Процессы и аппараты химической технологии. Часть I: Методические указания к выполнению лабораторных работ

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Северо-Западный государственный заочный технический университет Кафедра химической технологии органических и неорганических веществ

Процессы и аппараты химической технологии Методические указания к выполнению лабораторных работ Часть I

Факультет технологии веществ и материалов Направление подготовки дипломированного специалиста: 655000 – химическая технология органических веществ и топлива, 654900 – химическая технология неорганических веществ и материалов Специальность: 250100 – химическая технология органических веществ, 250200 – химическая технология неорганических веществ Направление подготовки бакалавра 550800 – химическая технология и биотехнология Санкт-Петербург 2004

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 66.02/07(076.5) Процессы и аппараты химической технологии. Часть I: Методические указания к выполнению лабораторных работ. — СПб.: СЗТУ, 2004. — 48 с. Учебно-методическая разработка входит в состав учебно-методического комплекса по общеинженерной дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии», составлена в соответствии с рабочей программой на базе государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлениям подготовки дипломированного специалиста: 655000, 654900 (специальности 250100 – химическая технология органических веществ, 250200 – химическая технология неорганических веществ) и по направлению подготовки бакалавра 550800. Лабораторный практикум включает работы по основным гидромеханическим процессам и является учебно-методическим пособием для студентов 3 курса, изучающих дисциплину «Процессы и аппараты химической технологии». Пособие содержит общие рекомендации по выполнению лабораторных работ, их описание и краткие теоретические сведения, перечень литературы, вопросы для самопроверки. Рассмотрено на заседании кафедры экологии и инженерной защиты окружающей среды (на химических предприятиях) 26 апреля 2004 г., одобрено методической комиссией факультета технологии веществ и материалов 17 июня 2004 г. Рецензенты: кафедра экологии и инженерной защиты окружающей среды (на химических предприятиях) (зав. кафедрой А. И. Алексеев, д-р техн. наук, проф.) В. М. Померанцев, д-р техн. наук, проф. кафедры общей химической технологии и производства катализаторов Санкт-Петербургского технологического института (Технического университета) Составители: Евсеева И. Л., доц., канд. техн. наук, Серов А. Н., доц., канд. техн. наук, Цветков С.К., доц., канд. техн. наук © Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2004

2

Работа 1. Определение гидравлических сопротивлений трубопроводов I. Цель работы Целью работы является опытное определение коэффициентов трения и местных сопротивлений при движении жидкости по трубопроводу, сопоставление экспериментальных и справочных значений. II. Содержание работы При движении реальной жидкости возникают гидравлические сопротивления, как по длине трубопровода, так и в местах изменения геометрической формы потока. На преодоление гидравлических сопротивлений расходуется часть энергии потока, что выражается в потере напора. При этом теряется статический напор. Важность определения потерь напора Нп связана с необходимостью расчета затрат энергии на их компенсацию и обеспечение перемещения жидкости по трубопроводу. Потеря давления на трение существует по всей длине трубопровода. Ее величина зависит от режима течения жидкости. При ламинарном режиме величина сопротивления трению может быть определена теоретически по уравнению Гагена–Пуазейля:

ΔPтр = 32

wср μ l , d2

(1)

где ΔPтр – потери давления на трение, Па;

wср – средняя скорость потока, м/с; l – длина трубопровода, м; d – эквивалентный диаметр, м;

μ – динамический коэффициент вязкости, Па-с. 3

Уравнение Гагена–Пуазейля можно представить в обобщенном виде. Разделив обе его части на ρwср2, получим уравнение

ΔPтр wср μ l = 32 2 = 32 d2ρ wср2 ρwср

или

μ d ρ wср

l

⋅ d

Eu = 32 Re–1 Гl ,

,

(2)

(2,а)

где Eu = ΔPтр / ρwср2 – критерий Эйлера;

Re =d ρ w/μ – критерий Рейнольдса; Гl = l / d – симплекс геометрического подобия. Для турбулентного режима теоретически найти ΔPтр нельзя. Однако опыт показывает, что и в этом случае величина критерия Эйлера зависит от числа Re, симплекса геометрического подобия Гl, включающего диаметр трубопровода и его длину, и симплекса геометрического подобия по относительной шероховатости труб Ге = e / d:

Eu = 32 Re–1 Гl Гe ,

(3)

где е – средняя высота выступов шероховатости, м. При ламинарном движении величину Ге не учитывают, так как все трубы можно рассматривать как гидравлически гладкие (достаточно большая толщина пограничного слоя перекрывает выступы шероховатости). При очень больших значениях числа Рейнольдса (Re >105 ... 107) наступает автомодельный по отношению к критерию Re режим. Величина критерия

Eu перестает зависеть от числа Re и определяется лишь симплексами геометрического подобия Гl и Гe:

Eu = с Гl Гe .

(4)

На практике для вычисления потери давления на трение обычно используют уравнение 4

l ρ wср2 , ΔPтр = λ ⋅ 2 d

(5)

где λ – коэффициент трения. Из уравнения (5) следует, что потери давления на трение пропорциональны скоростному напору ρwср2/2. Расчет осложняется тем, что коэффициент трения λ не является постоянной величиной, а также зависит от числа Рейнольдса и относительной шероховатости труб. Значения λ находят из соответствующих графиков или таблиц (см. [3], с. 22, рис. 1.5) или рассчитывают по формулам (1.38), (1.40) ... (1.42) ([3], с. 21 – 23). Средние значения шероховатости стенок труб приведены в [3], с. 519, табл. XII. Для вычисления потерь давления на преодоление местных сопротивлений ΔPм.с пользуются уравнением

ΔPм.с. = ξ

ρ wср2

2

,

(6)

где ξ – коэффициент местного сопротивления. Местные сопротивления – это любые преграды на пути потока, которые вызывают изменение скорости или направления потока (запорная арматура, повороты, расширения или сужения трубопровода и др.). Средние значения

ξ для

различных видов местных сопротивлений, определенные на основании обобщения многочисленных экспериментов, имеются в справочных таблицах, например в [3], с. 520 ... 522, табл. XIII. Общие потери давления на трение и местные сопротивления для трубопровода постоянного поперечного сечения определяют по уравнению, являющемуся суммой (5) и (6):

ΔP тр. + м.с. =

(

l λ d

+Σξм.с.

)

ρ wср2

2

,

(7)

При этом l учитывает всю длину трубопровода, включая местные сопротивления. 5

В настоящей работе предлагается найти значения λ и

ξ из уравнений (5)

и (6), определив экспериментально значения потерь давления и средней скорости потока. III. Описание лабораторной установки Установка (рис. 1) состоит из центробежного насоса 6, соединенного с электродвигателем 5, и трубопровода, на котором имеются прямой участок и различные виды местных сопротивлений. Вода перемещается по замкнутому циклу. Она всасывается насосом из бака 7, проходит последовательно через резкое расширение 4, затем резкое сужение 3, вентиль 2, колено с закруглением 1, прямой участок 10, диафрагму 9, обратный клапан 8 и вновь поступает в бак 7. Перепад давления на каждом из объектов измеряется с помощью пьезометра. Расход воды можно регулировать изменением числа оборотов насоса с помощью ЛАТРа.

