УМП лаборторные Гидромеханические процессы

Во взвешенном слое частицы интенсивно и хаотично перемешиваются внутри слоя вследствие некоторой неравномерности скорости потока в различных сечениях слоя. При взвешивании частиц потоком газа (пара) наблюдается проскок через слой газовых пузырей (ядер), образование которых происходит обычно в нижней части слоя у распределительной решетки. Характер образующихся ядер и интенсивность проскока зависят от скорости газа, гранулометрического состава слоя, величины отношения высоты слоя к диаметру аппарата Н/D и конструкции распределительной решетки.

Взвешенный слой зернистого порошкообразного материала по внешнему виду похож на кипящую жидкость, поэтому его называют также «кипящим» или псевдоожиженным слоем.

В настоящее время во многих отраслях промышленности широко внедряются технологические процессы, осуществляемые в псевдоожиженном слое. Псевдоожиженное состояние позволяет перемещать твердые сыпучие материалы подобно жидкости и благодаря этому осуществлять непрерывным методом многие процессы, которые ранее проводились периодически. Интенсивное перемешивание фаз обуславливает высокую эффективность процессов, протекающих в условиях взвешенного слоя - значительно возрастает скорость внешней диффузии, эффективно протекает теплообмен между потоком и частицами, легко обеспечивается выравнивание температур в большом объеме слоя и др.

Для расчета аппаратов с псевдоожиженным слоем необходимо знать величину критической скорости (псевдоожижения) или скорости псевдоожижения к .

В общем случае скорость псевдоожижения определяется критериальной зависимостью типа

Re =f (Аr, ) , (2.1)

где Аrкритерий Архимеда.

При прохождении потока жидкости или газа через неподвижный слой потеря давления на единицу высоты слоя Р/Н возрастает с увеличением скорости потока и уменьшением диаметра зерен слоя. При малых скоростях потока (в ламинарной области) Р/Н пропорционально , при больших скоростях ( в турбулентной области) Р/Н пропорционально 2.

Потеря давления на единицу высоты слоя может быть выражена

справедливой для ламинарного, переходного и турбулентного режимов.

В момент перехода слоя во взвешенное состояние (при = к) потеря давления становится равной весу насыпного слоя на единицу площади, т.е.

где ч – плотность частиц слоя, кг/м3;

11

- плотность псевдоожижающего агента, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2.

Решая совместно уравнения (2.2) и (2.3) и преобразуя полученное равенство к безразмерному виду, для монодисперсных шарообразных частиц получаем следующее выражение:

где Reк = к d / - критическое значения числа Рейнольдса, при котором неподвижный слой переходит во взвешенное состояние;

Аr = d3 ч - g/ 2 – критерий Архимеда;- порозность насыпного слоя;

к – критическая скорость псевдоожижения, м/с; d – диаметр частиц, м;

При беспорядочной засыпке слоя можно в среднем принять =0,4, тогда

порозности слоя , В.Д. Горошко, Р.Б. Розенбаум и О.М. Тодес предложили интерполяционную формулу, справедливую для ламинарного, переходного и турбулентного режима обтекания

Re . (2.6)

При = 0,4 эта формула совпадает с уравнением (3.5). Это же уравнение, решенное относительно , позволяет определить порозность взвешенного слоя при выбранном гидродинамическом режиме

При = 1, что практически соответствует одиночной частице или весьма малой концентрации частиц в потоке, уравнение (3.6) принимает вид

Reв Ar / 18 0,6 Ar . (2.8)

Это уравнение рекомендуется для определения скорости витания частиц

в.

Таким образом, слой, состоящий из частиц одинакового диаметра d, может существовать во взвешенном (псевдоожиженном) состоянии при скорости потока , лежащей в пределах к в.

12

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Наблюдение явлений, сопровождающих переход слоя зернистого материала в псевдоожиженное состояние, проводится на лабораторной установке со стационарным «кипящим» слоем, изображенной на рисунке 2.1.

