quá trình và thiết bị cơ học chương 1 trạng thái tầng sôi khối hạt

CHƯƠNG1: TRẠNG TH
Á
I T
Ầ
NG S
Ô
I KH
Ố
I HẠT
Khái niệm: Trong các thiết bị của ngành Công Nghệ
Hoá Học, thường gặp hiện tượng tương tác giữa khối
hạt và dòng lưu chất chuyển qua khối hạt đó, ứng
với vận tốc nào đó thì khối hạt linh động hẳn lên,
hiện tượng đó gọi là trạng thái tầng sôi của khối hạt.
Sự tác động tương hỗ giữa khối hạt và dòng lưu
chất đánh giá bằng chuẩn số đồng dạng Reynolds
(của hạt)
XP
U
udud
Re
K
Khá
i
n
niệ
m
m
Tr
rong
cá

c
thiế
ế
t
bị
c
củ
a
n
ngà
n
nh
C
ông
Ngh
hê
CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT
S
Sư
tá
á
c
độ
ộ
ng
tươ
ng
1. CHẾ ĐỘ CHẢY
CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT
2. VẬN TỐC CÂN BẰNG CỦA HẠT

 Khi hạt chuyển động trong ống,
hình bên sẽ chịu các lực sau :
hì
ì
nh
b
bên
s
sẽ

c
hị
u
c
cá
c
l
ự
c
s
sau
:
hì
ình
b
bên
s
sẽ
c
hị

u
c
cá
c
l
ự
c
s
sau
:
2
4
d
S
S

3
6
h
d
V
S

3
6
r
d
m
S
U

N
u
SCF
d
;
2

2
U

Phương trình chuyển động của hạt:

 Vận tốc cân bằng

sm
C
dg
v
d
r
c
/;
ρ.
ρ-ρ.
3
4

CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT
2. VẬN TỐC CÂN BẰNG CỦA HẠT (tt)

3
22
() ()
68
rd
dv d
mgCduv
dt
SS
UU U
 
(1.1)
(1.2)
 Xét khi:
 u = v
cb
: hạt ở trạng thái lơ lửng
 u > v
cb
: hạt bị lôi cuốn theo dòng chảy
 u < v
cb
: hạt lắng xuống (xảy ra quá trình lắng)
 Công thức tính vận tốc cân bằng có hệ số C
d
là
hệ số trở lực của hạt
 Vùng chảy tầng: Re < 0,2

 Vùng quá độ: 0,2< Re <500

 Vùng chảy rối: 500 < Re C
d
= 0,44
Re
24

d
C
6,0
Re
5,18

d
C
CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT


Xé
t
t
khi
:
:
2. VẬN TỐC CÂN BẰNG CỦA HẠT (tt)
 Chuẩn số Archimede

2
3
P

UUU


r
dg
Ar
Từ (1.2) bình phương hai vế, nhân 2 về với d
2
ρ/μ
2
ta đ
ư
1.3)(
3
4
.Re
2
ArC
d

Ở đây:
Thay Re vào
(1.3) tìm được
CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT


Ch
h
uẩ
n

n
sô
́
ô
A
Ar
ch
h
im
e
ed
e
Ạ
ẩ
ẩ
́
3. CÁC CHUẨN SỐ ĐỒNG DẠNG

3
2
2
4
Re .
3
r
d
gd
C
UUU
P



 Chuẩn số Lia – Sen – cô, ký hiệu LY

UUP
U



r
g
u
LY
Ar
LY
23
3
Re
Khi u = v
c


UUP
U


r
c
g
v

LY
2
3
CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT


Ch
huẩ
n
n
sô
́
ô
Lia
Se
en
cô
k
ky
́
y
h
hiệ
u
LY
3. CÁC CHUẨN SỐ ĐỒNG DẠNG (tt)
1.4)(
4.1. Tính theo phương pháp tính lặp
Lần lượt như sau:

Nhược điểm:
• Phương pháp này có nhược điểm là mất nhiều
thời gian tính

CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT
4
1
T
í
nh
t
theo
o
ph
ơn
ng
ph
h
á
p
tí
nh
lặ
p
4. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH VẬN TỐC CÂN BẰNG
v
c

