Перегонка и ректификация - очень энергоёмкие процессы, требующие больших расходов, особенно греющего пара и охлаждающего агента (воды, воздуха). Так, например, в нефтепереработке 50% потребляемой энергии расходуется только на первичную фракционную перегонку сырой нефти. Поэтому для достижения высоких технико-экономических показателей этих процессов очень важное значение имеют выбор оптимальных режимов работы и реализация энергосберегающих мероприятий, базирующиеся на глубоком знании теоретических основ и практического опыта работы перегонных и ректификационных установок.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Закрепить теоретические знания по основам массопередачи и перегонке жидкостей.

2. Практически ознакомиться с процессом ректификации бинарных жидких смесей (на примере смеси этиловый спирт - вода), устройством и работой ректификационной установки.

3. По результатам лабораторного эксперимента определить достигнутую в контактных условиях разделительную способность (эффективность) ректификационной колонны различными методами, рассчитав с этой целью:

-коэффициент эффективности б;

-число теоретических тарелок nт и кпд колонны з;

-число единиц переноса mox.

4. Определить коэффициент избытка флегмы в, достигаемый в данном эксперименте, оптимальное флегмовое число Ropt. и сравнить его с рабочим флегмовым числом R.

5. Определить расход греющего пара Gгп на ректификацию и расход воды в дефлегматоре Gв..

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ (рис.1)

Ректификационная установка состоит из ректификационной колонны диаметром 150 мм и высотой 3 м, технологических теплообменников, ёмкостей, насосов, необходимой запорной и регулирующей арматуры, приборов и средств контроля и измерения технологических параметров процесса.

Исходная смесь этилового спирта с водой (концентрация примерно 15, % масс.), приготовленная в ёмкости 14, насосом 15 подаётся в напорную ёмкость 13, откуда самотёком через электроподогреватель 10, нагретая до температуры кипения tк, подаётся на 5-ю тарелку (считая снизу) ректификационной колонны 1. Внутреннее устройство колонны схематически изображено на рис.2. В результате многократного тепломассообмена на тарелках осуществляется разделение смеси (подробно об этом см. [2, с. 482-494,3, с. 113-126]). Из верха колонны пары, обогащенные низкокипящим компонентом (НКК), в данном случае этиловым спиртом, поступают в конденсатор 16. Охлаждающим агентом служит водопроводная вода, подводимая в межтрубное пространство теплообменника. Конденсат собирается в ёмкость 17, откуда часть его погружным насосом (на рис.1 не показан) подается в напорную ёмкость 19 как флегма. Подача флегмы из ёмкости 19 в колонну 1 осуществляется самотёком.

Кубовая жидкость из куба 3 колонны поступает в кипятильник 4, обогреваемый насыщенным водяным паром. Образовавшиеся в кипятильнике пары кубовой жидкости поступают в колонну под 1-ю тарелку. Слив кубового остатка производится снизу кубового кипятильника 4 при открытом вентиле 22. Отбор проб кубового остатка - через пробоотборник при открытом вентиле 23.



Рис. 1. Схема ректификационной установки:

1 - ректификационная колонна; 2 - контактные устройства (тарелки, схему - см. рис. 2); 3 - куб колонны; 4 - кубовый кипятильник; 5 - указатель уровня; 6,8 - манометры; 7, 9, 12, 18, 20, 21, 22, 23 - вентили; 10 - электрический нагреватель (теплообменник); 11 - ротаметр; 13 - напорная ёмкость для исходной смеси питания колонны; 14 - ёмкость для приготовления смеси питания; 15 - насос; 16 - конденсатор верхних паров; 17 - ёмкость для сбора дистиллята (конденсата верхних паров); 19 - напорная ёмкость для флегмы.

tF, tW, tR, tp , tн, tк - температуры смеси питания, кубовой жидкости, флегмы,поступающих в колонну; верхних паров и воды на входе и на выходе из конденсатора, соответственно;

Vp , VR , VF - определяемые непосредственными замерами расходы верхних паров, флегмы, исходной смеси соответственно.



Рис. 2. Принципиальная схема контактных устройств тарелок:

1 - корпус колонны; 2 - опорная решетка; 3 - слой насадки (керамические кольца Рашига 15х15х2) ---- ------- паровой поток; ---------- жидкостный поток.

Расстояние между тарелками (между опорными решетками) 200 мм.

Регулирование расходов греющего пара, исходной смеси, дистиллята, флегмы и воды производится вентилями 9, 12, 18, 20, 21 соответственно. Вентиль 7 служит для сообщения колонны с атмосферой в случае необходимости быстрого сброса давления в ней. Давление греющего пара и давление в колонне измеряются манометрами 8 и 6 соответственно. Измерение расхода исходной смеси осуществляется по ротаметру 11. Тарировочный график помещён на приборном щите установки. Ёмкости 13 и 14 имеют указатели уровней (на рис. 1 не показаны). Ёмкость 19 (стеклянная) имеет на наружной поверхности метки для измерения объёма (цена одного деления - 1 л).

Всё оборудование размещено на трёх уровнях, что требует особенной аккуратности в выполнении работ и строгого соблюдения техники безопасности.

На приборном щите установки размещены приборы для определения напряжения и силы тока в электроподогревателе исходной смеси 10, потенциометр для измерения температур, выключатель электроподогревателя 10 и пускатель насоса 15. Кнопки пускателя погружного насоса для подачи флегмы размещены непосредственно у ёмкости 17 на верхней площадке установки.

ПОРЯДОК РАБОТЫ

Перед лабораторными занятиями необходимо внимательно изучить теорию данного вопроса по соответствующему разделу в лекционных конспектах и в учебнике [2, с. 471-477, 482-493, 3, с. 99-108, 113-126], проработать данное методическое указание, разобраться в принципиальной схеме лабораторной установки и в порядке выполнения работы.

В лаборатории ознакомиться подробно с экспериментальной установкой и после получения допуска приступить к работе.

Открыть вентиль 21, подав тем самым охлаждающую воду в конденсатор 16. Если в кубовом кипятильнике нет жидкости (справиться об этом у учебного мастера или определить совместно с ним), залить через систему подачи исходной смеси (порядок заливки см. ниже) около 8-10 л воды и, открыв вентиль 9, подать греющий пар (давление по манометру 0,5 ат). Вентиль 18 на линии конденсата верхних паров открыть!

Одновременно под руководством учебного мастера (лаборанта) приготовить в ёмкости 14 исходную смесь этилового спирта и воды с концентрацией около 15% (масс). Закрыть вентиль 12, включить насос 15 и перекачать исходную смесь из ёмкости 14 в напорную ёмкость 13.

