microbik.ru
1


Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Саратовский государственный технический университет
Исследование гидродинамических закономерностей кипящего слоя

Методические указания

к выполнению лабораторной работы

по курсам «Процессы и аппараты пищевых производств»

и «Процессы и аппараты химических производств»

для студентов специальностей 260601, 240801,

240302, 240502 и направления 240100

дневной и заочной форм обучения


Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета


Саратов 2006

Цель работы: получить экспериментальные зависимости гидравличе­ского сопротивления и высоты зернистого слоя от фиктивной скорости газа; определить опытным и аналитическим путём значения скорости псевдоожижения и скорости уноса частиц; рассчитать гидравлическое сопротивление и высоту зернистого слоя; сравнить результаты эксперимента и расчёта.
Основные понятия

В пищевом, химическом и ряде других производств широко распро­странены процессы, взаимодействия газов (реже - капельных жидкостей) с мелкозернистыми твёрдыми частицами. Эти процессы осу­ществляются в аппаратах с так называемым «кипящим» (взвешенным, псевдоожиженным) слоем. Аппараты с кипящим слоем используются для про­ведения обжига, теплообмена, сушки, адсорбции, каталитических и других процессов. При этом гидравлическое сопротивление кипящего слоя отно­сительно невелико, а уменьшение размеров его частиц приводит к увели­чению поверхности их контакта, в результате чего скорость протекания указанных процессов значительно возрастает.

Формы и размеры зернистых слоев весьма разнообразны: небольшие гранулы, таблетки, кусочки катализаторов, адсорбентов и т.п. В зависимо­сти от того, одинаковы или различны по размеру частицы данного слоя, зернистые слои называются монодисперсными или полидисперсными.

Зернистый слой характеризуется размером его частиц, их удельной поверхностью и долей свободного объёма.

Удельная поверхность частиц а, м23, представляет собой поверх­ность твёрдых частиц слоя в единице его объёма.

Доля свободного объёма или порозность слоя ε представляет собой объёмную долю газа (жидкости) в слое:

ε = . (1)

Для неподвижного слоя шаровых частиц одинакового диаметра ве­личина ε независимо от диаметра частиц.

На рис. 1 показаны три возможных состояния слоя твёрдых частиц в зависимости от скорости восходящего газового потока.



Рис.1. Движение газа (жидкости) через зернистый слой:

а) неподвижный слой; б) кипящий слой; в) унос частиц слоя потоком газа

При относительно небольших скоростях газа зернистый слой остаёт­ся неподвижным (рис.1а), и характеристики слоя (α, ε и др.) не меняются с изменением скорости потока. При некоторой скорости газа, называемой критической, слой перестаёт быть неподвижным, его порозность и высота начинают увеличиваться, слой приобретает текучесть и во многом напо­минает кипящую жидкость. Такое состояние зернистого слоя называется кипящим или псевдоожиженным ("псевдо" - как бы, наподобие). В таком слое твёрдые частицы интенсивно перемещаются в различных направле­ниях (рис.1б), причём весь слой в целом имеет ясно выраженную по­верхность раздела с газовым потоком. При дальнейшем увеличении скоро­сти потока порозность слоя и его высота будут возрастать до того момента, пока скорость не достигнет другого критического значения, при котором слой разрушается и частицы слоя начинают уноситься потоком (рис.1в). Явление массового уноса твёрдых частиц потоком газа называется пневмотранспортом и используется в различных отраслях промышленности для перемещения сыпучих материалов.

Типичные графики изменения перепада давления (гидравлического сопротивления) в зернистом слое и его высоты в зависимости от фиктив­ной скорости газа представлены на рис. 2.


Рис. 2. Зависимости от фиктивной скорости газового потока:

а) гидравлического сопротивления зернистого слоя; б) его высоты

Фиктивная скорость газа wф — это скорость, отнесённая ко всему поперечному сечению аппарата, то есть

wф=, (2)

где Q - объёмный расход газа, м3/с;

F - площадь поперечного сечения аппарата, м2.

Действительная скорость газа w в промежутках между частицами слоя всегда будет больше фиктивной. Величину действительной скорости газа непосредственно измерить трудно. Зависимость между величинами w и wф выражается соотношением:

w=, (3)

из которого при известных значениях wф и ε можно определить величину действительной скорости газа.

Скорость, при которой нарушается неподвижность слоя и он начинает переходить в псевдоожиженное состояние, называется скоростью псевдоожижения wn.

