Основные процессы и аппараты химической технологии

Работа из раздела: «Производство и технологии»

/

/

Работа № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНСТАНТ ФИЛЬТРОВАНИЯ НА БАРАБАННОМ ВАКУУМ-ФИЛЬТРЕ

В химической и в родственных ей отраслях промышленности широко распространены процессы фильтрования при разделении суспензий. Их значение еще более возрастает сегодня в связи с общим развитием промышленности и увеличением масштабов отдельных производств. Фильтрование обеспечивает почти полное освобождение жидкости от взвешенных частиц.

Для осуществления этого процесса в промышленности применяют многочисленные, весьма разнообразные и часто довольно сложные по конструкции фильтры. Одним из наиболее распространенных видов фильтров являются барабанные вакуум-фильтры.

При проектировании новых фильтровальных установок для расчетов по определению удельной производительности или удельной поверхности фильтрования выбранного фильтра (в том числе барабанного вакуум-фильтра) используют основные уравнения фильтрования, предварительно определив экспериментально некоторые постоянные, входящие в эти уравнения, в частности, удельное сопротивление осадка и сопротивление фильтровальной перегородки. Существует большое число методов определения этих постоянных в уравнениях фильтрования. Наиболее надежным из них является метод, основанный на проведении опытов по фильтрованию в условиях постоянно увеличивающейся толщины слоя осадка.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Закрепить теоретические знания по вопросам разделения суспензий методом фильтрования.

2. Практически ознакомиться с процессом разделения суспензий фильтрованием и с одним из видов фильтровального оборудования - барабанным вакуум-фильтром.

3. Экспериментальным путем определить константы фильтрования: удельное объемное сопротивление осадка и сопротивление фильтровальной перегородки.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ (рис.)

Установка смонтирована на базе серийно выпускаемого промышленностью барабанного вакуум-фильтра БОУ 0,25х0,5.

Характеристика фильтра:

- общая поверхность фильтрования Sф, м2………………0,25;

- диаметр барабана, м…………………………………….0,5;

- ширина поверхности фильтрования, м………………..0,16;

- доля общей поверхности фильтрования,

погруженной в суспензию ц…………………………..0,272;

- изменение скоростей вращения барабана…..ступенчатое,

4 скорости.

Устройство барабанного вакуум-фильтра описано в [1, с. 205-207] и с ним необходимо ознакомиться при подготовке к выполнению лабораторной работы. Лабораторный фильтр имеет некоторые индивидуальные отличия от описанного в [1], что становится очевидным при практическом знакомстве с ним. В частности, вакуум создается лишь в ячейках барабана, погруженных в данный момент в суспензию, и в ячейках зоны первого обезвоживания. Остальные ячейки барабана находятся под атмосферным давлением. Разрыхление осадка и регенерация фильтровальной ткани продувкой сжатым воздухом не производятся.

Разделяемая суспензия приготовлена в баке 3 размешиванием мела в воде (твердая фаза суспензии может быть и другой, что следует уточнить у преподавателя или учебного мастера, лаборанта). Подача ее в корыто 2 фильтра осуществляется центробежным насосом 5, производительность которого регулируется краном 6. Уровень суспензии в корыте 2 фильтра поддерживается постоянным с помощью переливной трубы (рис.).

Ячейки фильтра в зонах фильтрования и первого обезвоживания через распределительную головку с помощью резинового шланга соединены со сборником фильтрата (ресивером) 7, находящимся под вакуумом. Вакуум в сборнике фильтрата (ресивере) 7 создается с помощью вакуум-насоса 10, отсасывающего воздух через каплеотделитель 9. Регулировка вакуума производится с помощью вентиля 8, соединяющего ресивер с атмосферой. При полном его закрытии создается максимальный вакуум. Величина вакуума определяется по вакуумметру 11, установленному на вакуум-насосе 10.

Количество фильтрата в ресивере 7 определяется по шкале указателя 13 в литрах. Слив фильтрата из ресивера осуществляется путем открытия крана 12.

Привод барабана состоит из электродвигателя, двух редукторов, соединенных цепными передачами, и коробки передач. Коробка передач дает возможность проводить работы при четырех различных скоростях вращения барабана. Схема переключения скоростей помещена непосредственно на коробке передач. Для нейтрального положения рукоятки переключения скоростей характерно существенное перемещение в вертикальном направлении.

Рис. Принципиальная схема лабораторной установки:

1 - барабан; 2 - корыто для суспензии; 3 - бак для суспензии с мешалкой; 4 - привод мешалки; 5 - центробежный насос; 6 - вентиль для регулировки подачи суспензии в корыто фильтра; 7 - сборник фильтрата (ресивер); 8 - вентиль для регулировки вакуума в барабане; 9 - каплеуловитель; 10 - вакуум-насос; 11 - вакуумметр; 12 - кран для слива фильтрата из ресивера; 13 - указатель объема фильтрата в ресивере (водомерное стекло); 14 - кран для слива суспензии из корыта в бак

Установка необходимой скорости вращения барабана производится поднятием рукоятки коробки передач из нейтрального положения вверх (или опусканием вниз) и последующим передвижением вправо (или влево). Установка соответствующей скорости обеспечивается зацеплением пары шестерен, поэтому затруднения, возникающие иногда при переключении скоростей, объясняются тем, что зубья одной шестерни не попадают между зубьями другой. В этом случае необходимо сдвинуть одну шестерню относительно другой, для чего достаточно немного провернуть вручную барабан. Переключение скоростей надо производить при выключенном приводе барабана фильтра.

Привод качающейся мешалки в корыте фильтра состоит из электродвигателя и редуктора, соединенных цепной передачей. Включение мешалки производится вместе с барабаном одним выключателем.

ПОРЯДОК РАБОТЫ

После изучения руководства и ознакомления с установкой приступить (с разрешения преподавателя) к работе.

Проверив наличие суспензии в баке 3 (должно быть около 2/3 объема), включить мешалку бака. Установить объем жидкости в ресивере 7 на уровне первых делений указателя 13. Если жидкости нет совсем, то ее следует налить через воздушник при полном открытии вентиля 8 с помощью имеющегося на установке резинового шланга для промывки фильтра (в присутствии преподавателя или учебного мастера). Если жидкости в ресивере много, то слить ее, открыв кран 12. Следует иметь в виду, что при переполнении ресивера фильтрат попадает в вакуум-насос и выводит его из строя.

Величина вакуума в системе определяется по согласованию с преподавателем. Полностью закрытый вентиль 8 обеспечивает максимальный вакуум - максимальную движущую силу процесса фильтрования. Для снижения вакуума следует приоткрыть вентиль 8.

Минут через 10-15 после включения мешалки бака суспензии включить центробежный насос 5 (при закрытом кране 6) и установить некоторый расход суспензии, открывая кран 6. Отобрать из бака 3 пробу суспензии и определить ее плотность (объемно-весовым методом). Температуру суспензии tс считать равной температуре воздуха в лаборатории.

Включить привод барабана 1 вакуумного фильтра. Включить вакуум-насос 10, отметив время включения и объем жидкости в ресивере 7. Этот момент считать началом процесса фильтрования. Дальнейшая работа заключается в измерении объема фильтрата через определенные промежутки времени без съема осадка (при постоянном вакууме). Количество замеров (рекомендуется не менее 10), а также интервалы по времени (или по объему фильтрата) согласовать с преподавателем. Результаты эксперимента фиксировать в таблице нарастающим итогом.

После окончания замеров выключить вакуум-насос 10, центробежный насос 5 и смыть осадок с фильтрующей поверхности барабана с помощью щетки и воды, подаваемой через резиновый шланг, имеющийся на установке.

Замерить скорость вращения барабана, определив время одного или нескольких оборотов.

После этого по указанию преподавателя можно провести работу еще раз при другой скорости вращения барабана или при другом вакууме.

По окончании работы, смыв осадок с фильтрующей поверхности, выключить привод барабана, мешалку бака, поставить переключатель скоростей в нейтральное положение, слить излишки фильтрата из ресивера и произвести необходимую уборку рабочего места. Установку сдать учебному мастеру.

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

Фильтрование с помощью барабанного вакуум-фильтра в условиях опыта происходит при постоянной движущей силе - разности давлений до и после фильтрующей перегородки, определяемой величиной вакуума. Подтверждением этого и должны стать периодические замеры вакуума в ходе эксперимента.

Теория фильтрования при постоянной движущей силе изложена в

[1, c. 191-193]. Уравнение фильтрования имеет вид

V2 + 2Rф.п.SV/r0x0 = 2ДpS2ф/мr0x0 ,

где V - объем фильтрата, полученный за время ф , м3; ф - время фильтрования, сек; Rф.п. - сопротивление фильтрующей перегородки, м-1;

S - поверхность фильтрования, м2,

S = ц?Sф ;

r0 - удельное объемное сопротивление осадка, м2; x0 - отношение объема осадка к объему фильтрата (относительная объемная доля твердой фазы в суспензии при полном разделении суспензии на фильтре), м/м3; Дp - движущая сила процесса фильтрования (в условиях данного эксперимента-вакуум, создаваемый вакуум-насосом), Н/м2; м - вязкость жидкой фазы суспензии (воды), н?сек/м2.

Данное уравнение легко приводится [1, c. 195-197] к виду

ф/V = AV + B ,

где А = мr0x0/2ДpS2 и B = м Rф.п./ДpS в условиях эксперимента - постоянные величины (константы уравнения фильтрования).

Константы фильтрации r0 и Rф.п. могут быть вычислены следующим образом.

1. Экспериментальные значения фi и Vi , занесенные в таблицу, выразить в сек и м3 соответственно.

2. Определить отношение ф/Vi .

3. Из выражения для определения плотности суспензии ссусп по известным плотностям твердой ств и жидкой сж фаз

ссусп = ств ц0 + сж (1 - ц0)

найти объемную концентрацию ц0 [м3(тв)/м3(тв+ж)] твердой фазы в суспензии. Плотность дисперсного материала (мела или др.) и плотность воды определить по справочникам в кг/м3.

4. Перевести объемную концентрацию ц0 суспензии в относительную объемную x0 [м3(тв)/м3(ж.)] по формуле

x0 = ц0/1 - ц0 .

5. Методом наименьших квадратов [2, с. 665] найти константы уравнения фильтрования А и В, решая систему двух нормальных уравнений:

1) ? Vi2 + ? Vi B = ? фi

2) ? Vi A + n B = ?(ф/V)I ,

где n - число экспериментов ( I = 1, 2, 3… ).

Рекомендуется исключить из обработки результаты одного - двух первых замеров, чтобы хоть как-то учесть сложные начальные условия реального процесса фильтрования.

6. Путем решения системы уравнений

i. A = м r0 x0 / 2Дp S2

ii. B = м Rф.п. / Дp S

найти константы фильтрования r0 и Rф.п.. Вязкость воды определить по справочнику при температуре воздуха в лаборатории (в Па?с). Величину Дp определить как среднее значение вакуума pвак,I за время опыта.

7. Построить график в координатах (ф/V)I - Vi по результатам обработки экспериментальных данных и установить возможность графического определения констант уравнения фильтрования А и В.

8. Рассчитать скорость вращения барабана n во время эксперимента

(1/мин):

n = N/фб ,

где N - количество оборотов барабана, отмеченных во время замера скорости; фб - время замера, мин.

9. Результаты представить в виде таблицы:

№ замера	Время фi, сек	Объем фильтрата Vi ? 103, м3	(ф/V)I х 10-3, с/м3	pвак.,I, Па	Другие экспериментальные и справочные данные
0. 1. 2. 3.					N =………, об; фб =………, мин; ств. =……, кг/м3; сж. =….., кг/м3; tc =………..0С;

СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Отчет по лабораторной работе оформляется на листах формата II

(297 х 210 мм). Титульный лист должен соответствовать титульному листу методических указаний к работам с указанием кафедры, названия работы, ее номера, фамилии, и.о.студента, группы, специальности и фамилии, и.о. преподавателя, принявшего работу.

В отчете должны быть представлены:

b. описание цели работы;

c. схема лабораторной установки;

d. описание работы установки;

e. методика проведения работы;

f. полученные экспериментальные данные;

g. результаты обработки опытных данных;

h. выводы.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. До начала работы:

i. убедиться в отсутствии явных повреждений лабораторной установки;

j. проверить наличие сухого резинового коврика на полу перед установкой;

k. проверить наличие суспензии в баке 3;

l. определить уровень фильтрата в ресивере 7.

2. Во время работы:

m. строго руководствоваться данными методическими указаниями;

n. не прикасаться руками к вращающимся и двигающимся элементам установки (халат и рукава халата должны быть застегнуты, длинные волосы подвязаны косынкой);

o. пробу суспензии из бака 3 брать при выключенной на короткое время мешалке;

p. не снимать осадок с вращающегося барабана скребком вручную;

q. внимательно следить за уровнем фильтрата в ресивере 7, не допуская его переполнения;

r. не оставлять работающую установку без присмотра;

s. докладывать о всех замеченных неполадках преподавателю или учебному мастеру;

t. поддерживать чистоту на рабочем месте.

3. По окончании работы:

u. выключить вакуум-насос, насос подачи суспензии, мешалку бака 3;

v. открыть кран 14 слива суспензии из корыта в бак 3;

w. удалить осадок с фильтровальной поверхности барабана щеткой, подавая воду из шланга (на 1-ой скорости при не слишком обильной подаче воды);

x. выключить привод барабана фильтра;

y. поставить рукоятку коробки скоростей в нейтральное положение;

z. слить фильтрат из ресивера, открыв кран 12 (не полностью);

aa. сдать установку дежурному учебному мастеру (лаборанту).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ 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 барабанного вакуум-фильтра.

4. Каков порядок выполнения лабораторной работы?

5. Какие экспериментальные данные фиксируются при выполнении работы?

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ НА ЗАЩИТЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Какие виды фильтрования принято выделять?

2. Какие фильтровальные перегородки используются в практике?

3. Основные характеристики осадков.

4. Каков физический смысл констант фильтрования?

5. С какой целью производится экспериментальное определение констант фильтрования?

6. Графический метод определения констант уравнения фильтрования.

7. Какой вид фильтрования реализован на лабораторной установке?

8. Устройство и принцип действия барабанного вакуум-фильтра.

9. Принцип действия распределительной головки барабанного вакуум-фильтра.

10. Основные типы фильтров, применяемые в химической промышленности (иметь представление о конструкции, принципе работы, основных достоинствах и недостатках, уметь изобразить принципиальную схему).

Для углубленного ознакомления с процессом фильтрования и оборудованием для его осуществления можно воспользоваться монографией В.А. Жужикова [3] .

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973.

2. Батунер Л.М., Позин М.Е. Математические методы в химической технике. - Л.: Химия, 1968.

3. Жужиков В.А. Фильтрование. Теория и практика разделения суспензий. - М.: Химия, 1971.

Работа № 2

ИСПЫТАНИЕ ДВУХКОРПУСНОЙ ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ С ОПРЕДЕЛЕНИЕМ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Выпаривание - это процесс концентрирования растворов практически нелетучих веществ в жидких летучих растворителях, заключающийся в удалении растворителя путем испарения его при кипении.

Концентрирование растворов при выпаривании используют с целью получения либо высококонцентрированных продуктов (например, водных растворов щелочей, солей, некоторых минеральных и органических кислот, многоатомных спиртов и т.п.), либо растворителя в чистом виде (например, питьевой воды при опреснении морской воды выпариванием).

Процессы выпаривания проводят в выпарных аппаратах под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях. Выбор давления связан со свойствами выпариваемого раствора и возможностью использования тепла вторичного пара. При выпаривании под вакуумом в аппарате создается вакуум в результате конденсации вторичного пара в специальном конденсаторе. Неконденсирующие газы удаляют из конденсатора вакуум-насосом.

Выпаривание под вакуумом имеет определенные преимущества. При выпаривании под вакуумом становится возможным проводить процесс при более низких температурах, что важно в случае концентрирования растворов веществ, склонных к разложению при повышенных температурах, а также увеличить разность температур между греющим агентом и кипящим раствором. При выпаривании под повышенным давлением вторичный пар может быть использован как греющий агент.

Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями, применяемыми при нагревании. Чаще всего в качестве теплоносителя при выпаривании используют насыщенный водяной пар. Его называют греющим или первичным паром. В промышленности наиболее широко распространены многокорпусные выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов или корпусов, в которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве греющего в последующий корпус. Это позволяет значительно уменьшить количество потребляемого свежего пара, т.е. повысить технико-экономические показатели установки.

В зависимости от характера циркуляции раствора в выпарном аппарате различают: 1) выпарные аппараты с неорганизованной, свободной циркуляцией раствора; 2) выпарные аппараты с направленной естественной циркуляцией раствора; 3) выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора. Организованная циркуляция (как естественная, так и принудительная) необходима для увеличения коэффициента теплоотдачи к кипящему раствору, уменьшения скорости отложения твердых веществ на теплообменных поверхностях выпарного аппарата. Выпарные аппараты трех указанных групп выпускают в различном конструктивном исполнении.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Закрепление теоретических знаний в области выпаривания.

2. Практическое ознакомление с процессом выпаривания и работой двухкорпусной выпарной установки непрерывного действия.

3. Экспериментальное определение количества выпариваемой воды.

4. Определение коэффициентов теплопередачи по корпусам выпарной установки.

5. Определение удельного расхода греющего пара.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Установка (рис.1) состоит из двух выпарных аппаратов (корпусов) 1, барометрического конденсатора 5, вспомогательного оборудования и контрольно-измерительных приборов. В каждом выпарном аппарате следует различать две основные части:

1) греющую камеру, в которой происходит кипение раствора;

2) сепаратор, в котором вторичный пар отделяется от раствора;

Корпус 1 - выпарной аппарат с внутренней греющей камерой и центральной циркуляционной трубой (естественная циркуляция р-ра). Аналогично устройство и корпуса II.

Рис.1. Схема двухкорпусной вакуум-выпарной установки:

1 - выпарной аппарат; 2 - бак-хранилище; 3 - сборник;

4 - брызгоулавливатель; 5 - барометрический конденсатор;

6 - барометрический ящик; 7 - барометрическая труба; 8 - вакуумный насос; 9 - конденсатоотводчик; 10 - смотровой фонарь; 11 - водоотделитель;

12 - ротаметр; 13 - сливной бак; 14 - насос.

Выпаривание в 1 корпусе происходит под повышенным давлением около 20 кПа (Ризб. = 0,2-0,4 атм.). Вторичный пар первого корпуса используется как греющий агент для подогревателя II корпуса.

Над раствором во втором корпусе создается пониженное давление (вакуум 350-550 мм.рт.ст.). Поверхность теплообмена в каждом корпусе 1 м2. Установка работает на разбавленных растворах соды (от 3-х до 10% масс), т.к. в этом случае исключается возможность кристаллизации при охлаждении упаренного раствора после второго корпуса. Упариванию подвергается раствор Na2CO3.

Обогрев корпуса 1 осуществляется свежим паром постоянного давления (Ризб. = 2-3 атм.). Вторичный пар из корпуса 1 проходит брызгоотделитель 4 и поступает в греющую камеру корпуса II. Раствор, упаренный до постоянной концентрации (при установившемся режиме) в корпусе 1, под действием разности давлений по трубе гидрозатвора (петля 6м) перетекает в корпус II, где выпаривается до конечной концентрации. Концентрированный раствор отводится в вакуум-сборники 3, работающие попеременно. Опорожнение вакуум-сборников производится по окончании работы (чтобы не изменять начальной концентрации исходного раствора) в бак-хранилище 2 исходного раствора.

Вторичный пар из корпуса II проходит брызгоотделитель 4 и поступает в барометрический конденсатор смешения 5. Охлаждающую воду в барометрический конденсатор подают из городской водопроводной сети. Удаление смеси воды из конденсатора производится самотеком через барометрическую трубу 7 в барометрический ящик 6.

Концентрацию исходного и упаренного растворов после 1 и II корпусов определяют по плотности с помощью табл.2. Плотность растворов измеряют ареометром при 200С. Давления измеряют манометрами и вакуумметрами через отборные устройства Д-1, Д-2, Д-3, Д-4. Измерение температур производят с помощью потенциометра через переключатель по точкам замера (Т-1, Т-2, Т-3, Т-4, Т-5, Т-6).

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. Перед началом работы необходимо:

а) закрыть все краны и вентили на линии вакуума В-3, В-4, паровой линии В-2 и линиях раствора В-7, В-6, В-5, В-1, К-3.

б) проверить наличие разбавленного раствора в баке-хранилище 2 (не менее 2/3 объема бака);

в) проверить, опорожнены ли вакуум-сборники 3;

г) закрыть краны на пробоотборниках П-1, П-2, П-3;

д) проверить наличие воды в барометрическом ящике 6.

2. При пуске установки:

а) открыть вентиль В-1, включить насос 14 и подать раствор в корпус 1 до верхней отметки указателя уровня, вентиль В-1 закрыть, насос выключить;

б) открыть вентиль на линии свежего пара В-2 и установить давление в паропроводе Pизб. = 2-3 атм.;

в) продуть через конденсационный горшок 9 и воздушную линию межтрубное пространство корпуса 1, для этого открыть вентиль на конденсационном горшке В-9 и кран на воздушной линии В-8, после 2-3 мин продувки вентиль и кран В-8 закрыть;

г) подогреть раствор в корпусе 1 до 80-90оС, затем давление свежего пара регулировать краном В-2, чтобы держать постоянное давление (Pизб. = 0,2-0,3 атм.) над раствором в корпусе 1.

Уровень раствора в корпусе постоянно держать между рисками на указателе уровня, для чего производить периодическую подачу раствора небольшими дозами - насосом 14.

д) подогретый до 80-90оС раствор в 1-ом корпусе подать во 2-ой корпус, для чего включить вакуум-насос 8, открыть кран В-5, кран подачи раствора во 2-й корпус (уровень раствора во 2-ом корпусе должен быть на уровне риски на водомерном стекле);

е) приоткрыть вентиль В-3 на линии подачи воды в барометрический конденсатор;

ж) как только закипит раствор в 1-ом корпусе, необходимо открыть кран для продувки межтрубного пространства во 2-ом корпусе В-8, через 2-3 мин кран закрыть;

з) как только установится необходимый уровень в 1 и 2 корпусах и раствор закипит во 2-ом корпусе, подключить к корпусу II вакуум-сборники 3, увеличить подачу воды в барометрический конденсатор.

Вакуум над раствором во II-ом корпусе держать 0,45-0,72 атм. - 350-550 мм рт.ст., регулировать краном сброса вакуума В-4 и количеством воды, подаваемой в барометрический конденсатор 5 (вентиль В-3).

Во избежание нарушений нормальной работы установки (попадания холодной воды из барометрического конденсатора во II-ой корпус, срыва вакуума и т.д.) необходимо температуру воды в барометрической трубе держать на уровне 35 + 5оС.

Пустив таким образом всю установку, дать ей работать 30-40 мин обязательно при непрерывной подаче раствора из корпуса 1 во II-ой, регулировать расход подачи раствора во II-ой корпус краном В-5. Через 10 мин брать пробы после 1 и II корпусов (II-2, II-3). Следить за постоянством уровня жидкости в корпусе 1.

Когда установится постоянный режим работы установки (раствор и в 1 и во II корпусах кипит и концентрация растворов по корпусам не изменяется), необходимо снять результаты наблюдений (записать средние показания с контрольно-измерительных приборов). Определить концентрации растворов после 1-го и II-го корпусов (2-3 замера через 10 мин). Определить количество упаренного раствора после II-го корпуса в течение 10-15 мин. Результаты наблюдений свести в таблицу 1.

Таблица 1

Наименование параметров	Время замера
Температура свежего раствора tнач.,оС Температура греющего пара tгр., оС Давление в корпусе PI, атм. Температура кипения раствора tкип.I, оС Температура теплоизоляции tст.I, оС Температура вторичного пара tвт., оС Давление в корпусе PII, атм. Температура кипения раствора tкип. II, оС Температура теплоизоляции tст. II Концентрация разбавленного (исходного раствора) xн Концентрация раствора в корпусе 1 xк1 Концентрация раствора в корпусе II xкII Кол-во упаренного р-ра за 10-15 мин

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

1. Количество воды, выпаренной в корпусе II:

W2 = Gк (xк2/xн2 - 1),

где Gк - количество упаренного раствора после 2-го корпуса, кг/с;

xк2 - концентрация сухого вещества в концентрированном р-ре после 2-го корпуса, % (масс); xн2 - концентрация сухого вещества в концентрированном р-ре, поступающем во 2-й корпус, % (масс) (табл.2).

Количество воды, выпаренной в корпусе 1:

W1 = Gк1(xк1 / xн1 - 1),

где Gк1 - количество раствора, поступившего во 2-ой корпус, кг/с,

Gк1 = Gк + W2 ;

Xк1 - концентрация раствора после 1-го корпуса, % (масс); xн1 - концентрация раствора, поступающего в 1-й корпус (исходный р-р), % (масс) (табл.2).

2. Расход тепла (Вт) на выпаривание в корпусе I

Q1 = Qподогр. + Qисп. + Qпот. ,

тепло на подогрев исходного р-ра до т-ры кипения в 1-ом корпусе.

Qподогр. = Gм cн1 (tкип.1 - tнач.),

где Gм - количество р-ра, поступающего в 1-й корпус;

cн1 - теплоемкость исходного раствора Дж/(кг?К) (рис.2);

tкип.1 - температура кипения раствора в корпусе 1, оС; tнач. - температура разбавленного (исходного) раствора, оС.

Теплоемкость раствора в зависимости от концентрации его определяют по рис.2.

Тепло на испарение воды из раствора в 1-м корпусе:

Qисп.1 = W1 (i ? в1 - i ?в1),

где i? в1 - энтальпия вторичного пара при давлении в сепараторе корпуса I, Дж/кг; i?в1 - энтальпия воды при tкип.1 , Дж/кг.

Потери тепла в окружающую среду можно вычислить по формуле:

Qпот.1 = б1Fн1(tст1 - tвозд.).

Здесь б1 - коэффициент теплоотдачи от стенки аппарата к воздуху, Вт/(м2?К); Fн1 - наружная поверхность аппарата определяется замером, м2; tст.1 - температура наружной стенки аппарата, оС; tвозд. - температура воздуха в помещении, оC.

При вычислении потерь тепла в окружающую среду суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением от стенки аппарата к воздуху вычисляют по формуле: б1 = 9,74 + 0,07?Дt1,

где Дt1 - разность температур поверхности стенки аппарата и окружающего воздуха, оC.

Расход тепла на выпаривание в корпусе II

Q2 = - Qсамоисп. + Qисп. + Qпот,

Теплота самоиспарения

Qсамоисп. = Gн2 сн2 (tкип1 - tкип2),

где Gн2 - количество раствора, поступающего в корпус II из корпуса I, кг/с; cн2 - теплоемкость раствора, упаренного в корпусе I, Дж/(кг? К);

tкип1 - температура кипения раствора в I корпусе, оC; tкип2 - температура кипения раствора в корпусе II, оC.

Тепло на испарение воды из раствора во 2-м корпусе

Qисп2 = W2 (i?в2 - i?в2),

где i?в - энтальпия вторичного пара при давлении в сепараторе корпуса II, Дж/кг; i?в - энтальпия воды при tкип2 , Дж/кг.

Потери тепла в окружающую среду для корпуса II выпарной установки можно определить по формуле:

QпотII = б2 Fн2 (tст2 - tвозд.).

3. Коэффициент теплопередачи определяют из основного уравнения теплопередачи:

К1 = Q1/F Дtср1 ;

К2 = Q2/FДtср2 ,

где К1,2 - коэффициент теплопередачи по корпусам, Вт/(м2?К); F - поверхность теплообмена, F = 1 м3; Дtср1,2 - разность температур конденсации греющего пара и кипения раствора (для 1-го и 2-го корпусов), 0С.

4. Расход греющего пара находят по формуле

Gгп = Q1/rx,

где Q1 - расход тепла на выпаривание в корпусе I, Вт; r - теплота конденсации греющего пара, Дж/кг; x - паросодержание (степень сухости) греющего пара (принимаем влажность пара 5%).

Расход греющего пара на 1 кг выпаренной воды определяют по формуле:

d = Gгп/W1 + W2 .

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, ее номера, фамилии, и.о. студента, группы, специальности и фамилии, и.о. преподавателя, принявшего работу.

В отчете должны быть представлены:

- описание цели работы,

- схема лабораторной установки,

- описание работы установки,

- методика проведения работы,

- полученные экспериментальные данные,

- результаты обработки опытных данных,

- выводы.

Таблица 2

Зависимость относительной плотности раствора Na2CO3от его концентрации Д = с20р-ра/сH2O = с20р-ра? 10-3

Д	масс. %	Д	масс. %
1,0086 1,0190 1,0294 1,0398 1,0502 1,0606 1,0711 1,0816 1,0922 1,1029 1,1136 1,1244 1,1354 1,1468	1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14	1,1468 1,1526 1,1636 1,1747 1,1859 1,1972 1,2086 1,2201 1,2317 1,2434 1,2552 1,2671 1,2790 1,2910 1,3031 1,3152 1,3274	15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. До начала работы необходимо:

- убедиться в отсутствии явных повреждений лабораторной установки;

- проверить наличие резиновых ковриков перед щитом управления;

- убедиться в отсутствии утечки греющего пара;

- убедиться в отсутствии подтеканий и течи рабочих емкостей, арматуры и в трубопроводах;

- проверить наличие греющего пара и воды.

2. Во время работы:

- строго руководствоваться данными методическими указаниями;

- не прикасаться голыми руками к неизолированным металлическим поверхностям, особенно к паропроводу;

- регулировать подачу исходного раствора, предупреждая переполнение выпарных аппаратов;

- следить за своевременным переключением сборников упаренного раствора;

- при отборе проб соблюдать установленную последовательность открытия и закрытия кранов пробоотборников;

- не оставлять работающую установку без наблюдения;

- докладывать о всех замеченных неполадках преподавателю или учебному мастеру.

3. По окончании работы:

- закрыть вентиль на линии подачи пара в выпарной аппарат;

- через некоторое время закрыть вентиль на линии подачи воды на установку;

- слить раствор в емкость слабого раствора из сборников упаренного раствора и выпарных аппаратов;

- сдать установку дежурному учебному мастеру (лаборанту).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ 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 выпарных аппаратов, барометрического конденсатора.

4. Каков порядок выполнения лабораторной работы?

5. Какие экспериментальные данные фиксируются при выполнении работы?

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ НА ЗАЩИТЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. В чем суть процесса выпаривания и в каких условиях его проводят?

2. Что является движущей силой процесса выпаривания?

3. В чем суть и основное преимущество многокорпусного выпаривания?

4. Чем отличается процесс выпаривания под атмосферным давлением и под вакуумом?

5. Чем отличается процесс выпаривания под атмосферным давлением и под избыточным давлением?

6. Каков физический смысл коэффициента теплопередачи?

7. Почему наличие неконденсирующихся газов в паровом пространстве уменьшает интенсивность теплоотдачи между конденсирующимся паром и греющими трубками?

8. Почему увеличение скорости движения раствора должно приводить к возрастанию коэффициента теплопередачи?

9. Какие слагаемые входят в уравнение теплового баланса выпарного аппарата?

10. На что расходуется тепло, переданное от первичного пара к раствору?

11. Рассказать все о растворных линиях двухкорпусной выпарной установки (используя схему рис.1).

12. Рассказать все о паровых линиях установки (используя схему рис.1).

13. Что является причиной естественной циркуляции раствора?

14. Что такое самоиспарение раствора?

15. При каких условиях возможно это явление?

16. Когда и как надо учитывать самоиспарение при расчетах?

17. Назначение, устройство и принцип действия барометрического конденсатора.

