Методика проведения опытов. Методические указания к лабораторным работам:

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

(1 часть)

Методические указания к лабораторным работам:

Лабораторная работа №1 «Гидродинамика псевдоожиженного слоя». 3

Лабораторная работа №2 «Гидродинамика насадочной колонны». 13

Лабораторная работа №3 «Испытание кожухотрубчатого теплообменника» 23

Пермь 2011

Лабораторная работа №1
«Гидродинамика псевдоожиженного слоя»

Цели лабораторной работы:

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

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

Сведения из теории

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

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

Слой зернистого материала, пронизываемый восходящим потоком газа или жидкости, может находиться в качественно различных стационарных состояниях, что наглядно изображается кривой псевдоожижения. Последняя выражает зависимость перепада давления в слое ΔР_сл. от фиктивной скорости ожижающего агента W (скорости, отнесенной к полному сечению аппарата).

Рисунок 1

На рисунке 1 изображена кривая идеального псевдоожижения монодисперсного слоя в аппарате постоянного поперечного сечения. Восходящая ветвь ОА (прямая при ламинарном течении и криволинейная при других рабочих режимах) соответствует движению ожижающего агента через неподвижный слой и характеризует режим (состояние) фильтрации. Излом кривой в точке А соответствует переходу неподвижного слоя в псевдоожиженное состояние, а абсцисса точки А - первой критической скорости W_кр.1, являющейся нижним пределом диапазона псевдоожиженного состояния. Величину W_кр.1 называют также скоростью начала псевдоожижения. При этой скорости силы гидродинамического давления газового (жидкостного) потока уравновешивают вес зернистого материала в слое. Твердые частицы утрачивают взаимный контакт и получают возможность пульсационного перемещения и перемешивания. Слой становится «текучим» и приобретает некоторые другие свойства капельной жидкости. С дальнейшим увеличением скорости газа интенсивность движения частиц возрастает, слой расширяется, в нем проходят газовые пузыри, а на его свободной поверхности наблюдаются волны и всплески.

Псевдоожиженное состояние изображается на рисунке 1 горизонталь­ным участком АВ и характеризуется постоянством гидравлического со­противления слоя ΔР_сл., т.е. независимостью его от скорости газа W. Это постоянство значения ΔР_сл. объясняется тем, что при повышении расхода газа и его фиктивной скорости одновременно увеличиваются объем псевдоожиженного слоя и расстояние между частицами. Вследствие этого действительная скорость газа между частицами W_g, от которой зависит сопротивление слоя, остается неизменной.

При достижении скорости ожижающего агента, при которой силы гидродинамического давления начинают превышать силу тяжести, частицы уносятся из слоя. Точка В, абсцисса которой выражает скорость начала уноса частиц W_кр.2 (вторая критическая скорость, скорость витания), является верхним пределом псевдоожиженного состояния. При скоростях ожижающего агента W > W_кр.2 слой разрушается, и двухфазная система переходит в состояние пневмотранспорта (массового уноса частиц). При этом количество твердой фазы в слое падает, уменьшается энергия, необходимая для поддержания частиц во взвешенном состоянии, и гидравлическое сопротивление слоя понижается (кривая ВС ).

Рисунок 2

Действительная картина псевдоожижения (рисунок 2) несколько отличается от идеальной. Для реальной кривой прежде всего характерно наличие пика давления Δπ₀ при первичном псевдоожижении. Это связано с преодолением сил сцепления между частицами неподвижного слоя. Кроме того, реальная кривая псевдоожижения обнаруживает гистерезис: на линии прямого 1-го и обратного 2-го хода (полученные соответственно при постепенном увеличении и уменьшении скорости газа) вблизи точки А не совпадают (рисунок 2). линии обратного хода пик давления отсутствует, и она располагается ниже линии прямого хода вследствие более рыхлой упаковки слоя после первичного псевдоожижения. При повторном псевдо­ожижении ΔР_сл. возрастает по линии 2. Разница между линиями 1 и 2 обычно не превышает 5-10 %.

Для полидисперсных слоев ха­рактерна не одна фиксированная скорость начала псевдоожижения, а интервал скоростей между режимами фильтрации и полного псевдо­ожижения. При соотношении максимального и минимального диаметров частиц d_max/d_min<5 слои обычно ведут себя как монодисперсные.

Состояние псевдоожиженного слоя и интенсивность перемешива­ния частиц характеризуется числом псевдоожижения K_W, которое представляет собой отношение рабочей скорости газового потока W к первой критической W_кр.1:

(1)

Интенсивное перемешивание частиц в слое достигается уже при значении K_W =2. Оптимальные числа K_W для конкретных техноло­гических процессов в псевдоожиженном слое изменяются в широких пределах.

При использовании в качестве ожижающего агента газа имеет место так называемое неоднородное псевдоожижение: часть газа дви­жется через слой в виде пузырей, разрушающихся при достижении вер­хней границы слоя. Уровень слоя при этом нестабилен и сильно размыт из-за выброса частиц. Зависимость сопротивления слоя ΔР_сл. от скорости газа имеет пульсирующий характер. Частота пульсации соответствует частоте образования пузырей и составляет обычно от 1 до 10 в секунду.

При проектировании аппарата важно знать основные гидродинамические характеристики псевдоожижения, к которым относятся сте­пень расширения слоя R, значения критических скоростей W_кр.1 и W_кр.2, а также перепад давления в слое ΔР_сл.