Переход твёрдых частиц неподвижного слоя во взвешенное состоя­ние начинается при условии равенства силы Р динамического воздействия на частицу потока газа весу этой частицы G за вычетом подъёмной (архимедовой) силы А, то есть при условии:

P=G-A. (4)
Для шаровой частицы

P= ; (5)

G=; (6)

A=, (7)

где — безразмерный коэффициент сопротивления среды;

d— диаметр частицы, м;

ρm, ρc- плотности твёрдых частиц и среды соответственно, кг/м3;

g — ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2.

Из уравнений (6), (7) находим:

G-A=. (8)

Если движущаяся среда - газ, то величиной ρc в уравнении (8) можно пренебречь (ρm >>ρc). Уравнение (4) примет вид:

P=G. (9)

Для того чтобы все частицы слоя перешли во взвешенное состояние, давлению газа необходимо преодолеть вес частиц, приходящихся на единицу площади F поперечного сечения аппарата. Отсюда

. (10)

Из уравнения (10) следует, что для взвешенного слоя величина поте­ри давления постоянна, то есть не зависит от скорости газа (рис.2а). Это постоянство величины объясняется тем, что при возрастании фиктив­ной скорости газа происходит одновременное увеличение объёма взве­шенного слоя и расстояния между частицами. Вследствие этого действи­тельная скорость газа, определяющая гидравлическое сопротивление слоя, также остаётся неизменной. Высота взвешенного слоя с увеличением фиктивной скорости газа непрерывно возрастает (рис.2б).

Рис. 2 показывает, что условие = const выполняется для всей об­ласти существования кипящего слоя вплоть до момента, когда величина wф достигает значения, при котором слой разрушается и начинается унос твёрдых частиц потоком. Эту скорость, предельную для взвешенного слоя, называют скоростью уноса wy или скоростью свободного витания частиц. Последнее название обусловлено тем, что при массовом уносе порозность слоя ε стремится к 1 (Vсл >>Vm) и движение отдельных частиц можно считать независящим от воздействия других частиц слоя. При этом каждая отдельная частица свободно витает: не осаждается и не уносится потоком, то есть её вес G уравновешивается силой Р динамического воздействия среды. Исхо­дя из этого условия, может быть найдено значение wy. Малейшее превыше­ние скорости wф над величиной wy приводит к уносу частиц.

Из сказанного следует, что условие витания частицы в восходящем потоке идентично условию её равномерного осаждения в неподвижной среде. Поэтому значение wy можно определить так же, как и значение скорости осаждения.

Таким образом, взвешенный слой шаровых частиц одинакового диа­метра может существовать в пределах от ε = 0,4 (при wф = wn) до ε = 1 (при wф= wy). С некоторым приближением эти пределы можно принять и для округлых частиц, а также частиц, имеющих форму многогранника.

Следует отметить, что резкий переход от неподвижного к псевдоожиженному состоянию характерен лишь для зернистых слоев с частицами одина­ковой дисперсности. Для полидисперсных слоев существует не скорость псевдоожижения, а область скоростей псевдоожижения, в которой начинается и завершается переход от неподвижного к полностью псевдоожиженному слою.

Отношение рабочей скорости wф, величина которой всегда находит­ся в пределах между значениями wn и wy, к скорости начала псевдоожиже­ния называется числом псевдоожижения

Kw= (11)

Число псевдоожижения характеризует интенсивность перемешива­ния твёрдых частиц и состояние кипящего слоя. Опыт показал, что во мно­гих случаях интенсивное перемешивание достигается уже при значениях Kw=2. Оптимальное значение величины Kw для каждого конкретного технологического процесса обычно устанавливается опытным путём и может изме­няться в довольно широких пределах.

Характеристики кипящих слоев ε, Н неодинаковы при псевдоожиже­нии их с помощью газа или капельной жидкости. Полностью однородное псевдоожижение твёрдых частиц возможно лишь в потоке капельной жид­кости, причём постепенное увеличение расхода жидкости приводит к со­ответствующему возрастанию высоты слоя без заметных колебаний его верхней границы. При этом расстояние между частицами также увеличи­вается постепенно, а жидкость движется между ними сплошным потоком.

