Файл: Аэромеханика и физико-химическая гидродинамика конспект лекций..pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 24.10.2024

Просмотров: 54

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Кафедра охраны труда в ЦБП

Л.М. ИСЯНОВ, В. Б. ЛЕСОХИН,

А.И. ТОРФ, Г. В. МАКСИМОВ

АЭРО М ЕХАН И КА И Ф ИЗИКО -ХИМ ИЧЕСКАЯ ГИДРОДИНАМИКА

Конспект лекций

ЛЕНИНГРАД

1973

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Кафедра охраны труда в ЦБП

Л.М.Исянов, В.Б.Лвсохин, А.И.Торф, Г.В.Максимов

АЭРОМЕХАШІКА И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ГИДРОДИНАМИКА

Конспект лекций

Ленинград

1973

УДК 541.182.2/3:66.015.23

Конопвкт лекций по курсу "Аэромѳханина и физино-химичесная гидродипаиина" состоит иэ трех частей: первая посвящена физичѳсним и фиэико-хииическии свойствам аэрозолей, движению а осаждению час­ тиц аэрозоля, вторая - статике и кинетике абсорбции, механизмам пе­ редачи массы при абсорбции, третья - рассеянию аэрозолей и газов в атмосфере.

Конслект лекций предназначен для студентов технологического факультета, подготавливающихся по специализации "Очистка и рекупе­ рации промышленных выбросов" и может быть использован работниками научно-исследовательских и проентных организаций, а также инжевернотехвичеенлми работниками предприятий на факультете повышения квали­ фикации и в практической работе.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие целлюлозно-бумажной промышленности на ее современной уровне связано с образованием значительна« количеств аэрозольных и газовых выбросов.

Почти все стадии технологических процессов производства сульфат­ ной и сульфитной целлюлозы - варка, промывка, отбелка, регенерация щелоков, получение побочных продуктов и другие процоосы сопровож­ даются образованием аэрозолей и токсичных газов.

При атом происходит загрязнение атмосферного воздуха, что нано­ сит ущерб здоровью населения, а танка окружающей природе. Кроне то­ го, в выбросах содержатся цепные компоненты, которые необходимо воз вращать в производство.

Большое место в решении проблемы защиты атмосферного воздуха от загрязнений отводится очистке газов.

Количество и состав выбросов зависят от особенностей технологиче ского процесса.

Аэрозоли образуются, главным образом, при сжигании щелонов, дре­ весных отходов, серы, обниге колчедана, известняна, каустиэациониого шлаыа, сушне лигнина, норы, дрожжей, переработке твердых от­ ходов проистоков, растворении химикатов.

При обработке твердых веществ количество выбросов обычно больше, чем при обработке жидких веществ.

Размеры частиц, составляющих дисперсную фазу аэрозоля, зависят от интенсивности и характера технологического процессе. В свою оче­ редь, от размеров частиц зависит выбор способа осаждения аэрозо­ ля - очистни газов от твердых или жидких чцстиц.

При плавлении минеральной части веществ, сопровождающемся возгон ной солей, сжигании в циклонном процессе, сушке в кипящем слое и взвешенном состоянии и в других интенсивно протекающих и прогрессив ных в технологическом отношении процессах образуются так называемые высонодисперсные аэрозоли. Размеры частиц в таких аэрозолях малы и для их осаждения требуется применять наиболее совершенные способы

Выбор способа осаждения завиоит

также от физико-химических

свойств твердых или жидких частиц,

ооотавлі.-щих диспероную фаву

аэрозоля.^

. -

Рассмотрению свойотв аэроаолей,

закономерностей движения и спосо

бов осаждения аэроаолей посвящена первая часть конспекта лекций "Аэромеханика диопврсных оиотем".

- 8 -


В производстве целлюлозы происходит танке образование значи­ тельных количеств токсичных газообразных соединений. Такие соеди­ нения образуются: при приготовлении варочных растворов, в процес­ сах варни и проыывки целлюлозы, в процессах регенерации щелоно» (сернистый ангидрид,' сероводород, ыетилиернаптав и др.), при приготовлении белильных растворов и отбелке целлюлозы (хлор, двуониоь хлора,, сернистый ангидрид).

Для очистки газовых выбросов от токсичных газообразных соеди­ нений, образующихся в производстве целлюлозы, в основной, использу ют абсорбцию газов.