Рис. 1. Схема установки для определения значений коэффициентов трения и местных сопротивлений 6

Диаметр основного трубопровода d = 19 мм, диаметр расширенного участка D = 76 мм. Измерение расхода воды осуществляется с помощью нормальной диафрагмы 9 диаметром dд = 15 мм. IV. Порядок проведения работы 1. Заливают насос водой и включают ЛАТР. При увеличенном расходе воды подготавливают установку к измерениям – с помощью кранов в верхней части пьезометров удаляют воздух. Затем, уменьшив подачу воды, выводят значения водяного столба в середину шкалы. Таким образом подготавливают к работе каждый пьезометр. 2. Устанавливают первое заданное преподавателем значение расхода (по ЛАТРу). Для выхода на рабочий режим необходимо 5-10 минут, при этом контролируют неизменность расхода воды. 3. Определяют значения перепадов давления на всех местных сопротивлениях и на прямом участке (в мм вод. столба, затем в Па). 4. Согласно заданию, устанавливают следующее значение расхода воды и повторяют опыт. IV. Обработка экспериментальных данных Расход воды рассчитывают по формуле

Q = α S (2ΔР/ρ)–1/2 = α S (2gH)–1/2 ,

(8)

где Q – объемный расход воды, м/с;

S – площадь сечения диафрагмы, м2; ΔР– перепад давления на диафрагме, Па;

ρ — плотность воды, кг/м3; α – коэффициент расхода нормальной диафрагмы. Для данной установки α = 0,6. 7

Среднюю скорость потока вычисляют по уравнению неразрывности потока в интегральной форме:

wср = Q/S’ ,

(9)

где S’ – площадь поперечного сечения трубопровода, м2. Значения λ и ξ рассчитывают из уравнений (5) и (6). Результаты измерений и расчетов заносят в таблицы по формам 1 и 2. Полученные значения λ и ξ сравнивают со значениями, взятыми из справочников. VI. Отчет о работе Отчет о выполненной работе должен содержать: 1. Краткое изложение цели и содержания работы, основные расчетные формулы. 2. Изображение схемы установки. 3. Расчет значений Q, wср, Re, λ и ξ. 4. Таблицы с результатами измерений. 5. Графические зависимости Вопросы для самопроверки 1. С каким свойством реальной жидкости связаны потери энергии потока на преодоление трения и местных сопротивлений? 2. Как измеряется расход воды в трубопроводе? 3. Как вычислить среднюю скорость потока? 4. Как экспериментально определить коэффициенты трения и местного сопротивления? 5. Какова зависимость коэффициента трения от числа Рейнольдса в обобщенном виде? Литература: [1], с. 112...116; [3], с. 16...23, 512, 514, 519 … 523; [4], с. 84... 94

8

Вязкость воды, μ, Па⋅с

Па

Плотность воды, ρ, кг/м3

ст.

Температура воды, t, °С

мм в.

Скорость воды wср. м/с

Перепад давления на диафрагме, ΔР

Расход воды Q, м3/с

Напряжение (по ЛАТРу), В

№ п/п

Форма 1

Re

Форма 2 №

Вид местного

п/п

сопротивления

1. 2.

U1 = … , В

U2 = … , В

U3 = … , В

ΔР,

ΔР,

ΔР,

Па

ξ (λ)

Па

ξ (λ)

Па

ξ (λ)

Значения ξ (λ) по справочным данным

Внезапное расширение Внезапное сужение

3.

Вентиль

4.

Колено

5.

Прямой участок

6.

Диафрагма

9

Работа 2. Испытание монтежю I. Цель работы Цель работы состоит в ознакомлении с устройством установки по передавливанию жидкости с помощью монтежю, определении производительности монтежю, сопоставлении опытных данных с расчетными. II. Содержание работы Монтежю применяют для транспортирования или подъема на сравнительно небольшую высоту агрессивных, высоковязких жидкостей или суспензий. Монтежю представляет собой горизонтальный или вертикальный резервуар, из которого жидкость передавливается с помощью сжатого воздуха, инертного газа или пара. Пар используют, когда разбавление продукта водой допустимо по технологическим условиям. Если пары перекачиваемой жидкости могут образовывать с воздухом взрывоопасные или легко воспламеняемые смеси, то используют инертные газы. Преимуществом монтежю перед насосами других типов является простота устройства и отсутствие вращающихся частей, которые быстрее разрушаются в результате коррозии и истирания, а также легкость чистки. К недостаткам этого объемного насоса относят периодичность работы и низкий К. П. Д., громоздкость, необходимость контроля за его работой. Расчет минимального давления, необходимого для поднятия жидкости на определенную высоту, создания скоростного напора, преодоления трения и гидравлических сопротивлений в нагнетательном трубопроводе и давления в приемнике жидкости, проводят по формуле 10

P=ρgH+

ρ wср2

2

(

1+λ

l +Σξм.с. d

) + P0

,

(10)

где P – минимальное давление, необходимое для передавливания, Па;

H – высота подъема жидкости, м;

ρ – плотность жидкости, кг/м3; wср – скорость жидкости в нагнетательном трубопроводе, м/с; λ – коэффициент трения; l – суммарная длина прямых участков нагнетательного трубопровода, м; d – внутренний диаметр нагнетательного трубопровода, м; Σξм.с. – сумма коэффициентов местных сопротивлений; P0 – давление в напорно-приемном баке, Па. Средняя скорость потока определяется как объемный расход жидкости, отнесенный к поперечному сечению трубопровода:

wср = Q / F,

(11)

где Q – объемный расход потока, м3/c;

F – поперечное сечение потока, м2. Основные параметры монтежю – продолжительность цикла работы и производительность. Продолжительность цикла работы монтежю Т (с) складывается из времени его заполнения Т1, передавливания жидкости Т2 и времени на вспомогательные операции для открывания и перекрывания вентилей Т3. Таким образом,

Т = Т1 + Т2 + Т3.

(12)

Объемная производительность монтежю Q, м3/с определяется как отношение объема аппарата V с учетом коэффициента заполнения ϕ к продолжительности цикла работы монтежю Т:

11

Q0 = V ϕ / Т .

(13)

Объемная производительность в период передавливания

Q = V ϕ / Т2 .

(14)

Если считать, что Т1 и Т3 постоянны, то производительность насоса зависит только от Т2. Время передавливания Т2 тем меньше, чем выше скорость движения перекачиваемой жидкости в нагнетательном трубопроводе, которая в свою очередь зависит от величины создаваемого давления. III. Описание лабораторной установки Лабораторная установка (рис. 2) состоит из монтежю вертикального типа 1, воздушного компрессора 11 и напорно-приемного бака 4. Соединительные трубопроводы снабжены вентилями 2, 3, 6, 9, 10. Монтежю оборудован манометром 5 и водомерным стеклом 7. Имеется ротаметр 8, служащий индикатором расхода воздуха. В настоящей установке высота подъема Рис. 2. Установка для испытания монтежю

жидкости H =1,6 м; суммарная длина прямых участков нагнетательного трубопровода l =1,7 м; внут-

ренний диаметр нагнетательного трубопровода d =18 мм. Объем приемного бака

V =15 л; коэффициент заполнения бака ϕ =0,7. Перед началом работы транспортируемая жидкость находится в баке 4, все вентили перекрыты. IV. Порядок проведения работы 1. Перед началом опыта рассчитывают давление, необходимое для передавливания. Расчет минимально необходимого давления производится на осно12

вании задаваемых преподавателем объемных расходов Q1. 2. Работа начинается с заполнения монтежю 1 жидкостью из напорного бака 4. Для этого открывается вентиль 2 на линии подачи жидкости из бака в монтежю, а также вентиль 3 и 10. Одновременно включается секундомер и начинается отсчет времени для определения продолжительности цикла. Монтежю заполняют до верхней черты на водомерном стекле. 3. После заполнения монтежю вентили 2, 3 и 10 перекрываются, включается компрессор 11 и с помощью манометра в системе устанавливается давление, рассчитанное по уравнению (1). Регулирование давления осуществляется зажимом 10. 4. Открывается вентиль 3 на линии нагнетания и производится передавливание жидкости из монтежю 1 в напорный бак 4. Постоянства давления при передавливании добиваются с помощью вентилей 9 и 10 за счет регулирования количества воздуха, подаваемого в систему и на сброс. По секундомеру регистрируется общая продолжительность цикла Т, а также Т1 и Т2. V. Обработка экспериментальных данных Вычисляют время на вспомогательные операции Т3 по разности

Т3 = Т. – (Т1 + Т2) .

