ГМиТП
.pdfКонтрольные вопросы
1.Конструкции вентиляторов и их назначение.
2.Устройство и принцип действия центробежного вентилятора.
3.Характеристика центробежного вентилятора.
4.Характеристика сети, ее физический смысл.
5.Устройство и принцип действия пневмометрической трубки Пито-Прандтля и трубки Пито.
6.Способы измерения скорости и расхода газа.
7. Измерение Р и Рск на данной установке, посредством одного только тягонапоромера.
8.Что нужно сделать на установке, чтобы изменить характеристику сети?
9.Изменение подачи, напора и мощности вентилятора при изменении частоты вращения рабочего колеса (законы пропорциональности).
10.Методика выполнения работы.
11.Применение в расчетах уравнения расхода и уравнения Бер-
нулли.
23
РАБОТА № 4
ИЗУЧЕНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ВЗВЕШЕННОГО СЛОЯ Цель работы – изучить гидродинамику взвешенного слоя; по-
лучить зависимость сопротивления слоя от скорости газа в свободном сечении аппарата; определить критические скорости газа, массу слоя и диаметр частиц твердого материала.
Основные теоретические положения
В химической технологии значительное место занимают гетерогенные процессы, связанные с взаимодействием газов со слоем твердых частиц, находящихся в кипящем, или псевдоожиженном, состоянии. Аппараты с кипящим слоем используются для проведения сушки, адсорбции, теплообмена, обжига и других процессов. Процессы псевдоожижения характеризуются развитой поверхностью контакта фаз, небольшим гидравлическим сопротивлением; подвижность слоя позволяет проводить процессы непрерывно, их легко автоматизировать, т.к. параметры слоя выравниваются за счет перемешивания. Однако при этом происходит истирание твердой фазы, большой пылеунос, который требует установки газоочистного оборудования; рабочие скорости газа ограничены между I критической и II критической скоростями; при трении частиц между собой происходит накопление зарядов статического электричества, что может приводить к взрывам.
Слой зернистого материала, пронизываемый восходящим потоком газа, может находиться в трех состояниях:
1 – неподвижный или насыпной слой. Когда скорость газа невелика, происходит фильтрация газа сквозь слой твердых частиц. Характеристики слоя: удельная поверхность, порозность, высота – не изменяются.
2 – псевдоожиженный или кипящий слой. Когда скорость достигает первого критического значения (скорость начала кипения), слой перестает быть неподвижным, частицы приходят в движение, расстояние между ними увеличивается, и характеристики слоя возрастают.
3 – состояние уноса. При достижении газом второй критической скорости (скорость уноса) слой разрушается, и твердые частицы уносятся потоком газа. Явление массового уноса твердых частиц потоком газа называется пневмотранспортом и используется в промышленности для перемещения сыпучих материалов по трубопроводам.
У кипящего слоя наблюдается несколько режимов:
24
1 – однородный, когда газ проходит плавным потоком сквозь слой, а твердые частицы поднимаются в центре и опускаются у периферии. Наблюдается для частиц шарообразной формы одинакового размера.
2 – неоднородный, когда часть газа движется через слой не сплошным потоком, а в виде пузырей, и часть частиц выбрасывается из слоя. Наблюдается для полидисперсных частиц и при отклонении формы частиц от шарообразной.
3 – поршневой, когда газ образует большой пузырь, достигающий размером диаметра аппарата. При этом псевдоожиженный слой разделяется на отдельные части пузырями газа. Данный режим возникает, если высота слоя значительно больше диаметра аппарата.
4 – каналообразования, при котором происходит проскок значительного количества газа через каналы, образующиеся в слое. Возникает, если высота слоя мала или частицы склонны к слипанию.
Первой критической или скоростью начала кипения считается такая скорость газа, при которой достигается равенство силы гидравлического сопротивления и веса всех частиц слоя:
P F Gт mg ,
где Р – гидравлическое сопротивление слоя, Па; F – площадь поперечного сечения аппарата, м2; Gт – вес твердых частиц в слое, Н; m – масса твердых частиц, кг.