Для системы газ - твёрдая фаза, наиболее часто используемой на практике, псевдоожижение, как правило, является неоднородным, то есть часть газа движется через слой не сплошным потоком, а в виде пузырей, ко­торые разрушаются, достигнув верхней границы слоя, что вызывает колеба­ния его высоты. Пока значение числа Kw не велико, неоднородность слоя не оказывает отрицательного воздействия на его характеристики, а движущие­ся пузыри, наоборот, интенсифицируют перемешивание частиц в слое.

При значительном увеличении скорости газа неоднородность слоя воз­растает, так как через него все чаще прорываются более крупные пузыри и на­чинается интенсивное выбрасывание твёрдых частиц над поверхностью слоя. Пузыри газа могут увеличиваться в объёме столь значительно, что, наконец, их размер достигает диаметра аппарата (рис.3). При этом псевдоожиженный слой разделяется на отдельные части газовыми "пробками". Часть слоя, находящаяся над "пробкой", подбрасывается вверх, что приводит к большому выбросу твёр­дых частиц. Такой режим работы называют поршневым псевдоожижением.



Рис. 3. Неоднородное псевдоожижение в системе газ - твёрдая фаза
Его возникновению способствуют, кроме возрастания скорости газа, увеличение размера частиц и уменьшение диаметра аппарата. Поршневой режим нежелателен, так как при нём ухудшается равномерность контакта между газом и твёрдыми частицами.

При псевдоожижении некоторых материалов однородность слоя нару­шается вследствие каналообразования, когда происходит проскок (байпасирование) значительного количества газа (жидкости) через один или несколько каналов, образующихся в слое. Особенно часто каналообразование наблюда­ется при использовании материалов с очень мелкими или слипающимися час­тицами, склонными к агломерации. Предельным случаем каналообразования является фонтанирование, при котором поток газа прорывается сквозь слой по одному большому каналу, возникающему вблизи оси аппарата.

При расчёте гидравлического сопротивления зернистых слоев используют зависимость, аналогичную по виду уравнению для определения потери давления на трение в трубопроводах:

, (12)

где, - общий коэффициент сопротивления (отражает влияние сопротивле­ния трения и дополнительных местных сопротивлений, возникающих при движении среды по искривлённым каналам в слое и обте­кании ею отдельных твёрдых частиц); для всех режимов течения применимо уравнение:

λ = 133/Re+2.34; (13)

L - длина каналов в слое, принимают равной высоте слоя Н, м;

dэ - эквивалентный диаметр, соответствующий суммарному попереч­

ному сечению каналов в слое, dэ = 4ε / a, м.

a , (14)

где, dэш - диаметр эквивалентного шара, имеющего тот же объём, что и

частица, м;

Ф - фактор формы твёрдой частицы слоя.

Ф = , (15)

Fш - поверхность шара, имеющего тот же объём, что и рассматривае­

мая частица поверхностью F.

Критерий Рейнольдса в уравнении (13) определяется по формуле

Re = , (16)

или, подставляя значение величины a из (14),

Re = , (16a)

где безразмерный комплекс Reф есть модифицированный критерий Рейнольдса, выраженный через фиктивную скорость среды и размер частиц слоя:

Reф = ; (17)

где, - динамический коэффициент вязкости среды, Па∙с.

При подстановке указанных значений величин , L, dэ, a, w и Re в уравнение (12) окончательно будем иметь, Па:

. (18)

Приравнивая правые части уравнений (18) и (10) и подставляя в (10) значение величины , проводя сокращения и математические преобразования, получим выражение критического значе­ния величины Reфn, при которой начинается псевдоожижение
Reфn=, (19)
где Ar - критерий Архимеда

Ar = . (20)

Зная величину Reфn из уравнения (17) определяют фиктивную ско­рость псевдоожижения wn.

Высота кипящего слоя Нn и первоначальная высота неподвижного слоя Hн связаны зависимостью:

Hn∙(1-εn) = HH∙(1-εH). (21)

Расчет скорости уноса проводят аналогично расчету скорости свободного осаждения частиц по уравнению, пригодному для всех режимов:

Reфу = . (22)

По величине Reфу из уравнения (17) находят фиктивную скорость уноса wу.

Существует и несколько иной подход к теоретическому определению величины скоростей wn и wy. При этом уравнение (10) методами теории подобия преобразуют в критериальную зависимость:

Ly = f(Ar,ε), (23)

графическое изображение которой представлено на рис. 4.


