Процессы и аппараты химической технологии: Практикум для студентов химического факультета

Федеральное агентство по образованию Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского

УДК 66.01 ББК 35.11 П 845 Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом ОмГУ Рецензенты: д-р техн. наук, профессор кафедры неорганической химии ОмГУ Л.Н. Адеева; канд. техн. наук, и.о. зав. лаборатории Института проблем переработки углеводородов СО РАН В.П. Доронин

П 845

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ Практикум для студентов химического факультета специальности 240403.65 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов»

Процессы и аппараты химической технологии: практикум для студентов химического факультета специальности 240403.65 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов» / сост. В.Н. Носенко, О.А. Реутова, А.А. Дюсембаева. – Омск: Изд-во ОмГУ, 2006. – 100 с. ISBN 5-7779-0691-5 Представлены лабораторные работы по гидродинамическим, тепловым и массообменным процессам. Раскрывается последовательность приемов и методов, обеспечивающих выполнение лабораторных работ. Содержатся теоретические основы по каждому процессу, описание техники выполнения работы, необходимые справочные материалы, расчетные задания, формы представления результатов работы, контрольные вопросы, а также варианты контрольных работ. Для студентов химического факультета специальности 240403.65 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов». УДК 66.01 ББК 35.11

Изд-во ОмГУ

Омск 2006

© Омский госуниверситет, 2006

ISBN 5-7779-0691-5 2

ПРЕДИСЛОВИЕ Предлагаемый практикум впервые издается на химическом факультете ОмГУ для студентов специальности «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов». Материал разработан в соответствии с требованиями государственного стандарта и нового учебного плана ОмГУ. В работе представлено описание девяти лабораторных работ, рассматривающих практические приложения процессов и аппаратов химической технологии по гидродинамическим, тепловым и массообменным процессам, с учетом технической оснащенности лаборатории ОмГУ. Особенностью представляемого пособия является объединение в рамках одного издания теоретического материала, где четко изложены необходимые сведения, указаний к лабораторным работам, многовариантных расчетных задач, а также необходимого справочного материала. Каждая работа содержит перечень контрольных вопросов, позволяющих связать теоретическую часть курса с выполняемым экспериментальным исследованием. Во всех случаях предложены расчеты, позволяющие обосновать и уточнить методику выполнения работы. Следует отметить максимальную простоту и наглядность экспериментальных схем. В то же время установки, предлагаемые в работах, приспособлены для опытов при различных режимах. Это необходимо для всестороннего изучения процесса и проведения технологических испытаний аппаратуры. Таким образом, практикум позволит ознакомить студентов с главнейшими типами аппаратов химической технологии (насосами, теплообменниками, ректификационными колоннами, абсорберами и т. п.), их устройством, принципом действия, причинами, обусловившими их форму и материал. Лабораторный практикум по процессам и аппаратам химической технологии выполняется студентами очной и очно-заочной форм обучения специальности 240403.65 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов». В университетах этот предмет изучают студенты III и IV курсов в течение двух семестров. Первая часть пособия, посвященная гидродинами-

3

ческим и тепловым процессам, используется в VI семестре, вторая часть, посвященная массообменным процессам, – в VII семестре. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ Приступая к работе в лаборатории, студенты обязаны ознакомиться с инструкцией по технике безопасности. Каждый работающий в химической лаборатории должен иметь халат из хлопчатобумажной ткани. 1. Все электроведущие части электроприборов должны быть исправны и заземлены. Нельзя касаться токоведущих частей электроприборов голыми руками. Включать электроприборы можно только на напряжение, указанное на приборе. Перед включением электроприбора следует проверить состояние проводки и контактов. При включении прибора вилка в розетку должна вставляться плотно, регуляторы напряжения перед включением и выключением прибора должны быть поставлены на нуль. 2. Запрещается устранять неисправности электрооборудования и подключать новые электроприборы без электрика. Необходимо помнить, что электрический ток силой 0,05 А уже опасен, а ток силой 0,1 А и выше – смертелен! 3. Многие химические вещества – бензол, эфир, метиловый спирт, нитробензол и другие – обладают токсическими свойствами. В лаборатории должна работать приточно-вытяжная вентиляция. В случае временного выключения вентиляции все работающие должны быть предупреждены; работы, связанные с выделением вредных паров и газов, необходимо прекратить. 4. При работе с концентрированными кислотами и щелочами следует надеть резиновые перчатки и защитные очки. При ожогах кислотами и щелочами надо промыть обожженное место проточной водой, а затем – раствором бикарбоната натрия или борной кислоты. 5. Химические ожоги могут быть вызваны такими агрессивными веществами, как бром, фенол, оксид кальция, йод и др. При ожогах бромом или фенолом следует промыть пораженное место несколькими порциями спирта и смазать мазью от ожогов. В случае попадания паров брома или хлора в легкие следует подышать парами нашатырного спирта. 4

6. Металлический натрий и калий обладают высокой реакционной способностью: при соприкосновении с водой они разлагают ее со взрывом выделяющегося водорода. Хранят натрий и калий под слоем керосина. 7. Легковоспламеняющиеся (ЛВЖ) и горючие жидкости должны храниться в тонкостенных банках с притертыми пробками в металлических шкафах. ЛВЖ могут находиться на рабочем месте лишь в количествах, необходимых для работы. Все работы с ЛВЖ следует проводить в вытяжном шкафу при включенной вентиляции. 8. Все работы с ртутью можно проводить только на поддонах. Ртуть хранится под слоем воды. 9. При термических ожогах первой степени к обожженному участку кожи следует приложить тампон из ваты или марли, обильно смоченный спиртом. При тяжелых ожогах на пораженное место надо наложить стерильную повязку, а затем обратиться за врачебной помощью. 10. При любой перегонке аппаратура должна быть собрана герметично. Необходимо следить за непрерывным поступлением в холодильник проточной воды. 11. Перед окончанием работы уходящий последним обязан проверить отключение воды и электроэнергии на каждом рабочем месте и в вытяжных шкафах.

• подогревать и кипятить летучие и огнеопасные жидкости на открытом огне; нагревание их необходимо проводить только на водяной или песчаной бане или на закрытой плитке; • огнеопасные жидкости даже в небольшом количестве ставить вблизи нагревательных приборов; • засасывать вызывающие химические ожоги жидкости в пипетки без специальных приспособлений (груш); • проводить любые работы, связанные с нагреванием металлической ртути; • выбрасывать остатки ртути и натрия в мусорные ящики. В случае возгорания: • при воспламенении ЛВЖ необходимо в первую очередь выключить электроприбор и тушить пламя имеющимися в наличии противопожарными средствами (кошма, асбестовое одеяло, песок); • при загорании аппаратов с применением электрообогрева необходимо пользоваться углекислотными огнетушителями.

Запрещается! • работать в химической лаборатории одному; • держать на лабораторных столах портфели, сумки и другие посторонние предметы; • принимать и хранить пищу, а также курить; • выливать в раковины какие-либо вещества (органические и неорганические); их можно выливать только в специально отведенную химическую посуду, находящуюся под вытяжным шкафом; • подогревать обводненные продукты выше 70–80 °С. Перед анализом, связанным с подогревом, нефтепродукты должны быть обезвожены; 5

6

Лабораторная работа № 1 РЕЖИМЫ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ Цель работы: Провести визуальное наблюдение за характером течения жидкости и переходом его из одного режима в другой. Определить критические значения чисел Рейнольдса (Re). Установить зависимость между потерей давления на трение и средней скоростью движения потока. Основные определения и теория процесса Экспериментальные исследования закономерностей течения жидкостей в каналах разной формы позволили установить качественные различия в структуре потока в зависимости от условий движения. При сравнительно малых скоростях потока в трубах наблюдается упорядоченный характер течения одних слоев относительно других. Такое упорядоченное движение без перемешивания между слоями называется ламинарным, или струйным. При ламинарном режиме профиль скорости в потоке является параболическим и может быть найден теоретически. Средняя скорость жидкости по сечению равна половине максимальной на оси потока: wср = wmax / 2. На практике чаще встречаются потоки, в которых происходит интенсивное перемешивание среды, обусловленное мгновенным изменением скорости частиц. Такое движение называется турбулентным, или вихревым. Турбулентное движение в ядре потока всегда сопровождается ламинарным у стенки, и средняя скорость по сечению не равна половине максимальной. В турбулентном режиме отношение wср/wmax является функцией критерия Рейнольдса. Критерий Рейнольдса используется для количественной оценки характера течений вязких жидкостей и газов Re = wсрd/ν. Он характеризует соотношение между силами инерции и силами внутреннего трения. Силы инерции определяются скоростью потока и его размерами, силы внутреннего трения – вязкостью потока. Отсюда сле7

дует, что турбулентное течение свойственно потокам, обладающим развитыми силами инерции, а ламинарное – характерно для потоков, в которых силы внутреннего трения преобладают над силами инерции. Значения критерия Рейнольдса, соответствующие переходу из одного гидродинамического режима в другой, называются критическими Reкр. Необходимость изучения режимов течения и определения числа Reкр вызвана тем, что при переходе из одного режима в другой поток претерпевает качественные и количественные изменения. В результате этого изменяются характеристики гидравлического сопротивления и тепломассообмена. Всем режимам течения соответствуют два критических значения Reкр. Экспериментально установлено, что для течения в круглых гладких трубах среднестатистические значения Reкр приблизительно равны 2300 и 104. При Reкр ≈ 2300 происходит смена ламинарного режима, а при Reкр ≈ 104 наступает развитый турбулентный режим. Область 2300 < Re < 104 соответствует переходному режиму, в котором поток обладает одновременно свойствами ламинарного и турбулентного течения. Необходимо отметить, что в конкретных условиях, зависящих от многих причин, значения Reкр могут отличаться от указанных. Так, в опытах удалось затянуть наступление турбулентного режима вплоть до Reкр = 105 путем закругления входной кромки трубы, уменьшения внешних возмущений и другими способами. При этом небольшое внешнее возмущение способствовало резкой смене режима. Следовательно, течение при таких значениях числа Рейнольдса является неустойчивым и должно смениться более устойчивой формой. Для змеевиков значение Reкр повышается в зависимости от отношения диаметра d трубы к диаметру D змеевика (d/D) и может достигать 7000÷8000. Существование различных режимов течения и закономерности перехода из одного в другой можно наблюдать, если изменять расход жидкости в прозрачной горизонтальной трубе и по ее оси вводить тонкую струйку окрашенной жидкости. 8

При транспортировке жидких сред в химической технологии одной их важных задач является определение потерь давления в трубопроводах и аппаратах, вызываемых вязкостным трением. Потери давления в круглых трубах рассчитываются по формуле Дарси–Вейсбаха: 2

l ρ wс р , ∆P = λ d 2

В переходном режиме коэффициент трения λ находится из графической зависимости (см. Приложение, рис. 1.3). Если представить зависимость ∆P от средней скорости потока в логарифмических координатах, то точки на рис. 1.1, в которых меняется угол наклона прямой, будут соответствовать критическим значениям Reкр, т. е. переходу одного режима течения в другой.

(1.1) Описание установки

где λ – коэффициент трения; l – длина трубы, м; d – диаметр трубы, м; ρ – плотность среды, кг/м3; wср – средняя скорость потока в сечении, м/с. Комплекс величин λ·l/d показывает, во сколько раз потери давления на трение отличаются от потерь динамического давления. Гидравлическое сопротивление на трение зависит от режима течения. Для ламинарного течения жидкости в трубах круглого сечения справедлива зависимость: λ = 64 / Re. (1.2) В этих условиях величина коэффициента трения обратно пропорциональна числу Рейнольдса и не зависит от шероховатости стенок. При течении жидкости в lg ∆P трубах некруглого сечения (квадратных, кольцевых и др.) коэффициент в формуле (1.2) имеет другие I II III значения, а число Re вычисляется по эквивалентному диаметру канала. В переходном и турбулентном режимах течения λ зависит не только от числа Re, но и от шероховатости стенок. Для определения λ в этих условиях предложено большое число полуэмпирических и эмпириlg Wкр lg W ческих формул. Для Re = 104÷105 и гладких труб широкое распростраРис. 1.1. Зависимость ∆P нение получила формула Блазиуса: от средней скорости течения: λ = 0,316 / Re0,25, (1.3) I – ламинарный, II – переходный, соответствующая степенному расIII – турбулентный режимы пределению профиля скорости.

Вода из водопроводной сети через вентиль 1 подается в напорный бак 6, в котором благодаря наличию сливного штуцера 2 поддерживается ее постоянный уровень. Из напорного бака вода по стеклянной трубке 7 (d = 14х1 мм) поступает в мерный сосуд 8, находящийся в приемном сосуде 10. Расход воды через трубку регулируется концевыми игольчатыми вентилями. Для визуального наблюдения структуры потока в трубке 7 из бачка 4 при помощи капиллярных трубок вводит-

9

10

Основными узлами установки (рис. 1.2) являются стеклянная трубка 7, в которой исследуется режим течения жидкости, напорный бак 6, бачок с красителем 4, мерный сосуд 8, вентиль 9 и кран 5.

Рис. 1.2. Схема установки для изучения режимов течения жидкости и сопротивления трения

ся разведенный краситель. Расход красителя регулируется краном 5, и скорость истечения красителя согласуется со скоростью самого потока. Температура воды измеряется термометром 3.

Reкр.

Укажите температуру воды (t), oC и вязкость воды (µ) , Па·с.

Порядок выполнения работы 1. Открыть водопроводный вентиль 1 и наполнить напорный бак 6 до уровня сливного штуцера 2. 2. Открыть концевой вентиль 9, добиваясь минимального расхода воды, и при помощи крана 5 подать краситель. 3. Регулируя подачу красителя, добиться четкого очертания подкрашенной струйки, что соответствует ламинарному режиму. 4. Увеличив затем расход воды, наблюдать разрушение ламинарного режима и его переход в турбулентный. В каждом из установившихся режимов замеряют расход и температуру воды. Провести 12–15 замеров, причем закончить замеры при развитом турбулентном движении. Расход воды определить объемным методом с помощью мерного сосуда 8 и секундомера. Обработка результатов измерений и содержание отчета 1. Среднюю скорость движения воды в стеклянной трубке определить по уравнению расхода: (1.4) V = wс р F , где V – расход воды, м3/с; F – площадь сечения стеклянной трубки, м2. 2. Рассчитать по формулам (1.2, 1.3) или найти по графику (см. Приложение, рис. 1.3) коэффициенты трения λ; рассчитать потери напора ∆P по формуле (1.1). 3. Показать зависимость потери напора от средней скорости движения ∆P = f (wср) в логарифмических координатах и определить точки перехода из одного режима в другой.

– график зависимости lg ∆P = f(lg wср) и найденные значения

Таблица 1.1 Объем V, м3

Время τ , сек

Расход V, м3/с

Скорость w , м/c

Re

Наблюдаемый Коэфф-т режим трения λ потока

Потери давления ∆P (Па)

Контрольные вопросы 1. Основные режимы течения жидкости. Характер движения потоков. 2. Как определить среднюю скорость потока, движущегося ламинарно? 3. Каково соотношение между средней и максимальной скоростями потока при турбулентном течении? 4. Что такое критерий Рейнольдса? Каков его физический смысл? 5. Каковы критические значения Re в зависимости от типа трубопровода (труба, змеевик)? 6. Как изменяется характер движения жидкости: – при замене воды на глицерин/воздух; – при повышении/понижении температуры потока; – при изменении диаметра трубы. 7. Эквивалентный диаметр, его расчет для сечений неправильной формы (квадрат, прямоугольник, кольцо). Рекомендуемая литература

Отчет о работе должен включать: – цель и описание работы; схему установки; – таблицу измеренных и рассчитанных величин (табл.1.1); – пример расчета величин Re, λ, ∆P (коэффициенты динамической вязкости и плотности воды в зависимости от температуры даны в табл. 1.2);

1. Рейнольдс А.Дж. Турбулентные течения в инженерных приложениях: Пер. с англ. М.: Энергия, 1979. 2. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Химия, 1974.

11

12

Таблица 1.2

Приложение к лабораторной работе № 1

Физические свойства воды (на линии насыщения) t, ρ, o C кг/м3 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

Рис. 1.3. Зависимость коэффициента трения λ от критерия Re: A – гладкие и шероховатые трубы; Б – гладкие трубы (медь, латунь, свинец, стекло); В – шероховатые трубы (сталь, чугун)

13

1000 1000 998 996 992 988 983 978 972 965 958 951 943 935 926 917 907 897 887

с, кДж/ (кг⋅К) 4,23 4,19 4.19 4,18 4,18 4,18 4,18 4,19 4,19 4,19 4,23 4,23 4,23 4,27 4,27 4,32 4,36 4,40 4,44

λ⋅102, Вт/ (м⋅К) 55,1 57,5 59,9 61,8 63,4 64,8 65,9 66,8 67,5 68,0 68,3 68,5 68,6 68,6 68,5 68,4 68,3 67,9 67,5

а⋅107, µ⋅106, м2/с Па⋅с

ν⋅106, β⋅104, σ⋅104,

1,31 1,37 1,43 1,49 1,53 1,57 1,61 1,63 1,66 1,68 1,69 1,69 1,72 1,72 1,72 1,72 1,72 1,72 1,72

1,79 - 0,63 1,31 +0,70 1,01 1,82 0,81 3,21 0,66 3,87 0,556 4,49 0,478 5,11 0,415 5,70 0,365 6,32 0,326 6,95 0,295 7,5 0,268 8,0 0,244 8,6 0,226 9,2 0,212 9,7 0,202 10,3 0,191 10,8 0,181 11,5 0,173 12,2

1790 1310 1000 804 657 549 470 406 355 315 282 256 231 212 196 185 174 163 153

м2/с

К-1

кг/с2

Pr

756 762 727 712 697 677 662 643 626 607 589 569 549 529 507 487 466 444 424

13,7 9,52 7,02 5,42 4,31 3,54 2,98 2,55 2,21 1,95 1,75 1,58 1,43 1,32 1,23 1,17 1,10 1,05 1,01

Принятые обозначения: t, oC – температура; ρ, кг/м3 – плотность; с, кДж/(кг⋅К) – удельная теплоемкость; λ⋅102, Вт/(м⋅К) – коэффициент теплопроводности; а⋅107, м2/с – коэффициент диффузии; µ⋅106, Па⋅с – динамическая вязкость; ν⋅106, м2/с – кинематическая вязкость; β⋅104, К -- 1 – коэффициент объемного расширения потока; σ⋅104, кг/с2 – поверхностное натяжение; Pr – критерий Прандтля.

