Министерствообразования и науки РФ
Иркутскийгосударственный технический университет
Гидромеханическиепроцессы химической и пищевой технологии
Методическиеуказания по лабораторным работам
по курсам« Процессы и аппараты химической технологии» и
«Процессыи аппараты пищевых производств»
Иркутск2004г.
Определение гидравлических сопротивлений
трубопровода и арматуры
Цельработы: Экспериментально определить гидравлическое сопротивление контрольныхучастков трубопровода и арматуры. Сопоставить справочные и экспериментальныезначения коэффициентов трения и местных сопротивлений.Основные определения итеория процесса
Трубопроводнаясеть включает в себя прямые участки труб и местные сопротивления, в которыхпоток жидкости (газа) изменяет свою скорость по величине и направлению. Кместным сопротивлениям относятся вентили, краны, задвижки, диафрагмы, поворотытруб, внезапные и плавные расширения или сужения и т.д.
При движении среды потрубопроводной сети, вследствие вихреобразования и трения, энергия давленияпереходит в другие ее виды, в результате чего давление по длине сети падает.Если выбрать участок трубопровода и измерить давление на его границах, торазность измеренных величин будет потерей давления или гидравлическимсопротивлением данного участка.
Гидравлическоесопротивление прямого участка сети без местных сопротивлений рассчитывается поформуле:
/> (1)
где ΔРтр –потеря давления на трение в прямой трубе, Па;
l – длина трубы, м;
d – внутренний диаметртрубы, м;
ρ – плотностьжидкости, кг/м3;
w – скорость потока, м/с.
Коэффициент трения λявляется безразмерной величиной и зависит от режима движения жидкости. Формулыдля его расчета приведены в [1].
Потеря давления на трениев змеевике ΔРзм больше, чем в прямой трубе ΔРтр:
ΔРзм = ΔРтр·ψ (2)Безразмерный поправочныйкоэффициент ψ>1 вычисляют по формуле:Ψ = 1+ 3,54/>
где d – внутренний диаметр трубы, м;
D – диаметр витка змеевика, м.
Потеря давления в местныхсопротивлениях рассчитывается по формуле:
/> (3)
Коэффициенты местногосопротивления /> зависят от вида сопротивления иберутся из справочных таблиц [1].Описание установкиВода из напорного бака 1 спомощью центробежного насоса 2 подается через систему различных гидравлическихсопротивлений и поступает обратно в бак. Бак установлен выше насоса и питаетсяот общего коллектора холодной воды. Поступив в первую линию, поток проходитсначала диафрагму 3, затем плавное расширение и плавное сужение 4. Далее поступаетв четырехвинтовой горизонтально расположенный змеевик 5 диаметром 480мм. Затемпроходит внезапное расширение и внезапное сужение потока 6. Диаметр основныхтруб составляет 55х2,5 мм. Диаметр большой трубы – 100х2,5 мм.
На разветвлении потокаустановлен коллектор, из которого жидкость с помощью задвижек 8, 12, 13 можетбыть направлена по второй, третьей или четвертой линии. На второй линииустановлены дополнительно кран 9 и вентили 10, 11. На четвертой линии имеетсяпрямой участок трубы 14 длиной 5м, предназначенный для исследованиясопротивления трения. Запорная арматура имеет условный проход 50 мм.
Изменение скоростидвижения жидкости в трубопроводе достигается регулировкой расхода с помощьювентиля на линии нагнетания насоса. Расход воды измеряется диафрагмой 3, попоказаниям дифференциального манометра 7. Потери давления при прохождениипотока по прямому участку трубы, а также через арматуру, сужения и расширенияизмеряются тем же дифманометром, который работает в комплекте со вторичным прибором.Порядок выполнения работы
1. Заполнитьнапорный бак водой.
2. Открыть вентилина всасывающем и нагнетательном трубопроводе центробежного насоса.
3. Закрыть задвижки8, 12 и открыть задвижку 13.
4. Включитьцентробежный насос.
5. Измерить перепаддавления на диафрагме 3 и определить расход воды по графику.
6. Измеритьпоочередно перепады давления на плавном расширении 4, змеевике 5, резкомрасширении 6, прямом участке 14. Результаты измерений занести в таблицу.