Гидравлическое сопротивление слоя потоку газа зависит от скорости газа в каналах между частицами и высоты слоя:
P λ H w 2ρо . dэ 2
где Н – высота слоя материала, м; dэ – эквивалентный диаметр каналов между частицами, м; w – скорость газа в каналах слоя зернистого материала, м/с; о – плотность газа, кг/м3; – коэффициент трения.
При малых скоростях газа сопротивление слоя увеличивается по обычному гидродинамическому закону. В режиме псевдоожижения сопротивление слоя практически не изменяется.
Вес твердых частиц в слое, отнесенный к 1 м2 площади поперечного сечения аппарата (с учетом выталкивающей силы),
G Vт ρт ρ0 g Hн 1 εн ρт ρ0 g , F F
25
где Vт – объем твердых частиц, м3; т – плотность твердого материала, кг/м3; Нн – высота насыпного слоя частиц, м; н – порозность насыпного слоя.
Порозность насыпного слоя равна отношению свободного объема слоя к общему его объему:
н Vн Vт Vн
где VH – объем насыпного слоя, м3.
Средняя порозность насыпного слоя может быть принята равной 0,4; при скорости уноса порозность приближается к единице. В случае интенсивного кипения = 0,6...0,7.
Динамическое равновесие слоя сохраняется, пока рабочая скорость не превысит второго критического значения (скорости уноса). Рабочая скорость газа в режиме псевдоожижения превышает первую критическую скорость в 2 -18 раз в зависимости от технологического процесса. Интенсивность перемешивания частиц и состояние псевдоожиженного слоя характеризуются числом псевдоожижения, равным отношению рабочей скорости газа к первой критической.
w p
w крI
Коэффициент раздутия – это отношение объема кипящего слоя к объему насыпного слоя.
k p Vк Vн
где Vк – объем кипящего слоя, м3.
Для расчета процессов, протекающих в состоянии взвешенного слоя, наиболее удобной является зависимость
Lu f Ar, ,
в которую входят критерий Лященко
|
Re3 |
|
|
|
|
w3оρо2 |
|
|
|||||
Ly |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Ar |
μ |
о |
ρ |
т |
ρ |
о |
g |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
и критерий Архимеда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ar |
d3 |
ρ |
|
ρ |
|
ρ g |
|
||||||
эт |
|
|
т |
|
|
|
о |
о |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
μо2
где wо – скорость газа в свободном сечении аппарата, м/с; о – динамическая вязкость газа, Па с; dэт – эквивалентный диаметр частиц, м.
26
Описание установки
Установка, схема которой показана на рисунке, состоит из колонны 6, в которой расположены две металлические решетки 5. На нижней решетке находится слой зернистого материала - полимерных гранул.
6
7
5
2 4
|
|
8 |
1 |
3 |
9 |
|
|
10
Воздух подается в колонну вентилятором 1 по циркуляционному трубопроводу 4. Расход воздуха, подаваемого в колонну, замеряется нормальной диафрагмой 2 с тягонапоромером 3, установленной на циркуляционном трубопроводе. Расход воздуха регулируется заслонкой 9.
Перепад давления в слоях твердых частиц измеряется жидкостным манометром 8. Изменение положения трехходового крана 7 позволяет измерять потери давления как в одном нижнем слое, так и общие потери.
Методика проведения работы и обработка результатов
Открывают полностью шибер 10 и заслонку 9, включают вентилятор 1. Прикрывая заслонку 9, изменяют расход воздуха, поступающего в колонну 6. При различных положениях заслонки измеряют показания тягонапоромера и U-образного манометра. Замеры производят по мере увеличения расхода воздуха до максимального значения и в обратном порядке. Замеры прекращают, когда кипение станет
27
очень интенсивным (число замеров должно быть не менее 6). По показаниям тягонапоромера, пользуясь графиком зависимости V f Pд , определяют расход воздуха, проходящего через колонну.
По уравнению расхода рассчитывают скорость воздуха в свободном сечении колонны. По показаниям жидкостного манометра рассчитывают общее гидравлическое сопротивление и сопротивление нижнего слоя твердых частиц. Результаты замеров и расчетов вносят в таблицу:
|
Показания тяго- |
Расход |
Скорость |
Показания |
Гидравлическое |
||||
№ |
дифманометра, |
сопротивление, |
|||||||
напоромера, Па |
воздуха, |
воздуха, |
мм. вод. ст. |
|
Па |
||||
|
|
|
м3/ч |
м/с |
|
||||
|
2 |
|
h1 |
hобщ |
Рт |
|
Рсл |
||
|
кг/м |
Па |
|
|
|
||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Данные для расчета: внутренний диаметр колонки - 55 мм; плотность твердых частиц - 1000 кг/м3; плотность воздуха (Прил.1, табл.2); вязкость воздуха - по литературным данным [3, с. 557].
