книги / Процессы и аппараты химической технологии. Ч. 1

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Кафедра «Машины и аппараты производственных процессов»

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Лабораторный практикум

В двух частях

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

Часть 1

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2017

1

3

Лабораторная работа № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ

В ТРУБОПРОВОДЕ

Цель работы: определение режима движения жидкости в трубопроводе.

Сведения из теории

Режим движения текучей среды (жидкости или газа) является важной характеристикой потока, так как он определяет закономерности большинства процессов химической технологии. Изучение характера течения среды позволяет познать также механизм тепловых и массообменных процессов и создать наиболее рациональные конструкции аппаратов.

Установлено, что в зависимости от условий движения могут быть два принципиально различных режима течения – ламинарный (слоистый) и турбулентный (вихревой).

При ламинарном течении все частицы жидкости движутся по параллельным траекториям. В турбулентном течении происходят пульсации скоростей, под действием которых частицы жидкости, движущиеся в главном (осевом) направлении, получают также поперечные перемещения, приводящие к интенсивному перемешиванию потока по сечению.

Опыт показывает, что переход от ламинарного течения к турбулентному происходит тем легче, чем больше массовая скорость жидкости W ж и диаметр трубы d и меньше вязкость жидкости .

О. Рейнольдс в 1883 г. установил, что указанные величины можно объединить в безразмерный комплекс, значение которого позволяет судить о режиме течения жидкости. Этот комплекс носит название критерия Рейнольдса:

4

где W – средняя скорость потока, м/с; d – диаметр трубопровода, м; ж – плотность жидкости, кг/м3; – динамическая вязкость

жидкости, Н·с/м2.

Критерий Рейнольдса является мерой соотношения между силами вязкости и инерции в движущемся потоке.

Переход от ламинарного движения к турбулентному характеризуется критическим значением Reкр. Так, при движении жидкостей по прямым гладким трубам Reкр = 2320. Если Re < 2320, то течение ламинарное, поэтому данную область значений Re называют областью устойчивого ламинарного течения. Если Re > 2320, то чаще наблюдается турбулентный характер движения. Однако при 2320 < Re < 10000 режим течения еще неустойчиво турбулентный (эту область часто называют переходной). Лишь при Re > 10000 турбулентное течение становится развитым.

Для потоков, поперечное сечение которых не является круглым, в критерии Re в качестве линейного размера принимают эквивалентный диаметр, равный учетверенному гидравлическому радиусу.

Под гидравлическим радиусом rг понимают отношение площади S затопленного сечения трубопровода или канала, через которое протекает жидкость, к смоченному периметру П:

Следовательно, для сечений потока, не являющихся кругом, применяют эквивалентный диаметр

Описание установки

Общий вид опытной установки показан на рис. 1.1, а принципиальная схема – на рис. 1.2. Вода подается по трубопроводу в расходный бак 1, откуда по трубам 4 и 5 поступает в приемный бак 2 и затем сливается. Расход воды регулируется вентилями 7 и 8.

Для наблюдения характера движения жидкости в трубы 4 и 5 из бачка 6 подается краска. Расход краски регулируется зажимами

5

13 и 14. Расход воды определяется по шкале, нанесенной на приемном баке 2 и проградуированной в дм3 (л). Для опорожнения баков 1 и 2 служат краны 9, 10, 11 и 12. Температура воды (для нахождения ее вязкости) определяется по термометру 3.

Вход воды

Выход воды

Выход воды

Рис. 1.1

Рис. 1.2

Методика проведения опыта

Установку настраивают на ламинарный режим и определяют расход воды. Для этого закрывают краны 11, 12, 9, 10. Когда уро-

6

вень воды в приемном баке достигнет нижней отметки, включают секундомер. Когда бак заполнится до верхней отметки, останавливают секундомер и быстро открывают кран 10.

Увеличивая скорость воды в трубе, повторяют опыт в той же последовательности, переходяотламинарноготеченияктурбулентному.

Опыты проводят на квадратной 4 и круглой 5 трубах. По окончании работы все вентили, краны и зажимы закрывают, кроме кранов 9, 10, 11 и 12.

Обработка результатов опытов

По формуле (1.1) подсчитывают значения критерия Рейнольдса и полученные результаты заносят в табл. 1.1.

В каждом опыте сопоставляют рассчитанное число Рейнольдса с наблюдающимся характером течения жидкости.

Отчет включает в себя цели работы, схему установки, табл. 1.1, пример расчета числа Рейнольдса для таблицы и анализ полученных результатов.

Контрольные вопросы

1.Порядок выполнения работы.

2.Режимы движения жидкости.