(15)

Рассчитывают значения объемной производительности монтежю Q0 и объемной производительности в период передавливания Q по формулам (13) и (14). Производят сопоставление значений Q и Q1. Результаты измерений и вычислений заносятся в таблицу по форме 3. Строят зависимость Q1. = f (P).

13

Относительная погрешность Δ / Q ⋅ 100%

Погрешность Δ = Q1– Q

Производительность в период передавливания Q, м3/с

Объемная производительность Q0, м3/с

Продолджительность цикла Т, с

Время на вспомогательные операции Т3, с

Время передавливания жидкости Т2, с

Время заполнения монтежю Т1, с

Давление передавливания Р, па

Давление в напорно-приемном баке Р0, Па

Суммарный коэффициент местных сопротивлений Σζ

Коэффициент трения λ

Число Рейнольдса Re

Средняя скорость потока wср, м/с

Объемный расход жидкости в период передавливания Q1, м3/с

№ п/п

Форма 3

1 2 3 VI. Отчет о работе Отчет о выполненной работе должен содержать: 1. Краткое изложение цели и содержания работы. 2. Изображение схемы установки с указанием геометрических размеров и направлений потока жидкости, описание схемы. 3. Формулы и расчеты основных величин. 4. Таблица с результатами измерений и расчетов. 5. Графические зависимости. Вопросы для самопроверки 1. Для каких целей используется монтежю? 2. Каковы преимущества монтежю перед насосами других типов? 3. Какие агенты используют для транспортирования жидкостей с помощью мон14

тежю? 4. От чего зависит время передавливания? Литература: [I], с. 174 … 178, 187 … 188; [3], с. 22, 25, 65 … 66, 512, 514. [4], с. 91, 127, 150

Работа 3. Определение поля скоростей в трубопроводе I. Цель работы Цель работы – экспериментальное изучение распределения скорости газового потока по сечению трубопровода, определение средней скорости и расхода газа. II. Содержание работы Скорость движения потока различна в различных точках поперечного сечения трубопровода, что обусловлено действием сил трения. Локальная скорость будет расти от w = 0 у стенки трубы до w = wmax по оси трубопровода. Для определения расхода используется значение средней по сечению потока скорости. Средней скоростью называется одинаковая скорость для всех точек сечения, при которой через живое сечение потока проходит в единицу времени то же количество жидкости, что и при действительном распределении скорости:

wср = Q / F,

(16)

где Q – расход потока, м3/c;

F – поперечное сечение потока, м2. Закон распределения локальных скоростей по сечению зависит от режима течения жидкости. Экспериментально установлены два вида течения реальных жидкостей: 15

ламинарное, или слоевое, и турбулентное, или вихревое. Ламинарное течение (Rе < 2300) можно представить как параллельное движение тонких цилиндрических слоев жидкости вдоль оси трубопровода. При этом отсутствует перемешивание и обмен массой между элементарными слоями. Скорость движения потока в данной точке сохраняется постоянной. Распределение скоростей по поперечному сечению трубопровода при ламинарном течении (рис. 4) подчиняется уравнению параболы (в пространстве – параболоид вращения):

wr =

Р1 – Р2 4μl

(R2 – r2),

(17)

где wr – скорость потока на расстоянии r от оси трубы, м/с;

Р1 – Р2 – разность давлений с торцевых сторон цилиндра, Па. r – радиус элементарного цилиндра, м; R – радиус трубопровода, м; l – длина элементарного цилиндра, м;

μ – вязкость жидкости, Па⋅с; При ламинарном режиме средняя скорость потока равна половине максимальной (осевой) скорости: wср / wmax = 0,5. В технике чаще всего имеет место турбулентный режим течения потока (Rе > 10000), при котором частицы жидкости движутся по сложным хаотическим траекториям, однако общее движение потока отвечает его основному направлению. При этом происходит интенсивное перемешивание и обмен массой между слоями. Скорость в каждой точке при турбулентном течении пульсирует во времени относительно некоторой осредненной скорости. Имеет место более сложный закон распределения скорости по сечению трубопровода, отличный от параболического. Радиальный перенос вещества делает различие в скоростях по 16

сечению менее заметным, профиль скоростей становится более плоским (рис. 5). В общем случае при развитом турбулентном режиме wср / wmax = f (Re). Обычно принимают wср / wmax = 0,8 … 0,95. Профиль скоростей потока формируется не мгновенно: существует участок гидродинамической стабилизации потока, зависящий от диаметра трубопровода d. Для ламинарного режима длина участка стабилизации L зависит от числа Рейнольдса, стабилизация потока происходит, когда L / d = 0,03 Rе; для турбулентного потока наблюдается зависимость L / d ∼ 50. Следует отметить, что турбулентное движение не существует в чистом виде, а всегда сопровождается ламинарным. Так, и при турбулентном потоке в тонком пограничном слое у стенки силы трения подавляют пульсации и наблюдается ламинарное течение. Толщина ламинарного пограничного слоя зависит от величины Rе. В общем балансе движения потока этот слой не играет существенной роли, но влияние его велико в процессах тепло- и массообмена, происходящих в технологических аппаратах. III. Описание лабораторной установки Схема лабораторной установки приведена на рис. 3. Установка состоит из вентилятора среднего давления 2 и воздухопровода 4, 11 диаметром 120 мм, длиной 4,45 м. На воздухопроводе установлены стандартные трубки Пито–Прандтля 3, 9 диаметром 12 мм, соединенные с дифманометром 6, имеющим наклонную шкалу. Напорная трубка Пито–Прандтля может перемещаться по сечению трубопровода и служит для измерения величины скоростного напора в различных точках потока. На всасывающей линии вмонтирована сетка 10 для предотвращения попадания в трубопровод посторонних предметов.

17

Рис. 3. Установка для определения поля скоростей в трубопроводе и испытания центробежного вентилятора Напорная

трубка

Пито–

Прандтля (рис. 4) представляет собой сочетание двух трубок – внутренней и наружной. Устанавливается напорная трубка вдоль оси трубопровода открытым концом навстречу Рис. 4. Устройство и принцип работы трубки Пито–Прандтля

потоку.

Внутренняя

трубка воспринимает общее давление (сумму статического и ско-

ростного давлений). Наружная трубка через круговую прорезь на боковой поверхности – только статическое давление. Разность общего и статического давлений дает величину скоростного давления (скоростного напора)

ΔPск в точке

замера. Установка напорной трубки и присоединение ее к дифманометру показаны на рис. 3. Для определения влажности воздуха и давления используют психрометр и барометр, установленные в лаборатории.