Разогрев колонны считается законченным при появлении конденсата на выходе из конденсатора 16. После этого можно начинать соответственно процесс ректификации, для чего, открыв вентиль 12, установить некоторый минимальный расход исходной смеси и одновременно включить электронагрев теплообменника 10. По достижении температуры исходной смеси на входе в колонну, равной примерно температуре кипения смеси данного состава при атмосферном давлении (определить предварительно по справочнику), вентилем 12 установить рабочий расход исходной смеси (рекомендуется 15-20 делений по шкале ротаметра 11).

Давление греющего пара в этот период с помощью вентиля 9 установить примерно равным 0,2 атм (по манометру).

Накопив достаточное количество дистиллята в ёмкости 17 (при низком уровне жидкости погружной насос не перекачивает её), включить погружной насос и перекачать жидкость в напорную ёмкость 19 для флегмы. Открыв вентиль 20, подать флегму в ректификационную колонну.

После этого следует периодически отбирать пробы дистиллята в мерный цилиндр, засекая время начала и конца отбора (для определения расхода верхних паров Gp и дистиллята GD), регистрировать одновременно температуры и давления в перечисленных выше точках. В отобранных пробах с помощью ареометра определить плотность и по таблице, помещенной на приборном щите, установить концентрацию НКК в пробах (% мас.).

Следить за уровнем флегмы в напорной ёмкости 19, периодически подкачивая жидкость из ёмкости 17. Расход флегмы определить несколько раз за время работы, измеряя изменение объёма (цена деления на стенке ёмкости равна 1 л) и соответствующее ему время.

В протокол испытаний внести следующие экспериментальные данные:

nF - число делений ротаметра на линии подачи исходной смеси;

VF - объемный расход исходной смеси (по тарировочному графику), л/мин;

сF, сW, сP=сR=сD - плотности исходной смеси, кубового остатка, конденсата верхних паров, флегмы и дистиллята соответственно, г/см3;

xF, xW, xD - концентрации исходной смеси, кубового остатка и дистиллята (по графику с - x), % (мас.);

tF, tP, tR, tW - температуры исходной смеси, верхних паров, флегмы и кубового остатка соответственно, 0С;

ДVP - изменение объёма в ёмкости 17 конденсата верхних паров (л) за время ДфP (C);

ДVR - изменение объема (в емкости 19) флегмы (л) за время ДфR (C);

Pг.п - давление греющего пара, кгс/см2;

tн, tк - начальная и конечная температуры воды в конденсаторе верхних паров, 0С.

Работа заканчивается по требованию преподавателя (учебного мастера, лаборанта) или по израсходовании всей исходной смеси. В этом случае закрыть вентиль 12, выключить электронагреватель теплообменника 10, закрыть вентиль 9, прекратив подачу греющего в кипятильник 4. Вентили 18 и 21 не закрывать до полного охлаждения ректификационной колонны!

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

1. Определить коэффициент обогащения б как отношение концентрации низкокипящего компонента (НКК) в дистилляте к концентрации его в исходной смеси xF, то есть

б = xD / xF.

2. Определить кпд ректификационной колонны з :

з = nт / nд.

Здесь nд - действительное количество контактных устройств (тарелок) в колонне, равное 12 шт.

Число теоретических тарелок (ступеней изменения концентрации) определить графически, построив в координатах X-Y линию равновесия между паром и жидкостью в системе этиловый спирт-вода и линии рабочих концентраций верхней и нижней частей колонны при рабочем флегмовом числе R:

R = GR / GD.

Здесь GD - производительность колонны по дистилляту, кг/с;

GR - количество флегмы, подаваемой на верхнюю тарелку колонны, кг/с;

GP - количество верхнего продукта, выходящего из дефлегматора, кг/с.

Данные по фазовому равновесию в системе этиловый спирт-вода приведены в данном методическом указании (см. таблицу). Методика построения линий рабочих концентраций и определения числа теоретических тарелок (ступеней) изложена в [2, с. 429, 448, 3, с. 118-122].

Концентрацию НКК в кубовом остатке xw найти из материального баланса ректификационной колонны [2, с. 487; 3, с.118].

3. Определить число единиц переноса mox как наиболее универсальную оценку эффективности массообменного аппарата методом графического интегрирования выражения

mox = ? dx / x - x*,

где xD, xw, x - соответственно концентрация НКК в дистилляте, в кубовом остатке и в любом сечении колонны (% мол.); x* - равновесное значение концентрации (% мол.).

Используя графическое изображение процесса ректификации, разделить интервал xw - xD по оси абсцисс на некоторое число отрезков (обязательно включить x = xF ) и для каждого из полученных значений x найти его равновесное значение как абсциссу точки на линии равновесия с ординатой y. Число единиц переноса численно (с учётом масштаба) равно площади под кривой в координатах x - 1/x - x* (x от xw до xD).

4. Графически [2, с. 489; 3, с.122] определить минимальное флегмовое число R min , используя изображение действительного процесса ректификации в координатах X-Y.

5. Определить коэффициент избытка флегмы в и сравнить его с рекомендуемыми значениями, например, в [2, с. 491; 3, с.122].

в = R / Rmin.

6. Графически определить оптимальное флегмовое число из условия минимизации рабочего объёма колонны. С этой целью в координатах X-Y (можно непосредственно на графике) построить линии рабочих концентраций ещё, самое малое, для двух случаев: при R1>R и R2<R. Определить для каждого из случаев число теоретических ступеней и построить график в координатах nт (R+1) - R, который должен иметь минимум, соответствующий оптимальному флегмовому числу Ropt. Если на графике, построенном по трём точкам, экстремальная точка не выявляется, продолжить построение и расчёт при других Ri>R или Ri<R, в зависимости от конкретных условий.

Полученное значение Ropt сравнить с рабочим значением флегмового числа R.

7. Составить тепловой баланс дефлегматора [2, с. 493; 3, с.123-125] и, задавшись температурой воды на входе в дефлегматор (может быть определена по показанию термометра на установке к лабораторной работе № 7), определить расход воды, затрачиваемой на полную конденсацию верхних паров (без охлаждения конденсата).

8. Составить тепловой баланс ректификационной установки в целом [2, с. 492; 3, с.123] и определить расход греющего пара. Тепловые потери и влажность пара принять равными 5%.

СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Отчет по лабораторной работе оформляется на листах формата А4 (297х210). Титульный лист должен соответствовать титульному листу методических указаний к работам с указанием кафедры, названия работы, её номера, фамилии, и.о. студента, группы, специальности и фамилии, и.о. преподавателя, принявшего работу.

В отчёте должны быть представлены:

-описание цели работы,

-схема лабораторной установки,

-описание работы установки,

-методика проведения работы,

-полученные экспериментальные данные,

-результаты обработки опытных данных,

-выводы.