Целеоообразность применения абсорбции определяется: наличной значительных количеств воды и растворов хииичѳсни активных веще­ ств (щелочи, кислоты), используемых в процессе производства, воз­ можностью возврата уловленных соединений непосредственно в произ­ водство, большими количествами очищаемых газов.

Для понимания абсорбционных процессов и возможности выполнения расчетов абсорберов необходимо изучить следующие вопросы: условия равновесия взаимодействующих фаз, механизмы передачи чассы, гидро­ динамическую обстановку процеЬса, направления взаимного движения фа8 и др.

Бое зти вопросы, составляющие теоретическую основу абсорбцион­ ных процессов, рассматриваются во второй чаоти нурса-"Фиаико-хими-' ческая гидродинамика абсорбционных процессов".

При решении проблемы защиты атмосферного воздуха оледует рааунно сочетать очиотку гавов о рессеяниѳм остаточных выбросов в ат­ мосфере.

Процесс рассеяния остаточных выбросов обеспечиваете» турбулент­ ной диффузией в атмосфере. Определевное влияние на раосеяниг ока­ зывают метеорологические факторы, географический рельеф мѳотности.

Изучению вопросов рассеяния посвящена третья часть нурса - "Рассеяние аэрозолей и газов в атмосфере".

Т.А Э Р О МЕ X А Н И К А

Д И С П Е Р С Н Ы Х

С И С Т Е М

КЛАССИФИКАЦИЯ

АЭРОЗОЛЕЙ '

Дисперсные систеш с газообраэноіі средой и с твердой или год­ ной дисперсной фазой называются аэрозолями, или аэродиспорсньши системами.

Аэрозоли по происхождению подразделяйтен на естественные и ис­ кусственные.

Естествѳніше аэрозоли возникают в природных условиях .без како­ го-либо участия человека. Они образуются в результате вулканиче­ ской деятельности, песчаных бурь, больших лесных пояароз, эрозии земной поверхности, морских штормов и прибоев.

Искусственные аэрозоли возникают при различных производственных процессах. Они обычно являются нежелательными отходами промышлен­ ного производства, приводящими к значительному ухудшении условий кизни и труда людей, а в ряде случаев к значительным потерям цен­ ных продуктов.

Аэрозоли бывают двух видов: конденсационные и дисперсионные. Конденсационные аэрозоли образуются при объемной конденсации пересыщенных йароз и при химическом взаимодействии веществ в газо­

вой фазе.

Дисперсионные аэрозоли образуются при диспергировании (измельче­

нии,распылении) твердых и жидких тел,

а

танке при переходе порошко­

образных тел во взвешенное состояние

под действием воздушных пото­

ков, сотрясений и

т.п*

 

 

Дисперсную фазу

аэрозолей составлн

т

тзердые пли жидкие частицы.

■ В одним случаях дисперсная фаза состоит из очень мелких частиц, в других т из крупных частиц. Для оценки величины размеров частиц служит понятие - степень дисперсности аэрозоля. В этом отношении аэрозоли делятся на высоко- и ггубодиопарсныѳ.

Кроме того, в зависимости от того состоит ли дисперсная фаза из частиц одинаковых или различных размеров различают ыонодиспероные и полиднсперсные аэрозоли.

Вое аэрозоли в соответствии с классификацией, предложенной Н.А.Фунооы, можно разделить на три класса: пыли, дымы, туманы.

Пылж образуются дисперсионным способом. Дисперсная фаза в пылях оостоит из частиц неправильной формы, свойственной, в большин­

стве случаев, облиынам твердых

тел. Пыли прѳдотавляют

собор, грубо-

диопѳрсные, полидисперсные, малоустойчивые аэрозоли»

Размеры час-*;

-

5 -

'•


тиц в пылях составляют от 5 до 100 ики и болеѳ.

Дымы образуются конденсационный способом. Если образование дис­ персной фазы происходит в результате непосредственного перехода ив пара в твердое тело, то образующие частицы имеют правильную кри­ сталлическую фориу. Если хе образование дисперсной фазы идет в две стадии - конденсация пара в виде жидких частиц и последующие их затвердевание, тов образующиеся частицы могут иметь как кристалли­ ческую, так и сферическую формы. Дымы относятся к высснодиеперсиьш аэрозолям. Полидисперсность дымов обычно невелика. В отдельных специальных случаях дисперсная фаза дымов монет состоять из ионодисперсных частиц. Дымы представляют собой устойчивые аэрозоли; размер частиц в дымах составляет от 5 мим до 0,1 икм и менее.

Туманы могут образовываться как конденсационным, так и диспер­ сионным способом. Дисперсная фаза в туманах всегда состоит из жидних частиц, в которых могут содержаться растворенные вещества или суспензированные твердые чистицы. Туманы могут обладать различной степенью дисперсности и быть более или менее полидиомерены.

Отметим некоторые важные момент.;, которые составил)' основу дан­ ной классификации.

Кроме способа образования, различие меэду конденсационными и дисперсионными аэрозолями заключается в том, что дисперсионные аэрозоли в большинстве случаев характеризуются большими размерами частиц, обладают более широким диапазоном размеров (билоо нолидиспѳрсны). В случае твердой дж перепой фазы, они обычно состоят из отдельных или слабо агрегированных частиц совершенно неправиль­ ной формы.

Конденсационные аэрозоли характеризуются наличием частиц мень­ ших размеров, они более монодиспѳрсны. Твердые частицы весы") час­ то представляют собой рыхлые агрегаты, состоящие из очень большого числа первичных частиц, имеющих правильную кристаллическую или шарообразную форм: .

В аэрозолпх с жидкой дисперсной фазой частицы имеют шарообраз­ ную форму. При столкновении друг с другом под воздействием различ­ ных причин кидние частицы могут сливаться друг о другом о образо­ ванием новой шарообразной чаотицы.

Твердые ие чаотицы могут иметь самую различную форму и прі столк­ новении могут образовывать агрегаты произвольной формы, состоящие из "всаольких или болев частиц.

- б -

Рассмотренная классификация имеет большое значение на практи­ ке - при характеристике аэрозолей, образующихся в различных произ­ водственных процессах и при выборе типа аппаратов для осаждения аэрозолей.

Следуя классификации, мы должны были бы называть осаждение пы­ лей - пылеулавливанием, дымов - дымоулавливанием, туманов - туманоулавливанием. Однако, на практике все процессы, связанные с оса­ ждением аэрозолей по традиции, возникшей из повседневной жизни, называют пылеулавливанием, а все аппараты, предназначенные для осаждения аэрозолей - пылеулавливающими аппаратами*

Поэтому в процессе изучения курса мы будем пользоваться словами "пылеулавливание", "пылеулавливающие аппараты". Но при этом нужно помнить, что содержание этих слов значительно шире, чем их форма.

СВОЙСТВА АЭРОЗОЛЕЙ

К наиболее интересным и ванным физическим свойствам аэрозолей относятся снорость оседания (седиментации) частиц, броуновеноѳ дви­ жение и диффузия, электризация аэрозолей, испарение аэрозольных частиц.

Ванное значение имеют оптические свойства аэрозолей, характери­ зующие закономерности рассеяния и поглощения света аэрозольными частицами, и коагуляция аэрозолей, т.ѳ,процесс слипания и слияния аэрозольных частиц при соприкосновении друг о другом.

Свойства аэрозолей зависят от размеров чаотиц. В таблице I при­ ведены значения скорооти оседания частиц различных размеров.

Таблица I

 

Скорость оседания частиц различных размеров

 

 

Размер

'Скорость

оседания

ІѴ«.І02,

Размер

Снорость оседания Mg.lO, .

м/сек при плотности-ча-

м/сан при плотности ча­

частиц,

стиц

р* , нг/м

частиц,

отиц

Ръ,нг/ц

 