18. Назначение вакуум-насоса на выпарной установке.

19. Назначение, устройство и принцип действия конденсатоотводчика.

20. Основные типы выпарных аппаратов, применяемые в химической промышленности (иметь представление о конструкции, принципе работы, основных достоинствах и недостатках, уметь изобразить принципиальную схему).

21. Из каких основных частей состоит выпарной аппарат?

22. Устройство и принцип действия сепаратора выпарного аппарата.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии- М.: Химия, 1973.

2. Павлов П.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» - М.; Л.: Химия, 1981.

3. Справочник химика. Том 5. - М.; Л.: Химия, 1966.

4. Романков П.Г. Руководство к лабораторным работам по процессам и аппаратам химической технологии - Л.: Химия, 1969.

Работа № 3

ИЗУЧЕНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ НА ТАРЕЛКАХ МАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

В химической и в родственных с ней отраслях промышленности для осуществления массообменных процессов в системах жидкость-жидкость, жидкость-газ (пар) наибольшее распространение получили колонные аппараты с тарельчатыми контактными устройствами (тарелками). Достоинствами тарельчатых колонн являются, в частности, меньший (по сравнению с насадочными) вес при одинаковой производительности, устойчивая работа при изменении нагрузок и др.

В массообменных колоннах применяются тарелки различных конструкций, существенно различающиеся по своим рабочим характеристикам и технико-экономическим данным. В настоящее время известны сотни различных конструкций тарелок, однако универсальной нет.

Сведения о них приведены в [1, с. 475-480; 2, с.69-79]. Ориентировочные сравнительные данные по наиболее распространенным тарелкам приведены в таблице балльных оценок, помещенной в конце работы № 3 (табл.3).

Основное требование к контактным устройствам заключается в том, чтобы привести в тесное взаимодействие рабочие среды и создать непрерывное и интенсивное обновление поверхности фазового контакта на них. Это осуществляется различными способами для тарелок разных типов.

Однако во всех случаях увеличение относительной скорости взаимодействующих фаз приводит к увеличению турбулентности двухфазного порока и, следовательно, к увеличению скорости обновления поверхности. Но, с другой стороны, возрастание брызгоуноса, неизбежно сопровождающее рост скорости газового (парового) потока, приводит к ухудшению эффективности работы тарелок.

Таким образом, эффективность массообмена в значительной мере определяется гидродинамическими условиями на тарелке. В зависимости от величины и соотношения нагрузок по газовой (паровой) и жидкой фазам наблюдаются различные гидродинамические режимы [1, с. 449-450, 2, с. 71-78]. Нормальный режим работы тарелок с организованным переливом соответствует таким нагрузкам, при которых газ (пар) равномерно проходит через все свободное сечение тарелки, а жидкость сливается с нее через переливное устройство.

Рабочие характеристики тарелок и их возможности при реализации того или иного массообменного процесса в значительной мере определяются сопротивлением тарелок потоку газа (пара), рассчитать которое предварительно не всегда возможно. В связи с этим часто возникает необходимость в экспериментальном исследовании гидродинамического сопротивления тарелок, его зависимости от геометрических характеристик их и нагрузок по фазам, чему и посвящается данная лабораторная работа.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Закрепить теоретические знания по гидродинамике тарельчатых контактных устройств колонных массообменных аппаратов.

2. Практически ознакомиться с некоторыми конструкциями тарелок и их работой. Приобрести навыки визуального определения различных гидродинамических режимов.

3. Экспериментально определить зависимость гидравлического сопротивления сухой тарелки от скорости газа (воздуха), коэффициент сопротивления ее.

4. Экспериментально определить зависимость гидравлического сопротивления тарельчатых контактных устройств от скорости газа (воздуха), расхода жидкости (воды) и высоты сливного порога.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ (рис.1)

Установка предназначена для исследования гидродинамических режимов работы контактных устройств колонных массообменных аппаратов в системе газ (воздух) - жидкость (вода), для визуального наблюдения за гидродинамикой газожидкостного слоя и определения характера гидродинамического режима.

Она оборудована измерительными приборами и устройствами, необходимыми для достижения сформулированных в п. 1 целей. Ниже дается подробное ее описание.

Установка состоит из колонны, выполненной из двух царг 1, 2. Нижняя царга 2 является продолжением бака-хранилища жидкости. В днище бака введены шесть распределительных труб 5, через которые воздух поступает в колонну. Сверху трубы покрыты колпачками. Бак имеет указатель уровня жидкости 8 и штуцер для залива и слива жидкости (воды). Верхняя царга 1 - подъемная. Для облегчения подъема она уравновешена двумя противовесами (на схеме не показаны). Уплотнение между неподвижной крышкой колонны 6 и верхней царгой 1 выполнено в виде гидравлического затвора 7. В царгах имеются окна для наблюдения за процессом на тарелке и сливом воды, кроме того через окно в верхней царге устанавливаются сливные перегородки (пороги) 4. Исследуемые тарелки 3 зажимаются между фланцами верхней и нижней царг колонны. Воздух в колонну подается центробежным вентилятором 10 (марка Ц 4-70 № 3), присоединенным всасывающим патрубком через трубопровод к патрубку на крышке 6. Регулирование расхода воздуха производится заслонкой 16. Для измерения расхода воздуха на трубопроводе установлена мерная диаграмма 11, подключенная к дифманометру 12. Потери напора воздуха, проходящего через тарелку (гидродинамическое сопротивление), замеряются дифманометром 13. Вода из бака-хранилища 2 на тарелки подается насосом 9 через ротаметры 14. Расход воды в соответствии с показаниями ротаметра определяется по тарировочному графику, помещенному на приборном щите. Изменение и регулировка его осуществляются с помощью вентилей 17.

Для подъема верхней царги аппарата предусмотрен гибкий участок трубопровода 15. 18-21 - запорная арматура.

Для исследований в ходе лабораторной работы предлагаются следующие пять контактных устройств - тарелок.

Ситчатая тарелка [1, с. 451; 2, с. 72] представляет собой перфорированную пластину. Диаметр отверстий - 2,5 мм, шаг отверстий - 11 мм. Свободное (живое) сечение тарелки - отношение площади отверстий к площади тарелки - 3,9%.

Клапанная тарелка с круглыми (дисковыми) клапанами (типа «флекситрей») [1, с. 453; 2, с. 73] представляет собой тарелку с переменным проходным сечением для газа (пара), обеспечиваемым различной высотой поднятия круглых клапанов (крышек, закрывающих под действием силы тяжести отверстия в перфорированной пластине) с верхними ограничителями при изменении нагрузки по газовой (паровой) фазе. Диаметр отверстий - 8 мм, шаг отверстий - 40х50 мм, диаметр клапана - 31 мм, максимальный подъем клапана - 3 мм, свободное сечение тарелки - 2%.

Клапанная тарелка с пластинчатыми клапанами [1, с. 453; 2, с. 74]. Так же, как и предыдущая, это тарелка с переменным проходным сечением по газу (пару). Пластина тарелки имеет прорези прямоугольной формы, которые перекрываются L -образными пластинчатыми клапанами.

В нерабочих условиях клапан под действием собственного веса закрывает прорезь, в рабочих условиях поток газа (пара) поднимает более легкую часть клапана (широкую его полку), проходя в образовавшуюся щель под углом к плоскости тарелки в сторону движения жидкости по ней. При дальнейшем возрастании нагрузки по газовой (паровой) фазе клапан поднимается полностью, удерживаемый в этом положении верхними ограничителями.

Ширина прорезей - 12 мм, длина прорезей - 120 мм, расстояние между ними - 24 мм, свободное сечение тарелки - 16%.

Тарелка из S -образных элементов («Юнифлюкс») [4, с. 509].

Штампованные S -образные элементы, из которых собирается тарелка, образуют колпаки с односторонним выходом, открытые таким образом, что газ (пар) выходит в том же направлении, что и текущая на тарелке жидкость. Это содействует движению последней в сторону перетока, уменьшает разность уровней жидкости на тарелке и снижает сопротивление движению газа (пара). Свободное сечение тарелки - 55%.

Тарелка многократного массообмена или рециркулярная (рис.2).

Эта тарелка используется в процессах абсорбции и ректификации при повышенных давлениях порядка 6 Мпа, т.е. в условиях высокой плотности паров. Принцип работы тарелки в следующем. Газ (пар), поднимаясь по колонне, проходит через круглые отверстия нижней ступени и контактирует с жидкостью, находящейся на тарелке, образуя барботажно-пенный слой. Этот слой течет над открытыми ящиками, попадает в них и успокаивается, благодаря чему образуется перепад давлений, из-за чего жидкость вытекает из ящика через отверстия в нем и снова попадает на то место тарелки, которое она уже прошла.

Свободное сечение тарелки -4,3%.

Рис. 2. Схема тарелки многократного массообмена

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

После внимательного ознакомления с лабораторной установкой (см. рис.1) и получения допуска к работе приступить к ее выполнению.

При отсутствии или малом количестве воды в баке-хранилище (устанавливается по водомерному стеклу 8) заполнить его водой до контрольной отметки на водомерном стекле (допустимо незначительное отклонение). Заполнение бака водой, в силу особенностей данной лабораторной установки, производится через гидрозатвор 7, для чего следует открыть вентиль 19. Заполнив гидрозатвор, тем самым обеспечив требуемую герметичность установки, вода будет поступать в бак-хранилище, что фиксируется визуально через смотровые окна. После заполнения бака-хранилища вентиль 19 закрыть.

Установка (смена) переливного порога 4 производится через прямоугольный люк на верхней царге 1 в следующей последовательности. Отвернуть гайки на болтах, удерживающих крышку, снять ее, вынуть металлическую пластинку - переливной порог 4 из пазов, в которые он вставлен, и установить на его место другой. После этого плотно закрыть крышку люка.

Для смены контактного устройства необходимо:

- освободить от болтов фланцы, соединяющие царги колонны 1 и 2;

- поднять верхнюю царгу до упора в штыри;

- тщательно установить исследуемую тарелку 3 в углубление фланца нижней царги колонны;

- опустить верхнюю царгу колонны и затянуть фланцы болтами.

Установив в колонну, по согласованию с преподавателем, нужную тарелку, приступить к гидродинамическим исследованиям. Сопротивление при прохождении газа (пара) через тарелку складывается из сопротивления сухой тарелки Дpс.т. , сопротивления слоя газожидкостной эмульсии Дpсл. на ней и сопротивления, обусловленного силами поверхностного натяжения жидкости Дpу. Величиной последнего для данных контактных устройств в условиях опыта можно пренебречь.

1. Гидравлическое сопротивление сухой тарелки.

Установив заслонку 16 (рис.1) на линии выхода воздуха из колонны в положение «закрыто», включить вентилятор 10, после чего установить некоторый расход воздуха, фиксируя рукоятку заслонки 16 в одном из рабочих положений. Для определения величины расхода воздуха снять показания дифманометра 12, соединенного с диафрагмой 11. Сопротивление сухой тарелки определить по показаниям дифманометра 13.

Повторить этот эксперимент еще пять-шесть раз, устанавливая в каждом случае новый расход воздуха (фиксируя рукоятку заслонки 16 в новом положении). Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1

Номер опыта, i	Сопротивление сухой тарелки	Сопротивление диафрагмы Дpдиаф. мм вод.ст	Скорость воздуха	Температура воздуха t, oС
	ДHс.т., мм вод.ст	Дpс.т., Па		w, м/с	w0, м/с

2. Гидравлическое сопротивление орошаемой тарелки Дpор..

В соответствии с целью лабораторной работы решается задача экспериментального исследования гидравлического сопротивления орошаемой тарелки выбранной конструкции от скорости газа (воздуха) w, объемного расхода жидкости (воды) L и от высоты газожидкостного слоя на тарелке (от высоты сливного порога - h). Для этого, как и в предыдущем эксперименте, включив вентилятор, установить некоторый произвольный расход воздуха. Предварительно зафиксировать величину высоты сливного порога, установленного на тарелке к началу работы.

При закрытых вентилях 17 (рис.1) на линии подачи воды включить насос 9. Плавно открывая один из вентилей 17, подать воду на тарелку с некоторым расходом, ориентируясь по числу делений ротаметра. Для обеспечения больших расходов воды открыть второй вентиль 17, пустив воду двумя параллельными потоками. Общий расход определить как сумму расходов по показаниям обоих ротаметров.

Изменением расхода воздуха установить на основе визуальных наблюдений через смотровые окна приемлемый гидродинамический режим работы тарелки, избегая проваливания жидкости и существенного брызгоуноса. При этих условиях определить и занести в табл.2 показания дифманометров 12 (сопротивление диафрагмы - ДHдиаф.) и 13 (сопротивление орошаемой тарелки - ДHор.), показания ротаметра - N, высоту сливной перегородки - h, определяющую высоту газожидкостного слоя на тарелке.

При той же сливной перегородке повторить опыт еще не менее двух раз. После чего выключить насос 9 и вентилятор 10, закрыть заслонку 10 и вентили 17.

Такие же эксперименты провести с тремя другими сливными перегородками. Высоты сливных перегородок, предлагаемых для исследования: 50 мм, 77 мм, 107 мм, 125 мм.

По окончании работы выключить насос 9, вентилятор 10, закрыть вентили 17 и заслонку 10. Привести в порядок рабочее место. Сдать установку учебному мастеру (лаборанту).

Таблица 2

Номер опыта,i	Сопротивление орошаемой тарелки	Показания ротаметра N, дел.	Массовый расход L, м/с	Скорость воздуха	Высотасливной перегородки h?103, м
	ДHор., мм вод.ст	Дpор., Па			ДHдиаф., мм вод ст	w, м/с

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

1. Определить скорость воздуха wi (м/с) в полном сечении аппарата по формуле

Wi = 0,0857 v ?Hдиаф.i ,

где ?Hдиаф. I - сопротивление диафрагмы, мм вод.ст. (табл. 1);

i - номер опыта (табл. 1).

2. Определить скорость воздуха w0i (м/с) в свободном сечении тарелки:

W0i = Wi / f.

Здесь f - свободное (живое) сечение тарелки (в долях единицы - см. п. 2).

3. Определить коэффициент сопротивления жi сухой тарелки из формулы

ДPс.т.i = жi с W0i2 / 2

Какi = 2 ДPс.т.i / с W0i2 .

Здесь ДPс.т.i - сопротивление сухой тарелки, определенное в I -том опыте, Па,

ДPс.т.i = с g ДHс.т.i ;

с - плотность воздуха, кг/м3 (определить при температуре воздуха в лаборатории); g - ускорение силы тяжести, м/с2; ДHс.т.i - сопротивление сухой тарелки, определенное экспериментально, мм вод.ст. (см. табл.1).

4. Определить среднее значение коэффициента сопротивления сухой тарелки

ж = 1/n У жi , i = (1, 2, …, n).

5. Из условия аддитивности полного гидравлического сопротивления орошаемой тарелки

Дpор. = Дpс.т. + Дpсл. + Дpх

и пренебрегая величиной Дpх сопротивления, обусловленного силами поверхностного натяжения, определить гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелке:

Дpсл.i = Дpор.i - Дpс.т.i .

6. Определить расход воды Li (м3/с) в каждом опыте по формуле

Li = (330,6 + 5,333?Ni)? 10 -6

или по тарировочному графику, помещенному на приборном щите установки.

Здесь Ni - число делений ротаметра (табл.2).

7.Определить скорость воздуха W0i в опытах с орошаемой тарелкой, как в п.п.1,2.

8. Результаты расчетов по п.п. 5-7 занести в табл. 2.

9. Аппроксимировать данные табл. 2 зависимости Дpсл. = f (W, L, h) степенным уравнением вида

Дpсл. = А W0 a L в h c .

Метод определения постоянных А, а, в, с выбрать самостоятельно.

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, ее номера, фамилии, и.о. студента, группы, специальности и фамилии, и.о. преподавателя, принявшего работу.

В отчете должны быть представлены:

- описание цели работы,

- схема лабораторной установки,

- описание работы установки,

- методика проведения работы,

- полученные экспериментальные данные,

- результаты обработки опытных данных,

- выводы.