Таблица

Состав кипящей водно-спиртовой жидкости, образующегося из неё пара и температура кипения этой жидкости при атмосферном давлении [4, с. 44-46]

Содержание спирта в жидкости	Температура кипения, оC	Содержание спирта в парах
% мас. % мол.		% мас.	% мол.
1	2	3	4 5
0,01 0,10 0,15 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00	0,04 0,004 0,055 0,08 0,12 0,16 0,19 0,23 0,27 0,31 0,35 0,39 0,79 1,19 1,61 2,01 2,43 2,86 3,29 3,73 4,16 4,61 5,07 5,51 5,98 6,46 6,86 7,41 7,95	99,9 99,8 99,7 99,6 99,5 99,4 99,3 99,2 99,1 99,0 98,9 98,75 97,65 96,65 95,8 94,95 94,15 93,35 92,6 91,9 91,3 90,8 90,5 89,7 89,2 89,0 88,3 87,9 87,7	0,13 1,3 1,95 2,6 3,8 4,9 6,1 7,1 8,1 9,0 9,9 10,75 19,7 27,2 33,3 37,0 41,1 44,6 47,6 50,0 52,2 54,1 55,8 57,4 58,8 60,0 61,1 62,2 63,2	0,053 0,51 0,77 1,03 1,57 1,98 2,48 2,90 3,33 3,725 4,12 4,51 8,76 12,75 16,34 18,68 21,45 23,96 26,21 28,12 29,92 31,56 33,06 34,51 35,83 36,98 38,06 39,16 40,18
19,00 20,00 21,00 22,00 23,00 24,00 25,00 26,00 27,00 28,00 29,00 30,00 31,00 32,00 33,00 34,00 35,00 36,00 37,00 38,00 39,00 40,00 41,00 42,00 43,00 44,00 45,00 46,00 47,00 48,00 49,00 50,00 51,00 52,00 53,00 54,00 55,00 56,00 57,00 58,00 59,00	8,41 8,92 9,42 9,93 10,48 11,00 11,53 12,08 12,64 13,19 13,77 14,35 14,95 15,55 16,15 16,77 17,41 18,03 18,68 19,34 20,00 20,68 21,38 22,07 22,79 23,51 24,25 25,00 25,75 26,53 27,32 28,12 28,93 29,80 30,61 31,47 32,34 33,24 34,16 35,09 36,02	87,4 87,0 86,7 86,4 86,2 85,96 85,7 85,4 85,2 85,0 84,8 84,7 84,5 84,3 84,2 83,85 83,75 83,7 83,5 83,4 83,3 83,1 82,95 82,78 82,65 82,5 82,45 82,35 82,3 82,15 82,0 81,9 81,8 81,7 81,6 81,5 81,4 81,3 81,25 81,2 81,1	64,3 65,0 65,8 66,6 67,3 68,0 68,6 69,3 69,8 70,3 70,8 71,3 71,7 72,1 72,5 72,9 73,2 73,5 73,8 74,0 74,3 74,6 74,8 75,1 75,4 75,6 75,9 76,1 76,3 76,5 76,8 77,0 77,3 77,5 77,7 78,0 78,2 78,5 78,7 79,0 79,2	41,27 42,09 42,94 43,82 44,61 45,41 46,08 46,90 47,49 48,08 48,68 49,30 49,77 50,27 50,78 51,27 51,67 52,04 52,43 52,68 53,09 53,46 53,76 54,12 54,54 54,80 55,22 55,48 55,74 56,03 56,44 56,71 57,12 57,41 57,70 58,11 58,39 58,78 59,10 59,55 59,84
60,00 61,00 62,00 63,00 64,00 65,00 66,00 67,00 68,00 69,00 70,00 71,00 72,00 73,00 74,00 75,00 76,00 77,00 78,00 79,00 80,00 81,00 82,00 83,00 84,00 85,00 86,00 87,00 88,00 89,00 90,00 91,00 92,00 93,00 94,00 95,00 95,57	36,98 37,97 38,95 40,00 41,02 42,09 43,17 44,24 45,41 46,55 47,72 48,92 50,16 51,39 52,68 54,00 55,34 56,71 58,11 59,55 61,02 62,52 64,05 65,64 67,27 68,92 70,85 72,36 74,15 75,99 77,88 79,82 81,82 83,87 85,97 88,15 89,41	81,0 80,95 80,85 80,75 80,65 80,6 80,5 80,45 80,4 80,3 80,2 80,1 80,0 79,95 79,85 79,75 79,72 79,7 79,65 79,55 79,5 79,4 79,3 79,2 79,1 78,95 78,85 78,75 78,65 78,6 78,5 78,4 78,3 78,27 78,2 78,18 78,15	79,5 79,7 80,00 80,3 80,5 80,8 81,0 81,3 81,6 81,9 82,1 82,4 82,8 83,1 83,4 83,8 84,1 84,5 84,9 85,4 85,8 86,3 86,7 87,2 87,7 88,3 88,9 89,5 90,1 90,7 91,3 92,0 92,65 93,4 94,2 95,05 95,57	60,29 60,58 61,02 61,44 61,75 62,22 62,52 62,99 63,43 63,91 64,21 64,70 65,34 65,81 66,28 66,93 67,42 68,07 68,76 69,59 70,29 71,14 71,86 72,71 73,61 74,69 75,81 76,93 78,00 79,26 80,42 81,83 83,15 84,70 86,4 88,25 89,41

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. До начала работы необходимо:

- убедиться в отсутствии явных повреждений лабораторной установки;

- проверить наличие сухого резинового коврика на полу перед приборным щитом установки и на верхней площадке;

- проверить наличие жидкости в кубе колонны;

- открыть вентиль на линии подачи воды в дефлегматор.

2. Во время работы:

- строго руководствоваться данными методическими указаниями;

- внимательно следить за величиной давления греющего пара в кубовом кипятильнике и за величиной давления в ректификационной колонне, не допуская их повышения сверх нормы;

- аккуратно производить отбор и замеры дистиллята и флегмы на верхней площадке лабораторной установки;

- внимательно и осторожно передвигаться по лестницам и площадкам лабораторной установки;

- не оставлять работающую установку без присмотра;

- о всех замеченных неполадках докладывать преподавателю или учебному мастеру.

3. По окончании работы:

- выключить электронагрев в теплообменнике исходной смеси;

- закрыть вентиль на линии подачи пара в кубовый кипятильник;

- закрыть вентиль на линии подачи исходной смеси в колонну;

- не закрывать вентиль на линии подачи воды в дефлегматор без указания преподавателя или учебного мастера;

- сдать установку дежурному учебному мастеру (лаборанту).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Какова цель предстоящей лабораторной работы?

2. Из каких элементов состоит лабораторная установка и каково назначение каждого из них?

3. Объяснить устройство и принцип действия ректификационной колонны.

4. Каков порядок выполнения работы?

5. Какие экспериментальные данные фиксируются при выполнении работы?

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ НА ЗАЩИТЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. В чём заключается принцип разделения жидких смесей ректификацией?

2. В чём отличие ректификации от простой перегонки?

3. Что такое дефлегмация и в чём её отличие от конденсации?