14

Лабораторная работа № 2 ГИДРОДИНАМИКА ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА Цель работы: Экспериментально определить скорость начала псевдоожижения и витания частиц при стесненных условиях в потоке воздуха и сопоставить их с рассчитанными значениями. Проследить условия перехода зернистого слоя из неподвижного состояния во взвешенное и в режим пневмотранспорта. Основные определения и теория процесса В настоящее время ряд процессов химической технологии, при которых происходит взаимодействие газа или жидкости с высокодисперсным твердым материалом (сушка, обжиг, адсорбция, каталитические процессы), осуществляют в аппаратах с так называемым взвешенным (псевдоожиженным), или кипящим слоем. В таких аппаратах указанные процессы существенно интенсифицируются. Если через неподвижный слой твердых частиц, лежащих на решетке, пропускать снизу вверх поток газа или жидкости и при этом постепенно увеличивать его скорость, то при некоторой скорости среды, называемой критической (Wкр), весь слой твердых частиц переходит во взвешенное состояние. При дальнейшем повышении скорости среды в аппарате объем взвешенного слоя возрастает. Такой расширившийся взвешенный слой, в котором происходит интенсивное перемешивание твердых частиц, во многом напоминает кипящую жидкость – он «течет», принимает форму сосуда, через него пробулькивают пузыри газа; поэтому его часто и называют кипящим или псевдоожиженным слоем. На одиночную твердую частицу в направленном вверх потоке газа или жидкости действуют (рис. 2.1) сила тяжести G, подъемная (архимедова) сила A и сила динамического (скоростного) давления потока P.

15

Для сферической частицы диаметром d (м) эти силы вычисляются по следующим формулам: π d3 (2.1) ρ g; G= 6 r

A=

π d3 6

ρc g ;

P = ψ W 2ρ c d 2 .

(2.2) (2.3)

Здесь ρr и ρс – плотности частицы и среды, кг/м ; W – скорость потока (среды), м/с; ψ – безразмерный коэффициент, зависящий от режима течения среды; g – ускорение свободного падения, м/c2. Если G-A>P, то частица опускается вниз; если G-A
3

Как видно из рис. 2.3, в области существования взвешенного слоя, начиная от критической скорости газа Wкр до скорости уноса Wун, значение ∆pсл будет постоянным. Когда все частицы слоя перешли во взвешенное состояние, давление газа перед слоем должно уравновешивать вес частиц, приходящихся на единицу площади поперечного сечения аппарата f. Отсюда (2.5) ∆ p = G сл f , сл

где Gсл – вес всех частиц слоя, Н. Рис. 2.3. Зависимость гидравлического сопротивления слоя от фиктивной скорости газа

Рис. 2.1. Силы, действующие на твердую частицу в направленном вверх потоке

Рис. 2.2. Измерение гидравлического сопротивления слоя: 1 – решетка; 2 – слой твердых частиц

17

Из уравнения (2.2) видно, что для взвешенного слоя потеря давления ∆pсл постоянна, т. е. не зависит от скорости газа Wф. Это постоянство значения ∆pсл объясняется тем, что при повышении расхода газа и его фиктивной скорости Wф происходит одновременное увеличение объема взвешенного слоя и расстояния между частицами. Вследствие этого действительная скорость газа W между частицами, от которой зависит сопротивление слоя, остается неизменной. Важнейшей характеристикой слоя твердых частиц как неподвижного, так и взвешенного является порозность ε – объемная доля газа в слое: ε = (V сл − V r ) V сл = 1 − V r V сл , (2.6) 3 где Vсл – общий объем, занимаемый слоем, м ; Vr – объем, занимаемый только твердыми частицами. Для неподвижного слоя сферических частиц одинакового диаметра порозность ε составляет приблизительно 0,4 независимо от диаметра частиц. Для взвешенного слоя порозность ε с увеличением расхода газа будет повышаться, так как объем взвешенного слоя Vсл при этом возрастает. При скорости уноса Wун, предельной для взвешенного слоя, можно считать, что Vсл » Vr и ε ≥ 1. Таким образом, взвешенный слой шаровых частиц одинакового диаметра может существовать в пределах от ε = 0,4 (Wф = Wкр) до ε = 1 (Wф= Wвит). 18

Для расчета аппаратов со взвешенным слоем необходимы расчетные уравнения, устанавливающие зависимость между физическими свойствами газа и твердых частиц, скоростью газа и порозностью слоя ε. Такие эмпирические уравнения удобно представлять в виде зависимостей между обобщенными безразмерными переменными, так называемыми критериями подобия, которые включают все физические величины, оказывающие влияние на рассматриваемый процесс. В гидравлике взвешенного слоя очень удобной для расчетов и наглядной является графическая зависимость между критериями Лященко Ly и Архимеда Ar: (2.7) L y = f ( A r ,ε ) , W фρ с 3

Ly =

2

µ с ( ρ r − ρ с) g

Ar =

,

(

)

µc 2

(сr)

Ar = d 3r ρс ρr g µ 2c .

Ar , = 1400 + 5,22 Ar

Ar , Re вит = 18 + 0,61 Ar

( d э ρc) ,

(2.10) (2.11) (2.12)

где dr – диаметр частицы, м; µС – динамический коэффициент вязкости среды, Па·с; dэ – диаметр аппарата, м. 19

4

1

5

в атм 2 3 6

воздух

(2.9)

В инженерной практике важно установить область существования псевдоожиженного слоя в пределах Wкр÷Wун. Для этого необходимо найти величины Wкр и Wвит, которые рассчитываются по формулам Тодеса:

W вит = Reвит ⋅ µ с

Установка для изучения гидродинамики псевдоожиженного слоя (рис. 2.4) состоит из прозрачной стеклянной колонки 1 (d=20х1мм), в которой на опорную решетку насыпан слой зернистого материала. За колонкой установлена склянка 6 для улавливания частиц в режиме пневмотранспорта. Установка оборудована воздуходувкой 3, ротаметром 4 для определения расхода воздуха и дифференциальным манометром 2 для измерения перепада давления по колонке. Подача воздуха в колонку регулируется вентилем 5.

3 d rρс ρ r − ρс g

при значениях ε от 0,4 до 1, соответствующих области существования взвешенного слоя шаровых частиц диаметром dr (см. Приложение, рис. 2.5). Если среда – газ, то ρr » ρс и выражения для критериев упрощаются: (2.8) Ly = W 3ф ρс2 µ ρ g ,

Re к р

Описание установки

Рис. 2.4. Схема установки для изучения гидродинамики псевдоожиженного слоя

Порядок выполнения работы, обработка результатов измерений и содержание отчета 1. При заданных расходах воздуха, устанавливаемых вентилем 5 через 0,5 деления шкалы ротаметра 4, измерить перепад давления по колонке 1. Расход воздуха пересчитать по графику (рис. 2.6). 2. Полученные данные занести в табл. 2.1 и построить зависимость ∆ p = f(WФ).

20

Таблица 2.1 Расход № воздуха V, п/п м3/с

Скорость воздуха в колонке, м/с

Наблюдаемый режим

Перепад давления в колонке, мм вод.ст./Па

3. По построенному графику определить Wкр, рассчитать Lyкр по формуле (2.7), по графической зависимости Ly от Ar и ε (см. Приложение, рис. 2.5) определить Ar при ε = 0,4 и рассчитать диаметр частиц по формуле (2.7), принимая ρr = 1,8 г/см3. Необходимые для расчетов значения плотности и вязкости воздуха приведены в Приложении (табл. 2.3). 4. Рассчитать скорость уноса частиц данного диаметра по значению Ly при ε = 1. Определить вес частиц в слое. 5. Установить визуально (3–4 раза) режим витания и начало уноса, замерить при этом расход воздуха и перепад давления в слое. 6. После усреднения расхода воздуха, соответствующего началу уноса частиц, по уравнению расхода рассчитать среднюю скорость витания Wвит.эксп. и Reвит.эксп.. Из зависимости (2.11) рассчитать Reвит.расч. (критерий Ar определен ранее в п. 3). 7. По соотношению

Wвит. эксп. Reвит. эксп. = , найти Wвит.расч. и Wвит. расч. Reвит. расч.

сравнить Wвит.. 8. Полученные данные свести в таблицу 2.2. Таблица 2.2 № Определяемые параметры п/п 1 Диаметр частиц d, мм 2 Критическая скорость псевдоожижения Wкр, м/с: – для воздуха; – для дымовых газов 3 Скорость витания экспериментальная Wвит.эксп, м/с 4 Скорость витания расчетная Wвит.расч, м/с: – для воздуха; – для дымовых газов 5 Вес частиц в слое G, Н

21

Значения

Отчет о работе должен содержать цель и порядок выполнения работы; схему установки, пример расчета значений Wкр и Wвит, графики и таблицы экспериментальных и рассчитанных величин (табл. 2.1, 2.2). Контрольные вопросы 1. Какие силы действуют на твердую частицу в потоке газа или жидкости? 2. Что такое скорость витания и от чего она зависит? 3. Чем отличаются друг от друга фиктивная, действительная и критические скорости газов? 4. Что такое порозность слоя? В каких пределах изменяется порозность взвешенного слоя? 5. Как изменяется с возрастанием фиктивной скорости газа его действительная скорость в неподвижном и взвешенном слоях? 6. Какой характер имеет зависимость порозности слоя от расхода газа? 7. От чего зависят значения критической скорости и скорости уноса? 8. Почему с увеличением фиктивной скорости воздуха гидравлическое сопротивление неподвижного слоя растет, а взвешенного слоя остается постоянным? 9. Как влияет размер частиц на порозность слоя? 10. Как рассчитать гидравлическое сопротивление взвешенного слоя, зная вес неподвижного слоя? 11. Назовите основные преимущества взвешенного (псевдоожиженного) слоя для организации технологических процессов. Рекомендуемая литература 1. Дэвидсон Дж., Харрисон Д. Псевдоожижение: Пер. с англ. М.: Химия, 1973. 2. Псевдоожижение / Под ред. В.Г. Айнштейна, А.П. Баскакова. М.: Химия, 1991.

22

Приложение к лабораторной работе № 2

Ly

Таблица 2.3 Физические свойства сухого воздуха при атмосферном давлении t, C

ρ, кг/м3

с, кДж/кг⋅К

λ⋅102, Вт/м⋅К

µ⋅106, Па⋅с

ν⋅106, м2/с

Pr

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 130 140 160

1,293 1,247 1,205 1,165 1,128 1,093 1,060 1,029 1,000 0,972 0,946 0,898 0,854 0,815

1,005 1,005 1,005 1,005 1,005 1,005 1,005 1,009 1,009 1,009 1,009 1,009 1,013 1,017

2,44 2,51 2,59 2,67 2,76 2,83 2,89 2,96 3,05 3,13 3,21 3,34 3,49 3,64

17,17 17,66 18,15 18,64 19,13 19,62 20,11 20,60 21,09 21,48 21,88 22,86 23,74 24,52

13,28 14,16 15,06 16,00 16,96 17,95 18,97 20,02 21,09 22,10 23,13 25,45 27,80 30,00

0,707 0,705 0,703 0,701 0,699 0,698 0,696 0,694 0,692 0,690 0,688 0,686 0,684 0,682

o

Условные обозначения: см. Приложение к лабораторной работе № 1.

Рис. 2.5. Зависимость критерия Ly от критерия Ar и порозности ε слоя

23

24

Лабораторная работа № 3 АНАЛИЗ СЫПУЧЕГО ЗЕРНИСТОГО МАТЕРИАЛА (КАТАЛИЗАТОРА, АДСОРБЕНТА)

Цель работы: Экспериментально определить плотность, пористость и дисперсность зернистого материала. Рассчитать порозность неподвижного слоя и скорость начала псевдоожижения в потоке газа. Основные определения и теория процесса

Рис. 2.6. График определения величины расхода

25

К наиболее важным физическим свойствам катализаторов (адсорбентов) относятся размер частицы, плотность, механическая прочность, удельная поверхность и внутренняя поровая структура. Сыпучие материалы в зависимости от размеров d частиц можно разделить на пять групп: 1) кусковые – более 10 мм; 2) крупнозернистые – 2÷10 мм; 3) мелкозернистые – 0,5÷2 мм; 4) порошкообразные – 0,05÷0,5 мм; 5) пылевидные – 0,05 мм. Важнейшей характеристикой сыпучих материалов является дисперсность (1/d). Дисперсность определяет технологические свойства сыпучего материала и может быть выражена функцией распределения частиц (зерен) по крупности или удельной поверхностью частиц (удельной поверхностью называют отношение площади поверхности частиц к их объему или массе). Так, дисперсный состав цемента определяет его прочность при твердении; размер частиц характеризует кроющую способность лаков и красок; по значению удельной поверхности судят об активности катализаторов. Измерение крупности частиц сыпучих материалов является одним из важнейших методов производственного контроля процессов, особенно связанных с использованием порошкообразных и пылевидных продуктов. В промышленной практике принято характеризовать сыпучий материал по составу следующим образом: – распределением его частиц по размерам, определяемым ситовым анализом; – средним значением удельной поверхности частиц. Ситовой анализ. Пробу измельченного сыпучего материала можно разделить на несколько фракций, просеяв навеску через 26

набор различных сит. Число фракций не должно быть менее 5 и более 20. Размеры частиц получаемых фракций ограничены размерами отверстий сита. Под размерами сита обычно понимают длину стороны квадратной ячейки, образуемой переплетением ткани или сетки. Нижняя граница размеров ячеек сит по ГОСТ 3584-73 составляет около 40 мкм. Самые тонкие сита могут быть использованы только для анализа хорошо просеивающихся (не слипающихся) порошков. Отношение размера ячеек сита к размеру отверстия последующего, более мелкого сита является постоянной величиной и называется модулем набора сит. Отношение суммарной площади отверстий к общей поверхности сита также остается постоянным и равным 36 % для всего ряда сит. Полный ситовой анализ для определения степени дисперсности при машинном рассеве проводят в следующем порядке. Анализируемую пробу помещают на сито с наибольшими размерами ячеек в используемом наборе. Материал, прошедший через сито (так называемый «проход»), падает на следующее, более тонкое сито, и так до последнего, самого тонкого. Обычно при рассеве сита ставят друг над другом и разделяют пробу на фракции за одну операцию. Результаты ситового анализа представляют графически в виде дифференциальной кривой распределения, показывающей массовую долю отдельных фракций в материале, либо в виде интегральной (или кумулятивной) кривой распределения, изображающей суммарную массовую долю всех фракций меньше (или больше) данного размера (рис. 3.1). Фракция, представленная на графике точкой, соответствует среднему размеру зерен в ней, определенному как среднее арифметическое между размерами отверстий двух соседних сит (через одно отверстие фракция прошла, на другом задержалась). Средний размер частиц рекомендуется выражать через средневзвешенный диаметр dср, определяемый по аддитивности из соотношения: dср = m1d1 + m2d2 + ... + mndn = ∑ midi, (3.1) где m1, m2, ..., mn – массовая доля каждой фракции в пробе дисперсного материала; d1, d2, ..., dn – средний размер частиц данных фракций; i – число фракций. 27

Массовая 30 доля фракции, %

а)

б)

100

20

60

\ 1

20

2 /

10

0

1,0

0

2,0

1,0

2,0

Размер частиц по фракциям, мм

Рис. 3.1. Результаты ситового анализа: а) дифференциальная кривая распределения; б) интегральные кривые распределения: 1 – проход; 2 – остаток на сите

Характеристикой однородности состава дисперсного материала служит коэффициент отклонения Ro, определяемый следующим образом. Из размера отверстий сита d84, отвечающего массовой доле 84 % на интегральной кривой прохода, вычитают размер отверстия d16, соответствующий массовой доле 16 % на этой же кривой; полученную разность делят на удвоенный диаметр d50 и умножают на 100: d 84 − d 16 ⋅100 (3.2) Ro = 2 d 50 Таким образом, при определении Ro из общей массы анализируемого материала (навески) отбрасывают 16 % наиболее крупных и наиболее мелких фракций и в расчет принимают только оставшиеся 2/3 сыпучего материала. Чем меньше коэффициент Ro, тем однороднее продукт. Примером сыпучего зернистого материала является шариковый катализатор крекинга. Обычно катализаторы состоят из частиц различной формы, размера, плотности. Для учета этих особенностей катализаторы, состоящие из пористых зерен, принято характеризовать тремя показателями: насыпной, кажущейся и истинной плотностями. Понятие насыпная плотность ρн введено для характеристики слоя катализатора. Она определяется как общая масса частиц в объеме 28

