Описание лабораторной установки

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРАВЛИКИ ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ

Цель работы

1. Изучение закономерностей псевдоожижения твердых частиц в жидких и газообразных средах.

2. Экспериментальное исследование гидравлики псевдоожиженного слоя.

3.Изучение методики расчета основных гидроди­намических характеристик псевдоожиженных слоев.

Содержание работы

1. Ознакомиться с основными гидродинамическими характеристиками псевдоожиженного слоя: ско­рость начала псевдоожижения, скорость уноса, порозность и высота слоя, число псевдоожижения.

2. Снять экспериментальную зависимость гидрав­лического сопротивления слоя от фиктивной скорости.

3. Экспериментально определить скорость начала псевдоожижения.

4. Определить вес слоя в аппарате.

5. Определить диаметр частиц зернистого слоя.

6. Рассчитать скорость уноса частиц.

Теоретическая часть

3.1. Основные понятия и термины

В работе используются следующие термины и ос­новные понятия: взвешенный или псевдоожиженный слой, скорость начала псевдоожижения, скорость уно­са, фиктивная скорость среды, число псевдоожиже­ния, порозность и высота слоя.

С этими терминами следует ознакомиться в (1, стр. 109—114).

3.2. Основные положения

3.2.1. Гидравлика псевдоожиженного слоя

В химической промышленности для контактирова­ния газов или жидкостей с твердым материалом ши­роко применяются аппараты с псевдоожиженным сло­ем. Они используются для перемещения и смешива­ния сыпучих материалов, для проведения процессов обжига, теплообмена, сушки, адсорбации, каталитических и других процессов и обладают рядом преиму­ществ: увеличенная поверхность контакта твердых частиц с потоком, увеличенная скорость протекания процессов, пониженное гидравлическое сопротивление слоя и другие.

Если через слой твердых частиц, лежащий на ре­шетке, пропускать восходящий поток газа или жид­кости и при этом постепенно увеличивать его ско­рость, то при некоторой критической скорости газа весь слой переходит во взвешенное состояние, частицы приобретают подвижность (см. рис. 10.1).

Рис. 10.1. Движение газа в слое твердых частиц:

а — неподвижный слой; б — псевдоожиженный слой; в-пневмотранспорт

При дальнейшем увеличении скорости высота взве­шенного слоя увеличивается, то есть слой расширяет­ся и его порозность растет, относительно хаотиче­ское движение частиц становится более интенсивным. Такой взвешенный слой во многом напоминает жид­кость. Он «течет», принимает форму сосуда, имеет свободную поверхность, имеет свою вязкость. Поэто­му такой слой получил название псевдоожиженного слоя, а критическая скорость, при достижении которой наступает такое состояние слоя,— скорости начала псевдоожижения, или просто скорости псевдоожижения, При этом газ или жидкость, в восходящем потоке которых осуществляется псевдоожижение слоя, называют сжижающей, или псевдоожижающей средой.

При применении газовой псевдоожижающей сре­ды в большинстве случаев через слой интенсивно пробулькивают пузырьки газа, поэтому такой слой полу­чил название «кипящего слоя». При дальнейшем увеличении скорости сжижающей среды продолжает­ся расширение псевдоожиженного слоя. При дости­жении высоты слоя уровня патрубка для выхода ожижающей среды начинается вынос зернистого материала из аппарата. Скорость, соответствующую началу выноса материала из аппарата, можно назвать ско­ростью выноса υ_вын.

Ряс. 10.2. Зависимость гидравлического сопротивления слоя от скорости псевдоожижающей среды

При дальнейшем увеличении скорости из аппара­та выносится все большее количество материала, и, наконец, при достижении определенной скорости в ап­парате останется одна витающая частица. Это ско­рость уноса υ_ун, которая равняется скорости свобод­ного осаждения одиночной твердой частицы.

Если измерять дифференциальным манометром падение давления среды при ее прохождении через слой (гидравлическое сопротивление слоя) ∆Р и по­строить график зависимости ∆Р от фиктивной ско­рости среды υ (скорости, отнесенной к полному по­перечному сечению пустого аппарата), то эта зави­симость будет иметь вид, показанный на рис. 10.2. На этом же рисунке пунктиром показана зависимость гидравлического сопротивления плотного зернистого слоя. Как видно из рисунка, гидравлическое сопро­тивление псевдоожнженного слоя значительно мень­ше, чем плотного слоя, и не зависит от скорости. Это является одним из основных преимуществ псевдоожиженного слоя перед плотным слоем.

3.2.2. Определение основных гидродинамических характеристик псевдоожиженных слоев

В области существования псевдоожиженного слоя, начиная от скорости начала псевдоожижения и до скорости начала выноса, гидравлическое сопротивле­ние слоя ∆Р сохраняет свое постоянное значение. Ве­личина гидравлического сопротивления псевдоожи­женного слоя теоретически определяется из простых соображений равновесия сил

(10.1)

(10.2)

где G_сл.каж. — кажущийся вес слоя в среде сжижающего газа или жидкости;

f — поперечное сечение аппарата;

V_ч=V(1-ε) – объем всех частиц в слое;

V — объем слоя.