4. Что такое азеотропная смесь, азеотропная точка и можно ли разделить азеотропную смесь ректификацией?

5. Что такое флегмовое число, рабочее, минимальное, оптимальное?

Способы их определения.

6. Что такое движущая сила процесса ректификации и как её изобразить на диаграмме Y-X?

7. Материальный и тепловой балансы ректификационной установки в целом и отдельных её частей (уметь составить и использовать для решения практических задач).

8. Схемы простой перегонки и ректификации.

9. Колонные массообменные аппараты насадочные и тарельчатые, типы насадок и тарелок.

10. Вторичные тепловые потоки в ректификационной установке и пути их использования (проанализировать по схеме, дать обоснование).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Стабников В.Н. Расчёт и конструирование контактных устройств ректификационных и абсорбционных аппаратов. - Киев: Техника, 1970.

2. Касаткин К.Ф. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973.

3. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Ч.2. - М.: Химия, 1995.

4. Стабников В.Н. Перегонка и ректификация этилового спирта. - М.: Пищевая пром-сть, 1969.

Работа №13

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ФИЛЬТРУЮЩЕЙ ЦЕНТРИФУГИ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

В различных отраслях промышленности для разделения жидких неоднородных систем применяют метод центрифугирования. Он основан на воздействии центробежного силового поля на неоднородную систему, состоящую из двух или более фаз - суспензию (жидкость - твердое вещество), эмульсию (жидкость - жидкость).

Разделение в центрифугах может быть основано на принципе отстаивания или фильтрации. В первом случае центрифуги изготовляют с отстойным ротором, имеющим барабан со сплошными стенками (осадительные центрифуги), во втором - с перфированным ротором, на внутренней стенке которого уложена фильтровальная перегородка (фильтрующие центрифуги).

Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений по обе стороны фильтрующей перегородки. При центрифугировании давление внутри барабана создается центробежной силой, возникающей при вращении жидкости в барабане. Под действием этой силы осветленная жидкость-фильтрат проходит через фильтровальную перегородку, отверстия в роторе и собирается в кожухе, откуда самотоком выводится. Накопившийся внутри барабана на фильтровальной перегородке осадок выгружается. Процесс выгрузки в центрифугах периодического действия производят при неподвижном барабане.

Описание установки малой промышленной фильтрующей центрифуги периодического действия (рис. 1).

Краткая характеристика оборудования

Центрифуга - вертикальная, фильтрующая, с ручкой выгрузки осадка через борт ротора. Привод центрифуги - нижний.

Ротор центрифуги:

1. Внутренний диаметр ротора D = 400 мм.

2. Высота ротора L = 210 мм.

3. Внутренний диаметр бортового кольца ротора d0= 290 мм.

4. Геометрический объем ротора V = 20 л.

5. Рабочий объем ротора Щ = 10 л.

6. Вес ротора (вес вращающихся частей) Gд= 70 кгс.

7. Число оборотов ротора n = 3450 об/мин.

Рис. 1. Схема установки:

1 - фильтрующая центрифуга; 2 - сборник фильтрата; 3 - емкость для приготовления суспензии.

Материал ротора - сталь Х18Н10Т, толщина стенки д= 5 мм.

Диаметр отверстий ротора - 6 мм.

Кожух (корпус) центрифуги выполнен заодно со станиной из листовой нержавеющей стали. Сверху имеется откидная крышка, которая при работе центрифуги должна быть всегда закрыта.

Опора ротора и тормоз. Одним из основных узлов центрифуги является опора ротора, которая состоит из корпуса подшипников, прикрепленного к станине, и вертикального вала, на верхнюю коническую консоль которого устанавливают, закрепляя гайкой, ротор. На нижнем цилиндрическом конце вала смонтирован автоматический ленточный тормоз и шкив. Вал установлен на двух подшипниках: верхний роликоподшипник, нижний шарикоподшипник. Привод центрифуги состоит из синхронного электродвигателя, который закреплен на подмоторной плите (продолжение станины). На валу электродвигателя жестко закреплена пусковая центробежная муфта-шкив, предназначенная для плавного пуска электродвигателя и предохранения его от перегрузок.

Мощность двигателя - 2,8 кВт, число оборотов - 2890 об/мин, вес - 50 кГ, кпд = 81,5%.

Характеристика контрольно-измерительных приборов

1. Измерительный комплект К-50 для замера мощности.

2. Ареометр со шкалой 1…1,25 г/см3 для измерения плотности приготовленной суспензии.

3. Весы технические (РН-10Ц13м со шкалой 0,1-10 кг).

4. Влагомер ламповый.

5. Тахометр (счетчик числа оборотов ротора).

6. Секундомер.

7. Мерные сосуды (металлические) емкостью 1…2 литра.

Методика проведения работы

Определение производительности и потребляемой мощности при загрузке суспензии в неподвижный ротор.

Во время проведения опыта по секундомеру замерить продолжительность следующих операций:

1. Время загрузки центрифуги суспензией ф1 , мин.

2. Время пуска и разгона ротора до рабочего числа оборотов ф2 , мин.

3. Время работы центрифуги при постоянном числе оборотов ротора ф3, мин.

4. Время торможения ф4 , мин.

5. Время выгрузки осадка ф5 , мин.

В емкость 3 залить 10 литров воды и загрузить 2 кг сухого порошка мела. Тщательно перемешать суспензию вручную. Для определения удельного веса приготовленной суспензии взять пробу в объеме около 250 мл. Удельный вес суспензии определить ареометром со шкалой 1…1,2 г/см3. При отсутствии меловой суспензии работу проводить на суспензии, приготовленной из распущенного в воде асбеста. В этом случае удельный вес суспензии определить весовым способом.

При выключенном электродвигателе и откинутой крышке центрифугу загрузить суспензией, после этого крышку кожуха плотно закрыть.

Центрифуга готова к работе. Время, затраченное на загрузку центрифуги суспензией ( ф1 ), записать в таблицу опытных данных (табл. 1). Сразу же после заполнения ротора суспензией при закрытой крышке кожуха нажатием кнопки пускателя включить двигатель центрифуги и одновременно произвести замер времени пуска и разгона ротора до рабочего числа оборотов ( ф2 ).

По показанию прибора К-50 замерить мощность, затраченную на сообщение кинетической энергии вращающимся массам центрифуги

( N = N1 + N2 ).

При установившемся режиме работы центрифуги (о данном режиме работы можно судить по положению стрелки амперметра прибора К-50) снять показания потребляемой мощности (Nр) и (ф3).

Конец стадии фильтрации зафиксировать прекращением интенсивного отвода фильтрата из кожуха центрифуги.

После этого выключить двигатель и одновременно замерить по секундомеру время до полной остановки ротора (ф4). Убедившись в полной остановке ротора, открыть крышку кожуха и выгрузить влажный осадок из барабана в предварительно взвешенный противень. Время, затраченное на выгрузку осадка (ф5), занести в табл. 1.