Рисунок 1- СхемаУстановки
/>1- напорныйбак
2- центробежныйнасос
3- диафрагма
4- плавное расширение
5- змеевик
6- внезапноерасширение
7- вентили нормальные
7. Закрыть задвижку13 и открыть задвижку 8 и выполнить замеры перепада давления на кране 9 ивентилях 10, 11. Результаты измерений занести в таблицу 1.
8. Далее с помощьювентиля на нагнетательном трубопроводе изменяют расход воды и выполняют всеизмерения для второго опыта.
Таблица 1 — ИзмеренныевеличиныНаименование величин Обозначение Размерность Значение Расход воды по диафрагме V
м3/с Потери давления
- на прямом участке
- на плавном расширении
- на змеевике
- на резком расширении
- на резком сужении
- на кране
- на вентиле
- на диафрагме
ΔРтр.
ΔРпл.р.
ΔРзм.
ΔРр.р.
ΔРр.с.
ΔРкр.
ΔРвн
ΔРд.
Па
Па
Па
Па
Па
Па
Па
Па Обработка результатовизмерения и содержание отчета
1. На основеперепада давления на диафрагме по градуировочному графику определяют расходводы V, м3/с.
2. По уравнениюрасхода V = w · S рассчитывают скорость потока на контрольных участках трубопроводной сети (дляслучаев сужения и расширения расчетную скорость находят по наименьшему сечениютрубопровода).
3. Определяют числоРейнольдса
Re />
4. Исходя из опытныхзначений потери давления на различных участках трубопровода с помощью уравнений(1) и (2) рассчитывают экспериментальные значения λ и /> для обоих опытов и полученныерезультаты заносят в таблицу 2. Для рассматриваемого змеевика ламинарный режимпри Re ≤ 9000 [1].
5. По графику илисоответствующему уравнению устанавливают величину λ при шероховатоститрубы е = 0,2 мм [1].
6. Находят величины /> по даннымтаблиц в приложении [1]. Значения λ и /> заносят в таблицу 2, в графусправочные данные.
7. Сопоставляютсправочные и экспериментальные значения коэффициентов трения и местныхсопротивлений.
Отчет должен включатьформулировку цели работы, схему установки, описание методики измерений ирасчеты необходимых параметров. Таблица 2 – Рассчитанные величины
Наименование
величин Обозначение Размерность Значение Справочные данные Скорость потока W м/с Число Рейнольдса Re Коэффициент трения:
- прямой трубы
- змеевика
λтр.
λ зм.
Коэффициент местных сопротивлений:
- плавного расширения
- резкого расширения
- резкого сужения
- крана
- вентиля
- диафрагмы
/>пл.р.
/>р.р.
/>р.с.
/>кр.
/>вн.
/>д.
ИЗУЧЕНИЕГИДРОДИНАМИКИ ТАРЕЛЬЧАТЫХ
И НАСАДОЧНЫХ КОЛОНН
Цельработы: Экспериментально определить гидравлическое сопротивление сухих иорошаемых контактных элементов – тарелок и насадок. Сопоставить измеренныевеличины с рассчитанными по эмпирическим зависимостям. Основные определения итеория процесса
Тарельчатыеи насадочные колонны являются широко распространенными аппаратами в химическойи других смежных отраслях промышленности. В них осуществляется взаимодействиевосходящих потоков газа или пара с жидкостью, стекающей по колонне вниз(абсорбция, ректификация).
Тарельчатыеколонны работают в основном в барботажном режиме, когда пар или газ проходитчерез слой жидкости на тарелке в виде пузырей или струй.
Насадочныеколонны работают в большинстве случаев как поверхностные аппараты, когда парили газ взаимодействуют с жидкостью, стекающей в виде пленок по насадке.
Существуетбольшое разнообразие контактных тарелок: колпачковые, ситчатые, клапанные,струйные и т.д. Их устройство и принцип работы описаны в [2].
Наиболеераспространенной насадкой являются кольца Рашига, которые изготавливаются изкерамики и металла. Кроме них используются также кольца Паля, спиральнаянасадка и др. [2].
Назначениетарелок и насадки в колонных аппаратах состоит в том, чтобы создать хорошийконтакт газа и жидкости и тем самым обеспечить эффективное протекание процессовтепло- и массообмена между взаимодействующими фазами.