Обозначения типов тарелок, принятые в табл. 3:

1 - колпачковая с круглыми колпачками,

2 - колпачковая с прямоугольными колпачками,

3 - из S -образных элементов («Юнифлюкс»),

4 - ситчатая с переливом,

5 - ситчатая с направляющими отбойниками,

6 - клапанная с круглыми клапанами,

7 - клапанная с прямоугольными клапанами,

8 - балластная,

9 - колпачково-ситчатая,

10 - решетчатая провальная,

11 - дырчатая провальная,

12 - трубчатая провальная,

13 - волнистая провальная,

14 - провальная с разной перфорацией,

15 - Киттеля,

16 - чешуйчатая,

17 - пластинчатая,

18 - гипронефтемаша,

19 - каскадная,

20 - Вентури.

Соответствие каждой тарелки тому или иному показателю оценено по шкале:

0 - не пригодна;

1 - сомнительно пригодна (целесообразно рассмотреть возможность замены другим типом);

2 - пригодна;

3 - вполне пригодна;

4 - хорошо пригодна;

5 - отлично пригодна.

При выборе тарелки должны учитываться лишь важнейшие для данного конкретного случая показатели. Тарелки, для которых одному из предъявляемых требований соответствует балл 0, отвергаются. Для остальных тарелок баллы суммируются по всем выдвинутым показателям. Самой пригодной можно считать тарелку, для которой сумма баллов наибольшая. Для окончательного выбора надо рассмотреть оценки по отдельным показателям, обращая внимание на баллы 1 и 5. Решение о выборе обычно является компромиссным между желательными и

нежелательными характеристиками. При этом учитывают и такие факторы, как опыт промышленной эксплуатации, возможность быстрого изготовления и т.д. Окончательный выбор конструкции тарелки делается по результатам технико-экономического сравнения.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. До начала работы необходимо:

- убедиться в отсутствии явных повреждений лабораторной установки,

- проверить наличие сухого резинового коврика на полу перед приборным щитом,

- проверить наличие и уровень воды в баке-хранилище 16 по водомерному стеклу 8.

2. Во время работы:

- строго руководствоваться данными методическими указаниями,

- при завинчивании и отвинчивании гаек пользоваться только исправными гаечными ключами (без забоев, трещин и т.п.), соответствующими размерам гаек,

- работы с гаечным ключом проводить в рукавицах, аккуратно, не допуская срыва ключа с гайки,

- после подъема подвижной царги 1 для смены тарелки установить в разъеме между фланцами деревянный брусок соответствующего размера для предотвращения аварийного опускания царги,

- следить за уровнем воды в баке-хранилище, не допуская его переполнения (выше контрольной отметки на водомерном стекле),

- включать насос подачи воды 9 только при закрытых вентилях 17 на ротаметрах,

- не оставлять лабораторную установку без присмотра,

- о всех замеченных неполадках докладывать преподавателю или учебному мастеру,

- поддерживать чистоту на рабочем месте.

3. По окончании работы:

- выключить вентилятор и насос,

- привести в порядок рабочее место и сдать установку дежурному учебному мастеру (лаборанту).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Какова цель предстоящей работы?

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

3. Какие контактные устройства - тарелки имеются на установке?

Их устройство и принцип действия.

4. Каков порядок выполнения лабораторной работы?

5. Какие экспериментальные данные фиксируются при выполнении лабораторной работы?

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ НА ЗАЩИТЕРЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Какие гидродинамические режимы возможны в барботажных (тарельчатых) колонных аппаратах с организованным переливом и без организованного перелива? Охарактеризовать каждый.

2. Чем определяется оптимальный гидродинамический режим работы тарелки?

3. Из чего складывается гидравлическое сопротивление тарелки?

4. Из каких соображений устанавливаются пределы скоростей газа (пара) в колонном аппарате с тарельчатыми контактными устройствами с организованным и без организованного перелива?

5. Что называется свободным (живым) сечением тарелки?

6. Основные типы тарельчатых контактных устройств, применяемых в химической промышленности (иметь представление о конструкции, принципе работы, достоинствах и недостатках, уметь изобразить графически принципиальную схему).

7. Как выбрать тип и конструкцию тарелки для конкретного случая, пользуясь балльной шкалой оценок?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии - М.: Химия, 1973.

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

3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - М.; Л.: Химия, 1987.

4. Рамм В.С. Абсорбция газов. - М.: Химия, 1966.

Работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ СУСПЕНЗИЙ В ЦЕНТРИФУГЕ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Одним из наиболее эффективных способов разделения жидких неоднородных систем, применяемых в различных отраслях промышленности, является центрифугирование, осуществляемое на специальных машинах, называемых центрифугами. В этих машинах отстаивание, фильтрация протекают в поле центробежных сил.

По принципу действия и технологическому назначению центрифуги делятся на отстойные и фильтрующие. Фильтрующие центрифуги применяются для разделения грубодисперсных сред и для отделения влаги от волокнистых, сыпучих нерастворяющихся материалов и продуктов.

Фильтрующая центрифуга имеет перфорированный барабан, покрытый изнутри сеткой и фильтрующей тканью.

Отстойные центрифуги имеют барабан со сплошными стенками и применяются для суспензий с диаметром частиц от 5 до 100 мкм.

В отстойных центрифугах поступающая суспензия разделяется на два продукта: слив, включающий в себя основную массу жидкости и небольшое количество наиболее мелких и легких частиц твердой фазы, и осадок, содержащий основную массу твердого вещества, увлажненного некоторым количеством жидкости.

В сливе преимущественно находятся частицы, размеры которых будут меньше некоторой определенной величины, называемой крупностью разделения. В осадке же остаются в основном частицы с размерами больше крупности разделения. Величина крупности разделения (граничного диаметра частиц) зависит от размеров центрифуги и от режима ее работы.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Цель работы - практическое ознакомление с работой осадительной шнековой центрифуги непрерывного действия НОТШ-325 и установление режима работы, обеспечивающего классификацию по крупности или разделение суспензии. При этом должны быть сделаны расчеты фактора разделения, крупности разделения, производительности центрифуги по суспензии и коэффициента эффективности осаждения твердых частиц.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Центрифуга НОТШ представляет собой (рис.1) глухой барабан 1 конической формы, вращающийся на полых цапфах. Внутри барабана более быстро вращается шнек 2 с полым валом, цапфы которого находятся внутри цапф конического барабана.

Суспензия для разделения подается по трубе 3 в полый вал шнека 2 и через отверстия вала поступает в наружный барабан.

Твердые частицы как более тяжелые осаждаются под действием центробежных сил на внутренней поверхности конического барабана. Вывод «чистой» жидкости осуществляется через окна 4 конического барабана с поверхности «сливного цилиндра» жидкости (Дсл.).

Осадок медленно перемещается шнеком 2 по внутренней поверхности конического барабана 1 к разгрузочным окнам 5, расположенным в узкой части барабана.

Осадок перемещается в результате того, что шнек делает большее на 2% число оборотов в единицу времени, чем конический барабан, вращаясь с ним в одном и том же направлении от редуктора 6.

При транспортировании влажного осадка на участке Lос. осуществляется его центробежное отжатие (сушка). Чем больше длина этого участка, тем более сухой осадок выгружается из центрифуги.

С увеличением Lос. уменьшается Lсл. и, следовательно, понижается полезная емкость ротора, то есть зона разделения суспензии. Это приводит к снижению производительности центрифуги. Поэтому возможность получения более обезвоженного осадка связана с уменьшением производительности центрифуги.

Конструкция центрифуги предусматривает изменение соотношения Lос. и Lсл. за счет изменения Дсл. специальными сменными кольцами, устанавливаемыми на окнах 4.

Центрифуга НОТШ вращается электродвигателем постоянного тока 3 (рис.2), скорость которого регулируется ручкой автотрансформатора. Потребляемая мощность центрифуги определяется по показаниям амперметра и вольтметра, установленным на щите управления.

Суспензия приготавливается в баке 7, взмучивается мешалкой и насосом 6 подается в распределительную емкость 8, состоящую из двух воронок, откуда в зависимости от положения поворотного отвода 9 может быть направлена в центрифугу по трубе 2 или в мерный бачок 1.

Мерный бачок на водомерном стекле имеет указатель уровня жидкости, шкала которого проградуирована в единицах объема. При опорожнении мерного бачка суспензия через открытый кран К-1 сливается в бак 7. Промывка центрифуги после окончания работы производится водой, поступающей по трубопроводу с краном К-2.

Для более полного удаления частиц осадка из центрифуги перед промывкой необходимо открыть сливное отверстие, расположенное на периферии большой крышки конического барабана.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Приготовить в баке рабочую жидкость, представляющую собой суспензию из твердых частиц обожженной глины и воды. Концентрация твердой фазы берется 10% весовых (т : ж = 1 : 9). Включить электродвигатель мешалки на баке 7 - суспензия взмучивается 10 минут. Переведя рукоятку в положение, соответствующее надписи «Мерный бак», насосом 6 и вентилем В-1 установить ориентировочный расход суспензии. Затем, закрыв кран К-1, по секундомеру определить время частичного заполнения мерного бака 1, в результате чего определить расход суспензии. Необходимо по уровню суспензии в водомерном стекле следить за наполнением мерного бака 1 и не допускать подъема уровня в нем выше ограничивающей черты, чтобы избежать перелив суспензии через верхний край мерного бачка. После определения расхода суспензии открыть кран К-1 и выключить насос 6. Закрыть сливное отверстие на крышке конического барабана и ограждение ротора центрифуги, включить электродвигатель центрифуги, регулируя автотрансформатор, установить заданное число оборотов ротора центрифуги по показанию тахогенератора, установленного на валу двигателя. Рекомендуемое число оборотов выбирается в пределах 1500…2500 об/мин.

После вывода центрифуги на заданное число оборотов включить насос 6, перевести рукоятку поворотного отвода 9 в положение, соответствующее надписи «центрифуга», то есть перевести подачу суспензии по трубе 2 в центрифугу.

Пусковой режим работы центрифуги обусловлен временем заполнения рабочего объема суспензией и заканчивается за 5-10 с, о чем можно судить по установившимся показаниям амперметра и вольтметра.

Во время работы центрифуги осадок и фугат собираются в отдельные емкости 5,4.

Рабочее время работы центрифуги целесообразно выбирать в пределах 45-60 с. За это время необходимо взять из потока пробы осадка и фугата массой 0,5 г для их микроскопического исследования. После этого времени работы выключить насос 6 - прекратить подачу суспензии в центрифугу и спустя 10-20 с выключить центрифугу. За последний промежуток работы центрифуги обеспечивается более полная очистка ротора центрифуги от оставшегося осадка. Из емкостей 5,4 осадок и фугат возвращаются в бак 7. При этом необходимо замерить вес осадка и объем собираемого фугата. Открыть кожух центрифуги и сливное отверстие на коническом барабане центрифуги, промыть центрифугу водой, открывая кран К-2 и медленно проворачивая ротор вручную. Объем воды, используемой для промывки,

3-5 л. Вода после промывки из емкости для фугата сливается на сброс.

Все данные замеров сводятся в таблицу, которую студент должен составить самостоятельно, после чего производится обработка опытных данных.

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

Анализ осадка и слива на крупность разделения твердых частиц производится под микроскопом. Перед анализом осадок предварительно разбавляют водой до концентрации, примерно равной концентрации слива.

При анализе пробы осадка в поле зрения микроскопа выбирается несколько наиболее мелких частиц и находится их средний приведенный диаметр:

dср. осадка = d1 + d2 + …. + dn / n частиц, м(1)

При анализе пробы слива определяется средний приведенный диаметр такого же количества наиболее крупных частиц:

dслива = d1м + d2м + …. + dnм / nм частиц, м.(2)

Среднее из двух средних приведенных диаметров можно принять за крупность разделения :

dкр. разд. = dср.осадка + d ср. слива / 2, м(3)

При обработке опытных данных вязкость жидкости и плотности твердой фазы и жидкости определяются по справочным таблицам.

Производительность центрифуги рассчитывается по уравнению

Q факт. = V м / 1000 ф, м3/с,(4)

где Vм - объем суспензии, заполнившей мерный бачок, в литрах за время замера; ф - время заполнения, с.

Определяется фактор разделения

Frц = щ2 R/g = щ2/ Rg = 5,58?10 -4? n2? Dсл.(5)

где n - число оборотов ротора центрифуги, об/мин;

n = nэл.двигателя ? 1,165,(6)

где nэл.двигателя - число оборотов электродвигателя, об/мин;

1,165 - передаточное число ременной передачи; Dсл. - внутренний диаметр слоя жидкости, м.

Порозность суспензии в роторе центрифуги, исходя из весового соотношения твердой и жидкой фаз (т : ж = 1 : 9), определяют по формуле

Е = 9/сж / 9/сж + 1/с тв.,(7)

где ств. и сж - плотность твердой и жидкой фазы, кг/м3, - по таблицам.

Скорость центробежного осаждения твердых частиц с размером крупности разделения в суспензии:

Vос. = н Ar? Frц е4,75/ d кр. разд. (18 + 0,6 v Ar•Fr•е4,75),(8)

где н - кинематическая вязкость жидкости, м2/с; dкр.разд. - крупность разделения, м;

Ar = g d3кр.разд. (ств. - сж) / н2?сж - критерий Архимеда.(9)

Теоретическая производительность центрифуги

Q теор. = Vос.? 2р? rср.Lср., м3/с,(10)

где rср. = Dн/2 + Dсл/2 / 2 , м; Lср. = Lсл./2, м.(11, 12)

Коэффициент эффективности осаждения

з = Qфакт. / Qтеор(13)

Производительность центрифуги по количеству переработанной суспензии:

Qфакт. = Gс? 60/ ф, л/ч(14)

или

Qфакт. = Gс?сс ? 60/ ф, кг/ч,(15)

где Gс - количество переработанной за время опыта суспензии,

Gс = Vф?сф + Gос., кг,(16)

где Vф - объем собранного фугата, м3; сф - плотность собранного фугата, кг/м3; Gос. - вес влажного осадка, кг.

Производительность центрифуги по влажному осадку

Qос. = Gос.? 60/ ф, кг/ч.(17)

Производительность центрифуги по сухому осадку

Qос.сух. = Gос.сух.? 60/ф, кг/ч.(18)

Вес сухого осадка определяем по формуле

Gос.сух. = Gос. (100 - W)/100, кг,(19)

Где W = gвл. - gсух.?100% / gвл. - влажность осадка;(20)

gвл., gсух. - вес пробы влажного осадка и вес этой пробы в сухом состоянии, г.

Производительность по фугату

Qф. = Vф.? 60/ ф, м3/ч.(21)

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, ее номера, фамилии, и.о. студента, группы, специальности и фамилии, и.о. преподавателя, принявшего работу.

В отчете 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 РАБОТЫ

1. До начала работы:

- получить разрешение у преподавателя или учебного мастера на включение установки;

- проверить наличие сухого резинового коврика на полу перед установкой;

- проверить наличие суспензии в баке 7.

2. Во время работы:

- руководствоваться данными методическими указаниями;

- не включать центрифугу при открытом ограждении ее корпуса;

- не прикасаться руками к вращающимся и двигающимся элементам установки;

- внимательно поворачивать отвод 9 к линии ввода суспензии при работе центрифуги;

- не оставлять работающую установку без присмотра;

- докладывать о всех замеченных неполадках преподавателю или учебному мастеру.

3. По окончании работы:

- выключить насос подачи суспензии, мешалку, центрифугу;

- удалить осадки с ротора центрифуги, из бака 4, фугат из бака 5;

- сдать установку дежурному учебному мастеру (лаборанту).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ 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 центрифуги со шнековой выгрузкой осадка.

4. Каков порядок выполнения работы?

5. Какие данные фиксируются при выполнении работы?

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ НА ЗАЩИТЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Основные типы центрифуг.

2. Методы съема осадков в центрифугах.

3. Основные характеристики суспензий.