Противень с влажным осадком взвесить с точностью до 0,01 кг. Отобрать из нескольких мест влажного осадка пробу в количестве 20…50 грамм и быстро взвесить с точностью до 0,01 г. Взвешенную пробу высушить до постоянного веса и определить влажность полученного осадка. Во время проведения опыта определить с помощью поплавкового уровнемера скорость отвода фильтрата и его общее количество (данные занести в табл. 2).

Таблица 1

Продолжительность операции и опыта, мин	Плотность суспензии сс, кг/м3	Вес влажного осадка G, кгс	Вес пробы	Объем фильтрата V, м3
			gвл.,г	gсух.г
ф1	ф2	ф3	ф4	ф5

Таблица 2

Время с началаопыта, с
Объем фильтратак данному моменту

Обработка опытных данных

1. Определение фактора разделения

Фактор разделения является важной характеристикой процесса центрифугирования. Им определяется, во сколько раз ускорение центробежного поля, развиваемое в центрифуге, больше ускорения силы тяжести:

Кр = щ2R/g = n2R/900,

где щ = рn/30 - угловая скорость барабана, с-1;

n - число оборотов барабана, об/мин;

R - внутренний радиус барабана, м;

g - ускорение силы тяжести, м/с2.

2. Расчет индекса производительности

Разделяющая способность центрифуг характеризуется индексом производительности ? , который является произведением площади осаждения на фактор разделения, т.е. ? = FКр. Индекс производительности фильтрующих центрифуг определяют по формуле:

? = ? n2/ 900 lnR/r0 ,

где ? = р(R2 - r0)L - полезный объем ротора, м3;

r0 - радиус борта ротора, м;

L - высота ротора, м.

3. Расчет давления фильтрования

Давление центробежной фильтрации (движущая сила процесса) можно определить по формуле

Рц = гж р2 n2/1800g(R2 - r20), н/м2,

где гж - удельный вес жидкости, кг/м3;

g - ускорение силы тяжести, м /с2;

n - об/мин.

Давление фильтрации для центрифуг периодического действия изменяется за время фильтрации от максимального значения в начале до минимального значения в конце. Рmax можно рассчитать по формуле

Рmax = Gc Kp/F104, кг/см2,

где Gc - количество переработанной за время опыта суспензии, кг;

Gc =Vс+Goc.

F - внутренняя поверхность барабана, м2;

где V - объем фильтрата, м3;

с - плотность фильтрата, кг/м3;

Gос - вес осадка, кг.

4. Определение мощности на валу центрифуги

Мощность электродвигателя центрифуг периодического действия выбирают по пусковой мощности.

Nп = N1+N2+N3+N4 , кВт,

где N1 - мощность, затрачиваемая на преодоление инерции ротора.

Вычисляют по формуле

N1=GдR2n2/1800•102•фп , кВт ,

где Gд - вес барабана, кгс;

фп=ф2 - длительность разгона ротора, с;

N2 - мощность, затрачиваемая на преодоление инерции массы загрузки. Определяют по формуле

N2=Gc(R2+r02)р2n2/900?4?102?9,81?фn , кВт,

где Gc - вес суспензии, загруженной в ротор, кг;

фn=ф2 - длительность разгона ротора, с;

N3 - мощность, расходуемая на трение шейки вала в подшипниках. Рассчитывают по формуле

N3=(Gд+Gc)рdв?n?f/30?102 , кВт,

где dв=0,05 м - диаметр шейки вала;

f=0,03 - коэффициент трения;

N4 - мощность, затрачиваемая на преодоление трения ротора о воздух.

N4=1,32?10-9?LD4?n3 , кВт,

где D - диаметр ротора (наружный), м;

L - высота ротора, м.

Мощность двигателя

Nдв. = N/з , кВт,

где з = 0,8…0,9 кпд привода центрифуги.

В рабочий период расход энергии значительно меньше и может быть оценен по формуле:

Nр = 1/4?N2+N3+2/3N4

Расчетные значения мощности по отдельным статьям расхода и опытные, снятые по показаниям прибора К-50, должны быть занесены в таблицу

Таблица 3

Статьи расхода мощности (расчетные), кВт	Фактический расход мощности (опытные данные), кВт
N1	N2	N3	N4	УN	Nn	Nр
4,5	0,93	17,5	0,5	220

5. Определение производительности центрифуги:

а) производительность центрифуги по количеству переработанной суспензии

Q = Gc? 60/Уф , л/ч

или

Q/ = Gc?сc? 60/Уф , кг/ч,

где Gc - количество переработанной за время опыта суспензии.

Gс = V?с+Gос , кг,

где V - объем собранного фильтрата, м3;

с - плотность собранного фильтрата, кг/м3;

б) производительность центрифуги по влажному осадку

Qвл = Gвл? 60/Уф , кг/ч,

где Gвл - вес влажного осадка, собранного в противне, кг;

в) производительность центрифуги по сухому осадку

Qсух = Gсух? 60/Уф , кг/ч,

Вес сухого осадка определяем по формуле

Gсух = Gвл(100 - щ)/100 , кг,

где щ = (qвл - qсух)100/qвл , % - влажность осадка;

г) производительность центрифуги по фильтрату

Vф = V?60/Уф , м3/ч,

где V - объем собранного фильтрата, м3.

6. Коэффициент заполнения ротора центрифуги:

ц = V?100/Vб , %.

Объем барабана Vб рассчитываем (без учета объема ступици) по следующей формуле

Vб = 0,785D2L , м3.

7. Оформление отчета

Отчет по данной работе должен включать в себя краткое описание установки, табл. 1 - 3 и расчет всех параметров. По данным таблицы 2 построить график зависимости изменения скорости фильтрации от продолжительности основных операций фильтрования.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1971.

2. Соколов В.И. Машины и аппараты химических производств: Примеры и задачи. - Л.: Машиностроение, 1982.

Работа № 14

ИЗУЧЕНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ

В последние годы в промышленной практике широко используется техника взвешенного (кипящего, псевдоожиженного) слоя в качестве одного из действующих средств интенсификации целого ряда процессов. К основным процессам, в которых применяется псевдоожижение твёрдых частиц зернистых материалов, можно отнести:

1. Химические процессы: каталитический крекинг нефтепродуктов, многочисленные гетерогенные каталитические реакции, газификация топлив, обжиг сульфидных руд и др.

2. Физические и физико-химические процессы: сушка мелкозернистых, пастообразных и жидких материалов, растворение и кристаллизация солей, адсорбционная очистка газов, термическая обработка металлов, нагрев и охлаждение газов и др.

3. Механические процессы: обогащение, классификация, гранулирование, смешение и транспортировка зернистых материалов.