Длятого чтобы обеспечить перемещение газа через колонну, необходимо затратитьмощность на преодоление гидравлических сопротивлений.
N = Δ P · V (1)
где ΔP – гидравлическое сопротивление колонны, Па;
V – объемный расход газа, м3/с.
Дляколпачковых тарелок гидравлическое сопротивление рассчитывают как сумму трехсоставляющих:
ΔPт = Δ Pсух.+ Δ Pσ + Δ Pс.т. (2)
где Δ Pсух = /> – сопротивление сухой тарелки, Па;
Δ Pσ = /> – сопротивление связанное спреодолением сил
поверхностного натяженияжидкости, Па;
Δ Pст = /> – сопротивление, оказываемоеслоем
жидкостина тарелке, Па.
Здесь: ρж – плотность жидкости, кг/м3;
ρг –плотность газа, кг/м3;
/> – коэффициент сопротивленияколпачковой тарелки (/>≈ 5);
σ – поверхностноенатяжение жидкости, Н/м;
m – высота прорезей колпачка, м;
b – ширина прорезей колпачка, м;
w0= w/ψ– скорость газа в прорезях колпачка, м/с;
w = V/S – скорость газа в колонне, м/с ;
V – расход газа, м3/с;
S – площадь сечения колонны, м2;
ψ – доля сеченияпрорезей колпачка определяется как отношения их суммарной площади на тарелке кплощади поперечного сечения колонны S, кг/м3;
К –отношение плотности пены к плотности чистой жидкости
(К ≈0,5);
l –расстояние от верхнегокрая прорезей до сливного порога, м (l = 0,01м);
g – ускорение свободного падения, м/с2;
Δ h = (Vж /ПК) – подпор жидкости над переливным устройством, м;
Vж – объемный расход жидкости, м3/с;
П – периметр сливажидкости, м.
Сувеличением скорости газа растет гидравлическое сопротивление тарелок, и принекоторых значениях W расходы энергии могут оказатьсяслишком большими. Однако чаще предельное значение скорости газа в тарельчатыхколоннах определяется величиной брызгоуноса, который определяется как отношениеколичества жидкости, уносимого одним килограммом газа с нижележащей навышележащую тарелку. Величину брызгоуноса е (кг жидкости/кг газа) дляколпачковых тарелок можно определить по формуле:
е =(11,5 · 10-6/σ) · (W/НС)3,2 (3)
где НС– высота сепарационного пространства, представляющая собой расстояние отверхней кромки пены до вышележащей тарелки, м.
Допустимаявеличина брызгоуноса составляет 0,1 кг/кг. Если значение больше 0,1, тонеобходимо уменьшить скорость газа в колонне.
Максимальныйрасход жидкости в колонне определяется сечением переливного устройства,обеспечивающего переток жидкости с вышележащей тарелки на нижележащую. При этомдопустимая скорость жидкости в переливном устройстве можно рассчитать как
/>, м/с (4)
Сопротивлениеорошаемой насадочной колонны можно рассчитать исходя из величиныгидравлического сопротивления сухой насадки
Δ Pн = Δ Pсух.· [1+8,4(L/G)0,4(ρг/ρж)0,23 ] (5)
Сопротивлениесухой насадки зависит от высоты слоя Н и определяется как
/> (6)
где a – удельная поверхность насадки, м2/м3
a = 300
ε– доля свободного объема насадки, м3/м3
ε= 0,7
Обе этивеличины зависят от вида насадки и берутся из справочных таблиц [2].
Коэффициентсопротивления λ зависит от числа Рейнольдса для газа
Reг/>
При Reг
При Reг > 40 λг = 16/Reг0,2
Взависимости от скорости газа возникают различные режимы работы насадочнойколонны: пленочный, подвисания, захлебывания, эмульгирования.