Установка состоит из стеклянного цилиндра 1 с внутренним диаметром D = 65 мм, расходомера воздуха (реометра 2), наклонного микроманометра 3 и регулирующего вентиля 4. В нижней части цилиндра установлена распределительная решетка 5, выполненная из пеношамота.

В цилиндр загружается заданная навеска песка массой G и средним диаметром частиц d. В слой опущены две манометрические трубки 6, нижние срезы которых расположены на разной высоте, что позволяет измерить перепад давления Рh в слое на высоте h = 40 мм.

Перед началом опыта необходимо проверить готовность измерительных приборов: реометра и микроманометра (столбик жидкости должен находиться на нулевой отметке), измерить барометрическое давление Pб. Зажим 4 должен быть закрыт, а зажим на линии сброса избытка воздуха в атмосферу - полностью открыт.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1 – стеклянная трубка с псевдоожиженным слоем зернистого материала; 2 – реометр; 3 – микроманометр; 4 – вентиль; 5 – распределительная решетка;

6 – манометрические трубки; 7 - компрессор

Рисунок 2.1 - Схема лабораторной установки

После включения компрессора медленно открывают зажим 4 и устанавливают необходимый расход воздуха. При данном расходе воздуха

13

записывают в таблице 2.1 показание реометра Нр, перепад давления ∆Рм по наклонному микроманометру, температуру воздуха t° и общую высоту слоя Н. Дальнейшая регулировка расхода воздуха осуществляется с помощью зажима

4.

Всего необходимо произвести 8…10 подобных измерений с таким расчетом, чтобы примерно половина их приходилась на неподвижный слой. Во время опыта ведут также визуальные наблюдения за состоянием слоя.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1 Скорость фильтрации газа

реометру и тарировочной кривой);

D – внутренний диаметр цилиндра, м. 2 Перепад давлений на высоте h

∆Рh=С∙∆Рм, Па,

где ∆Рм – показания микроманометра, Па; С – поправочный коэффициент на показание микроманометра, С=0,293. 3 Перепад давления в слое

Р Рh H , Па, h

где h – расстояние между концами трубок в слое; h=40 мм; H – высота слоя, мм.

4 Объем слоя

D4 2 H , м3.

5 Насыпная плотность слоя

н G , кг/м3,

где G – масса навески; G = 0,250 кг.

6 Порозность (доля свободного объема) слоя

1 н ,ч

где ρч – плотность частиц слоя, кг/м3.

По полученным данным строятся графические зависимости: -перепада давления в слое (∆Р) от скорости фильтрации (ω); -высоты слоя (Н) от скорости фильтрации(ω);

-насыпной плотности слоя (ρн) и порозности слоя (ε) от скорости фильтрации.

В момент перехода слоя в псевдоожиженное состояние на построенных графических зависимостях наблюдается перелом. Абсцисса точки перелома дает значение скорости псевдоожижения (ωк).

Полученное значение ωк сравнивается с расчетным:

14

-по уравнению ( 3.4) определяется число Рейнольдса Rек, соответ - ствующее критической скорости; при этом значение порозности (ε) принимается соответствующим точке перелома на графической зависимости

ε= f(ω);

-рассчитывается значение критической скорости по выражению

к Reк . d

На основании проведенных исследований и выполненных расчетов делается анализ работы.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РАБОТЫ

1 В целях безопасной работы все операции должны проводиться в точном соответствии с описанием методики работы, общими положениями правил техники безопасности в химической лаборатории.

2 Перед началом работы необходимо убедиться в правильности сборки установки. Обо всех замечаниях немедленно сообщить лаборанту и преподавателю.

3 Работы со стеклом, стеклянной аппаратурой необходимо проводить аккуратно, без нажима и больших усилий.

4 Подачу воздуха осуществлять плавным вращением вентиля.