18

IV. Порядок проведения работы 1. Поперечное сечение трубопровода условно делится на ряд равновеликих площадок I, II, III (рис. 5). Замеры локальных значений

ΔPск производят в точках 1, 2, 3 на окружностях, делящих площадки на две части, равные по площади. Расстояние от стенок трубопровода до точек замера рассчитывают по формуле Рис. 5. К определению точек замера локальных скоростей

x = R [1 ± ((2n – 1) / 2N)1/2] (18) где N – число кольцевых площа-

док;

n – номера окружностей, делящих пополам кольцевые площадки (считая от центра трубопровода). Чем больше число площадок N, тем точнее будет снято поле скоростей. Для данной установки N = 3. Знак плюс в формуле (17) берется при определении x для точек, лежащих выше оси трубопровода (x4, x5, x6); знак минус – для точек, лежащих ниже оси трубопровода (x1, x2, x3). Считая, что профиль скоростей симметричен относительно оси, замеры производят в точках x1, x2, x3 (от нижней стенки трубопровода до оси). Расчет по формуле (17) дает значение x1 =5,4 мм. Диаметр стандартной трубки Пито–Прандтля равен 12 мм. Поэтому с небольшой погрешностью можно принять, что положение трубки, прижатой к нижней стенке, будет отвечать точке x1. 19

Результаты расчета показывают преподавателю. 2. Включают вентилятор 2. 3. Пользуясь шкалой на трубке Пито–Прандтля, устанавливают ее в нужную точку по сечению трубопровода и измеряют скоростной напор

ΔPск в точ-

ках x1, x2, x3. 4. Делают дополнительный замер скоростного давления в центре трубопровода. 5. Выключают вентилятор. V. Обработка экспериментальных данных Значения локальных скоростей w, м/с находят из формулы для скоростного давления ΔPск, Па:

ΔPск = ρ w 2 / 2 .

(19)

Значение плотности влажного воздуха

ρ, кг/м3 определяют по выраже-

нию

ρвл. возд. = 3,48⋅10–3 (П – 0,378 ϕ Рнас) / Т ,

(20)

где П – общее давление паровоздушной смеси (определяется по барометру), Па;

ϕ – относительная влажность воздуха (определяется по психрометру), д. е.; Рнас – давление насыщенного водяного пара при температуре опыта, Па; Т – температура воздуха, К. После проведения необходимых измерений и расчетов получают значения локальных скоростей потока в шести точках поперечного сечения и по оси трубопровода. По найденным значениям w и x строят профиль скоростей (на миллиметровой бумаге). Отмечают значения x, из этих точек откладывают в масштабе скоростей отрезки, соответствующие значениям w, концы векторов скоростей соединяют плавной кривой. 20

Определяют значение wср (как среднее арифметическое из шести значений локальной скорости). Находят отношение средней скорости к максимальной. Величина полученного отношения может служить ориентировочной характеристикой режима течения потока. Для уточнения режима рассчитывают критерий Рейнольдса:

Re = ρ wср d / μ ,

(21)

где – вязкость потока (воздуха) при температуре опыта, Па⋅с. Определяют расход потока Q, м3/с при средней скорости воздуха:

Q = S wср = 0,785 d2 wср

(22)

Чтобы выяснить характер зависимости отношения wср / wmax от критерия

Re, проводят измерения при различных расходах. Величину расхода воздуха можно изменять с помощью регулирующей диафрагмы. Результаты измерений и расчетов записываются в таблицу по форме 4. Форма 4 Точки замера

x, мм

ΔPск, Па

ρ,

w, wmax, 3

кг/м

м/с

wср, м/с

wср / wmax

Q, 3

м /с

Re

1 2 3 Замер по оси трубопровода VI. Отчет о работе Отчет о выполненной работе должен содержать: 1. Краткое изложение содержания работы, основные расчетные формулы. 2. Изображение схемы установки. 3. Расчет значений x, ρ, Q, Re, w. 21

4. Таблицу с результатами расчетов и измерений. 5. Графическое построение профиля скоростей. Вопросы для самопроверки 1. Как производится разбивка сечения трубопровода для снятия поля скоростей? 2. Как устроена трубка Пито–Прандтля? 3. В чем отличие локальной скорости от средней? 4. От чего зависит характер распределения скоростей по сечению трубопровода? 5. Каково соотношение wср / wmax ламинарного и турбулентного потоков? 6. Как определить расход воздуха с помощью трубки Пито–Прандтля? Литература: [I], с. 35 … 50, 117, 123; [3], с. 513;[4], с. 42...47, 59

Работа 4. Испытание центробежного вентилятора I. Цель работы Цель работы заключается в ознакомлении с работой центробежного вентилятора, построении его экспериментальных характеристик, определении рабочей точки. II. Содержание работы Центробежный вентилятор состоит из улиткообразного корпуса, в котором находится рабочее колесо с изогнутыми лопатками. Сжатие и перемещение газа происходят под действием центробежной силы, возникающей при вращении рабочего колеса. Развиваемый вентилятором напор невелик, однако достаточен для проталкивания газа через цепь технологических аппаратов с небольшим гидравлическим сопротивлением. Различают центробежные вентиляторы низкого (напор до 980 Па), среднего (напор 980 ... 2900 Па) и высокого (напор выше 2900 Па) давлений. Степень 22

сжатия (Ркон/Рнач) газа в вентиляторах не превышает 1,1. Работа центробежного вентилятора характеризуется производительностью Q, напором Н (разностью давлений в нагнетательной и всасывающей линиях); затрачиваемой мощностью N; коэффициентом полезного действия П. Д.). Величины Q, Н, N,

η (К.

η у центробежных вентиляторов взаимосвязаны, и

изменение одной из них вызывает изменение остальных. Графические зависимости H = f (Q), N = f (Q), η = f (Q) при постоянном числе оборотов называют характеристиками центробежного вентилятора. Число оборотов n (об/мин, с–1) для электродвигателя вентилятора в зависимости от напряжения U определяют по уравнению

n = 34 U + 300

(23)

На основании теоретических расчетов с достаточной точностью их построить нельзя. Эти характеристики строят по опытным данным и используют для подбора венРис. 6. Типовые характеристики центротилятора и исследования его работы бежного вентилятора в различных условиях. Типичные характеристики представлены на рис. 6. На нем видно, что с увеличением производительности напор центробежного вентилятора падает, мощность растет, а коэффициент полезного действия проходит через максимум. Выбор режима работы вентилятора зависит от того, на какую сеть он должен работать. Под сетью понимается система трубопроводов и аппаратов от места всасывания до места нагнетания. В данной установке сеть состоит из всасывающего и нагнетательного трубопроводов. 23

III. Описание лабораторной установки Установка (см. рис. 3) состоит из центробежного вентилятора 2, смонтированного на одном валу с электродвигателем постоянного тока 1. Электродвигатель подключается к сети через ЛАТР 8, позволяющий менять число оборотов двигателя, и выпрямитель 7. Вентилятор соединен со всасывающим 11 и нагнетательным 4 трубопроводами, имеющими внутренний диаметр d = 120 мм. Для изменения сопротивления трубопровода на нагнетательной линии установлена регулирующая диафрагма 5. Для предохранения от засасывания посторонних предметов на всасывающем трубопроводе имеется сетка 10. Сила тока и напряжение измеряются амперметром А и вольтметром V, перепад давления находят с помощью трубок Пито–Прандтля 3, 9, соединенных с дифманометром 6. IV. Порядок проведения работы 1. Величину скоростного напора снимают с помощью дифманометра 6, когда отводы трубки Пито–Прандтля 3, установленной в центре трубы на нагнетательном трубопроводе, соединены с дифманометром по схеме: (+) – чаша дифманометра, (—) – верхний конец трубки дифманометра (рис.3). Напор вентилятора Н, или разность давлений, создаваемая вентилятором, измеряется с помощью дифманометра 6, присоединенного к двум трубкам Пито–Прандтля 3, 9, установленным на нагнетательном и всасывающем трубопроводах. Схема подключения дифманометра: (+) трубки Пито–Прандтля 3 – на чашу, (+) трубки Пито–Прандтля 9 – к верхнему концу трубки дифманометра. 2. Для снятия зависимости напора, мощности и К. П. Д. вентилятора от производительности проводят серию опытов при постоянном числе оборотов вентилятора. Производительность изменяют с помощью регулирующей диафрагмы. Рекомендуется проводить работу при последовательном увеличении сопротивления трубопровода (работа начинается при полностью открытой диа24

