Движение твёрдых тел и жидкостей в газе.
Проведение рядов процессов химической технологии связано с движением твёрдых тел в капельных жидкостях и газах, к таким процессам относятся осаждение твёрдых частиц из суспензий и пыли, под действием силы тяжести, инерционных сил.
Сила сопротивления среды.
При движении тел в жидкости или газах, возникают сопротивление их движению, для преодоления которого и последующего равномерного движения твердого тела должна быть затрачена энергия твердого тела. Величина возникающего сопротивления зависит, главным образом, от режима движения ( скорости) и форм обтекаемого тела.
Различают следующие движения твердого в жидкостях и газах.
1) Ламинарный – имеет место при небольших скоростях движения и малых частиц.
В ламинарном движении частицы обтекают равномерно, без завихрений, в данном случае потеря энергии связана с преодолением сил трения. При дальнейшем увеличении скорости движения возникает переходный , автомодельный режим.
В общем случае силу сопротивления среды можно рассчитать по закону сопротивления
R = ξ 
ξ- коэффициент сопротивления среды.
F- площадь проекции твердой частицы на плоскость перпендикулярную направлению движения.
rср – плотность среды.
w- скорость движения твердой частицы.
Для ламинарного режима движения при осаждении шарообразной частицы силу сопротивления можно найти по закону Стокса: R = 3·p· d· 
w
ξ= 
; Для ламинарного режима 
меньше 2.
Для перехода области действия закон Алена согласно которому:
ξ= 
-Для переходной области 2<Rе< 500
ξ= 0,44- Для автомодельной области Rе< 500
Для получения формулы для расчёта силы сопротивления среды может быть использована теория подобия при использовании метода анализа размерности.
R = f ( w, d, rср,m ср)
R = Аwа· dб· rвср·m ср г
· 
· 
кг: 1 =в+г
м: 1 = а+в
с: -2 = -а-г
в = 1-г
а = 2-г
б = 1 – а + 3в + г = 1 – 2 + г + 3 – 3г + г = 2 – г
R = А·w2-г ·d2-г ·r1-гср·m ср г = А· ( 
) г ·d г ·w г ·rср
R= y· 
y=ξ 
y- коэффициент сопротивления среды через опыт путь.
Для ламинарного движения: y= 
Для переходного режима: y= 
;
Для автомодельного режима: y=0,174.
Рассмотрим силы действия на движущуюся частицу:
Результат сил действия на движущуюся частицу будет являться 
сопротивлением среды.
Ртяж = mт ·g = 
Рарх = mж ·g = 
R= 
)
= 
=Ψ·
=Аr
Ψ·
ля ламинарного режима движения:
Re= 0, 056 Аr Аr < 36
Переходный режим:
Re = 0,151 Аr0,71
Автомодельный режим:
Re=1,74·Ar0,5
| Режим | r | Re | y | Re=f(Ar) | Ar | wосаждения |
| Ламинарный |  | Re < 2 |  | Re= 0,056·Ar | Ar<36 |  |
| Переходный |  | 500<Re<2 |  | Re=0,152· Ar 0,71 | 36<Ar<83·103 |  =0,78·  |
| Автомодельный | 0,44 | Re<500 | 0,174 | Re=1,74 · Ar0,5 | Ar<83 ·103 | =5,45·  |
Скорость осаждения частицы.
Для определения скорости осаждения частицы необходимо силу сопротивления R приравнять к движущей силе процесса, при этом условии частичка будет осаждаться в среде с постоянной скоростью, которая называется скоростью осаждения. Для ламинарного режима, для шарообразной частички, сила сопротивления определяется по закону Стокса:
3· 
=g 
·( 
Условия свойства осаждения шарообразной частички для ламинарного движения определяется по закону Стокса:
Условия свойства осаждения шарообразной частички для ламинарного движения определяется по закону Стокса:
Ламинарный режим
=0,78· 
Переходный режим
=5,45· 
Автомодельный режим
Методы расчёта скорости осаждения частиц.
1)Метод последовательных приближений.
Пользуясь формулой, начиная с ламинарного режима считаем скорость по формуле Стокса. Затем с учётом физических свойств среды рассчитывается критерий Рейнольдса пользуясь y (кол №3) получается ли данный режим, если нет то берем сл. режим и т.д.
2)Аналитический способ расчёта.
Заключается в следующем: рассчитывается критерий Архимеда Аг , по физическим свойствам среды и частички, тем самым определив режим движения, далее определяем критерии Рейнольдса по соответственной формуле, далее определяем wос.
3) Графический способ.
Разделение жидких и газовых неоднородных систем. Под неоднородными системами будем понимать системы, состоящие из двух фаз ( бинарные системы). Различают сплошную фазу (вода) и дисперсионную фазу ( взвешенные в ней твёрдые частички) в ходе процесса могут, манятся местами, такая перемена называется инверсия фаз.
Классификация систем.
1) Суспензия – пульпа – жидкость и взвешенные в ней твёрдые частицы. Их классифицируют по размеру твёрдых частиц, если размер Í 100мкм – грубые суспензии.
0,5 < х < 100– тонкие суспензии – камин. режим.
0,5 < мути
Суспензия: «жидкость – твердая».
;
то соотношение определяет подвижность суспензии. Очень важно при расчёте аппаратов.
1) Эмульсии – бинарная система, состоящая из двух несмешивающихся жидкостей одна из которых распределена в другой. Эмульсия – молоко. Жидкость – жидкость.
2) Пыли – газ, в котором распределены твёрдые частицы. Размер твёрдых частиц от 3 до 70 мкр м. Газ – твердое.
3) Дым – неоднородная система, получаемая при конденсации паров или газов при наличии в них твёрдых частиц в дыме 0,3 – 0,5 мкр м.
4) Туман– жидкость – газ.
Движущей силой процесса может служить:
1) Сила тяжести.
2) Инерционные силы при резком изменении движения потока.
3) Центробежные силы.
4) разность давлений в ходе пропускания системы, через пористый слой.
Разделение системы жидкость твердое под действием сил тяжести. Такой процесс называют процессом отстаивания в ходе, которого частички осаждаются, а сплошная фаза становится свободной от них.
Кинетика процесса отстаивания:
1 - суспензия
2 - осадок
3 – осветлённая жидкость
При осаждении твёрдых частиц они вытесняет жидкую фазу. В результате чего поменяется восходящий поток осветлённой жидкости.
Аппараты, в которых осуществляется разделение твердое - жидкость, называются отстойники. Различают:
- периодические.
- непрерывные.
В химической промышленности процесс отстаивания осуществляется в аппаратах непрерывного действия.
Конический отстойник.
|
Отстойник с гребками.
Материальный баланс процесса отстаивания.
1) 
2) Баланс по твердому компоненту
x- массовая доля твердого компонента в материальном потоке.
= 
= 