УМП лаборторные Гидромеханические процессы

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет» Филиал ФГБОУ ВО УГНТУ в г.Стерлитамаке

Кафедра «Оборудование нефтехимических заводов»

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Учебно-методическое пособие для выполнения лабораторных работ

Стерлитамак

2021

В учебно-методическом пособие к лабораторным работам рассмотрены некоторые теоретические аспекты наиболее распространѐнных в промышленности гидромеханических процессов. Для каждой лабораторной работы приведѐн перечень теоретических вопросов для сдачи коллоквиумов.

Методические материалы будут полезны при выполнении лабораторного практикума по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» и родственных ему студентами , обучающимся по направлениям 15.03.02, 15.03.04, 18.03.01 18.03.02, 27.03.04.

Публикуется в авторской редакции.

Составитель: Сулейманов Д.Ф., доцент каф.ОНХЗ, к.т.н.

Рецензент: Бондарь К.Е,, доцент каф.ОНХЗ, к.т.н.

©Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2021

2

3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ СЛОЯ ГРАНУЛИРОВАННОГО МАТЕРИАЛА»

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1Определить гидравлическое сопротивление слоя гранулированного материала в зависимости от скорости воздуха.

2Сопоставить экспериментальные данные с теоретическими.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Плотный слой зернистого материала представляет собой объем υ, часть которого занимают непосредственно частицы υ ч, а остальную часть υ n занимают образующиеся между частицами извилистые поровые каналы, по которым движется поток газа через слой.

В зависимости от размера и формы частиц слоя, а также характера их укладки форма, размер и объем поровых каналов меняются.

Важнейшей характеристикой слоя является его порозность или доля свободного объема (ε)

Обозначив ρr и ρ – плотность частиц и плотность газа соответственно (кг/м3), для насыпной плотности слоя (или массы единицы объема слоя) ρн можно записать уравнение

Сечение всех поровых каналов слоя или сечение потока газа, проходящего через слой, является переменным вследствие разнообразия взаимного распределения частиц, их неправильной формы и различия в размерах. Однако с увеличением площади слоя, т.е. с увеличением сечения аппарата, в котором находится слой, это различие уменьшается, и в конечном счете суммарное сечение всех каналов становится практически постоянным, так как благодаря большому числу поровых каналов их индивидуальные

4

особенности уже не сказываются. При отношении D/d >10 сечение поровых каналов и порозность слоя по его высоте практически не меняются (D и d – соответственно диаметр аппарата и частицы), т.е. в этом случае порозность слоя можно считать величиной постоянной.

Если скорость потока газа, отнесенную ко всему сечению слоя (аппарата), обычно называемую скоростью фильтрации, обозначить (м/с), то фактическая средняя скорость потока в поровых каналах ( 0 ) будет

Скорость фильтрации можно определить, зная секундный расход потока (Vс, м3/с) и сечение слоя (S, м2) по уравнению

Потеря давления в слое (ΔР, Па) может быть вычислена по известному уравнению гидравлики

- коэффициент гидравлического сопротивления.

Подставляя в уравнение (1.7) значение скорости фильтрации , эквивалентного диаметра поровых каналов dк и величину коэффициента , после соответствующих преобразований можно получить уравнение, совпадающее со следующим уравнением Эргуна, которое рекомендуется для технических расчетов

где - коэффициент динамической вязкости потока, Па∙с.

Уравнение применимо для ламинарного, переходного и турбулентного режимов движения.

5

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

1 – цилиндр; 2 – гранулы; 3 – редукционный вентиль; 4 – капиллярный реометр; 5,6 - дифманометр

Рисунок 1.1 - Схема лабораторной установки

Лабораторная установка (рисунок 1.1) включает стеклянный цилиндр 1 с внутренним диаметром D = 3∙10-2м, заполненный гранулами из свинца диаметром d = 2,5 10-3 м. Высота слоя гранул в цилиндре Н = 0,43 м. Подача воздуха через слой осуществляется компрессором. Количество поступающего в цилиндр воздуха регулируется редуктором 3. Для замера расхода воздуха имеется капиллярный реометр 4. Перепад давления в слое (сопротивление) замеряется дифманометром 5. Избыточное давление на входе в слой определяется по дифманометру 6.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1Проверить правильность соединений, исправность приборов.

2Постепенно открывая редуктор, установить необходимый расход воздуха, проходящего через слой гранулированного материала. Расход воздуха устанавливается по перепаду давления на реометре 4 и градуировочному графику, имеющемуся в лаборатории.

3При установившемся расходе воздуха (Vс, м3/с) снять показания приборов:

-перепад давления в слое Р;

-давление в цилиндре над слоем Р1;

-температуру воздуха Т, К;

-барометрическое давление Рб;

6

- перепад давления Р2, соответствующий определенному расходу воздуха.