фрагме, затем проходное сечение постепенно уменьшают). При каждом значении проходного сечения диафрагмы с помощью приборов измеряют все величины, необходимые для определения Q, Н, N, η. 3. Для построения характеристики сети Hс = f (Q)проводят вторую серию опытов, в которой для каждого замера расход воздуха устанавливается путем изменения числа оборотов вентилятора n. Положение регулирующей диафрагмы остается постоянным. V. Обработка экспериментальных данных Производительность вентилятора Q, м3/с определяется по уравнению расхода:

Q = S wср = 0,785 d2 wср ,

(24)

где S – площадь поперечного сечения трубопровода, м2;

d – диаметр трубопровода, м; wср – средняя скорость воздуха, м/с. Средняя скорость воздуха вычисляется по величине скоростного напора. При турбулентном режиме течения (wср / wmax = 0,9) средняя скорость равна

wср= 0,9 (2 ΔPск / ρ)1/2 .

(25)

Для проверки режима течения рассчитывают критерий Re. Мощность, потребляемая вентилятором N, кВт, определяется как

N = I U / 1000 ,

(26)

где I – сила тока, А;

U – напряжение, В. Коэффициент полезного действия вентилятора представляет отношение мощности, требуемой теоретически для сжатия газа, к действительно затрачиваемой мощности: 25

η = Q H / 1000 N ,

(27)

где H – напор вентилятора, Па. Потери напора в сети Нс, Па для вентилятора можно рассчитать по формуле

Нс. =

(

l 1+λ +Σξм.с. d

)

ρ wср2 , 2

(28)

где λ– коэффициент трения;

l – длина трубопровода, м; d – диаметр трубопровода, м; Σξм.с. – сумма коэффициентов местных сопротивлений;

ρ – плотность воздуха, кг/м3. Согласно уравнению расхода (2)

wср = 4 Q / π d2. Подставив это выражение в уравнение (28), получим параболическую зависимость

Нс. = а Q2 , где а – коэффициент, характеризующий геометрические параметры сети и отражающий величины сопротивлений горизонтального трубопровода. Результаты измерений и расчетов заносят в таблицы по формам 5 и 6. На основании полученных данных на одном графике строят характеристики вентилятора H = f (Q), N = f (Q), η = f (Q). На втором графике строят зависимость напора вентилятора и сети от производительности H = f (Q) и Hс = f (Q). Находят точку пересечения этих кривых, характеризующую рабочую точку А вентилятора. По ее положению определяют все параметры работы вентилятора для данной сети – значения Q, Н,

N, η. 26

Форма 5 Характеристика вентилятора (n = … об/мин)

ΔPск, Па

Н, Па

вольтметр U, В

дифманометр

амперметр I, А

Положение диафрагмы

№ п/п

Показания приборов

Расчетные величины

wср, м/с

Q,

N,

м /с

кВт

3

η, %

Re

Форма 6 Характеристика сети (D = … мм) Напря№ жение п/п U, В

Число оборотов n,об/мин

Показания дифманометра

ΔPск, Па

Н, Па

Расчетные величины

wср, м/с

Q,

м3/с

Re

Положение рабочей точки позволяет судить об экономичности использования вентилятора. Режим работы вентилятора при наибольшем К. П. Д. называется оптимальным. Наибольшее значение К. П. Д. для данного вентилятора можно установить, проведя испытания при различных числах оборотов. VI. Отчет о работе Отчет о выполненной работе должен содержать: 1. Краткое изложение содержания работы. 2. Изображение схемы установки со спецификацией. 27

3. Основные формулы и расчеты. 4. Таблицы измерений и вычислений. 5. Графические характеристики вентилятора и сети Hс = f (Q). H = f (Q), N = f (Q), η = f (Q) с указанием параметров рабочей точки. Вопросы для самопроверки 1. Какие зависимости называют характеристиками центробежного вентилятора? 2. Как измеряется скоростной напор ΔPск и как рассчитывается расход воздуха? 3. Что понимают под характеристикой сети? 4. Что такое рабочая точка вентилятора? Литература: [I], с. 123, 189 … 198; [3], с. 65 ... 70; [4], с. 152, 168, 171

Работа 5. Определение расхода энергии на перемешивание I. Цель работы Целью работы является ознакомление с основными конструкциями мешалок и определение расхода энергии на перемешивание. II. Содержание работы Основным назначением мешалок является равномерное распределение твердых частиц в жидкости, смешение и диспергирование жидкости для приготовления эмульсий, а также интенсификация процессов растворения, теплообмена и химических реакций. Основные типы мешалок разделяют на две группы: скоростные (n > 100 об/мин – пропеллерные, турбинные) и тихоходные (n = 12 … 100 об/мин – лопастные, якорные, рамные). Важными характеристиками, на основании которых производится сравнение и оценка работы мешалок различного типа, являются интенсивность и 28

эффективность перемешивания. Интенсивность перемешивания I — это возможность достижения заданного технологического результата за определенное время τ: I = f (τ) при n = const, т. е. при заданном числе оборотов действие мешалки будет тем интенсивней, чем меньше время перемешивания. Иначе: I = f (n) при

τ = const, т. е. при

одинаковом времени достижения данного результата действие мешалки тем интенсивней, чем с меньшей частотой она вращается. Эффективность перемешивания Е – это возможность достижения заданного технологического результата при затрате определенной работы: Е =f (N,

τ), где N – мощность, потребляемая мешалкой. Действие мешалки тем эффективнее, чем меньшая работа затрачивается для достижения данного результата. Расчет мешалки, предварительно выбранной по каталогу, связан с определением ее мощности, т. е. тип мешалки и ее параметры (диаметр, количество и размер лопастей, конструкция аппарата, в котором происходит перемешивание, а также число оборотов электродвигателя) являются заданными. В аппаратах с мешалкой имеет место сложное трехмерное движение жидкости. Первичным в нем является тангенциальное (вращательное) движение жидкости. Как следствие его возникают радиальное и осевое движения. Вынужденное стационарное движение жидкости описывается обобщенным критериальным уравнением

Eu = f (Re, Fr, Г1, Г2 …) .

(29)

Для описания процесса перемешивания используют модифицированные критерии гидродинамического подобия. В них действительную скорость жидкости w (которую при перемешивании определить трудно) заменяют пропорциональной величиной n dм, где n – частота вращения мешалки, dм – определяющий линейный размер – диаметр мешалки. Модифицированные, или центро29

бежные, критерии подобия имеют вид: центробежный критерий Рейнольдса

Reц = ρ n dм2 / μ ;

(30)

центробежный критерий Фруда

Frц = n2 dм / g;

(31)

центробежный критерий Эйлера

Euц =ΔР / ρ n2 dм2 .

(32)

В приведенных уравнениях приняты следующие обозначения:

ρ – плотность жидкости, кг/м3; n – частота вращения, с–1; dм – диаметр мешалки, м; g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2. Если в выражении для критерия Euц величину

ΔР представить через

мощность N, то можно получить критерий мощности KN, т. е. безразмерное выражение мощности:

KN = N / ρ n3 dм5 .

