МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ЮЖНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М. АУЕЗОВА
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
ПО ДИСЦИПЛИНАМ
«Основные процессы и аппараты химических производств»,
«Технологические процессы и производства»,
«Процессы и аппараты химической технологии»,
«Процессы и аппараты перерабатывающей промышленности»,
«Процессы и аппараты»,
«Теоретические основы нефтехимической технологии».
Часть 1 «Гидромеханические процессы»
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
для студентов специальностей
050720, 050721, 050724, 050708, 050702, 050727, 050728, 050730, 050731
всех форм обучения
Алтынбеков Ф.Е., Нурунбетов Т.С.,Тлеуов А.С.,
Ханходжаев Ш.Х., Омаркулов П.К.,Якубова Р.Р.
Шымкент 2008
УДК 66.021.1 (072)
ББК 35.11
Алтынбеков Ф.Е., Нурунбетов Т.С., Тлеуов А.С., Ханходжаев Ш.Х.,Омаркулов П.К., Якубова Р.Р. Лабораторный практикум по дисциплинам «Основныепроцессы и аппараты химических производств», «Технологические процессыи производства», «Процессы и аппараты химической технологии»,«Процессы и аппараты перерабатывающей промышленности», «Процессыи аппараты», «Теоретические основы нефтехимической технологии». Часть1 «Гидромеханические процессы»: Учебное пособие — Шымкент: Южно-Казахстанскийгосударственный университет им.М. Ауезова, 2008. — 47 с.
Учебное пособие предназначено для студентов специальностей 050720,050721,050724, 050708, 050702, 050727, 050728, 050730, 050731 всех форм обучения. Лабораторныйпрактикум содержит теоретические основы гидромеханических процессов, методики выполненияи расчета работы, контрольные вопросы. Учебное пособие составлено в соответствиис требованиями ГОСО соответствующих специальностей и с содержанием типовых программдисциплин.
Рецензенты:: Волненко А.А., д. т. н., профессор, ЮКГУ им. М.Ауезова
Шахабаев Е.Ш., к. т. н., доцент ШИ МКТУ им. Х. Яссави
Учебное пособие рекомендовано к изданию Методическим советомЮКГУ им.М. Ауезова (протокол № _4_ от "_31__"__03___ 2008 г.).
© Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауезова, 2008 г.
Содержание
Введение
Лабораторная работа № 1
1. Изучение гидравлических сопротивлений в трубопроводе
1.1 Теоретическая часть
1.2 Описание установки
1.3 Обработка опытных данных
1.4 Порядок проведения расчета
1.5 Контрольные вопросы
Лабораторная работа № 2
2. Определение режима течения жидкости
2.1 Теоретическая часть
2.2 Описание установки
2.3 Методика проведения работы
2.4 Обработка опытных данных
2.5 Контрольные вопросы
Лабораторная работа № 3
3. Изучение гидродинамики псевдоожиженного слоя (ПС)
3.1 Теоретическая часть
3.2 Описание установки
3.3 Методика проведения работы
3.4 Обработка опытных данных
3.5 Контрольные вопросы
Лабораторная работа № 4
4. Определение расхода энергии на перемешивание
4.1 Теоретическая часть
Eu = f (Re, Fr, Г1, Г2) (4.1)
4.2 Описание установки
4.3 Методика проведения работы
4.4 Обработка опытных данных
4.5 Контрольные вопросы
Лабораторная работа № 5
5. Определение характеристик центробежного вентилятора
5.1 Теоретическая часть
5.2 Описание установки
5.3 Методика проведения работы
5.4 Обработка опытных данных
5.5 Контрольные вопросы
Лабораторная работа № 6
6. Определение констант процесса фильтрования суспензии
6.1 Теоретическая часть
6.2 Описание установки
6.4 Обработка опытных данных
6.5 Контрольные вопросы
Лабораторная работа № 7
7. Изучение работы лабораторных бегунов
7.1 Теоретическая часть
7.2 Описание установки. Методика проведения работы
7.3 Обработка опытных данных
7.5 Контрольные вопросы
Список литературы
Введение
Курс «Процессы и аппараты» является завершающей дисциплинойв общеинженерной и основополагающей в специальной подготовке специалиста.
Целью преподавания дисциплины «Процессы и аппараты»является изучение закономерностей протекания типовых технологических процессов,встречающихся в различных производствах, овладение методами подбора и расчета аппаратов,применяемых в промышленном производстве.
Настоящая дисциплина состоит из лекционного курса, лабораторногопрактикума, самостоятельной работы студентов.
Лабораторный практикум является важной частью изучения даннойдисциплины. На лабораторных занятиях прививаются навыки практического экспериментальногои расчетного анализа процессов различных производств. Изучаются и усваиваются основныезакономерности расчета аппаратов, применяемые в химической, нефтехимической, пищевойпроизводствах. На основании этого выбираются оптимальные условия ведения процесса,рассчитываются основные параметры, характеризующие эффективность технологическогопроцесса.
Учебное пособие охватывает содержание курса в разделе «Гидромеханическиепроцессы» и содержит 7 лабораторных работ, каждая из которых включает цельработы, теоретические сведения об изучаемом процессе, описание установки, методикувыполнения работы, порядок расчета основных показателей процесса, контрольные вопросы.Лабораторные работы выполняются бригадами по 2-3 человека после получения допускапреподавателем. После выполнения работы каждый студент проводит расчеты в соответствиис заданием, оформляет отчет и затем его защищает преподавателю.
Лабораторный практикум составлен в соответствии с содержаниемтиповой и рабочей программ по соответствующим дисциплинам и требованиями фирменногостандарта ЮКГУ им.М. Ауезова Ф.4.7-008-02 и предназначен для студентов специальностей050720, 050721, 050724, 050708, 050702, 050727, 050728, 050730, 050731 всех формобучения.
Лабораторная работа № 11. Изучение гидравлических сопротивлений втрубопроводе
Цель работы: Опытное определение коэффициентов тренияи коэффициентов местного сопротивления. Исследование зависимости величины коэффициентовтрения и местного сопротивления от режима движения жидкости.
1.1 Теоретическая часть
При движении реального потока жидкости или газа часть его энергиитеряется в результате преобразования механической энергии в тепловую за счёт преодолениякасательных напряжений различного характера. Аналитически это явление учитываетсяв уравнении Бернулли:
/> (1.1)
где: /> и /> -нивелирные высоты, м;
/>; /> - статистический напор, м;
/>; /> - скоростной напор, м;
h/> — потерянный напор, т.е.потерянная энергия, выраженная в м.
Различают два виды касательных напряжений, на преодоление которыхзатрачивается энергия потока.
а) При прямолинейном движении потока жидкости по трубопроводувозникают силы межмолекулярного взаимодействия (силы трения) между слоями жидкостио внутреннюю стенку трубопровода. Энергия потока, теряемая на преодоление касательныхнапряжений, возникающих под действием сил трения, называется потерей энергии натрение по длине потока;
б) При движении потока по трубопроводу он проходит участки, вкоторых меняется форма русла или его скорость: вентили, краны, повороты, отводыи др. В этих участках также возникают касательные напряжения. Потери энергии напреодоление этих напряжений называются местными.
Таким образом, энергия движения жидкостей по трубопроводам теряетсяна преодоление потери напора, который складывается из двух составляющих.
/> (1.2)
где: /> - напор, теряемый на преодоление силтрения, м;
/> - напор, теряемый в местных сопротивлениях,м.
Расчет потерь напора является одним из основных вопросов прикладнойгидродинамики. Зная величину потерянного напора, определяют затраты энергии, необходимойдля компенсации этих потерь и затем определяют вид насоса, компрессора или вентиляторадля перекачивания потока жидкости или газа.
Для определения потерянного напора пользуются формулой Вейсбаха:
/> (1.3)
где: j — коэффициентсопротивления;
w — средняя скорость потока, м/с.
При расчете потерь энергии на трение в качестве коэффициентасопротивления в формулу (1.3) подставляют коэффициент сопротивления на трение подлине jl,а при расчете местных потерь энергии принимают коэффициент местного сопротивленияjм. с.
Определение потери напора на трение.
Коэффициент сопротивления на трение определяют по формуле:
/> (1.4)
где: l — коэффициенттрения (коэффициент Дарси);
l — длина трубопровода, м;
d — диаметр трубопровода, м.
С учетом выражения (1.4) уравнение (1.3) преобразуется в уравнениеДарси-Вейсбаха:
/> (1.5)
Величина коэффициента трения зависит от многих факторов: режимадвижения потока, его физических свойств, формы и величины живого сечения трубы,шероховатости внутренней стенки трубы. Зависимость (1.5) в логарифмических координатах:
/> (A)
где: /> - средняя высота выступов шероховатости,числовые значения которых приводятся ниже, мм.
