Procesy kontaktowania faz

Prezentacja na temat: "Procesy kontaktowania faz"— Zapis prezentacji:

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

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

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

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

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

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

7 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
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 Xi poszczególnych frakcji o danych średnicach di wówczas średnia średnica ziarna może być przedstawiona umownie jako: Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz

8 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Stwierdzono doświadczalnie, że przy Re < 10 przepływ płynu przez ładunek sypki ma charakter LAMINARNY W tym przypadku opory możemy określić z równania Kozeny : Współczynnik k~5 L Porowatość Powierzchnia właściwa wypełnienia [m2/m3] u Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz

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

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

11 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
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: u L L u przepływu w górę przepływu w dół Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz

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

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

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

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

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

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

18 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
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 Uk w tym momencie ciśnienie statyczne ładunku zrównuje się ze spadkiem ciśnienia płynu przez nieruchomy ładunek (o porowatości maksymalnej εk) ciężar właściwy ziaren ciśnienie statyczne Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz

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

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

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

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

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

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

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

26 Jeżeli każdy pęcherzyk płynie oddzielnie to proces nazywamy:
Inżynieria Chemiczna i Procesowa 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 Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

37 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
W przypadku barbotażu łańcuchowego: Znając liczbę otworów w bełkotce na 1 m2 podstawy słupa cieczy, możemy obliczyć wartość powierzchni między fazowej na 1 m3 cieczy. Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz

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

39 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
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 talerza d) stosowanie dyszy Venturiego Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz

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

41 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
maksimum ilości kropli wokół średnicy d0 odchylenie standardowe Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz

42 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Rozdział kropel można przedstawić również w postaci „krzywej całkowej” rys. b. Podaje ona liczbę kropli Nd ( 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. Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz

43 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Dla celów praktycznych stosuje się pojęcie średniej zastępczej wielkości kropli dz 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: Wykład nr 6 : Procesy mechaniczne. Procesy kontaktowania faz

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

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