Придостижении определенной скорости газа, называемой «точкой инверсии фаз»происходит резкое изменение в характере гидродинамической обстановки. В этотмомент насадка полностью заполняется жидкостью, а газ начинает барботироватьчерез нее в виде пузырьков и струек. Дальнейшее увеличение скорости можетпривести к захлебыванию колонны, при котором нарушается противоток газа ижидкости и жидкость выбрасывается из верхней части колонны. Очевидно, чторабочая скорость должна быть меньше, чем скорость захлебывания Wз, которую можно найти из уравнения:
/> (7)
КоэффициентА = 0,022 для процессов абсорбции, при которых жидкость взаимодействует сгазами А = — 0,125 для систем пар – жидкость.Описание установкиУстановка состоит из двухпрозрачных колонн с внутренним диаметром 200мм и высотой 1380мм. Колонныизготовлены из царг, которые посредством резиновых трубок соединены с U-образным дифманометром.
Воздухподается в нижнюю часть колонны, а вода поступает в верхнюю.
Для определения расходоввоздуха и воды имеются ротаметры, снабженные калибровочными графиками.
Тарельчатая колонна имеет4 одноколпачковых тарелки. Расстояние между тарелками Нмт = 0,182 м. Внутренний диаметр парового патрубка
dп = 0,06м. Диаметр колпачка, dк = 0,1м, а его высота hк = 0,075м. Колпачок имеет треугольные прорези высотой 0,013ми шириной в основании также 0,015м. Число прорезей по периметру равно 19.Расстояние от нижней кромки колпачка до тарелки 0,01м. Диаметр сливногопатрубка составляет 0,021м, высота его над тарелкой 0,045м.
Насадочнаяколонна имеет слой насадки из колец Рашига. Высоту слоев насадки необходимоизмерить в опытах.Порядок выполнения работы
Дляисследования влияния скорости газа на сопротивление сухой тарелки (насадки)необходимо измерить их сопротивление при трех различных расходах газа. Затемпри этих расходах газа измерить сопротивление орошаемой тарелки (насадки).Расход жидкости на орошение в этом случае остается неизменным.
Далееисследуется влияние плотности орошения на сопротивление тарелки (насадки).
Дляэтого при постоянной скорости газа измеряют гидравлическое сопротивлениеорошаемой тарелки (насадки) при трех плотностях орошения.
Измеренныеданные сводят в таблицу 1.
Таблица1 — Опытные данные по сопротивлению колонн
№
п/п
Расход, м3/с Сопротивление, мм вод. столба Примечания газа жидкости Сухой Орошаемой тарелки насадки тарелки насадки
В графе «Примечания»записываются визуальные наблюдения.Обработкарезультатов измерения и содержание отчета
Измеренныевеличины позволяют рассчитать скорость газа в колонне и плотность орошения. Аэто, в свою очередь, совместно со сведениями о геометрических характеристикахколонн и физико-химических свойствах газа и жидкости позволяет рассчитатьгидравлические сопротивления тарелок и насадок по формулам (2 — 6). Сравнениеопытных и рассчитанных величин сводится в таблицу 2.Таблица 2 — Сравнение опытных и рассчитанных величин
№
п/п
Скорость газа
W, м/с
Плотность орошения
U, м3/м2с Сопротивление, Па (Для тарелок) Сухой тарелки (насадки) Орошаемой тарелки (насадки)
e,
кг/кг опыт расчет опыт расчет
Крометого, для насадочной колонны при одной из плотностей орошения необходиморассчитать скорость захлебывания по (7) и сравнить ее с действительнойскоростью в колонне.
Отчет должен содержатьсхему установки, эскиз тарелки с указанием размеров и направления движения газаи жидкости, таблицы измеренных и рассчитанных величин.
ИЗУЧЕНИЕГИДРАВЛИКИ ВЗВЕШЕННОГО СЛОЯ
Цельработы: Экспериментально определить скорости начала псевдоожижения и уносачастиц при стесненных условиях в потоке воздуха и сопоставить их срассчитанными значениями. Проследить условия перехода зернистого слоя изнеподвижного состояния во взвешенное и в режим пневмотранспорта.Основные определения итеория процесса
Есличерез неподвижный слой зернистого материала на решетке пропускать газ,постепенно увеличивая его расход, то при некоторой скорости газа, называемойскоростью псевдоожижения Wпо, слой переходитиз неподвижного во взвешенное состояние. В таком слое твердые частицыинтенсивно движутся и слой напоминает кипящую жидкость. Как и жидкость, онможет течь, обладает вязкостью.
