Calculul unei Instalatii de Transport Pneumatic al Fluidelor Bifazice Gaz-Solid

1.Transportul pneumatic

Transportul pneumatic se bazeaz pe faptul c unele produse (granule, pulberi) capt n amestec cu un gaz de obicei aer proprieti apropiate de cele ale fluidelor. La o anumit vitez a gazului acesta poate transporta produsul.

Cnd ntr-un strat de produs granular se aduce, n curent ascendent, un gaz cu viteza foarte mic, se observ c greutatea granulelor nvinge fora ascendenta gazului. Stratul de produs rmne fix, iar gazul strbate stratul printre spaiile dintre particule. n acest caz stratul de produs se mai numete strat fix.Cnd viteza gazului crete, se ajunge la un echilibru ntre fora ascendent a curentului de gaz i greutatea granulei. n acest caz particulele ncep s pluteasc n curentul de gay, starea aceasta marcnd nceputul fluidizrii.

Mrind viteza gazului, fora ascendent depete greutatea particulei. n acest moment particulele ncep s urce dezordonat, producnd o mrire relativ a stratului. Cum, datorit frecrii, se pierde o parte din energia gazului, fora ascendent scade puin fa de greutatea particulelor, astfel nct acestea cad, revenind la locul iniial al stratului. n aceast cdere particulele i schimb poziia de aezare; starea aceasta corespunde unei afnri i se numete fluidizare omogen.Cnd viteza capt valori foarte mari (25 m/s), fora ascendent depete cu mult greutatea particulei, astfel nct produsul este total antrenat de curentul de gaz. Aceast stare se numete transport pneumatic.Acest mod de transportse poate aplica la materialele sub form de pulberi sau granule care nu au tendin de aglomerare; el se folosete cu foarte bune rezultate la transportul finii, cerealelor, laptelui praf, seminelor de floarea-soarelui, boabelor i pudrei de cacao etc.

Clasificarea instalaiilor de transport pneumatic

Instalaiile de transport pneumatic se pot clasifica dup mai multe criterii care iau n considerare fie modul de lucru, fie cel de formare al amestecului.

Dup modul n care se face antrenarea particulelor solide instalaiile de pneumotransport se clasific n:

-instalaii la care transportul se face prin antrenarea separat a particulelor solide n curentul de gaze, chiar dac exist ciocniri ntre particule;

-instalaii de transport la care materialul este adus n stare de fluidizare prin difuzia unui curent de gaze n spaiul dintre particule; n acest caz gazul are rolul de a elimina frecarea dintre granule.

Dup mrimea presiunii din conducta de transport pneumatic instalaiile se clasific n:

instalaii cu depresiune racordate la un exhaustor;

instalaii cu suprapresiune racordate la un compresor sau suflant.

Cele mai utilizate tipuri de instalaii de transport pneumatic:

-instalaii cu depresiune, la care ncrcarea conductei se realizeaz cu ajutorul unei plnii simple; utilizat n transportul materialelor fibroase;

-instalaii cu suprapresiune, ncrcarea materialului se face cu ajutorul unui ejector, transportul materialelor pulverulente;

-instalaia de transport pneumatic cu sorb, la aceste instalaii se obin concentraii mai mari ale amestecului de material solid cu aer i se evit formarea prafului, dispozitivul de alimentare prin sorb permite introducerea n instalaia de transport pneumatic a materialelor sub form granular sau pulverulent;

-instalaia de transport pneumatic prin refulare, alimentarea se realizeaz cu ajutorul unei pompe cu urub, folosit n exclusivitate la transportul materialelor pulverulente;

-rigola pneumatica, transportul se realizeaz prin curgerea pe un plan nclinat a materialului fluidizat, se realizeaz transportul materialelor mcinate fin i uscate;

-instalaia de transport a materialului fluidizat pe vertical, permite transportul a 100 t/h material pulverulent la o nlime de 60 m, este un sistem modern deosebit de economic;

-instalaia de transport pneumatic cu capsule cilindrice (pota pneumatic).