(33)

Выражение (33) служит для расчета мощности N, потребляемой мешалкой. Обобщенное критериальное уравнение для определения критерия мощности примет вид

KN = f (Reц, Frц, ГD, Гb, ГH …) ,

(34)

где Гi – симплексы геометрического подобия: ГD =D / dм, Гb = b / dм,

ГH = Ho / dм; D – диаметр аппарата, м; b – ширина лопасти мешалки, м; 30

Ho – высота слоя жидкости, м. Влияние сил тяжести сказывается на образовании воронки и волн на свободной поверхности перемешиваемой жидкости. Для устранения этих явлений в аппаратах устанавливают отражательные перегородки. Если влиянием сил тяжести можно пренебречь, то критериальное уравнение для геометрически подобных мешалок будет иметь вид

KN = с Reцm .

(35)

Опытные данные обычно представляют в виде графической зависимости критерия мощности KN от критерия Рейнольдса Reцдля различных типов мешалок ([3], с. 558, 559). На графике зависимости KN = f (Reц) можно выделить три области. Ламинарный режим движения (Reц < 30) характеризуется снижением KN при увеличении Reц. Турбулентная область (Reц > 100) характеризуется менее резкой зависимостью критерия мощности от критерия Рейнольдса. При Reц > 105 (автомодельная область) критерий KN практически не зависит от Reц. III. Описание лабораторной установки Установка (рис. 7) представляет собой полый цилиндрический сосуд 4 диаметром D = 385 мм и высотой H = 485 мм. Для перемешивания используется турбинная мешалка 5 открытого типа с шестью лопастями (диаметр мешалки

dм = 125 мм, ширина лопасти b = 24 мм). Привод мешалки осуществляется от электродвигателя 1 через ременную передачу 2. Числа оборотов мешалки измеряются тахометром 3, сила тока – миллиамперметром А, напряжение – вольтметром V.

31

IV. Порядок проведения работы 1.

Определяют

мощность

холостого хода мешалки. Для этого при четырех-пяти различных числах оборотов мешалки в сосуде без жидкости определяют силу тока и напряжение. 2. Заполняют сосуд жидкостью до H0 / D = 1,0 ... 1,1 и замеряют значения силы тока и напряжения при тех же числах оборотов мешалки. Требуемое число оборотов устанавливают с помощью ЛАТРа. Рис. 7. Установка для исследования процесса перемешивания

Замер числа обортов производится дважды

–

при

увеличении

и

уменьшении частоты вращения; для расчета используют средние значения. V. Обработка экспериментальных данных Расход мощности, потребляемой мешалкой, определяется по разности между мощностью рабочего и холостого хода мешалки – уравнение:

Nп = (N2 – N1) cosϕ = (U2 I2– U1 I1) cosϕ , где Nп – мощность, потребляемая мешалкой, Вт;

N1, N2 – мощность холостого и рабочего хода мешалки, Вт; cosϕ – косинус угла сдвига фаз переменного тока; U1, U2 – напряжение при холостом и рабочем ходе мешалки, В; I1, I2 – сила тока при холостом и рабочем ходе мешалки, А. 32

(36)

Расход мощности собственно на перемешивание вычисляют по формуле (33). Значение входящего в уравнение критерия мощности определяют по графику ([3], с. 558, 559). Величину К. П. Д. установки определяют как отношение расхода мощности собственно на перемешивание к мощности, потребляемой мешалкой:

η = N / Nп .

(37)

Строят зависимости Nп = f (n), N = f (n), η = f (n), η = f (Reц). Результаты расчетов и измерений заносят в таблицу по форме 7. Форма 7 № п/п

Частота вращения n, с–1

Сила тока, А

I1

I2

Напряжение, В

U1

U2

Nп, Вт

Reц

N, Вт

η, % t, °С

VI. Отчет о работе Отчет о выполненной работе должен содержать: 1. Краткое изложение содержания работы, основные расчетные формулы. 2. Схему лабораторной установки. 3. Таблицу результатов измерений и вычислений, графические зависимости. 4. Примеры вычислений рассчитываемых величин. Вопросы для самопроверки 1. Назовите основные конструкции мешалок. 2. Что такое интенсивность и эффективность перемешивания? 3. Каков физический смысл центробежных критериев Рейнольдса и Фруда? 4. Каков физический смысл критерия мощности? 5. В чем заключается графический способ определения расхода мощности на перемешивание? 33

Литература: [I], с. 164 ... 169; [3], с. 109, 558 … 559; [4], с. 246 ... 257.

Работа 6. Изучение гидродинамики взвешенного слоя I. Цель работы Цель работы – изучение свойств взвешенного слоя, опытное определение критической скорости потока или диаметра частиц слоя. II. Содержание работы Аппараты со взвешенным слоем в последнее время широко используются в химической технологии для осуществления различных гетерогенных процессов, в которых имеет место контакт газа или жидкости с мелкозернистым материалом (сушка, обжиг, адсорбция, растворение, каталитические процессы и т. п.). Преимущество проведения процессов тепло- и массообмена во взвешенном слое заключается прежде всего в значительном увеличении поверхности контакта фаз, что приводит к более интенсивному протеканию процессов. Когда через слой свободно насыпанного твердого материала пропускают снизу вверх поток, наблюдаются следующие явления. При малых скоростях потока происходит фильтрация газа (жидкости) через слой, который остается неподвижным до достижения потоком некоторой скорости, называемой критической wкр. При скорости, большей wкр, твердые частицы становятся подвижными и начинают перемещаться. Слой приобретает текучесть, наступает состояние псевдоожижения. Взвешенный слой существует при значениях скорости потока от wкр до wу (скорости уноса). При этом имеется в виду фиктивная скорость, отнесенная к полному сечению аппарата:

W = V / S, 34

(38)

где V – расход газа, м3/с;

S – площадь поперечного сечения аппарата, м2. Условием перехода неподвижного слоя во взвешенное состояние является равенство силы давления среды и веса слоя, приходящегося на единицу площади поперечного сечения аппарата. Условие псевдоожижения может быть записано в виде

ΔPсл = H0 (ρ – ρс) g ε0 = H (ρ – ρс) g ε ,

(39)

где ΔPсл – перепад давления в слое, Па;

H0, H – высота неподвижного и кипящего слоя соответственно, м;

ε0, ε – порозность неподвижного и кипящего слоя, д. е.; ρ, ρс – плотность твердых частиц и среды (потока), кг/м3. При этом перепад давления в слое ΔPсл определяется как отношение веса материала в слое G, Н к площади поперечного сечения аппарата S:

ΔPсл = G / S.

(40)

Если средой является газ, т. е. ρ > ρс, то перепад давления в слое

ΔPсл = H0 ρ g ε0 = H ρ g ε .

(41)

Важной гидродинамической особенностью взвешенного слоя является постоянство величины

ΔPсл при увеличении расхода газа V и его фиктивной

скорости w вплоть до скорости уноса твердых частиц. Объясняется это тем, что одновременно с повышением расхода газа (и фиктивной скорости) увеличивается порозность взвешенного слоя ε. Поэтому действительная скорость газа между частицами (w0 = w /ε), определяющая силу воздействия потока на частицу, остается постоянной. Графическая зависимость величины

ΔPсл от скорости газа в общем виде

приведена на рис. 8. 35

Такой характер зависимости

ΔPсл

= f (w) позволяет экспериментально находить скорость начала псевдоожижения как скорость газа (жидкости), при которой перепад давления в слое перестает изменяться. Наряду со скоростью начала псевРис. 8. Зависимость перепада давления в зернистом слое от скорости потока

доожижения wкр, важной характеристикой кипящего слоя является его порозность ε,

т. е. объемная доля газа (жидкости) в слое

ε = (Vсл – Vтв) / Vсл = 1 – Vтв / Vсл ,

(42)

где Vсл = G / ρ – общий объем слоя, м3;

Vтв = S h – объем, занимаемый твердыми частицами, м3; h – высота слоя, м. Для определенных материалов (постоянные плотность и дисперсность частиц) и среды (постоянные плотность и вязкость среды) порозность взвешенного слоя однозначно определяется скоростью газа (жидкости):

ε = f (w). Для неподвижного монодисперсного слоя шарообразных частиц ε0 = 0,4. Для расчета скорости начала псевдоожижения можно использовать критериальное уравнение

Reкр = Ar / (1400 + 5,22 Ar1/2),

(43)

где Reкр – критерий Рейнольдса, отвечающий критической скорости wкр:

Reкр = wкр d ρс / μ , Ar – критерий Архимеда: 36

(44)

Ar = d3 ρ ρс g / μ2 .