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”;

15

-расчеты скорости псевдоожижения по формулам (3.4) и (3.6) и величины относительных отклонений ∆ ω;

-графики изменения параметров (∆Р = f (ω), Н = f '(ω), ρн = φ (ω);

ε= φ'(ω) и значение скорости псевдоожижения ωк);

-анализ результатов работы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1 Преимущества и недостатки псевдоожиженного слоя.

2 Состояния слоя зернистого материала и его характеристики.

3 Скорость критическая и скорость витания на диаграмме. Расчет скорости псевдоожижения.

4 Режим пневмотранспорта.

5 Расчет общей величины потери давления в слое.

6 Количественные определения величины уноса частиц газом.

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.222– 241; 250-255.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ КАПЕЛЬ И ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ

ВЖИДКОЙ СРЕДЕ»

Внефтепереработке широко применяется разделение суспензий и эмульсий отстаиванием - это процессы обезвоживания и обессоливания нефти, отделения дистиллятов от воды после перегонки с водяным паром, очистки нефтяных топлив от загрязнений (вода, частицы катализатора, продукты коррозии, соединения кремния, кальция, алюминия), очистки сточных вод.

При достаточном различии плотностей загрязнений, воды и нефтепродуктов отстаивание является наиболее простым методом очистки нефтепродуктов от загрязнений.

Целью данной работы является изучение скорости движения капель и твердых частиц в жидкой среде и сопоставление с расчетными значениями.

16

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Определение скорости осаждения одиночной жидкой или твердой частицы в неподвижной неограниченной среде проводят, используя критерии подобия: Архимеда Ar, Лященко Ly и Рейнольдса Re.

1 Расчет скорости осаждения по критерию Лященко Определяется критерий Архимеда

где d – диаметр частицы, м;

ρч, ρс – плотность соответственно частицы и среды, кг/м3; µс – коэффициент динамической вязкости среды, Па∙с;

g – ускорение свободного падения, м/с2.

По графической зависимости Ly = f (Ar) (рисунок 3.1) определяется значение критерия Лященко (Ly).

Вычисляется скорость осаждения (м/с)

0 3 Ly ( ч с ) g / с2 . (3.2)

2 Расчет скорости осаждения по критерию Рейнольдса Определяется критерий Архимеда.

По численному значению критерия Архимеда Ar определяется гидродинамический режим осаждения и выражение для определения числа Рейнольдса (Re):

-при Ar ≤ 36 режим осаждения – ламинарный.

Вэтом случае Re = Ar/18;

-при 36 < Ar ≤ 83000 режим осаждения переходный.

Вэтом случае Re = 0,152∙Ar0.715;

-при Ar > 83000 режим осаждения – турбулентный.

При этом Re = 1.74Ar0.5.

По найденному значению критерия Рейнольдса рассчитывается скорость осаждения (ω0 , м/с)

17

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1 – сосуд; 2 – бюретка; 3 – капилляр; 4 – кран; 5 – метки

Рисунок 3.2 - Схема лабораторной установки

Экспериментальная установка (рисунок 3.2) включает сосуд 1, который заполняется жидкостью с известными значениями плотности и вязкости. В бюретку 2 заливается другая жидкость, плотность которой также известна. Затем из бюретки медленно (скорость капель регулируется краном 4) выпускается несколько миллилитров жидкости, которая втекает в сосуд 1 через капилляр 3 в виде капель. Частота отрыва капель должна быть постоянной и не более чем одна капля в секунду.

Скорость движения капель определяется путем измерения времени их движения между метками 5 (расстояние между метками 1 метр).

Размер капель определяется делением объема пропущенной жидкости на число образовавшихся капель. По известному объему капли рассчитывают ее диаметр.

Экспериментально изучается движение металлического шарика в глицерине и движение толуола и четыреххлористого углерода в воде. Для каждой системы проводятся три параллельных опыта.

ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

1 Экспериментальное значение скорости движения капель и металлического шарика определяется по известному расстоянию между метками (L=1 м) и среднему значению времени осаждения (τср) в каждой серии опытов

19