Fa de mijloacele mecanice de transport, transportul pneumatic prezint multe avantaje, cum ar fi:

-poate transporta materialul fr pierderi, n codiii igienice;

-nu rspndete praf n atmosfer;

-spaiu redus de amplasare;

-nu au organe mobile (n micare);

-traseele de transport pot fi orizontale, verticale, mixte;

-sunt flexibile;

-nu exist riscul incendiilor;

-are capacitate mare de transport i deservire uoar, fiind automatizat.

Dezavantajul acestui transport este c se realizeaz cu un consum mare de energie necesar funcionrii pompei de aer.

Dup cum este plasat pompa de aer n instalaie, transportul pneumatic se poate realiza prin aspiraie sau prin refulare.

Transportul pneumatic prin aspiraie este alctuit din pompa de aer 1, care aspir aer prin conducta de aer 2, din grmada de produs 3. aerul ncrcat cu particule solide este aspirat cu energie mare ntr-un grup de mai multe cicloane 4, 5 cu scopul de a reduce din viteza aerului i a separa granulele din aer.

Produsul granular cade la baza cicloanelor n ecluze, de unde este evacuat prin rotirea ecluzelor, n alt mijloc de transport, sau poate fi ambalat n saci, direct la evacuarea din ecluz (fig1 ,a; fig 2).

Fig. 1

Transportul pneumatic prin refulare este alctuit din suflanta 1, cu ajutorul creia se pompeaz aer cu presiune mare n rezervorul 2, iar de aici n conducta de transport 3, produsul cade din rezervorul 4 n ecluz, apoi este antrenat de aer i transportat cu presiune mare nspre celulele de siloz 5 i 6 sau n buncrul 7.

Aerul este evacuat din instalaie ntr-un ciclon, unde se separ din aer particulele fine. Acestea se elimin ca particule de praf, ce nu mai pot fi utilizate (fig1, b).

Indiferent de sistemul ales, prin aspiraie sau prin refulare, transportul pneumatic nu pune probleme la ncrcare ci la descrcarea produsului, adic la separarea acestuia din aerul care la antrenat; tocmai de aceea cele mai utilizate sunt cicloanele.

Pentru a se mari viteza de sedimentare si pentru o purificare mai avansata a gazelor cel mai adesea se foloseste actiunea fortei centrifuce. Cel mai reprezentativ utilaj care functioneaza pe principiul sedimentarii in camp centrifug este ciclonul.

In ciclon viteza de sedimentare este de 5-2500 de ori mai mare decat in camera de desprafuire. In ciclon se pot separa particule solide sau picaturi de lichid cu diametrul mai mare decat 5mm. Aceste separatoare pot lucra la temperaturi ridicate (de pana la 1000 oC si la presiuni de pana la 500 at. In principal, ciclonul este format dintr-un corp cilindric prevazut cu un capac la partea superioara si care se continua cu un trunchi de con la partea inferioara. Gazul este introdus in ciclon in zona cilindrica, printr-un racord care are sectiunea dreptunghiulara. In axul corpului ciclonului se afla un tub central care serveste la evacuarea gazului purificat. Prin introducerea tangentiala a gazului in ciclon acesta primeste o miscarede rotatie in spatiul dintre tubul central si corpul cilindric al ciclonului.

Datorita miscarii de rotatie forta centrifuga care se manifesta actioneaza diferentiat asupra particulelor si a gazului, datorita diferentei de densitate. Forta centrifuga care actioneaza asupra particulelor este mult mai mare decat cea care actioneaza asupra gazului si particulele se deplaseaza mai rapid spre peretele interior al

ciclonului, se ciocnesc de acesta pierzand o mare parte din cantitatea lor de miscare si cad la partea inferioara. Gazul separat de solid iese din ciclon pe la partea superioara prin tubul central.