4. Каков физический смысл фактора разделения, индекса производительности?

5. С какой целью производится экспериментальное определение крупности разделения, эффективности осаждения?

6. Устройство и принцип действия основных элементов центрифуги со шнековой выгрузкой осадка.

7. Как регулируется длина участка Lос. - центробежного обезвоживания осадка?

8. Основное оборудование, необходимое для включения в схему работы центрифуги (иметь представление о конструкции, принципе работы, основных достоинствах и недостатках, уметь изобразить принципиальную схему).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Руководство к практическим занятиям в лаборатории процессов и аппаратов химической технологии / Под ред. П.Г.Романкова. - Л.: Химия, 1975.

2. Соколов В.И. Современные промышленные центрифуги. - М.: Машиностроение, 1967. - 523 с.

3. Финкельштейн Г.А. Шнековые осадительные центрифуги. - Л.; М.: Госхимиздат, 1952. - 143 с.

4. Плановский А.Н., Рамм В.М., Коган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. - М.: Госхимиздат, 1962.

Работа № 5

ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

Измельчением называется процесс уменьшения размеров кусков (зерен) твердого материала путем разрушения их под действием внешних сил.

Измельчение служит для повышения интенсивности и эффективности большинства химических, тепловых, диффузионных процессов, идущих при участии твердой фазы, путем увеличения ее поверхности.

Химическая промышленность не имеет себе равных по многообразию измельчаемых материалов, степени измельчения, типам и размерам измельчительного оборудования.

В химической промышленности применяют все виды измельчения, начиная от самого крупного (размер кусков материала - 200-300 мм) и кончая коллоидным (размеры частиц составляют доли микрона). В широком диапазоне изменяются производительность и размеры измельчителей. В зависимости от крупности исходного сырья и требований к конечному продукту измельчение производят в один или несколько приемов по открытому или закрытому циклу. В первом случае перерабатываемое сырье не возвращается в измельчитель для дальнейшей обработки.

О результатах процессов измельчения принято судить по величине степени измельчения i, равной отношению размера D куска материала до измельчения к размеру d куска после измельчения, т.е.

i = D/d.

В зависимости от размеров кусков исходного сырья и конечного продукта различают следующие виды измельчения (табл.1).

Таблица 1

Вид измельчения	Размер кусков материала, мм	Степень измельчения	Рекомендуемые способы измельчения
	до	после
Дробление:
крупное	1500-300	300-100	3-5	Раздавливание, раскалывание
среднее	300-100	50-10	5-10	Раздавливание, раскалывание, удар
мелкое	50-10	10-2	10-50	Раздавливание, удар
Измельчение: (помол)
тонкое	10-2	2-75х10 -3	100	Раздавливание, удар, истирание
сверхтонкое	2…75?10 -3	75?10 3-1?10 -4	до1000 и более	Истирание, вибрация высокой частоты, удар частиц друг о друга

Обычно перерабатываемый сыпучий материал не является однородным по размерам частиц, а представляет собой смесь нескольких (m) фракций с размером зерен dx 1, dx2, dx3…dxi…dxm, причем весовые доли этих фракций соответственно составляют a1, a2, a3, a4…ai,…am. В этом случае за средний размер частиц принимают эквивалентный диаметр, определяемый по формуле:

dэ = 1/У di/dxi.

Твердый материал можно измельчать раздавливанием, раскалыванием, разламыванием, истиранием, ударом, резанием, распиливанием и различными комбинациями этих способов (рис.1).

Машины для измельчения классифицируются по двум принципам:

1) по крупности получаемого продукта; 2) по способу измельчения.

По первому принципу различают дробилки и мельницы. По способу

измельчения машины бывают: а) раскалывающего действия; б) раздавливающего действия; в) истирающе-раздавливающего действия и т.д.

Основные измельчающие машины подразделяются на следующие виды: 1) щековые дробилки; 2) тирационные дробилки; 3) молотковые дробилки (мельницы); 4) валковые мельницы (дробилки); 5) бегуны;

6) ударные мельницы: а) дезинтеграторы; б) дисмембраторы; 7) шаровые и стержневые мельницы; 8) кольцевые мельницы; 9) вибрационные мельницы; 10) коллоидные мельницы и т.п.

Крупное и среднее дробление производят, как правило, сухим способом, мелкое дробление и помол - сухим и мокрым способами (обычно в водной среде).

При сухом измельчении потребление энергии в 1,3 раза выше, чем при мокром. Кроме того, большое количество энергии затрачивается на работу сепарационной системы.

При мокром измельчении уменьшается пылеобразование, частицы получаемого продукта имеют более равномерную крупность, значительно облегчается загрузка материала. Однако износ металла при мокром измельчении больше, чем при сухом.

Рис. 1. Способы измельчения:

а - раздавливание; б - раскалывание; в - разламывание; г - резание; д - распиливание; е - истирание; ж - стесненный удар; з - свободный удар

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Ознакомление с процессом измельчения твердых материалов.

2. Практическое ознакомление с устройством и работой щековой дробилки, молотковой дробилки и бегунов.

3. Экспериментальная проверка теоретической формулы измельчения материалов по величине затраты энергии на измельчение материала в щековой дробилке со сложным качанием щеки.

4. Проведение ситового анализа.

5. Определение величины удельной поверхности материала после измельчения на щековой и молотковой дробилках и бегунах.

6. Построение графика зерновой характеристики измельчаемого материала.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Учебное дробильное оборудование состоит из щековой дробилки со сложным движением щеки, молотковой дробилки и бегунов, схемы которых представлены на рис.2-4.

В щековой дробилке со сложным качанием щеки (рис.2) имеется возможность изменять угол наклона подвижной щеки 2, т.е. угол захвата и ширину выгрузочного отверстия от 6 мм при крайнем нижнем положении рукоятки до 20 мм при крайнем верхнем ее положении. Размеры загрузочного отверстия (60х90 мм) при этом практически не изменяются.

Длина щеки L = 210 мм.

Ход подвижной щеки S = 12 мм.

Эксцентриситет вала r = 6 мм.

Число оборотов приводного вала - 280 об/мин.

Рабочая высота щеки H = 65 мм.

Мощность установленного электродвигателя - N = 0,55 кВт;

n = 1410 об/мин.

Рис.2. Схема щековой дробилки:

1 - неподвижная щека; 2 - подвижная щека; 3 - броневые плиты; 4 - эксцентриковый вал привода; 5 - механизм для регулирования угла захвата.

Рис.3. Схема молотковой дробилки:

1 - корпус; 2 - броневые плиты; 3 - вал; 4 - диск; 5 - молоток;

6 - разгрузочная (колосниковая) решетка.

Лабораторная молотковая дробилка (рис.3) имеет ротор с пятью рядами шарнирно насаженных бил (по 2-3 била в ряду).

Всего на роторе 13 бил. Диаметр ротора 140 мм, его длина 120 мм. Число оборотов ротора - 700 об/мин.

Ширина разгрузочных щелей колосниковой решетки - 6,0 мм.

Максимальная крупность кускового загружаемого материала 25-30 мм.

Мощность электродвигателя - N = 0,35 кВт,

n = 1410 об/мин.

Рис. 4. Схема бегунов с неподвижной чашей: 1 - каток; 2 - чаша; 3 - привод; 4 - скребки.

Бегуны (рис.4) имеют неподвижную чашу 2 и нижний привод. Выгрузка измельченного материала производится через специальное отверстие, закрываемое заслонкой. Диаметр чаши D = 500 мм, диаметр катка d = 260 мм, ширина катка b = 68 мм.

Скорость вращения катков вокруг вертикальной оси n1 = 34 об/мин. Мощность установленного электродвигателя N = 0,35 кВт, n = 1390 об/мин.

В лабораторной работе для измельчения используется белый или красный строительный кирпич

Определение гранулометрического состава материала после щековой и молотковой дробилок и бегунов производится методом ситового анализа. Определение среднего размера кусков материала, подаваемого в щековую дробилку, производится по результатам прямых изменений штангенциркулем.

Набор сит по ГОСТ 3584-58 с поддоном для ситового анализа.

Киловаттметры 0-2 кВт, которые включены в сеть электродвигателей щековой и молотковой дробилок для определения потребляемой мощности.

Весы РН-10Ц13М, 0,1-10 кг, штангенциркуль.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Перед проведением работы необходимо ознакомиться с устройством лабораторного измельчающего оборудования. Подготовить исходный материал. Общая масса материала должна быть около 1 кг (5 кусков по 200г каждый).

Каждый кусок замерить штангенциркулем по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Результаты измерений для каждого из n кусков (размеры ai, bi, ci, i от 1 до n, где n - количество кусков материала в исходной смеси) записать.

Установить с помощью зажимного устройства и регулировочной рукоятки необходимую ширину выгрузочного отверстия (по своему желанию или по заданию преподавателя). Включив дробилку, вручную осторожно загружать куски исходного материала в щековую дробилку. Через каждую минуту рабочего периода дробилки отмечать показания киловаттметра. Результаты занести в таблицу № 3. Загруженный материал раздробить полностью, по завершении дробления вновь отметить показания киловаттметра при работе дробилки на холостом ходу. По окончании измельчения дробилку выключить. Из собранного в приемник измельченного продукта взять пробу массой 0,2-0,3 кг для определения гранулометрического состава.

Пробу поместить на верхнее сито ситового набора, состоящего из 8-10 сит соответствующих номеров (верхним можно поставить сито с размером 10 мм).

Ситовой набор помещается на столик установки для механической классификации и закрепляется на нем с помощью двух зажимных винтов. Сверху на крышку опускается рычаг - встряхиватель.

Установка включается на 5-10 мин. После включения электродвигателя набор сит снимается с установки. Ситовой набор разбирается, и материал, находящийся на каждом сите (начиная с верхнего) и в поддоне, взвешивается на весах с точностью до 0,1 г.

Результаты взвешиваний записывают в форме таблицы в той последовательности, в какой были установлены сита в наборе (табл.4).

Материал, измельченный в щековой дробилке (отобранную для ситового анализа фракцию присовокупить), направить далее на измельчение в молотковую дробилку.

Для этого включить дробилку, открыть верхнюю крышку и, придерживая противовес загрузочного устройства, высыпать материал в бункер. После чего закрыть крышку бункера и, медленно поднимая противовес питателя вверх, подать материал в рабочее пространство дробилки. Произвести измельчение. Во время работы дробилки записать показания ваттметра через каждые 30-60 секунд. После завершения дробления снять показания ваттметра на холостом ходу дробилки.

По окончании работы выключить дробилку и вынуть приемник готового продукта. Измельченный на молотковой дробилке материал собрать, взвесить и вновь провести ситовой анализ, аналогично описанному выше. Результаты анализа также записать в таблицу 4.

Материал, измельченный в молотковой дробилке, подать на измельчение в бегуны, высыпав его в чашу 2 (см. рис. 4) и включив электродвигатель.

Время измельчения в бегунах устанавливается преподавателем. По истечении этого времени отбирается проба («на ходу») для определения гранулометрического состава. Для этого открывается заслонка выгрузочного отверстия. После отбора пробы бегуны выключаются.

Рассев производится на наборе сит более мелких, чем в предыдущих случаях (верхнее сито с размером отверстий 4 мм).

Результаты записать в таблицу 4.

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

1. Определение наибольшего общего усилия, передаваемого щеке дробилки со стороны материала (усилия дробления).

Усилие дробления можно рассчитать по формуле

Pmax = q L H = 27 LH,

где q - максимальное расчетное давление на 1 см2 площади щеки.

По опытным данным q = 1,2 Хвр. f0 = 1,2?90 ? 0,25 = 27 кг/см2,

где Хвр - предел прочности материала на растяжение, кг/см2;

f0 - коэффициент использования площади контакта; L - длина щеки (неподвижной), см; H - высота неподвижной щеки, см.

Расчет всех звеньев щековой дробилки на прочность ведут по расчетному усилию:

Pрасч. = 1,5 Pmax, кГ.

С другой стороны, величину максимального усилия можно определить, зная мощность, расходуемую на дробление материала, по формуле:

N = m в P мmax / 102 з ? 2rn / 60, кВт,

где N = N1 - N2 - соответственно потребляемая дробилкой мощность при рабочем и холостом ходах дробилки; r - эксцентриситет вала; n - число оборотов эксцентрикового вала в минуту, об/мин; m - коэффициент (конструктивный) для дробилки со сложным качанием щеки, m = 0,5; з - коэффициент полезного действия дробилки (з = 0,65-0,85); в = Pэф. / Pmax - коэффициент, равный отношению эффективного усилия дробления к максимальному усилию дробления (по опытным данным для дробилок со сложным качанием щеки в = 0,2).

Результаты сопоставления расчетных данных усилия дробления с экспериментальными заносим в табл. 2.

Таблица 2

Показатели	Численные Значения
Длина щеки, L, м Рабочая высота неподвижной щеки, H, м Эксцентриситет вала, r, м Число оборотов вала, n, об/мин Расчетное максимальное усилие дробления Pmax = 27 LH, кГ Мощность, потребляемая дробилкой при рабочем ходе (среднее значение по показателям киловаттметра) N1, кВт Мощность, потребляемая дробилкой при холостом ходе (среднее значение по показателям киловаттметра), N2, кВт Мощность, расходуемая на дробление материала, N = N1 - N2, кВт Максимальное усилие дробления по экспериментальным данным, P мmax = 2250 N / m в r n, кГ Расхождение е = Pmax - P мmax / Pmax ? 100%

2. Определить средний (из ai, bi, ci) размер di каждого из n кусков исходного материала, подаваемого в щековую дробилку, как

di = ai + bi + ci / 3, мм.

3. Определить средний размер d куска материала, подаваемого в щековую дробилку, как

d = У di / n, мм.

Результаты занести в табл. 3

Таблица 3

№ п.п.	Размеры кусков	di	d = У di / n
	ai	bi	ci
1 2 3 4 5 6

4. Результаты ситовых анализов, расчетные значения величины удельной поверхности измельченного материала (расчет произвести, принимая шаровую форму частиц) свести в табл. 4.

5. По данным ситовых анализов материала после щековой, молотковой дробилок и бегунов построить кумулятивные кривые гранулометрического состава для каждого случая.

Графической экстраполяцией определить максимальный размер частиц в верхнем сите и минимальный - в поддоне.

Для всех трех случаев ситового анализа определить средний размер частиц на каждом сите как среднее арифметическое из размеров отверстий проходного и непроходного сит, т.е. dj = dпр. + dнепр. / 2.

При определении среднего размера частиц на верхнем сите и в поддоне ситового набора соответственно за величины dнепр. j и dпр.j взять экстраполированные значения по кривой гранулометрического состава.

6. Определить средний размер частиц материала после измельчения на щековой дробилке d щ , на молотковой дробилке d м и на бегунах d б как среднее арифметическое взвешенное из соответствующих значений средних размеров частиц по фракциям:

d щ (м, б) = У d j a j / У a j.

7. Определить степень измельчения iщ в щековой дробилке:

iщ = d / dщ.

8. Определить степень измельчения iм в молотковой дробилке:

iм = d щ / dм.

9. Определить степень измельчения i б в бегунах:

iб = dм / dб.

10. Определить общую степень измельчения i материала:

i = d / dб.

11. Результаты ситового анализа продуктов измельчения представить также графически в координатах:

содержание данной фракции % - номер сит (диаметр отверстий в ситах, мм).

12. По специальному заданию преподавателя произвести:

а) на щековой дробилке исследование зависимости степени измельчения от размера выпускной щели;

б) на бегунах динамику процесса измельчения по изменению фракционного состава измельченного материала во времени.

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, ее номера, фамилии, и.о. студента, группы, специальности и фамилии, и.о. преподавателя, принявшего работу.

В отчете 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 РАБОТЫ

1. До начала работы:

- убедиться в отсутствии явных повреждений лабораторных установок;

- проверить наличие сухого резинового коврика на полу перед установкой;

- перед пуском в работу дробилок убедиться в отсутствии остатков материала от предыдущей работы в рабочем пространстве;

- подтянуть все крепежные детали (гайки, болты).