Степень расширения псевдоожиженного слоя (R) определяется из следующего выражения:

(2)

или

(3)

где	H – высота псевдоожиженного слоя;
	H0 – высота неподвижного слоя;
	e - порозность псевдоожиженного слоя;
	e0 – порозность неподвижного слоя.

Порозность представляет собой объемную долю пустот в слое твердых частиц:

(4)

где	Vсл. – общий объем, занимаемый слоем, м3;
	Vr – объем, занимаемый только твердыми частицами, м3.

Величина e₀ зависит от формы частиц, гранулометрического состава и других факторов. Для частиц округлой формы, близкой к шарообразной, порозность неподвижного слоя e₀ близка к 0,4.

В пределах возрастания скоростей газового потока от W_кр.1 до W_кр.2 псевдоожиженный слой расширяется и порозность его увели­чивается. При скорости газа W_кр.2, предельной для псевдоожиженного слоя, V_сл.>>V_r и e =5. Таким образом, псевдоожиженный слой может существовать в пределах значений порозности от 0,4 при W_кр.1 до 1 при W_кр.2 .

Порозность монодисперсного слоя сферических частиц может быть определена по уравнению

,

(5)

где Re – критерий Рейнольдса,

Reкр.1 – критерий Рейнольдса, соответствующий первой критической скорости,

;

	d – средний размер частиц в слое, м;
	ν – кинематическая вязкость ожижающего агента, м2/с;
	n – показатель степени, равный 0,21 при однородном псевдоожижении и равны 0,1 при неоднородном.

Уравнение (5) для неоднородного псевдоожиженного слоя при n=0,1 справедливо в интервале значений числа псевдоожижения K_W ≈1,5-10.

Расчет критических скоростей псевдоожижения осуществляется по уравнению

(6)

где	Ar – критерий Архимеда,

	ρr – плотность материала, кг/м3;
	ρ – плотность ожижающего агента, кг/м3;
	g – ускорение свободного падения, м/с2.

Решение уравнения (6) при e =0,4 и e =1 позволяет полу­чить значения соответственно Re_кр.1 и Re_кр.2 , необходимые для определения критических скоростей (м/с):

;

(7)

Для практических расчетов гидродинамических характеристик псевдоожижения используют также диаграмму Ly=f(Ar,e) при e = 0,4…1,0 (смотреть на рабочем месте). Ly - критерий Лященко,

.

Эта диаграмма, позволяет определять скорость потока, необходимую для достижения заданной порозности псевдоожиженного слоя, состоя­щего из частиц известного диаметра, или решать обратную задачу.

Для расчета критических скоростей псевдоожижения по диаграмме задаются соответствующими значениями порозности (e =0,4 и e =1), и, зная критерий Архимеда, находят критические значения критерия Лященко Ly_кр.1 и Ly_кр.2. Далее определяют первую и вторую критические скорости (м/с):

;

(8)

Перепад давления в слое ΔР_сл., определяющий выбор побудителя тяги для подачи ожижающего агента, определяется по уравнению

Н/м2 .

(9)

Если ожижающим агентом является газ, то ρ << ρ_r и приближенно:

Н/м2 .

(10)

Уравнение (10) выражает известный закон гидростатики (давле­ние в любой точке слоя жидкости равно произведению ее удельного веса на высоту слоя), что также свидетельствует об определенной аналогии между псевдоожиженным материалом и капельной жидкостью.

На практике вследствие отклонений от идеального псевдоожижения значение ΔР_сл. нередко бывает несколько ниже (на 10-15 %) рас­считанного по уравнениям (9) и (10)

Описание установки

Установка (рисунок 3) состоит из аппарата 4 , на решетке ко­торого находится слой зернистого материала 3.

Внутренний диаметр аппарата составляет 0,1 м. Высоту слоя замеряют при помощи прикрепленной к аппарату миллиметровой шкалы 5 .

Прибор для измерения расхода воздуха – коллектор 1 в комплекте с микроманометром 2, который замеряет разряжение в коллекторе.

U-образный дифманометр 6 служит для замера гидравличес­кого сопротивления зернистого слоя. Градуировочный график для коллектора находится на рабочем месте.

Методика проведения опытов

Приступить к выполнению лабо­раторной работы можно только после детального ознакомления с установ­кой. Пуск установки производят с разрешения преподавателя в следующем порядке:

1. Определяют высоту непод­вижного слоя по шкале.

2. Включают в работу пылесос при минимальных значениях напряжения. При этом регулятор напряжения должен быть повернут в крайнее левое положение.

3. По показаниям микроманометра 2 плавно устанавливают минимальный расход воздуха путем медленного вращения ручки регулятора напряжения 7 почасовой стрелке. В дальнейшем медленно увеличивают расход воздуха через заданные преподавателем интервалы показаний микроманометра. При этом особое внимание обращается на состояние слоя.

4. При каждых заданных показаниях микроманометра 2 замеряют сопротивление зернистого слоя по диф­манометру 6, высоту слоя по миллиметровой шкале 5.

Все измеренные величины заносят в таблицу 1.

Рис. 3. Схема лабораторной установки:

1 – коллектор; 2 – микроманометр; 3 – зернистый материал;

4 – колонна; 5 – миллиметровая шкала; 6- дифманометр;

7 – регулятор напряжения.

Таблица 1 - Опытные результаты

Номера экспериментальных точек	Показания микроманометра	Показания дифманометра ΔРg, мм вод.ст.	Высота псевдоожиженного слоя Н, мм

Высота неподвижного слоя Н₀ = мм.