По разнице между общим сопротивлением hобщ, и сопротивлением нижнего слоя h1 рассчитывают сопротивление решетки, Па:
Рт 9,8 hобщ h1
Сопротивление слоя твердых частиц
Рсл 9,8h1 Рт .
По данным таблицы строят графическую зависимость сопротивления слоя Рсл от скорости воздуха в свободном сечении аппарата.
По графику находят критическую скорость начала псевдоожижения. Вычисляют критерий Лященко для критической скорости. По графику [3, рис. 3.8] определяют значение критерия Архимеда при порозности слоя 0,4 и рассчитывают диаметр частиц.
Определив по графику [3, рис. 3.8] значение критерия Ly, соответствующее уносу при порозности, равной единице, рассчитывают скорость уноса и расход воздуха, при котором наступает унос.
По величине перепада давления в момент начала псевдоожижения находят массу твердой фазы на тарелках.
28
Контрольные вопросы
1.Сущность процесса псевдоожижения. Режимы кипения (однородный, неоднородный, каналообразования, поршневой).
2.Характеристики псевдоожиженного слоя: порозность, число псевдоожижения, коэффициент раздутия.
3.Зависимость сопротивления кипящего слоя от скорости газа в свободном сечении аппарата.
4.Определение скорости начала кипения (по опытным данным и критериальному уравнению).
5.Определение скорости уноса.
6.Расчет веса слоя материала на тарелке и эквивалентного диаметра частиц.
7.Практическое применение метода псевдоожижения.
8.Методика выполнения работы.
9.Понятие о пневмотранспорте.
10.Достоинства и недостатки процессов с кипящим слоем.
29
РАБОТА № 5
ФИЛЬТРОВАНИЕ Цель работы – определить константы фильтрования и произво-
дительность фильтра периодического действия по фильтрату и влажному осадку.
Основные теоретические положения
Фильтрованием называют процесс разделения суспензий с использованием пористых перегородок, которые задерживают твердую и пропускают жидкую фазу суспензии, под действием разности давлений над и под перегородкой. Перепад давлений может создаваться разными способами:
–фильтрование под давлением, когда над перегородкой создается избыточное давление насосом или компрессором;
–фильтрование под вакуумом, когда под перегородкой создается пониженное давление вакуум-насосом;
–гидростатическое фильтрование, когда разность давлений создается столбом жидкости на фильтрующей перегородке.
Производительность фильтровальной аппаратуры характеризуется скоростью фильтрации, т.е. объемом фильтрата, проходящего через единицу площади поверхности фильтровальной перегородки в единицу времени. Скорость фильтрации зависит от разности давлений до и после перегородки, толщины слоя осадка, свойств осадка и
суспензии, температуры жидкости:
dV |
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
P |
|
|
(1) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Fd |
R |
oc |
R |
п |
|
r |
x |
o |
V F R |
п |
|
|||
|
|
|
|
|
|
oc |
|
|
|
|
где V – объем фильтрата, м3; F – площадь поверхности фильтрования, м2;– продолжительность фильтрования, с; Р – разность давлений, Па; Roc, Rп – гидравлические сопротивления слоя осадка и фильтровальной перегородки соответственно, м-1 ; – динамическая вязкость жидкости, Па с; ro c – удельное объемное гидравлическое сопротивление слоя осадка, м/м3; xo – отношение объема осадка к объему фильтрата.
В зависимости от влияния перепада давления осадки делятся на несжимаемые и сжимаемые. Для несжимаемых осадков с увеличением перепада давлений скорость фильтрования возрастает. Для сжимаемых осадков с увеличением перепада давлений сначала скорость фильтрования растет, а затем начинает снижаться, т.к. осадок уплотняется и его удельное сопротивление резко возрастает.
