczy i warunków rozpylania. średnica dyszy, tarczy wirującej itp.. liczba obrotów tarczy strumień cieczy zmodyfikowana liczba Reynoldsaliczba Webera

45 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Np.. Dla dyszy ciśnieniowej funkcji tej odpowiada równanie typu : Dla dyszy z tarczą wirującą wartości współczynników a, b, c i m zależą od rodzaju dyszy.


Pobierz ppt "Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz Procesy Mechaniczne. Procesy kontaktowania faz."

Podobne prezentacje


Reklamy Google