книги / Процессы и аппараты химической технологии. Ч. 1

Частота пульсации соответствует частоте образования пузырей, составляющей обычно от 1 до 10 пузырей в секунду.

При проектировании аппарата важно знать основные гидродинамические характеристики псевдоожижения, к которым относятся степень расширения слоя R, значения критических скоростей Wкр1 и Wкр2, а также перепад давления в слое Рсл.

Степень расширения псевдоожиженного слоя определяется следующим выражением:

где H – высота псевдоожиженного слоя; H0 – высота неподвижного слоя; – порозность псевдоожиженного слоя; 0 – порозность неподвижного слоя.

Порозность представляет собой объемную долю пустот в слое твердых частиц:

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

Величина 0 зависит от формы частиц, гранулометрического состава и других факторов. Для частиц округлой формы, близкой

кшарообразной, порозность неподвижного слоя 0 близка к 0,4.

Впределах возрастания скоростей газового потока от Wкр1 до Wкр2 псевдоожиженный слой расширяется и порозность его увеличивается. При скорости газа Wкр2, предельной для псевдоожижен-

ного слоя, Vсл Vч и = 1. Таким образом, псевдоожиженный слой может существовать в пределах значений порозности от 0,4 при Wкр1 до 1 при Wкр2.

12

Порозность монодисперсного слоя сферических частиц может быть определена по следующему уравнению:

где Re – критерий Рейнольдса, Re Wdч ; Reкр1 – критерий Рей-

нольдса, соответствующий первой критической скорости,

Reкр1 Wкр1dч ,

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

Уравнение (2.5) для неоднородного псевдоожиженного слоя при n = 0,1 справедливо в интервале значений числа псевдоожи-

жения KW ≈ 1,5…10.

Расчет критерия Рейнольдса, соответствующего критическим скоростям псевдоожижения, осуществляется по уравнению:

где Ar – критерий Архимеда,

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

Решение уравнения (2.6) при = 0,4 и =1 позволяет получить значения соответственно Reкр1 и Reкр2, необходимые для определения критических скоростей (м/с):

13

Для практических расчетов гидродинамических характеристик псевдоожижения используют также диаграмму Ly = f(Ar, ) при = 0,4…1,0 (смотрите на рабочем месте), где Ly – критерий Лященко,

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

Для расчета критических скоростей псевдоожижения по диаграмме задаются соответствующими значениями порозности ( = 0,4 и = 1) и, зная критерий Архимеда, находят критические значения критерия Лященко Lyкр1 и Lyкр2. Далее определяют первую и вторую критические скорости (м/с):

Wкр1 3 Lyкр1 ч g ; Wкр2 3 Lyкр2 ч g . (2.9)

Перепад давления в слое Рсл (Н/м2), определяющий выбор побудителя тяги для подачи ожижающего агента, определяется по уравнению:

Если ожижающим агентом является газ, то ρ << ρч. Тогда

Уравнение (2.11) выражает известный закон гидростатики (давление в любой точке слоя жидкости равно произведению ее удельного веса на высоту слоя), что также свидетельствует об определенной аналогии между псевдоожиженным материалом и капельной жидкостью.

14

На практике вследствие отклонений от идеального псевдоожижения значение Рсл нередко бывает несколько ниже (на 10–15 %) рассчитанного по уравнениям (2.10) и (2.11).

Описание установки

Внешний вид установки показан на рис. 2.3, а ее схема на рис. 2.4.

Рис. 2.3

15

1.Определяют высоту неподвижного слоя по шкале.

2.Включают в работу пылесос при минимальных значениях напряжения. При этом регулятор напряжения 7 должен быть повернут в крайнее левое положение.

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

4.При каждом из заданных показаний микроманометра 2 замеряют сопротивление зернистого слоя по дифманометру 6 и высоту слоя по миллиметровой шкале 5.

5.Все измеренные величины заносят в табл. 2.1.

ммл/ч дифманометпсевдоожи-

Обработка результатов опытов

1. По градуировочному графику микроманометра с учетом тангенса угла наклона измерительной трубки (коэффициента K) определяют расходы воздуха Vг, соответствующие экспериментальным точкам.

Градуировочный график находится на рабочем месте. В качестве жидкости в микроманометре используется спирт плотностью

0,78 г/см3.

17

2. Для всех экспериментальных точек рассчитывают фиктивную скорость воздуха:

где W – фиктивная скорость воздуха, м/с; Vг – часовой объемный расход воздуха, м3/ч; S – площадь поперечного сечения аппарата, м2.