Трубы из латуни, свинца, меди: — 0,002
Стальные бесшовные трубы — 0,006-0,2
Стальные трубы — 0,1…, 0,5
Чугунные трубы — 0,2…,1,0
В функциональной зависимости (А) существуют четыре характерныеобласти. Первая область соответствует ламинарному режиму движения (Re
/> (1.6)
где: m — динамическийкоэффициент вязкости, Па. с;
r — плотностьжидкости, кг/м3;
g — ускорение свободного падения,м/с2.
Приравнивая правые части уравнений (1.5) и (1.6) и, учитывая,что комплекс равен числовому значению числа Рейнольдса, получим выражение для определениякоэффициента Дарси
/> (1.7)
отсюда: /> и, с учётом этого, потерянный на трениенапор равен:
/> (1.8)
Вторая область — начало турбулентного потока (2320 £ Re£ 105). В этом режиме выступышероховатости не вызывают завихрения смывающей их жидкости, а значит и дополнительныхсопротивлений и потери энергии. Коэффициент трения в этом режиме не зависит от шероховатостистенок трубопровода, он определяется значением числа Рейнольдса. Коэффициент тренияв этом режиме рассчитывается по формуле Блаузиуса:
/> (1.9)
Третья область — развитой турбулентный режим, соответствующийчислу Рейнольдса 105 Re
/> (1.10)
Четвертая область, соответствующая числовому значению Re > 106 — автомодельная. В этом режиме роль шероховатости стенок трубы становится определяющей,а числовое значение потери напора пропорциональна скорости во второй степени. Коэффициенттрения в этом режиме определяют по формуле Шифринсона:
/> (1.11)
Коэффициент трения также можно определить по графику (2, стр.22).Определение потери напора в местных сопротивлениях.
Местные потери напора возникают на коротких участках трубопровода,когда резко меняется форма и размеры русла движущегося потока. Это происходит привнезапных сужениях и расширениях, поворотах, отводах, в диафрагмах, вентилях, кранах,конфузорах, диффузорах и др.
Напор, теряемый в местном сопротивлении, определяется по формуле(1.3). Общий коэффициент сопротивления jм.с заменяется на коэффициент местного сопротивления xм. с.
/> (1.12)
Числовое значение /> приводится в справочнике (2, стр.503).1.2 Описание установки
Лабораторная установка состоит из системы трубопроводов, диафрагмы(4); приспособлений, вызывающих местные сопротивления (вентиль, колено, повороты,внезапное сужение и расширение), системы манометров. Включение установки в работуосуществляется плавным поворотом регулировочного вентиля (11), т.к. при резком открытиивентиля может произойти выброс воды из ди. манометра. Расход воздуха контролируетсядиф. манометром (7). С помощью диф. манометров (5, 6, 8, 9,10) замеряется сопротивлениена различных участках трубопровода. Результаты измерений записываются в протоколиспытаний. Необходимо сделать пять, шесть замеров для различных расходов воздуха.
1.3 Обработка опытных данных
Потери напора в трубе между двумя сечениями можно определитьпо уравнению Бернулли:
/> (1.13)
или
/> (1.14)
Так как перепад давления по высоте в импульсных точках подключениядифманометров незначительно, то примем, что нивелирные высоты равны: />.
Перепад давления потока в двух сечениях трубопровода можно определитьпо уравнению:
∆P =P/> — P/>= ∆h/>/> (1.15)
Подставляя (1.10) в (1.9), получим:
/> (1.16)
где: /> - плотность манометрической жидкости,кг/м3;
/> - показания диф. манометра, м;
/> - плотность воздуха, кг/ м3;
W1, W2 — скорость воздуха в первом и втором сечении,м/с.
гидромеханический гидравлический трубопровод суспензия
При расчете сопротивление по длине трубопровода не меняется,поэтому второе слагаемое в уравнении (1.16) становится равным нулю и уравнение принимаетвид:
/> (1.17)
/>
Рис.1.1 Схема установки
1 — первый участоктрубы, d = 24,5 мм;
2 — второй участок(расширение), d = 38,4 мм;
а — внезапное расширение;б, в, г, д, е — повороты; ж — прямой участок
3 — третий участок,d = 18 мм;
4 — диафрагма, d = 9 мм;
5, 6, 7, 8, 9, 10,12 — диф. манометры; 11 — вентиль
Таблица 1.1 Протокол наблюдений
Расход
воздуха
Показания диф. манометров,
мм вод. ст.
мм.
рт. ст. К Диафрагма. Показания дифманометра 7. Расход воздуха Расширение. Показание дифманометра 5. Сужение. Показание дифманометра 6. Поворот на 60º. Показание дифманометра 9. Поворот на 90º. Показание дифманометра 12. Поворот на 120º. Показание диф. манометра 10 Прямой участок трубы длиной 1,8 м. Показание диф. манометра 8 Атмосферное давление Температура воздуха /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
1.4 Порядок проведения расчета
Определить объемный расход воздуха в трубе для всех опытов поуравнению расхода:
/> (1.18)
где: Vc — секундныйрасход воздуха в трубе, м3/с;
a — коэффициентрасхода диафрагмы, a = 0,62;
f — площадь поперечного сечениядиафрагмы, м2;
d — диаметр диафрагмы, d= 0,006 м;
Δhм — показаниядиафрагмового диф. манометра, м;
rм — плотность манометрической жидкости, кг/м3;
rr — плотность воздуха при этих условиях, кг/м3
Определить среднюю скорость в сечениях до и после сопротивления:
/> (1.19)
F — площадь поперечного сечениятрубы, м2.
Определить перепад давления на линейном участке:
/> (1.20)
где: Δhм — показаниедиф. манометра на прямом участке, м.
Определить опытный коэффициент трения по формуле:
/> (1.21)
где: dэ — эквивалентныйдиаметр живого потока, м; для круглой трубы dэ=dвн, м
Определить числовое значение числа Рейнольдса:
/> (1.22)
Установить режим движения воздуха, выбрать формулу для расчетакоэффициента трения, вычислить его.
Сравнить опытное значение коэффициента трения с расчетным поформуле:
/> (1.23)
Определить перепад давления на участке с местным сопротивлением:
/> (1.24)
где: Δhмс — показание соответствующего дифференциального манометра, м;
rж — плотность манометрической жидкости, кг/м3
rг — плотность воздуха, кг/м3.
Рассчитать значение коэффициента местного сопротивления по формуле:
/> (1.25)
где: w — средняя скорость потокав трубе на участке местного сопротивления, м/с.
Опытное значение коэффициента сравнить со справочным (2, стр.520)по формуле:
/> (1.26)
где: /> - справочное значение коэффициента,из (2, стр.503)
Сделать выводы из проделанной работы.
1.5 Контрольные вопросы
1. Дать определение гидравлических сопротивлений и привести примеры.
2. Объяснить потерю энергии в местных сопротивлениях.
3. Чем отличается коэффициент трения от коэффициента сопротивления?
4. Влияет ли режим движения потока на числовое значение коэффициента
трения?
5. Объясните понятие «гидравлическая гладкая труба».
6. Записать и объяснить уравнение Бернулли для двух сечений трубопровода,по которому движется реальная жидкость и идеальная.
7. Чем отличается потерянная энергия и потерянный напор?
8. Как рассчитывается энергия, теряемая на трение?
Лабораторная работа № 22. Определение режима течения жидкости
Цель работы: Изучение изменений, проходящих в потоке приразличных режимах течения.
2.1 Теоретическая часть
Большинство процессов химической технологии связаны с движениемгаза или жидкости, причем характер этого движения существенно сказывается на ходепроцесса. При расчете таких процессов необходимо учитывать характер движения потоков,жидкости или газа.
Исследуя течение капельных жидкостей в трубах, английский ученыйРейнольдс (1883 г.) обнаружил существование двух различных режимов ее течения.
