Гидромеханические процессы химической и пищевой технологии (стр. 2 из 4)
V – объемный расход газа, м3/с.
Для колпачковых тарелок гидравлическое сопротивление рассчитывают как сумму трех составляющих:
Δ Pт = Δ Pсух. + Δ Pσ + Δ Pс.т. (2)
где Δ Pсух =
– сопротивление сухой тарелки, Па;Δ Pσ =
– сопротивление связанное с преодолением силповерхностного натяжения жидкости, Па;
Δ Pст =
– сопротивление, оказываемое слоемжидкости на тарелке, Па.
Здесь: ρж – плотность жидкости, кг/м3;
ρг – плотность газа, кг/м3;
– коэффициент сопротивления колпачковой тарелки ( ≈ 5);σ – поверхностное натяжение 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 сечения прорезей колпачка определяется как отношения их суммарной площади на тарелке к площади поперечного сечения колонны S, кг/м3;
К – отношение плотности пены к плотности чистой жидкости
(К ≈ 0,5);
l –расстояние от верхнего края 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 слива жидкости, м.
С увеличением скорости газа растет гидравлическое сопротивление тарелок, и при некоторых значениях W расходы энергии могут оказаться слишком большими. Однако чаще предельное значение скорости газа в тарельчатых колоннах определяется величиной брызгоуноса, который определяется как отношение количества жидкости, уносимого одним килограммом газа с нижележащей на вышележащую тарелку. Величину брызгоуноса е (кг жидкости/кг газа) для колпачковых тарелок можно определить по формуле:
е = (11,5 · 10-6/σ) · (W/НС)3,2 (3)
где НС – высота сепарационного пространства, представляющая собой расстояние от верхней кромки пены до вышележащей тарелки, м.
Допустимая величина брызгоуноса составляет 0,1 кг/кг. Если значение больше 0,1, то необходимо уменьшить скорость газа в колонне.
Максимальный расход жидкости в колонне определяется сечением переливного устройства, обеспечивающего переток жидкости с вышележащей тарелки на нижележащую. При этом допустимая скорость жидкости в переливном устройстве можно рассчитать как
, м/с (4)Сопротивление орошаемой насадочной колонны можно рассчитать исходя из величины гидравлического сопротивления сухой насадки
Δ Pн = Δ Pсух. · [1+8,4(L/G)0,4(ρг/ρж) 0,23 ] (5)
Сопротивление сухой 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 эти величины зависят от вида насадки и берутся из справочных таблиц [2].
Коэффициент сопротивления λ зависит от числа Рейнольдса для газа
Reг
При Reг < 40 λг = 140/Reг
При Reг > 40 λг = 16/Reг0,2
В зависимости от скорости газа возникают различные режимы работы насадочной колонны: пленочный, подвисания, захлебывания, эмульгирования.
При достижении определенной скорости газа, называемой «точкой инверсии фаз» происходит резкое изменение в характере гидродинамической обстановки. В этот момент насадка полностью заполняется жидкостью, а газ начинает барботировать через нее в виде пузырьков и струек. Дальнейшее увеличение скорости может привести к захлебыванию колонны, при котором нарушается противоток газа и жидкости и жидкость выбрасывается из верхней части колонны. Очевидно, что рабочая скорость должна быть меньше, чем скорость захлебывания Wз, которую можно найти из уравнения:
(7)Коэффициент А = 0,022 для процессов абсорбции, при которых жидкость взаимодействует с газами А = - 0,125 для систем пар – жидкость.
Описание установки
Установка состоит из двух прозрачных колонн с внутренним диаметром 200мм и высотой 1380мм. Колонны изготовлены из царг, которые посредством резиновых трубок соединены с U-образным дифманометром.
Воздух подается в нижнюю часть колонны, а вода поступает в верхнюю.
Для определения расходов воздуха и воды имеются ротаметры, снабженные калибровочными графиками.