атакже сопротивление псевдоожиженного слоя Рслоп.

4.В рабочем интервале существования псевдоожиженного

слоя по уравнению (2.2) определяют опытные значения степени расширения слоя Rоп, а по уравнению (2.1) – значения числа псевдоожижения KW.

5.Определяют критерий Архимеда по формуле (2.7), принимая плотность воздуха ρ = 1,29 кг/м3 и его кинематическую вязкость ν = 1,5·10–5 м2/с (значения среднего диаметра и плотности частиц зернистого материала смотрите на рабочем месте).

6.По уравнению (2.6) рассчитывают значения критерия Рей-

нольдса, соответствующие началу псевдоожижения ( 0 = 0,4) и началу уноса ( = 1), по уравнению (2.8) вычисляют первую и вторую критические скорости Wкртеор1 и Wкртеор2 . Расчетное значение Wкртеор1

сравнивают с опытным Wкроп1 .

7.По диаграмме Ly = f(Ar, ) находят значения Lyкр1 и Lyкр2

ивычисляют значения Wкртеор1 и Wкртеор2 по уравнениям (2.9). По-

лученный результат сравнивают с результатом расчета по пункту 6. 8. Рассчитывают сопротивление псевдоожиженного слоя Рслтеор

по уравнению (2.11). Полученное значение сравнивают сопытным. 9. Для 4–5 экспериментальных значений скорости воздуха (в ра-

бочем интервале существования псевдоожиженного слоя) рассчитывают значения критерия Рейнольдса, определяют порозность слоя по уравнению (2.5) при n = 0,1 и расчетные значения степени расширенияRтеор поуравнению (2.3), используя полученные значения .

18

10. Для этих же 4–5 значений скорости воздуха определяют значения критерия Лященко и, зная критерий Архимеда, по диаграмме Ly = f(Ar, ) находят значения порозности слоя . Используя эти значения, по уравнению (2.3) определяют расчетные значения степени расширения слоя Rтеор. Полученный результат сравнивают с результатом расчета по пункту 9 и с опытным значением степени расширения Rоп.

11. Расчетные данные заносят в табл. 2.2.

Таблица 2 . 2

Отчет включает в себя цели работы, схему установки, расчеты определяемых величин, график зависимости Рсл = f(W), табл. 2.1 и 2.2, анализ полученных результатов.

Контрольные вопросы

1.Порядок выполнения работы.

2.Движение газа в слое твердых частиц.

3.Кривые идеального и реального псевдоожижения монодисперсного слоя.

4.Порозность слоя твердых частиц, сопротивление слоя.

5.Критическая скорость, скорость витания, число псевдоожижения.

6.Критерии Архимеда, Лященко и их физический смысл. Расчет скорости псевдоожижения и диаметра частиц.

7.Достоинства, недостатки и применение аппаратов с псевдоожиженным слоем.

8.Конструкция пылеуловителей. Подбор циклонов.

19

Лабораторная работа № 3 ГИДРОДИНАМИКА НАСАДОЧНОЙ КОЛОННЫ

Цели работы:

–практическое ознакомление с гидродинамическими явлениями при работе насадочной колонны;

–экспериментальное определение сопротивления сухой

иорошаемой насадки;

–расчет некоторых гидродинамических параметров, характеризующих работу колонны.

Сведения из теории

Насадочные колонны получили широкое распространение в процессах химической технологии. Они представляют собой аппарат, в котором на опорную решетку, имеющую отверстия для прохода газа и стока жидкости, укладывается насадка – твердые тела различной формы.

В ряде процессов (адсорбция, ионный обмен, гетерогенный катализ) через слой насадки движутся однофазные потоки. Используемые для этой цели насадки представляют собой, как правило, кусковые твердые материалы.

Более широкое распространение получили насадочные колонны для проведения процессов массообмена, контактного теплообмена, мокрого пылеулавливания. В этих процессах имеет место двухфазное противоточное течение газа (пара) и жидкости через насадку, служащую для увеличения поверхности контакта фаз и турбулизации газожидкостных потоков. В качестве насадки используются кольца, седла, спирали, куски и др.

Насадка независимо от ее формы и вида характеризуется линейнымиразмерами, удельной поверхностью αи свободным объемом ε.

Наиболее типичной насадкой являются так называемые кольца Рашига, представляющие собой полые цилиндры, высота которых равна наружному диаметру. Обычно встречаются кольца Рашига

20