книги из ГПНТБ / Бушмелев, В. А. Процессы и аппараты целлюлозно-бумажного производства учебник

ношение рабочей скорости псевдоожижения ѵ0 к скорости псевдоожи­

жения ѵ01 называется числом псевдоожижения [п = — ]. Установлено,

соответствует наиболее интенсивное и равномерное перемешивание фаз. При я > 2 образуются крупные пузыри газа и псевдоожиженный слой становится неоднородным. Дальнейшее увеличение п может при­ вести к режиму поршневого псевдоожижения, который характеризуется тем, что «кипящий» слой состоит из чередующихся по высоте слоев газа и частиц. Поднимаясь, пузыри газа прорывают слои частиц, в ме­ стах прорывов резко увеличивается скорость г аза, что приводит к под­ брасыванию и уносу частиц из аппарата. Кроме того, ухудшается рав­ номерность перемешивания фаз и снижается интенсивность процесса.

При п <*2 перемешивание фаз достаточно равномерное, однако интенсивность его низкая. Таким образом, оптимальная рабочая ско­ рость псевдоожижения равна

ѵ0 = 2ѵ01. (2-44)

Пористость и степень расширения псевдоожиженного слоя

При расчете аппаратуры, работающей в условиях псевдоожижения, нужно знать пористость и степень расширения слоя. Эти величины зависят от физических характеристик зернистого материала и псевдоо­ жижающего агента. Пористость псевдоожиженного слоя может быть приближенно определена по уравнению 1

С увеличением пористости возрастает объем слоя и его высота Н 0. Величина # 0может быть определена путем совместного решения урав­ нения (2-37) и (2-38), которые имеют одинаковые левые части. Из ра­ венства правых частей получаем Н (1—е) = Н 0 (1—е0), откуда высота псевдоожиженного слоя

Величины ѵ0 и Я„ учитываются при расчете аппарата «кипящего» слоя. По заданной производительности по газу и скорости ѵ0 опреде­ ляются его сечение и диаметр, а исходя из пористости и степени рас­ ширения слоя определяются высота слоя Я 0 и рабочая высота аппа­ рата.

1 Плановский А. Н., Рамм В. М., Каган С. 3. Процессы и аппараты химиче­ ской технологии. М., 1967, с. 183.

47

ИСТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ

На практике часто приходится определять количество жидкости, вытекающей из резервуара, продолжительность истечения, диаметр трубы, по которой течет жидкость, напор, необходимый для обеспе­ чения заданной производительности истечения, и т. п. Перечисленные задачи решаются с применением уравнений Бернулли и неразрывно­ сти потока.

Коэффициенты истечения

Истечение жидкости сопровождается сужением струи, которое наблюдается на участке (0,5 -ч- l)d0 от отверстия истечения (сі0 —

диаметр отверстия). Отношение поперечного сечения сужения струи

Ее величина при постоянном напоре зависит от сопротивлений исте­ чению. При истечении идеальной жидкости сопротивления отсутст­ вуют, что соответствует теоретической скорости истечения. Отноше­ ние скорости истечения реальной жидкости к теоретической скорости истечения называется коэффициентом скорости ср. При истечении жидкости через отверстия в тонкой стенке величина коэффициента скорости истечения может быть определена по формуле

где k — коэффициент местного сопротивления. При истечении реальных жидкостей ср<1.

Расход жидкости при истечении равен Q = vF, где F — сечение сужения и и — скорость истечения. Отношение действительного рас­ хода жидкости при истечении к теоретическому расходу, когда а — 1 и Ф = 1, называется коэффициентом расхода гр Его величина обычно меньше 1 и определяется опытным путем. При истечении идеальной жидкости т) = 1. Взаимосвязь коэффициентов истечения устанавли­ вается формулой

Истечение из отверстия в боковой стенке

резервуара

При истечении жидкости через отверстие в боковой стенке резер­ вуара напор по высоте сечения отверстия будет неодинаков. Поэтому уравнение Бернулли в этом случае приходится применять не ко всему потоку, а лишь к его отдельным элементам. Последующим суммирова­ нием (интегрированием) элементарных расходов может быть определен расход по всему сечению отверстия.

В практике целлюлозно-бумажного производства этот вид исте­ чения применяют для напуска целлюлозной или бумажной массы на

48

сетку пресспата или бумагоделательной машины. Отверстие истече­ ния имеет щелевую форму большой ширины (соответственно ширине сетки) и незначительной высоты. В щелевом отверстии в боковой стенке резервуара (рис. 2-9) выделим элементарное сечение высотой dH и шириной Ь, равной ширине щели. Элементарный расход dV =

чения до уровня жидкости, или напор, под действием которого проис­

ходит истечение; ѵ — У 2gН — теоретическая скорость истечения. При интегрировании этого выражения в пределах изменения на­

Рис. 2-9. Истечение через щелевое отверстие в боковой стенке

После интегрирования

где г; — среднее значение коэффициента расхода для щелевого отвер­

Величина коэффициента расхода ц зависит от формы насадки, че­ рез которую происходит истечение массы на сетку машины (см. «Спра­ вочник бумажника», т. II, М., 1965, с. 505).

