Изучение гидравлики псевдоожиженного слоя

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Химический факультет

Отчет по лабораторной работе

«Изучение гидравлики псевдоожиженного слоя»

Выполнили студенты

4 курса, 441 группы Золотарёв Павел Проверила Журавлева И.И.

Самара 2012

Введение

Гидравлика — наука о законах движения (гидродинамика) капельных жидкостей и газов и равновесия жидкостей (гидростатика) и способах приложения этих законов к решению задач инженерной практики.

Сущностью процесса псевдоожижения является переход неподвижного слоя твёрдых частиц во взвешенное состояние при определенном режиме пропускания жидкости (упругой или капельной) через него. При достижении некоторой критической величины скорости, когда слой уже перестаёт быть неподвижным, его порозность и высота начинают увеличиваться, слой приобретает текучесть и переходит в «кипящее» (взвешенное) состояние. Твёрдые частицы интенсивно перемешиваются в потоке газа (жидкости) и перемещаются в различных направлениях, весь слой как бы напоминает кипящую жидкость, ограниченную ясно выраженной верхней границей раздела с потоком, прошедшим слой. Аппараты с псевдоожиженным слоем используются для перемещения и смешивания сыпучих материалов, для проведения процессов обжига, теплообмена, сушки, адсорбции, каталитических и других процессов [1, c.106? 107].

Рис. 1. Неподвижный слой Рис. 2. Взвешенный слой

Цель работы:

1. Экспериментально изучить зависимость гидравлического сопротивления слоя (?pcл) от фиктивной скорости газа (що).

2. Определить критические скорости газа: скорость псевдоожижения (щпс) и скорость свободного витания (щсв).

3. Определить эквивалентный диаметр частиц монодисперсного слоя (dэ).

1. Основное оборудование и реактивы

а) лабораторная установка (см. рис. 1 стр. 2)

б) барометр анероид БАММ-1

Цена деления шкалы: p = 0,1· 103 Па; ?p = ± 0,05· 103 Па

в) технические весы марки SCL-150

Цена деления шкалы: m = 5*10−3 г;? m = ± 2,5· 10−3г = ±2,5· 10−6 кг

г) термометр (0? 100єС): Цена деления шкалы: t = 1єС;?t = ± 0,5єС

д) дифманометры (водяные):

Цена деления шкалы: p = 1 мм. вод. ст; ?p = ± 1 мм. вод. ст.

е) расходомеры (H2SO4 конц.):

Цена деления шкалы: V = 0,1 л/мин = 1,667•10−6 м3/c; ?V = ± 1,667•10−6м3/c

ж) цилиндры (2 шт.): V = 25 мл;

Цена деления шкалы: V = 0,5 см³;?V = ± 0,25 см³ = ±0,25· 10−6м3

з) воздуходувка

и) колонка с активированным углем

к) ацетон

В стеклянной колонке (6), внутренним диаметром 37.0±1.0 мм, на металлической сетке находится монодисперсный слой твёрдых частиц активированного угля цилиндрической формы. Воздух, подаваемый воздуходувкой (1), проходит через два расходомера (5, 5А), соединенных параллельно и подаётся в нижнюю часть колонки. Вентиль (3) служит для выпуска воздуха в атмосферу и для регулировки расхода воздуха, подаваемого в колонку. Падение давления воздуха в колонке измеряют дифманометром (4А). Изменение давления в колонке, фиксируемое по дифманометру (4А), представляет собой суммарное сопротивление сетки и собственно слоя. Поскольку сопротивление сетки мало по сравнению с сопротивлением слоя, то падение давления, которое показывает дифманометр (4А), с достаточной степенью точности может быть приравнено к гидравлическому сопротивлению слоя. Температуру, относительное давление воздуха и гидравлическое сопротивление слоя частиц угля, определяют по показаниям термометра (2), дифманометра (4) и дифманометра (4А), соответственно.

Рис. 1. Лабораторная установка гидравлики псевдоожиженного слоя

2. Ход работы

1. Изучили экспериментальную установку.

2. Полностью открыли вентиль 3, связывающий воздуходувку с атмосферой, после этого закрыли вентили 7 и включили воздуходувку 1. Установили начальный расход воздуха в системе 0 л/мин.

3. При данном расходе измерили гидравлическое сопротивление и высоту слоя (h0), давление и температуру воздуха. Увеличивая расход воздуха на 2 л/мин (до наиболее возможного), сняли все выше перечисленные показатели.

4. Определили насыпную плотность слоя (снас). Для определения плотности частиц (счаст) взвесили определенное количество частиц угля; поместив их в мерный цилиндр, измерили объем насыпного слоя. Строго определенное количество ацетона поместили в мерный цилиндр с частицами угля и после полного заполнения пустот ацетоном, измерили суммарный объем (V?) и объем вытесненной жидкости.

5. Результаты, полученные в ходе работы, справочные данные и рассчитанные величины были сведены в таблицы 1 и 2. На основании полученных данных были построены графические зависимости вида h = f (lg (що)) иlg (?pсл)= f (lg (що)).

6. Рассчитали эквивалентный диаметр частиц слоя (dэ) и скорость свободного витания (щсв) через критические значения критериев Лященко (Lyкр) и Архимеда (Arкр).

7. Провели статистическую обработку полученных результатов.

8. Выводы.

9.

Список литературы

.

3. Определение основных характеристик воздуха

1. Абсолютное давление воздуха находим по формуле II, 9 (стр. 25):

pабс. = pатм + pотн, (1)

где pатм = 1,036 · 105 Па;

pотн = pизб;

1 мм. вод. ст. = 9,81 Па (поз. 3 стр. 13).

2. Плотность воздуха при давлении р и температуре Трассчитываем по формуле 1.5 (поз. 2, стр. 13):

(2)

где — плотность воздуха при н.у.,

= 1,293 кг/м3(табл.V, стр. 513);

То = 273 К; Т = (273 + t), К;

pо = 1,013 · 105 Па;p = pабс.

3.Вязкость воздуха при давлении р и температуре Т определяем по формуле 1.13 (поз.7,стр.15):

(3)

где с — постоянная Сатерленда, с = 124;

м — динамический коэффициент вязкости; мо = 17,3 · 10−6 Па · с [табл. V, стр. 513].

4.Фиктивную скорость воздухарассчитываем по уравнению объемного расхода (формула 1.17, поз. 10, стр.16):

V = що · f, откудащо =, (4)

где f — площадь поперечного сечения потока, м2; f = 0,785 · d2вн;

dвн — диаметр колонки, м; dвн = 37 · 10−3 м.

Таблица 1

Характеристики воздуха

4. Определение характеристик слоя твердых частиц активированного угля

а) Насыпную плотность частиц рассчитали по формуле:

нас=, (5)

где mчаст — масса частиц активированного угля; mчаст = 5 г,

Vсл — объем насыпного слоя, занимаемый частицами; Vсл = 9,5 мл,

тогда нас= =526,3 кг/м3

б) Плотность частицопределяли по формуле:

част =, (6)

где Vчаст = V?? Vац;

VУсуммарный объем, занимаемый частицами и ацетоном;

VУ = 18 мл; Vац = 15 мл,

тогда част = = 1666,7 кг/м3

в)Порозностьнеподвижного слоя частицеоопределяли по формуле3.44а (поз.29,cтр.104):

ео = (7)

ео =

г) Порозность взвешенного слоя частиц е выражали из формулы 3.52 (поз. 32, стр. 106):

е =, (8)

где ео — порозность неподвижного слоя,

hо? высота неподвижного слоя, м; hо = 0,042 м,

h? высота взвешенного слоя.

Таблица 2

Характеристики слоя твёрдых частиц

На основании полученных данных (табл. 1,2) построены графические зависимости вида h = f (lg (що)) и? pсл = f (lg (що)).Анализируя кривые, которые представлены на рис. 2 (а, б), определили скорость воздуха, необходимую для начала образования взвешенного слоя частиц активированного угля (щпс).

щпс = 0,2482 м/с,

тогда плотность и динамический коэффициент вязкости воздуха при щпс и соответствующей ей температуре (t = 32°С) будут составлять:

свозд = 1,210 кг/м3;

µвозд. = 18,905· 10−6 Па· с

а

б

Рис. 2. Зависимости высоты зернистого слояа и его гидравлического сопротивлениябот скорости потока воздуха

5. Расчет эквивалентного диаметра частиц слоя (dэ) и скорости свободного витания (щсв)

Для нахожденияdэчастиц слоя активированного угля провели следующую цепочку расчетов:

Lyпс> Ar> dэ

1)Рассчитываемкритическое значение критерия Лященко (Lyпс) по упрощенной формуле 3.5а (поз. 3, стр. 94), так как средой является воздух:

где щпс — скорость псевдоожижения;

свозд — плотность воздуха при псевдоожижении;