Тарельчатая колонна имеет 4 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 0,013м и шириной в основании также 0,015м. Число прорезей по периметру равно 19. Расстояние от нижней кромки колпачка до тарелки 0,01м. Диаметр сливного патрубка составляет 0,021м, высота его над тарелкой 0,045м.
Насадочная колонна имеет слой насадки из колец Рашига. Высоту слоев насадки необходимо измерить в опытах.
Порядок выполнения работы
Для исследования влияния скорости газа на сопротивление сухой тарелки (насадки) необходимо измерить их сопротивление при трех различных расходах газа. Затем при этих расходах газа измерить сопротивление орошаемой тарелки (насадки). Расход жидкости на орошение в этом случае остается неизменным.
Далее исследуется влияние плотности орошения на сопротивление тарелки (насадки).
Для этого при постоянной скорости газа измеряют гидравлическое сопротивление орошаемой тарелки (насадки) при трех плотностях орошения.
Измеренные данные сводят в таблицу 1.
Таблица 1 - 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.
Обработка результатов измерения и содержание отчета
Измеренные величины позволяют рассчитать скорость газа в колонне и плотность орошения. А это, в свою очередь, совместно со сведениями о геометрических характеристиках колонн и физико-химических свойствах газа и жидкости позволяет рассчитать гидравлические сопротивления тарелок и насадок по формулам (2 - 6). Сравнение опытных и рассчитанных величин сводится в таблицу 2.
Таблица 2 - Сравнение опытных и рассчитанных величин
| №п/п | Скорость газаW, м/с | Плотность орошенияU, м3/м2с | Сопротивление, Па | (Для тарелок) | |||
| Сухой тарелки (насадки) | Орошаемойтарелки (насадки) | e, кг/кг | |||||
| опыт | расчет | опыт | расчет | ||||
Кроме того, для насадочной колонны при одной из плотностей орошения необходимо рассчитать скорость захлебывания по (7) и сравнить ее с действительной скоростью в колонне.
Отчет должен содержать схему установки, эскиз тарелки с указанием размеров и направления движения газа и жидкости, таблицы измеренных и рассчитанных величин.
ИЗУЧЕНИЕ ГИДРАВЛИКИ ВЗВЕШЕННОГО СЛОЯ
Цель работы: Экспериментально определить скорости начала псевдоожижения и уноса частиц при стесненных условиях в потоке воздуха и сопоставить их с рассчитанными значениями. Проследить условия перехода зернистого слоя из неподвижного состояния во взвешенное и в режим пневмотранспорта.
Основные определения и теория процесса
Если через неподвижный слой зернистого материала на решетке пропускать газ, постепенно увеличивая его расход, то при некоторой скорости газа, называемой скоростью псевдоожижения Wпо, слой переходит из неподвижного во взвешенное состояние. В таком слое твердые частицы интенсивно движутся и слой напоминает кипящую жидкость. Как и жидкость, он может течь, обладает вязкостью.
С увеличением скорости слой становится более рыхлым, т.е. увеличивается его порозность ε, представляющая собой долю объема, занятого ожижающим агентом
(1)где Vсл – общий объем слоя, м3;
Vч – объем твердых частиц, м3.
Для неподвижного слоя частиц ε ≈ 0,4; для псевдоожиженного - 0,4 < ε < 1,0; для пневмотранспорта ε ≈ 1,0.
Многие процессы, например сушка, протекают гораздо быстрее в псевдоожиженных слоях по сравнению с неподвижными.
При достижении второй критической скорости, называемой скоростью уноса, частицы приобретают однонаправленное движение и уносятся потоком газа из аппарата. На практике это используют для пневмотранспорта сыпучего материала.
Скорость псевдоожижения определяется из равенства гидравлического сопротивления слоя весу частиц, приходящихся на единицу площади сечения аппарата
Δ P = G/S (2)
Значения порозности слоя ε, скорости газа W и диаметра частиц d находятся из зависимости Ly = f(Ar, ε) [1]..
Критерий Лященко и Архимеда определяются по формулам: