УМП лаборторные Гидромеханические процессы
.pdf2 Осаждение. Гравитационное отстаивание.
3 Критерии подобия и критериальное уравнение по закону Стокса. 4 Расчет скорости осаждения под действием сил тяжести.
5 Определение коэффициента сопротивления среды для различных режимов движения частиц.
6 Конструкции аппаратов для отстаивания.
7 Расчет отстойников.
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.178-186.
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.378-392.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФАКТОРА РАЗДЕЛЕНИЯ И СКОРОСТИ ОСАЖДЕНИЯ ЧАСТИЦ ПРИ ЦЕНТРИФУГИРОВАНИИ»
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1Ознакомление с работой лабораторной центрифуги.
2Определение фактора разделения и скорости осаждения частиц под действием центробежных сил.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Разделение суспензий и эмульсий под действием центробежной силы осуществляется преимущественно во вращающихся аппаратах, называемых центрифугами.
В осадительных центрифугах поступающая суспензия разделяется на два продукта: слив - основная масса жидкости и небольшое количество наиболее мелких и легких частиц твердой фазы и осадок - основная масса твердого вещества с некоторым количеством жидкости. Под действием центробежной силы твердые частицы осаждаются в суспензии, подаваемой в центрифугу, и отлагаются в виде сплошного осадка. Процесс центрифугирования ведется до образования осадка определенной толщины. Затем подача суспензии прекращается, происходит лишь уплотнение осадка. По завершению процесса разделения производится остановка барабана и выгрузка осадка. Этот процесс, предусматривающий получение концентрированного чистого осадка, называется центробежным отстаиванием. Если в суспензии содержится
21
небольшое количество тонкодисперсных частиц (вплоть до коллоидных растворов), то обычно центрифугирование имеет целью очистку, осветление жидкости. Такой процесс называется центробежным осветлением.
Центробежное осветление (или осаждение) является качественно новым процессом, отличным от свободного осаждения. Под действием чрезвычайно интенсивного поля центробежных сил можно разделить такие системы, которые не могут быть разделены никакими другими методами.
Для оценки интенсивности поля центробежных сил служит фактор разделения Кц , который представляет собой отношение центробежной силы С к силе тяжести G
|
|
|
C |
|
U 2 |
2 r |
|
n2 r |
|
|
||
Кц |
|
|
|
|
L |
|
|
|
|
, |
(4.1) |
|
|
G |
|
g |
900 |
||||||||
|
|
|
|
rg |
|
|
|
|||||
где UL |
– окружная скорость вращения качающейся головки (барабана); |
|||||||||||
|
n |
- угловая скорость вращения; |
|
|||||||||
|
30 |
|
|
|||||||||
r – |
средний радиус до центра подвесных колец; |
|
||||||||||
n – число оборотов барабана в минуту.
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
Центрифуга, представленная на рисунке 6.1, имеет цилиндрическую форму диаметром 350 мм, высотой 390 мм, снабжена стальным кожухом 1 и откидной крышкой 2 с рычажным затвором 3; защитный колпак 8 препятствует проникновению жидкости в механизм центрифуги в случае повреждения центрифугированного сосуда. Качающаяся головка 4 для восьми сосудов легко снимается. В стальные сосуды 6, подвешенные на подвесных кольцах 5, можно поместить стеклянные пробирки 7 емкостью 15 мл или пробирки из пластмасс на 10 мл.
Число оборотов центрифуги можно плавно регулировать посредством рычажного регулятора в пределах 0 ... 4500 об/мин.
Работа выполняется в следующей последовательности:
1 рычажок регулятора скорости устанавливают в положение «0». Центрифугу подключают к электрической сети при помощи гибкого шнура;
2 пробирки заполняют исследуемой жидкостью (маслом) с добавлением песка и уравновешивают вместе с защитными цилиндрами (вязкость масла 5∙10-3 Па∙с, относительная плотность 0,8. Диаметр наименьших взвешенных частиц 20 мкм, относительная плотность 1,8). В том случае, если исследуемой жидкости не хватает для наполнения всех восьми пробирок, то последние из них заполняются водой;
3 наполненные и сбалансированные пробирки вместе с защитными
22
цилиндриками вкладывают в подвесы креста центрифуги; 4 прочно закрывают центрифугу откидной крышкой с помощью рычажного
затвора; 5 медленно передвигая рычаг регулятора скорости до заданного значения
числа оборотов, пускают центрифугу в ход. Значение числа оборотов указано на градуировочной шкале;
6 время работы центрифуги на заданных числах оборотов фиксируется секундомером и заносится в таблицу. Центрифуга может работать непрерывно не более 30 мин. Во время центрифугирования ни в коем случае нельзя открывать центрифугу;
7 остановка центрифуги производится путем перевода регулятора скорости в положение «0». Открывают крышку центрифуги после полной остановки барабана;
8 проводят оценку мутности слива в пробирке визуально или с помощью нефелометра. Контрольный анализ слива и осадка на крупность частиц может быть произведен при помощи микроскопа.