слоя, состоящего из объема материала катализатора, объема пор внутри частиц и свободного объема между частицами в слое: ρн = m/Vk , (3.3) где m – масса частиц в пробе катализатора, г; Vk – объем пробы (слоя), см3. Из сказанного следует, что: (3.4) Vk = VM + VП + VC , где VM – объем материала катализатора; VП – объем пор частиц; VC – свободный объем между частицами в слое. В случае определения насыпной плотности большое значение имеет порозность слоя катализатора (отношение объема пустот между частицами к объему слоя): ε = VC /Vk. (3.5) Порозность слоя и насыпная плотность связаны зависимостью: ε = 1 – ρн /ρk. (3.6) Кажущаяся плотность катализатора представляет собой отношение массы пробы к объему, занимаемому только самими частицами. В этом случае объем пустот между частицами не учитывается:

m . V П +V M

плотного материала без учета пустот между частицами в слое и внутри частиц: ρ ис = m /VМ. (3.10) Истинную плотность применяют для характеристики материала, из которого приготовлен катализатор. Несложными преобразованиями приведенных формул можно вывести следующую зависимость между плотностями: ρ н = ρ к(1 – ε) (3.11) или ρ н = ρ ис(1 – ε)(1 – α). (3.12) Видно, что для катализаторов, изготовленных из одного и того же материала, насыпная плотность может одновременно служить характеристикой состояния слоя и пористости частиц, поэтому она находит наибольшее применение. Ее легко определить опытным путем. На результатах определения плотностей катализаторов может существенно отразиться обычная неоднородность размеров, поровой структуры и других свойств частиц, поэтому необходимо строго соблюдать правила отбора проб. Порядок выполнения работы

Пористость катализатора и его кажущаяся плотность связаны зависимостью: (3.9) α = 1 − ρ k ρ ис , где ρ ис – истинная плотность. Истинной плотностью катализатора называется масса единицы объема плотного материала, не содержащего пор. Она определяется как отношение массы пробы катализатора к объему

Ситовой анализ. Навеску катализатора (100 г) поместить на верхнее (самое крупное) сито, закрыть крышкой и просеять через набор сит в течение 10–15 мин. После окончания просева каждую фракцию с соответствующего сита взвесить на технических весах с точностью до 0,01 г и данные занести в отчетную таблицу. Суммарная масса всех фракций не должна отклоняться от массы исходной навески, взятой для анализа, более чем на 2 %. Определение насыпной плотности. Поместить катализатор в предварительно взвешенный с точностью до 0,1 г мерный цилиндр вместимостью 100 мл с отношением высоты по внутреннему диаметру не менее 10:1. По мере наполнения слой уплотнить, осторожно постукивая цилиндр о деревянную подставку или с помощью вибратора. Цилиндр заполнить до метки 100 мл, считая по верху слоя шариков. Затем по цилиндру дополнительно постучать, чтобы убедиться в хорошем уплотнении частиц, и, если нужно, досыпать катализатор. Взвесить цилиндр с пробкой на технохими-

29

30

ρk =

(3.7)

Кажущаяся плотность в большой степени зависит от пористости частиц. Поэтому ее используют в основном для косвенной характеристики пористости катализатора α, которую определяют как отношение объема пустот пор частиц к их объему:

α=

VП V П +V П

.

(3.8)

ческих весах, рассчитанных на нагрузку до 500 г, и вычислить насыпную плотность по формуле (3.5). Описанная методика принята в качестве стандартной при контроле производства алюмосиликатного шарикового катализатора крекинга. Насыпную плотность катализатора принято определять в сухом состоянии. Для этого пробы сушат в шкафу при температуре не ниже 150 °С. Если влажность проб известна, то определение проводят без сушки, вводя соответствующие поправки в их массы. Определение кажущейся плотности водяным методом. Определить кажущуюся плотность катализаторов опытным путем методически сложнее, чем насыпную плотность, поскольку нужно измерять не только полный объем слоя навески катализатора, но и собственный объем самих частиц. Обычно в лабораторной практике используют прямые и косвенные методы измерения объема. Первые основаны на измерении объема жидкости, вытесняемого при погружении катализатора, а вторые – на измерении потери массы при гидростатическом взвешивании или на измерении гидродинамических характеристик слоя при фильтрации через него жидкости или газа.

Рис. 3.2. Схема прибора для вакуумирования катализатора и заполнения его пор водой: 1 – круглодонная колба; 2, 4 – пришлифованные пробки; 3 – горло колбы; 5, 7, 9 – краны; 6 – капельная воронка; 8 – вакуумметр; 10 – вакуум-насос

В тех случаях, когда контакт частиц с водой не приводит к набуханию или растворению компонентов катализатора, кажущуюся плотность можно определять с помощью водяных методов. По надежности они практически не уступают ртутным методам, а их применение существенно улучшает санитарные условия проведения эксперимента. Описанный далее метод основан на определении объема воды, вытесняемой при погружении в нее частиц катализатора, внутренние поры которых предварительно заполнены водой. Соответственно этому весь процесс испытания катализатора состоит из двух основных стадий: 1) предварительного заполнения пор водой; 2) погружения навески в калиброванный цилиндр или бюретку с водой. На рис. 3.2 показана схема прибора для вакуумирования катализатора и заполнения его пор водой. Основной частью прибора является круглодонная колба, в которую надо поместить около 5 г катализатора. Предварительно катализатор высушить до постоянной массы при 150 °С, взвешивание проводить с точностью до 0,0002 г. Горлышко колбы закрыть пришлифованной пробкой, к которой припаяна капельная воронка с краном. Через патрубок колбу соединить с вакуум-насосом. В капельную воронку налить столько дистиллированной воды, чтобы ею можно было покрыть слой катализатора на 3–5 мм и чтобы в самой воронке оставался слой воды, препятствующий поступлению воздуха в колбу, обеспечив необходимую герметичность в колбе. Включить вакуум-насос и вакуумировать колбу при остаточном давлении 3–6 мм рт.ст. в течение 20–30 мин. Время вакуумирования можно сократить, если колбу с катализатором подогреть до 350–400 °С. Для пропитки катализатора водой осторожно открыть кран и ввести необходимое количество воды. После этого прибор оставить на 15–20 мин для более полного заполнения пор. Затем колбу осторожно соединить c атмосферой и пробу катализатора подготовить для погружения в мерный цилиндр с водой с целью определения внешнего объема частиц. Для этого с поверхности частиц удаляют влагу прокатыванием пробы по фильтровальной бумаге.

31

32

9

6 5

10

4 3 7

1

8 2

Затем в мерный цилиндр вместимостью 10 мл с ценой деления 0,1 мл налить 4–5 мл дистиллированной воды температурой 20±2 °С. Затем в цилиндр высыпать пробу катализатора. Отметить новый объем воды с точностью до 0,05 мл. Кажущуюся плотность катализатора вычислить по уравнению: ρk =

mo V

2

−V1

,

(3.13)

где mo – навеска катализатора, г; V1, V2 – объемы воды в цилиндре после погружения навески и начальный, мл. Определение истинной плотности. Для определения истинной плотности катализатора обычно используют пикнометрический способ, широко распространенный в практике анализа твердых пористых материалов. Он основан на вытеснении твердым веществом ртути, воды, низших спиртов, легких углеводородов и инертных газов, в частности, гелия. Точность метода зависит главным образом от полноты насыщения пор катализатора жидкостью. Поэтому для облегчения ее доступа в поры анализируемые навески должны быть предварительно растерты в тонкий порошок. Для анализа катализатора наиболее удобно применять воду, если она не приводит к растворению или набуханию частиц. При ее использовании получаются результаты, практически совпадающие с наиболее точными данными анализа с применением гелия. Навеску 1–2 г тщательно растертого в порошок и высушенного до постоянной массы при 150 °С катализатора поместить в предварительно взвешенный пикнометр вместимостью 50 мл. Катализатор насыпать в пикнометр через воронку с оттянутым концом, чтобы частицы не попадали на стенки шейки пикнометра. Пикнометр закрыть пробкой, взвесить с точностью до 0,0002 г и вычислить массу взятой навески. Налить в пикнометр дистиллированную воду с помощью пипетки с оттянутым концом и оставить на сутки для полного вытеснения воздуха из порошка. Затем пикнометр слегка встряхнуть для окончательного удаления пузырьков воздуха, выдержать его в термостате 30 мин при 20±0,1 °С и заполнить водой до метки. Пикнометр вытереть 33

досуха и вновь взвесить с той же точностью. Перед засыпкой катализатора или после определения взвесить пикнометр с водой. Истинную плотность вычислить по формуле: mН ρ ист = ⋅ ρB , (3.14) m1 + mН − m2 где mН – навеска, г; m1 – масса пикнометра с водой (водяное число), г; m2 – масса пикнометра с навеской и водой, г; ρВ – плотность воды в условиях опыта, г/см3. Обработка результатов измерений и содержание отчета

1. Ситовой анализ. По данным отчетной таблицы построить графики а) и б) (см. рис. 3.1). Массовую долю зерен во фракции определить из соотношения: (Мi /Мo)·100, где Мi – масса катализатора на сите, г; Мo – общая масса всех фракций, равная исходной навеске, г. Средний размер частиц dср рассчитать по формуле (3.1), коэффициент отклонения Ro – по формуле (3.2). 2. По полученным экспериментальным данным рассчитать: – насыпную плотность по формуле (3.3); – кажущуюся плотность по формуле (3.7); – истинную плотность по формуле (3.10); – порозность слоя зернистого материала по формуле (3.6); – пористость зернистого материала по формуле (3.9). 3. Рассчитать критическую скорость псевдоожижения исследуемого зернистого материала воздухом при комнатной температуре, пользуясь уравнениями: Ar

Reкр = 150

Ar =

1− ε

ε3

d 3r ⋅ ρ с′ (ρ r − ρ ′) ⋅ g

µ c2

;

+ 1,75 ε 3 ⋅ Ar

;

Reкр =

W кр ⋅ d э ⋅ ρ c

µc

,

где ρr – истинная плотность катализатора, кг/м3; ρc′ – исправленная плотность среды (воздуха), кг/м3; µ С – исправленная динамическая вязкость среды (воздуха), Па⋅с. 34

4. Рассчитать критическую скорость псевдоожижения исследуемого зернистого материала топочными газами при t=520 °C и p=1 атм, пользуясь номограммой Приложения. Состав топочного газа: N2 – 68 % об; CO2 – 26 % об; H2O (пары) – 7 % об; вязкость при t = 500 oC – 0,033 спз. Рассчитать среднюю плотность топочного газа и учесть поправку на рабочие температуру и давление: ρ ⋅ P абс ⋅ 273 . ρ'c = c (t + 273) ⋅ P атм Отчет о работе должен содержать: цель и порядок выполнения работы; необходимые расчеты; отчетную таблицу; графические зависимости.

3. Как определить средневзвешенный размер частиц dср? 4. Как определить коэффициент отклонения Ro ? 5. Что такое насыпная, кажущаяся и истинная плотность зернистого материала? 6. Как рассчитать порозность слоя? 7. Как соотносятся между собой порозность и высота слоя неподвижного и псевдоожиженного зернистого материала? Рекомендуемая литература

1. Галимов Ж.Ф., Дубинина Г.Г. и др. Методы анализа катализаторов нефтепереработки. М.: Химия, 1973. 2. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. Л.: Химия, 1987.

Данные ситового анализа Размер отверстий на сите, мм

№ сита 4 3 2.5 1.6 1.0 * поддон Итого

Средний размер зерна на сите, мм –

Содержание зерен по фракциям г –

% –

**

–

Интегральные характеристики Остаток Проход на сите через сито г % г % – – – –

–

–

–

–

___________________ *

Далее идут номера сит: 063; 04; 0315; 02; 016; 01; 0063; 005. Включая потери во время опыта.

**

Контрольные вопросы

1. Какими величинами можно охарактеризовать дисперсность зернистого материала? 2. Как строят дифференциальную и интегральную кривые распределения частиц материала по размерам? 35

36

Приложение к лабораторной работе № 3 Определение критической скорости псевдоожижения 0,2 Gmf , кг/(м2⋅ч)

Лабораторная работа № 4 ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛА В РЕКУПЕРАТИВНОМ ПОВЕРХНОСТНОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ ТИПА «ТРУБА В ТРУБЕ»

Цель работы: Изучить процесс теплообмена в поверхностном теплообменнике; экспериментально определить коэффициент теплопередачи; рассчитать теоретические коэффициенты теплоотдачи и коэффициент теплопередачи при заданном режиме процесса. Основные определения и теория процесса

Пример пользования номограммой показан линиями. Для использования номограммы умножаем ρc′ ⋅ ρ r на 0,004 – переводной коэффициент. Соединяя прямой линией отложенные на левых шкалах номограммы значения µ кг/(м·с) ρ c′ ⋅ ρ r ⋅ 0,004 с точкой пересечения прямой на вспомогательной шкале с точкой, соответствующей диаметру частиц 0,2 мм на правой шкале, получаем значение 0,2·Gmf =A, отсюда Gmf = A/ ρc′ =B [кг/(м2·ч)]. Для перевода критической массовой скорости начала псевдоожижения в линейную делим полученное значение Gmf на ρc′ и 3600:

Wкр = Gmf /( ρc′ ·3600) [м/с]. Если исходные данные выходят за пределы шкалы номограммы, можно использовать уравнение, по которому она построена:

Gmf = 0,00923D1P,82

[ρc′ ( ρ r − ρc′ )]0,94 . µ 0,88

Перенос теплоты от стенки к среде или наоборот называется теплоотдачей, а от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку – теплопередачей. Процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется в аппаратах, называемых теплообменниками. Одним из таких аппаратов является теплообменник «труба в трубе», состоящий из двух концентрических труб разных диаметров. По внутренней трубе проходит один теплоноситель, по кольцевому межтрубному пространстПар ву – другой. Теплота передается T н t1 через стенку внутренней трубы. В данной работе изучают ∆tб Вода передачу теплоты от греющей гоt1к рячей воды (протекает по внутt2к ренней трубке) к холодной воде Противоток ∆tм t2н (протекает по кольцевому пространству). Холодная вода при F этом нагревается от начальной температуры t2н до конечной t2к, а Рис. 4.1. Изменение горячая остывает от t1н до t1к температуры теплоносителей вдоль поверхности теплообмена (рис. 4.1).

Здесь все обозначения прежние, но DP выражено в м, G – в кг/(м·с), при этом Gmf получается в кг/(м2·с). Практическая скорость псевдоожижения обычно выше критической на 20–30 %, но в некоторых случаях превышает ее в несколько раз. 37

38

В этих уравнениях dQ – количество передаваемой теплоты, Вт; tcт.н и tcт.вн – температуры наружной и внутренней поверхности стенки трубы, K; r1 – термическое сопротивление при переходе теплоты от горячей воды к внутренней поверхности трубы, м2·К/Вт; ∑ rст – сумма термических сопротивлений слоев, из которых состоит стенка, м2·К/Вт; r2 – термическое сопротивление при переходе теплоты от внешней поверхности стенки к воде, м2·К/Вт. Поверхность dF во всех трех уравнениях принята одинаковой, т. е. стенка трубы считается плоской, что допустимо, когда толщина стенки мала по сравнению с диаметром. Из уравнений (4.1–4.3) получаем уравнение теплопередачи – перехода теплоты от горячей к холодной воде:

Теплоизоляция

t2ср

Вода хол.

dQ

tст.н

Вода гор.

tст.вн t1ср dF

Рис. 4.2. Схема процесса теплопередачи

Выделим в некотором месте внутренней трубы теплообменника бесконечно малый кольцевой участок поверхности dF (рис. 4.2). Пусть в этом месте температура горячей воды внутри трубы будет t1ср. Тогда для установившегося процесса перехода теплоты через участок поверхности dF получим следующие уравнения: 1. Уравнение теплоотдачи – перехода теплоты от горячей воды к внутренней поверхности стенки трубы: ср

dQ = t1

− t ст.вн

r

dF .

(4.1)

1

2. Уравнение теплопроводности – перехода теплоты через стенку трубы, состоящую из нескольких слоев (наружный слой ржавчины, стекло, внутренний слой ржавчины, слой так называемого водяного камня или накипи): dQ = t ст.вн

− t ст.н

∑r

dF .

(4.2)

ст

3. Уравнение теплоотдачи – перехода теплоты от наружной поверхности стенки трубы к воде: dQ = t

ср

ст. н

− t2

r

39

dF .

t1cр – t2ср t cр – t2ср dF = 1 dF , r1 + Σrст + r2 R

dQ =

(4.3)

(4.4)

где R = r1 +∑ rст + r2 – общее термическое сопротивление при переходе теплоты через стенку трубы; δ ∑ rст = λ + ∑ rст , где δ – толщина стенки внутренней трубы; λ – теплопроводность материала внутренней трубы (λстекла = 0,7 Вт/м·К); ∑ rзагр – сопротивление загрязнений стенок (см. Приложение, табл. 4.1), м2·К/Вт; t1ср, t2ср – средние температуры потоков горячей и холодной воды, К:

t

ср 1

=

t1н + t1к ; 2

t

ср 2

=

t2н + t2к . 2

Уравнения теплоотдачи (4.1) и (4.3) могут быть представлены в виде: dQ = α1 t1ср − tст.вн. dF , (4.5)

(

)

(

)

dQ = α 2 t сm .вн. − t 2 dF ,

(4.6)

где α1 = 1/r1 и α2 = 1/r2 – коэффициенты теплоотдачи от горячей воды стенке трубы и от стенки трубы – к холодной воде соответственно, Вт/м2·К.