Обычно при малых скоростях и малых диаметрах трубопровода, элементарныеструйки жидкости движутся параллельно, как бы скользя друг по другу, не перемешиваясь.Такое течение называют вязким или ламинарным. Распределение скоростей поперечномусочетанию трубопровода при ламинарном течении происходит по параболе, причем средняяскорость потока составляет 0,5 от максимальной
wср= 0,5 w max(2.1)
При больших скоростях наблюдается поперечное перемешивание струекжидкости за счет образованных вихрей и движение частиц жидкости хаотическое, этотвид течения называется турбулентным. При таких скоростях характер течения различенпоперечному сечению потока. У стенки течет тонкий ламинарный слой толщиной d. В центральной части потока находится сферавихревого движения с радикальным перемешиванием. Ламинарный слой отделяется от вихревоготак называемым буферным слоем. Распределение скоростей при этом режиме пологой кривойи средняя скорость потока составляет 0,8 — 0,9 от максимальной.
wср = (0,8 ¸ 0,9)wmax(2.2)
Характер движения жидкости (газа) зависит, как показали опыты,не только от скорости потока, но и от геометрических размеров потока, вязкости иплотности жидкости (газа). Влияние перечисленных физических параметров потока нахарактер движения определяется величиной безразмерного комплекса — критерия, названногов честь ученого, открывшего это явление, числом Рейнольдса:
/> (2.3)
где: w— средняя скоростьпотока, м/с;
dэ— эквивалентныйдиаметр трубопровода, м;
r— плотностьжидкости (газа), кг/ м3;
/> - динамический коэффициентвязкости, Па.с;
n = /> -кинематический коэффициент вязкости, м2/с.
Число Рейнольдса показывает соотношение сил инерции, характеризующихсяскоростью потока и его размерами, и сил внутреннего трения, характеризующихся вязкостьюпотока. Отсюда следует, что турбулентное течение свойственно потокам, обладающимразвитыми силами инерции, а ламинарное течение характерно для потоков, в которыхсилы внутреннего течения преобладает над силами инерции. Установлено, что для ламинарногорежима численное значение числа Рейнольдса всегда меньше некоторого определенного«критического» значения, для прямых труб критическое значение Reкр = 2300.
Необходимо отметить, что приведенное критическое значение являетсяв известной степени условным, так как трудно обнаружить резкий переход от ламинарногорежима к турбулентному. В действительности обычно наблюдается так называемая«переходная» область исчезновения ламинарного режима и установления турбулентногосостояния потока. Численные значения числа Рейнольдса для потоков, проходящих попрямым трубам, характерны следующие значения числа Рейнольдса:
Ламинарное течение — Re
Переходная область — 2300 £Re £ 10000
Развитое турбулентное течение — Re ³ 10000
Для потоков, проходящих по изогнутым трубам (змеевикам), критическоезначение Reкр выше, чем в прямых трубах,и зависит от отношения диаметра трубы dзмеевика к диаметруD витков змеевика (d /D) /1, стр.18/.
При движении жидкости через сечение любой формы, отличной откруглой, в качестве расчетного линейного размера принимают гидравлический радиусили эквивалентный диаметр.
Под гидравлическим радиусом rгпонимают отношение площади затопленного сечения потока к смоченному периметру:
/> (2.4)
Для круглой трубы с внутренним диаметром d и, значит,площадью свободного сечения S = πd2/4 при сплошном заполненииего жидкостью П = π d, откуда гидравлический радиус:
/>rr= /> (2.4 а)
Следовательно, для потоков некруглого сечения вместо диаметраможно применить эквивалентный диаметр:
d э =/> = 4ru= d (2.5)
Для круглой трубы: dэ =dвн.
Для канала прямоугольного сечения со сторонами полностью заполненногожидкостью, гидравлический радиус:
rг= /> (2.6)
а эквивалентный диаметр:
d э =4rг = rг= /> (2.6а)
2.2 Описание установки
Схема установки приведена на рис 2.1 Воду из городского водопроводаподают в бак 1 по трубе 3, регулируя подачу вентилем 4. Для предупреждения переполнениябака установлена переливная труба 5. Для слива воды из бака установлена воронка6 на трубе (линия канализации).
Во время работы установки вода из бака 1 по питательной трубе10 через вентиль 11 поступает в расходный бак 12. Излишек воды через трубу сливаетсяв канализацию. Из расходного бака 12 вода по стеклянной трубе 14 поступает в буферныйбак 15 и сливается из него через регулировочный вентиль 16 и ротаметр 12 в канализацию.Из бака с краской 18 через кран 19 по тонкой трубе 20 подкрашенная струйка водыпоступает в стеклянную трубу 14.
По окончании работы для опорожнения баков 15 и 12 пользуетсясоответственно вентилями 21 и 22.
Для успешного проведения опытов весьма важными условиями являютсястабилизация потока в стеклянной трубе 14 и согласование скоростей истечения краскисо скоростью самого потока. В этих целях приняты следующие меры. Так как в городскомводопроводе наблюдается временами колебания напора и пульсаций потока, то воду изводопровода подают сначала в запасный бак 1 достаточно большой вместимости. Затемвода поступает в расходный бак 12 по питательный трубе 10. Постоянный уровень водыв баке 12 поддерживается с помощью переливной трубы 13. Для согласования скоростиистечения краски со скоростью воды в стеклянной трубе 14 бак с краской 18 закрепленна наружной высоте для создания необходимого напора при истечении краски. Расходкраски регулируется краном 19.
2.3 Методика проведения работы
Работу начинают с установления ламинарного режима и, увеличиваяпостепенно скорость движения воды в стеклянной трубе, наблюдают за изменениями,происходящими с подкрашенной струйкой при разных режимах течения.
Перед началом работы проверяют наличие воды в баке 1 по водомерномустеклу 2. Если вода в баке меньше половины, то открывают вентиль 4 и заполняют бак,следя за уровнем воды в водомерном стекле 2. Затем заполняют баки 10 и 15, открываявентиль 11. Затем понемногу открывают вентиль 16, устанавливая по ротаметру 17 минимальныйрасход воды.
/>
Рис.2.1 Схема экспериментальной установки.
В первой части работы для пуска подкрашенной струйки постепеннооткрывают кран 19, регулируя степень открытия вентилей 11 и 16 и крана 1, Добиваютсячеткого очертания подкрашенной струйки, хорошо видимой на освещенном фоне — экрана.Затем, увеличивая степень открытия вентиля 15, повышают тем самым скорость водыв стеклянной трубе 14, вследствие чего ламинарный режим начинает нарушаться и переходитьв турбулентный. При этом надо регулировать открытие крана 19, а также вентиля 11,не позволяя уровню воды в баке 12 опускаться ниже переливной трубы 13.
Во второй части работы производят замеры, необходимые для определениязначения число Рейнольдса при разных режимах течения, Настраивают установку на ламинарныйрежим и приступают к определению расхода по ротаметру 17. Таких замеров проводятнесколько раз (6-7), заканчивая их при развитом турбулентном движения.
2.4 Обработка опытных данных
Определить скорость движения воды в стеклянной трубе, через массовыйрасход воды:
w = />
где: G — массовый расход воды,кг/ с;
r — плотностьводы, кг/м3
d BH — внутренний диаметр стеклянной трубы(d = 20 мм), м.
Массовый расход воды определяется из уравнения расхода:
G = V r
где: V — объемный расход воды,м3/сек.
Вычисляют число Re и определяют режим течения:
/>
где: ν — кинематическийкоэффицент вязкости.
Определить число Рейнольдса для случаев прохожденияжидкости через прямоугольное и квадратное сечения трубопроводов со сторонами«a» и «b». Значения сторон выдается преподавателем каждому студенту.При этом для определения скорости воды можно использовать экспериментальные значениярасхода воды.
Результаты наблюдаемые, опытные и расчетные данные заносят вотчетную таблицу.
Таблица 2.1 Протокол наблюдений
№
п/п
Расход воды G, кг/с
Температура воды, tу,
0С
Скорость движения воды w, м/с
Число Рейнольдса
Re Состояние подкрашенной струйки Режим потока
2.5 Контрольные вопросы
1. Какое течение называется ламинарным?
2. Как определить среднюю скорость потока движущегося ламинарно?
3. Какое течение называется турбулентным?
4. Какого соотношение между средней и максимальной скоростями потока при турбулентномтечении?
5. Что такое эквивалентный диаметр и гидравлический радиус?
6. Что такое число Рейнольдса? Каков его физический смысл?
7. В каком интервале числе Рейнольдса наблюдают «переходную» область?
8. От каких параметров зависит значение Re для змеевиков?
Лабораторная работа № 33. Изучение гидродинамики псевдоожиженного слоя (ПС)
Цель работы: Получение экспериментальной зависимости гидравлическогосопротивления от фиктивной скорости газа; определение скорости начала псевдоожижения;скорости свободного витания; веса слоя.
3.1 Теоретическая часть
В настоящее время целый ряд процессов в химической технологииосуществляется при взаимодействии газа или жидкости с мелкораздробленными твердымичастицами (абсорбция, сушка, обжиг и др.) в аппаратах с так называемым взвешенным(кипящим, псевдоожиженным) слоем. В таких аппаратах указанные процессы существенноускоряются. В целом в настоящее время свыше пятидесяти технологических процессовиспользуют технику псевдоожижения в промышленной практике, что обусловлено следующимиих достоинствами:
1. Интенсивное перемешивание твердой фазы, которое приводит квыравниванию температур и концентрации в объеме ПС.
