Пневмотранспорт заторможенным плотным слоем

Недостатки классического пневмотранспорта:

– большой расход воздуха из-за низкой концентрации транспортируемого зернистого материала;

– большая скорость витания твердой частицы и, как следствие, большие скорости двухфазной системы;

– износ трубопроводов и зернистого материала;

– накапливание статического электричества.

Всех этих недостатков не имеет новый способ пневмотранспорта –заторможенным плотным слоем (ЗПС), разработанный и исследованный
на кафедре гидравлики КГТУ (КХТИ) (Б.Ф. Степочкин, Ю.И. Разинов).

Торможение транспортируемого материала с помощью клапана или диафрагмы, установленного на выходе из транспортного трубопровода сильно изменяет структуру двухфазной системы в транспортном трубопроводе, концентрация зернистого материала приближается
к предельной (лишь на 5–10 % ниже концентрации насыпного слоя транспортируемого материала). Если частицы сферические, то рабочая порозность для ЗПС составляет e = 0,45–0,50.

Экспериментами установлено, что рабочая скорость потока для ЗПС  должна быть больше скорости начала псевдоожижения  на 80–100 %:

                           (3.49)

При этом скорость движения самих твердых частиц имеет небольшое значение:  Значение  можно легко регулировать
в любую сторону.

Потери давления определяются по следующей формуле:

                               (3.50)

Здесь – потери давления на фильтрацию газа через «пористый поршень»,  – потери давления на трение между частицами.

Новый способ пневмотранспорта ЗПС экономически более выгоден, чем классический: КПД установки пневмотранспорта ЗПС составляет 12–20 %, КПД установки классического пневмотранспорта при аналогичных условиях – 6–10 %.

Пневмотранспорт ЗПС может применяться для транспортирования зернистых материалов на небольшие расстояния: для вертикального пневмотранспорта – 12–15 м, для горизонтального – до 50 м.

Пневмотранспорт ЗПС особенно эффективен при совмещении его
с технологическим процессом, так как время контактирования газа
с твердой фазой достаточно велико даже при небольших длинах транспортирования из-за возможности установления низких скоростей движения материала.

Пневмотранспорт ЗПС может быть применен для дозирования сыпучих материалов. В этом случае одна питающая емкость может обслуживать несколько дозирующих устройств, причем расход зернистого материала в каждом из них можно легко регулировать путем соответствующих тормозящих насадок или диафрагм.

Система «газ (пар) – жидкость»

Многочисленные промышленные технологические процессы происходят при взаимодействии жидкости и газа (пара). Возможны случаи:

– движение жидкости в газе в виде тонкой пленки противотоком
или прямотоком;

– движение капель жидкости в потоке газа или в неподвижной среде;

– движение газовых пузырей в жидкости.

Во всех случаях реализуется развитая межфазная поверхность,
что необходимо для проведения тепло- и массообменных процессов
и химических реакций.

Пленочное течение жидкости

Пленочное течение жидкости по вертикальным плоским
и цилиндрическим стенкам широко используется в технологических процессах. При небольших скоростях газа (до 3 м/с) его влияние
на течение пленки жидкости незначительно. Поскольку толщина пленки d значительно меньше радиуса технологического аппарата, по которому она стекает, то поверхность обычно рассматривают как плоскую.

Рассмотрим гравитационное ламинарное течение вязкой жидкости
в виде пленки по вертикальной плоской поверхности без учета влияния
на течение газового потока (рис. 3.8).

Для одномерного движения пленки жидкости вдоль оси z уравнение Навье – Стокса имеет вид:

                        (3.51)

Будем считать, что движение стационарное , , . С учетом уравнения неразрывности получим .
За пределами жидкой пленки , поэтому .
Тогда получим:

                                     (3.52)

а)                                                б)

Рис. 3.8. Виды пленочного течения жидкости:

а – ламинарное гладкое; б – ламинарное с волнообразованием

Граничные условия:        при ,

                                          при   .