Свое название псевдоожиженный слой получил вследствие внешнего сходства его с поведением обычной капельной жидкости: псевдоожиженный слой принимает форму вмещающего сосуда, поверхность псевдоожиженного слоя без учета всплесков горизонтальная, он текуч, обладает вязкостью. Тела, имеющие удельный вес меньше, чем псевдоожиженный слой, всплывают в нём, а больший - тонут.

Широкое внедрение техники псевдоожижения в промышленную практику обусловлено рядом его преимуществ. Твёрдый зернистый материал в псевдоожиженном состоянии, вследствие текучести, можно перемещать по трубам, что позволяет многие периодические процессы осуществлять непрерывно. Благодаря интенсивному перемешиванию твердых частиц в псевдоожиженном слое практически выравнивается поле температур, устраняется возможность локальных перегревов и связанных с этим нарушений в протекании ряда технологических процессов.

Наряду с большими достоинствами псевдоожиженному слою свойственны и некоторые недостатки. Так, из-за интенсивного перемешивания твёрдых частиц выравниваются температуры и концентрации в слое, что уменьшает движущую силу процесса, происходят износ самих твёрдых частиц, эрозия аппаратуры, образование больших зарядов статического электричества; установки с псевдоожиженным слоем требуют мощных пылеочистительных устройств.

Гидродинамика процесса псевдоожижения

Гидродинамическая сущность псевдоожижения заключается в следующем. Если через слой зернистого материала, расположенного на поддерживающей газораспределительной решётке, проходит восходящий поток ожижающего агента (газа или жидкости), то состояние слоя оказывается различным в зависимости от скорости этого потока (рис. 1).

Рис. 1. Различные состояния слоя зернистого материала при прохождении через него потока ожижающегго агента:

а) процесс фильтрования газа через слой зернистого материала (частицы неподвижны),

б) однородный псевдоожиженный слой,

в) неоднородный псевдоожиженный слой (наличие в слое газовых пузырей, значительные всплески зернистого материала),

г) унос зернистого материала из рабочего объёма аппарата.

Поведение зернистого материала при прохождении через него восходящего потока газа (жидкости) наглядно иллюстрирует график изменения перепада давления в слое зернистого материала в зависимости от скорости ожижающего агента (фиктивной скорости газа, отнесённой к площади поперечного сечения аппарата), представленный на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость гидравлического сопротивления слоя зернистого материала от скорости ожижающего агента (кривая псевдоожижения).

На графике процесса псевдоожижения (рис. 2) процессу фильтрации соответствует восходящая ветвь ОА. В случае малого размера частиц и невысоких скоростей фильтрации псевдоожижающего агента режим движения его в слое ламинарный и ветвь ОА прямолинейна. В слое крупных частиц при достаточно высоких скоростях псевдоожижающего агента перепад давления может расти нелинейно с увеличением скорости (переходный и турбулентный режимы).

Переход от режима фильтрации к состоянию псевдоожижения соответствует на кривой псевдоожижения критической скорости псевдоожиженного агента Wкр. (точка А), называемой скоростью начала псевдоожижения. В момент начала псевдоожижения вес зернистого мактериала, приходящийся на единицу площади поперечного сечения аппарата (цилиндрической или прямоугольной формы), уравновешивается силой гидравлического сопротивления слоя.

ДPсл = Gсл. / F(1)

где Gсл. - вес материала в слое, кг (Н); F - площадь поперечного сечения аппарата, м2.

Так как вес слоя Gсл. = h0 (1 - е0) F (с - с0), то

ДPсл. = (с -с0) (1 - е0) h0(2)

где с, с0 - плотность твёрдых частиц и ожижающего агента, кг/м3;

е0 - порозность неподвижного слоя, т.е. относительный объём пустот слоя (для шарообразных частиц е0 = 0,4); h0 - высота неподвижного слоя, м.

Начиная от скорости начала псевдоожижения и выше сопротивление слоя ДPсл. сохраняет практически постоянное значение и зависимость ДPсл. = f (W) выражается прямой АВ (рис. 2), параллельной оси абсцисс, поэтому можно записать:

ДPсл. = (с - с0) (1 - е0) h0 = (с - с0) (1 - е) h,

откуда

h = (1 - е0)/ 1 - е ? h0(3)

где h - высота псевдоожиженного слоя, м; е - порозность псевдоожиженного слоя.

В зависимости от свойств псевдоожижающего агента и его скорости можно наблюдать несколько стадий псевдоожижения.

При скоростях газа, незначительно превышающих Wкр., т.е. при W?Wкр. наблюдается так называемое однородное псевдоожижение (рис. 1 б). По мере роста скорости газа в слое возникают компактные массы газа («пузыри», «каверны»), интенсивно турбулизирующие твёрдые частицы и образующие всплески зернистого материала на поверхности. При этом наблюдаются значительные пульсации статического и динамического напора псевдоожиженного агента. Такой характер гидродинамики слоя называется неоднородным псевдоожижением (рис. 1 в). Наконец, при достижении некоторого второго критического значения скорости Wу, называемой скоростью уноса, твёрдые частицы начинают выноситься из слоя (рис. 1 г) и их количество в аппарате уменьшается. Порозность такого слоя стремится к 1, и сопротивление слоя правее точки В (рис. 2) также падает.

В инженерных расчётах очень важно определить пределы существования псевдоожиженного слоя (Wкр. - Wу), т.е. определить Wкр. и Wу.

Для определения величины Wкр. имеется большое число эмпирических, полуэмпирических и теоретических зависимостей, предложенных различными авторами [2].

Удобной зависимостью для определения критической скорости псевдоожижения (справедливой для всех режимов обтекания) является интерполяционная формула Тодеса, Горошко, Розенбаума (для сферических частиц):

Reкр. = Ar / 1400 + 5,22vAr(4)

где Reкр. = Wкр.•d /н, Ar = gd3 (с - с0)/ н2 ?с0.

Верхняя граница псевдоожиженного состояния соответствует скорости свободного витания одиночных частиц (е ? 1). При скорости потока, превосходящей скорость витания, т.е. при Wу > Wвит. будет происходить вынос частиц из слоя зернистого материала.

Скорость витания можно также приближенно оценить по формуле (4):

Reвит. = Ar / 18 + 0,61 vAr,(5)

где Reвит. = Wвит.• d/н.

Как отмечалось выше, при увеличении скорости потока происходит расширение взвешенного слоя (увеличение порозности слоя и его высоты). Порозность взвешенного слоя может быть подсчитана по формуле

е = (18 Re + 0,36 Re2/Ar)0,21(6)

В формулах (4), (5), (6) принята следующая размерность основных физических величин:

d - диаметр сферических частиц, м;

н - кинематическая вязкость ожижающего агента, м2/с;

с - плотность материала частиц, кг/м3;

с0 - плотность ожижающего агента, кг/м3;

g - ускорение силы тяжести, м/с2.

В случае, если взвешенный слой образован из полидисперсного материала, то в формулы подставляем эквивалентный диаметр, который вычисляем по формуле

dэ = 1/У xi/di(7)

где xi - массовое содержание i- ой фракции в долях единицы;

di - средний ситовой размер i - ой фракции.