2. Высокие коэффициенты эффективной теплопроводности и теплоотдачиот ПС (или, наоборот) к поверхностям теплообмена, значит малые площади необходимойповерхности теплообмена.
3. Возможность использования твердых частиц малых размеров, т.е.твердой фазы с развитой удельной поверхностью. Это приводит к повышению производительностиаппаратов для сорбционных, тепловых, каталитических и других процессов.
4. Подвижность (текучести) ПС позволяет создать аппараты с непрерывнымвводом и отводом твердых частиц.
5. Небольшое гидравлическое сопротивление и независимость егоот скорости газа (жидкости).
6. Простое устройство аппарата и легкая механизация и автоматизация.
Наряду с достоинствами принципу псевдоожижения присущи следующиенедостатки:
1. Неравномерность времени пребывания частиц в аппарате.
2. Истирание и унос газом хрупких частиц.
3. Агломерация и спекание мелких частиц.
4. Эрозия труб и стенок аппаратов в результате абразивного действиячастиц.
Несмотря на серьезные недостатки, существенные экономическиепреимущества ПС обусловили его успешное использование в промышленности.
Гидродинамическая сущность процесса взаимодействия газовой фазыс твердыми частицами заключается в следующем: если через слой зернистого материала,расположенного на решетке, пропускать снизу вверх поток газа, то состояние слоятвердого материала будет различным в зависимости от скорости потока.
При относительно небольших скоростях движения газа, рассчитаннойна полное сечение аппарата (фиктивная скорость) зернистый слой остается неподвижным,перепад давления при этом увеличивается линейно с ростом скорости.
Однако, когда скорость достигает некоторой критической величины,слой перестает быть неподвижным и весь слой твердых частиц переходит во взвешенноесостояние, напоминающий кипящий (псевдоожиженный) слой, ограниченный ясно выраженнойверхней границей раздела фаз. В таком слое твердые частицы интенсивно перемешиваютсяв потоке в различных направлениях. В этом режиме перепад давления на слое сохраняетпрактически постоянное значение и зависимость DP = f(w) выражается прямой линией, параллельной осиабсцисс.
Скорости газа (жидкости), при которой неподвижный слой зернистоготвердого материала переходит в псевдоожиженное состояние, называется скоростью началапсевдоожижения (или первой критической) — wПС.
Скорость газа (или жидкости) при которой начинается массовыйвынос частиц из слоя, называется скоростью уноса или иначе, скоростью свободноговитания — wСВ. При w > wСВчастицы уносятся из слоя, их весовое количество в слое падает в результате уменьшаетсяэнергия, необходимая для поддержания твердой фазы во взвешенном состоянии. По этойпричине ∆Рсл точки В понижается.
Явление массового уноса твердых частиц используют в промышленностидля перемещения сыпучих материалов (пневмотранспорт).
Опыты по определению перепада давления DP, а такжевеса слоя зернистого материала Gсл. Показывают,что критическая скорость wкр. Отвечаетсоотношению:
Gсл. = DP.S (3.1)
где: Gсл. — вес зернистогослоя, кг;
S — площадь поперечного сеченияаппарата, м2.
Поскольку уравнение (3.1) выражает силу гидравлического сопротивленияслоя, можно отметить, что состояние псевдоожижения возникает при скорости потока,которая соответствует силе гидравлического сопротивления слоя, равного весу слоя.Рабочие скорости потоков при проведении процессов с применением псевдоожиженногослоя зернистого материала выбирается в пределах:
wp =nwкр. = (2 ¸ 10) wкр(3.2)
где: n — число псевдоожижения,характеризующее отношение рабочей скорости потока газа и критической скорости (началапсевдоожижения).
При достижении скорости газа некоторого значения wу (точка В) псевдоожиженный слой практически прекращаетсвое существование, так как начинается процесс пневмотранспорта материала.
Переход твердых частиц неподвижного слоя во взвешенное состояниебудет происходить тогда, когда сила F динамического воздействия потока на частицу станет равной весуее за вычетом подъемной (архимедовой) силы R:
/> (3.3)
где: rТ,rС — плотность твердойчастицы и среды, соответственно, кг/м3.
Отношение рабочей скорости wраб(в пределах wПС — wСВ) к скорости начала псевдоожижения wПСназывается числом псевдоожижения
/> (3.4)
KW — характеризует интенсивность перемешиваниячастиц и состояния ПС. Опытным путем найдено, что во многих случаях интенсивноеперемешивание достигает при KW= 2, хотя оптимальные значения устанавливаются практическидля каждого конкретного процесса.
Отношение высоты псевдоожиженного слоя (HCП)к первоначальной высоте неподвижного слоя (H0)называется степенью расширения
/> (3.5)
В системах капельная жидкость — твердые частицы (например, процессыэкстракция, адсорбция) увеличение скорости потока выше wПСприводит к спокойному, постепенному расширению слоя. Образование больших пузырейили неоднородности не наблюдается. Такой ПС называется однородным слоем.
Обычно система газ — твердые частицы (например, сушка, адсорбция,и т.п.) ведет себя совершенно иначе. При увеличении скорости потока выше wПС наблюдается неоднородный ПС в виде пузыреоброзования(ПС разделяется на отдельные части газовыми «пробками»); каналообразование(значительное количество газа проскакивает через один или несколько каналов) и фонтанирующийслой (характерен для аппаратов конических и коническо-цилиндрических с малым диаметрому основания).
Важнейшей характеристикой слоя твердых частиц является его порозность:
/> (3.6)
где: VСЛ — общий объем,занимаемый слоем, м3;
VТ — объем, занимаемыйтолько твердыми частицами материала, м3.
Для неподвижного слоя шаровых частиц одинакового диаметра порозностьравна e = 0,4 независимо от диаметрачастицы. Для взвешенного слоя порозность с увеличением скорости газа будет повышаться,так как VСЛ при этом возрастает. При скоростигаза wу, предельной для взвешенного слояможно считать, что VСЛ >> VТ иe = 1.
Порозность псевдоожиженного слоя εПС можноопределить из зависимости:
H0 (1-ε0) = HПС(1-εПС) (3.7)
где: ε — порозность
H0, HПС — высота неподвижного и псевдоожиженого слоев,соответственно.
Для расчета аппаратов со взвешенным слоем необходимы расчетныеуравнения, устанавливающие зависимость между физическими свойствами газа и твердыхчастиц, скоростью газа и порозностью слоя e.
Такие эмпирические уравнения удобно представлять в виде зависимостеймежду обобщенными безразмерными переменными, так называемыми числами подобия, которыевключают все физические величины, оказывающие влияние на рассматриваемый процесс.
В гидравлике взвешенного слоя очень удобной для расчетов являетсяграфическая зависимость между числами Лященко Ly и Архимеда Ar: Ly = f(Ar, e).
Число Лященко
/> (3.8)
Число Архимеда
/> (3.9)
где: mС — динамический коэффициент вязкости среды, Па. с.
Для удобства расчетов зависимость дана в логарифмических координатах.Этот график дает возможность найти любую из трех величин: Ly,Ar, e /2, с.108/.
3.2 Описание установки
Установка состоит из смонтированной на щите колонны К1(рис.3.2) с внутренним диаметром 50 мм. В колонне имеется четыре металлических сеток.На каждой сетке находится слой твердых частиц (силикагель).
Воздух, подаваемый компрессором, проходит под нижнюю сетку колонны.Вентиль В2 служит для выпуска воздуха в атмосферу. Гидравлическое сопротивлениеизмеряют дифференциальным манометром Д2, который через переключательП1 может быть подключен для измерения перепада давления либо в однойнижней секции (положение 1), либо в других секциях (положение 2 и 3), либо во всейколонне (положение 4).
Расход воздуха, проходящего через колонну, определяют по показаниямдиф. манометра Д1, присоединенного к диафрагме с диаметром отверстия 9 мм.
3.3 Методика проведения работы
Приступая к работе, закрываем полностью вентиль 1 и открываемвентиль 2 на выходе в атмосферу. После этого пускают воздушный компрессор. Открываявентиль 1, устанавливают такой начальный расход воздуха, чтобы показания диф. манометраД1 было порядка 100 мм вод. ст. с помощью переключателя П1при этом расходе воздуха измеряют перепад давления по диф. манометру Д2в нижней секции колонны.
/>
Рис.3.2 Схема установки.
К1 — колонна, Д1, Д2 — диф.манометры, П1 — переключатель, Д3 — диафрагма.
Записав результаты измерения в отчетную таблицу 3.1, проводятв той же последовательности измерения при втором расходе воздуха, затем при третьеми т.д. до максимального увеличения. Увеличение расхода воздуха производят на такуювеличину, чтобы показания диф. манометра воздуха нарастали приблизительно на 10 мм вод. ст. Опытные данные записывают в таблицу 3.1.