2. Во время работы:

- строго руководствоваться данными методическими указаниями;

- запрещается чистить машины на ходу;

- запрещается производить какие-либо ремонтные работы;

- категорически воспрещается поправлять на ходу щековой дробилки положение крупных кусков руды в приемной части или вынимать из нее крупные куски;

- приводные ремни, шкивы дробилок обязательно должны иметь ограждения;

- не оставлять работающее оборудование без присмотра;

- докладывать о всех замеченных неполадках преподавателю или учебному мастеру;

- поддерживать чистоту на рабочем месте.

3. По окончании работы:

- выключить привод всех дробилок;

- собрать измельченный материал в специальный приемник;

- сдать установку дежурному учебному мастеру.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Какова цель работы?

2. Объяснить устройство и принцип действия щековой, молотковой дробилок и бегунов.

3. Каков порядок выполнения лабораторной работы?

4. Какова методика проведения ситового анализа?

5. Какие экспериментальные данные фиксируются при выполнении работы?

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ НА ЗАЩИТЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Составить схему промышленного измельчения, применяемую в многотоннажных производствах (измельчение апатитов, колчедана, угля для сжигания, красителей) и включающую наибольшее число типов измельчителей, сепараторов, классификаторов и другого вспомогательного оборудования и транспортных средств.

2. Каково изменение дислокаций в твердом теле при его разрушении?

3. Теоретические основы разрушения твердых тел, развиваемые В.Н. Кирпичевым, Л.Б. Левенсоном, П.А. Ребиндером.

4. Какова классификация измельчителей по крупности получаемых частиц и по схемам передачи энергии на измельчение?

5. Основные действующие нагрузки на конструктивные элементы измельчителей, их деформации, опасные сечения.

6. За счет чего при измельчении достигается эффект истирания материала?

7. Характер износа рабочих элементов дробилок, мельниц, способы их восстановления и ремонта.

8. Основные технологические параметры дробилок и особенности их расчета.

9. Назначение шкивов, устанавливаемых на рабочих валах измельчителей.

10. Статическая и динамическая балансировка ротора молотковой дробилки.

11. Особенности организации дозирования исходного материала, подаваемого на дробление и измельчение.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973.

2. Сиденко П.М. Измельчение в химической промышленности. - М.: Химия, 1968.

3. Шаповалов Ю.Н., Шеин В.С. Машины и аппараты общехимического назначения. Учебное пособие. - Воронеж: Издательство Воронежского университета, 1981.

Работа № 6

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ КОМПРЕССИОННОЙ ФРЕОНОВОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Ряд физических, химических и других процессов при низких температурах протекает по-иному, чем при обычных. И поэтому получение многих современных химических продуктов без искусственного охлаждения (холода) вообще было бы невозможно. Первое место по масштабам его применения занимает химическая промышленность.

В настоящее время для получения искусственного холода преимущественно используются холодильные машины, представляющие собой комплекс устройств, с помощью которых за счет потребляемой при этом энергии происходит перенос тепла от тел с низкой температурой к телам с более высокой температурой. По виду затрачиваемой энергии холодильные машины подразделяются на компрессионные, теплоиспользующие и термоэлектрические. Первые из них являются наиболее распространенными как в химической, так и в других отраслях промышленности, а также и в быту.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Закрепить теоретические знания по основам искусственного умеренного охлаждения.

2. Практически ознакомиться с работой компрессионной фреоновой холодильной установки.

3. Экспериментально в конкретных условиях определить холодопроизводительность, холодильный коэффициент, термодинамический кпд холодильной установки, затрачиваемую мощность и общий кпд компрессора.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ (рис. 1)

Установка смонтирована на базе бытового компрессионного холодильного агрегата. В качестве холодильного агента в системе циркулирует фреон-12 (дифтордихлорметан CF2 Cl2).

При работе установки пары фреона засасываются из испарителя 5 в поршневой одноцилиндровый компрессор 1. Сжатые пары из компрессора поступают в конденсатор 2, где по мере прохождения по змеевику за счет естественной циркуляции окружающего воздуха охлаждаются и постепенно конденсируются. Из конденсатора жидкий фреон через фильтр-осушитель 3 поступает в капиллярную трубку 4.

Рис. 1. Схема компрессионной холодильной установки:

1 - компрессор; 2 - конденсатор; 3 - фильтр-осушитель;4 - капиллярная трубка; 5 - испаритель; 6 - теплообменник;7 - вентилятор (пылесос); 8 - регулирующий вентиль; 9 - Э - образный манометр.

Капиллярная трубка используется в качестве дросселирующего устройства. Высокое гидравлическое сопротивление ее обуславливает постепенное снижение давления жидкого хладоагента (от давления конденсации при его выходе из конденсатора до давления кипения при входе в испаритель).

Жидкий фреон, попадая в испаритель 5, при низком давлении интенсивно кипит, поглощая при этом тепло от охлаждаемой среды.

Капиллярная трубка 4 на большом протяжении спаяна с трубкой, по которой проходят пары холодильного агента из испарителя в компрессор, имеющие более низкую температуру, чем температура жидкого хладоагента, движущегося по капиллярной трубке из конденсатора в испаритель. Это теплообменник 6. На установке место спая двух трубок закрыто слоем тепловой изоляции для сведения к минимуму теплообмена с окружающей средой. В теплообменнике 6 достигается, с одной стороны, переохлаждение жидкого хладоагента, а с другой - перегрев его паров. Благодаря этому улучшаются не только условия работы компрессора, но и термодинамические характеристики холодильной установки.

Охлаждаемой средой служит воздух, подаваемый в установку с помощью вентилятора (пылесоса) 7. Расход воздуха регулируется вентилем 8 и определяется по потере напора на сопротивление, замеряемого Э -образным манометром 9. Тарировочный график помещен на приборном щите установки.

Для регистрации температуры паров, засасываемых в компрессор, t1, температуры конденсации t3, 4, температуры испарения t6, 7, температуры паров хладоагента t8 на входе в теплообменник 6, а также для замера начальной tн и конечной tк температур охлаждаемого воздуха в соответствующих местах установлены термопары (указаны на рис. 1 фигурными стрелками). Все термопары соединены через многопозиционный переключатель с потенциометром ПП-63 (на рис. 1 не показано).

Соответствие номера позиции переключателя определенной измеряемой температуре указано в специальной таблице, помещенной на приборном щите непосредственно под переключателем.

Цифровые индексы температур повторяют номера соответствующих точек холодильного цикла в координатах p - i , представленного на рис. 2.

ПОРЯДОК РАБОТЫ

После внимательного изучения установки и получения допуска к работе приступить к ее выполнению.

Включить компрессор 1 холодильной машины и вентилятор (пылесос) 7 для подачи воздуха в испаритель 5 (при закрытом вентиле 8). С помощью регулирующего вентиля 8 установить по своему желанию расход воздуха, ориентируясь на показании Э -образного манометра 9 и график зависимости расхода от напора его в сети.

Путем периодического замера температуры tк воздуха на выходе из испарителя 5 определить начало установившегося режима работы холодильной установки, считая, что постоянство температуры tк охлажденного воздуха соответствует постоянству во времени всех параметров системы. При этом необходимо обеспечить неизменность расхода воздуха и следить за температурой его на входе в испаритель - tн, которая также должна быть постоянной.

В установившемся режиме работы определить температуры: паров фреона, поступающего в компрессор, t1; конденсации фреона t3, 4; испарения его t6, 7 и паров фреона t8 на входе в теплообменник 6. Измерение той или иной температуры производится с помощью потенциометра после установки позиционного переключателя на соответствующую позицию, по специальной таблице, помещенной на приборном щите непосредственно под переключателем. Порядок работы с потенциометром дан в описании, помещенном непосредственно на стенде лабораторной установки.

По показаниям Э -образного манометра с помощью тарировочного графика определить объемную производительность V воздуха при температуре tн. Для определения мощности компрессора холодильной машины снять показания амперметра и вольтметра. Все агрегаты выключить.

Результаты эксперимента должны быть точно и аккуратно зафиксированы и предъявлены преподавателю.

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

1. По полученным в ходе эксперимента данным построить цикл холодильной установки на диаграмме p - i или T - S (по своему желанию или по согласованию с преподавателем). Пример изображения цикла холодильной компрессионной установки с перегревом паров и переохлаждением жидкого хладоагента в координатах p - i дан на рис. 2.

Цикл строят исходя из предположения, что процессы нагрева и охлаждения протекают при постоянных давлениях, кипения и конденсации - при неизменных давлениях и температурах, сжатие пара осуществляется по адиабате, а дросселирование происходит по изоэнтальпе. Это позволяет легко нанести на диаграмму точки 1, 2, 3, 4, 7, 8 (рис. 2).

Положение точки 5, характеризующей состояние переохлажденного жидкого фреона, устанавливается следующим образом. Из теплового баланса теплообменника 6 (см. рис. 1), составленного без учета тепловых потерь в окружающее пространство,

i1 - i8 = i4 - i5 , i5 = i4 - (i1 - i8)

определяется теплосодержание холодильного агента в конце его переохлаждения, то есть в точке 5 (рис. 2).

Здесь i1, 4, 5, 8 - удельные теплосодержания холодильного агента, определяемые по диаграмме в соответствующих точках холодильного цикла, Дж/кг.

После этого на диаграмме находят точку пересечения линии постоянного теплосодержания i5 с изобарой, соответствующей давлению в конденсаторе. Это и будет искомая точка 5.

2. Определить холодопроизводительность установки:

Q = б Gв C (tн - tк).

Здесь Q - холодопроизводительность установки, Вт; б - коэффициент, учитывающий тепловые потери (для установок малой холодопроизводительности можно принять 1, 2); Gв - массовый расход воздуха, кс/с;

G = V? с0? 273/273 + tн ,

где V - объемный расход воздуха, поступающего в испаритель, м3/с; с0 - плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м3; tн - температура воздуха на входе в испаритель, оC; C - теплоемкость воздуха при средней температуре, равной (tн + tк)/2, Дж/кг?град.

3. Определить холодильный коэффициент:

е = g0 / gе.

Здесь е - холодильный коэффициент; g0 - удельная холодопроизводительность, Дж/кг; gе - удельная работа сжатия паров хладоагента, Дж/кг.

Величины g0 и gе определяют по диаграмме p - i (или T - S) как разность энтальпий в соответствующих точках цикла:

g0 = i7 - i6, gе = i2 - i1,

где i1, 2, 7, 6 - удельные теплосодержания холодильного агента, определяемые по диаграмме в соответствующих точках холодильного цикла, Дж/кг.

4. Определить термодинамический кпд холодильного цикла:

з = е / ек.

Здесь ек - холодильный коэффициент цикла Карно, определяемый (в принятых обозначениях) как

ек = T6, 7 / T3, 4 - T6, 7,

Рис. 2. Примерное изображение цикла исследуемой холодильной установки на термодинамической диаграмме

где T6, 7 - температура холодильного агента при восприятии тепла, К; T3, 4 - то же при отдаче тепла, К.

5. Определить мощность, расходуемую компрессором:

N = J?V?cosц.

Здесь N - действительная мощность компрессора, Вт; J - сила тока, А;

V - напряжение, В; ц - коэффициент мощности. Для данной установки принять равным 0,5.

6. Определить общий кпд компрессора:

з = Nт / N.

Здесь Nт - теоретическая мощность компрессора, Вт, определяемая как

Nт = Gф? gе,

где Gф - массовый расход хладоагента, циркулирующего в цикле (количество хладоагента, проходящее через компрессор в секунду), кг/с;

Gф = Q / g0.

Обозначения и определения остальных величин приведены ранее.

7. Результаты работы представить в виде таблицы экспериментальных данных, необходимых расчетов и изображения холодильного цикла на термодинамической диаграмме (в том или ином масштабе).

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, ее номера, фамилии, и.о. студента, группы, специальности и фамилии, и.о. преподавателя, принявшего работу.

В отчете 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 РАБОТЫ

1. До начала работы необходимо:

- убедиться в отсутствии явных повреждений лабораторной установки;

- проверить наличие сухого резинового коврика на полу перед приборным щитом.

2. Во время работы:

- строго руководствоваться данными методическими указаниями;

- не оставлять работающую установку без присмотра;

- докладывать о всех замеченных неполадках преподавателю или учебному мастеру.

3. По окончании работы:

- выключить компрессор холодильной машины и вентилятор (пылесос);

- закрыть вентиль 8 на линии подачи воздуха;

- установить в исходное положение все органы управления и регулирования потенциометра;

- сдать установку дежурному учебному мастеру (лаборанту).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Какова цель предстоящей работы?

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

3. Каковы основные элементы данной компрессионной холодильной машины (назвать, указать на установке, объяснить назначение и принципы действия)?

4. Каков порядок выполнения лабораторной работы?

5. Каков порядок работы с потенциометром?

6. Какие экспериментальные данные фиксируются при выполнении работы?

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ НА ЗАЩИТЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Какие источники энергии могут служить основой получения искусственного холода?

2. Какой вид энергии затрачивается для получения холода в данной лабораторной установке?

3. Каков температурный диапазон области умеренного охлаждения?

4. На каком принципе основана работа компрессионной холодильной установки?

5. Какие холодильные агенты наиболее распространены в настоящее время? Оценка фреона с точки зрения экологии.

6. Каковы основные элементы компрессионной холодильной машины?

7. Каков физический смысл холодильного коэффициента?

8. Каков физический смысл термодинамического кпд холодильной машины?

9. В чем отличие холодильного цикла действительной компрессионной холодильной машины от цикла идеальной машины? Дать количественную оценку по результатам выполненной лабораторной работы.

10. Как графически изобразить цикл холодильной машины на диаграммах T - S и p - i?

(Для более углубленного ознакомления с процессами умеренного охлаждения и оборудованием для их осуществления можно воспользоваться монографией [3]).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1987.

3. Вайнштейн В.Д., Канторович В.И. Низкотемпературные холодильные установки. - М.: Пищевая пром-сть, 1972.

Работа № 7

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В КОЖУХОТРУБЧАТОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ

Одним из основных потребителей тепловой энергии является химическая промышленность, в которой она применяется как для осуществления различных физических процессов - нагрева, охлаждения, сушки, выпаривания, перегонки и т.п., так и для поддержания требуемого температурного режима рабочих сред при проведении химических реакций.

Применяемая для этих целей теплообменная аппаратура чрезвычайно разнообразна и по своему функциональному назначению, и по конструктивному исполнению. Особенно широкое применение в химической технологии находят аппараты с трубчатой поверхностью теплообмена, в частности, кожухотрубчатые теплообменники.

Перенос тепла от одной среды к другой через разделяющую их стенку (теплопередача) обусловлен рядом факторов и является сложным процессом, без знания основ и особенностей которого нельзя правильно проектировать и эксплуатировать теплообменные аппараты.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Закрепить теоретические знания по теплоотдаче с изменением и без изменения агрегатного состояния теплоносителя, по теплопередаче в трубчатых теплообменных устройствах.

2. Практически ознакомиться с одним из наиболее распространенных в химической промышленности типов теплообменной аппаратуры - кожухотрубчатым теплообменником (на примере теплообменника с Э -образными трубами).

3. Ознакомиться с практическим применением для целей теплообмена насыщенного водяного пара в качестве горячего теплоносителя (греющего) и воды в качестве холодного теплоносителя (нагреваемого).

4. Экспериментально определить зависимость коэффициентов теплоотдачи от скорости движения холодного теплоносителя - воды.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ (рис.)

Установка смонтирована на базе двухходового кожухотрубчатого теплообменника 1 с Э -образными трубами.

Характеристика теплообменника:

- количество труб n, шт……………………………………..2;

- диаметр труб d2хб, мм ……………………………….28 х2,5;

- полная длина Э -образной трубы l, м……………………3,4.

В теплообменнике водопроводная вода (холодный теплоноситель) нагревается за счет теплоты конденсации греющего насыщенного водяного пара (горячий теплоноситель).