(45)

В уравнения (43) – (45) входят следующие величины:

d – эквивалентный диаметр частиц слоя, м;

μ – динамический коэффициент вязкости потока газа (жидкости), Па⋅с; Формула (43) широко применяется в приближенных расчетах для монодисперсного слоя сферических частиц с погрешностью ±20%. Для частиц неправильной формы, а также для полидисперсного слоя вместо величины d используют значение эквивалентного диаметра частиц dэ. Удобно также использовать графическую зависимость между критериями Архимеда Ar и Лященко Ly:

Ly = f (Ar, ε),

(46)

Ly = Re3 / Ar = w3 ρс2 / μ ρ g.

(47)

Эта зависимость удобна тем, что критерий Лященко не включает диаметр частиц, а критерий Аr – скорость газа, поэтому есть возможность определить неизвестную величину. Графическая зависимость Ly = f (Ar, ε) представлена на рис. 3.8 Л [3], с.108. Пользуясь ею, можно при известном значении диаметра частиц слоя определить критическую скорость газа (жидкости) и скорость потока, необходимую для достижения заданной порозности. Также можно решить обратную задачу, т. е. определить диаметр частиц по известной скорости потока и значению ε. III. Описание лабораторной установки Схема установки представлена на рис. 9. Она состоит из колонны 1 диаметром D = 105 мм, изготовленной из органического стекла и снабженной газораспределительной решеткой 2 и штуцерами 3 для подвода воздуха и подсоединения дифманометра 5. 37

Воздух, подаваемый воздуходувкой 4, поступает под решетку. Подача воздуха регулируется изменением числа оборотов воздуходувки с помощью ЛАТРа. Расход воздуха определяется по градуировочному графику V = f (U). Гидравлическое

сопро-

тивление газораспределительной Рис. 9. Схема установки для исследования кипящего слоя

решетки и кипящего слоя определяется дифманометром. Высо-

та слоя замеряется по шкале 6, расположенной на корпусе аппарата. IV. Порядок проведения работы 1. Определяют гидравлическое сопротивление газораспределительной решетки. Опыт проводится на колонне, освобожденной от зернистого материала. Включают воздуходувку и, постепенно повышая расход воздуха, находят по дифманометру значения перепада давления ΔPреш. Затем производят замеры при тех же значениях скорости газа (напряжения по ЛАТРу), но при снижении расхода воздуха. За гидравлическое сопротивление решетки

ΔPреш для каждого

расхода (скорости) воздуха принимают среднее значение, т. е. = (ΔP↑ + ΔP↓) / 2. 2. Засыпают в колонну зернистый материал в количестве 500–700 г. 3. Аналогично определяют суммарное гидравлическое сопротивление решетки и слоя ΔPреш + ΔPсл.

38

V. Обработка экспериментальных данных Гидравлическое сопротивление слоя

ΔPсл.определяют как разность сум-

марного гидравлического сопротивления и гидравлического сопротивления решетки. Порозность слоя вычисляют по формуле (42), строят графическую зависимость

ε = f (w).

Строят графические зависимости от скорости газа в аппарате гидравлического сопротивления газораспределительной решетки ΔPреш = f (w), суммарного гидравлического сопротивления

ΔPреш + ΔPсл = f (w), гидравлического

сопротивления слоя ΔPсл = f (w). По графикам определяют критическую скорость (скорость начала псевдоожижения) и сравнивают ее с величиной, рассчитанной по формулам (43) – (45). Результаты измерений и расчетов заносят в таблицу по форме 8.

Порозность ε, %

Гидравлическое сопротивление слоя ΔPсл,, Па

Суммарное гидравлическое сопротивление решетки и слоя ΔPреш + ΔPсл, Па

Гидравлическое сопротивление решетки ΔPреш, Па

Высота слоя h, м

Скорость воздуха w, м/с

Расход воздуха V, м3/с

Показания вольтметра, В

№ п/п

Форма 8

39

VI. Отчет о работе Отчет о выполненной работе должен содержать: 1. Краткое изложение содержания работы, ее цель, основные расчетные формулы. 2. Расчеты значений V, w, ε, отчетную таблицу. 3. Графические зависимости ε = f (w),

ΔPреш = f (w), ΔPреш + Pсл = f (w), Pсл

= f (w). 4. Расчеты значений wкр или dэ. Вопросы для самопроверки 1. Какой характер имеет зависимость гидравлического сопротивления взвешенного слоя от скорости газа? 2. Какая скорость называется критической? 3. Что такое фиктивная и действительная скорости газа? 4. Что такое порозность слоя? Как ее вычислить? 5. Почему с увеличением фиктивной скорости газа гидравлическое сопротивление взвешенного слоя остается неизменным? 6. Как рассчитать wкр, зная размер частиц? 7. Как рассчитать dэ, зная скорость начала псевдоожижения? Литература: [I], с. 128 ... 136; [3], с. 104... 108; [4], с. 101 ... 111.

40

Работа 7. Определение гидравлического сопротивления барботажного абсорбера I. Цель работы Цель работы – ознакомление с работой барботажного абсорбера и методами расчета и измерения гидравлического сопротивления тарелок. II. Содержание работы В тарельчатых абсорберах происходит ступенчатый контакт газовой и жидкой фаз. Он осуществляется путем барботажа газа через слой жидкости на тарелке. Поверхность контакта фаз представляет совокупность поверхностей пузырьков, струек и брызг. В зависимости от скорости газа и плотности орошения барботажные тарелки могут работать в различных режимах. Эти режимы различаются структурой барботажного слоя, которая определяет его гидравлическое сопротивление, высоту газожидкостного слоя на тарелке и величину поверхности контакта фаз. Для колонн с ситчатыми тарелками при малых скоростях газа жидкость «проваливается» через отверстия, газ проходит только через часть отверстий. Это режим неравномерной работы. При увеличении скорости газ начинает проходить через все отверстия, на тарелке образуется газожидкостный слой – пена; поверхность контакта фаз увеличивается. Наступает режим равномерной работы. При дальнейшем увеличении скорости газа наблюдается струйный режим, когда газ движется через жидкость в виде струй. В результате над пеной образуется большое количество брызг. При струйном режиме поверхность контакта фаз снижается. При еще большем увеличении скорости газа жидкость подбрасывается газом на большую высоту, и может происходить унос жидкости на 41

расположенную выше тарелку. Для ситчатых тарелок минимальную скорость газа в отверстиях тарелки

w0 min, м/с, соответствующую началу режима равномерной работы, можно найти по уравнению

w0 min = 0.67 (g ρж h0 / ξ ρг)1/2 ,

(48)

где ρж, ρг – соответственно плотности жидкости и газа, кг/м3;

h0 – высота слоя жидкости на тарелке, м;

ξ – коэффициент гидравлического сопротивления сухой тарелки. Скорость газа в отверстиях тарелки w0 связана со скоростью газа в свободном сечении колонны (фиктивной скоростью) w соотношением

w = f w0 , где f – живое сечение тарелки (доли или %), т. е. отношение суммарной площади отверстий к площади поперечного сечения колонны. Для ситчатых тарелок:

при f = 0,07–0,1

ξ = 1,82;

при f = 0,15–0,2

ξ = 1,45.