Таблица 1.1 - Экспериментальные данные

Для построения кривой зависимости перепада давления в слое от скорости воздуха проводится не менее трех опытов с различным расходом воздуха.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

Поскольку значения давлений на входе в слой и на выходе из слоя различны, скорости фильтрации потока в верхних слоях и в нижних также будут различны.

При определении потерь давления в слое по уравнению (2.9) в уравнение подставляется среднеарифметическое значение скорости фильтрации (м/с), рассчитанное по значениям скорости фильтрации на входе в слой вх и на выходе из слоя вых.

Скорость фильтрации на выходе

вых VFc , м/с,

где Vc – секундный расход воздуха на выходе из слоя, м3/с; F – площадь сечения слоя, м2.

Скорость фильтрации на входе в слой

вх Vвх ,

F

где Vвх – секундный расход воздуха на входе в слой, м3/с;

Vвх Рвых V c ,

Рвх

7

Скорость фильтрации, подставляемая в уравнение (1.9), определяется как среднеарифметическое вх и вых

определяется как среднеарифметическое между плотностями воздуха на входе в слой вх и на выходе из слоя вых, т.е.

Расчетные данные заносятся в таблицу 1.4.

На основании проведенных исследований и выполненных расчетов делается анализ работы.

Таблица 1.2 – Характеристика материала слоя

8

Таблица 1.3 – Значение коэффициента динамической вязкости сухого воздуха

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РАБОТЫ

1 Перед началом работы убедиться в правильности схемы лабораторной установки.

2 Лабораторная установка выполнена из стекла. Все операции по монтажу должны производиться осторожно, без нажима и без больших усилий.

3 Подачу воздуха осуществлять осторожно, плавно вращая редукционный вентиль.

4 В случае пореза рук стеклом надо в первую очередь удалить мелкие осколки, промыть 2% раствором перманганата калия или спиртом, смазать йодной настойкой, забинтовать.

ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ

Отчет оформляется на листах бумаги формата А4 в соответствии со стандартами. Отчет должен содержать:

-название и цель работы;

-краткое изложение теоретических положений;

-принципиальную схему установки;

-таблицы “ Экспериментальные данные ” и “ Расчетные данные”;

-графики изменения параметров;

-анализ результатов работы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1 Три состояния слоя зернистого материала.

2 Основные характеристики слоя зернистого материала.

3 Понятие действительной скорости и скорости фильтрации.

9

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов. – Изд.11-е, дораб. и перепечат. с изд. 1973г. – М.: ООО ТИД

«Альянс», 2005. – С.101-106.

2 Общий курс процессов и аппаратов химической технологии: учебник. - В 2-х кн./ В.Г. Айнштейн, М.К. Захаров и др.; под ред. В.Г. Айнштейна. - М.: Логос, Высшая школа, 2003. -Кн.1. – С.214– 222.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

«ДЕМОНСТРАЦИЯ «КИПЯЩЕГО СЛОЯ» И ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ПСЕВДООЖИЖЕНИЯ ЗЕРНИСТОГО МАТЕРИАЛА»

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Демонстрация «кипящего» слоя и экспериментальное определение скорости псевдоожижения к, плотности н и порозности «кипящего слоя».

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

При восходящем движении газа (жидкости) через неподвижный слой зернистого материала по мере увеличения скорости потока увеличивается гидравлическое сопротивление слоя и ослабляется давление частиц друг на друга. При достижении некоторого критического значения скорости К сила трения газа (жидкости) о поверхность частиц и инерционные силы потока уравновешивают силы тяжести. В этот момент, когда сопротивление слоя становится равным весу слоя, частицы перестают оказывать давление друг на друга, и слой переходит во взвешенное состояние.

При дальнейшем увеличении скорости К силы, действующие на частицу со стороны потока, превышают вес частицы и поднимают ее на некоторую высоту. Расстояние между частицами увеличивается, и они получают возможность перемещаться в пределах слоя. По мере увеличения расстояния между частицами скорость потока в живом сечении слоя ( 0 = / 0) будет уменьшаться, следовательно, и силы, воздействующие на частицу, уменьшатся до величины, равной ее весу, и дальнейшее расширение слоя прекратится. Таким образом, вновь восстановятся условия равновесия взвешенного слоя, но уже при новом большем значении порозности или доли свободного объема ; причем 0.

Верхним гидродинамическим пределом существования взвешенного слоя является скорость свободного витания в, равная скорости витания одиночной частицы ( = 1); при скорости выше в поток газа выносит частицы из слоя.

10