3.Физический смысл критерия Рейнольдса.

4.Основные характеристики движения жидкостей.

5.Гидравлический радиус и эквивалентный диаметр.

6.Гидравлические сопротивления в трубопроводах.

7

Лабораторная работа № 2 ГИДРОДИНАМИКА ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ

Цели работы:

–получение экспериментальных зависимостей гидравлического сопротивления и степени расширения слоя от фиктивной скорости газа; определение первой критической скорости;

–теоретическое определение основных гидродинамических характеристик псевдоожиженного слоя и сравнение их с опытными значениями.

Сведения из теории

Некоторые процессы химической технологии (сушка, обжиг, адсорбция, каталитические процессы) осуществляются в аппаратах с псевдоожиженным или кипящим слоем. В таких аппаратах эти процессы значительно интенсифицируются.

Псевдоожиженный слой образуется при восходящем движении ожижающего агента (газа или жидкости) через слой зернистого материала в момент, когда перепад давлений в слое достигает величины, достаточной для поддержания зернистого материала во взвешенном состоянии.

Слой зернистого материала, пронизываемый восходящим потоком газа или жидкости, может находиться в качественно различных стационарных состояниях, что отражается на кривой псевдоожижения. Эта кривая выражает зависимость перепада давления в слое (гидравлического сопротивления) Рсл от фиктивной скорости ожижающего агента W (скорости, отнесенной к полному сечению аппарата).

На рис. 2.1 изображена кривая идеального псевдоожижения монодисперсного слоя в аппарате постоянного поперечного сечения и показано состояние слоя, соответствующее разным участкам кривой. Восходящая ветвь ОА (прямая при ламинарном течении

8

и криволинейная при других рабочих режимах) соответствует движению ожижающего агента через неподвижный слой и характеризует режим (состояние) фильтрации.

Рис. 2.1

Излом кривой в точке А соответствует переходу неподвижного слоя в псевдоожиженное состояние, а абсцисса точки А – первой критической скорости Wкр1, являющейся нижним пределом диапазона псевдоожиженного состояния. Величину Wкр1 называют также скоростью начала псевдоожижения. При этой скорости силы гидродинамического давления газового (жидкостного) потока уравновешивают вес зернистого материала в слое. Твердые частицы утрачивают взаимный контакт и получают возможность пульсационного перемещения и перемешивания. Слой становится «текучим» и приобретает некоторые другие свойства капельной жидкости. С дальнейшим увеличением скорости газа интенсивность движения частиц возрастает, слой расширяется, в нем проходят газовые пузыри, а на его свободной поверхности наблюдаются волныи всплески.

9

Псевдоожиженное состояние изображается на рис. 2.1 горизонтальным участком АВ и характеризуется постоянством гидравлического сопротивления слоя Рсл, т.е. независимостью его от скорости газа W. Это постоянство значения Рсл объясняется тем, что при повышении расхода газа и его фиктивной скорости одновременно увеличиваются объем псевдоожиженного слоя и расстояние между частицами. Вследствие этого действительная скорость газа между частицами Wд, от которой зависит сопротивление слоя, остается неизменной.

Когда скорость ожижающего агента достигает величины, при которой силы гидродинамического давления начинают превышать силу тяжести, частицы уносятся из слоя. Точка В, абсцисса которой выражает скорость начала уноса частиц Wкр2 (вторая критическая скорость, скорость витания), является верхним пределом псевдоожиженного состояния.

При скоростях ожижающего агента, превышающих Wкр2, слой разрушается, и двухфазная система переходит в состояние пневмотранспорта (массового уноса частиц). При этом количество твердой фазы в слое падает, уменьшается энергия, необходимая для поддержания частиц во взвешенном состоянии, и гидравлическое сопротивление слоя понижается (кривая ВС).

Действительная картина псевдоожижения (рис. 2.2) несколько отличается от идеальной. Для реальной кривой прежде всего характерно наличие пика давления Р0 при первичном псевдоожижении. Это связано с преодолением сил сцепления между частицами неподвижного слоя. Кроме того, реальная кривая псевдоожижения обнаруживает гистерезис: линии прямого 1 и обратного 2 хода (полученные соответственно при постепенном увеличении

иуменьшении скорости газа) вблизи точки А не совпадают (см. рис. 2.2). На линии обратного хода пик давления отсутствует,

иона располагается ниже линии прямого хода вследствие более рыхлой упаковки слоя после первичного псевдоожижения. При

повторном псевдоожижении Рсл возрастает уже по линии 2. Разница между линиями 1 и 2 обычно не превышает 5–10 %.

10