(10.3)

где ε — относительный свободный объем или порозность слоя;

ρ_ч — плотность материала частиц;

ρ_с — плотность сжижающей среды.

Теоретический вывод (10.1) подтверждается эк­спериментами полностью, за исключением того, что в момент начала псевдоожнжения наблюдается неко­торый скачок давления (см.рис. 10.2), зависящий от начальной порозности слоя, от шероховатости частиц, от разности плотностей материала и среды, от темпа нарастания скорости и других факторов и трудно поддающийся однозначному прогнозированию.

Совместное решение уравнений (10.1) — (10.3) с учетом того, что объем слоя

(10.4)

дает формулу для определения гидравлического со­противления псевдоожиженного слоя

(10.5)

Согласно (10.3) и (10.4) для любой порозности

(10.6)

где ε_о и Н_о — порозность и высота насыпного слоя.

Из последнего уравнения можно определить при любой известной порозности высоту псевдоожижен­ного слоя

(10.7)

Таблица 10.1

Значения коэффициента удельной поверхности частиц φ_п, и коэффициента формы и шероховатости поверхности частиц φ_ф

Форма частиц	φп	φф
Гладкие сферические Округлые Угловатые Продолговатые Пластинчатые	1,18 1,33 1,34 1,53	1,27 1,45 1,96 3,42

Основной гидравлической зависимостью псевдоожиженного слоя является зависимость между чи­слом Рейнольдса, Архимеда и порозностью, то есть

(10.8)

Конкретный вид этой зависимости выражается фор­мулой Тодоса

(10.9)

где — число Рейнольдса; (10.10)

— число Архимеда; (10.11)

φ_п — коэффициент удельной поверхности ча­стиц;

φ_ф — коэффициент формы и шероховатости поверхности частиц.

Значения коэффициентов φ_п и φ_ф приведены в таб­лице 10.1.

3.2.3. Решение основных задач процесса псевдоожижения

Определение скорости начала псевдоожижения υ_cп и скорости уноса υ_ун при известном диаметре ча­стиц определяет прямую задачу процесса псевдоожи­жения. Она решается следующим образом.

Из формул (10.9) и (10.10) при значении началь­ной порозности слоя ε₀=0,42 определяется скорость начала псевдоожижения υ_пс и при ε=1 скорость уно­са υ_ун, то есть

(10.12)

(10.13)

Определение порозности псевдоожиженного слоя при известной скорости составляет первую обратную за­дачу псевдоожижения.

Разрешив формулу (10.9) относительно ε, можно получить формулу для решения этой задачи

(10.14)

Определение диаметра частиц по известной ско­рости начала псевдоожижения или по скорости уноса является второй обратной задачей псевдоожижения. Обратная задача псевдоожижения решается с по­мощью номограммы (рис. 10.3), построенной согласно формуле Тодоса. По экспериментально определенной скорости начала псевдоожижения или скорости уно­са определяют число Лященко, соответствующее ско­рости начала псевдоожижения или скорости уноса по формуле

(10.15)

Затем по номограмме определяют число Архимеда, со­ответствующее найденному числу Лященко при ε=ε₀=0,42, если Ly=Ly_пс., или при ε=1, если Ly=Ly_yн. По найденному значению числа Архимеда определя­ют эквивалентный диаметр частиц.

(10.16)

Рис. 10.3. Зависимость числа Ly от числа Аг при различных значениях порозности слоя

Недостатком этого метода решения второй обратной эадачи является недостаточная точность и невозмож­ность учета формы частиц.

Вторую обратную задачу процесса псевдоожижения можно решить с помощью формулы

(10.17)

Рис. 10.4. Схема лабо­раторной установки:

/ — аппарат, 2 — распределительная решетка;

3— зернистый слой; 4— воздуходувка; 5—рота­метр; 6 —дифференциальный манометр; 7 — вентиль; 8 — автотранс­форматор

Описание лабораторной установки

Установка состоит (рис. 10.4)из стеклянного ци­линдрического аппарата 1 с распределительной ре­шеткой 2, поддерживающей зернистый слой 3, возду­ходувки 4, ротаметра 5, v-образного дифференци­ального манометра 6, регулировочного вентиля 7 и лабораторного автотрансформатора (ЛАТРа) 8.

Воздух, подаваемый воздуходувкой 4, проходит через ротаметр 5, распределительную решетку 2 и слой зернистого материала 3. v-образный дифферен­циальный манометр 6 служит для измерения общей потери давления воздуха при прохождении через ре­шетку и слой. Ротаметр 5 служит для определения расхода воздуха, вентиль 7 и автотрансформатор (ЛАТР) 8—для регулирования расхода воздуха.

К установке прилагается график зависимости гид­равлического сопротивления пустого аппарата с сет­кой от скорости воздуха ∆P_ап.=f(в) и тарировочный график ротаметра.