Для вычисления величин w и е по известным свойствам системы (твёрдые частицы - газ) удобной является графическая зависимость

Ly = f (Ar, е),(8)

где Ly = Re3/Ar = w3с02/м0(с - с0)g - критерий Лященко;

Ar = gd3с0(с - с0)/м02 - критерий Архимеда;

Re = wdс/м0 - критерий Рейнольдса.

Удобство зависимости (8) заключается в том, что критерий Ly не содержит диаметра частиц, а критерий Ar - скорости газа.

В приложении представлена в логарифмических координатах зависимость критерия Ly от критерия Ar при разных значениях е (зависимость 8).

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Получение зависимости Дpсл. от скорости газа.

2. Экспериментальное определение критической скорости псевдоожижения (по кривой псевдоожижения) и сопоставление её с расчётными значениями по формуле (4) и графической зависимости (8).

3. Определение веса слоя Gсл. по формуле (1) и высоты псевдоожиженного слоя по формуле (6).

4. Определение для данного материала пределов существования кипящего слоя (wкр. - wу.).

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ (рис.3)

Установка состоит из смонтированной на щите металлической колонки 1, имеющей внутренний диаметр 150 мм. В колонке имеются штуцер 2 для загрузки зернистого материала, устройство 3 для выгрузки материала из камеры и газораспределительная колпачковая решётка 4, имеющая живое сечение 10%. Для визуального наблюдения за поведением псевдоожиженного слоя частиц колонка снабжена смотровыми окнами 5 прямоугольной формы. Воздух, подаваемый двумя вентиляторами, проходит через расходомер (плоскую диафрагму) 6 и поступает под решётку колонки. Регулирование расхода воздуха осуществляется посредством вентиля 7. Вентиль 8 служит для сброса части воздуха в атмосферу. Сопротивление колонки без слоя зернистого материала на газораспределительной решётке и со слоем на ней измеряют с помощью дифференциального манометра 9.

Рис. 3. Схема установки:

1 - вертикальная колонка, 2 - штуцер для загрузки зернистого материала, 3 - штуцер для выгрузки зернистого материала, 4 - газораспределительная решётка, 5 - смотровые окна, 6 - плоская диафрагма, 7 - вентиль для регулирования расхода воздуха, 8 - вентиль для сброса воздуха в атмосферу, 9,10 - дифманометры, 11 - батарейный циклон (4-элементный), 12 - рукавный фильтр.

Расход воздуха, проходящего через колонку определяют по показаниям дифманометра 10, присоединенного к плоской диафрагме 6, и вычисляют по формуле

Э = 2,5 v?h/сt, м3/ч(9)

где Дh - перепад статических давлений в дроссельном приборе, замеренный до и после диафрагмы (мм вод.ст.) с помощью дифманометра 10; сt - плотность воздуха у диафрагмы, кгс/м3.

Плотность воздуха сt при рабочих условиях, т.е. температуре и барометрическом давлении B , вычисляется по формуле:

сt = с0 273 (B + P)/(273+t) 760, кг/м3 (10)

где с0 - плотность воздуха при начальных условиях (t = 00С, B = 760 мм вод.ст.), кг/м3; B - барометрическое давление, мм вод.ст.; P - давление (разряжение) в колонке, мм вод.ст.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Приступая к работе, полностью закрывают вентиль 7 и открывают вентиль 8 на выход воздуха в атмосферу. После этого пускают в работу воздуходувки. Первая серия опытов проводится в отсутствии слоя зернистого материала на газораспределительной решётке.

Открывая вентиль 7, устанавливают такой начальный расход воздуха, чтобы показание дифманометра 10 при расходомере было 20 мм вод.ст. По показаниям дифманометра 9 измеряют при этом расходе сопротивление всей колонки. Записав результаты измерений в отчётную таблицу, проводят в той же последовательности измерения при втором расходе воздуха, затем - при третьем и т.д. до максимального, увеличивая каждый раз расход воздуха на такую величину, чтобы показание дифманометра 10 возрастало на 20 мм вод.ст. Когда вентиль 7 будет полностью открыт, дальнейшее увеличение расхода в колонке получают уменьшением выпуска воздуха в атмосферу, прикрывая вентиль 8. В конце данной серии опытов с помощью потенциометра и барометра замеряют температуру воздуха в колонке и барометрическое давление. По окончании работы открывают полностью вентиль 8 и закрывают вентиль 7.

Вторая серия опытов проводится в такой же последовательности, но с загрузкой на газораспределительную решётку слоя зернистого материала (количество и наименование материала определяются заданием преподавателя).

В данной серии опытов сопротивление слоя замеряется как при увеличении расхода воздуха, так и при уменьшении его от максимального значения до минимального путём прикрытия вентиля 8. Показание дифманометра 10 при этом должно изменяться на 20 мм вод.ст.

Таблица опытных данных

№ п.п.	Показания дифманометра 10 Дh, мм вод.ст.	Расход воздуха Э, м3/ч Э=v?h/сt?2,5	Скорость воздуха на пол ное сече ние ко лонки W=Э/63,75, м/c	Сопротивление сухой тарелки, мм вод.ст. Дp1	Суммарное сопротивление слоя и сухой тарелки,мм вод.ст.Дp2	Сопротивление слоя, мм вод.ст. pсл=Дp2-Дp1
1	2	3	4	5	6	7
1 2 3 4	и т.д.

Студент______________________Преподаватель___________

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

По данным таблицы строят график зависимости Дpсл. от скорости воздуха W и находят по нему опытное значение критической скорости псевдоожижения Wкр.. Затем вычисляют по формуле (4) и зависимости (8) расчётные значения критической скорости псевдоожижения. Сопоставляют значения Wкр., найденные экспериментом и расчётным путем.

По формуле (5) и зависимости (8) при е = 1 определяют расчётным путем скорость уноса для данной крупности зернистого материала и соответствующий расход воздуха.

По формуле (6) для одной из скоростей газового потока (по заданию преподавателя) определяют порозность взвешенного слоя.

По формуле (3), используя найденное значение порозности слоя, определяют высоту кипящего слоя для данной весовой загрузки.

По формуле (1) определяют вес слоя и сопоставляют его с опытынм.

Примечание: насыпная плотность материала и диаметр частиц определяются экспериментальным путем.

СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Отчет по лабораторной работе оформляется на листах формата II (297х210). Титульный лист должен соответствовать титульному листу методических указаний к работам с указанием кафедры, названия работы, её номера, фамилии, и.о. студента, группы, специальности и фамилии, и.о. преподавателя, принявшего работу.