2

40

Величину, обратную общему термическому сопротивлению R, называют коэффициентом теплопередачи: 1 1 . (4.7) K = = R 1 α1 + ∑ rст + 1 α 2 Определение коэффициентов теплопередачи (К) является одной из основных задач теории теплообмена. В настоящее время коэффициенты теплопередачи рассчитываются из критериальных соотношений, в которых сам вид обобщенных безразмерных переменных (критериев подобия) определяется теоретически на основе теории подобия, а явный вид зависимости между критериями находится экспериментально для каждого вида теплообмена. В данной установке горячий теплоноситель (горячая вода) проходит по внутренней трубе и отдает свое тепло холодному теплоносителю (холодной воде), омывающему трубку теплообменника. Коэффициент теплоотдачи α1 определяется в зависимости от критерия Рейнольдса и физических свойств горячей воды (см. Приложение к работе № 1, табл. 1.2): а) для развитого турбулентного течения Re ≥ 10 000 0,25 0,8 0,43 (4.8) Nu = 0,021⋅ ε A ⋅ Re Pr ⋅ Pr Pr ст ;

(

)

б) при переходном режиме 2300 ≤ Re ≤ 10 000

( ) ( 0,43

⋅ Pr Pr ст Nu = K o ⋅ Pr Величина K0 зависит от числа Re:

Re·10-3 Ko

2,3 3,6

2,5 3,0 4.9 7,5

3,5 10

4,0 5,0 12,2 16,5

)

6,0 20

0,25

(4.9)

.

7,0 24

8,0 27

9,0 30

10 83

в) при ламинарном режиме справедливо уравнение Nu = 0,17 ⋅ Re

0,33

(

⋅ Pr 0,43 ⋅ Gr 0,1 Pr Pr cт

)

0, 25

,

(4.10)

где Nu=α·dэ /λ – критерий теплоотдачи Нуссельта, характеризующий интенсивность теплообмена на границе поток-стенка; Pr=CPµ /λ – критерий Прандтля, характеризующий физические свойства потока; Prст – критерий Прандтля, рассчитанный при температуре жидкости, равной tст трубы; Re = dэwρ /µ – критерий Рейнольдса, характеризующий соотношение сил инерции и моле41

кулярного трения в потоке; Gr = gdэ3ρ2β∆t /µ2 – критерий Гросгофа, характеризующий соотношение молекулярного трения и подъемной силы, обусловленной различием плотностей в отдельных точках потока; ρ, CP, µ, λ – соответственно плотность, кг/м3; удельная теплоемкость, Дж/(кг·К); коэффициент динамической вязкости (Па·с); коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К); β – коэффициент объемного расширения потока, К-1; (см. Приложение к работе № 1); w = V/0,785dэ2 – средняя скорость потока по сечению трубы, м/с; g – ускорение свободного падения, м/с2; dэ – внутренний диаметр трубы, м; ∆t – разность температур жидкости и стенки, K; εe – коэффициент, учитывающий влияние на коэффициент теплоотдачи отношения длины трубы L к ее диаметру (при L/d ≥ 50 принимается равным 1). При вычислении критериев Nu, Re, Pr физические константы потоков принимаются как при среднеарифметической температуре потока горячей воды (t1ср). Коэффициент теплоотдачи α2 – от стенки к холодной воде – определяется по тем же формулам (4.8–4.10) в зависимости от режима движения холодной воды. Физические константы для вычисления критериев Nu, Re, Pr берутся при среднеарифметической температуре потока холодной воды (t2ср). В качестве первого приближения при вычислении принимают следующие допущения: ∆t = 1 K; Pr/Prст = 1. В установившемся процессе для всего теплообменника с площадью поверхности теплопередачи F м2, в котором расход передаваемой теплоты составляет Q Вт, интегрирование уравнения (4.4) приводит к уравнению теплопередачи следующего вида: Q = K ∆tср F , (4.11) из которого можно определить коэффициент теплопередачи K. Здесь ∆tср – средняя движущая сила процесса теплопередачи в теплообменнике, определяемая для прямо- и противотока теплоносителей теоретическим уравнением: 42

∆t б − ∆t м , (4.12) 2,3 lg (∆ t б / ∆ t м ) где ∆t б и ∆t м соответственно – большая и меньшая разности температур теплоносителя на концах теплообменника, K (рис. 4.1). Эти разности температур представляют собой движущие силы процесса теплопередачи на концах теплообменника. Если ∆t б / ∆t м ≤ 2, то с достаточной точностью (погрешность менее 5 %) можно считать: ∆tср = ( ∆tб + ∆tм )/2 . (4.13)

Расход теплоты в уравнении (4.11) рассчитывают по формуле:

∆ t ср =

Для смешанного тока в многоходовых теплообменниках и для перекрестного тока: ∆tср= ε∆t ∆tпр, (4.14) где ε∆t – поправочный коэффициент к средней разности температур ∆tпр, вычисленной для противотока, берется из специальных графиков. В многоходовых теплообменниках с простым и смешанным током (один ход в межтрубном пространстве и четное число ходов в трубном) среднюю разность температур рассчитывают по формуле: ⎛ ∆t б + ∆t м + A ⎞⎟ , (4.15) ∆t ср = A ⎜⎜ 2,3 lg ⎟ ∆t б + ∆t м − A ⎠ ⎝ где ∆t б и ∆t м соответственно – большая и меньшая разности температур теплоносителя на концах теплообменника при противотоке с теми же начальными и конечными температурами теплоносителей; A =

( δ T )2 + ( δ t ) 2

,

где δT – изменение температуры горячего теплоносителя (δT= t1н – – t1к); δt – изменение температуры холодного теплоносителя (δt= = t2н – t2к). Поверхность теплопередачи F при δ « dн рассчитывают по формуле: F =

π (d н − d вн ) 2

L ,

(4.16)

где dн, dвн, L – наружный, внутренний диаметры и длина трубы с горячей водой, м. 43

Q = V ρ c (t2к − t2н ) ,

(4.17)

3

где V – расход холодной воды, м /c; ρ – плотность воды, кг/м3 и с – средняя теплоемкость воды, Дж/(кг·К) при среднеарифметической температуре потока (t2ср). Описание установки 3 1

1

1

3 4 3

3 2

4

Рис. 4.3. Схема установки: 1 – теплообменник типа «труба в трубе»; 2 – термостат для горячей воды; 3 – термометры; 4 – ротаметры для холодной и горячей воды; 5 – регулировочный вентиль на линии холодной воды

Установка (рис. 4.3) состоит из теплообменника 1, ультратермостата 2, ротаметра 4 для установки и контроля расхода теплоносителей, термометров 3 для замера температуры теплоносителей на входе и выходе из теплообменника. Теплообменник «труба в трубе» состоит из 3-х последовательно соединенных элементов. Параметры теплообменника приведены в табл. 4.2. В качестве теплоносителей используют горячую и холодную воду. Горячая вода нагревается до необходимой температуры в термостате и подается во внутреннюю трубу теплообменника. Холодная вода поступает в теплообменник из водопроводной сети через регулировочный вентиль 5.

44

Окончание таблицы 4.1

Порядок выполнения работы

Нагревают воду в термостате до заданной температуры (70÷90 oC) и с небольшим расходом циркулируют горячую воду по установке. После начального прогрева теплообменника (10÷15 мин) устанавливают необходимый расход горячей и холодной воды с помощью регулировочных вентилей 5 и ротаметров 4. Через каждые 3÷5 мин записывают показания термометров. Замеры заканчивают, когда температуры теплоносителей на выходе из теплообменника перестанут изменяться. При этом теплообменник работает в стационарном режиме. Установившиеся значения температур и расходов используют в дальнейших расчетах. Для определения величины расхода воспользоваться калибровкой шкалы ротаметра для холодной и горячей воды. Результаты работы оформить в виде отчетной таблицы. Таблица 4.1 Отчетная таблица № п/п 1 1 2 3 4

6 7 8 9 10

11 12

Наименование величины

Данные

Примечание

2

3 Экспериментальные

4

Показания ротаметра Температура горячей воды, °C: – начальная t1н; – конечная t1к Температура холодной воды, °C: – начальная t2 н; – конечная t2к Расход воды V, м3/с: – горячей; – холодной

1 5

13 14 15 По градуировочной кривой ротаметра

16

Расчетные 4а

Линейная скорость движения потоков, м/c: – горячей воды; – холодной воды

45

17

2 Средняя температура воды, oC: – горячей t1ср; – холодной t2ср Расход теплоты на нагрев холодной воды Q, Вт

3

4

Уравнение (4.17). Теплоемкость воды при температуре t2ср

Начальная разность температур ∆tн = t1н – t2к Конечная разность температур ∆tк = t1к – t2н Средняя разность температур ∆tср Коэффициент теплопередачи экспериментальный Кэ, Вт/(м2·К)

Действительное общее термическое сопротивление R, м2·К/Вт Критерий Рейнольдса Re: – для горячей воды; – для холодной воды

Критерий Прандтля Pr: – для горячей воды; – для холодной воды Критерий Гросгофа Gr: – для горячей воды; – для холодной воды Критерий Нуссельта Nu: – для горячей воды; – для холодной воды Коэффициент теплоотдачи для воды α, Вт/(м2·К): – для горячей воды; – для холодной воды Коэффициент теплопередачи расчетный КP, Вт/(м2·К)

Уравнения (4.12–4.15) Уравнение (4.11). Поверхность теплопередачи F рассчитывают по среднему диаметру внутренней трубы (4.16) Вязкость µ, плотность ρ, уд.теплоемкость СР, теплопроводность λ при средней температуре потока (t1ср, t2ср)

Уравнения (4.8–4.10)

Уравнение (4.7)

46

Контрольные вопросы

1. Способы переноса тепла. 2. Что такое движущая сила тепловых процессов? 3. Разность каких температур входит в уравнение теплоотдачи, каких – в уравнение теплопередачи? 4. Как рассчитать среднюю движущую силу в теплообменнике? 5. Физический смысл коэффициентов теплообмена и теплопередачи. 6. Какие критерии подобия входят в критериальное уравнение конвективной теплоотдачи? Их физический смысл. 7. Какие свойства теплоагента влияют на интенсивность теплообмена? 8. Какие поверхностные теплообменники относятся к рекуперативным? 9. Каким образом можно увеличить количество тепла, передаваемого от теплоносителя к хладоагенту в теплообменнике типа «труба в трубе», в кожухотрубном теплообменнике? Рекомендуемая литература

1. Романков П.Г., Фролов В.Ф. Теплообменные процессы химической технологии. Л.: Химия, 1982. 2. Справочник по теплообменникам. М.: Энергоиздат, 1987. Т. I, II.

Приложение к лабораторной работе № 4

Таблица 4.2 Среднее значение тепловой проводимости загрязнений стенок

Тепловая проводимость загрязнений стенок

Теплоносители

1

r заг р Вода загрязненная среднего качества хорошего качества Очищенная Дистиллированная Нефтепродукты чистые, масла, пары хладагентов Нефтепродукты сырые Органические жидкости, рассолы, жидкие хладагенты Водяной пар (с содержанием масла) Органические пары Воздух

, Вт

(м 2 ⋅ К )

1400–1860* 1860–2900* 2900–5800* 2900–5800* 11 600 2900 1160 5800 5800 11 600 2800

*

Для воды меньшие значения тепловой проводимости загрязнений соответствуют более высоким температурам.

Таблица 4.3 Параметры теплообменника

Параметры Длина трубы L, см Наружный диаметр dн, см Внутренний диаметр dв, см Толщина, мм

47

1 27,8 4,0 1,1 1,5

48

2 35,0 4,0 1,0 1,5

3 27,8 4,0 1,1 1,5

Лабораторная работа № 5 ОСАЖДЕНИЕ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ В ЖИДКОСТИ И ГАЗЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ

При ламинарном осаждении (Reос<2) для одиночной сферической частицы (принимая движение мелких частиц с dТ < 0,1 мм равномерным) скорость осаждения рассчитывают по формуле: (5.4) ω ос.сф = dТ2 ( ρТ − ρ ) gl (18µ ).

В случае осаждения мелкодисперсных твердых частиц в газе или жидкости, наблюдающемся при гидравлической и пневматической классификации, газоочистке и разделении суспензий, основной характеристикой процесса является скорость осаждения ωос . Для расчета скорости осаждения под действием силы тяжести можно использовать общую для всех режимов осаждения зависимость: 4 d Т ( ρТ − ρ ) g (5.1) ω ос = . ζρ 3 Экспериментально установлены три режима измельчения коэффициента сопротивления ζ в зависимости от числа Рейнольдса. В первой области – области ламинарного осаждения – при Reос < 2: ζ = 24/Reос. (5.2) Во второй (часто называемой переходной) области в пределах изменения 2 < Reос < 500: ζ = 18,5 Reос0,6. (5.3) В третьей области – развитой турбулентности – в пределах изменения 500 < Reос < 20 000: ζ ≈ 0,44. Зависимости (5.1)–(5.3) справедливы для осаждающихся одиночных сферических частиц диаметром dТ.

Эта зависимость носит название формулы Стокса. Она справедлива для гидродинамической области чисел Рейнольдса 10-4 < Reос <2. Если частицы имеют несферическую форму, то пользоваться зависимостью (5.4) для расчета ωос нельзя. В общем случае можно использовать критериальную зависимость: (5.5) Re = f (Ar, ζ ) , здесь Ar – критерий Архимеда: 3 2 Ar = dT ρ g ρT − ρ . µ2 ρ С учетом зависимости (5.2) уравнение (5.4) примет вид: Re=Ar/18. (5.6) При этом критическое значение числа Архимеда, ограничивающее существование ламинарного режима, будет Ar ≤ 36. В переходной области зависимость (5.5) принимает вид: (5.7) Re = 0,152Ar0,175. Осаждение в переходной области ограничивается изменениями критерия Архимеда в пределах 36 < Ar < 8,3·104. При развитом турбулентном осаждении: (5.8) Re = 1,74 Ar0,5. В тех случаях, когда скорость осаждения задана или известна, для расчета диаметра осаждающихся частиц удобно использовать графическую зависимость Ly = f (Ar) (рис. 5.1), где критерий Лященко равен: Re3 ωос3 ρ 2 . Ly = = Ar µ ( ρТ − ρ ) g В графической зависимости Ly = f (Ar) исключен коэффициент сопротивления ζ, который для несферических (обычно обрабатываемых в химической технологии) частиц зависит от их формы (округлая, угловая, пластинчатая и т. д.).

49

50

Цель работы: Экспериментальное определение скорости осаждения твердых частиц в жидкостях в зависимости от диаметра частиц, их формы и физических свойств частицы и жидкости; построение экспериментальных зависимостей Re = C Arn или Ly = f (Ar) для различных режимов осаждения; сравнение расчетных и теоретических зависимостей с использованием методики обработки данных на ЭВМ. Основные определения и теория процесса

Скорость осаждения, м/с

ωос.сф

Re Ar Ly ψ ωос

время осаждения частицы τ, с

µ, Па·а

ρ, кг/м3

t, °С

ψ 0,691 0,580

название

Форма частиц Цилиндр (h = 10r) Цилиндр (h = 20r)

Жидкость

V, М3

ψ 0,806 0,860

ρ, кг/м3

Форма частиц Куб Цилиндр (h = 3r)

dT, мм

Приведем значения фактора (коэффициента) формы ψ для некоторых геометрических тел (h – высота; r – радиус):

Частицы

материал, форма

(5.9)

Отчетная таблица

№ замера

ωос = ψωос.сф.

ров) вводят в сосуд над поверхностью жидкости и аккуратно опускают в жидкость. Секундомером фиксируют время прохождения частицы между метками. Каждый замер дублируют. Результаты опытов заносят в отчетную таблицу:

№ опыта

Расчеты ωос при известном d T для любого режима осаждения приближенно можно вести также с помощью графика, изображенного на рисунке. Рассчитанная графически скорость осаждения хорошо совпадает с опытными данными для свободно осаждающихся частиц в неограниченном пространстве. Для частиц неправильной формы скорость осаждения обычно меньше, и поэтому скорость, рассчитанную для сферической частицы, необходимо умножить (при отсутствии соответствующих графиков) на поправочный коэффициент формы ψ :

При расчете скорости стесненного движения в формулу Стокса вводят поправочный множитель, учитывающий влияние концентрации суспензии и ее реологические свойства. Описание установки

Установка состоит из трех стеклянных цилиндров (dц ≥ 50 мм), заполненных разными жидкостями. Вверху и внизу каждого цилиндра имеются метки, фиксирующие расстояния, которые частицы проходят в процессе осаждения. Замеряя секундомером время, в течение которого частица проходит расстояние между метками, можно определить скорость осаждения частицы. С целью исключения влияния начального участка ускоренного движения частицы в жидкости верхняя метка расположена на 30–40 мм ниже уровня поверхности жидкости.