Рис.4. Зависимость критерия Лященко от критерия Архимеда и порозности слоя для шаровых частиц



Величина критерия Лященко определяется по формуле:

Ly =. (24)
Если движущая среда – газ, то и выражения для критериев Лященко и Архимеда упрощаются:

(24,а)

. (25)
Средний эквивалентный диаметр частиц неправильной формы, м,

(26)

где, М – средняя масса частицы, кг.

Для значения критерия Ar, найденного из уравнения (25), по рис.4 определяют критерий Ly для значений и , по величине которого рассчитывают теоретическое значение скоростей псевдоожижения и уноса.
Схема и описание экспериментальной установки
Установка (рис.5) состоит из экспериментального аппарата 1 и двухступенчатого вентилятора 2. В аппарате находится слой твердых частиц – капроновая крошка().


Рис.5. Схема экспериментальной установки:

1 – экспериментальный аппарат; 2 – вентилятор; 3 – мерная диафрагма;

4 – регулятор расхода воздуха; 5, 6 – наклонные микроманометры;

7 – выключатель

Воздух вентилятором 2 подаётся под нижнюю опорную сетку, на которой находится зернистый материал. Скорость воздуха в аппарате определяется с помощью тарировочного графика (рис. 6) в зависимости от перепада давления на мерной диафрагме 3, который измеряется микроманометром 6. Изменение скорости воздуха в аппарате осуществляется с помощью регулятора расхода 4 путём изменения числа оборотов рабочего колеса вентилятора.

Измерение гидравлического сопротивления слоя зернистого материала осуществляется наклонным микроманометром 5.

Для предупреждения выброса твёрдых частиц из аппарата перед мерной диафрагмой установлена верхняя защитная сетка.



Порядок проведения работы

Приступить к выполнению данной лабораторной работы можно лишь с разрешения преподавателя после тщательного изучения настоящих указаний и уяснения целей и методики проведения работы.

Рекомендуется следующая последовательность работы:

1. Установить ручку регулятора расхода воздуха в крайнее положение, вращая против часовой стрелки.

2. Установить выключатель 7 в положение «Включено»

3. Плавно вращая ручку регулятора расхода воздуха по часовой стрелке, установить 10 - 12 значений расхода воздуха, начиная с неподвижного слоя и заканчивая уносом, когда первые частицы начнут «прилипать» к верхней защитной сетке. При этом постарайтесь уловить и зафиксировать момент начала увеличения объёма слоя и начало движения частиц в слое.

4. Для каждого значения расхода воздуха с помощью микроманометров 5 и 6 измеряются гидравлическое сопротивление слоя зернистого материала и перепад давления на мерной диафрагме, а с помощью линейки измеряется высота слоя зернистого материала.

Гидравлическое сопротивление слоя зернистого материала определяется по формуле:

(27)

где, - длина столба жидкости в наклонной трубке микроманометра, мм;

- угол наклона трубки микроманометра к горизонту.

5. Для каждого значения расхода воздуха по показаниям микроманометра 6 с помощью тарировочного графика (рис. 6) определяется скорость воздуха в аппарате.

6. Установить ручку регулятора расхода воздуха 4 в крайнее положение, вращая её по часовой стрелки. Выключатель 7 установить в положение «Выключено».

7. Полученные экспериментальные данные занести в табл. 1.

Таблица 1

Перепад давления на диафрагме, , мм вод.ст.

Скорость воздуха , м/с

Перепад давления в слое , мм вод. ст.

Гидравлическое сопротивление слоя , мм вод. ст.

Высота слоя Н, мм
















8. По данным табл. 1 построить графики зависимостей = и = , из которых найти экспериментальные значения скорости псевдоожижения wn и скорости уноса wy частиц слоя.

9. Определить по (26) средний эквивалентный диаметр твёрдых частиц слоя, если масса 100 их штук составляет 3,4348 г.

10. Определить для условий эксперимента величину критерия Архимеда Ar по (25). Значения и находят по справочным данным в зависимости от температуры.

11. По найденной величине Ar определить критические значения величин по (19) и по(22).

12. Зная величины и , найти теоретическое значение фиктивных скоростей псевдоожижения и уноса (17).

13. Определить теоретические значения скоростей псевдоожижения и уноса несколько иным путем.

Для этого по найденному значению Ar из рис.4 найти величины критерия Лященко для значений и . По известным величинам критерия Ly рассчитать значение скоростей и (24а).

