Определение гидравлического сопротивления аппаратов необходимо для нахождения затрат энергии на транспорт сред через них, а также движущей силы - перепада гидродинамического напора.
Простейшим и наиболее часто встречающимся на практике случаем является транспорт сред по трубопроводам. В этом случае гидравлическое сопротивление, характеризующееся потерянным напором hn или потерянным давлениемDрn, может быть рассчитано в соответствии с соотношениями (5.37)-(5.41):
. (5.259)
Коэффициенты гидравлического трения lг в зависимости от режима движения находятся из (5.69) или (5.103), (5.105), а при неизотермическом течении или турбулентном течении в трубопроводах с шероховатой поверхностью используются соответствующие эмпирические поправки и соотношения. Коэффициенты для всех n местных сопротивлений zм.ск, возникающих при последовательном прохождении потока через вентили, краны, задвижки, колена, врезанные расширения или сужения поперечного сечения и т.д., находятся из справочных таблиц. При изменении поперечного сечения трубопровода коэффициенты местного сопротивления относятся, как правило, к наибольшей скорости, то есть к скорости в наименьшем сечении.
Определение гидравлического сопротивления аппаратов, заполненных зернистым материалом или насадкой, производится по соотношениям (5.233), (5.235), (5.240). Расчет гидравлического сопротивления для ряда других аппаратов будет представлен ниже при рассмотрении соответствующих процессов.
Оптимизация движения в аппаратах заключается в минимизации экономических затрат на транспорт сред через них. Рассмотрим данную задачу на примере движения среды с заданным расходом по трубопроводу заданной длины. Затраты на транспорт З(критерий оптимальности) можно в этом случае представить в виде двух слагаемых, одно из которых пропорционально гидравлическому сопротивлению трубопровода Dрn, а другое – количеству материала, пошедшего на его изготовление. Последнее слагаемое при фиксированной толщине стенки будет пропорционально диаметру трубопровода, тогда
. (5.260)
Величина коэффициентаа будет зависеть от толщины и длины трубопровода, срока его службы, стоимости материала; b - от расхода среды, стоимости электроэнергии и нагнетателей, создающих избыточное давление для преодоления гидравлического сопротивления. Анализ соотношений (5.68), (5.105) показывает, что потерянное давление при фиксированных расходе и свойствах среды, а также длине трубопровода зависит лишь от его диаметра. Таким образом, единственным параметром оптимизации будет являться диаметр трубопровода. Из (5.68) следует, что при ламинарном режиме движения Dрn ~ d-4, а для турбулентного из (5.105)Dрn ~ d-4,75. Тогда график зависимости затрат от диаметра будет иметь вид, изображенный на рис. 5.21, где dопт - оптимальный диаметр трубопровода, соответствующий минимуму затрат.
Поскольку при фиксированном расходе среды ее скорость однозначно связана с внутренним диаметром трубопровода, то можно говорить об оптимальной скорости движения среды в трубопроводе.
Рис. 5.21. Зависимость затрат на транспортировку среды от диаметра трубопровода
Выбор оптимальной скорости (диаметра) аппаратов для проведения импульсо-, тепло- и массообменных процессов является более сложной задачей, так как скорость течения, как правило, влияет на кинетику соответствующего процесса и, следовательно, размер аппарата. Более подробно эти задачи будут решаться при рассмотрении соответствующих процессов.
Перемешивание в жидких средах
Виды перемешивания. Интенсивность и эффективность перемешивания. Механическое перемешивание. Конструкции мешалок. Расход энергии на перемешивание. Расчет мешалок.
Перемешивание в жидкой фазе – процесс многократного относительного перемещения макроскопических элементов жидкой среды под действием импульса, передаваемого среде механической мешалкой, потоком газа или жидкости.
Перемешивание используют для интенсификации химических и тепло – и массообменных процессов; для приготовления эмульсий, суспензий, гомогенных растворов.
Поскольку перемешивание применяют в различных технологических процессах, то и цель перемешивания определяется назначением процесса. Так, при приготовлении эмульсии для интенсивного дробления дисперсной фазы необходимо создавать в перемешиваемой среде значительные срезающие напряжения, зависящие от градиента скорости. В тех зонах аппарата, где градиент скорости жидкости имеет наибольшее значение, происходит наиболее интенсивное дробление дисперсной фазы.
В случае гомогенизации целью перемешивания является снижение концентрационных градиентов в объеме аппарата.
При использовании перемешивания для интенсификации тепло – и массообменных процессов в гетерогенных системах создаются лучшие условия для подвода соответствующей субстанции к границе раздела фаз. Турбулизация системы, обычно достигаемаяпри перемешивании, приводит к возникновению дополнительного механизма переноса, что вызывает существенное ускорение процессов тепло – и массообмена.
Процесс перемешивания может осуществляться различными способами. Наиболее широко применяется способ механического перемешивания с помощью мешалок различных конструкций, создающих вращательное движение жидкости. Применяются также способы пневматического перемешивания (барботаж газа через слой жидкости); перемешивание в трубопроводах путем установки в них специальных устройств; перемешивание с помощью сопел и насосов.
Основными характеристиками процесса перемешивания являются эффективность и интенсивность перемешивания, а также расход энергии на проведение процесса.
Эффективность перемешивания характеризует технологический эффект процесса перемешивания. В зависимости от назначения процесса перемешивания эту характеристику выражают различным образом. При использовании перемешивания для интенсификации тепло – и массообменных процессов его эффективность можно оценить соотношением кинетических коэффициентов при перемешивании и без него. При получении суспензий и эмульсий эффективность перемешивания можно охарактеризовать равномерностью распределения дисперсной фазы в сплошной.
Интенсивность перемешивания определяется количеством энергии, подводимой в единицу времени N к единице объема V перемешиваемой жидкости или к единице массы перемешиваемой жидкости . Интенсивность перемешивания обусловливает характер движения жидкости в аппарате. Повышение интенсивности всегда связано с увеличением энергозатрат, а технологический эффект от увеличения интенсивности перемешивания ограничен строго определенными пределами. Поэтому оптимальную интенсивность перемешивания следует определять исходя из условий достижения необходимого технологического эффекта при минимальных затратах.