Пневмо- и гидротранспорт

Двухфазными называются потоки, состоящие из сплошной фазы (дисперсионной среды) и распределенной в ней дисперсной фазы. Могут быть потоки двух типов:

1) сплошная фаза – Г и Ж, а дисперсная – Т;

2) системы Г-Ж, Ж-Ж.

Для потокв первого типа характерно постоянсво формы и размеров дисперсной фазы (твердых частиц); в потоках второго типа частицы дисперсной фазы (пузырьки, капли) отличаются переменными формой и размерами.

Расчеты двухфазных потоков базируются на закономерностях, устанавливаемых экспериментально.

Потки газа и жидкости используют в ряде химических производств для перемещения зернистых материалов.

Пневмотранспорт – перемещение зернистых материалов газовым потоком, гидротранспорт– жидкостным потоком.

Применяют всасывающий, нагнетательный и смешанный пневмотранспорт, а также вертикальный и горизонтальный пневмотранспорт.

Объемная доля твердых частиц β_т в потоке газовзвеси называется объемной концентрацией. На практике β_т ≈ 1-4%. Если порозность потока равна ε, .

В расчетах пользуются расходной концентрацией β_р, равной отношению массового расхода твердого материала (в кг/ч) к массовому расходу транспортирующего газа.

При пневмотранспортировке газ и твердые частицы движутся с разными скоростями.

Пусть твердые частицы движутся со скоростью U, а газ – со скоростью ω (отнесенной к пустому трубопроводу). Тогда для вертикального пневмотранспорта , где ω₀, - скорость витания твердых частиц.

Для устойчивого пневмотранспорта рекомендуется скорость газа ω, превышающая в 1,5-2 раза скорость витания ω₀ самой крупной твердой частицы. При гидротранспорте принимают ω/ω₀ ≥ 5.

Для гидротранспорта характерно значительно меньшее отношение плотностей транспортируемого материала и транспортирующей среды, чем для пневмотранспорта ( , ). Поэтому гидротранспорт требует значительно меньших скоростей потока, допускает намного большее значение β_р, чем пневмотранспорт. Гидротранспортом можно перемещать материалы на десятки километров, а пневмотранспортом – на сотни метров.

В случае гидротранспорта жидкость и твердые частицы перемещаются практически с одинаковой скоростью, близкой к скорости витания.

l_р - разгонный участок, твердые частицы разгоняются до скорости U; lс- стабилизированный участок, скорость твердых частиц постоянна и равна U.

Потеря давления ∆р при вертикальном пневмо- и :гидротранспорте:

где ∆р_ст –статическое давление столба твердых частиц и жидкости; ∆р_г – гидравлические потери на трение потока Ж (Г) о стенки; ∆р_U – потери на трение между твердыми частицами и Ж (Г); ∆р_р – потери на создание ускорения частиц на разгонном участке.

Потеря давления в горизонтальном пневмо- и гидропроводе:

где ∆р_г – гидравлические потери при движении Ж (Г); ∆р_т – потери при движении твердых частиц.

Достоинство пневмо- и гидротранспорта – простота устройства и высокая производительность. Недостатки – эрозия трубопроводов и высокий расход энергии (по сравнению с механическими транспортерами).

5.4. Барботаж

Барботаж – распределение газа в слое жидкости в виде пузырей, выходящих через отверстия различных устройств. При барботаже возникает пена.

Газосодержание – доля объема ε газовой фазы в общем объеме пены.

Удельная поверхность – поверхность контакта газовой и жидкой фаз в единице объема пены (м²/м³).

Средний диаметр пузыря:

где a – удельная поверхность.

Диаметр пузыря в момент отрыва от отверстия рассчитывается на основе равенства выталкивающей силы и силы сопротивления отрыву , где σ – коэффициент поверхностного сопротивления; d₀ – диаметр отверстия:

Таким образом, при свободном движении (отдельно всплывающие пузыри) d пузыря не зависит от расхода газа. С увеличением расхода газа число пузырей растет, хотя до критического расхода газа диаметр сохраняется. Выше критического значения расхода газа диаметр пузырей растет с увеличением расхода газа.

Скорость подъема пузырей небольшого диаметра определяется из условия равенства подъемной силы и силы сопротивления среды, при этом получается формула, аналогичная уравнению для скорости витания.

Режим движения пузырей определяется критерием Re:

где ω_п – скорость подъема пузырей.

На всплывающий пузырь действуют силы поверхностного натяжения, сопротивления жидкости и Архимеда.

Если d ≤ 1-1,5 мм, поверхностное натяжение удерживает пузырь в виде шара; при увеличении d > 1,5 мм поверхностное натяжение влияет мало и пузырь приобретает неустойчивую форму.

При массовом барботаже в промышленных аппаратах пузыри всплывают стесненно, дробясь или сливаясь.