Stroming rond deeltjes Unit Operations I Stroming rond deeltjes

Overzicht inhoud UNOP I WEEK 1: Stroming rond deeltjes, stroming door gepakte bedden WEEK 2: Stroming door gepakte bedden WEEK 3: Sedimentatie WEEK 4: Sedimentatie WEEK 5: Fluïdisatie WEEK 6: Voorbeeldtentamen UNOP I

Fluïdisatie Als een gas of een vloeistof van onder af door een bed van deeltjes wordt geblazen is de drukval vergelijkbaar bij een stroom van bovenaf. Bij groter wordende fluïdumsnelheid worden de deeltjes opgetild. Het deeltjesbed gedraagt zich dan als een kokende vloeistof. Als de fluïdumsnelheid nog groter wordt, worden de deeltjes zelfs meegesleurd. Waarom wordt fluidisatie gedaan? Chemische reacties door goed contact tussen deeltjes (vaak katalysator) en fluïdum. Goede menging Goede warmteuitwisseling met de omgeving Uniforme temperatuur UNOP I

Fluïdisatie Er is verschil tussen fluïdisatie door een vloeistof en door een gas: vloeistof/vast fluïdisatie: Expanderend fluïde bed Uniform “particulate” fluidisatie gas/vast fluïdisatie: Uniform bij lage snelheden (Fr < 1) Fase scheiding in emulsiefase en vaste fase (Fr > 1) Gedraagt zich als een kokende vloeistof UNOP I

Fluïdisatie Bij toenemende fluïdumdebiet: Gepakt bed: toenemend drukverschil tot aan fluïdisatie Fluïde bed: toenemende bedhoogte tijdens fluïdisatie bij constante drukval Pneumatisch transport: geen fluïde bed meer aanwezig, deeltjes worden meegesleurd. Krachtenbalans over een fluïde bed: Als alle deeltjes zweven dan is de totale omhooggerichte kracht: -ΔP*A. Dit is gelijk aan het schijnbare gewicht van alle vaste stof bij elkaar: Dit levert: (6.1) UNOP I

Minimale fluïdisatiesnelheid Voor een gepakt bed bij lage snelheden geldt voor bolvormige deeltjes: Bij de fluïdisatiegrens geldt (6.1), dus: umf = minimale fluïdisatiesnelheid, betrokken op het lege deel van de kolom. Tussen deeltjes: ul > umf (6.3) Met ε ≈ 0,4 voor een bolvorm: (6.5) UNOP I

Minimale fluïdisatiesnelheid Meer algemeen geldt ook de Ergun vergelijking: (6.6) Voor de krachtenbalans bij de fluïdisatiegrens geldt: Vermenigvuldig beide zijden met: Omschrijven, met: levert: (6.11) UNOP I

Minimale fluïdisatiesnelheid Voor bollen geldt: e0 ≈ 0,4. Dus: Ga = 1406 Re’mf + 27,3 Re’mf2 of: En bij definitie geldt: Hiermee kan de minimale fluïdisatiesnelheid worden berekend. UNOP I

Fluïdisatie: vaste stof in vloeistof De porositeit van het bed tijdens fluïdisatie kan worden uitgerekend: met: uc = actuele vloeistofsnelheid [m/s] ui ≈ transportsnelheid u0 [m/s] (= valsnelheid van een deeltje in stilstaande vloeistof) De coëfficiënt n wordt berekend met: (5.84); (6.32) De snelheid ui wordt gecorrigeerd voor wandeffecten: Dus als dt >> d geldt: ui ≈ u0 UNOP I

Fluïdisatie: vaste stof in vloeistof Een alternatieve manier om de coëfficiënt n te berekenen is onderstaande (voor dt >> d). Deze vergelijking stemt goed overeen met experimentele waarden. (6.38) Zie figuur 6.6 blz. 305 voor vergelijking met experimentele waarden. Let op: de actuele vloeistofsnelheid uc daalt als C toeneemt of e afneemt (bij dezelfde ΔP). Het fluïdum komt meer deeltjes per lengte van de kolom tegen en wordt dus meer tegengehouden. UNOP I

Warmtetransport in gefluïdiseerd bed Gas/vast: De goede warmteoverdracht eigenschappen in gefluïdiseerde bedden heeft ertoe geleid dat fluïdisatie wordt toegepast in processen waarbij een nauwkeurige temperatuurscontrole nodig is. In gas/vast gefluïdiseerde bedden is de warmteoverdracht ca. 100 keer beter!! Waarom? Verschillende onderzoekers vinden andere resultaten. Dit komt onder anderen omdat de warmteoverdracht erg afhankelijk is van stromingspatronen in het fluïde bed en deze onderzoeken gedaan zijn toen men nog weinig inzicht had in deze patronen. De warmtegeleidingscoëfficiënt van de vaste deeltjes heeft in ieder geval geen effect op de warmteoverdracht naar de wand. UNOP I

Warmtetransport in gefluïdiseerd bed Vloeistof/vast: De warmteoverdracht voor vloeistof/vast gefluïdiseerde systemen is onderzocht. Voor glasparels in water geldt: (6.54) met: h = warmteoverdrachtscoëfficiënt fluïde bed [kW/m2K] hl = “ “ alleen vloeistof [kW/m2K] Cs = soortelijke warmte deeltjes Zie ook fig. 6.20 op blz. 335. UNOP I

Verwarming van een gefluïdiseerd bed Als een gefluïdiseerd bed wordt verwarmd kan dat worden gedaan met een warmte element dat in het gefluïdiseerde bed wordt gestoken. Dan geldt voor de warmte die overgedragen wordt: Algemener kan voor de warmteoverdracht vanaf een klein oppervlak worden gesteld: met: h = warmteoverdrachtscoëfficiënt [ W/m2K] d = deeltjesdiameter [m] k = warmtegeleidingscoëfficiënt vloeistof [W/m.K] ρ = vloeistof dichtheid [kg/m3] uc = actuele of superficiële vloeistofsnelheid [m/s] μ = vloeistofviscositeit [Pa.s] c = soortelijke warmte vloeistof [J/kg.K] UNOP I

Volgende week Voorbereiden voor het volgende college: voorbeeldtentamen UNOP I