По окончании работы открывают полностью вентиль В2и воздух выбрасывается в атмосферу, а вентиль В1 закрывают, затем выключаютвоздушный компрессор.
Таблица 3.1 Протокол измерений
№№
пп
Показания диф. манометра
Д1 Dh1,мм вод. ст
Расход воздуха V, м3/с Скорость воздуха w, м/с
Показания диф. манометра Д2 (гидравл. сопротивление) Dh2, мм вод. ст. 3.4 Обработка опытных данных
1. По данным таблицы 3.1 строят для каждого слоя график зависимости DР от скорости воздуха w. Скорость воздуха определяется по формуле:
/> (3.10)
где: VСЕК — расходвоздуха, рассчитанный по формуле (3.8), м3/с;
F — площадь поперечного сеченияаппарата диаметром D = 50 мм, м2.
Расход воздуха определяется по формуле:
/> (3.11)
где: a — коэффициентрасхода, a = 0,6;
f0 — площадь поперечного сечениядиафрагмы диаметром d = 9 мм, м2;
Dh1 — показания диф. манометра Д1, м;
rЖ — плотность манометрической жидкости, кг/м3;
rГ — плотность воздуха, кг/м3.
2. Из графика DР =f (w) определяюткритическую скорость начала псевдоожижения.
3. Вычисляют число Лященко для критической скорости:
/>
где: rТ — плотность твердой частицы, кг/м3.
4. По рисунку /2, с.108/ Ly = f (Ar,e) при e = 0,4 находят соответствующее значение числаАрхимеда, по которому определяют диаметр частицы:
/> (3.12)
5. По рисунку /2, с.108/ Ly = f (Ar,e) находят предельное значениекритерия Ly при e = 1, позволяющее определить скорость уносаwу и расход воздуха при уносе: />
6. Определяют коэффициент формы частицы по формуле:
/> (3.13)
где: rТ — плотность твердого материала (силикагель), кг/м3;
e — порозностьслоя, для неподвижного слоя материала e= 0,4.
7. Определяют вес слоя частиц в каждой секции:
/>
3.5 Контрольные вопросы
1. Чем отличаются друг от друга скорость уноса, фиктивная, критическая (скоростьпсевдоожижения), рабочая скорости газа?
2. Что такое порозность слоя? В каких пределах изменяется порозность взвешенногослоя?
3. Какой характер имеет зависимость DР= f (w) от фиктивнойскорости газа в процессе псевдоожижения?
4. Какой характер имеет зависимость порозности слоя от расхода газа?
5. С какой целью определяются значения чисел Лященко и Архимеда?
Лабораторная работа № 44. Определение расхода энергии на перемешивание
Цель работы: Опытное определение расхода энергии при перемешиваниии определение опытных коэффициентов в критериальном уравнении и расхода мощности.4.1 Теоретическая часть
Перемешивание является обязательным условием успешного проведенияразнообразных технологических процессов. В зависимости от целей и условий перемешиванияприменяют аппараты с мешалками различных конструкций.
Вследствие широкого промышленного распространения процесса перемешиванияколичество энергии, затрачиваемой на этот процесс на химических заводах, обычносоставляет существенную часть общих энергетических расходов производства.
Рассматривая движение жидкости в аппарате с мешалкой как частныйслучай явления движения жидкости, для описания процесса при установившемся движениижидкости можно воспользоваться критериальным уравнением:Eu =f (Re, Fr,Г1, Г2) (4.1)
где: Еu — число Эйлера,Rе — число Рейнольдса; Fr — число Фруда; Г1, Г2 — симплексы геометрического подобия.
В этих выражениях
/> /> /> (4.2)
где: ∆Р — потеря давления, Па;
ρ — плотность жидкости, кг/м3;
w — средняя скорость движения потока, м/с;
d — диаметр, определяющий линейныйразмер, м;
μ — динамический коэффициент вязкости жидкости, Па·с.
Для аппаратов с мешалками в качестве определяющего линейногоразмера принимают диаметр мешалки (диаметр окружности, описываемый лопастями мешалки).
В связи с трудностями определения действительной скорости движенияжидкости целесообразно эту величину заменить пропорциональной ей величиной числаоборотов мешалки, а вместо величины потери давления ввести величину потребляемоймощности. Тогда числа гидродинамического подобия будет иметь вид:
/> /> /> (4.3)
где: n — число оборотов мешалки,об/с;
N — мощность на валу мешалки,Вт;
/> - модифицированное число мощности;
/> - центробежное число Рейнольдса;
/> - центробежное число Фруда.
Не учитывая влияния силы тяжести, обобщенная зависимость дляопределения мощности на валу мешалки, при условии геометрического подобия мешалоки сосудов, будет иметь вид:
/>= С·/>(4.4)
4.2 Описание установки
Установка состоит из сосуда 2, в который заливается перемешиваемаяжидкость. Перемешивание осуществляется четырёхлопастной мешалкой 1О. Крепится мешалкана съемном валу 9. Мешалка приводится во вращение от электродвигателя 1 с помощьюшнурового привода. При вращении вала мешалки возникает момент, величина которогозависит от числа оборотов вала, размеров лопастей и рода жидкости. Момент с валапередается на равноплечный рычаг динамометра. Этот момент практически равен рабочемумоменту привода мешалки.4.3 Методика проведения работы
1. Проверяем исправность привода, стрелки динамометра устанавливаемее в нулевое положение.
2. Замеряется свободный конец пружины динамометра />.
3. Включается электродвигатель.
4. Пружина динамометра оттягивается до тех пор, пока стрелкане займет нулевое положение.
5. Замеряют свободный конец пружины динамометра />, />, />, соответствующийразличным числам оборотов мешалки.
6. Отключают электродвигатель.
7. Шнур привода перекидывается на другой шкив, и опыты повторяютдля другого числа оборотов вала мешалки.
/>
Рис.4.1 Схема установки.
1 — мотор-редуктор; 2 — сосуд с мешалкой; 3, 4, 5, 6 — шкивы;
7 — указатель смешивания; 8 — указатель нуля.
4.4 Обработка опытных данных
1 мм смещения пружины соответствует усилию 4 грамма. Зная фактическоеперемещение свободного конца пружины, определяем силу натяжения пружины:
F= (/>-/>) /> (4.5)
Плечо этой силы натяжения на динамометре />д = 75 мм, рабочий момент на валу мешалки:
Мкр=F·/>д (4.6), /> (4.7)
где: ii — передаточноечисло;
D0 — диаметр шкивана валу мешалки, D0 =38 мм;
Di — диаметр шкивовна валу двигателя, мм;
Размеры шкивов: D1= 38 мм; D2= 52 мм; D3 = 66мм.
Рассчитывается число оборотов вала мешалки, если число оборотовдвигателя равно nд = 1410 об/мин.
ni= /> (об/с)(4.8)
Мощность на валу мешалки определяется по формуле:
N = Мкр·2πni (4.9)
где: n — число оборотов вала мешалки,об/с.
Подсчитаем число Рейнольдса для перемешивания по формуле:
/> (4.10)
Подсчитаем число Эйлера по формуле:
/> (4.11)
Расчеты аналогичны для каждого числа оборотов. Далее строим графикзависимости: ЕuM= f (ReЦ) в логарифмической системе координат, где получаемпрямую, соответствующую исходному числовому значению: ЕuM= C · (ReЦ)- m.
Тангенс угла наклона дает значение показателя m, а отрезок,отсекаемый на оси ординат, — значение lgC, из которогополучают значение С.
Подставляя значение коэффициентов С и m, получаюткритериальное уравнение и определяют потребляемую мощность N.
/>
4.5 Контрольные вопросы
1. Роль процесса перемешивания в химической технологии.
2. Как определить мощность на валу?
3. Физический смысл числа Рейнольдса и Фруда при перемешивании.
4. Физический смысл критерия мощности Еu.
5. Как определяется коэффициенты С и m?
Лабораторная работа № 55. Определение характеристик центробежного вентилятора
Цель работы: Построение экспериментальных характеристиквентилятора и сети и определение параметров рабочей точки.5.1 Теоретическая часть
Работа центробежного вентилятора при постоянном числе оборотовхарактеризуется следующими величинами:
1 — производительностью Q, м3/с;
2 — создавае6мым давлением (напором) H,н/м2 или DР, мм вод. ст.;
3 — затрачиваемой мощностью N,Вт;
4 — коэффициентом полезного действия h, %.
У центробежных вентиляторов величины Q,DР, h связаны между собой и изменение одной из них вызывает изменениеостальных. Графические зависимости DР= f (Q), N = f(Q), h= f (Q) называютсяхарактеристиками вентиляторов.
