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
- Khi w w(cid:1)(cid:1)k w w(cid:1)k D C B A - Khi w=w(cid:1)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 w(cid:1)(cid:1)k w w(cid:1)k Thủy động lực học của lớp hạt ΔP D C B A - w>w(cid:2)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 w(cid:1)(cid:1)k w w(cid:1)k 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. - 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 2 p , mN
/ "=# 2
w
!
0
0
2 khối lượng riêng của dòng chảy, kg/m3
vận tốc của dòng khí (lỏng), m/s
hệ số trở lực, ρ0 :
w0:
ξ0: hệ số trở lực ma sát
chiều cao lớp hạt, m
đường kính tương đương của khe giữa các !" = l
tđd λ:
l:
dtđ:
hạt, m λ =f(Re)=A/Re
- 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 =! 3 220
h Re n # h )
''
14
( &
$$
% d = = = td d
"
6
3 V
4
td
F 2
(
13 d
!
)!
# uot n Reh < 50: Đường kính tương đương của rãnh là: d
6
"
d
6 h =! 6,11
25,0Re
h Reh = 50 - 7200: d = td hạt có hình dạng bất kỳ: ! 26,1=h! =! d
!"
h
1
#
!
hệ số phụ thuộc vào hình dạng của hạt
với hạt cầu:
2
3 wd !0 Khi Reh > 7200 có: Re = h h
µ Re của hạt: w =0 w
! vận tốc chảy qua lớp hạt: p
=$ dw
0 #
0 Re Re = = = Re Re của dòng chảy trong thiết bị: h lA
i
d
h 1 td
µ #
0
µ "
$ ! dw
!"
h
(
)
1
$
!
! "! = 2 2 1
2
! w (
1 p
=' %
h !" l
d $
0
2 )
&
#
3
# h Re :35 ,0 0091 Eu Re % = h h "# 2 l wd 3
d
!
h
(
)
1
$
! '
0 f (Re ) f = = (
h h h
µ &
$$
% #
!!
" Re 50 7200 : 713,0 Eu Re = ÷ = h h "# 2 l 3
d
!
h
)
(
1
$
! Eu = 2 p
"
0w
! là hệ số hình dạng phụ thuộc vào kích
thước và hình dáng của hạt, được xác
định bằng thực nghiệm Thủy động lực học của lớp hạt l p
=$ # G
h
F
Fl = # =
(
1 )g
) Ng
, G
h )(
(
1
!!"
#
h
0
)(
#
0!!"
h 2 (
1 Fl = & & (
1 )( )g $
h !!"
h
0 F
#
% l
d '
w
!
k
0
2 )
&
"
3
" h gd ) 2 2
h 3
h 2
h 0 h Re : Ar = = 2
h ='
w
k 2
#
dw
k
2
v (
"
!!
h
0
2
v
!
0 (
)
3
gd
&
!""
)!"#$
(
1
& 0 h % Ar Re = = $ = 2
h (
1 Ar
) 3
#
) !"#
% h 2
"
!
h 3
2
$
(
1
&
#$!
% Thủy động lực học của lớp hạt 3 Ar 35 10.58,3 Re: ,0 0091 Ar Re "#" ! = ! h h 3 6 Re 50 7200 10.86,9 Ar 10.14,31 Re: 367,0 Ar = ÷ # " ! " = (
! ) 57,1 h h Biết được Reh , sẽ tính được vận tốc thăng bằng; w(cid:1)k =" là số tầng sôi w
!
kw tầng sôi có cường độ khuấy đảo mãnh liệt nhất 2=! 2!" lớp hạt trở nên không đồng đều, thoạt đầu xuất hiện các (cid:2)bọt(cid:3) khí rải
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 Trong môi trường chân không, vật thể rơi tự do với vận tốc / ,!=
smgw 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 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 S , N F
0!"= 2
w
0
2 Với hạt cầu 2
h S N , #= F = !
0 d
"
4 2
w
0
2 3
h G = ) Ng
, (
#
!!
0 h 2
hd
!
4
Lực trọng lượng của hạt trong môi trường có khối lượng riêng ρ0:
d
"
6 Hạt có vận tốc rơi không đổi (với vận tốc lắng) khi S=G 4 ) 2
h 3
h = w
0 # = )g !
0 (
$
!!
0 h (
hgd
"" #
h
0
3
!"
0 d
"
4 2
w
0
2 d
"
6 Thủy động lực học của lớp hạt Re 2 =!" # phương trình Stokes d 24
Re
) 2
h smg / , = w
0 Với hạt cầu (
!! "
h
0
18
µ S 3 , 2
Nwd
0µ!=
h quá trình lắng tuân theo định luật Stokes:
- Trở lực môi trường tỉ lệ bậc một với vận tốc lắng của hạt
- 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 d 375,1
3 , m = = # h g 2
µ
) ) 2
µ
w
!