При вычислении критериев Re, Ar и Ly используют осредненные значения скорости осаждения ωoc и диаметра частиц dT. Для определения скорости осаждения ωoc следует провести не менее 5 опытов, в каждом по 3–4 замера. Если частица в процессе осаждения коснулась стенки цилиндра или к осаждающейся частице прилип пузырек воздуха, результат такого опыта не следует учитывать и опыт необходимо повторить. Обработка результатов измерений и содержание отчета

Частицы сферической и неправильной формы известного или замеренного диаметра (или необходимых геометрических разме-

На основе экспериментальных данных: 1) Вычисляют скорость осаждения в каждом замере; 2) Определяют значения критериев Re, Ar и Ly для каждого опыта;

51

52

Порядок выполнения работы

3) Строят экспериментальные зависимости Re = C Arn и находят коэффициенты C и n; сравнивают полученные зависимости с расчетными формулами (5.6)–(5.9); 4) Наносят экспериментальные данные на график Ly = f (Ar); 5) Вычисляют с помощью зависимости Ly = f (Ar) и известной скорости осаждения фактор формы ψ для заданных некруглых частиц и сравнивают с приведенными выше данными.

Приложение к лабораторной работе № 5

Контрольные вопросы

1. Какие силы действуют на осаждающуюся частицу? 2. Какие физические величины входят в число Рейнольдса для осаждающихся частиц? 3. Какие режимы осаждения известны? 4. Как определить скорость осаждения для несферических частиц? 5. Как определить диаметр частиц, если известна их скорость осаждения? 6. Как влияет несферичность осаждающихся частиц на зависимость Ly = f (Ar)? 7. С помощью какой графической зависимости можно вести приближенные расчеты ωос или dT для любого режима осаждения? 8. Как можно учесть стесненность движения при расчете ωос? 9. Как рассчитать площадь осаждения в отстойниках, пылевых камерах, циклонах и осадительных центрифугах? Рекомендуемая литература

Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химической технологии. 3-е изд. Л.: Химия, 1982. 286 с.

Зависимость критерия Re и Ly от критерия Ar для осаждения одиночной частицы в неподвижной среде: 1 и 6 – шарообразные частицы; 2 – округленные; 3 – угловатые; 4 – продолговатые; 5 – пластинчатые 53

54

Лабораторная работа № 6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Цель работы: Практическое ознакомление с насосной установкой; определение по экспериментальным данным зависимостей Q – H, Q – N, Q – η, Q – Hc и параметров рабочей точки. Основные определения и теория процесса

Одноступенчатый центробежный насос имеет улиткообразный корпус, внутри которого находится рабочее колесо (рис. 6.1). У многоступенчатого центробежного насоса внутри корпуса расположено несколько рабочих колес, насаженных на общий вал и работающих последовательно. Рабочее колесо центробежного насоса состоит из двух дисков, соединенных изогнутыми лопастями. Жидкость, находящаяся между ними, приводится во вращение вместе с рабочим колесом. При этом каждая частица жидкости перемещается по сложной траектории. Во-первых, центробежная сила, отбрасывая жидкость, заставляет ее двигаться радиально, вдоль лопаток от оси колеса к периферии. Во-вторых, увлекаемая лопатками вращающегося колеса жидкость, помимо радиальной скорости, приобретает еще окружную скорость, одинаковую со скоростью колеса.

Рис. 6.1. Одноступенчатый центробежный насос: 1 – корпус; 2 – рабочее колесо

Жидкость, стремительно выбрасываемая с периферии рабочего колеса 2, поступает в улиткообразный спиральный канал 1 (см. рис. 6.1), который кольцом охватывает рабочее колесо. Увеличивающееся к выходному патрубку поперечное сечение спирального канала приводит к плавному снижению большой скорости, полученной жидкостью на выходе из рабочего колеса, до нормальной скорости в трубопроводе. При этом часть кинетической энергии жидкости переходит в потенциальную, что сопровождается увеличением давления (напора) жидкости. В многоступенчатых центробежных насосах для повышения напора жидкость, выходящая из первого рабочего колеса, поступает с помощью направляющего аппарата на второе рабочее колесо, затем на третье и т. д. Общий напор, создаваемый многоступенчатым насосом, приблизительно равен сумме напоров, приобретенных жидкостью в каждом рабочем колесе. Центробежные насосы, не имеющие специальных пусковых устройств, перед пуском необходимо заливать перекачиваемой жидкостью. Чтобы заливаемая в насос жидкость могла удержаться в нем, на нижнем конце всасывающей трубы, опускаемой в тот резервуар, из которого насос забирает жидкость, устанавливают приемный обратный клапан с наружной сеткой (рис. 6.5). Обратный клапан пропускает жидкость только в одном направлении, в данном случае – к насосу. При заливе перед пуском или в случае остановки насоса клапан садится на седло и жидкость из насоса не вытекает. У центробежного насоса с изменением подачи изменяются и другие параметры его работы – напор, мощность, коэффициент полезного действия. Величины, характеризующие работу центробежного насоса при данной постоянной частоте вращения, обычно представляют в виде графических зависимостей напора H, мощности N и КПД η от подачи Q∗ (рис. 6.2). Зависимости Q – H, Q – N, Q – η называют характеристиками насоса и устанавливают их опытным путем. Этими характеристиками широко пользуются при изучении работы центробежных насосов и при их выборе. ∗

55

Подача Q (м3/с) соответствует объемному расходу жидкости (газа) Vс (м3/с).

56

Подставляя в это выражение значение скорости из уравнения расхода ω = Q/ f , где f – площадь поперечного сечения сети, получаем: λL 1+ + ∑ξ d H = Q 2 + H + H = aQ 2 + b. (6.3) 2 С

ПОД

2 gf

ДОП

Рис. 6.2. Характеристика центробежного насоса

При изменении в небольших пределах частоты вращения n центробежного насоса его подача Q, напор H и потребляемая мощность N также изменяются в следующих соотношениях: 2

3

Q1 n1 H 1 ⎛ n1 ⎞ N1 ⎛ n1 ⎞ (6.1) = ; = ⎜⎜ ⎟⎟ ; =⎜ ⎟ . H 2 ⎝ n2 ⎠ N 2 ⎜⎝ n2 ⎟⎠ Q2 n2 Как видно из рис. 6.2, с увеличением подачи Q мощность N, потребляемая насосом, непрерывно возрастает. При закрытой задвижке на нагнетательном трубопроводе (Q = 0) насос потребляет минимальную мощность (на преодоление трения в подшипниках и сальнике и на перемешивание жидкости рабочим колесом в корпусе насоса). Поэтому, чтобы не перегружать электродвигатель, необходимо пускать центробежный насос при закрытой задвижке. Выбор насоса и установление его частоты вращения зависят от условий работы насоса на сеть (трубопровод). Эти условия определяются так называемой характеристикой сети (Q – Hc), т. е. зависимостью между подачей Q и напором Hc, необходимым для преодоления всех сопротивлений данного трубопровода (сети). Как известно, для несжимаемой жидкости: λL

2 ⎞ω

⎛ + ∑ξ ⎟ + H ПОД + H ДОП . H С = ⎜1 + d ⎝ ⎠ 2g

(6.2)

Здесь Hпод = Hвс + Hн – геометрическая высота подъема жидкости; Hпод – разность напоров в пространствах нагнетания Hн и всасывания Hвс. 57

Рис. 6.3. Характеристика трубопровода (сети)

Рис. 6.4. Совмещенные характеристики центробежного насоса и сети

Здесь

a=

1+

λL

+ ∑ξ d 2 gf 2

– величина, близкая к постоянному

значению для данного трубопровода*1 (сети): b = Hпод + Hдоп. *1 Из входящих в выражение для a величин только коэффициент трения λ зависит от скорости потока, т. е. от подачи Q. При турбулентном режиме (наиболее

58

Полученное уравнение H = aQ 2 + b в координатах Hc – Q дает параболу (рис. 6.3), вершина которой расположена по оси ординат на высоте b от начала координат. Все характеристики насоса и характеристику соединенного с ним трубопровода (сети) вычерчивают на общем графике (рис. 6.4). Пересечение характеристик насоса Q – H и Q – Hc сети дает так называемую рабочую точку. Эта точка определяет условия совместной работы системы насос–трубопровод (сеть), когда H – Hc. Она показывает, что все гидравлические сопротивления трубопровода преодолеваются напором, создаваемым насосом. Вертикальная линия, проведенная через рабочую точку, пересекает характеристики насоса Q – N, Q – η и ось абсцисс в точках, определяющих показатели работы насоса в данных условиях. Например, для рабочей точки А (см. рис. 6.4) параметры работы насоса следующие: подача QА, напор – НА, потребляемая мощность – N, КПД – ηА. Положение рабочей точки дает возможность судить о степени использования насоса в данных условиях. Если, например, рабочая точка занимает положение А, то насос работает с КПД ηА, значительно меньшим максимального значения ηмакс, с каким он мог бы работать на другую сеть, с другой характеристикой, при которой рабочая точка занимала бы положение В. С

На нагнетательном трубопроводе 7 установлены манометр 8 и задвижка 6 для регулирования расхода (подачи) воды. Вода из нагнетательного трубопровода поступает в воронку 18∗, а из нее через трубу 7а и поворотный отвод 17 – в один из мерных баков 15. Каждый из баков имеет показатель уровня (водомерное стекло), шкала которого проградуирована в литрах. В донной части баков расположены широкие спускные отверстия с клапанами 14, открытие и закрытие которых производится рычагами 16. При открытии спускного клапана 14 вода из мерного клапана 15 быстро сливается в бак 12, откуда вновь засасывается насосом 1. Такая замкнутая схема гарантирует бесперебойное питание установки водой и делает опытную установку независимой от местного трубопровода, а также позволяет избежать отпотевания труб и стенок баков.

Описание установки

Центробежный насос 1 (рис. 6.5) установлен на одном валу с электродвигателем 2 постоянного тока, что позволяет проводить испытания насоса при разных частотах вращения, изменение которых легко осуществляется с помощью реостатов 3. Частоту вращения измеряют тахометром 5, мощность, потребляемую насосом, определяют по показаниям амперметра 19 и вольтметра 20. Вода засасывается насосом из расходного бака 12, установленного ниже пола помещения. На всасывающем трубопроводе 11 установлены приемный обратный клапан 13, препятствующий стоку воды при заливе насоса, и вакуумметр 9. Залив насоса производят через трубопровод 10. часто встречающемся при движении жидкости в трубах) коэффициент λ при изменении подачи Q изменяется сравнительно мало.

59

Рис. 6.5. Установка для испытания центробежного насоса: 1 – центробежный насос; 2 – электродвигатель постоянного тока; 3 – реостаты; 4 – рубильник; 5 – тахометр; 6 – задвижка; 7 – труба нагнетательная; 7а – сточная труба; 8 – манометр; 9 – ваккуметр; 10 – трубопровод; 11 – труба всасывающая; 12 – расходный бак; 13 – приемный обратный клапан; 14 – спускные клапаны; 15 – мерные баки; 16 – рычаги спускных клапанов; 17 – поворотный отвод; 18 – воронка; 19 – амперметр; 20 – вольтметр; 21 – сливная труба ∗

Разрыв трубопровода 7 сделан для предотвращения образования сифона.

60

Порядок выполнения работы

Насосную установку испытывают в два этапа. На первом этапе определяют величины, необходимые для построения характеристик насоса, Q – H, Q – N и Q – η; на втором – величины, необходимые для построения характеристики сети Q – Hc. На первом этапе испытания проводят при постоянной частоте вращения насоса, но при разных расходах воды (подачах насоса). Подачу изменяют постепенным открытием задвижки 6 на нагнетательной трубе 7. Первое наблюдение – при полностью закрытой задвижке, последующие – при постепенном открытии задвижки (примерно на один оборот шпинделя для каждого нового режима работы)**, последние – при полностью открытой задвижке. При каждом повороте задвижки (в сторону открытия) частота вращения насоса будет уменьшаться, поэтому сразу же после поворота задвижки необходимо с помощью реостатов восстановить заданную частоту вращения насоса, а затем одновременно произвести замеры: 1) подачи насоса; 2) разрежения во всасывающей трубе; 3) давления в нагнетательной трубе; 4) напряжения и силы электрического тока. На втором этапе работы испытания проводят при постоянном (заданном) открытии задвижки, но при трех разных частотах вращения насоса. Для каждой частоты вращения производят замеры: 1) подачи насоса; 2) разрежения во всасывающей трубе; 3) давления в нагнетательной трубе. Затем изменяют положение задвижки (по заданию преподавателя) и проводят вторую серию наблюдений при тех же трех значениях частот вращения, что и в первой серии. Выше указано, что вершина параболы (характеристика Q – Hc) расположена по оси ординат на расстоянии b от начала координат: b = Hпод + Hдоп. Так как в данной установке дополнительного напора Hдоп нет, то b = Hпод. **

По данным, полученным на втором этапе испытания, строят две характеристики Q – Hc и совместно с характеристиками насоса, полученными в первом этапе наблюдений (Q – H, Q – N и Q – η), наносят их на общий график (см. рис. 6.4). На пересечении кривых Q – Hc и Q – H получают рабочие точки А и В и определяют параметры работы насосной установки. Показатели работы насоса замеряют следующим образом. Подача насоса. Установив заданную частоту вращения, закрывают в одном из мерных баков 15 спускной клапан 14 поворотом рычага 16. Спускной клапан во втором мерном баке должен быть открыт. Затем быстро переводят поворотный отвод 17 на мерный бак с закрытым клапаном и одновременно включают секундомер. По заполнении мерного бака водой (примерно на ¾) переводят поворотный отвод 17 в прежнее положение, т. е. на второй бак с открытым спускным клапаном, и одновременно включают секундомер. Количество воды, замеренное по водомерному стеклу, и время по секундомеру записывают в отчетную таблицу. Затем сливают воду с помощью рычага 16 и устанавливают задвижкой 6 новый расход воды. Напор (полный напор) насоса Н, выраженный в метрах столба подаваемой жидкости, определяют по формуле: H = Pм + Pв + h(ωн2 − ωвс2 ) / 2 g . (6.4) Здесь Рм и Рв – показания манометра и вакуумметра, выраженные в метрах столба подаваемой жидкости (воды); h – расстояние по вертикали между местами присоединения манометра и вакуумметра (см. рис. 6.5); ωн и ωвс – скорости воды в нагнетательном и всасывающем трубопроводах в местах присоединения манометра и вакуумметра. Так как в данной установке всасывающий и нагнетательный трубопроводы имеют одинаковый диаметр, то ωн = ωвс. Таким образом: H = Pм + Pв + h. (6.5)

Для удобства установления режима на шпинделе задвижки нанесены риски.

61

62

Обработка результатов измерений и содержание отчета

Подача насоса (м3/с): (6.6) Q = V /(10 3τ ). Здесь V – объем воды, определенный по водомерному стеклу, л; τ – продолжительность замера, с. Мощность (кВт), потребляемая насосной установкой:

N = UI / 103. Здесь U – напряжение, В; I – сила тока, А. Коэффициент полезного действия насоса∗: η = QρgH /(10 3 N ).

(6.7)

(6.8)

Здесь ρ – плотность жидкости, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с3. Все величины, измеренные в процессе испытания и полученные расчетом, записывают в отчетную таблицу:

КПД η, %

Мощность N, кВт

Напряжение U, B

Сила тока I, A

Полный напор H, м.вод.ст.

Разрежение PB, м.вод.ст.

Давление PM, м.вод.ст.

Подача насоса Q, м3/с

Объем воды V, л

Частота вращения n, об/мин Продолжительность замера τ, с

№ опыта

Отчетная таблица

I этап наблюдений (при постоянной частоте вращения n = … об/мин) II этап наблюдений (при постоянном открытии задвижки и разных частотах вращения) 1 серия наблюдений 2 серия наблюдений ∗ Точнее, насосной установки, так как замеряется мощность N, потребляемая электродвигателем.

63

Работу заканчивают построением графика (см. рис. 6.4) и определением параметров рабочих точек А и В. В отчет должны быть включены задание и схемы установки со спецификацией. Контрольные вопросы

1. Как устроен центробежный насос? 2. Из каких составляющих складывается абсолютная скорость жидкости в рабочем колесе насоса? 3. Какое назначение имеет спиральный улиткообразный канал? 4. Какие зависимости называют характеристиками центробежного насоса? 5. Для чего служит приемный обратный клапан? 6. Из чего складывается напор Hc, теряемый в сети? 7. Какой физический смысл имеет характеристика сети? 8. В каком случае характеристика сети проходит через начало координат? 9. Какой физический смысл имеет рабочая точка? 10. Как изменяют при работе на установке характеристику сети? 11. Когда применяют многоступенчатые центробежные насосы? 12. Почему центробежный насос пускают в ход при закрытой задвижке на нагнетательной линии? 13. Если высота, на которую необходимо подать воду, увеличивается вдвое, то как должна измениться частота вращения насоса; расход мощности? 14. Какие конструкции насосов (и из каких материалов) применяют в химической промышленности для перекачивания кислот, щелочей и т. п.? 15. Нарисуйте схему сальникового устройства. Рекомендуемая литература

1. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. М.: Энергия, 1977. 424 с. 2. Центробежные горизонтальные и вертикальные химические насосы с проточной частью из металла: каталог. М., 1981. 92 с. 64

Лабораторная работа № 7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОТЫ ЦИКЛОНА

Цель работы: Практическое ознакомление с установкой по пылеулавливанию и работой циклона; исследование зависимости степени очистки η циклона и его гидравлического сопротивления ∆рц от условной скорости газового потока в циклоне; определение оптимальной скорости газового потока и коэффициента гидравлического сопротивления циклона (ζц и ζц'). Основные определения и теория процесса

Очистка промышленных газовых потоков от взвешенных в них твердых частиц может осуществляться, например, путем осаждения твердых частиц под действием различных сил: тяжести, центробежных, электростатических, акустических и др. Одним из наиболее простых и широко распространенных способов является центробежное разделение таких неоднородных систем. В качестве аппаратов-пылеуловителей, в которых можно осуществить этот способ, используют циклоны различных конструкций. Циклоны конструкции НИИОГАЗа типа ЦН-11, ЦН-15, ЦН-24*2предназначены для сухой очистки газовых потоков от твердых частиц, выделяющихся в некоторых технологических процессах (например, в процессах сушки сыпучих твердых материалов, обжига, агломерации, сжигания топлива и др.), а также аспирационного воздуха в различных отраслях промышленности (химической, нефтехимической, черной и цветной металлургии, промышленности строительных материалов, энергетике и др.). Их нельзя использовать для улавливания сильно слипающейся пыли, а также в условиях токсичных или взрывоопасных сред. В зависимости от требований, предъявляемых к очистке газов, циклоны могут иметь самостоятельное применение или использоваться в качестве первой ступени очистки в сочетании с другими газоочистными аппаратами. *2

ЦН – циклон НИИОГАЗа (Научно-исследовательского института очистки газа); цифры 11, 15 и 24 указывают, под каким углом к горизонту расположен входной патрубок.

