Работа 10 изучение гидравлики взвешенного слоя

Доц. Б.Ф.Степочкин

В настоящее время ряд процессов химической технологии (суш­ка, обжиг, адсорбция, катализ), при которых происходит взаимодей­ствие газа или жидкости с мелкораздробленным твердым материалом, осуществляют в аппаратах со взвешенным (псевдоожиженным, или кипящим) слоем. В таких аппаратах указанные процессы значительно ускоряются.

Если через неподвижный слой монодисперсных твердых частиц, находящихся на решетке, пропускать снизу вверх поток жидкости (га­за) и при этом постепенно увеличивать его скорость, то при некоторой так называемой первой критической скорости (скорости начала псев­доожижения) весь слой твердых частиц переходит во взвешенное со­стояние. При дальнейшем повышении скорости жидкости объем взвешенного слоя увеличивается. Такой расширившийся слой, в кото­ром происходит интенсивное перемешивание (движение) твердых частиц, во многом напоминает кипящую жидкость: он течет, прини­мает форму сосуда, имеет поверхность раздела с жидкостью, через него пробулькивают пузырьки газа, поэтому его называют часто ки­пящим, или псевдоожиженным слоем. При некоторой скорости пото­ка, превышающей так называемую вторую критическую скорость (скорость витания или уноса), взвешенный слой разрушается: твердые частицы уносятся из аппарата потоком жидкости, осуществляется их транспорт.

87

Переход зернистого слоя из неподвижного во взвешенный слой происходит тогда, когда сила Рд динамического воздействия потока на слой материала, выражаемая как произведение Ap-S , станет равной силе тяжести Рх, создаваемой твердыми частицами, за вычетом архи­медовой силы Ра, т. е.

Рд = Рт-Ра, (1)

или

ApS = VTg(pT - р) = SH(1 - г)(рт - p)g, (2)

где Ар - потерянное давление в слое. Па; S - живое сечение пустого аппарата, м ; Vt - объем твердых частиц слоя, м ; е - порозностъ слоя (доля свободного объема Vcb в объеме слоя Уел); Н - высота слоя, м; Рт, р - плотности твердых частиц и жидкости соответственно, кг/м .

С другой стороны, потеря давления в слое Ар может быть выра­жена с помощью уравнения Дарси-Вейсбаха:

3?^beHpw^

2 г'Ф d 2

где Ф - коэффициент, учитывающий форму и состояние поверхности твердых частиц.

Коэффициент сопротивления А,г на основании обобщения опыт­ных данных может описываться различными соотношениями. В част­ности, для всех режимов течения он с удовлетворительной точностью описывается уравнением

Х,=^+2.34. (4)

Re

Подставляя значение потери давления по уравнению (2) в урав­нение (3), можно получить с учетом (4) критериальное уравнение, описывающее поведение псевлоожиженного слоя. Так, для частиц ок­руглой формы, для которых Ф ~ 1 и е —0.4, из выражений (2)-(4) по­лучается критическое значение числа Рейнольдса, при котором начи­нается псевдоожижение:

R^nc = 1= , (5)

1400 + 5,22VAr

. gd^ Рт -P "Л тл wd ,

где Ar = —-— - критерии Архимеда; Re = - модифициро-

V р V

ванный критерий Рейнольдса; d - диаметр твердой частицы, м; v -кинематическая вязкость жидкости, м /с; w - фиктивная средняя ско­рость потока (отнесенная к незаполненному частицами поперечному сечению аппарата), м/с.

Такую же структуру имеет зависимость между критериями Re и Аг и при промежуточных значениях 0.4<е< 1. Обобщением опытных данных в этом случае получена формула

Re = Щ^=. (6)

18 + 0,б7Агг*'''

Это уравнение выражает основную зависимость гидравлики взвешенного слоя - зависимость между порозностью слоя и скоро­стью потока. По уравнению (6) можно рассчитать скорость начала псевдоожижения Wnc, подставляя в нее значение порозности непод­вижного слоя Ен.