2.Transportul fluidelor

n marea majoritate a cazurilor transportul fluidelor este preferat transportului solidelor. Astfel, este preferat transportul soluiei n locul transportului separat al componentelor acesteia. De multe ori, materialele solide sunt transportate prin antrenarea lor cu un fluid: transportul pneumatic al materialelor solide pulverulente (cereale, finuri etc.), transportul hidraulic al unor materii prime ale industriei alimentare (sfecl, cartofi, tomate, fructe etc.), concomitent cu splarea acestora. n instalaiile de proces ale industriilor alimentare se transport numeroase fluide cu proprieti foarte diverse. Fluidele se deplaseaz prin: conducte, canale, aparate i reactoare Utilajele care servesc la transferul energiei de la o surs exterioar la un fluid poart denumirea generic de: pompe (dac fluidul este un lichid), compresoare (dac fluidul este un gaz). Denumirea de pompe de vid este dat utilajelor care servesc la realizarea unei depresiuni sau la evacuarea unui recipient. Pentru a provoca deplasarea (curgerea) fluidelor exist mai multe posibiliti, i anume:1. prin aciunea unei fore centrifuge; 2. prin deplasarea unui volum de fluid: fie pe cale mecanic, fie prin intermediul altui fluid; 3. printr un impuls mecanic; 4. prin transfer de impuls de la alt fluid; 5. prin aciunea unui cmp magnetic; 6. prin aciunea forelor gravitaionale. Pe baza acestor metode de principiu sunt construite toate echipamentele destinate transportului fluidelor.Dinamica fluidelor studiaz micarea acestora n raport cu un sistem de referin. n general, n timpul micrii, un fluid nu se deplaseaz ca un tot unitar, straturile de fluid alunec unele fa de altele, adic lichidul curge.

Dezvoltarea continua a domeniului industrial (industria lemnului, farmaceutica, de morarit si panificatie, industria chimica etc.) si necesitatea protejarii mediului inconjurator au impus crearea unei game speciale de elemente etanse destinate transportului pneumatic al aerului incarcat cu diferite particule reziduale - rumegus, span, prafuri si pulberi, portelan etc. Prin transportul pneumatic se poate realiza deplasarea materialelor pulverulente si granulare, prin antrenarea lor intr-un curent de aer. In aplicatiile industriale sistemul s-a dovedit economic prezentand o serie de avantaje:

-este simplu de adoptat la diverse procese tehnologice; -protejeaza materialul transportat de impurificari fara a afecta mediul exterior;

-este usor de exploatat si prezinta posibilitati de automatizare;

-permite transportul unor materiale cu pericol de autoaprindere si explozie, caz in care se utilizeaza sisteme inchise cu gaze inerte.

Conceptia unui sistem de transport pneumatic, aparatura necesara si indicatorii economici difera in mod substantial in functie de regimul de presiune al instalatiei.

Astfel, conform acestui criteriu sistemele se clasifica in:

-sisteme de suprapresiune, ce pot fi de joasa, medie sau inalta presiune. Sistemele de transport in suprapresiune pot deservi mai multe puncte de utilizare ce pot fi colectoare cu ciclon, buncare de depozitare sau consum, filtre etc.

-sisteme in depresiune. Se utilizeaza pentru transportul materialelor din mai multe locuri, la aceeasi destinatie; se recomanda, de asemenea, in cazul substantelor toxice, urat mirositoare etc. pentru ca nu sunt scapari din interiorul conductelor.

In societatile comerciale chimice, problema transportului substantelor solide are o mare importanta, atat din punctui de vedere al mecanizarii proceselor de productie, cat si din punct de vedere economic.

Pentru a micsora costui produselor si a imbunatati modul de fabricatiei, se au in vedere urmatoarele reguli generale:

- evitarea transportului materialelor in sens contrar fluxulm tehnologic narmal;

- eliminarea sistemelor de transport nepotrivite;

- evitarea transportului inutil prin societatea comerciala.

Alegerea utilajului de transport depinde in mare masura de natura materialului de transport. Astfel intereseaza in primul rand daca materialul este in bucati (piese, saci, butoaie etc.) sau in vrac. La materialele in bucati se tine seama de greutatea unei bucati, forma si gabaritele acesteia, natura ei (moale, tare, elastica, deformabila etc.), rezistenta la lovire si suprafata fetei pe care poate fi asezata. De asemenea, la alegerea utilajului de transport se va tine seama de caracteristicile materialului si in functie de acestea se ver lua masuri de protectie a elementelor transportorului.