Вода поступает в трубное пространство теплообменника 1 через ротаметр 9 (тип РС-5). Регулировка расхода ее осуществляется вентилем 10. Для измерения начальной и конечной температур воды на входном и выходном трубопроводах теплообменника установлены термометры 7, 8 (указаны на рис. стрелками).

Насыщенный водяной пар поступает в межтрубное пространство теплообменника. Подача его осуществляется открытием регулирующего вентиля 4. Давление пара в теплообменнике измеряется манометром 5. Конденсат отводится через шайбу II (в момент пуска - через обводную линию). Для удаления неконденсирующихся газов из межтрубного пространства теплообменника служит кран 2.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

После изучения руководства и ознакомления с установкой приступить (с разрешения преподавателя) к работе.

Открыв вентиль 10, подать воду в трубное пространство теплообменника (с любым расходом). Путем осторожного открытия вентиля подать пар в межтрубное пространство теплообменника и установить (по манометру 5) давление его около 0,4-0,5 атм, но не выше 1 атм. В течение 3-5 мин, открыв кран 2, произвести продувку межтрубного пространства - удалить из него неконденсирующиеся газы. Одновременно открыть вентиль 3 на обводной линии конденсата для быстрого вывода его из теплообменника.

По окончании продувки и после удаления избыточного конденсата закрыть кран 2 и вентиль 3. Установить некоторый расход воды по ротаметру 9. Численное определение расхода производится с помощью тарировочного графика для ротаметра РС-5, размещенного непосредственно на установке, в зависимости от числа делений, на которое поднимается поплавок ротаметра. В установившемся режиме работы (при данном расходе воды), характеризующимся постоянством температуры воды t2 на выходе из теплообменника, снять показания ротаметра 9 и термометров 7 и 8.

Изменить расход воды и все вышеописанное повторить снова. Рекомендуется провести не менее 10 опытов (при различных расходах воды от минимального до максимального). Давление греющего пара в течение всей работы следует поддерживать постоянным.

После окончания работы закрыть вентиль 4 на паровой линии, а затем через некоторое время вентиль 10 на линии подачи воды. Установку сдать учебному мастеру.

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

1. С помощью таблиц для насыщенного водяного пара [3] по известному давлению определить температуру конденсации греющего пара (горячего теплоносителя) - tк.

2. Определить среднюю разность температур Дti теплоносителей в каждом опыте:

Дti = Д tб, i - Д tм, i / ln (Д tб, i / Д tм, i ),

Д tб, i = tк - t1, i,

Д tм, i = tк - t2, i.

Здесь i - номер опыта (i = 1, 2, 3,…); t1, i - начальная температура воды (ее возможное изменение от опыта к опыту обусловлено не зависящими от экспериментатора причинам), оC; t2, i - конечная температура воды, оC.

При ( Д tб, i / Д tм, i )‹ 2 с достаточной точностью Д ti может быть определена как среднее арифметическое из Д tб, i и Д tм, i .

3. Определить величину удельного теплового потока

qi = сi Vi ci (t2, i - t1, i)/ F.

Здесь qi - удельный тепловой поток, Вт/м2; сi, ci - плотность и теплоемкость воды при ее средней температуре ti, кг/м3 и Дж/кг?К (соответственно);

ti = tк - Д ti;

Vi - объемный расход воды, м3/с; Vi = (50 + 2,91 Ni)? 10-6 или по тарировочному графику; Ni - число делений ротаметра; F - поверхность теплопередачи, м2;

F = р? d1? l? n,

Рис. Схема лабораторной установки для исследования процесса теплопередачи в кожухотрубчатом теплообменнике:

1 - кожухотрубчатый теплообменник с Э - образными трубами;2 - кран для продувки межтрубного пространства; 3 - вентиль для быстрого слива конденсата; 4 - регулирующий вентиль на линии греющего пара; 5 - манометр; 6 - запорный вентиль (нормально открыт); 7, 8 - точки замера температуры воды (термометры); 9 - ротаметр; 10 - регулирующий вентиль на линии холодной воды; 11 - конденсатоотводчик (шайба).

d1 - внутренний диаметр трубы , м; l - полная длина одной трубы, м; n - число труб в теплообменнике.

4. Определить коэффициент теплоотдачи б1, i от конденсирующегося пара к наружной стенке трубы по эмпирической зависимости для одиночной горизонтальной трубы [3, с. 163]:

б1,i = 0,645 л (с2r g/м d2)1/3? q-1/3,

где с, л, м - плотность, коэффициенты теплопроводности и вязкости конденсата (взять при температуре конденсации), соответственно кг/м3; Вт/м?К; Н?с/м2; g - ускорение свободного падения, м/с2; r - удельная теплота конденсации (парообразования), Дж/кг; d2 - наружный диаметр трубы, м.

5. Определить среднюю температуру внутренней стенки трубы tст.i, исходя из условия постоянства величины теплового потока в установившемся режиме работы и заменяя действительную цилиндрическую стенку условной плоской:

tст.i = tк - qi (1/б1,i + д/лст + 1/1/rзагр),

где д - толщина стенки трубы, м; лст - коэффициент теплопроводности материала стенки трубы (стали), Вт/м? К; 1/rзагр - тепловая проводимость загрязнений внутренней стенки трубы, Вт/м2?К (принять для воды по [3]).

6. Для каждого опыта определить значение коэффициента теплоотдачи б2,I от внутренней стенки трубы к воде (холодному теплоносителю):

б2,i = qi / tст,i - ti .

7. По результатам эксперимента построить график зависимости коэффициента теплоотдачи б2,i от скорости движения воды щi в трубах теплообменника. Скорость воды определить предварительно по уравнению расхода:

щi = Vi / S,

где S - площадь поперечного сечения потока воды, м2;

S = р d12/4? n.

8. Рассчитать значения коэффициентов теплоотдачи от стенки к воде б2,i,расч. с помощью эмпирических уравнений для теплоотдачи при вынужденном движении теплоносителей в прямых трубах. Расчетные формулы подобрать самостоятельно из рекомендованных литературных источников [1-3] в зависимости от гидродинамического режима течения воды в трубах теплообменника.

9. Проиллюстрировать сходимость экспериментальных результатов б2,i с расчетными б2,i, расч., построив корреляционный график в координатах б2,i - б2,i,расч..

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, ее номера, фамилии, и.о. студента, группы, специальности и фамилии, и.о. преподавателя, принявшего работу.

В отчете 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 РАБОТЫ

1. До начала работы:

- убедиться в отсутствии явных повреждений лабораторной установки;

- убедиться в наличии греющего пара и воды.

2. Во время работы:

- строго руководствоваться данными указаниями;

- не прикасаться голыми руками к неизолированным металлическим поверхностям, особенно к паропроводу;

- внимательно следить за величиной давления греющего пара, не допуская его повышения сверх максимально установленного;

- не оставлять работающую установку без наблюдения;

- докладывать о всех замеченных неполадках преподавателю или учебному мастеру.

3.По окончании работы:

- закрыть вентиль 4 на линии подачи пара в теплообменник;

- по истечении некоторого времени (примерно 5 мин) закрыть вентиль 10 на линии подачи воды в теплообменник;

- сдать установку дежурному учебному мастеру (лаборанту).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Какова цель данной лабораторной работы?

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

3. Тип теплообменника и его устройство.

4. Каков порядок выполнения лабораторной работы?

5. Какие экспериментальные данные фиксируются при выполнении работы?

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ НА ЗАЩИТЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Какая разница между процессами теплоотдачи и теплопередачи?

2. В каком случае реальную цилиндрическую стенку можно считать условно плоской?

3. Какой критерий подобия является определяемым для теплообмена при вынужденной конвекции?

4. Зависит ли вид критериального уравнения для теплоотдачи без изменения агрегатного состояния при движении жидкости по прямым трубам от гидродинамического режима потока?

5. Каковы основные достоинства и недостатки водяного пара и воды как теплоносителей?

6. Основные типы теплообменников (иметь представление о конструкции, принципе работы, основных достоинствах и недостатках, уметь изобразить принципиальную схему).

7. Из каких отдельных элементов состоит кожухотрубчатый теплообменник?

8. Какие устройства для компенсации температурных удлинений используются в кожухотрубчатых теплообменниках?

9. В каких случаях могут применяться теплообменники без компенсации разности температурных удлинений?

10. Как крепятся трубы в трубной решетке теплообменника?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973.

2. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Ч.1. - М.: Химия, 1995.

3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1987.

Работа № 8

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДОЗИРОВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ В ДВУХШНЕКОВЫХ ДОЗАТОРАХ

Развитие промышленного производства и перевод его на непрерывные технологические процессы требуют новых технических решений при дозировании материалов.

Процесс непрерывного дозирования представляет собой выдачу непрерывным потоком заданного количества материала или отдельных его компонентов с отклонениями не больше допустимых в элементах потока, соответствующих установленным промежуткам времени.

Устройства для реализации процесса непрерывного дозирования называются дозаторами непрерывного действия.

К настоящему времени разработано значительное количество дозаторов [1, 4] и непрерывное дозирование широко применяется для подачи: угля в мельницы и угольной пыли в топки [4], компонентов бетона [1], в углеподготовках коксохимических производств [3], в производстве удобрений, рудной массы и флотоагентов при водоподготовке [2] и т.д.

При использовании влажных и плохо «текучих» материалов шнековые дозаторы обеспечивают высокую работоспособность, в то время как ленточные и вибрационные дозаторы для такого типа материалов не применяются.

В общем случае сдозированный поток материала при входе в реактор должен иметь наиболее развитую внешнюю поверхность для фазового контакта, которая может быть увеличена за счет действия разбрызгивателя, устанавливаемого после дозатора, или за счет увеличения скорости ввода в реактор дозируемого компонента при заданной производительности.

Перечисленные условия успешно выполняются на установке шнековых дозаторов, но их ускоренному внедрению препятствует отсутствие обоснованных данных о точности дозирования в сопоставимых с традиционным порционным дозированием величинах.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомление с процессом дозирования сыпучих материалов, с конструкцией и работой двухшнековых дозаторов непрерывного действия, исследование кинетики процесса дозирования и основных рабочих характеристик дозаторов: производительности, стабильности дозирования, расхода мощности.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Исследовательская работа выполняется на двухшнековых дозаторах трех типоразмеров (диаметр винтов-шнеков: 52, 40, 25 мм), принципиальная схема установки которых представлена на рисунке.

Принципиальная электрическая схема включения двигателя дозатора (а) и тахогенератора (б).

Рис. Схема установки дозаторов.

В корпусе 1 размещено два двухзаходных шнека 2, 3 на валах 4, 5, закрепленных в подшипниках 6; шестерни 7 обеспечивают синхронное вращение шнеков. Исходный материал загружается в бункер 8.

На одношнековом дозаторе работу также можно выполнить, если тангенциальная сила трения между материалом и корпусом больше, чем тангенциальная сила трения между материалом и шнеком. Эти ограничивающие условия устраняются при компоновке в одном корпусе двух шнеков, оси которых параллельны и спираль одного шнека входит во впадину другого.

Профиль нитки спирали шнека в виде трапеции с треугольником при вершине обеспечивает более полное заполнение полости шнека и устраняет захватывание и истирание частиц материала в зазоре между корпусом и спиралью шнека.

У двухзаходного шнека на его забирающей части одна спираль частично срезана, что обеспечивает подпрессовывание материала в полость корпуса, и заполнение материалом рабочей зоны стабилизируется независимо от высоты материала в бункере.

Такие конструктивные формы исполнения обеспечивают условия работы дозаторов, при которых производительность изменяется пропорционально скорости шнеков в широком интервале скоростей, что наблюдалось при испытаниях с суперфосфатом, речным песком, гипсом, древесным углем, порошком пластмасс.

Характер пропорциональной зависимости производительности от скорости вращения шнеков позволяет наиболее просто автоматизировать привод дозатора.

Ведущий вал шнека соединяется с валом червячного редуктора, который приводится во вращение электродвигателем постоянного тока (II-22, 1 кВт, 1500 об/мин), предусмотрен также привод шнеков через центральный привод, т.е. непосредственно от электродвигателя постоянного тока, выполненного в виде мотор-весов.

Число оборотов электродвигателя регистрируется вольтметром тахогенератора.

Регулирование числа оборотов шнеков дозатора осуществляется изменением числа оборотов электродвигателя путем введения сопротивления в обмотку якоря, а также регулированием напряжения, подаваемого с автотрансформатора на выпрямитель.

На выходной части корпуса дозатора установлена перекидная заслонка, передвижением которой изменяют направление потока материала, что необходимо при отборе проб.

Для проведения процесса дозирования выбираются сыпучие тонкодисперсные материалы.

Физико-механические свойства компонентов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Наименование компонента	Насыпная плотность, кг/м3	Средний диаметр частиц, мм	Примечание
Крахмал Отруби Пшено Крупа и т.д.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

С преподавателем согласовать выбор размера дозатора и схему его привода.

Включить выпрямитель и регулировочным реостатом обеспечить холостой ход шнеков дозатора. При работе с центральным приводом снять зависимость окружного усилия от скорости вращения шнеков. Окружное усилие замеряется по показаниям динамометра, прикрепляемого к диску мотор-весов и раме установки. Отключить привод дозатора и загрузить материал в бункер дозатора (выбор материала согласовать с преподавателем). Включить привод дозатора и установить соответствующую скорость вращения шнеков, которая регистрируется по показаниям вольтметра тахогенератора или счетчику оборотов. Рекомендуемые примерные интервалы скоростей шнеков: 15, 30, 60, 120, 240, 480 об/мин.

При каждой скорости отобрать по 10 проб сдозированного материала. Экспозиция отбора пробы 15…60 с при непрерывной работе дозатора.

Каждую пробу взвесить с точностью 0,1 г, используя весы ВНЦ-02 типа ВНЦ ГОСТ 1327-55.

Для каждой скорости дозатора в табл. 2 занести величины сил, регистрируемых на динамометре, подсоединенном к мотор-весам, если последние введены в работу.

По окончании работы необходимо освободить дозатор от материала и ссыпать его в соответствующие емкости для хранения.

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

1. Для каждой скорости дозатора рассчитать коэффициент неоднородности работы дозатора по формуле

V = 100/Gср. v? (G i - G ср.)2/n - 1, %,(1)

где Gi и Gср. - массы отдельной пробы и среднеарифметическая масса пробы из n проб.

2. Рассчитать производительность дозатора для каждой скорости шнеков [5]

Q = р/4 (D2 - d2)?S?гнасц?C?n?60, кг/час,(2)

где D - наружный диаметр шнека, мм (52, 40, 25); d - внутренний диаметр шнека, мм (28, 20, 12); S - шаг спирали шнека, мм (56, 40, 25); гнас - насыпная плотность материала, кг/м3; ц - коэффициент заполнения, ц = 0,8; C - коэффициент, зависящий от угла перекрытия спиралей шнеков, их числа и геометрических параметров спиралей,

при D = 52 мм коэффициент C =1,91;

при D = 40 мм -“- C = 1,82;

при D = 25 мм -“- C = 1,79;

n - число оборотов шнеков, об/мин.

3. Построить график зависимости массы пробы от порядкового номера пробы - времени отбора пробы.

4. Построить график зависимости коэффициента неоднородности работы дозатора от скоростей дозирования (чисел оборотов шнеков).

5. Построить графики практической и теоретической производительностей вычисленных по формуле 2, при различных скоростях дозирования.

6. Рассчитать поправочный коэффициент для формулы 2 из условия, чтобы Qпракт./Qтеор. = 1 для соответствующих скоростей шнеков.

7. Построить график потребляемой дозатором мощности для различных скоростей шнеков, используя формулу:

Mкр. = P? r = 100000 N/n,

где P - усилие на динамометре, Н; r - радиус шкива мотор-весов, см; N - мощность, потребляемая дозатором, кВт; n - скорость вращения шнеков, об/мин.

8. Данные опытов и расчетов свести в табл. 2, оформить отчет с основными выводами по работе.

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, ее номера, фамилии, и.о. студента, группы, специальности и фамилии, и.о. преподавателя, принявшего работу.