Re C
d

CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT
4.2. Tính theo phương pháp chế độ chảy
Trình tự như sau:
• Trước hết tính Ar, nếu:








• Khi đã biết Re thì tính:
2
1
4,1
1
33,0
Ar
Re84000Ar
9,13
Ar
Re84000Ar6,3
18
Ar
Re6,3Ar

¸
¹
·
¨
©
§
!
¸
¹
·
¨
©
§


d
v
c
.
.Re
U
P

4
2
T
í
nh
t
th

eo
o
ph
ư
ươ
n
ng
ph
há
p
chê
́
ê
đô
c
chả
y
y
4. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH VẬN TỐC CÂN BẰNG
CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT
4.3. Tính theo phương pháp đồ thị
Trình tự như sau:
• Trước tiên tính Ar, trên trục hoành đồ thị hình (H9.
2) là giá trị Ar kéo đường song song với trục tung,
giao điểm với đường 6 là đọc Re từ đó tính:


• Nếu nhìn từ đường 1 sang trái sẽ có LY
cb
, tính

theo công thức (1.4):


sm
d
v
c
/;
.ρ
μ.Re


sm
gLy
v
rcb
c
/;
ρ
ρ-ρ.μ.
3
2

Re
Ar
LY
Hệ số hình dạng hạt
Khi các hạt vật liệu không phải hình cầu thì cần lưu ý
đên hệ số hình dạng hạt φ
߮ൌ

݀
௦
݀
௩
ଶ
ൌ ͲǤʹͲ͹ܵǤ ܸ
௛
ିଶ ଷ
Τ

Trong đó: S- diện tích bề mặt xung quanh hạt, m
2

V
h
-thể tích của hạt, m
3

d
s
,d
v
- đường kính tương đương của hạt theo bề mặt
và theo thể tích, m

Hì
nh dạng hạt

Trò
n

Gó
c
cạ
nh
Dà
i kim
Bả
n
mỏ
ng
φ

1.3

1.52

1.72

2.33

݀
௜
ൌ ͳǤʹͶ߮ ܸ
௛
య

CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT
• Khảo sát (xem hình)
5. HIỆN TƯỢNG GIẢ LỎNG CỦA LỚP HẠT
CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT

5. HIỆN TƯỢNG GIẢ LỎNG CỦA LỚP HẠT
• Tính đường kính tương đương theo bề mặt riêng:
¦


n
i
i
i
d
x
de
1
1
• Tính đường kính tương đương theo khối hạt
¦


n
i
i
i
d
x
de
1
Ạ
.
HIỆ
N

TƯỢ
NG

GI
Ả
LỎ
NG

CỦ
A
LỚ
P
H
h
đờ
kí h
t
đ
th
bề
ặ
t
Ệ
Ợ
5.1 ĐẶC TÍNH KHỐI VẬT LIỆU RỜI
Trong đó: n- số cỡ hạt trong khối hạt
x
i
-phần khối lượng của cở hạt kích thước di trong khối hạt
CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT

5. HIỆN TƯỢNG GIẢ LỎNG CỦA LỚP HẠT
• Độ xốp của khối hạt
.
HIỆ
N
TƯ
Ợ
NG

GI
Ả
LỎ
NG
CỦ
A
LỚ
P
HẠ
T
Ệ
Ợ
Ạ
5.1 ĐẶC TÍNH KHỐI VẬT LIỆU RỜI(tt)
ࢿൌ
ࢂെࢂ
ࢎ
ࢂ
ࢎ
ൌ૚െ
࣋

࢜
࣋
࢘

Trong trạng thái tĩnh, ε
0
=0,38-0,42
• đường kính khe hở tương đương trong khối hạt
݀
௢
ൌ
ʹ
͵
ߝ
௢
ͳെߝ
௢
݀
௘

CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT
• Trở lực của dòng chảy qua lớp vật liệu
Khi dòng lưu chất chuyển động xuyên qua lớp vật
liệu hạt, thì áp suất nó bị giảm. Đại lượng tổn thất
này gọi là trở lực của lớp hạt
Ạ
Ạ
Ạ
Ạ
5.2 TRỞ LỰC CỦA DÒNG CHẢY QUA LỚP VẬT LIỆU HẠT

v
o
-tốc độ thực của dòng lưu chất trong khe d
o

u – tốc độ trung bình của lưu chất theo tiết diện thiết bị, m/s
h
o
- chiều cao lớp vật liệu
λ
h
-hệ số ma sát của dòng qua lớp vật liệu
 ൏ ͶǢ ՜ ߣ
௛
ൌ
͵Ͷ

Ͷ൏൏ͺͲǢ՜ߣ
௛
ൌ
ʹ͹Ǥͺ

൅ͲǤͺ

CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT
• Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa trở lực lớp hạt 'p
và vận tốc trung bình dòng lưu chất v
Ạ
Ạ
Ạ

Ạ
5.3 ĐƯỜNG CONG GIẢ LỎNG CỦA LỚP VẬT LIỆU HẠT
CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT
)I – Lớp hạt trạng thái tĩnh: điểm A gọi là điểm tới hạn, là
điểm bắt đầu chuyển hạt từ trạng thái tĩnh sang trạng thái
linh động và vận tốc điểm A gọi là vận tốc tới hạn v
k


)II – Lớp hạt giả lỏng: là các hạt ở trạng thái lơ lửng, trở lực
qua lớp hạt không đổi, vận tốc tại điểm B gọi là vận tốc cân
bằng của hạt và được gọi là vận tốc bắt đầu lôi cuốn v
t
. Trở
lực vùng II tính theo:

Vùng II gọi là vùng trạng thái tầng sôi của lớp hạt, vận tốc
dòng lưu chất: v
k
< v < v
t

) III – Là vùng hạt bị lôi cuốn theo dòng chảy v > v
t


HUU HUU ' 1gh1ghP
r0r0
gọ
ọ

ậ
Ạ
Ạ
Ạ
Ạ
5.3 ĐƯỜNG CONG GIẢ LỎNG CỦA LỚP VẬT LIỆU HẠT(TT)
CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT
Reynolds tới hạn Re
k
tại điểm A, hình cũng xác
định theo phương trình chuẩn số.
Đặt biệt khi H
0
= H
k
= 0,4
thì
Ar22,51400
Ar
Re
k



Ar.
75,1
1
150
Ar
Re

3
0
3
0
0
k
H

H
H

(1.7)
Ạ
Ạ
6. TRẠNG THÁI TẦNG SÔI CỦA LỚP HẠT
CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT
• Từ công thức (1.7) ta tìm được v
k
ݒ
௞
ൌ

௞
Ǥߤ
ߩ݀
௘

Ạ
Ạ
̀

6. TRẠNG THÁI TẦNG SÔI CỦA LỚP HẠT (tt)

sm
gLy
v
rk
k
/;
ρ
ρ-ρ.μ.
3
2

ܮݕ
௞
ൌ

௞
ଷ
ܣݎ
ൌ
ܣݎ
ଶ
ͳͶͲͲ ൅ ͷǡʹʹ ܣݎ
ଷ
ൌ
ݒ
௞
ଷ
ߩ

ଶ
ߤ݃ሺߩ
௥
െߩ
ሻ

݀
௘
ൌ
ߤ
ଶ
Ǥܣݎ
ߩ݃ሺߩ
௥
െߩ
ሻ
య

CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT
• Gọi hệ số tầng sôi là tỉ số giữa vận tốc làm việc
trong thiết bị tầng sôi chia cho vận tốc tới hạn – ký
hiệu K
v

k
v
v
v
K
Ạ

Ạ
́
ầ
ầ
̉
́
ố
ố
6. TRẠNG THÁI TẦNG SÔI CỦA LỚP HẠT (tt)
Độ xốp H của lớp sôi xác định theo phương trình
chuẩn số
21,0
2
Ar
Re36,0Re18
¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§

H
Chiều cao lớp sôi: ݄ൌ݄
௢
ଵିఌ
೚
ଵିఌ

Chú ý: ngoài những cách tính toán bằng công thức trên ta có thể xác
định bằng giản đồ sau:
LY
Ar
ε
Re
Ar
CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT
Ạ
Ạ
7. TRẠNG THÁI LÔI CUỐN VẬT LIỆU
ݒ
௧
ൌ

௧
Ǥߤ
ߩ݀
௘


sm
gLy
v
rt
t
/;
ρ
ρ-ρ.μ.