0
0 36
(
"
!!!
0 h 0 2
µ
(
"
!!!
0 h 0 Thủy động lực học của lớp hạt 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: S , N = A 1 + 3
wd
µ!
0
h
l
0
d Vận tốc lắng d 1 A /
sm = + )
g w
0 2
h (
((
'
0 h l
0
d h &
$$
% #
!!
,
" Quãng%đường%tự%do%
trung%bình%của%phân%tử%
khí,%m Hằng%số,%A=%14%- 20 Thủy động lực học của lớp hạt 2 Re 500 ! ! Vận tốc lắng được tính bằng phương trình Allen 114 d , /
sm = w
0 h Thủy động lực học của lớp hạt 500 Re 150000 ! ! Vận tốc lắng được tính bằng phương trình Newton d ) h 48,5 , /
sm = w
0 (
"" #
h
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 ) 3
gd
h (1) Tính chuẩn số Ar: Ar = (
"
!!
h
0
2
v
!
0 (2) Từ giá trị Ar, tính Re Ar Re:36 hay Re ! = = Ar
4
243 Ar
18 1
4,1 1
4,1 36 Ar 84000 Re: hay Re ' ' = = Ar
4
5,183 Ar
9,13 &
$
% #
!
" &
$
% #
!
" Ar 84000 Re: 71,1 Ar ! = = 4
Ar
44,03 Thủy động lực học của lớp hạt (3) Tính vận tốc lắng theo phương trình: , /
sm "= w
0 µ
d Re
!
0 h 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: d 324,1 = td G: khối lượng của hạt, kg
ρh: Khối lượng riêng của hạt, kg/m3 G
!
h - Nhiều quá trình hóa học được tiến hành trong dòng chảy nhờ sự tiếp xúc
giữa các pha:có một pha phân tán và một pha liên tục - Sự tiếp xúc pha quyết định quá trình trao đổi chất, trao đổi nhiệt và hiệu quả
của quá trình -> vì vậy việc nghiên cứu chế độ thủy động lực của các dòng
pha là rất quan trọng - Các pha trong thiết bị có thể chuyển động cùng chiều, ngược chiều hoặc
chéo dòng - Ngoài bề mặt phân chia pha giữa các pha va thành thiết bị, còn có bề mặt
phân chia giữa 2 pha với nhau: - Dòng 2 pha với pha liên tục là pha khí hoặc lỏng, pha phân tán là rắn - Dòng 2 pha không có pha rắn tham gia: khí – lỏng, lỏng – lỏng, khí – khí Thủy động lực học của dòng 2 pha khí-lỏng Chế độ thủy động lực rất phức tạp, vì đặc trưng chuyển động của pha này phụ
thuộc vào điều kiện chuyển động của pha kia và các yếu tố khác: sức căng bề mặt,
pha –pha. -> Việc nghiên cứu thường dựa vào kết quả thực nghiệm - Kết quả thực nghiệm thu được khi áp dụng phương pháp phân tích thứ nguyên. - Chuẩn số: Weber W = l: kích thước hình học (đường kính bọt , giọt,…)
σ: sức căng bề mặt, N/m2
w: vận tốc của pha liên tục, m/s 2
" lw
! Thủy động lực học của dòng 2 pha khí-lỏng ε= Quá trình sục bọt
- Khi sục dòng khí (hơi) vào chất lỏng thì nó được phân bố vào pha lỏng ở dạng các bọt
- Các bọt này không bền: và bị phá hủy ngay sau khi ngừng sục
- Muốn có bọt bền phải có chất hoạt động bề mặt
- Đặc trưng lớp bọt:
- mm
3/2, a n = + Nồng độ pha khí: thể hiện qua phần thể tích ε trong thể tích V của hệ bọt:
3
nπdtb
6V + Bề mặt tương tác giữa bọt và pha khí: Bề mặt riêng a[m2/m3]
2
d
tb!
V 2
tb V m
2, = 3
dn
tb !
=
a dn
!