65

Процесс разделения неоднородных систем газ–твердые частицы под действием центробежных сил обуславливается разностью плотностей газового потока и твердых частиц, находящихся во вращательном движении. Центробежные силы, возникающие при этом, обеспечивают большую эффективность процесса по сравнению с процессом разделения, проходящим в поле только сил тяжести. Соотношение этих сил называют фактором разделения: f = Pц G . (7.1) Здесь Рц – центробежная сила, отбрасывающая твердую частицу из вращающегося газового потока к стенкам циклона: Pц = mω 2 R, (7.2) где m – масса твердой частицы, кг; ω – окружная скорость частицы (условно принимается равной скорости газового потока во входном патрубке циклона), м/с; R – радиус циклона, м; G = mg – сила тяжести. Фактор разделения характеризует увеличение разделяющей способности в условиях действия центробежной силы: f = mω 2 ( Rmg ) = ω 2 ( Rg ). (7.3) Из выражения (7.3) видно, что эффективность разделения повышается с увеличением скорости газового потока и уменьшением радиуса циклона. Однако значительное увеличение скорости связано с резким возрастанием гидравлического сопротивления циклона и усилением местных завихрений, срывающих уже осевшие на внутренней поверхности циклона твердые частицы, что приводит к ухудшению очистки газа. Обычно наиболее эффективными являются скорости газа на входе в циклон в интервале 15÷25 м/с или в расчете на полное поперечное сечение цилиндрической части циклона в интервале 2,5÷4,0 м/с. Работа циклона оценивается по совокупности его основных характеристик: 1) эффективности разделения (степени очистки или коэффициента полезного действия); 2) гидравлического сопротивления (достижение высокой степени очистки при малом гидравлическом сопротивлении).

66

Степень очистки (%) можно рассчитать, зная начальную сн и конечную ск концентрации твердых частиц в газовом потоке, проходящем через циклон:

η =

с −с ⋅10 0% с Н

К

(7.4)

Н

G −G G ⋅100% = ⋅100% (7.5) G G Здесь Gн, Gк, Gул – расход твердых частиц на входе в циклон, на выходе из циклона и уловленных частиц, кг/с. Степень очистки газового потока зависит от размера и плотности твердых частиц, от плотности и вязкости газового потока, от типа циклона и его геометрических размеров и, конечно, от скорости газового потока на входе в циклон. На рис. 7.1. показана принципиальная схема работы циклона типа ЦН. Запыленный воздух входит в циклон через тангенциально встроенРис. 7.1. Схема работы циклона ный патрубок 2 и, приобретая вращатипа ЦН: 1 – корпус циклона; тельное движение, опускается спи2 – входной патрубок; 3 – выхлопная труба; 4 – бункер ралеобразно вниз вдоль внутренней – сборник уловленных твердых поверхности стенок цилиндрической частиц; 5 – клапан щелевого и конической частей корпуса аппазатвора; 6 – рычаг клапана; рата. Вращаясь вначале в кольцевом 7 – шнековый транспортер пространстве, образованном цилиндрической частью корпуса циклона и выхлопной трубой 3, а затем в зоне, расположенной ниже торца выхлопной трубы, газовый поток образует внешний вращающийся вихрь. При этом развиваются центробежные силы, под действием которых твердые частицы, находящиеся в газовом потоке и обладающие значительно боль-

η=

H

K

H

67

YΛ

H

шей плотностью, чем газ, отбрасываются к стенкам корпуса циклона. Движение твердых частиц по внутренней поверхности циклона к бункеру 4 обусловлено не только влиянием силы тяжести, но и воздействием силы давления газового потока, направленного вниз. Достигнув нижнего торца конической части корпуса циклона, твердые частицы поступают в бункер 4*.3 В конической части корпуса циклона газовый поток начинает менять направление и перемещаться вверх к выхлопной трубе, образуя внутренний вращающийся вихрь. Освобожденный от основной массы твердых частиц, воздушный поток попадает в выхлопную трубу 3 и поднимаясь по ней винтообразно вверх, удаляется из циклона. Оптимальное значение скорости газа на входе в аппарат, обеспечивающей высокую степень очистки, определяют в каждом отдельном случае с учетом свойств разделяемых неоднородных систем (например, фракционного состава твердой фазы, слипаемости твердых частиц, допустимого уноса твердых частиц и др.) и его гидравлического сопротивления. Общее гидравлическое сопротивление циклона, установленного, как показано на схеме (см. рис. 7.2), можно представить как сумму потерь давления: 1) при входе в циклон; 2) на преодоление сопротивления трения в корпусе циклона; 3) при переходе газового потока из внешней зоны циклона большого диаметра во внутреннюю зону (в выхлопную трубу) с поворотом на 180°; 4) на преодоление сопротивления трения в выхлопной трубе. Выражая общее гидравлическое сопротивление через динамический напор во входном патрубке и заменяя сумму частных коэффициентов гидравлических сопротивлений общим коэффициентом гидравлического сопротивления циклона ζц, получим: 2 ∆pц = ζ ц ρω BX 2,

ω BX = V f BX .

(7.6)

Здесь ρ – плотность газовой среды в рабочих условиях, кг/м3; ωвх – скорость газа во входном патрубке, м/с; V – расход газа, м3/с; fвх – площадь поперечного сечения входного патрубка, м2. *3 В бункере 4 создается несколько большее разрежение, чем на выходе из выхлопной трубы циклона, в связи с чем при наличии даже незначительных подсосов (в случае нарушения герметичности) струя воздуха, захватывая твердые частицы, выносит их из циклона, что резко снижает степень очистки газового потока.

68

При расчете общего гидравлического сопротивления циклона чаще его определяют как функцию условной скорости газа ωц, т. е. отнесенной к площади свободного поперечного сечения цилиндрической части корпуса циклона:

∆pц = ζ ц' ρωц2 2.

(7.7) Условная скорость газа в циклоне, обеспечивающая высокую степень очистки, лежит в пределах 3÷3,5 м/с и рассчитывается по уравнению: ω ц = V (0, 785 D ц2 ), (7.8) здесь Dц – диаметр циклона, м. Значения коэффициентов ζц и ζц' зависят от конструктивных особенностей циклонов. Степень улавливания при всех прочих одинаковых условиях зависит от скорости газового потока, а следовательно, и от соотношения ∆рц/ρ. Наилучшие условия очистки запыленного газа обеспечиваются при ∆рц = 500÷750 м2/с2. Выше этих значений будет перерасход энергии при практически постоянной степени очистки η, ниже – степень очистки будет заметно снижаться.

пользованы: для определения расхода воздуха – дифференциальный манометр 7, подключенный к диафрагме 9, для определения гидравлического сопротивления циклона – дифференциальный манометр 6, подсоединенный на входе в циклон и выходе из него. В целях предотвращения запыленности помещения, где размещена установка, на трубопроводе после вентилятора установлен рукавный фильтр 13.

Описание установки

Твердые частицы из бункера 1 (рис. 7.2) с помощью дозатора 2 поступают в трубопровод 3 и образуют с движущимся в этом трубопроводе воздухом запыленный воздушный поток. Уловленные в циклоне твердые частицы собираются в сборнике 8. Циклон типа ЦН-15 является основным аппаратом в представленной схеме; внутренний диаметр его цилиндрической части 170 мм*4(входной патрубок имеет размеры (115 × 35) мм; изготовлен из стали (для визуального наблюдения за процессом циклон может быть выполнен из стекла или из органического стекла при обеспечении условий отвода статического электричества). Циклон соединен с вытяжным вентилятором 11 (с электродвигателем 12) системой трубопроводов – входным всасывающим 3 и выходным нагнетательным 4 (относительно циклона). Расход воздуха регулируется задвижкой 10. В качестве измерительных приборов ис-

Рис. 7.2. Схема установки: 1 – бункер с твердой фазой; 2 – дозатор твердой фазы; 3 – всасывающая линия; 4 – нагнетательная линия; 5 – циклон; 6,7 – U – образные дифманометры; 8 – сборник уловленных твердых частиц; 9 – диафрагма; 10 – задвижка; 11 – вентилятор; 12 – электродвигатель; 13 – рукавный фильтр

*4 Циклоны типа ЦН-15 промышленного назначения изготавливают диаметром от 300 до 1400 мм (300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400 мм).

В качестве фильтровального материала могут быть использованы, например, ткани из волокон растительного (лен, хлопок) и животного (шерсть, шелк) происхождения, а также из синтетических волокон (полипропилен, капрон, нейлон, нитрон, лавсан, тефлон, стекловолокно и др.). Из фильтровальных тканей, изготавливаемых на основе волокон естественного происхождения, можно рекомендовать фильтровальное сукно № 2, арт. 20, выпускаемое отечественной промышленностью в соответствии с ГОСТ 6986–69; из искусственных тканей – нитрон, изготавливаемый из полиакрилнитрильных волокон.

69

70

При улавливании пылей, способных накапливать статическое электричество, разработан специальный антистатический фильтровальный материал на основе лавсана с добавлением металлических волокон*.5 Порядок выполнения работы

Исследование работы циклона проводят в два этапа. Сначала определяют гидравлическое сопротивление циклона в зависимости от скорости газового потока, затем – степень очистки в зависимости от скорости газового потока при постоянной концентрации в нем твердых частиц**.6 В первой части работы исследование проводят на незапыленном воздухе. Включают вентилятор 11 и устанавливают с помощью задвижки 10 необходимый расход воздуха в пределах, заданных преподавателем (6÷8 значений расходов). Показания дифманометров 6 и 7 снимают при установленном расходе воздуха одновременно по команде «отсчет» и заносят в отчетную таблицу. Во второй части работы исследование проводят на запыленном воздухе при тех же значениях расходов воздуха, что и в первом этапе исследований. С целью сохранения постоянной концентрации твердых частиц в газовом потоке в каждом опыте расход твердой фазы регулируют дозатором путем изменения частоты вращения тарелки дозатора 2. Твердой фазой служит сыпучий материал со средним размером частиц 40÷100 мкм, например можно рекомендовать силикатный катализатор, кварцевый песок, а также другие материалы, отличающиеся по плотности от первых двух. Заданную фракцию твердого материала студенты готовят сами, используя ситовой анализ с применением набора различных стандартных сит. Перед началом работы проверяют наличие твердого сыпучего материала в бункере 1, настраивают на необходимый расход твердой фазы дозатор 2, предварительно продувают систему, включив на некоторое время вентилятор, затем освобождают от твердого материала сборник 8. После этого можно считать установку подготовленной к проведению исследований.

Включают вентилятор и с помощью регулирующей задвижки 10 устанавливают нужный расход воздуха. Затем включают в работу одновременно дозатор твердой фазы и секундомер. По мере накопления определенного объема материала в сборнике 8 останавливают дозатор с одновременной отсечкой секундомера. Вентилятор продолжает работать в заданном режиме еще некоторое время (3÷5 мин), а затем его останавливают. Твердый материал*,7уловленный из газового потока за время опыта в сборнике 8, взвешивают на технических весах. После этого приступают к подготовке установки для проведения очередного опыта (исследования проводят при 6÷8 значениях расхода воздуха). Полученные в каждом опыте данные заносят в отчетную таблицу. Обработка опытных данных и составление отчета

По экспериментальным данным таблицы, для каждого опыта: 1) определяют расход воздуха (V, м3/ч) по градуировочному графику дифманометра 7; 2) рассчитывают скорость газового потока во входном патрубке циклона ωвх и условную скорость газового потока в циклоне ωц по уравнениям (7.6) и (7.8); 3) рассчитывают соответствующие коэффициенты гидравлических сопротивлений ζц и ζц' (уравнения (7.6) и (7.7)); 4) определяют отношение ∆рц/ρ; 5) находят расход (кг/с) уловленного твердого материала: Gул = m/τ, где m – масса (кг) уловленного твердого материала за время работы дозатора τ; 6) рассчитывают степень очистки η (уравнение 7.5). В отчет о работе должны быть включены: а) задание; б) схема установки со спецификацией; в) отчетная таблица; г) все перечисленные выше расчеты; д) график зависимости ∆рц от скорости воздуха – ωц или ωвх; е) график зависимости η от ∆рц/ρ (из графика определить оптимальную скорость воздуха, соответствующую высокой степени очистки при малом гидравлическом сопротивлении циклона (см. рис. 7.3, точка А).

*5

Семибратовским филиалом НИИОГАЗа. Можно также провести серию опытов по установлению влияния концентрации твердой фазы и фракционного состава на степень очистки.

*7 После остановки вентилятора следует простучать корпус циклона, чтобы собрать материал с его поверхности.

71

72

**6

Контрольные вопросы

η,%

100

95

.

90

А

85 80 75 70 0

200

400

600

800

1000

∆рц/ρ,м2/с2

Рис. 7.3. Зависимость степени очистки η циклона от соотношения ∆ Рц / ρ

мм вод. Па ζц ζц' ст. I. Испытания циклона на незапыленном воздухе

Степень очистки η, %

Расход уловленного твердого материала Gул, кг/с

Коэффициент гидравлического сопротивления

Условная скорость воздуха в циклоне ωц, м/с

Скорость воздуха во входном патрубке ωвх, м/с

Расход воздуха V, м3/с

Рассчитанные величины

Масса уловленного твердого материала m, кг

Время работы дозатора τ, с

Расход твердого материала на входе в циклон Gн, кг/с

Показание дифманометра, присоединенного к циклону, ∆рц

Показание дифманометра, присоединенного к диафрагме, мм вод. ст.

№ опыта

Измеренные величины

1. Какие системы в гидромеханике называют неоднородными? 2. Что такое пыль? 3. Какие аппараты применяют для улавливания пыли? 4. Как устроен циклон? 5. За счет чего в циклоне возникает центробежная сила? 6. Что такое фактор разделения? 7. Как влияют диаметр циклона и скорость газового потока на его разделяющую способность? 8. С какой целью в промышленной практике прибегают к применению батарейных циклонов? 9. Что называют степенью очистки или коэффициентом полезного действия циклона? 10. Как определить концентрацию твердых частиц в газовом потоке на выходе из циклона и количество унесенной твердой фазы? 11. Что понимают под гидравлическим сопротивлением ∆рц циклона, как его рассчитывают и какие факторы влияют на него? 12. Как рассчитать коэффициент гидравлического сопротивления циклона? 13. Указать последовательность действий при пуске и остановке экспериментальной установки. Рекомендуемая литература

1. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. Л.: Химия, 1987. 264 с. 2. Лукин В.Д., Курочкина М.И. Очистка вентиляционных выбросов в химической промышленности. Л.: Химия, 1981. 232 с. 3. Циклоны НИИОГАЗ. Руководящие указания по проектированию, изготовлению, монтажу и эксплуатации. Ярославль: Верхне-Волжское изд-во, 1971. 96 с.

II. Испытания циклона на запыленном воздухе

73

74

Лабораторная работа № 8 РАЗДЕЛЕНИЕ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ РЕКТИФИКАЦИЕЙ

Цель работы: Ознакомиться с устройством и принципом работы аппарата для перегонки нефтепродуктов АРН-2. Отогнать из нефти бензиновую фракцию. Исследовать некоторые физикохимические свойства нефти и нефтяной фракции. Основные определения и теория процесса

В свете современных представлений нефть состоит из низко- и высокомолекулярных углеводородных и неуглеводородных компонентов. Это дисперсная система, характеризующаяся сложной внутренней организацией, способной изменяться под воздействием внешних факторов. Вследствие этого физико-химические параметры нефта (плотность, вязкость и т. д.) не являются аддитивными величинами и определяются по эмпирическим формулам чаще всего на основе средней температуры выкипания и характеристических коэффициентов, отражающих химический состав. Основную массу нефти составляют углеводороды трех гомологических рядов – алканы, циклоалканы и арены. Однако наиболее широко представлены в нефти углеводороды смешанного строения. В химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности для разделения жидких смесей на технически чистые продукты применяют ректификацию. Этот процесс основан на различной летучести составляющих смесь компонентов, т. е. на различии в температурах кипения компонентов при одинаковом давлении. Процесс ректификации осуществляют в аппаратах, называемых ректификационными колоннами. В промышленности наибольшее распространение получили тарельчатые ректификационные колонны с колпачковыми, ситчатыми, клапанными и решетчатыми тарелками.