Для быстроходных бумагоделательных машин подача бумажной массы на сетку производится с помощью высоконапорных устройств, работающих под избыточным давлением р нім2. В этом случае уравне­ ние расхода примет вид

У - щЬ 2g ( я 2+ . (2-51)

Формулы (2-50) и (2-51) применяются для расчета величины а при заданных расходе V и напоре Я 2+ ^ - . Последний определяют ис­

ходя из скорости истечения массы, которая находится в определен­ ном соотношении со скоростью сетки бумагоделательной машины или пресспата.

Истечение из резервуара в резервуар через трубу при постоянных уровнях

Примем следующие обозначения (рис. 2-10):

р 1 и р 2 — давления над жидкостью в резервуарах; Я 2 и Я , — высоты уровней жидкости в резервуарах относи­

тельно плоскости X— X;

F± и F2 — площади сечений жидкости в резервуаре и трубе;

50

Ѵ= 0,139-4 — 4,43 м/сек. 3,14-0,2а

По рис. 2-5 для массы с концентрацией около 1% этой скорости соответст­

к скорости сетки k2= — = 1,05. Вес 1 ж2 бумаги q = 50 г. Влажность бумаги

нс

на накате 7%. Степень поперечной усадки полотна бумаги 2%. Определить ско­ рость истечения через щель напорного ящика, необходимый для этого напор

ивысоту выпускной щели.

Ре ш е н и е . Общий коэффициент скорости, равный отношению скорости истечения к скорости машины, равен

Расчет высоты выпускной щели будем вести на 1 ж ширины полотна бумаги на накате. Общие потери сухих веществ на машине принимаем равными 30% от их начального количества, поступающего на сетку. Количество поступающей на сетку сухой бумажной массы, отнесенное к 1 м ширины бумаги на накате, С учетом усушки равно

где а — коэффициент сжатия струи; р = 1000 кг/м3 — плотность массы. Для насадки с углом конусности 13° величина а = 1.

52

С учетом потерь на накат поступит 43 а -1(1 — 0,3) = 30,1 а кг/сек вещества. Эта величина должна быть равна количеству сухой бумаги, сходящей с наката на 1 м его ширины:

т100 1000-60

Следовательно, 30,1 а = 0,31 кг/сек, откуда

О Я1

а= —Lzl = 0,0103 м, или 10,3 мм. 30,1

Необходимый напор для создания скорости истечения определим из фор­ мулы (2-53)

Ф2g '

Пример 3. Насос перекачивает оборотную воду в количестве 335 м3/ч по трубопроводу длиной 50 м и поднимает ее на высоту 15 м. Сумма коэффициентов местных сопротивлений трубопровода 2 6 = 12,8. Температура воды 20°. Опре­ делить напор, который должен создавать насос для обеспечения заданной про­ изводительности.

Р е ш е н и е. Принимаем ориентировочно скорость движения воды в трубе

тери напора, если общая длина трубопровода 50 м, а сумма коэффициентов мест­ ных сопротивлений равна 10. Как изменится потерянный напор, если трубопро­ вод диаметром 150 мм заменить на трубопровод с диаметром 200 лш?

':Ъі Лі = —Ь ^ ( о ,1 2 - — +10^1 =5,73 м,

53

По принципу действия насосы разделяются на поршневые и центро­ бежные. Поршневые подают жидкость путем ее вытеснения из ци­ линдра насоса; в центробежных насосах используется центробежная сила, действующая на жидкость, вращающуюся вместе с рабочим ко­ лесом.

Поршневые насосы могут быть одинарного действия, так называе­ мые плунжерные, и двойного действия. Некоторым видоизменением поршневых насосов являются диафрагмовые насосы. На том же прин­ ципе вытеснения жидкости работают аппараты Монтежю и сифоны.

Центробежные насосы делятся на одноступенчатые и многоступен­ чатые. Одноступенчатые насосы могут быть с односторонним или дву­ сторонним всасыванием.

Особым видом насосов являются струйные насосы, в которых для подачи жидкости используется кинетическая энергия выходящей под давлением струи. Вследствие этого струйные насосы могут ^создавать напор перекачиваемой жидкости, лишь используя уже имеющееся давление другой жидкости или пара.