Гидравлическое сопротивление взвешенного слоя, как следует из уравнения (2), во всем диапазоне его существования практически одинаково и определяется выражением

Ap = H(l-s)(p,-p)g. (7)

Цель работы: 1) вычисление критической скорости начала псевдоожижения расчетным и опытным путем; 2) определение пороз­ности неподвижного и взвешенного слоя при некоторых значениях расхода жидкости расчетным путем и сопоставление расчетных зна­чений порозности с экспериментальными; 3) нахождение гидравличе­ского сопротивления взвешенного слоя расчетным (по весу материа­ла) и опытным путем.

Описание установки

Лабораторная установка (рис.1) состоит из стеклянной верти­кальной колонки 1 с внутренним диаметром D = 70 мм и приборов для измерения давления и расхода жидкости. В колонку снизу по трубо­проводу подается вода, которая предварительно проходит через рота­метры 2 (при малых расходах через ротаметр РС-5, при больших -

89

через PC-7), фиксирующие значение расходов воды. Расход регулиру­ется вентилями Bi и Вг. Из колонки вода отводится в бак.

Колонка заполнена сферическими частицами алюмосиликатного катализатора диаметром d = 3,7 мм и плотностью рт = 1,6 г/см . С од­ной стороны к колонке прикреплена шкала с указателем для отсчета высоты слоя, с другой стороны расположен дифманометр 3 для изме­рения потери давления на участке слоя I высотой Н* = 150 мм. Вверху колонки установлен термометр 4.

9. В бак

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - колонка, 2 - ротаметры, 3 - U-образный дифманометр, 4-термометр.

Порядок проведения опытов

Измеряют высоту неподвижного слоя Нн. Включают насос и постепенно открывают вентиль Bj до положения, соответствующего началу псевдоожижения. Началом псевдоожижения следует считать

90

момент перехода практически всех частиц слоя в состояние движения. Фиксируют показание ротаметра РС-5 и по тарировочному графику устанавливают величину расхода V. Измеряют температуру воды на выходе из колонки. Все измерения заносят в табл. 1.

Далее увеличивают расход воды до значения, соответствующего уровню взвешенного слоя выше участка I, при этом открывают вен­тиль Вг и закрывают вентиль В]. В таком положении замеряют высоту взвешенного слоя Н, снимают показания ротаметра РС-7 и U-образного дифманометра Ah*. По тарировочному графику определяют расход воды, проходящей через колонку.

Аналогичный опыт повторяют при большем значении расхода воды. Данные для второго этапа работы заносят в табл. 2.

После окончания опытов следует закрыть вентили Bj и В2 и от­ключить насос.

Обработка результатов опытов

Опытное значение скорости потока жидкости w ° определяют по рас­ходу V:

4V w°=—V- (8)

Расчетное значение скорости псевдоожижения W ПС НЗ.ХОДЯТ из уравнений (5), (6) по величине критерия Рейнольдса:

d

Значение порозности неподвижного слоя Ен может быть вычислено по

формуле

V 4М

8h=1--^ = 1 т^^^, (10)

Vol JtD PjHjj

где Мх - масса твердых частиц в колонке.

Опытное значение порозности взвешенного слоя определяют из зависимости (7) и соотношения Ap* = pgAh*, учитывая, что

Ар _ Ар *

Н ~ Н*

91

9. 1

9. (11)

Ah* Н

Рт-Р

Расчетное значение порозности взвешенного слоя находят из уравнения (6), решенного относительно е, по известным значениям критериев Re и Аг:

8 =

/ , \0,21

^18Re + 0,36Re'^

Аг

(12)

Сопротивление всего взвешенного слоя Ар° устанавливают по сопоставлению Ар* участка I исходя из условия равномерности пере­пада давления по всей высоте слоя:

9. В_ Н*

9. (13)

Ар" = pgAh'

Полученное опытное значение Ар° должно быть сопоставлено с вели чиной Ар, найденной по весу зернистого материала, согласно зависи мости (2):

МтЕ(Рт - р)

9. Ар

(14)

Spi

Результаты измерений и расчетов следует свести в табл. 1 и 2. Исход­ные данные для расчета Мт = г; Т = °С; V = см /с;

Таблица 1

Таблица 2

92