мвозд — динамический коэффициент вязкости при скорости псевдоожижения

2) Определяем критическое значение критерия Архимеда (Ar) по графику зависимости вида Ly=f (Ar) при порозности неподвижного слоя ео = 0,684 (рис. 3.8, поз.35 стр. 108) и Lyпс=0,07

Ar =500

3) Рассчитываем эквивалентный диаметр частиц слоя по упрощенной формуле для Ar (ф. 3.3 поз. 3 стр. 93), так как средой является воздух:

откуда

м

4) Рассчитываемскорость свободного витания (щсв), при которой разрушается взвешенный слой частиц и начинается массовый унос частиц потоком воздуха, по упрощенной формуле для Lyсв (ф. 3.4а, поз. 3, стр. 93), так как средой является воздух:

Плотность воздуха при свободном витании (свозд) оцениваем при tсв, которую определяем графическим методом по зависимости видае=f (t)путём экстраполяции на е=1.

Анализируя полученную зависимость, находим, чтосвободное витание должно происходить приtсв=800С.

Применив формулу 1.13(поз.7, стр.15), находим вязкость воздуха при tсв.

= 21,170· 10−6Па·с

м=21,170· 10−6Па·с

Рис. 3. Зависимость е взвешенного слоя от температуры потока воздуха

Плотность воздуха при tсвнаходим по зависимости видас=f (t), путём экстраполяции на t=800С. (рис.4)свозд= 1,015 кг/м3при температуре свободного витания.

Lyсв? критическое значение критерия Лященконаходим порис. 3.8 (стр. 108)

при =1 и Ar=500;

Lyсв = 6

Рис. 4. Зависимость плотности от температуры потока воздуха.

м/с

6. Статистическая обработка результатов Расчет систематических погрешностей

1.Насыпная плотность слоя частиц

lnнас = lnmчаст — lnVсл

нас

нас

нас = наснас = 526,3 0,0268 = 14,113 кг/м3

нас = 526,3 14,113 кг/м3.

2. Плотность частиц

lnчаст = lnmчаст — ln (V — Vац)

част

част =

част = частчаст = 1666,7 0,1505 = 250,83 кг/м3

част = 1666,7 250,83 кг/м3.

Все последующие расчеты проводили при скорости псевдоожижения (щпс).

3.Абсолютное давление воздуха

pабс = ратм + ротн,

ln (рабс) = ln (ратм + ротн)

рабс =

рабс =

рабс = рабсрабс =1,5 974 · 5,643· 10−4= 59,801 Па

рабс = 1,5 974· 10 559,801 Па.

4. Плотность воздуха

возд =

возд =

возд = воздвозд = 1,21 0,2 111 = 2,55· 10−3 кг/м3

возд = 1,21 2,55· 10−3кг/м3.

5. Динамический коэффициент вязкости воздуха

=

=

= = 18,905 10−6 0,0036 = 0,068 10−6 Пас

= (18,905 0,068) 10−6 Па.

6. Фиктивная скорость воздуха

що =

lnщо = lnV? ln (0,785 dвн2)

що =

що =

що = щощо = 0,2482= 1,553?10−3

що = 0,24 821,553?10−3м/с

7. Порозность неподвижного слоя

lnо = ln (част? нас) — ln (част)

о = оо =0,358 0,684=0,244

о = 0,6840,244

8. Порозность взвешенного слоя твердых частиц

==

lnе = ln (h — hо + hоео) — ln (h)

= = 0,0188 0,740 = 0,0139

= 0,740 0,0139

9. Критерий Lyпс

Lyпс = LyпсLyпс = 0,07 0,177 = 0,0124

Lyпс = 0,070,0124

10. Эквивалентный диаметр частиц угля

dэ = dэdэ = 2,0810−4 0,0865 = 1,8· 10−5м,

dэ = (20,8 1,8)10−5м

11. Скорость свободного витания

щсв = щсвщсв=1,2630,0855= 0,108м/с

щсв =1,2630,108м/с

газ скорость гидравлика псевдоожижение

9. Выводы

Изучили зависимость гидравлического сопротивления (?pсл) слоя от фиктивной скорости воздуха (що).

Определили критическую скорость воздуха, необходимую для образования взвешенного слоя частиц — скорость псевдоожижения (щпс), рассчитали вторую критическую скорость воздуха (щсв), при которой Архимедова сила уравновешивается силой тяжести частиц слоя, через Lyсв и Arкр.

Определили эквивалентный диаметр частиц зернистого слоя (dэ).

10. Список литературы

1. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., «Альянс», 2004 г. — 752 с.

2. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. М.: ООО «РусМедиаКонсалт», 2004 г. — 576 с.