75

Рис. 8.1. Схема потоков в ректификационной установке: 1 – ректификационная колонна; 2 – куб-испаритель; 3 – дефлегматор. Расходы, кмоль/с; GF – исходной смеси, GD – дистиллята, GW – кубового остатка; GV – парового потока; GR – флегмы. Относительные молярные потоки (в расчете на 1 кмоль дистиллята): F – исходной смеси; W – кубового остатка; V – пара; R – флегмы (флегмовое число). Концентрация легколетучего компонента: xF – в исходной смеси; xD – в дистилляте; xW – в кубовом остатке; x, y – переменные по высоте колонны, т. е. текущие концентрации

Через ректификационную колонну противотоком движутся пар и жидкость (рис. 8.1). Пар идет снизу вверх, жидкость стекает сверху вниз. На каждой тарелке колонны они вступают в контакт благодаря барботажу – прохождению пузырьков и струек пара через слой жидкости на тарелке. Вследствие отсутствия термодинамического равновесия между паром и жидкостью при этом возникают процессы тепло- и массообмена, в результате которых состояние двухфазной системы приближается к равновесному. Пар становится богаче более летучим (низкокипящим) компонентом, а жидкость – менее летучим (высококипящим). Температура пара падает, жидкости – возрастает. Пар образуется в кубе-испарителе при кипении жидкости, стекающей в него с нижней тарелки колонны. Концентрация легколетучего компонента как в жидкости, так и в образующемся при ее кипении паре, низкая. Из куба-испарителя пар поступает в колонну под нижнюю тарелку. По мере продвижения через тарелки пар все в большей степени обогащается легколетучим компонен76

том. С верхней тарелки пар уходит в конденсатор (дефлегматор), где полностью конденсируется. Часть образовавшегося конденсата – жидкости с высокой концентрацией более летучего компонента – поступает на верхнюю тарелку колонны. Эту часть жидкости называют флегмой GR. Остальную жидкость отбирают в качестве верхнего продукта – дистиллята GD. Флегма, стекая вниз по тарелкам, обедняется более летучим компонентом и приходит в куб-испаритель состоящей в основном из менее летучего компонента. Часть этой жидкости отбирают в качестве нижнего продукта разделения – кубового остатка Gw. Исходную бинарную смесь (питание) GF подают на одну из тарелок средней части колонны, на которой состав жидкости близок составу питания. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения подаваемой в колонну исходной смеси GF состава xF на дистиллят GD с высоким содержанием более летучего компонента xD и кубовый остаток Gw с малой его концентрацией xw. Концентрации xD и xw получаемых продуктов разделения зависят от числа тарелок в колонне и от режима ее работы. Для обогрева испарителей ректификационных колонн наиболее часто применяют насыщенный водяной пар. Реже используют электронагрев, топочные газы и высокотемпературные органические теплоносители. Охлаждение конденсаторов (дефлегматоров) производят чаще всего водой, реже – атмосферным воздухом. В математическое описание процесса ректификации в тарельчатых колоннах входят следующие основные соотношения. 1. Уравнение равновесия при общем давлении в системе n = const: у* = f(x). (8.1) 2. Уравнение материального баланса по потокам (общее) (см. рис. 8.1). GF=GD + Gw (8.2) или F=l + W, (8.3) где F = GF/GD, W = GW/GD – так называемые относительные молярные расходы питания и кубового остатка соответственно.

3. Уравнение материального баланса колонны по наиболее летучему компоненту: GF xF = GDxF + Gw xF (8.4) или FxF = xD + W xw (8.5) 4. Уравнения рабочих линий, связывающие составы пара и жидкости в сечениях между тарелками: а) в верхней части колонны, т. е. выше ввода питания y = Rx/V + xD/V, (8.6) б) в нижней части колонны, т.е. ниже ввода питания у = (R+F)x /V-(l-F)/V, (8.7) где относительный молярный расход пара V и флегмовое число определяются соотношениями: V = GV/GD, (8.8) R = GR/GD (8.9) Из материального баланса дефлегматора следует, что GV = GR + GD (8.10) или V = R+1. (8.11) Уравнения рабочих линий – это материальные балансы частей колонны по более летучему компоненту (после небольших преобразований). При допущении, что молярные потоки пара Gy и жидкости GR – для верхней части и GR + GF – для нижней постоянны, рабочие линии прямые. 5. Соотношение для оценки работы отдельных тарелок колонны: η = (yi – yi-1)/(yi* – yi-1). (8.12)

77

78

Величину η называют КПД тарелки, эффективностью разделения, коэффициентом обогащения. Числитель в данном соотношении (8.12) – это изменение состава пара на тарелке с номером i, знаменатель – то же в допущении, что уходящий с тарелки пар равновесен с покидающей ее жидкостью состава хi (составы пара и жидкости снабжены индексом, обозначающим номер той тарелки, которую они покидают; счет тарелок – снизу вверх). При графическом изображении тарелки числителю и знаменателю отвечают отрезки АВ и АС (рис. 8.2).

Рис. 8.2. К определению КПД i-ой тарелки: А – схема тарелки; б – ηi <1; в – ηi >1; 1 – линия равновесия; 2 – рабочая линия; АВ – изменение состава пара на i-той тарелке; АС – то же на теоретической тарелке; ВД – изменение состава жидкости на i-той тарелке

Значение ηi зависит от конструкции тарелки, физических свойств фаз и режима работы (скорости пара, флегмового числа). При небольших изменениях в последнем для данного конкретного аппарата ηi определяется прежде всего физическими свойствами фаз, в особенности жидкости. Для грубой оценки работы тарелок пользуются соотношением для среднего КПД: ηср= птт / п , (8.13 ) где – птт число теоретических тарелок, или ступеней изменения концентрации; п – число тарелок в колонне. Под теоретической тарелкой подразумевают идеализированный контактный элемент, на котором жидкость по всей площади идеально перемешана, а покидающий его пар достиг состояния равновесия. Порядок выполнения работы

3. Вывести колонну на режим, руководствуясь рекомендациями по методике работы на АРН-2 (паспорт) и заданными пределами выкипания отбираемой нефтяной фракции. 4. Отогнать и количественно собрать бензиновую фракцию с заданными преподавателем температурными интервалами. С момента включения электрообогрева колонки и до окончания отбора целевой фракции наблюдать за изменениями температуры в кубе и по высоте колонны, зафиксировав их в момент начала и окончания отбора целевой фракции. 5. Замерить объем отобранной бензиновой фракции, определить ее плотность, показатель преломления, сделать фракционную разгонку по Энглеру. 6. Определить плотность и содержание воды в нефти. Обработка результатов измерений и содержание отчета

1. Показать графически Т = f (τ ) изменение температуры в кубе и по высоте колонны при выводе аппарата на режим и отборе целевой функции, выделив температуры начала и окончания отгонки фракции. Данные по фракционному составу бензиновой фракции (разгонка по Энглеру) представить в виде таблицы (табл. 8.1) и рассчитать по ним среднюю температуру кипения фракции: tср =

10% 20% 98% tкип + tкип + ... + tкип , °С. 10

(8.14)

2. Рассчитать выход целевой бензиновой фракции на нефть, % масс:

Ф=

Vб ⋅ ρ б , Vн ⋅ ρ н

(8.15)

1. Ознакомиться с устройством и принципом работы аппарата АРН-2 (см. Приложение, рис. 8.3). 2. В куб ректификационной колонны загрузить 1,8 дм3 нефти. Нефть предварительно должна быть обезвожена и обессолена, содержание воды в ней не должно превышать 0,3 % масс., солей – 5 мг/дм3.

где Vн , Vб – объем нефти, взятой на перегонку, и отобранной бензиновой фракции соответственно, м3; ρ н , ρ б – плотность нефти и

79

80

бензина соответственно, м3. 3. Рассчитать удельную (R1,2) и молекулярную (R2М) рефракции.

4. Рассчитать среднюю молекулярную массу бензиновой фракции. 5. Рассчитать содержание воды в нефти в % (масс.). 6. Полученные экспериментальные и расчетные данные физико-химических показателей нефти и бензиновой фракции свести в таблицу (табл. 8.2). Таблица 8.1 Фракционный состав исследуемой бензиновой фракции % об. выкипания фракции Температура выкипания, °С

нач. 10 кип.

20

30

40

50

60

70

80

90

98

Таблица 8.2

Нефть

1. Выход, % масс. 2. Фракционный состав: – температура начала кипения, °С – температура выкипания 98 %, °С 3. Плотность, кг/м3 4. Показатель преломления, nD20 5. Удельная рефракция, R 6. Молекулярная рефракция, R1М 7. Молекулярная масса, г/моль 8. Содержание воды, % масс.

1. В чем заключается физическая сущность процесса ректификации? Что является его движущей силой? 2. Для чего служит дефлегматор? 3. Почему необходимо следить, чтобы температура охлаждающей воды, выходящей из дефлегматора, не была высокой? 4. Что такое барботаж? 5. Какие процессы происходят на тарелках ректификационной колонны? 6. Что такое КПД тарелки? 7. Как изменить флегмовое число в работающей колонне? 8. Как изменится на диаграмме y–x положение рабочей линии верхней части колонны, если при неизменной молярной доле дистиллята увеличится флегмовое число? 9. Как определить коэффициент избытка флегмы? Рекомендуемая литература

Отчетная таблица Показатели

Контрольные вопросы

Бензиновая Фракция

– –

1. Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. 3-е изд. М.: Химия, 1978. 280 с. 2. Гильденблат И.А. и др. Аппаратура массообменных процессов химической технологии. М.: Изд. МХТИ, 1981. 80 с. 3. Кафаров В.В. Основы массопередачи. 3-е изд. М.: Высшая школа, 1979. 439 с.

– – – – –

Отчет о работе должен содержать цель и краткое описание порядка выполнения работы, экспериментальные и расчетные данные, сводные таблицы 8.1 и 8.2.

81

82

Приложение к лабораторной работе № 8

Перед началом перегонки все краны смазывают смазкой ЦИАТИМ-221 (необходимо следить, чтобы смазка не попала в отвер-

стия кранов). Краны манифольда ставят согласно обозначениям (рис. 8.3): кран В открывают, кран Г закрывают, кран Ж и зажим З закрывают. В холодильник 5 узла конденсации пускают воду, в рубашки воронок 6в и 6н загружают лед. Образец нефти или нефтепродукта в количестве 1,9 или 3,0 л наливают в кубик через горловину. Кубик 2 соединяют с колонкой 3 через накидную гайку 13, которую плотно завинчивают. Трубку 15 соединяют открытым концом через накидную гайку и переходную трубку с дифференциальным манометром 10, в карман термопары вставляют термопару 17. Для уменьшения потерь тепла места соединения кубика с колонкой и колонки с головкой-конденсатором закрывают стеклянной или асбестовой тканью. Кран Д от начала перегонки закрывают. Для проведения атмосферной перегонки аппарат включают в электросеть, при этом должна загореться сигнальная лампа. Нажимом кнопки «вверх» поднимают электропечь. Включают потенциометр. Включают обогрев дна печи и колонки. Обогрев регулируют так, чтобы разгонка началась приблизительно через 1,5–2 часа. Кран Д закрыт до тех пор, пока не установится равновесие в колонке. Признаком установления равновесия служит остановка температуры в парах, которая вначале при появлении флегмы сразу поднимается, а затем устанавливается по мере накопления легких продуктов в верхней части колонки. После этого кран Д открывают и начинают отбор фракций. Скорость перегонки 3–4 мл/мин. В зависимости от цели перегонки фракции отбирают в пределах заданных температур или по заданным объему или массе. Отбор фракций при атмосферном давлении производят до температуры 200 °С (в случае высокосернистых и высокосмолистых нефтей – до 180 °С). Фракции отбирают в тарированные колбы и взвешивают. Отбор фракций, выкипающих до 200 °С, продолжается около 6–7 часов. После того, как температура в парах достигнет 200 °С, атмосферную перегонку прекращают: выключают обогрев печи и колонки, выключают потенциометр. Прекращают доступ воды в холодильник путем перекрытия водяного крана. Аппарат отключают от электросети.

83

84

Разделение многокомпонентных смесей ректификацией на аппарате АРН Методика проведения работы Для перегонки на аппарате АРН-2 допускается нефть или нефтепродукты с содержанием воды не более 0,5 %. В случае большего содержания воды нефть или нефтепродукты подвергают предварительному обезвоживанию. Перед началом работы аппарат проверяют на герметичность. Если аппарат собран герметично, то остаточное давление 1–2 мм рт. ст. в системе не изменяется в течение 1–2 часов. После каждой перегонки аппарат промывают бензином. Для промывки требуется около 1 л бензина. После промывки аппарат продувают воздухом.

Рис. 8.3. Схема технологического блока аппарата АРН-2

Лабораторная работа № 9 ЭФФЕКТИВНОСТЬ МАССООБМЕНА ПРИ АБСОРБЦИИ В НАСАДОЧНЫХ АППАРАТАХ

растворенного газа и поглотителя; х – мольная доля поглощаемого компонента в растворе.

Цель работы: Изучить процесс физической абсорбции в колонных аппаратах; рассчитать коэффициент массопередачи, число и высоту единицы переноса для насадочной колонны. Основные определения и теория процесса

Абсорбция газов – объемное поглощение газа или пара жидкостью (абсорбентом), приводящее к образованию раствора. При абсорбции обычно поглощается один или более ценных компонентов из газовой смеси; непоглощаемые части называются инертными газами. Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию. При физической абсорбции поглощение жидкостью одного из компонентов происходит лишь до тех пор, пока его парциальное давление в газовой фазе выше равновесного над раствором. При хемосорбции абсорбируемый компонент, взаимодействуя с жидкой фазой, образует химическое соединение. Процесс абсорбции осуществляется в аппаратах, называемых абсорберами, среди которых наиболее распространены абсорберы колонного типа – насадочные и тарельчатые. Основные размеры абсорбера (диаметр, высота, число тарелок) рассчитываются с учетом условий работы: производительности, необходимой степени извлечения компонента из газа и т. д., а также данных по статике и кинетике процесса. Статика абсорбции рассматривает вопросы равновесия между фазами, которое определяется термодинамическими свойствами компонента и поглотителя, их составом и зависит от температуры и давления, а в случае разбавленных растворов и при низких давлениях для описания равновесия между газом и жидкостью применим закон Генри: p* = K x , (9.1) где р* – парциальное давление газа над раствором в условиях равновесия, Па; К – коэффициент растворимости (коэффициент Генри) имеет размерность давления и зависит от температуры, свойств 85

Рис. 9.1. Построение равновесной (ОС) и рабочей (ДВ) линий

Рис. 9.2. Схема потоков и концентраций фаз

Для газовой фазы, если состав ее выражен в мольных долях, формула (9.1) принимает вид:

y* =

K p

x ,

(9.2)

где р – общее давление, Па. Закон Генри применим для плохо растворимых газов, т. е. справедлив и для случая поглощения СО2 водой. Кинетика абсорбции, скорость массообмена определяются движущей силой процесса (степенью отклонения системы от равновесного состояния), свойствами поглотителя, компонента и инертного газа, а также способом соприкосновения фаз (гидродинамическим режимом). Движущую силу процесса можно рассчитать графически, построив равновесную и рабочую линии. Для процессов с содержанием компонента в фазах ниже 5–10 % (для нашего случая) рабочую линию в координатах у–х можно принять в виде прямой АВ, проведенной через точки, отвечающие значениям концентраций поглощаемого компонента на входе (хк, ун) и выходе (хн, ук) газа из аппарата (рис. 9.1). 86

Движущая сила, выраженная через концентрации компонента в газовой фазе, будет определяться как разность ∆ун = ун – ун* на входе газа в аппарат и ∆ук = ук – ук* – на выходе. Аналогично можно выразить движущую силу через концентрации того же компонента в жидкой фазе: как разности ∆хк = хк* – хк и ∆хн = хн* – хн, где ун*, ук*, хн*, хк* – концентрации компонента в газовой и жидкой фазах, равновесные с концентрацией компонента в жидкости и газе на входе в абсорбер и выходе из абсорбера, кмоль/кмоль. Значения ∆х и ∆у изменяются по высоте аппарата (рис. 9.1). Поэтому в расчетах, если рабочая и равновесная линии прямые, используют среднелогарифмическое значение ∆

y ср

=

∆

x ср

=

yн− ∆ yк ; ln ( ∆ y н / ∆ y к ) ∆ x к − ∆ x н ln ( ∆ x к / ∆ x н ) . ∆

(9.3) (9.4)

М = Кv(г)V∆уср, (9.8) М = Кv(ж)VF∆хср, (9.9) где Кv(г) = К(г)a; Кv(ж) = К(ж)а – объемные коэффициенты массопередачи, моль/(м3⋅с). В инженерной практике применяется метод расчета абсорберов по числу и высоте единиц переноса. Число единиц переноса представляет собой отношение изменения рабочих концентраций к средней движущей силе и выражается зависимостью: для газовой фазы –

m

для жидкой фазы –

mх =

y

=

yн − y к ; ∆ y ср

(9.10)

хк − хн . ∆ х ср

(9.11)

Единицу переноса можно рассматривать как элемент абсорбера, в котором изменение рабочей концентрации в одной из фаз равно средней движущей силе. Высота единиц переноса, или высота зоны контакта, эквивалентная одной единице переноса, определяется из выражений:

Как правило, значения ун, ук, хн, а также расход газа G и жидкости L известны. Значение хк можно определить из уравнения материального баланса по поглощаемому компоненту. При этом принимается, что количество поглощенного жидкостью компонента равно убыли его в газе, т. е. при L, G ≈ соnst M = G (ун – ук) = ± L (хн – хк), (9.5) где знаки «плюс» и «минус» отвечают противоточному и прямоточному процессам соответственно. Абсорбер можно рассчитать по основному уравнению массопередачи: (9.6) М = К(г)F∆уср, (9.7) М = К(ж)F∆хср, где K(г) и K(ж) – поверхностный коэффициент массопередачи, рассчитанный по газовой или жидкой фазам соответственно, кмоль/(м2⋅с); F – поверхность контакта фаз, м2. Однако часто значение F неизвестно, поэтому в расчетах используют объемный коэффициент массопередачи, отнесенный к объему зоны контакта. В таком случае F заменяют на аV, где а – удельная поверхность контакта, м2/м3; V – объем зоны контакта, м3. Тогда уравнения (9.6) и (9.7) имеют вид:

где S – площадь сечения аппарата, м2. Зная число и высоту единиц переноса, можно найти высоту рабочей зоны абсорбера: Н = hу ту или Н = hх тх . (9.14) Приведенные методы расчета используются для абсорберов с непрерывным контактом фаз (например насадочных, пленочных).