6
" dtb: đường kính trung bình của bọt, m
n: số lượng bọt , m = dtb 6!
a Đường kính trung bình của bọt là: Thủy động lực học của dòng 2 pha khí-lỏng Khí được sục vào qua lớp chất lỏng qua lưới hoặc vòi - Sự hình thành của bọt khí qua lỗ của lưới phân phối khí chậm hoặc nhanh
phụ thuộc vào dòng khí và trở lực của lớp chất lỏng a. Sự hình thành bọt chậm: - Dòng khí được thổi vào với tốc độ chậm, với vận tốc nhỏ, trở lực dòng lớn, bọt
khí được hình thành chậm, vận tốc tạo bọt chậm làm trạng thái cân bằng
tĩnh bị phá vỡ (Bỏ qua lực khối lượng vì còn rất bé) Thủy động lực học của dòng 2 pha khí-lỏng b. Sự hình thành bọt nhanh: - Quá trình hình thành bọt nhanh mới chỉ được quan sát qua thực nghiệm, vì vậy chưa có cơ
sở lý thuyết đầy đủ. - Dựa vào Quan hệ giữa lưu lượng khí DG và tần số tạo bọt f thông qua thể tích bọt V:
DG=f.V Siemens phân thành các khu vực: Khu vực 1: hình thành bọt chậm, là giới hạn dưới với lưu lượng khí bé DG Khu vực 2: tần số tạo bọt tăng dần cho đến khi thể tích bọt cân bằng Khu vực 3: tần số tạo bọt là một hằng số: Độ lớn của bọt tăng cùng lưu lượng khí Khu vực 4: quá trình tạo bột không theo qui luật (vùng quá độ) Khu vực 5: tạo thành khí xuyên qua lớp chất lỏng, các bọt riêng lẻ được tách ra Thủy động lực học của dòng 2 pha khí-lỏng c. Sự hình thành bọt trong hệ lỗ: - Siemens: sự hình thành bọt ở mỗi lỗ trong hệ thống lỗ không khác sự hình thành bọt ở lỗ
riêng lẻ. Quá trình được thể hiện qua 3 trạng thái khác nhau Ở trạng thái tĩnh, cả 3 trường hợp đều có khả năng tồn tại tùy thuộc vào áp suất của khí p p gz p = = + # ! + v p
G hD 0 2
"
R
0 Áp suất thủy tĩnh
cửa chất lỏng trên
đĩa Khoảng8cách8từ8
mặt8lưới8đến8vòm8
chất8lỏng + Trường hợp a: Nếu pV + Trường hợp b : pV > pG bọt sẽ tách ra khỏi lỗ
+ Trường hợp c : không tồn tại trạng thái ổn định. Chất lỏng trong lỗ đẩy lên khi pv bé và
tụt xuống khi pv tăngThủy động lực học của lớp hạt
ΔP
Thủy động lực học của lớp hạt
Trở$lực$của$lớp$hạt
Đặc trưng cơ bản của lớp hạt xốp
Trở$lực$của$lớp$hạt
Tổn thất áp suất của dòng chảy qua lớp hạt được tính theo công thức:
Trở$lực$của$lớp$hạt
Thủy động lực học của lớp hạt
Trở$lực$của$lớp$hạt
Trở lực của lớp hạt
(
)
2 1
1
"#
3
2
!"
Xác$định$vận$tốc$của$dòng$chảy$qua$lớp$hạt
Khi lớp hạt ở trạng thái tầng sôi, trở lực của lớp hạt có giá trị xác định và không
thay đổi, vì lúc này lực nâng và trọng lượng của lớp hạt bằng nhau:
Tính vận tốc thăng bằng
Xác$định$vận$tốc$của$dòng$chảy$qua$lớp$hạt
Tại các chế độ chuyển động khác nhau:
Xác$định$vận$tốc$của$dòng$chảy$qua$lớp$hạt
Tính vận tốc lắng
Xác$định$vận$tốc$của$dòng$chảy$qua$lớp$hạt
Xác$định$vận$tốc$của$dòng$chảy$qua$lớp$hạt
Tính vận tốc lắng
Xác$định$vận$tốc$của$dòng$chảy$qua$lớp$hạt
Tính vận tốc lắng
Xác$định$vận$tốc$của$dòng$chảy$qua$lớp$hạt
Tính vận tốc lắng
)
(
"" #
h
0
!"
0
Xác$định$vận$tốc$của$dòng$chảy$qua$lớp$hạt
Tính vận tốc lắng
Xác$định$vận$tốc$của$dòng$chảy$qua$lớp$hạt
Tính vận tốc lắng phương pháp Liasenco
Xác$định$vận$tốc$của$dòng$chảy$qua$lớp$hạt
Tính vận tốc lắng phương pháp Liasenco
Thủy động lực học của dòng 2 pha khí-lỏng
Dòng%hai%pha%khí%lỏng
Dòng%hai%pha%khí%lỏng
Chuẩn số Weber đặc trưng cho tỉ lệ giữa lực quán tính và sức căng bề mặt
phân chia pha
Đặc trưng thuỷ động lực của dòng 2 pha lỏng – khí khảo sát : quá trình sục
bọt
Sự hình thành bọt khí