Общее гидравлическое сопротивление тарелки ΔP, Па складывается из сопротивления сухой тарелки ΔP1, сопротивления барботажного слоя ΔP2 и сопротивления ΔP3, обусловленного силами поверхностного натяжения жидкости:

ΔP = ΔP1 + ΔP2 + ΔP3 .

(49)

Гидравлические сопротивления, входящие в формулу (49), определяют следующим образом:

ΔP1 = ξ ρг w02 / 2;

(50)

ΔP2 = 1,3 k ρж (hп + Δh),

(51)

где k – отношение плотности пены к плотности жидкости (обычно принимают 42

k= 0,5); hп – высота сливного порога, м;

Δh – высота уровня жидкости над сливным порогом, м. Δh = Vж / 1,85 П k;

(52)

Vж – объемный расход жидкости, м3/с; П – периметр сливного патрубка, м.

ΔP3 = 4 σ / d;

(53)

σ – поверхностное натяжение, Н/м; d – диаметр отверстий тарелки, м. III. Описание лабораторной установки Установка (рис. 10) состоит из абсорбера 5 с двумя ситчатыми тарелками 6, приемного 1 и напорного 9 баков, воздуходувки 23, системы кранов и измерительных приборов. Жидкость из напорного бака 9 поступает на верхнюю тарелку абсорбера. Расход жидкости регулируется краном 7 и фиксируется ротаметром 8. Перелив жидкости с верхней тарелки на нижнюю и с нижней в приемный бак осуществляется с помощью переливных устройств 4 и 14 и гидрозатвора 2. Высота слоя жидкости на тарелке определяется открытием одного из кранов 3 или 15. Для передачи жидкосги из приемного бака 1 в напорный 9 используется сжатый воздух из ресивера 22. Воздух подается под нижнюю тарелку абсорбера с помощью воздуходувки 23. Регулирование подачи воздуха производится по напряжению, подаваемому на электродвигатель вентилятора (показания ЛАТРа), значения расхода находят по дифманометру 28, соединенному с диафрагмой 24. На тарелках образуется барботажный слой жидкости. На выходе из абсорбера воздух проходит брызгоуловитель 10 и выбрасывается в атмосферу. 43

Измерение гидравлического сопротивления производится дифманометром 19. С помощью кранов 12, 13, 16, 17 и 21 дифманометром 19 можно измерить сопротивление одной из тарелок или всего аппарата в целом.

Рис. 10. Схема установки для изучения работы барботажного абсорбера Основные размеры аппарата: внутренний диаметр колонны D = 0,09 м, диаметр отверстии d = 1,5 мм, количество отверстий в тарелке n = 118. 44

IV. Порядок проведения работы и обработка экспериментальных данных 1. Путем визуальных наблюдений определяют скорость газа, отвечающую началу равномерной работы тарелки при данном расходе жидкости. 2. Находят экспериментальное значение w’0 min и сравнивают его со значением w0 min, рассчитанным по формуле (48). 3. При нескольких значениях расхода газа Vг измеряют гидравлическое сопротивление сухих тарелок и всего аппарата. 4. Измеренные значения

ΔP1’ для каждой тарелки сравнивают со значе-

ниями ΔP1 , рассчитанными по формуле (50). 5. Устанавливают заданный расход жидкости Vж и после стабилизации режима измеряют гидравлическое сопротивление каждой орошаемой тарелки и всего аппарата. 6. Полученные значения

ΔP’ сравнивают с ΔP, рассчитанными по фор-

мулам (49) – (53). Измерения значений Ар можно производить при нескольких значениях

Vг и Vж или различной высоте газожидкостного слоя на тарелке. Результаты измерений и расчетов заносят в таблицы по форме 9 – 11. Графическая обработка результатов работы производится по заданию преподавателя. Форма 9 Скорость газа, отвечающая началу равномерной работы тарелок

Vж = … м3/с, h0 = … м № п/п

Vг, 3

м /с

w, м/с

w0, м/с

w0 min, м

(по формуле 48)

Визуальные наблюдения

45

Форма 10 Гидравлическое сопротивление сухих тарелок № п/п

Vг,

м3/с

w,

w0,

м/с

1-я тарелка ΔP1’, Па

h0,

м/с

м

2-я тарелка ΔP1”, Па

ΣΔP1 , Па

ΔP1, Па

(по формуле 50)

Форма 11 Гидравлическое сопротивление орошаемых тарелок № Vг, w, п/п м3/с м/с

w0, Vж, h0, 3

м/с м /с

м

1-я тарелка ΔP2’, Па

2-я тарелка ΔP2”, Па

ΣΔP2, Па

ΔP2, Па

(по формуле 49)

VI. Отчет о работе Отчет о выполненной работе должен содержать: 1. Краткое изложение содержания работы, основные расчетные формулы. 2. Схему установки. 3. Расчет значений w, w0, ΔP1 , ΔP2, ΔP3, ΔP, w0 min, Δh. 4. Отчетные таблицы. 5. Графические зависимости Вопросы для самопроверки 1. В каких режимах может работать тарельчатый абсорбер? 2. От чего зависят гидравлическое сопротивление тарелки и величина поверхности контакта фаз? 3. Из каких слагаемых складывается гидравлическое сопротивление орошаемой 46

тарелки? 4. Что такое живое сечение тарелки? 5. Как определить скорость газа в отверстиях тарелки? 6. Что такое фиктивная скорость газа? 7. Как рассчитать минимальную скорость газа, соответствующую началу режима равномерной работы тарелки? Литература: [I], с. 141 ... 143; [3], с. 354 … 355; [4], с. 449... 453

Библиографический список 1.

Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии:

Часть I. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты: Учебник для вузов. – М.: Химия, 2002. – 416 с. 2.

Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии:

Часть II. Массообменные процессы и аппараты: Учебник для вузов. – М.: Химия, 2002. – 384 с. 3.

Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по кур-

су процессов и аппаратов химической технологии – Л.: Химия, 1987. – 594 с. 4.

Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической техноло-

гии: Учебник для вузов. – М.: Химия, 1971. – 784 с. 5.

Плановский А. Н., Рамм В. М., Каган С. З. Процессы и аппараты хи-

мической технологии. – М.: Химия, 1968. – 848 с.

47

Содержание Работа 1. Определение гидравлических сопротивлений трубопроводов.. 3 Работа 2. Испытание монтежю ................................................................... 10 Работа 3. Определение поля скоростей в трубопроводе......................... 15 Работа 4. Испытание центробежного вентилятора................................... 22 Работа 5. Определение расхода энергии на перемешивание ................. 28 Работа 6. Изучение гидродинамики взвешенного слоя ............................ 34 Работа 7. Определение гидравлического сопротивления барботажного абсорбера ...................................................................................................... 41 Библиографический список.......................................................................... 47 Редактор И. Н. Садчикова Сводный темплан 2004 г. Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97 Санитарно-эпидемиологическое заключение № 78.01.07.953.П.005641.11.03 от 21.11.2003 г.

Подписано в печать Б. кн.-журн.

2

П. л. 2.0 Тираж

. Формат 60х84 1/16. . Б.л. Заказ

РТП РИО СЗПУ .

Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5

48