87

88

для газовой фазы –

hy =

для жидкой фазы –

hх =

G S K v (г)

L S K v (ж)

;

(9.12)

,

(9.13)

Описание установки

Лабораторная установка (рис. 9.3) включает насадочный абсорбер 11 с кольцами Рашига 25х25хЗ мм и вспомогательное оборудование. Диаметр абсорбера 0,1 м, высота насадки 1 м. Вспомогательное оборудование: смеситель горячей и холодной воды 3, термометр 4 для замера температуры воды перед напорным баком 5, воздуходувку (вентилятор) 14 с регулятором

напряжения 15, измерительные устройства для замера расходов. Воздух измеряется диафрагмой 13 с дифманометром 9, жидкость (вода) – ротаметром 7, СО2 – ротаметром 2. С помощью газоанализатора 8 контролируется концентрация СО2 в воздухе перед входом его в абсорберы. Вентилем 6 регулируется расход воды; заслонка 12 служит для отключения подачи газовоздушной смеси в абсорбер; в баллоне 1 содержится СО2. Дифманометром 10 замеряется перепад давления. Маховики вентилей, контрольно-измерительные и вспомогательные приборы, ротаметры, U-образные манометры, регулятор напряжения воздуходувки, выключатели и газоанализатор вынесены на щит управления.

Порядок выполнения работы

1. В напорном бачке 5 с помощью смесителя горячей и холодной воды 3 устанавливают температуру воды, равную температуре окружающего воздуха. 2. Регулируя расход воды вентилем 6, на орошение абсорбера подают (70 – 100)⋅10–3 м3/ч воды. 3. Включают воздуходувку (вентилятор) 14, открыв предварительно заслонку 12, и устанавливают расход воздуха ≈ 20–25 мЗ/ч. 4. После выхода колонны на режим открывают вентиль на баллоне 1 с CO2 и редукционным вентилем устанавливают расход так, чтобы его концентрация в воздухе составляла 3–4 мол. % (расчетным путем или по показанию газоанализатора 8). 5. Через 2–3 мин работы абсорбера отбирают пробы жидкости (0,2⋅10 – 3 мЗ) внизу колонны для анализа на содержание СО2. 6. После окончания опыта отключают насадочную колонну, последовательно закрывая подачу CO2, воды и воздуха. Обработка результатов измерений и содержание отчета

1. В координатах у–х строят равновесную линию процесса абсорбции СО2 водой по формуле (9.2) (температура комнатная, давление атмосферное, коэффициент Генри находят по таблице 9.2). 2. Определяют концентрацию СО2 в жидкости на выходе из аппарата (хк) (методика определения приводится на стенде) и, приняв хн = 0, из уравнения материального баланса (9.5) находят ук. Через точки с координатами (xн, ук) и (хк, yн) проводят прямую (рабочую) линию. 3. Рассчитывают среднюю движущую силу процесса по формуле (9.3) или (9.4). 4. Определяют объемный коэффициент массопередачи по формуле (9.8) или (9.9), высоту зоны контакта, эквивалентную единице переноса, – по (9.12) или (9.13) и число единиц переноса. Отчет о работе должен содержать цель и описание работы; схему лабораторной установки; расчеты для насадочной и тарельчатой колонн; таблицу измеренных и рассчитанных величин. Рис. 9.3. Схема установки для изучения процесса абсорбции 89

90

Таблица 9.1

Приложение к лабораторной работе № 9

Отчетная таблица Концентрация СО2, кмоль/кмоль

3

Расход, м /с жидкости L

воздуха G

CO2

в жидкости хн хк

Таблица 9.2 Температура поглотителя, °С

Примечание

в воздухе

Значения постоянной К (константы Генри) для водных растворов некоторых газов (К⋅10 – 6, Па) Температура, °С

Газ N2

NH3

Воздух

СО2

SO2

H2S

0

5358,66

0,208

4372,24

73,715

1,6662

27,0599

Контрольные вопросы

5

6051,82

0,224

4945,43

88,778

2,0261

31,8587

1. Физическая сущность процессов абсорбции и десорбции. Для решения каких практических задач применяют эти процессы? 2. Сформулируйте закон Генри. Для каких систем применим этот закон? 3. Как составляется материальный баланс процесса абсорбции? Понятие рабочей линии процесса абсорбции. 4. Основные методы и особенности расчета абсорберов с непрерывным и ступенчатым контактом фаз.

10

6771,64

0,240

5558,61

105,574

2,4527

37,0574

15

7478,13

0,257

6145,13

123,969

2,9326

42,7893

20

8144,63

0,277

6718,32

143,964

3,5458

48,9211

25

8757,81

0,297

7291,51

165,292

4,1323

55,1862

30

9357,66

0,321

7811,38

187,953

4,8521

61,7179

40

10557,36

–

8811,13

235,941

6,5983

75,4478

60

12116,97

–

8811,13

–

ун

ук

Рекомендуемая литература

1. Гильденблат И.А. и др. Аппаратура массообменных процессов химической технологии. М.: Изд-во МХТИ, 1981. 2. Рамм В.М. Абсорбция газов. М.: Химия, 1976.

91

92

11,1839 104,2406

КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ

Контрольная работа № 3

Студенты выполняют три контрольные работы. Контрольные работы выполняются в единой системе единиц (СИ) с указанием размерности всех величин, встречающихся в задаче. Работа должна быть подписана студентом. Контрольная работа должна содержать титульный лист (номер работы, фамилию, имя, отчество студента, номер группы, название работы, вариант, дату), полное изложение текста задачи со своими данными, схему процесса или аппарата с указанием направления течения материальных потоков, расчет, список литературы.

Рассчитать сушильную установку непрерывного действия производительностью по влажному материалу Gн, кг/ч для высушивания влажного материала от начальной влажности сн %, масс. до конечной ск %, масс. Влажный материал поступает в сушилку с начальной температурой tн, °C и выходит с конечной tk °C. Сушка осуществляется горячим воздухом с температурой t1, °C , отработанный воздух выходит с температурой t2, °C. Тип сушилки и место ее установки заданы в таблице. Объемное напряжение по влаге Av, кг/(м3·ч). Дать технологическую схему установки и схематично изобразить процесс сушки на I–X диаграмме. В результате расчета сушильной установки определить: • производительность сушилки по сухому материалу; • часовой расход воздуха и тепла на сушку для летних и зимних условий; • диаметр и длину сушилки; • ориентировочную поверхность калорифера; • производительность вентилятора.

Контрольная работа № 1

В непрерывно действующую ректификационную колонну подается Gf, кг/ч исходной смеси с начальной концентрацией легколетучего компонента xf, % масс. Содержание легколетучего компонента в дистилляте xd, % масс., в кубовом остатке xw % масс. Коэффициент избытка флегмы β. Давление в колонне атмосферное. Рассчитать диаметр и высоту ректификационной колонны. Примечание: число действительных тарелок рассчитать методом кинетической кривой, приняв η0 = 0,5. В качестве насадки применены керамические кольца 25×25×3 мм. Дать технологическую схему ректификационной установки. Контрольная работа № 2

Рассчитать диаметр и высоту слоя насадки абсорбера для улавливания из воздуха компонента А поглотителем В. Рассчитать также расход газовой смеси в рабочих условиях V, м3/ч, с концентрацией компонента А yн, %, объемная, степень улавливания составляет α, %. Концентрация компонента А в поглотителе В на входе в абсорбер Xн=0, а на выходе составляет n, % от максимально возможной в данных условиях, т. е. от равновесной с входящим газом. Скорость газа в абсорбере w (м/c), коэффициент массопередачи Кх, кмоль А/(м2·ч·кмоль А/кмоль В), коэффициент смачиваемости насадки ψ = 0.88. В качестве насадки используются керамические кольца Рашига размером 25×25×3, давление в колонне Р, МПа и температура 20 °С. Дать принципиальную схему абсорбера и диаграмму Y–X. 93

94

Приложение к контрольной работе № 1

Приложение к контрольной работе № 2

5000 47 85 2 1,6 4000 35 80 1 1,7

13

1000 20 80 6 1,2

14 15

Этанол–метанол

12

2000 45 85 1 1,3 3000 25 90 5 1,4

2500 35 85 5 1,5

23

7000 40 95 3 1,6

24

3500 30 83 4 1,7

25

9500 15 99 1 1,2

26

2000 45 95 2 1,3

27 28 29 30

8500 20 92 6 1,4 3000 40 88 5 1,5 7500 35 85 4 1,6 4500 25 81 3 1,7

Вода

Вариант

Тип колонны Ко лп.

Аммиак Ацетон

Вода Вода

22

8000 25 80 2 1,4

Двуокись углерода

21

Насадочн.

Смесь Этанол– метанол

Вариант

Тип колонны Ситч. тар.

95

1500 45 98 6 1,3

Вода

11

6000 40 87 3 1,5

20

В

Вода

10

7000 30 90 4 1,4

9000 15 90 1 1,2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

А

Метиловый спирт

9

8000 20 95 5 1,3

19

Исходные данные для расчета насадочного абсорбера

Этиловый спирт

8

7000 35 82 3 1,7

Ситч. тар.

9000 25 98 6 1,2

18

Колп. тар.

7

5500 30 95 4 1,6

Насадочн.

6500 15 92 6 1,7

4500 40 93 2 1,5

Ситч. тар.

6

x f, x d x w β

Колп. тар.

5500 45 90 5 1,6

Уксусная кислота–вода

5

Gf,

Насадочн.

4500 40 88 4 1,5

17

Метанол–вода

4

3500 35 86 3 1,4

16

Бензолуксусная кислота

3

Колп. тар.

2500 30 84 2 1,3

Насадочн.

2

Ситч. тар.

1500 25 82 1 1,2

Этанол–вода

1

Колп. тар.

β

Насадочн.

x f, x d x w

Ситч. тар.

Gf,

Колп. тар.

Смесь

Вариант

Исходные данные для расчета ректификационной колонны

V

yн

α

n

1000 2000 3000 4000 5000 6000 4000 4500 5000 5500 6000 7000 10000 12000 14000 16000 18000 2000 1500 2500 2200 1200 2000 1800 2700 3000 4000 5000 6000 7000

11 5 6 7 8 10 5,6 7,8 9,9 8,4 8,0 6,7 20 25 27 28 30 19 9 8 7 6 5 7,5 4,0 4,5 4,7 5,0 5,2 4,8

80 85 90 95 87 97 98 95 92 88 90 85 95 94 90 87 85 82 90 92 96 98 82 87 88 98 96 94 92 90

60 65 68 70 72 74 78 75 68 65 71 67 65 67 74 78 70 75 60 65 70 75 62 73 70 67 65 72 77 63

96

Y*=(X)

w

0,2 0,3 0,4 0,5 Y*=1,2Х 0,6 0,7 0,9 0,8 0,7 * Y =1,68Х 0,6 1,1 1,3 0,1 Y*=150Х 0,2 0,15 0,13 Y*=170Х 0,11 0,18 1,0 Y*=1,15X 1,2 1,4 1,3 Y*=1,1X 1,1 0,8 0,85 Y*=8X 0,5 0,9 0,6 Y*=8X 0,8 0,7 Y*=1,8Х

Kx

P

0,5 0,6 0,7 0,55 0,65 0,35 0,7 0,8 0,9 0,2 0,3 0,5 0,2 0,4 0,3 0,25 0,45 0,35 0,8 0,7 0,6 0,5 0,78 0,56 1,0 0,6 0,9 0,7 0,8 0,65

0,1 0,12 0,15 0,3 0,25 0,22 0,1 0,12 0,14 0,17 0,2 0,18 2,1 1,8 1,6 2,0 1,7 1,5 0,23 0,15 0,11 0,18 0,2 0,17 0,1 0,13 0,15 0,19 0,12 0,17

Окончание таблицы

ск

tн

tk

t1

t2

Av

21

Место установки

сн

Тип сушилки

Gн

Gн

сн

ск

tн

tk

t1

t2

Av

Киров

4000

84

12

15

90

700

100 185

Псков

5000

80

16

12

85

750

125 185

Тамбов

3000

88

12

20

90

800

130 185

Киев

2000

78

16

18

85

660

125 185

500

3,7

0,2

15

35

100

40

8,1

22

Киев

1000 3,7

0,2

15

35

100

40

8,1

23

Одесса

2000 3,0

0,1

10

35

110

45

8,1

24

Минск

3000 3,0

0,1

10

35

110

45

8,1

25

Харьков

1000

82

10

10

88

720

110 185

5

Свердловск

4000 4,0

0,3

20

40

120

50

8,1

26

Минск

2000

20

10

12

45

160

55

30

6

Тамбов

1500

7

0,4

20

70

180

80

7,2

27

Тамбов

3000

71

10

15

40

150

50

30

Москва

2500

7

0,4

20

60

170

70

7,2

28

Курск

4500

30

13

10

45

140

60

30

Харьков

3500

6

0,4

15

70

160

80

7,2

29

Пермь

5500

33

13

18

40

130

60

30

Смоленск

4500

6

0,4

15

60

180

70

7,2

30

Воронеж

1500

18

8

20

43

170

55

30

10

Курск

5500

8

0,3

10

80

180

90

7,2

11

Пермь

5000

20

14

15

50

150

65

25

Тамбов

4000

20

11

15

50

150

55

25

Омск

3000

25

14

10

55

200

70

25

Иркутск

2000

25

10

10

55

200

80

25

Владивосток 6000

30

15

20

45

180

50

25

Москва

700

60

4

15

60

170

70

3,0

Тамбов

1100

62

6

20

55

160

65

3,0

Омск

1300

65

5

15

60

165

65

3,0

Иркутск

1500

60

7

20

55

170

60

3,0

Уфа

1900

55

4

12

50

175

55

3,0

8 9

12 13 14 15 16 17 18 19 20

97

Взвешенного слоя

7

Барабанная

4

Барабанная

3

Распылительная

2

Барабанная

Тамбов Барабанная

1

Место установки

Тип сушилки

Вариант

Исходные данные для расчета сушильной установки

Вариант

Приложение к контрольной работе № 3

98

СОДЕРЖАНИЕ Предисловие .................................................................................................. 3 Лабораторная работа № 1. Режимы течения жидкости ........................... 7 Приложение к лабораторной работе № 1........................................... 13 Лабораторная работа № 2. Гидродинамика псевдоожиженного слоя сыпучего материала .......................................................................... 15 Приложение к лабораторной работе № 2........................................... 23 Лабораторная работа № 3. Анализ сыпучего зернистого материала (катализатора, адсорбента) ................................................... 26 Приложение к лабораторной работе № 3........................................... 37 Лабораторная работа № 4. Изучение процесса передачи тепла в рекуперативном поверхностном теплообменнике типа «труба в трубе» ............................................................................................ 38 Приложение к лабораторной работе № 4........................................... 48 Лабораторная работа № 5. Осаждение твердых частиц в жидкости и газе под действием силы тяжести ................................... 49 Приложение к лабораторной работе № 5........................................... 54 Лабораторная работа № 6. Определение характеристик центробежного насоса ................................................................................ 55 Лабораторная работа № 7. Определение характеристик работы циклона .......................................................................................... 65 Лабораторная работа № 8. Разделение многокомпонентных смесей ректификацией .............................................................................. 75 Приложение к лабораторной работе № 8........................................... 83 Лабораторная работа № 9. Эффективность массообмена при абсорбции в насадочных аппаратах ................................................ 85 Приложение к лабораторной работе № 9........................................... 92 Контрольные работы ................................................................................. 93 Приложение к контрольной работе № 1 ............................................. 95 Приложение к контрольной работе № 2 ............................................. 96 Приложение к контрольной работе № 3 ............................................. 97

Учебное издание

Составители: Валентина Николаевна Носенко Ольга Антоновна Реутова Айкен Амангельдыевна Дюсембаева

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ Практикум для студентов химического факультета специальности 240403.65 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов»

Технический редактор Н.В. Москвичёва Редактор О.М. Азеева Дизайн обложки З.Н. Образова Подписано в печать 26.04.06. Формат бумаги 60х84 1/16. Печ. л. 6,3. Уч.-изд. л. 6,2. Тираж 75 экз. Заказ 156. Издательство Омского государственного университета 644077, г. Омск-77, пр. Мира, 55а, госуниверситет

99

100