Эти операции повторяют несколько раз для различных чисел оборотов центрифуги и времени процесса. Данные заносят в таблицу 4.1.
Пробирка в защитном цилиндрике
1 – кожух; 2 – откидная крышка; 3 – рычажной затвор; 4 – качающая головка; 5 – подвесные кольца; 6 – защитные подвесные цилиндрики; 7 – сбалансированные пробирки; 8 – защитный колпак; 9 – вал
Рисунок 4.1 - Схема лабораторной установки ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
1 Определяется критерий Архимеда
Ar |
d3 |
|
|
g |
, |
(4.2) |
||
|
c |
|
ч |
c |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
23
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.
2 Определяется для каждого опыта комплекс Кц∙Ar (расчет Кц выполняется по уравнению (4.1).
3 Определяется режим осаждения и выбирается расчетная формула для расчета критерия Лященко
- Кц∙Ar ≤ 36 – режим осаждения ламинарный (Re ≤ 2; Ly/Кц ≤ 0,22).
Тогда Ly = 1,7∙10-4 Кц∙(Кц∙Ar)2;
- 36 < Кц∙Ar ≤ 83∙103 – переходный режим осаждения (2 < Re ≤500;
0,22 < Ly/Кц ≤ 1,5∙103).
При этом Ly = 3,55∙10-3 Кц∙(Кц∙Ar)1,145;
- Кц∙Ar > 83∙103 – режим осаждения турбулентный (Re>500; Ly/Кц >
1,5∙103)
Ly = 5,27 Кц∙(Кц∙Ar)0,5
4 Вычисляется скорость стесненного осаждения частиц (м/с)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ст с |
3 |
Ly c ч c |
g |
, |
(4.3) |
||
|
|
2 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
где |
φ, φс – коэффициенты, учитывающие форму частиц и стесненность |
|||||||
|
осаждения: |
|
|
|
|
|
||
|
для сферических частиц |
|
|
|
φ = 1; |
|||
|
округлых частиц |
|
|
|
|
φ = 0,75 – 0,80; |
||
|
угловатых частиц |
|
|
|
|
φ = 0,65 – 0,70; |
||
|
продолговатых частиц |
|
|
|
φ = 0,55 – 0,60; |
|||
|
пластинчатых частиц |
|
|
|
φ = 0,40 – 0,45. |
|||
Коэффициент φс находится в зависимости от порозности неоднородной системы ε, которая определяется по выражению
ε=1/(1+Ө), |
(4.4) |
|||
где Ө - объемная концентрация дисперсной фазы. |
|
|||
Так как поперечное сечение пробирки постоянное, |
можно записать |
|||
Ө тв |
|
h тв |
, |
|
|
|
|||
ж |
|
h ж |
|
|
где vтв, vж - объем соответственно дисперсной и жидкой фаз;
24
hтв, hж – высота слоя дисперсной фазы и жидкости (см. рисунок 6.1).
При ε > 0,7
φс = ε2∙10-1,82(1-ε) .
При ε≤ 0,7 φс = 0,123 ε3/(1- ε).
5 Время осаждения частиц в пробке
τ=h/ωсm , |
(4.5) |
где h – высота неоднородной системы в пробирке (см. рисунок 4.1). Результаты измерений и расчетов заносятся в таблицу 4.1.
Таблица 4.1 – Экспериментальные данные и результаты расчета
|
Число |
Фактор |
|
|
|
Скорость |
Время |
|
Номер |
Высота, мм |
осаждения |
осаждения |
|||||
оборотов |
разделения |
|||||||
опыта |
|
|
|
ωст, м/с |
τ,с |
|||
n, об/м |
Кц |
|
|
|
||||
|
h |
h ж |
h т в |
|
|
|||
|
|
|
|
|
||||
1 |
2000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
2500 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
3000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
4000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
5000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Полученные результаты используются для построения графической зависимости фактора центробежного разделения Кц от числа оборотов барабана центрифуги.
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 Категорически запрещается открывать крышку во время работы центрифуги. 3 Открывать крышку только после полной остановки барабана центрифуги.
4 Изменение числа оборотов проводить плавно.
25
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;
-таблицу “Экспериментальные данные и результаты расчета”;
-график изменения параметров;
-анализ результатов работы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1 Понятие фактора разделения и расчетные формулы.
2 Режимы осаждения частицы в центробежном поле и методы определения. 3 Определение скорости осаждения в центробежном поле.
4Классификация суспензии по крупности частиц.
5Использование критериев подобия для случая движения частицы в вязкой жидкости под действием центробежной силы.
6Аппаратура для центрифугирования.
7Затраты энергии на работу центрифуги.
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.212-227.
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.392 - 404.
26