30
С увеличением температуры снижается вязкость жидкости, что приводит к увеличению скорости фильтрования. Однако при температурах свыше 60оС образуется много паров под перегородкой, что приводит к снижению перепада давлений. Поэтому за оптимальную принимается температура 50…60оС.
При постоянном перепаде давлений и неизменной температуре фильтрата все входящие в уравнение величины постоянны за исключением V и .
Проинтегрировав уравнение (1) от 0 до V и от 0 до , получим
|
|
V2 |
2 |
R |
п |
|
|
V |
|
2 P |
, |
(2) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
F2 |
r |
x |
o |
|
F |
r x |
o |
|||||
|
|
|
|
oc |
|
|
|
|
|
oc |
|
|
||
иначе |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v2 2Cv K . |
|
|
(3) |
||||||||
Здесь С Rп |
roc xo ; |
K 2 P |
roc xo ; |
v V |
F – съем фильтрата, |
т.е. объем фильтрата с 1 м2 площади поверхности фильтровальной перегородки за все время фильтрования, м3/м2.
Уравнение фильтрования (3) показывает непосредственно зависимость продолжительности фильтрования от съема фильтрата.
Для решения уравнения (3) необходимо знать константы С и К, которые находят опытным путем.
В результате дифференцирования уравнения (3) и некоторых преобразований можно получить
|
d |
|
2 |
v |
2C |
(4) |
|
|
|
|
|||
|
dv |
|
K |
K |
|
|
Уравнение (4) в координатах d /dv, v изображается прямой, тан- |
генс угла наклона которой к оси абсцисс есть 2/К, а отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат, 2С/К (рис. 1).
d |
|
|
Получив опытным путем не- |
||||
|
сколько значений d /dv и v, можно |
||||||
|
|
|
|
|
|||
dv |
v |
|
|||||
|
построить |
соответствующую |
зави- |
||||
c/м |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
симость d /dv относительно |
v и |
|
|
|
|
|
определить |
константы фильтро- |
||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
вания С и К. |
|
|
|
|
|
|
|
Константы фильтрования мо- |
||
|
|
3 |
2 |
гут быть определены и аналитиче- |
|||
|
|
|
v, м /м |
|
|
|
|
Рис. 1 |
ски. Аналитическое определение |
|
констант фильтрования заключается |
||
|
||
в решении системы двух уравнений с двумя неизвестными: |
31
v12 2Cv1 K 1 .
v22 2Cv2 K 2
Уравнения материального баланса для фильтра непрерывного или периодического действия имеют вид:
Gc Gф Goc ,
Gc xc Goc xoc ,
где Gc; Gф; GОС – расходы суспензии, фильтрата и осадка соответственно, кг/с; хс , хос – массовые доли твердой фазы в суспензии и в осадке.
В реальных процессах всегда часть вещества теряется. В этом случае уравнения имеют вид
Gc Gф Goc Gпот ,
G x G x G ,
c c oc oc пот
где G , G – потери массы суспензии и твердого вещества соответ-
пот пот
ственно, кг/с.
Схема установки и методика выполнения работы
Схема установки фильтра периодического действия изображе-
на на рис. 2. Суспензию заливают в бак 2 и перемешивают мешалкой |
|||||||||||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 до получения однородной среды. Водная |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
суспензия через кран 3 |
поступает в прием- |
|||
|
2 |
|
3 |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ный резервуар фильтра 4. Фильтрующая пе- |
|||||
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
регородка состоит из металлической решет- |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ки и слоя фильтровальной ткани, закреплен- |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ных во фланцевом соединении. Перед опы- |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
том на ткань укладывают два слоя фильтро- |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
вальной бумаги (два |
бумажных фильтра |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
к9вакуум- |
диаметром 90 мм). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Работу выполняют в следующем |
по- |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
насосу |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рядке. |
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
10 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1. Включают вакуум-насос, для |
чего |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
Рис.2 |
|
проверяют исправность вакуум-насоса, про- |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ворачивают вручную вал насоса, открывают |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
воздушник 9 ресивера 10, включают вакуум-насос.
2. Закрывая постепенно воздушник ресивера, создают по вакуумметру 8 заданное разрежение под фильтровальной перегородкой. Фильтрат собирается в приемнике 5, имеющем тарировочную шкалу.
32