UKU

2000

2500

3000

мим

ГО О О(

2500

3000

300

108

120

136

АО

5,2

12

13,5

250

95

106

120

80

5,А

7

8,0

200

80

90

102

; го

2,А

3

8,6 . 1

•175

70

80

92

15

1,3

1,7

2,0

150

62

72

80

10

0,6

0:7

0,9

100

АО

А7

8

0, А

0,5

0,6

75

27

32

37

7

0,3*

0, А

0,5

50

' ІА

15

20

' 5,

0,15

•0,18

0,23

- 7 -


Как видно из таблицы, скорость оседания

частиц размером 8 мкм на два

порядна меньше, чем частиц размером 40 мкм,

В таблице I размер частиц изменяется

от 5 до 300 мкм, что со­

ставляет довольно уэную полосу от общего

интервала дисперсности

(ІО- — 10 ины) аэрозолей, с ноторыми

приходится встречаться

в технике пылеулавливания. Естественно, что изменение размеров ча­ стиц в широком диапазоне вызывает изменение величины скорости осе­ дания на несколько порядков. Не менее важный является то, что при изменении дисперсности аэрозолей в большом интервале меняется и сам харантер зависимости скорости оседания от размеров частиц. Эти вопросы, а также расчет скорости оседания частиц при различных условиях будут рассмотрены в дальнейшем (см.раздел "Оседание час­ тиц под действием силы тяжести").

Рассмотрим некоторые другие свойства аэрозолей. Броуновское движение и дицфузия аэрозолей

Известно, что молекулы газообразной среды в процессе своего непрерывного хаотического теплового движения, все время сталкивают­ ся друг с другом. После каждого столкновения направление движения молекулы резко меняется. Траектория движения молекулы газа в ре­ зультате таких столкновений приведена на рис.Іа, Как видно из риоунна, траектория молекулы газа состоит из отрезков прямой. Каждый отрезок соответствует пути молѳнулы между двумя столкновениями.

Рис.І. Траентории движения молѳнулы газа (а) и частицы (б)

В аэрозоле

молекулы газа сталкиваются не только между

собой, но

и с частицами,

составляющими дисперсную фазу. Чемнрупнее

частица,

тем большее число моленул будет сталниваться с ней в единицу вре­

мени и,

наоборот. С другой стороны, чем мельче частица, тем боль­

ше она

будет перемещаться 'в

газовой среде под действием ударов

молекул. При этом частица

будет находиться в броуновском движении.

Масса частицы всегда намного больше массы моленуйы газа. Поэтому в результате столкновений в единицу времени величина перемещения частицы и изменение направления ее движения будут незначительны.

- 8 -


Траектория частицы размером 2 мкм в воздухе, участвующей в броу­ новском двинѳнии, приведена на рис.Іб. Кан видно из рисунна замет­ ное изменение направления движения частицы происходит лишь в ре­ зультате очень большого количества столкновений с молекулами газа.

Перемещение частиц, вызванное броуновским движением, опиоываетоя уравнением Эйнштейна, согласно которому средний квадрат смеще­

ния частицы за время

Т*

вдоль оси

X составляет

 

 

 

Д*=2ПТ,

 

 

 

 

 

(I)

где

V - коэффициент диффузии частицы,

характеризующий интен­

 

 

сивность броуновсного движения.,

 

 

 

Величина коэффициента диффузии частицы определяется иг уравне­

ния аналогичного уравнению коэффициента диффузии газа

 

 

 

£ =

R Т

/

 

 

 

 

( 2)

 

О

N

К

 

»

 

 

где

 

ѲЭІ4 дж/кмоль.

К

- универсальная газовая постоянная

 

Т

.град)Л

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- абсолютная температура газовой среды,

°Kj

 

 

А/

- число Авогадроі

 

 

 

 

 

 

 

 

К

- величина, учитывающая сопротивление среды движению

 

 

взвешенной в ней частицы (сила сопротивления, действу­

 

 

ющая на частицу, движущуюся со сноростью I м/сен).

Если частица имеет форму шара,

то во многих случаях величина!"К" •

может быть определена но формуле

 

 

 

 

 

 

 

у*

K=3rtyS

 

 

 

 

 

( 3 )

где

- динамическая вязкость среды.

 

 

 

 

Как будет поназано далее, выражение

(3) действительно в

области размеров частиц, в которых справедлива формула Стокса.

Подставив выражение

(2)

и (3)

в уравнение (I),

получим

 

 

ах

35tßS

 

 

 

 

 

W

Из выражений (2) и (3)

следует, что

коэффициент диффузии части­

цы обратно пропорционален ее размеру.

 

 

 

 

 

Коэффициент диффузии В имеет размерность м2/оѳк

и определяет

собой количество вещества диффундирующего в единицу времени через

единицу площади. Аіа частиц размером

S

= 2 . 10я

мкм

величи­

на D = 0,64 . ІО-6 м2/сек,

для и 2 мкм -V = 0,63 .

І0_ іі мѴсек.

- 9 -