На основании теоретических расчетов эти характеристики с достаточнойточностью построить нельзя. Поэтому на практике применяют характеристики вентиляторов,полученные опытным путем. Типичные характеристики центробежного вентилятора принекотором постоянном числе оборотов n1показаны на рисунке 5.1 При другом числе оборотов n2характеристики вентилятора будут другими. Изменение величин Q, DР, N определяется при этом следующимиприближенными соотношениями:
/> /> /> (5.1)
Характеристики вентиляторов служат для исследования их работыв различных условиях и для подбора вентиляторов при проектировании вентиляционныхустановок.
Если по какому-либо трубопроводу или каналу (сети) проходит газ,то, как известно, давление НС, теряемое газом при прохожденииего через трубопровод (сеть) расходуется на сообщение скорости газу (DРСК), на преодоление трения ивсех местных сопротивлений сети (DРТР+ DРМС), на преодолениегидростатического давления — высоты подъема (DРПОД)и на преодоление разности давлений в пространствах всасывания и нагнетания(DРДОП):
/> (5.2)
где: l — коэффициенттрения;
L — длина трубопровода, м;
d — диаметр трубопровода, м;
x — коэффициентместного сопротивления;
w — скорость потока, м/с;
r — плотностьгаза, кг/м3.
Подставив в уравнение (5.2) значение скорости из уравнения расхода:
/> (5.3)
получим:
/> (5.4)
где: QС — расход газа,проходящего через трубопровод (сеть), м3/с;
f — площадь поперечного сечениятрубопровода, м2.
Обозначая />, /> получим следующее уравнение характеристикисети:
/> (5.5)
/>
Рис.5.1 Характеристики центробежного вентилятора.
Это уравнение выражает зависимость между расходом проходящегопо трубопроводу газа QC и потерей давления в сети НС, идущей на преодолениевсех гидравлических сопротивлений трубопровода (сети).
При DРПОД =и DРДОП = 0 второеслагаемое правой части уравнения (5.5) обращается в ноль и кривая характеристикисети HC = aQC2будет проходить черезначало координат.
Когда вентилятор работает на сеть, то Q = QC и Н = НС, так как вентилятор создает такоедавление DРС, котороерасходуется на преодоление полного сопротивления сети НС.
Если на график характеристик вентилятора Q — H, Q — N, Q — h нанестикривую характеристики сети QС — HС (в том же масштабе, что и Q — H), то можно найти такназываемую рабочую точку А, для которой Q = QC и Н = НС и определить все характеристики вентиляторапри работе его на данную сеть. Положение рабочей точки дает возможность судить обэкономности использования вентилятора в данных условиях.
5.2 Описание установки
Схема экспериментальной установки показана на рисунке 5.2.
Установка состоит из центробежного вентилятора 1, смонтированногона одном валу с электродвигателем постоянного тока 2. Электродвигатель постоянноготока дает возможность легко изменить с помощью реостатов 11, 12 число оборотов вентилятора.
К вентилятору присоединены трубы: всасывающая 3 и нагнетательная4 одинакового диаметра (внутренний диаметр d = 220 мм). На входном участке всасывающей трубы имеется плавныйраструб 5, на котором установлена сетка 6 для предохранения от всасывания в трубопроводпосторонних предметов.
В выходном отверстии нагнетательной трубы установлена диафрагмапеременного сечения 7, позволяющая плавно изменять площадь выходного отверстия и,следовательно, изменять сопротивление нагнетательного трубопровода. Реостаты 11и 12 служат для пуска и изменения числа оборотов электродвигателя. На щите электродвигателяи на трубопроводах установлены следующие контрольно-измерительные приборы:
1 — тахометр 13 для определения числа оборотов вентилятора;
2 — вольтметр 8 и амперметр 9 для определения напряжения и силыпостоянного электрического тока;
3 — трубки Пито 14 и 15, снабженные дифференциальными манометрами16 и 17.
5.3 Методика проведения работы
Для получения характеристик вентилятора Q- H, Q — N, Q — h проводят серию опытов (10 наблюдений) припостоянном числе оборотов n, которое задает преподаватель(не более 1200 об/мин.). Производительность вентилятора изменяют при помощи диафрагмы7, изменяя ее открытие. Для получения характеристики трубопровода (сети) HC = aQC2проводят вторую сериюопытов (5 наблюдений) при открытой диафрагме 7, т.е. геометрическая характеристикасети остается постоянной (ее задает преподаватель), а расход воздуха меняется путемизменения числа оборотов вентилятора.
/>
Рис.5.2 Схема экспериментальной установки
1 — вентилятор, 2 — электродвигатель, 3 — всасывающая труба,
4 — нагнетательная труба, 5 — плавный раструб, 6 — сетка,
8 — вольтметр, 9 — амперметр, 10 — тахометр, 11, 12 — реостаты,
14 — трубка Пито, 16, 17 — манометры.
Необходимые для построения характеристик вентилятора и сети значениявеличин Q, H, N, h определяютпутем соответствующей обработки показаний контрольно-измерительных приборов, полученныхво время испытаний.
Показания приборов: дифф. манометра 16 (1 рабочее место) и диф.манометра 17 (2 рабочее место), вольтметра 8 и амперметра 9 (3 рабочее место), послетого как диафрагма 7 переставлена в новое положение и восстановлено реостатами заданноечисло оборотов.
После ознакомления с описанием работы и с установкой распределяютрабочие места, проверяют правильность положения трубок Пито в трубопроводах, нулевоеположение жидкости в диф. манометрах и с разрешения преподавателя пускают вентилятор,включают рубильник и плавно выводят сначала пусковой реостат 2, а затем регулировочный12. Остановку вентилятора после окончания работы производят в обратном порядке.
5.4 Обработка опытных данных
1. Повышение давления Н, создаваемое вентилятором илиназываемый «полный напор» вентилятора, определяется (в мм вод. ст.) непосредственнозамером по диф. манометру 16.
2. Мощность N, потребляемую вентиляционнойустановкой, рассчитывают по формуле:
/> (5.6)
где: V — напряжение постоянноготока, В;
I — сила тока, А.
3. Производительность вентилятора Q определяют:
/> (5.7)
где: /> - площадь поперечного сечения трубопровода,м2.
Среднюю скорость воздуха w во всасывающем трубопроводе находят следующим образом. Диф. манометр17, присоединенный к трубке Пито 15, которая установлена по оси всасывающего трубопровода,показывает скоростное давление DРСК(в мм вод. ст.) в центре этого трубопровода. Скорость элементарной струйки воздуха(в м/с), проходящей в центре трубопровода (осевая или максимальная скорость) будетравна:
/> (5.8)
где: r — плотностьвоздуха, кг/м3; 9,81 — коэффициент пересчета DРСКс мм вод. ст. в н/м2.Для турбулентного потока отношение средней скорости к максимальной /> составляет в среднем0,9.
Таблица 5.1 Протокол измерений
№№
пп
число оборотов вентилятора
n, об/мин. положение диафрагмы 7 Показания приборов Рассчитанные величины
H,
мм вод. ст.
DPСК, мм вод. ст
V,
В
I,
А
Q,
м3/с
h,
%
N,
Вт Re 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 а) характеристика вентилятора 1 2 3 4 5 б) характеристика сети 1 2 3 4 5
Примечания:
1. Число Рейнольдса Re вычисляютпри определении характеристик вентилятора только для первого и последнего расходоввоздуха.
2. При определении характеристик сети замеряют только показания диф. манометров16, 17 и вычисляют только QC.
3. КПД вентилятора h (с электродвигателем)определяют по уравнению:
/> (5.9)
где: Q — расход воздуха, м3/с;
Н — «полный напор», создаваемый вентилятором,Па;
N — потребляемая мощность, Вт.
5.5 Контрольные вопросы
1. Как устроен и работает центробежный вентилятор?
2. Разность каких давлений показывает диф. манометр, установленный во всасывающемтрубопроводе вентилятора?
3. Почему при определении характеристик вентилятора можно изменять расход воздухазатвором, а при определении характеристик сети нельзя?
4. Какой физический смысл имеют характеристика сети и рабочая точка?
5. Почему плотность воздуха во всасывающем и нагнетательном трубопроводах считаютодинаковой?
6. Что нужно сделать на установке, чтобы характеристика сети стала бы мене крутой?
7. В чем преимущество диф. манометра с наклонной шкалой по сравнению с обычнымU-образным диф. манометром?
8. Если убрать сетку из всасывающего трубопровода, то при том же открытии затворакак это отразится на положении рабочей точки (для данного числа оборотов вентилятора)?
9. Для чего служит тахометр?