3
2

ܮݕ
௧
ൌ

௧
ଷ
ܣݎ
ൌ
ܣݎ
ଶ
ͳͺ ൅ Ͳǡ͸ͳ ܣݎ
ଷ

Ar
Ar
t
61,018
Re


Tốc độ lôi cuốn:


CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT
Có ba dạng thiết bị tầng sôi thông dụng như sau:
 Thiết bị một tầng sôi
Ạ

C
Có
ba
a
dạ
n
ng
th
h
iế
t
b
bị
tầ
n
ng
sô
ôi
th
ôn
g
dụ
n
8. CẤU TẠO THIẾT BỊ TẦNG SÔI
CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT
 Thiết bị tầng sôi nhiều ngăn
Ạ
Ạ



Th
iế
t
b
bị
tầ
ầ
ng
s
sô
i
n
nh
iề
u
ng
g
ăn
8. CẤU TẠO THIẾT BỊ TẦNG SÔI (tt)
CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT
Bài 1. Hãy xác định tốc độ cân bằng của hạt vật liệu cầu
đường kính d = 1mm và khối lượng riêng ρ
r
=1200kg/m
3

trong dòng không khí
CHƯƠ
ƠNG
TRẠ

N
NG

N
NG

SÔ
ÔI

KHỐ
Ố
HẠ
9. BÀI TẬP
Re
Ar
LY
CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT
Bài 2. Hạt thạch anh hình cầu d = 0,9mm, U
r
= 2659kg/m
3

chịu tác động của dòng nước ở 20
0
C theo phương đứng.
Tính vận tốc cân bằng của hạt thạch anh đó . Biết Ở đây
nước ở 20
0
C là: P = 1cP và U = 1000 kg/m
3

B
Bà
i
2
Hạ
t
th
ạ
c
ch
9. BÀI TẬP
CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT
Bài 3. Dòng nước có khối lượng riêng U = 1000kg/m
3
và độ
nhớt P = 1,3cP chảy theo phương đứng với vận tốc v =
0,5m/s thì sẽ tạo trạng thái cân bằng cho hạt phấn hình cầu;
biết khối lượng riêng của phấn là U
r
= 2710kg/m
3
. Xác định
đường kính d hạt phấn đó?
CHƯƠ
ƠNG
TRẠ
N
NG

N
NG

SÔ
ÔI

KHỐ
Ố
HẠ
9. BÀI TẬP
CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT
Bài 4. lớp hạt silicagel đường kính tương đương 1mm được
chuyển vào trạng thái tầng sôi bằng không khí nóng 150
0
C.
Silicagel có khối lượng riêng 1100 kg/m
3
và khối lượng riêng
xốp 660kg/m
3
. hãy xác định tốc độ tới hạn chuyển vào lớp
sôi. Biết không khí nóng ở 150
0
C có khối lượng riêng 0,835
kg/m
3
, đô nhớt động lực học 2,4*10
-5
pas

CHƯƠ
ƠNG
TRẠ
N
NG

N
NG

SÔ
ÔI

KHỐ
Ố
HẠ
9. BÀI TẬP
CHƯƠNG1: TRẠNG THÁI TẦNG SÔI KHỐI HẠT
Bài 5. cát thạch anh có khối lượng riêng 2640 kg/m
3
. dùng
không khí 25
0
C thổi vào với tốc độ 1 m/s thì khối cát bắt đầu
chuyển vào trạng thái tầng sôi. Tính đường kính hạt hình
cầu của khối cát thạch anh đó. Biết không khí ở 25
0
C có khối
lượng riêng 1,205 kg/m
3
, độ nhớt động lực học 1,8*10

-5
pas.
CHƯ
Ơ
ƠNG
TRẠ
N
NG
N
NG
SÔ
ÔI

KHỐ
Ố
HẠ
9. BÀI TẬP