ПОРШНЕВЫЕ НАСОСЫ. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Устройство поршневого насоса схематически показано на рис. 3-1. Вал 5 насоса приводится во вращение каким-либо двигателем. При этом благодаря наличию кривошипного механизма 4 шток 3 совершает поступательно-возвратное движение. Поршень 2 закреплен на штоке и движется вместе с ним, перемещаясь внутри цилиндра 1.

При движении поршня вверх объем в цилиндре под поршнем уве­ личивается, вследствие чего давление в нем падает и становится меньше, чем в нагнетательном трубопроводе 9 и всасывающем трубо­ проводе 8.

Под действием разностей давлений в трубопроводах и в цилиндре оба клапана насоса будут перемещаться вверх и, как показано на рисунке, нагнетательный клапан 7 закроет проход для жидкости, а всасывающий клапан 6 откроет, и из всасывающего трубопровода жид­ кость начнет поступать в цилиндр, заполняя его объем.

При обратном ходе поршня, т. е. при движении вниз, объем под поршнем уменьшается и давление возрастает, становясь выше давле­ ний во всасывающем и нагнетательном трубопроводах. Теперь вследст­ вие разности давлений клапаны насоса будут перемещаться вниз; всасывающий клапан закроет проход, а нагнетательный — откроет, и жидкость, наполняющая цилиндр, начнет выдавливаться в нагне­ тательный трубопровод.

54

Таким образом, при каждом ходе поршня вверх происходит запол­ нение цилиндра насоса жидкостью, т. е. всасывание, а при ходе вниз— вытеснение жидкости из цилиндра, т. е. нагнетание.

Следовательно, поршневой насос действует не непрерывно, а пе­ риодически, что создает толчки давления в нагнетательном трубопро­ воде. Чтобы избежать этого, на нагнетательном трубопроводе устанав­ ливают так называемый воздушный колпак, устройство которого по­ казано на рис. 3-2. Воздушный колпак 2 представляет собой сосуд цилиндрической формы со сферическими днищами, в каждом из ко­ торых имеется по штуцеру с фланцами 4 и 5 для крепления колпака

на нагнетательном трубопроводе 1 и крепления воздушного крана 3. В начале нагнетательный трубопровод и воздушный колпак сво­ бодны от жидкости и заполнены воздухом. При работе насоса трубо­ провод заполняется жидкостью, однако в колпаке остается ^воздух, который сжимается до давления в нагнетательном трубопроводе. Вследствие этого объем воздуха уменьшается и значительная часть воздушного колпака заполняется жидкостью (см. рис. 3-2),. на кото­

рую сверху давит сжатый воздух.

При изменении давления газов, к числу которых относится и воз­ дух, их объем значительно изменяется. Следовательно, для того чтобы существенно изменилось давление воздуха, необходимо, чтобы его объем также значительно изменился. У поршневых насосов пульса­ ция давления в нагнетательном трубопроводе происходит быстро и объем воздуха в воздушном колпаке не успевает заметно изменяться. Поэтому давление поддерживается почти постоянным.

55

Из принципа работы поршневого насоса ясно, что он может пере­ качивать не только жидкости, но и газы. Поэтому в тех случаях, когда насос установлен выше уровня жидкости, он предварительно выка­ чает воздух из всасывающего трубопровода, и под действием атмос­ ферного давления жидкость начнет поступать в насос. При этом, ко­ нечно, высота столба жидкости во всасывающем трубопроводе не мо­ жет превосходить ту высоту, на которую данная жидкость может быть поднята атмосферным давлением. Например, атмосферное давление может поднять воду на высоту 10,33 м при условии, что в цилиндре насоса будет создан абсолютный вакуум и всасывающий трубопровод

им

Ѵ п г .

обладает гидравлическим сопротивлением, равным нулю, что возможно лишь при неподвижной жидкости.

Практически некоторая, хотя и незначительная часть объема ци­ линдра из-за неплотностей будет заполнена воздухом, а также водя­ ными парами, которые образуются от испарения воды под вакуумом. Благодаря этому в цилиндре будет некоторое остаточное давление. Кроме того, при работе насоса вода во всасывающем трубопроводе нахЬдится в движении, вследствие чего возникает гидравлическое сопротивление. По этим причинам поршневые насосы обычно могут работать на холодной воде при высоте всасывания б—8 м.

С повышением температуры воды количество образующихся в ци­ линдре насоса паров возрастает. Соответственно этому высота всасы­ вания уменьшается и при температуре около 90° С насос перестает всасывать воду. Для того чтобы насос мог всасывать воду при такой температуре, необходимо воду подать к насосу, т. е. он должен рабо­ тать под заливом.

56