Министерство образования РФ

ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт металлургии и химии

Кафедра химических технологий и оборудования

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ПО КУРСУ

“ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ”

ЧАСТЬ 3

Учебно-методическое пособие

Специальности: 250200 – химическая технология неорганических веществ; 320700 – охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов; 060800 – экономика и управление на предприятии (в химической промышленности); 170500 – машины и аппараты химических производств

ЧЕРЕПОВЕЦ

2003

Рассмотрено на заседании кафедры химических технологий и оборудования, протокол № 7 от 28.02.2003 г.

Одобрено редакционной комиссией Инженерно-технического института ЧГУ, протокол № 3 от 19.03.2003 г.

С о с т а в и т е л и: В.А. Котенко, канд. техн. наук, доцент, Е.В. Докунина, Е.В. Сиденко

Р е ц е н з е н т ы : В.В.Ермилов, канд. техн. наук, доцент (ЧГУ); В.И.Ворожбьянов, канд. техн. наук, доцент (ЧГУ)

Н а у ч. р е д.: В.В.Ермилов, канд. техн. наук, доцент (ЧГУ);

Ó Череповецкий государственный университет, 2003

Введение

Лабораторный практикум предназначен для закрепления теоретических знаний, полученных студентами при изучении курса “Процессы и аппараты химической технологии”, а также для приобретения ими навыков физико-химического эксперимента. Он включает в себя четыре работы.

Каждая лабораторная работа выполняется группой студентов (4 – 6 человек) в течение четырех часов.

Перед выполнением лабораторной работы каждый студент должен самостоятельно ознакомиться с ее описанием, изучить физический смысл и практическое значение определяемых величин, а также ознакомиться с методикой эксперимента. При необходимости следует воспользоваться рекомендуемой литературой.

Перед началом работы студент обязан ответить на приведенные в пособии контрольные вопросы. Кроме того, преподавателем могут быть заданы вопросы по методике проведения эксперимента, а также вопросы, касающиеся безопасных приемов работы на установке.

Установка включается только с разрешения преподавателя и в его присутствии.

После завершения работы преподавателю предъявляются результаты расчетов, отчет по работе. Защита отчета производится в индивидуальном порядке. Отчет должен содержать следующее:

1. Цель работы.

2. Теоретические сведения.

3. Описание установки.

4. Экспериментальную часть:

а) порядок выполнения работы,

б) опытные данные (текущие и конечные расчеты, таблицы с результатами расчетов, графики и т.д.).

5. Выводы.

6. Список использованной литературы.

При защите отчета студент должен знать все физические величины, используемые в работе, их единицы измерений, устройство экспериментальной установки.

Лабораторная работа 1

Центрифугирование

Ц е л ь р а б о т ы – практическое ознакомление с работой отстойной центрифуги, определение фактора разделения и скорости осаждения частиц.

1. Теоретические сведения

Под центрифугированием понимают процесс разделения неоднородных систем (эмульсий и суспензий) в поле центробежных сил с использованием сплошных или проницаемых для жидкости перегородок.

Процессы центрифугирования проводятся в машинах, называемых центрифугами.

Под действием центробежных сил суспензия разделяется на осадок и жидкую фазу (слив) – фугат. Осадок остается в роторе, а жидкая фаза удаляется из него.

В отстойных центрифугах со сплошными стенками производят разделение эмульсий и суспензий по принципу отстаивания, причем действие силы тяжести заменяется действием центробежной силы.

В фильтрующих центрифугах с проницаемыми стенками осуществляется процесс разделения суспензий по принципу фильтрования, причем вместо разности давлений используется действие центробежной силы.

Разделение эмульсий в отстойных центрифугах называют сепарацией, а устройства, в которых осуществляют этот процесс – сепараторами.

При разделении суспензий в отстойных центрифугах различают процессы центробежного осветления и центробежного отстаивания. В первом случае из жидкости удаляются твердые примеси, содержащиеся в ней в незначительном количестве. Во втором случае разделяются суспензии, содержащие твердую фазу в большом количестве.

Разделение суспензий в фильтрующих центрифугах называют центробежным фильтрованием. Аналогично процессам разделения суспензий на фильтрах на фильтрующих центрифугах могут последовательно выполняться операции фильтрования с образованием осадка, промывки и отжима его с целью уменьшения влажности.

Таким образом, общие закономерности центрифугирования имеют сходство с закономерностями отстаивания и фильтрования. Однако процессы в отстойных и фильтрующих центрифугах сложнее соответствующих процессов в отстойниках и фильтрах. Это обусловлено тем, что в центрифугах вместо силы тяжести и разности давлений действует центробежная сила, достигающая больших значений, а вместо плоских слоев жидкости и осадка образуются слои с цилиндрическими граничными поверхностями, усложняющими зависимость процесса от геометрических факторов.