Проинтегрируем уравнение (3.52) и получим:

Из первого граничного условия находим  Тогда:

Интегрирование последнего уравнения дает:

Используя второе граничное условие, получим . Тогда для профиля скоростей  окончательно получим:

                                  (3.53)

Максимальное значение скорости имеем при :

                                  (3.54)

Средняя скорость  определяется из выражения:

               (3.55)

Определяем объемный расход стекающей пленки:

                         (3.56)

где b – ширина падающей пленки.

Для того чтобы определить  или  по уравнениям (3.55)
и (3.56) необходимо определить толщину d, которая неизвестна.

Введем понятие линейной плотности орошения Г, характеризующей массовый расход жидкости, приходящейся на единицу смоченного периметра :

              (3.57)

откуда:

                                    (3.58)

Из уравнений (3.55) и (3.58) получим толщину падающей пленки:

                                      (3.59)

Исключив из уравнения (3.58) толщину пленки d, получим для :

Итак, мы получили основные характеристики пленочного
течения жидкости по вертикальной плоской стенке без учета влияния газового потока.

Определим критерий Рейнольдса . Как известно, для пленочного течения жидкости :

                         (3.61)

Как показали эксперименты, ламинарное гладкое (без волнообразования) течение вязкой жидкости реализуется при ; ламинарное течение с волнообразованием при ; турбулентное течение пленки при .

В условиях волнообразования существенную роль играют капиллярные силы, возникающие при деформации пленки. Они соизмеримы с силами вязкого трения. При волнообразовании увеличивается свободная поверхность пленки и несколько уменьшается средняя толщина пленки :

                                   (3.62)

Изучение турбулентной падающей пленки проводится
с использованием модели пристенной турбулентности Прандтля.

Рассмотрим движение пленки жидкости, взаимодействующей
с газовым потоком. Пусть будет противоток: пленка жидкости вниз, газ – вверх. С возрастанием скорости газа сила его трения о поверхность жидкости увеличивается. Как в газе, так и в жидкости на поверхности
их раздела возникают напряжения . При этом движение жидкой пленки начинает тормозиться, причем её толщина увеличивается, а средняя скорость уменьшается. При определенной скорости газа (~5–10 м/с) достигается равновесие между силой тяжести, под действием которой движется пленка, и силой трения у поверхности пленки, тормозящей
её движение. Это приводит к захлебыванию аппарата.
Для случая захлебывания средняя скорость по высоте стенки равна нулю  (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Схема взаимодействия пленки жидкости с газовым потоком (слева направо скорость газа увеличивается,  – скорость захлебывания)

Учет напряжения сдвига на свободной поверхности жидкости  приводит к изменению второго граничного условия, вместо
при  надо принимать . Для этого случая распределение скоростей по толщине пленки будет иметь вид:

                           (3.63)

Значение  может быть определено экспериментальным путем
или установлено решением сопряженной задачи взаимодействия жидкостного и газового потоков.

В общем случае возможно 4 варианта взаимодействия жидкостного
и газового потоков:

– противоток (жидкость – вниз, газ – вверх);

– восходящий прямоток (жидкость и газ – вверх);

– нисходящий прямоток (жидкость и газ – вниз);

– захлебывание.

Восходящий прямоток реализуется тогда, когда скорость газового потока выше скорости захлебывания. В случае нисходящего прямотока средняя скорость жидкой пленки  возрастает за счет увлечения газовым потоком, а толщина d уменьшается.

Большие скорости газа ( = 15–30 м/с) приводят к брызгоуносу.

Влияние ПАВ на пленочное течение. ПАВ концентрируется
на свободной поверхности пленки и изменяет поверхностное натяжение жидкости. Возникает сила, способствующая гашению волн. Переход
к турбулентному режиму течения затягивается (  от 1600 до 5000).

Влияние шероховатости на пленочное течение. Шероховатость твердой поверхности приводит к турбулизации потока жидкости, толщина жидкой пленки увеличивается:  на 20–70 %.