Сувеличением скорости слой становится более рыхлым, т.е. увеличивается егопорозность ε, представляющая собой долю объема, занятого ожижающим агентом
/> (1)
где Vсл – общий объем слоя, м3;
Vч – объем твердых частиц, м3.
Длянеподвижного слоя частиц ε ≈ 0,4; для псевдоожиженного — 0,4
Многиепроцессы, например сушка, протекают гораздо быстрее в псевдоожиженных слоях посравнению с неподвижными.
Придостижении второй критической скорости, называемой скоростью уноса, частицыприобретают однонаправленное движение и уносятся потоком газа из аппарата. Напрактике это используют для пневмотранспорта сыпучего материала.
Скоростьпсевдоожижения определяется из равенства гидравлического сопротивления слоявесу частиц, приходящихся на единицу площади сечения аппарата
Δ P = G/S (2)
Значенияпорозности слоя ε, скорости газа W и диаметрачастиц d находятся из зависимости Ly= f(Ar, ε) [1]..
КритерийЛященко и Архимеда определяются по формулам:
Ly=Re3/Ar=w3ρ2г/ μг(ρч-ρг)g (3)
/> (4)
Верхняяграница псевдоожиженного состояния (ε ≈1) соответствует скоростисвободного витания одиночных частиц.
Очевидно,что при скорости потока большей, чем скорость витания начнется унос частиц изслоя.
Винженерной практике важно определить обе критические скорости. Для этого можно,в частности, воспользоваться формулами Тодеса:
/> (5)
/> (6)
ЗначениеWпо и Wуннаходят из критических значений критерия Рейнольдса.Описание установкиСхема установки представленана рис. 1. Она включает в себя две прозрачные колонки 3 и 8 диаметром 5см. Вколонках установлены сетки, на некоторых из них помещен зернистый материал.
В нижние части колонок из общего коллектора поступает сжатыйвоздух, расход которого измеряется ротаметрами 4 и 7 и регулируется вентилями 5и 6.
Ккаждой из колонок присоединено по два дифманометра, заполненные водой.Дифманометры 2 и 9 измеряют гидравлическое сопротивление сеток, а манометры 1 и10 гидравлические сопротивления сеток и слоев зернистого материала Порядок выполнения работы,обработка результатов измерения и содержание отчета
Работу проводят на однойиз двух колонок.
9. Осторожнооткрывают вентиль 5 (6), увеличивают расход воздуха в колонке через 2 – 5делений ротаметра 4 (7), наблюдают при этом за состоянием слоя, одновременнозаписывая показания дифманометров.
10. Определяют расход газасоответствующий скорости начала псевдоожижения.
11. Полученные данные заносят в табл. 1 истроят график зависимости гидравлического сопротивления слоя от скорости W.
12. Зная скорость псевдоожижениярассчитывают критическое значение критерия Лященко Lyпо и из графика [1]… определяют значение критерия Архимедапри ε = 0,4. Из критерия Ar находят диаметр частиц.
13. Режимы псевдоожижения и начало уносаустанавливают визуально, повторяя опыт 3 – 4 раза и одновременно измеряяперепад давления в слое и расход воздуха.
14. После усреднения расхода воздуха,соответствующего началу уноса частиц, по уравнению расхода определяют экспериментальноезначение скорости уноса. Полученное таким образом значение (Wун)э сравнивают срассчитанным из критерия Рейнольдса по уравнению (6). Полученные данные заносятв табл. 2.
Таблица 1.Показание ротаметра
Расход
воздуха
V, м3/с
Скорость
воздуха
W, м/с Сопротивление слоя Сопротивление сетки Примечание мм. водян. столба Па мм. водян. столба Па
В графе «Примечание»записываются визуальные наблюдения.
Таблица 2.
Расход воздуха V, м3/с
Скорость
псевдоожижения Wпо, м/с
Скорость уноса Wун, м/с Примечание Эксперимент. Рассчитан.
Отчет о работе долженсодержать цель и задачи работы, схему установки, пример расчета скоростей Wпо, Wун, таблицы и графики экспериментальных и рассчитанныхвеличин.