Alimentarea prin sorb Sistemul de alimentare prin sorb permite introducerea materialelor sub forma de praf, boabe sau bulgari. El se compune din doua tuburi cilindrice coaxiale printre care trece aerul comprimat spre capatul sorbului unde se produce amestecul ce patrunde prin tubul central in instalatia de transport pneumatic. Concentratia amestecului obtinut se regleaza prin cota care se afla la capetele celor 2 tuburi cu ajutorul prezoanelor, piulitelor si contra piulitelor. In cadrul instalatiilor de transport pneumatic cu absorbtie la care materialul este doza de insusi instalatie tehnologica, sorbul se inlocuiestecu o simpla palnie de incarcare. Caderea de presiune in portiunea de accelerare Intr-o instalatie de transport pneumatic, exista mai multe portiuni de accelerare. Prima portiune cuprinde locul de incarcare a materialului in conducta si lungimea de conducta dreapta pe care materialul se accelereaza pana la o viteza mai mica decat viteza de regim cu 5%. Dupa fiecare curba viteza materialului este mai redusa decat viteza de regim si din nou exista o portiune de accelerare. Pierderea de presiune in curbe In curbe materialul se taraste deasupra peretelui asupra caruia actioneaza forta centrifuga iar aerul circula in portiunea lasata libera, contribuind in mica masura la antrenarea materialului. In timpul salturilor curentul de aer actioneaza asupra particulelor. Viteza aerului ramane constanta, viteza materialului scade. Influenta curbelor asupra pierderilor de presiune se manifesta sensibil prin portiuni de accelerare a materialului dupa curbe.

-Tema

S se calculeze o instalaie de transport pneumatic (cu sorb) pentru gru, de la siloz la punctul de recepie dintr-o moar n cazul traseului orizontal i vertical indicat n figura de mai jos.

Schema de calcul a instalaiei de transport pneumatic

-Date iniiale:

-debitul n greutate al materialului solid transportat:

QGs=75000 [N/h]

-lungimea tronsoanelor L1.2 =9,6 m i L3.4 = 41 m;-diametrul conductei, D = 100mm = 0,1m;-diametrul bobului de gru, d = 4,6 mm = 0,0046 m;-masa particulei de gru, m = 3,806 10-5kg;-viteza optim a gazului (aerului) la transportul pneumatic, = 20 -30 m/s,

-acceleraia gravitaional, g = 9,81 m/s2,

-greutatea specific a gazului la presiunea atmosferic, g = 12,9 N/m3.

Tabelul 1. Constante legate de materialConstantaGru

K0 - constanta de nfundare3,1 10-5

K'0 - constanta de transport1,8 10-5

CR - coeficient de rezisten0,42

- constanta vitezei de regim0,0024

s - greutatea specific a solidului12753 N/m3

d - diametrul particulei4,6 mm

m - masa particulei3,80610-5 kg

f- coeficient de frecare n curb0,30

3.Stabilirea parametrilor de transport

-Calculul concentraiei de transport:

unde: C - constanta concentraiei de transport [ - ],

k0 - constanta de nfundare, k0 = 3,110-5,

- viteza optim de curgere a aerului, =23 [m/s],

g - acceleraia gravitaional, [m/s2],

D - diametrul conductei, [m].

-Calculul debitului de gaz, Qg:

[m3/s]

m3/sunde: - viteza optim de curgere a aerului, =23 [m/s],

D - diametrul conductei, [m].

-Calculul n greutate al gazului, :

[N/h]

N/h

unde: g - greutatea specific a gazului la presiunea atmosferic, g = 12,9 [N/h]

-Calculul debitului n greutate al solidului, :

[N/h]

N/hValoarea calculat a debitului n greutate al solidului trebuie s fie superior cifrei impuse, funcie de valoarea vitezei de curgere a aerului, .-Calculul vitezei de regim a particulei solide n sorb, vs:

-=0

-0.49=0

-viteza de regim a aerului,

- vitezei de regim a particulei solide n sorb,

- viteza de plutire a particulei,

[m/s]

=

m/s

unde: d - diametrul particulei solide, [m],

CR - coeficient de rezisten, CR = 0,42,

s - greutatea specific a solidului, s = 12753 [N/m3],

g - greutatea specific a gazului la presiune atmosferic,

g = 12,9 [N/m3]

g - acceleraia gravitaional

- constanta vitezei de regim, = 0,0024 - 0,0032 [-],

- coeficient de proportionalitate, = [ - ]

D - diametrul conductei, [m],

Condiie vs < vg; din cele dou soluii ale ecuaiei de gradul al-ll-lea se va alege valoarea vs mai mic dar apropiat vitezei optime de curgere a aerului (vg).