В отчёте должны быть представлены:

- описание цели работы,

- схема лабораторной установки,

- описание работы установки,

- методика проведения работы,

- полученные экспериментальные данные,

- результаты обработки опытных данных,

- выводы.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ АБОТЫ

1. До начала работы необходимо:

- убедиться в отсутствии явных повреждений лабораторной установки;

- проверить наличие резиновых ковриков перед щитом управления;

- проверить наличие пылесборников у батарейного циклона и рукавного фильтра.

2. Во время работы:

- строго руководствоваться данными указаниями;

- категорически запрещается включать электрический калорифер для подогрева воздуха;

- во избежание выброса жидкости из дифференциального манометра 10 вторую воздуходувку включать при полностью открытом вентиле 8, служащем для сброса части воздуха в атмосферу.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К ВЫПОЛНЕНИЮ АБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Какова цель предстоящей работы?

2. Из каких элементов состоит лабораторная установка и каково назначение каждого из них?

3. Объяснить устройство и принцип действия батарейного циклона и рукавного фильтра.

4. Каков порядок выполнения лабораторной работы?

5. Какие экспериментальные данные фиксируются при выполнении работы?

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ НА ЗАЩИТЕ РЕЗУЛЬТАТОВ АБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Чем вызвано широкое применение псевдоожиженного слоя в технике?

2. Какие возможные состояния слоя твердых частиц можно наблюдать в зависимости от скорости восходящего потока газа, проходящего через слой?

3. Что такое скорость псевдоожижения, как её определить?

4. Что такое пневмотранспорт и при каких скоростях наблюдается это явление?

5. При каких условиях и равенстве каких сил наблюдается начало псевдоожижения?

6. Что такое скорость свободного витания частиц и почему эту скорость можно определять так же, как и скорость свободного осаждения одиночной частицы?

7. Почему в случае уменьшения скорости потока после псевдоожижения слоя наблюдается явление гестерезиса?

8. Чем ограничены пределы существования псевдоожиженного слоя?

9. Что такое число псевдоожижения и что оно характеризует?

10. Что такое однородное и неоднородное псевдоожижение?

11. Влияют ли и как свойства зернистого материала на характер псевдоожижения?

12. Назовите основные гидродинамические характеристики псевдоожиженных слоев.

13. При каких условиях наблюдается режим поршневого псевдоожижения?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков П.Г. Примеры и задачи по курсу «Процессы и аппараты химической технологии». - Л.: Химия, 1987.

2. Забродский С.С. Гидродинамика и теплообмен в псевдоожиженном слое. - М.: Госэнергоиздат, 1963.

3. Романков П.Г., Носков А.А. Сборник расчётных диаграмм по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1977.

Работа № 15

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ

Сушка - процесс удаления влаги из твёрдых влажных материалов испарением и отвод образующихся паров - один из наиболее распространенных способов удаления влаги из твёрдых материалов в химической технологии. Разнообразие свойств твёрдых материалов, подвергающихся сушке, вызывает необходимость создания различных конструкций сушильных аппаратов. На многих производствах для интенсификации ряда технологических процессов, связанных с взаимодействием твёрдой дисперсной фазы с газовой (жидкой) фазой, используют установки псевдоожиженного (взвешенного, кипящего) слоя. К таким процессам относится процесс сушки зернистых материалов в псевдоожиженном слое.*

В установках с кипящим слоем достигается наиболее интенсивная сушка сыпучих, пастообразных и жидких материалов. О бъёмный коэффициент, отнесённый к слою материала, достигает 5000….10000 Вт/м3?0C, в то время как для барабанных сушилок он составляет на весь объём не более 500 Вт/м3?0C. В установках с кипящим слоем можно одновременно выполнять несколько процессов: сушку и обжиг, сушку и классификацию, сушку и гранулирование и т.д. К недостаткам таких сушилок относятся: повышенный расход электроэнергии, невысокая интенсивность процесса при сушке тонкодисперсных материалов, трудность организации сушки комкующихся материалов, громоздкость пылеулавливающих устройств и др.

По физической схеме взаимодействия влажной частицы с потоком сушильного агента сушка в псевдоожиженном слое является разновидностью конвективной сушки, и обезвоживание отдельной частицы также может идти как в периоде постоянной, так и в периоде падающей скорости сушки. При контакте влажного материала с нагретым воздухом (ожижающим агентом) начинаются испарение влаги с поверхности материала и диффузия образующегося пара через пограничный слой газа в окружающий воздух. В материале возникает градиент концентраций влаги, и она начинает перемещаться из внутренних слоёв к поверхности.

* К выполнению данной работы студенты приступают после проведения на стенде исследования гидродинамики псевдоожиженного слоя.

В начале процесса, пока влагосодержание U материала велико, влага, диффундирующая из внутренних слоёв к наружным, будет полностью смачивать поверхность материала, и испарение её происходит так же, как и со свободной поверхности жидкости. При постоянстве внешних условий (температуры воздуха, его влагосодержания, скорости и направления движения) скорость сушки dU/dф, то есть масса влаги, испаряющейся из единицы массы материала за единицу времени, будет постоянной. В этом периоде сушки - периоде постоянной скорости или периоде внешней диффузии - испаряется свободная влага. Поскольку в период постоянной скорости сушки поверхность материала покрыта плёнкой влаги, которая испаряется при температуре «мокрого» термометра, то температура высушиваемого материала в этот период будет постоянной, приблизительно равной температуре «мокрого» термометра.

По мере испарения влаги, когда количество её становится меньше того, которое могло бы испариться, скорость сушки будет падать. Влагосодержание материала, при котором начинается период падающей скорости, называют критическим Uкр. Этот период - период падающей скорости сушки - длится до достижения равновесной влажности Uр.. В этот период скорость сушки обуславливается внутренней диффузией. Скорость внутренней диффузии зависит от структуры материала и его температуры и мало зависит от внешних условий. Температура материала в этот период постоянно возрастает и в конце сушки приближается к температуре сушильного агента. Описанный процесс сушки наглядно иллюстрируется кривыми сушки и кривыми скорости сушки (рис. 1, 2).

Скорость сушки выражается количеством влаги, удалённой в единицу времени, %/ч или 1/ч. Скорость сушки находят графическим дифференцированием кривой сушки, или разбив её на равные по времени участки с последующим делением величины убыли влаги в этих отрезках на длительность.

Продолжительность периода постоянной скорости сушки может быть определена по уравнению

ф1 = 1/N (Uн - Uкр), (1)

где N = dU/dф - скорость сушки в первом периоде, %/ч;

Uн, Uкр - начальное и критическое влагосодержания материала, считая на абсолютно сухое вещество, %.

Продолжительность периода падающей скорости сушки в большинстве случаев можно найти только по экспериментальным данным. При инженерных расчётах допустимо предположение, что зависимость между скоростью сушки и влагосодержанием материала в течение всего периода падающей скорости сушки (от критического до равновесного влагосодержания) имеет прямолинейный характер (рис. 2). В этом случае продолжительность периода падающей скорости сушки можно определить по приближённому уравнению