ИСПЫТАНИЕ РАМНОГО ФИЛЬТР-ПРЕССА
Цель работы: Определитьконстанты в уравнении фильтрования и производительность рамного фильтр-пресса.Основныеопределения и теория процесса
Фильтрованием называютпроцесс разделения суспензий при помощи пористой перегородки, пропускающейжидкость (фильтрат) и задерживающей твердую фазу. В начальный моментфильтрования твердые частицы проникают в поры фильтровальной перегородки, затемнакапливаются на ней и образуют слой осадка, который играет роль основнойфильтрующей среды. Движущей силой процесса является разность давлений над слоемосадка и под фильтровальной перегородкой. По способу создания движущей силыфильтры делятся на вакуум-фильтры и фильтры, работающие под избыточнымдавлением, а по режиму работы – на фильтры периодического и непрерывногодействия. Устройство фильтров и принцип их работы описаны в [ 2].
Интенсивность данногопроцесса и производительность фильтрующей аппаратуры определяются скоростьюфильтрования, т.е. количеством фильтрата, прошедшего через 1м поверхностифильтрующей перегородки за единицу времени. Для несжимаемых осадков ее можноопределить по уравнению:
/> ( 1 )
где W — скорость фильтрования, м3/(м2с);
dV — объем фильтрата, м3;
F — поверхность фильтрования, м2;
∆Р — перепаддавлений, Па;
μ — вязкостьфильтрата, Па·с;
Roc, Rфп — сопротивление слоя осадка и фильтровальной перегород- ки,соответственно, м-1;
dτ — время фильтрования, с.
В процессе фильтрованияизменяется сопротивление слоя осадка, если предположить, что структура осадкаоднородна, то сопротивление слоя осадка можно выразить следующей зависимостью [2 ].
/> ( 2 )
где ro — удельное сопротивление осадка, м-2;
xo — относительная объемная доля твердойфазы в суспензии,
м3 осадка / м3жидкости.
Удельное сопротивлениеосадка зависит от структуры осадка, формы и размера частиц и определяетсяэкспериментально. Для несжимаемых осадков оно постоянно. Сопротивлениефильтровальной перегородки Rфп принимаетсяпостоянным.
Подставив значение Roc в уравнение (1), получим уравнениефильтрования в дифференциальной форме
/> ( 3 )
Если фильтрованиепроисходит при постоянной разности давлений (∆P=const), тоинтегрирование уравнения ( 3 ) в пределах от 0 до V и от 0 до τ дает:
/> ( 4 )
Разделив правую и левуючасти уравнения ( 4 ) на F2 будем иметь
/> ( 5 )
и введя обозначения
/>/>; />; /> ( 6 )
получим уравнение,которое выражает зависимость объема фильтрата, проходящего через единицуповерхности фильтровальной перегородки от продолжительности фильтрования
/> ( 7 )
Чтобы определитьконстанты С и К графическим способом уравнение ( 7 ) следует представить ввиде: (после дифференцирования уравнения 7):
/> ( 8 )
/>
Рисунок 1. – Схемаустановки
1 – бак для суспензии
6 – рамный фильтр-пресс
9, 13, 14 – манометры
2 – пневматическаямешалка
7 – зажимное устройство
16 – мерный сосуд
3 – насос
5, 8, 10, 11,12, 15 –вентили запорные
4 – ванна
В координатах /> это уравнениевыражается прямой линией, наклоненной к горизонтальной оси под углом α,тангенс которого равен 2/К, а отрезок, отсекаемый на оси ординат С/К (рис. 1)Найденные значения К и С позволяют определить константы фильтрации ro и Rфп на основе соотношений ( 6 ).Описание установки
Основным элементомустановки является плиточно-рамный фильтр пресс, который состоит из чередующихсярам и плит рис. 1 Размеры рам в свете 315х315. Плиты и рамы опираются ручкамина брусья. Между плитами и рамами помещаются тканиевые фильтровальныеперегородки. Общая поверхность фильтрования зависит от числа фильтровальныхперегородок и может быть изменена от опыта к опыту. Плиты и рамы прижимаются кнеподвижной плите при помощи прижимного устройства.
Суспензия готовится вбаке емкостью 0,75 м3 с пневматическим перемешиванием. Сжатый воздухдля перемешивания подается из воздухопровода.
Суспензияв фильтр – пресс подается диафрагменным насосом. Она поступает в нижний каналфильтр – пресса и из него через отверстия в нижних стенках рам в камеры,образованные плитами и рамами. Фильтрат проходит через ткань, поднимается пожелобам плит в верхний сборный канал и удаляется наружу. Осадок остается наперегородках внутри камер. Его промывают водой, сушат воздухом и выгружают.
Порядоквыполнения работы и обработка результатов измерения
1. Приготовитьсуспензию из полистирола и воды.
2. Подать сжатыйвоздух в бак (1) для перемешивания суспензии.
3. Подготовитьфильтр – пресс к работе:
- покрыть плиты сдвух сторон фильтровальной тканью так, чтобы отверстия в рамах и плитахсовпадали с отверстиями в ткани;
- плиты и рамысдвинуть к опорной плите и зажать зажимным устройством.
4. Открыть вентиль (8) на трубопроводе подачи суспензии в фильтр-пресс изакрыть вентиль на трубопроводе подачи суспензии к барабанному вакуум-фильтру.
5. Включитьэлектродвигатель диафрагмового насоса на подачи суспензии и момент полученияфильтрата считать началом опыта.
6. С помощью мерника(16) отмечается несколько значений объема фильтрата V1, V2, V3, и по секундомеру – время τ1, τ2, τ3….., за которое указанные объемы фильтратасобираются в мерный сосуд (16).
7. далеерассчитываются величины VF= V/F, Δτ, ΔVF и Δτ /ΔVF в которых строится график дляопределения констант фильтрации.
Опытные и рассчитанныеданные сводятся в таблицу.Таблица — Опытные и рассчитанные данные№ п/п
Объем фильтрата
V, м3
Время фильтрации
τ, с
VF=V/F
м3/м2 Δτ, с
ΔVF
м3/м2
Δτ/ ΔVF
Дляопределения удельного сопротивления осадка по (6) необходимо знать движущуюсилу процесса ΔР, которая определяется как показание манометра (9) налинии подачи суспензии. (манометр показывает избыточное давление по отношению катмосферному, Ризб= Рабс — Ратм
а этобудет разность давлений над слоем осадка и за фильтровальной перегородкой).Значение ΔР представляется в соотношение (6) в паскалях.
Установлено,что влажность осадка составляет приблизительно 16%. Поэтому взвесив осадок иучтя его влажность можно найти массу полистирола, а разделив ее на плотностьопределить объем частиц
Vч=Goc(100-ω)/100ρполист.
Знаяобъем частиц и объем полученного фильтрата Vчможно рассчитать концентрацию частиц полистирола в суспензии
Хо=Vч / V
котораянеобходима для расчета Rфп по уравнению (6).
Производительностьфильтра за время τ можно определить по формуле:
Vф = FּVF / τ
ОпределениеЗАТРАТ МОЩНОСТИ НА ПЕРЕМЕШИВАНИЕ В АППАРАТЕ С МЕШАЛКОЙ
Цельработы: Экспериментально определить затраты мощности на перемешивание в аппаратес мешалкой. Установить зависимость критерия мощности от числа Рейнольдса. Основные определения итеория процесса
Перемешивание– это процесс многократного перемещения частиц текучей среды относительно другдруга во всем объеме аппарата, протекающий за счет импульса, передаваемогосреде механической мешалкой, струей жидкости или газа. Процессы перемешиванияшироко применяются в химической и пищевой промышленности для приготовлениясуспензий, эмульсий и растворов, а также для ускорения тепловых, массообменныхи химических процессов. На практике наиболее распространенным способомперемешивания является механический, который осуществляется с помощью вращающихсямеханических мешалок. Устройство мешалок описано в [2].
Основнымихарактеристиками процессов перемешивания являются интенсивность и эффективностьперемешивания. Интенсивность перемешивания определяется количеством энергии,подводимой к единице объема или к единице массы перемешиваемой среды в единицувремени.
Подэффективностью перемешивания понимают технологический эффект, характеризующийкачество проведения процесса.
Мощность,затрачиваемая на перемешивание, зависит от целого ряда факторов: конструкциимешалки, аппарата и его внутренних устройств, физических свойств среды и числаоборотов вала мешалки.
Дляописания процессов перемешивания широко используются критериальные зависимости.Так, обобщенное уравнение гидродинамики для процессов перемешивания имеет вид[2]:
KN = f (Reм,Frм, Г1, Г2 …)
или /> (1)
где /> – критериймощности;
/> – модифицированное число Рейнольдса ;
Frм = n · dм /g – модифицированноечисло Фруда;
Г1,Г2 – симплексы геометрического подобия;
N – мощность на валу мешалки, Вт;
n – число оборотов мешалки в секунду, с-1;
dм – диаметр мешалки (диаметр окружности,описываемый мешалкой), м.
Еслипри перемешивании на поверхности жидкости не образуется воронка, то влияниесилы тяжести на протекание процесса будет невелико и при условиигеометрического подобия уравнение (1) принимает вид:
KN = С ·Re/> (2)
Значениякоэффициентов А, С и показателей m, n,p, q определяетсяэкспериментально, а значения критерия мощности, как правило приводятся в видеграфических зависимостей [1]. Описание установкиРабота выполняется наустановке, общий вид которой представлен на рис. 1. Основным элементомустановки является аппарат для перемешивания жидких сред, включающийперемешивающее устройство 7 и корпус 5. Привод состоит из электродвигателяпостоянного тока 2, редуктора 3, пускового устройства 1. Частоту вращенияизмеряют тахометром 4 и пересчитывают с учетом передаточного числа редуктора.Подъемный столик 6 служит для изменения положения мешалки по высоте аппарата.Верхняя крышка аппарата отсутствует. Такое исполнение корпуса обеспечиваетвозможность наблюдения за процессом перемешивания в аппарате и обеспечиваетлегкую смену мешалок.
Величину крутящего момента определяют с помощью специальногоустройства 8, основанного на использовании трубок Пито.Порядок выполнения работы
15. Установить мешалку 7 на вертикальныйвал, предварительно замерив размер лопастей.
16. Заполнить сосуд 5 водой до метки нацилиндрической царге.
17. Установить рычаг регулирования скоростивращения мешалки на минимальное число оборотов.
18. Включить электродвигатель 2 приводамешалки.
19. Снять показания тахометра 4.
20. Определить показания устройства 8.
Далеепроводят измерения при других числах оборотов мешалки. После проведения однойсерии замеров двигатель выключают, меняют мешалку, и все операции повторяют втой же последовательности. Результаты измерений заносят в таблицу.
Обработка результатовизмерения и содержание отчета
Для установившегосярежима потребляемую мощность на перемешивание определяют по формуле:
Nn= Mкр · n, (3)
где n– скорость вращения мешалки, с-1;
Mкр – крутящий момент, Н м;
Nn – мощность, затрачиваемая наперемешивание, Вт.
Для измерения крутящегомомента на установке использована оригинальная методика, основанная наиспользовании трубок Пито. Одна из этих трубок вварена ровно в корпус аппарата,а другая направлена навстречу потоку жидкости и учитывает динамический напор.Чем интенсивнее вращение, тем больше разница уровней в указанных трубках. Для тогочтобы установить связь Δ h скрутящим моментом, была выполнена калибровка трубок и получено уравнение
Mкр = 0,127 · Δ h0,42, Н · м (4)
В этом уравнении Δ h следует подставлять в миллиметрах.
Таблица 1 – Измеренные ирассчитанные величины
Тип
мешалки
dм
м
N
об/с
Δ h
мм
Mкр
Н·м
Nn Вт Reм
KN
Nр Вт
Для каждого типа мешалок строится график зависимости lg KNот lg Reм и определяют показатель степени m икоэффициент С в уравнении (2).
По полученному уравнениюрассчитывают критерий мощности, из которого определяют мощность, и сравниваютее с опытной.
Отчет должен включатьсхему установки, расчетные формулы, таблицу измеренных и рассчитанных величин,графики зависимости lg KN от lg Reм, вычисленные значения констант m и С.
ЛИТЕРАТУРА
1.Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов иаппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов /Под ред.чл-корр.АНСССР П.Г.Романкова.-10-е изд., перераб. и доп.-Л.: Химия, 1987.-576с., ил.
2. Дытнерский Ю.И.Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов.Изд.2-е. В 2-хкн.-М.: Химия, 1995.-кн.1.-400с.: ил.