14. Для значения фиктивной скорости (по заданию преподавателя) определить теоретическое значение высоты кипящего слоя твёрдых частиц. Для этого:

а) определить по заданному значению скорости величину Ly;

б) зная величины Ly и Ar по рис. 4, найти теоретическое значение порозности кипящего слоя;

в) рассчитать теоретическое значение высоты кипящего слоя по (21) по найденной величине и известным и .

15. Определить теоретическое значение гидравлического сопротивления псевдоожиженного слоя (18) по заданному в п.14 значению и соответствующим ему значениям величин и ; величину фактора формы принять равной Ф=0,8.

16. Сравнить экспериментальные и теоретические данные, записав их в табл. 2.

Оценить расхождение результатов по формуле:

(28)

сделать выводы.

Таблица 2

, м/с

, м/с

, м



Эксп.

(17)

(24,а)

Эксп.

(17)

(24,а)

Эксп.

(21)

Эксп.

(18)









































17. Оформить отчёт о работе. В отчёте должны быть представлены:

цель работы; схема установки; графики; использованные расчётные формулы; подробные расчёты и выводы.

Контрольные вопросы

1. В каких процессах применяются аппараты с кипящим слоем, и каковы их преимущества?

2.Какими могут быть форма и размер частиц зернистых слоёв?

3.Какие зернистые слои называются монодисперсными и полидисперсными?

4.Каковы основные характеристики зернистого слоя? Дайте их определение.

5.В каких пределах изменяется порозность взвешенного слоя?

6.Назовите три возможных состояния слоя твёрдых частиц и охарактеризуйте каждое из них.

7.Что называется фиктивной и действительной скоростью газа? Каково соотношение между ними?

8.Что называется скоростью псевдоожижения и скоростью уноса? От чего зависят величины этих скоростей?

9.Что такое рабочая скорость газа и число псевдоожижения? Что оно характеризует и в каких пределах изменяется?

10.Какие силы действуют на частицы зернистого слоя при прохождении через него восходящего потока газа?

11.При каком соотношении действующих сил твёрдые частицы переходят во взвешенное состояние?

12.Какой характер имеет зависимость высоты зернистого слоя от расхода газа? Объясните полученную зависимость.

13.Какой характер имеет зависимость порозности зернистого слоя от расхода газа? Изобразите эту зависимость графически.

14. Почему с увеличением фиктивной скорости газа гидравлическое сопротивление неподвижного слоя растёт, а взвешенного — остаётся постоянным?

15. Почему скорость псевдоожижения практически не зависит от высоты слоя?

16. Как будет изменяться порозвость взвешенного слоя с увеличением размера твёрдых частиц при постоянном расходе газа?

17. Как определить гидравлическое сопротивление взвешенного слоя, зная вес всех частиц неподвижного слоя?

18. Что называется областью скоростей псевдоожижения? Для каких зернистых слоёв она характерна?

19. Охарактеризуйте процесс однородного псевдоожижения. Для каких систем он возможен?

20. Дайте характеристику процессов неоднородного псевдоожижения. Что такое поршневое псевдоожижение, каналообразование, фонтанирование? Назовите их недостатки.

21. Укажите пути теоретического определения величин скоростей псевдоожижения и уноса частиц зернистого слоя.

22. Изложите (по схеме установки) методику проведения экспериментальной части работы.

Литератуа:

  1. Стабников В.Н. Процессы и аппараты пищевых производств/ В.Н. Стабников, В.И. Лысянский, В.Д. Попов. М.:Агропромиздат, 1985.503 с.

  2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии/ А.Г. Касаткин. 6-е изд. М.: Госхимиздат, 1975. 756 с.

  3. Лабораторный практикум по курсу «Процессы и аппараты пищевых производств»/ под ред. С.М.Гребенюка: Учебное посгобие.-М.: Легкая и пищевая пром-ть, 1981. 152 с.

  4. Руководство к практическим занятиям в лаборатории процессов и аппаратов химической технологии/ Под ред. П.Г. Романкова,

4-е изд., Л.;Агропромиздат, 1975. 255 с.

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ

ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ КИПЯЩЕГО СЛОЯ

Методические указания

к выполнению лабораторной работы

Составили: Сергеев Александр Дмитриевич

Суркова Антонина Николаевна

Рецензент В.Т. Забрудский

Редактор О.А. Луконина

Лицензия ИД № 06268 от 14.11.01
Подписано в печать Формат 60х84 1/16

Бум. тип. Усл. печ. л. Уч.-изд. л.

Тираж экз. Заказ Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77

Отпечатано в РИЦ СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77