Лабораторная работа № 6
6. Определение констант процесса фильтрования суспензии
Цель работы. Определение констант процесса фильтрованиясуспензии, а также удельного сопротивления осадка и сопротивления фильтровальнойперегородки.6.1 Теоретическая часть
Фильтрованием называется процесс разделения неоднородных системпри помощи пористых перегородок, которые задерживают одни фазы систем и пропускаютдругие.
При разделении суспензии частицы твердой фазы задерживаются натвердой перегородке, образуя осадок, а жидкая фаза проходит через слой осадка ичерез поры фильтровальной перегородки. Таким образом, суспензия разделяется на чистыйфильтрат и влажный осадок.
Фильтрование может быть:
· с закупориванием пор — на поверхности фильтровальной перегородки осадокпочти не образуется: твердые частицы задерживаются внутри пор;
· с образованием осадка — на фильтровальной перегородке, когда твердыечастицы почти не проникают внутрь перегородки.
Процесс фильтрования осадка на практике встречается значительночаще. Фильтрование является гидродинамическим процессом, скорость которого прямопропорциональна разности давлений, создаваемой по обе стороны фильтровальной перегородки(движущей силе процесса) и обратно пропорциональна сопротивлению, испытываемомужидкостью при ее движении через поры перегородки и слой образовавшегося осадка.Разность давлений на фильтровальной перегородке создают при помощи компрессоров,вакуум-насосов и жидкостных насосов (поршневых, центробежных и др.). Также для этойцели используются гидростатическое давление разделяемой суспензии. Фильтрующие перегородкиизготовляют из х/б тканей (бязь, диагональ и др.), шерстяных тканей (сукно, байка,войлок), тканей из синтетических волокон (полиамидные, перхлорвиниловые).
Все шире применяются металлические, керамические и металлокерамическиефильтрующие перегородки. Выбор той или иной фильтровальной перегородки обусловлен:
1 пористостью (размеры пор должны быть такими, чтобы частицы осадка задерживалисьна перегородке);
2 химической стойкостью к действию фильтруемой среды;
3 достаточной механической прочностью;
4 теплоемкостью при температуре фильтрования.
Сопротивление фильтрования является суммой сопротивлений фильтровальнойперегородки и слоя осадка, т.е.:
R = Rф. п. + Rос. (6.1)
Сопротивление осадка потоку жидкости зависит от свойств твердыхчастиц и жидкой фазы суспензии, а также от условий фильтрования. Из условий фильтрования,влияющих на его течение, наибольшее значение имеет разность давлений по обеим сторонамфильтровальной перегородки.
Осадки, получаемые на фильтровальной перегородке при разделениисуспензии, подразделяются на несжимаемые и сжимаемые. Под несжимаемыми понимаюттакие осадки, в которых пористость, т.е. отношение объема пор к объему осадка, неуменьшается при увеличении разности давлений.
Практически под несжимаемыми можно считать осадки, состоящиеиз частиц песка, кристаллов карбоната и бикарбоната натрия.
Скорость фильтрования суспензии существенным образом зависитот физических свойств крупности твердых частиц суспензии, которые делятся на:
а) грубые — dч > 100 мкм
б) тонкие — 0,5 d ч
в) мути — 0,1 d ч
г) коллоидные растворы — dч
При фильтровании с образованием несжимаемого осадка на сжимаемойфильтровальной перегородке опытным путем установлено, что объем фильтрата, получаемыйза малый промежуток времени с единицы поверхности фильтра, прямо пропорционаленразности давлений и обратно пропорционален вязкости фильтрата, а также общему сопротивлениюосадка и фильтровальной перегородки:
dV/[F dt] = DP/[m(Rос+ Rф.п)], (6.2)
где: V — объем фильтрата, м3;
F — поверхность фильтрования,м2;
t продолжительность фильтрования, с;
DP — разность давлений, Па;
m — динамический коэффициент вязкости жидкости, Па*с;
Rос — сопротивление слоя, м-1;
Rф. п. — сопротивление фильтровальнойперегородки, м-1.
При этом величина dV/ [F d представляет собой переменную скорость фильтрования, выраженнуюв м/сек. Чтобы проинтегрировать уравнение (6.2) нужно установить зависимость междуобъемом слоя осадка Vос и фильтрата Vф, выразив их отношение через х0=Vос/Vф, что равно концентрациисуспензии. Тогда объем осадка будет равен х0 Vф.Вместе с тем, объем может быть выражен произведением hосFф, где hос — высотаслоя осадка в м.
Следовательно х0 Vф = hос Fф, откуда толщина равномерногослоя осадка на фильтровальной перегородке составит:
hос = х0 Vф/Fф (6.3)
Сопротивление слоя осадка можно выразить:
Rос = rоhос = rо xо Vф /Fф, (6.4)
где: rо — удельное сопротивлениеслоя осадка, м-2.
Удельное сопротивление осадка представляет собой потери напорав Па при прохождении жидкости вязкостью 1 Па с через слой осадка толщиной 1 м при скорости фильтрации 1 м/с.
Величина удельного сопротивления слоя осадка учитывает структурныехарактеристики осадка (число пор 1 м2 поверхности фильтрата, их форму и размер).Подставив значения Rос в уравнение (6.2), получимосновное уравнение фильтрования с образованием несжимаемого осадка на несжимаемойперегородке:
dV/ [F dt] = DP/ [m (r0x0 Vф /Fф + Rф. п)] (6.5)
Процесс фильтрования можно осуществить при постоянном значенииперепада давления и постоянном значений скорости фильтрования.
Режим DP = const дает большую производительность фильтрата и принимается в большинствефильтров.
При проведении процесса при DP = const всевеличины в уравнении (6.5) постоянны, кроме V и t.
После разделения переменных и интегрирования в пределах от до V и от до t то получим:
t = mr0 x0 Vф2/ (2 DP Fф2)+ mRф. п Vф/ (DP Fф) (6.6)
В практических расчетах часто пользуются удельной производительностьюфильтрата q = Vф /Fф, т.е. количеством фильтрата,получаемым с единицы поверхности фильтрования, тогда:
t = m r0 x0q22 DPm Rф.пq DP (6.7)
Обозначим постоянные величины:
m r0 x0/ (2 DP) = k1 иm Rф. п DP=k2(6.8)
Тогда получим:
t = k1 q2 + k2 q, (6.9)
где: k1 и k2 — константы процесса фильтрования, характеризующие гидравлическиесопротивления осадка и фильтруемой перегородки.
По величинам констант можно определить удельное сопротивлениеосадка и фильтруемой перегородки:
r0 = 2 DP k1/ (m x0) (6.10)
Сопротивление фильтровальной перегородки:
Rф. п = DP k2/m (6.11)
Разделив члены уравнения (6.9) на q получаем:
t/q= k1q + k2 (6.12)
В координатах q — /q (рис.6.2) это уравнениеизображается прямой линией АВ, наклонной к оси абсцисс под углом , тангенс которого tq k1.Эта линия отсекается на оси ординат АО = k2.Для определения постоянных фильтрования k1 и k2 производим опыт по разделению исследуемой суспензии нафильтре выбранной конструкции при постоянной разности давления. В течение опытаотмечают ряд соответствующих друг другу значений q и . В конце фильтрованияизмеряют высоту осадка hос. По опытным данным в координатах q — /q наносят точки, которые соединяютпрямой линией до пересечения с осью ординат. По графику находят значение k1 и k2, а из уравнении (610и 611) вычисляют r0 и Rф.п, величину х0 находят из равенства:
х0= Vос /Vф, (м3 твердой фазы) / (м3 жидкой фазы) (6.13)
6.2 Описание установки
Установка состоит (см. рисунок 6.1):
1. Фильтровальной воронки с фильтровальным материалом — 1.
2. Приемника фильтрата — 2.
3. Дифференциального манометра-вакуумметра — 3.
4. Промежуточной емкости — 4.
5. Вакуум-насоса — 5.
6. Воздушного крана — 6.
7. Зажима — 7.
6.3 Методика проведения работы
1. Приготовляют суспензию в заданной руководителем соотношении Т: Ж (1: 5; 1:6; 1: 7; 1: 8; 1: 9; 1: 10; 1: 11; 1: 12; 1: 13; 1: 14).
2. Включают вакуум-насос, предварительно проверив закрыт ли зажим 7.
3. Краном 6 устанавливают заданный руководителем вакуум (100; 120; 140; 160;180; 200; 250 мм водн. ст.).
4. Все время размешивают суспензию, наполняя воронку так, чтобы она оставаласьполной.
5. При появлении первых капель фильтрата включают секундомер.
6. В течение всего опыта суспензия добавляется в воронку.
7. Первые показания секундомера записывают при измерении уровня фильтрата допервого деления в приемнике (цена одного деления 100 мл). Далее записывают все следующиепоказания секундомера, соответствующие каждому делению, секундомер во время опытане выключать.
/>
Рис.6.1 Схема фильтровальной установки.
8. После 5-ти замеров прекратить подачу суспензии, профильтровать все до конца,записать количество полученного фильтрата и время фильтрования.
9. Выключить вакуум-насос.
10. Измерить металлической линейкой толщину на фильтре.
11. Измерить температуру фильтрата.
6.4 Обработка опытных данных
По полученным замерам объемов фильтрата V1,V2…, Vn и времени t строятграфик, определив предварительно q1, q2…, qn давлениемкаждого значения V1, V2…,Vn на F. При построении графика откладывают по оси абсцисс значениеq (м3/м2), а по оси ординат соответствующее значениеtq (с. м2/м3).
Константу k2 находят замером отрезкаАО. На графике k2 = АО, умноженному на масштабпо оси ординат. Далее определяют удельное сопротивление осадка r0 и сопротивление фильтровальной перегородки Rф. п.
Определяют часовую производительность фильтра по фильтрату ивлажному осадку по формуле:
Vф= (Vф3600) / (Fф tn), (м3/час)(6.19)
Vос= (Vос3600) / (Fф tn), (м3/час)(6.20)
где: Vф — общее количество фильтрата,собранное за время опыта, м3;
Vос — объем осадка, равный hос Fф, м3;
Fф — площадь фильтра, м2;
tn — продолжительность опыта, с.
Таблица 6.1 Протокол измерений.
№ №
п. п.
Время замера,
, с
Объем фильтрации,
V, м3
Удельная производительность,
q, м3/м2
1
2
3
4
…
…
n
/>
Рис. 6.2.6.5 Контрольные вопросы
1. Что такое процесс фильтрования?
2. Что является движущей силой процесса фильтрования?
3. Скорость фильтрования?
4. От чего зависит скорость фильтрования?
5. Сопротивление фильтровальной перегородки и сопротивление осадка.
6. Виды фильтровальных перегородок.
Лабораторная работа № 7
7. Изучение работы лабораторных бегунов
Цель работы: изучение работы лабораторных бегунов.
7.1 Теоретическая часть
Исходным сырьем в химико-технологических процессах во многихслучаях служит твердое тело минерального или растительного происхождения. Частоприходится его измельчать. Процесс измельчения характеризуется степенью измельчения,которая определяется по формуле:
/> (7.1)
где: d1 — средний размеркуска материала до измельчения, м;
d2 — средний размеркуска материала после измельчения, м.
В зависимости от степени измельчения различают:
крупное измельчение
среднее измельчение,
мелкое измельчение,
тонкое измельчение,
коллоидное измельчение,
Среди измельчающих машин среднего и мелкого измельчения широкоприменяются бегуны. Они имеют два цилиндрических жернова (катка) из чугуна и чашу.Жернова совершают сложное движение.
При вращении вертикального вала 3 катки 2 бегунов вращаются вокругсобственных осей. При этом точки, которые находятся на середине ширины катков, проходятпуть качения, тогда как все остальные точки, находящиеся на поверхности катков,проходят путь не только качения, но и скольжения.
В соответствии с этим можно заметить, что мощность двигателябегунов расходуется на преодоление сил трения, качения катков, трения в отдельныхчастях механизма бегунов. Необходимую мощность для преодоления сопротивления трениякачения катка можно выразить формулой:
/>/> (7.2)
где: G — вес катка, кг;
wK — средняя скоростькачения катка, м/с;
fK — коэффициент трениякачения;
R — радиус катка, м;
i — количество катков.
Подставляя в формулу (7.2) значения окружности и скорости
/> (7.3)
получим:
/> (7.4)
где: n — число оборотов вертикальноговала, n = 32 об/мин.;
rCP — средний радиускачения катков, м;
r1= 160 мм, rВ = 96 мм, rСР= 128 мм,
b — ширина катка, м; b = 64 мм.
Мощность, необходимая для преодоления трения скольжения катковопределяется по формуле:
/> (7.5)
где: fCK — коэффициентскольжения, fCK =0,3 ¸ 0,4.
Потребляемая мощность двигателя:
/> (7.6)
где: h — к. п.д. установки, учитывающий потери на трение в подшипниках и передачах, ориентировочноравный 0,3 ¸ 0,5.
С учетом расхода мощности на преодоление пускового момента исил трения скребков из-под чаши получим:
/> (7.7)
В момент захвата куска в точке А (см. рисунок 7.3) возникаетсила нормального давления, действующая на материал по углом a. Этот угол между касательной осью к точкеА и горизонтальной осью х называется углом захвата.
Одна из составляющих нормального движения стремится отброситьматериал от катка под влиянием нормального давления Р в точке А.
По касательной действует сила трения, равная PS, направленная под прямым углом к силе нормального давления.Сила трения Pf раскладываетсяна составляющие. Одна составляющая сила U стремится втянуть кусок под каток бегунов. Для измельчения необходимоусловие, когда
/>
Угол захвата можно определить по формуле:
/> (7.8)
где: f — коэффициент трения, f = 0,3 ¸ 0,5.
Зная угол захвата, можно найти соотношение между диаметром каткабегунов и диаметром куска дробленного материала. Для этой цели воспользоваться следующейзависимостью:
/> (7.9)
где: D — диаметр катка, м; D = 238 мм;
d — диаметр куска материала, м.
7.2 Описание установки. Методика проведения работы
В качестве измельченного материала рекомендуется использоватькирпичный бой, известняк, сланец, фосфорит и другие твердые материалы. Предварительноматериал должен быть раздроблен на лабораторной щековой дробилке до размеров кускаd = 5 ¸ 15 мм. Затем берут навеску весом 1,5 ¸ 3,0 кг на технических весах. Постепенно загружают ею работающие бегуны. Через 10 — 15 мин. после началапроцесса измельчения следует взять пробу материала, подвергаемого измельчению. Дляэтого бегуны останавливают и из 5 — 6 разных мест берут усредненные пробы. Из усредненнойпробы отсеивают навеску весом 50 — 100 г для определения тонкости помола. Эта навеска просеивается через сито с размером ячеек 500 мкм. Остаток на сите взвешиваюти выражают по формуле:
/>
где: G — остаток на сите или степеньпомола, %;
К — остаток, кг;
m — навеска, кг.
7.3 Обработка опытных данных
Отбор проб через указанный промежуток времени и определения степенипомола продолжают до достижения полного прохождения материала через бегуны.
Полученные результаты заносят в таблицу 7.1.
Таблица 7.1 Протокол наблюдений.№№ Измельчаемый материал
размер кусков,
d, м
навеска,
m, кг
время,
t, мин.
остаток на сите,
К, кг
степень помола,
G, % 1 2 3 4 5 6 7
По данным таблицы 7.1 строят диаграмму помола G = f(t).
Далее определяют:
1. Мощность по формулам (7.2), (7.4), (7.5), (7.6), (7.7).
2. Угол захвата по формуле (7.8).
3. Соотношение диаметров по формуле (7.9).
7.5 Контрольные вопросы
1. Что такое степень измельчения?
2. Какие бывают виды измельчения?
3. Что собой представляют бегуны?
4. Как определяется мощность?
5. Каким образом определяется угол захвата?
Список литературы
1. Процессы и аппараты химической технологии. Явления переноса, макрокинетика,подобие, моделирование, проектирование: В 5т. Т.1. Основы теории процессов химическойтехнологии / Д.А. Баранов, А.В. Вязьмин, А.А. Тухман и др.; Под. ред. А.М. Кутепова.- М.: Логос. 2000. — 480с.: ил.
2. Процессы и аппараты химической технологии. Явления переноса, макрокинетика,подобие, моделирование, проектирование: В 5т. Т.2. Механические и гидромеханическиепроцессы / Д.А. Баранов, В.Н. Блиничев, А.В. Вязьмин и др.; Под. ред. А.М. Кутепова.- М.: Логос. 2001. — 600с.: ил.
3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии.9-ое изд.,М.: Химия. — 1973-750с.
4. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимическойтехнологии. Изд.2. М.: Химия, 1972.
5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессови аппаратов химической технологии. М.: Химия, 1967-567с.
6. Основные процессы и аппараты химической технологии. (Пособие по проектированию).Под ред. Ю.И. Дытнеркого. М.: Химия. — 1991 — 496с.
7. Руководство к практическим занятиям в лаборатории процессов и аппаратов химическойтехнологии. Под рук. Романкова П. Г.5-е изд. Л.: 1979-256с.
8. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. М.: Недра, 1980- 415с.
9. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. Учебник для вузов:В 2-х книгах / Под ред. проф. В.Т. Айнштейна М.: Химия, 2000 — 1760с.