Наиболее надежные данные для расчета процесса центрифугирования получают на основе опытов по разделению данной эмульсии или суспензии на небольшой центрифуге, конструктивно по возможности воспроизводящей рассчитываемую.

Однако в настоящее время установлены основные закономерности, характеризующие процессы центрифугирования и позволяющие проводить расчет центрифуг.

Для расчета процесса осаждения под действием центробежных сил применяют уравнения описывающие осаждение частиц под действием силы тяжести с заменой ускорения свободного падения на центробежное ускорение.

Скорость свободного осаждения под действием силы тяжести может быть определена по формуле

, (1)

где - скорость свободного осаждения, м/с; g - ускорение силы тяжести, м/с²; ρ_т - плотность частиц, кг/м³; ρ - плотность среды, кг/м³; d - диаметр шарообразной частицы, м; ξ - коэффициент сопротивления среды.

Существует три режима движения, каждому из которых соответствует определенный характер зависимости ξ от Rе.

Ламинарный режим (область действия закона Стокса) при Rе < 2:

ξ = ; (2)

переходный режим при Re = 2  500

ξ = ; (3)

автомодельный режим (область действия квадратичного закона сопротивления Ньютона) при 2 ∙ 10⁵ > Re > 500.

ξ = 0,44 = const. (4)

При движении тел, отличающихся по форме от шара, значения коэффициента сопротивления больше и зависят не только от критерия Re, но и от фактора формы Ф.

ξ = f (Re, Ф). (5)

Для тел нешарообразной формы определяющим линейным размером в критерии Re служит диаметр эквивалентного шара d, равный диаметру шара, имеющего такой же объем, что и данное тело.

Скорость осаждения частиц нешарообразной формы меньше, чем шарообразных частиц. Чтобы ее рассчитать, значение скорости осаждения для шарообразных частиц необходимо умножить на поправочный коэффициент φ, называемый коэффициентом формы.

ω_ос^′ = φ ω_ос.

Коэффициент φ < 1, его значения определяют опытным путем: для частиц округлой формы φ ≈ 0,77, для угловых частиц φ ≈ 0,66, для продолговатых частиц φ ≈ 0,58, для пластинчатых частиц φ ≈ 0,43.

Для того чтобы выбрать расчетное уравнение, соответствующее данной области осаждения, необходимо предварительно знать значение критерия Re, в который входит искомая скорость осаждения ω_ос. Поэтому расчет ω_ос по приведенным выше уравнениям (1) – (4) возможен только методом последовательных приближений.

Вследствие трудоемкости этого метода можно пользоваться методом, предложенным П.В. Лященко. Метод основан на преобразовании уравнения (1) путем подстановки в него скорости осаждения, выраженной через Rе, и возведения обеих частей уравнения в квадрат. В результате преобразования получают уравнение

, (6)

где Ar – критерий Архимеда.

, (7)

где μ – вязкость среды, Па · с.

Подставив в уравнение (6) критические (граничные) значения критерия Re и ξ находят соответствующие критические значения критерия Ar.

Для области действия закона Стокса (Re < 2)

Re = ; Ar_кр1 = 36 (8)

Для переходной обрасти 2 < Re < 500

Re = 0,152 Ar^0,715; Ar_кр2 = 83 000 (9)

Для автомодельной области

Re = 1,74 ; Ar_кр3 > 83 000 (10)

Таким образом, рассчитав критерий Ar, определяют по его значению область, в которой происходит осаждение.

Вычисляют по формулам 8, 9, 10 значения критерия Re и по нему находят скорость осаждения

ω_ос = . (11)

В разделяемой суспензии содержится бесконечно узкий класс твердых частиц, вероятность попадания которых как в слив, так и в осадок одинакова. Размер этих частиц (их приведенный диаметр) называют крупностью разделения.

При центрифугировании скорость осаждения частиц, размер которых соответствует крупности разделения, может быть рассчитан по формулам (8) – (11).

Скорость осаждения частиц, находящихся в центробежном поле, в раз больше, чем при осаждении их под действием силы тяжести.

Отношение называют фактором разделения К_р.

К_р = = , (12)

где ω – угловая скорость вращения, 1/с; R – радиус вращения, м; ώ – окружная скорость, м/с.

Окружная скорость вращения связана с угловой выражением

ώ = ω R = , (13)

где n – число оборотов в мин, мин^-1.

Следовательно, фактор разделения равен:

К_р = . (14)

Фактор разделения является одним из основных параметров, определяющих условия осаждения под действием центробежной силы.

Расчет скорости осаждения в поле центробежных сил может быть произведен по уравнениям (8) – (10), при подстановке в них критерия Ar.