-Determinarea timpului de accelerare a particulei pe prima poriune dreapt, ta:

Definiie: timpul de accelerare al particulei solide reprezint intervalul de timp n care particula solid sub aciunea curentului de fluid pornete din repaus i atinge valoarea vitezei de regim cu o eroare de 5%.

[s]

sunde: - viteza de regim a particulei solide dup atingerea timpului

ta; pentru calcule practice raportul = 0,95;

- este dat de relaia:

[ -]

, - coeficient a carui valoare este data de relaia:

unde: - coeficient de impact, este dat de relaia:

m-masa particulei de grau, [kg];CR-coeficient de rezistenta , CR=0,42;

D-diametrul conductei [m];

d-diametrul bobului de grau, [m];

g-greutatea specifica a aerului la presiunea atmosferica, g =12,9[N/m3]

g-acceleratia gravitationala;

-constanta vitezei de regim, =0,0024-0,0032.

-Determinarea lungimii portiunii de accelerare a particulei

solide, La [m]

munde ta timpul de accelerare.

4.a)Calculul pierderilor de presiune la curgerea fluidului bifazic gaz-solid

Calculul pierderilor de presiune pe tronsonul 1-2

-Pierderea de presiune n sorb i pe prima poriune orizontal:

[N/m2]

[N/m2]

unde: - coeficientul de impact n sorb, = 2;

g - greutatea specific a aerului la presiune atmosferic,

g = 12,9 [N/m3];

- viteza de regim iniial a particulei solide, = 0 [m/s].

-Pierderea de presiune n sorb:

[N/m2]

N/m2unde: p1 - pierderea de presiune n sorb; pat- presiunea atmosferic, = 1,013 105 N/m2;

p - pierderea de presiune n sorb i pe prima poriune orizontal;-Pierderea aparent de presiune pentru aerul curat pe prima poriune dreapt, L1-2:

[N/m2]

N/m2unde: g aer - greutatea specific a aerului curat, = 1 [N/m3];

- coeficient adimensional funcie de regimul de curgere caracterizat prin nr. lui Reynolds i rugozitatea relativ a conductei, = 0,023.-Pierderea de presiune real la curgerea aerului curat prin tronsonul 1-2 se calculeaz cu relaia:

[N/m2]

N/m2unde: p1 - presiunea n sorb.-Calculul pierderilor de presiune la curgerea fluidului bifazic pe tronsoane rectilinii (tronsonul 1 - 2).

In transportul pneumatic al materialelor solide dispersate ntr-un gaz la stabilirea relaiilor pentru calculul pierderilor de presiune, trebuie avut n considerare efectele combinate ale interaciunilor: particule solide - conducta de transport; granule transportate - mediul de dispersie; ciocnirile dintre particulele solide. Acestea conduc la consumuri de energie, din energia fluidului purttor, ceea ce determin majoritatea pierderilor de presiune fa de cele corespunztoare fluidului omogen purttor.-Pierderea de presiune la transportul amestecului bifazic gaz - particule solide se determin cu relaia:

[N/m2]

N/m2unde: K1 - coeficient experimental avnd valoare practic, este dat de relaia:

n care este dat de relaia:

unde: i

K1 - coeficient experimental avnd valoare obinut n laborator;

C - concentraia de transport.-Pierderea de presiune n punctul 2 (la captul tronsonului 1 - 2):

[N/m2]

N/m2-Determinarea greutii specifice si a vitezei gazului n punctul 2 (,) se face cu relaia:

[N/m3],

N/m3

[m/s].

m/s -Calculul vitezei de regim a particulei solide n punctul 2:

1016.2-89.25+1.96-0.33-140.59=0

1.63 -89.25+875.61=0

=12.8Conditie: vs2