В отчете должны быть представлены:

- описание цели работы,

- схема лабораторной установки,

- описание работы установки,

- методика проведения работы,

- полученные экспериментальные данные,

- результаты обработки опытных данных,

- выводы.

Таблица 2

Данные по определению производительности, нестабильности работы дозаторов и усилий на динамометре мотор-весов (пример заполнения таблицы на один диапазон скорости)

№ пр.	Скорость шнеков, об/мин	Масса пробы, г, за время 30с	Qпракт., кг/ч	Qтеор., кг/ч	Gi - Gср.	(Gi - Gср.)2	V, %	Сила на моторвесах P, H
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12	24 - “ - - “ - - “ - - “ - - “ - - “ - - “ - - “ - - “ -	400 402 401 400,5 403 404 400 401 402 403			1,65 0,35 0,65 1,1 1,35 2,35 1,65 0,65 0,35 1,35	2,72 0,12 0,42 1,21 1,82 5,52 2,72 0,42 0,12 1,82
		ср. 401,65	48,198	45			0,01

Материал - крахмал, влажность Wотн. = 10%, дозатор D = 52 мм.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Электродвигатель установки дозаторов, их электрооборудование и электроразводящие элементы должны быть заземлены.

2. Муфты привода и вращающиеся открытые элементы установки должны иметь защитные ограждения.

3. Не применять при исследовании процесса дозирования токсичные материалы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Какова цель предстоящей работы?

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

3. Каков порядок выполнения лабораторной работы?

4. Какие экспериментальные данные фиксируются при выполнении работы?

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ НА ЗАЩИТЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Какие типы дозаторов используются для различных материалов: жидких, влажных, сухих, пастообразных?

2. Как оценивается качество дозирования продуктов?

3. Какие дозаторы (по принципу действия) применяются для аппаратов типа идеального вытеснения и идеального смешения?

4. Каково должно быть распределение частиц компонента, вводимого в тот или иной тип аппарата?

5. Какие существуют методы борьбы со сводообразованием материалов в бункерах при подаче их в дозаторы?

6. С какой целью в корпусах дозаторов устанавливают несколько шнеков?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Виденеев Ю.Д. Дозаторы непрерывного действия. - М.: Энергия, 1978.

2. Волчек И.С., Гуревич А.Л., Лютков Ю.М. Схемы автоматизации материальных потоков в химических производствах // Механизация и автоматизация производства. - 1971. - № 8.

3. Гегешидзе М.В., Карпин Е.В., Сигуа Р.И., Тавзаде Р.А. Автоматическое весовое дозирование на аглофабриках черной металлургии с применением средств вычислительной техники. - М.: ЦНИИТЭИ - приборостроения, 1970.

4. Орлов С.П. Автоматические весовые дозаторы непрерывного действия. - М.: Машиностроение, 1967.

5. Кантарович З.Б. Машины химической промышленности. - М.: Машиностроение, 1965.

Грузнов Г.Ф. Машины для переработки пластических масс. - М.; Л.: Машиностроение, 1966.

Работа № 9

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАТРАТ МОЩНОСТИ, ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МЕХАНИЧЕСКИМИ МЕШАЛКАМИ

Механические мешалки широко применяются в химической и родственных ей областях промышленности для перемешивания жидкостей, растворения различных суспензий, паст и т.д.

Достоинство мешалок заключается в простоте конструкций и в удобстве обслуживания.

Важнейшей характеристикой работы мешалки является расход энергии, который может быть определен экспериментально.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Цель работы - практическое ознакомление с работой механического перемешивающего устройства, закрепление теоретических основ гидромеханических процессов, исследование влияния конструкции мешалки и скорости ее вращения на затраты потребляемой мощности, приобретение навыков в обработке экспериментального материала.

ПОРЯДОК РАБОТЫ

1. Ознакомиться с конструкцией мешалки и ее приводом.

2. Установить лопасть на вал, замерить размеры лопасти и корпуса (рис.).

3. Залить жидкость в емкость, замерить ее температуру и определить вязкость, используя таблицы и формулы работы [3].

4. Включить кнопку «пуск», замерить показания динамометра при пуске и рабочем режиме мешалки. Регулировка скорости вращения вала мешалки ведется вручную регулировкой автотрансформатора.

5. Замерить число оборотов вала мешалки.

6. Повторить эксперимент по п.п. 4 и 5 при различных интервалах скорости вращения вала мешалки (рекомендуется 10 скоростей).

7. Все результаты измерений свести в таблицу. Опытные данные расхода мощности, полученные при различных скоростях вращения мешалки и вычисленные по формуле (9), сравниваются с расходом мощности, вычисленной по формулам (2), (3) и (7). Расхождение выразить в %. Все результаты расчетов свести в таблицу.

Таблица

Тип мешалки, ее размеры, мм	Плотность среды	Вязкость среды	Число оборотов мешалки	Крит. Рейнольдса	Усилие при пуске и работе на динамометре	Крутящий момент при пуске и работе	Расход мощности при пуске и работе (опытный)	Коэф. полезного действия	Расход мощности при пуске и раб. (расчёт)
			n	Re	Pn;Pp	M кр n; M кр p	Nn0; Np0		Nn; Np
Лопастная d=315 D=400 H=330 H0=230 y=40 h=20

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

Теоретический анализ вопроса и результаты опытов показывают, что мощность зависит от вязкости и плотности перемешиваемой жидкости, ускорения свободного падения, числа оборотов мешалки, от размеров аппарата и мешалки [1-3].

Следует различать: 1 - мощность, потребляемую в пусковой период; 2 - мощность, потребляемую в рабочий период.

Мощность, потребляемая в пусковой период, - Nп затрачивается на преодоление инерционных сил жидкости: чтобы вывести жидкость из состояния покоя - N1 и на преодоление сил трения жидкости - N2, т.е. Nп = N1 + N2.

Энергия живых сил, сообщаемая элементарной массе жидкости элементом лопасти,

dN = dm щ2/2,(1)

где dm - масса жидкости, захватываемая элементом лопасти в единицу времени; щ - окружная скорость элемента.

После интегрирования уравнения (1) для всей лопасти с диаметром d получим [1]:

N1 = 3,87?h?d4?n3?с,(2)

где с - плотность жидкости; h - высота лопасти.

Обозначая далее h/d = K и 3,87 K = a, получим:

N1 = a?d5?n3?с(2а)

Энергия, затрачиваемая на преодоление сил трения, может быть определена из критерия мощности (коэффициента сопротивления), разрешенного относительно N2:

N2 = о?d5?n3?с.(3)

Полная пусковая мощность будет равна:

Nп = N1 + N2 = (a + о) d5?n3?с.(4)

Следовательно, задача расчета как пусковой, так и рабочей мощности сводится к определению коэффициента сопротивления (критерия мощности) из зависимости [3, рис. 7]:

о = ѓ (Re) или о = Nр/d5?n3?с = ѓ(n?d2?с/м).(5)

При значениях n, d, с, м вычисляется критерий Рейнольдса и для заданного типа мешалки по графику [3, рис. 7] находят значение о, откуда и определяется рабочая расчетная мощность Nр.

Пусковая расчетная мощность определяется из соотношения

Nп/Nр = (a + о) d5?n3с/о?d5?n3?с = a + о/о = a/о + 1,(6)

откуда

Nп = (a/о + 1) Nр,(7)

где Nр = N2.

Опытные данные для расчета пусковой и рабочей мощностей определяются отдельно по данным, полученным из показаний динамометра и тахометра, который замеряет частоту вращения вала мешалки.

По этим данным рассчитывается крутящий момент:

Mкр. = g?P?Rш, Дж,(8)

где g - ускорение свободного падения, м/с2; P - усилие на динамометре, кг; Rш - радиус натяжного шкива, м.

По величине крутящего момента рассчитывают опытную пусковую и рабочую мощности по формуле:

N = Mкр?2р?n,(9)

где n - частота вращения вала мешалки, 1/с.

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, ее номера, фамилии, и.о. студента, группы, специальности и фамилии, и.о. преподавателя, принявшего работу.

В отчете должны быть представлены:

- описание цели работы,

- схема лабораторной установки,

- описание работы установки,

- методика проведения работы,

- полученные экспериментальные данные,

- результаты обработки опытных данных,

- выводы.

Рис. Схема перемешивающей установки с мешалкой: 1 - корпус; 2 - вал червячного колеса и лопасти; 3 - редуктор червячный и эл. двигатель, свободно закрепленные на корпусе; 4 - динамометр; 5 - шкив натяжного устройства.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. До начала работы:

- убедиться в отсутствии явных повреждений лабораторной установки;

- проверить наличие сухого резинового коврика на полу перед установкой.

2. Во время работы:

- руководствоваться методическими указаниями;

- не прикасаться руками к вращающимся элементам установки;

- не оставлять работающую установку без присмотра;

- поддерживать чистоту на рабочем месте.

3.По окончании работы:

- выключить электропитание автотрансформатора;

- сдать установку дежурному учебному мастеру (лаборанту).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Какова цель предстоящей работы?

2. Объяснить устройство и принцип действия элементов установки.

3. Каков порядок выполнения работы?

4. Какие экспериментальные данные фиксируются при выполнении работы?

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ НА ЗАЩИТЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Назначение процесса перемешивания.

2. Типы мешалок, область их применения.

3. Вид и значение общего критериального уравнения.

4. Порядок проведения работы и анализ опытных данных.

5. Выбор размеров мешалок: диаметра, ширины лопасти, числа лопастей.

6. Действующие нагрузки на конструктивные элементы мешалки и их расчет на прочность.

7. Конструкции мешалок с экранированным приводом.

8. Какие переменные влияют на величину мощности? Как именно?

9. Как видоизменяются критерии Эйлера, Рейнольдса и Фруда в случаях перемешивания в жидкой среде механическими мешалками?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 9-е.- М.: Химия, 1973.- 750 с.

2. Щтербачек З.В. Перемешивание в химической промышленности. - М.: Госхимиздат. 1963.

3. Павлов К.Ф., Романков А.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1970.

4. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. - Л.: Химия, 1975.

Работа № 10

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ВИБРАЦИОННОГО ГРОХОТА

В процессах химической технологии твердые материалы обычно применяют и получают в виде пудры, порошков, мелкой крупки или кусков определенного состава. В то же время при добыче и измельчении твердых материалов не удается сразу получить продукт требуемого состава. Обычно он состоит из частиц различных размеров и формы и из него приходится выделять нужные фракции (классы).

В соответствии с производственными требованиями и свойствами перерабатываемых материалов применяют различные способы классификации сыпучих материалов на классы по крупности: разделение просеиванием или грохочением через сита и решетки, разделение под действием гравитационно-центробежных сил.

Процесс разделения сыпучих материалов на классы по крупности путем просеивания через одно или несколько сит (решет) называется грохочением, а машины, предназначенные для осуществления этой операции, называются грохотами. Суть этого метода состоит в том, что материал пропускают через сито с определенным размером отверстий д. Частицы, размер которых меньше размера отверстия в сите, проходят через него (фракция - д), а более крупные задерживаются (фракция + д).

Применяя сита с различными отверстиями, можно разделить зернистый материал практически на любое число фракций.

СИТА И СИТОВОЙ АНАЛИЗ

Основной частью грохота является рабочая поверхность, изготовляемая в виде проволочных сеток (сит), стальных перфорированных листов (решет) или параллельных стержней (колосников). Наибольшее распространение в химической и смежных с ней отраслях промышленности получили грохота с проволочными ситами. Проволочные сита изготовляют из металлических сеток с квадратными или прямоугольными отверстиями размером от 100 до 0,04 мм.

Согласно ГОСТ 3584-73, сита обозначаются номерами, соответствующими размеру стороны отверстия сетки в свету, выраженному в миллиметрах. Так, сито № 4 имеет размер отверстия в свету 4 мм, а сито № 04 - 0,4 мм (сита с квадратными отверстиями).

Чтобы охарактеризовать дисперсность сыпучей смеси, применяют ситовой анализ. Ситовой анализ заключается в том, что навеску исследуемой смеси зёрен пропускают через набор сит с постоянным отношением (модулем) размера отверстий каждого сита к последующему, равным v2 (или 2 по шкале Риттенгера). После просеивания взвешивают остатки материала на каждом из сит, а также зёрна, прошедшие через самое тонкое (нижнее) сито. Отношение количеств полученных остатков на ситах к навеске исходного материала показывает содержание различных классов зёрен в материале, т.е. зёрен, размеры которых ограничены верхним и нижним пределами, соответствующими размерам отверстий верхнего и нижнего смежных (соседних) сит.

На основании данных ситового анализа могут быть построены функции распределения массы частиц по их размерам R(д) и D(д).

В общем случае для оценки дисперсности сыпучего материала используют следующие характеристики:

- максимальный дmax, минимальный дmin, средний дср. размеры частиц;

- удельная площадь поверхности Fуд., м2/м3, представляющая отношение поверхности частиц материала к их объему;

- функции распределения массы частиц по их размерам R (д) и D (д). R (д) равна отношению массы частиц, размер которых больше д, к общей массе частиц. D (д) равна отношению массы частиц, размер которых меньше д, к общей массе частиц.

Для данных функций справедливо соотношение:

R (д) + D (д) = 1.(1)

Зная функцию R (д), можно найти средний размер частиц дср. и их удельную поверхность Fуд.. Для частиц шаровой формы:

дср. = ? д?dR(д),(2)

Fуд. = ? 6/д?dR(д).(3)

Количество получаемых фракций материала определяется количеством сит в грохоте +1. Так, в двухситовом грохоте количество получаемых фракций будет 3.

Материал, задержавшийся на сите, называют верхним классом (+), а прошедший через сито - нижним классом (-).

В производственных условиях трудно достичь полного разделения полидисперсного материала на соответствующие классы: в материале верхнего класса всегда содержится некоторое количество зёрен нижнего класса. Степень отделения нижнего класса от верхнего характеризуется эффективностью грохочения. Эффективность грохочения подсчитывается по формуле:

E = б - г / б (100 - г) ? 104, %,

где б - содержание нижнего класса в исходном материале, %; г - содержание нижнего класса в надрешёточном продукте, т.е. в материале, не прошедшем сквозь данное сито, %.

Величины б и г определяют по данным ситового анализа. Работа грохота оценивается эффективностью грохочения, а также его производительностью, которую определяют количеством материала, прошедшего по поверхности сита в единицу времени. В данном случае грохот рассматривается как транспортирующее устройство с одновременным разделением материала на классы.

Масса материала (кг/ч), проходящего через грохот, пропорциональна относительной скорости движения материала W , ширине грохота B и толщине слоя материала d:

G = k?B?W?d?с?м? 3600, кг/ч,(4)

где B - ширина верхнего сита грохота, м; W - относительная скорость движения материала, м/сек; d - размер наиболее крупных кусков материала, м; с - насыпная плотность материала, кг/м3; м = 0,6 - 0,7 - коэффициент разрыхления движущегося материала; k - опытный коэффициент, больше единицы.

Скорость продвижения материала вдоль сита - W зависит от частоты вращения эксцентрика n, его радиуса, угла наклона и выражается формулой:

W = 2r?n?tgб/60, м/с.(5)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Практическое ознакомление с устройством и работой вибрационного грохота.

2. Проведение ситового анализа и определение дисперсных характеристик сыпучего материала.

3. Определение качества грохочения и производительности грохота.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Экспериментальная установка (рис.1) для исследования процесса разделения твердых зернистых материалов на классы по крупности состоит из двухситового вибрационного грохота 1, бункера 2, снабженного шиберным затвором 3.

Грохот смонтирован в боксе из органического стекла с целью исключения попадания пыли в помещение лаборатории. Относ пыли из бокса осуществляется с помощью осевого вентилятора.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГРОХОТА

1. Размеры сита: ширина - 400 мм, длина - 800 мм.

2. Количество сит - 2.

3. Размеры отверстий сита: верхнее - 3,5х3,5 мм,

нижнее - 1,6х1,6 мм.

4. Полезная площадь верхнего сита - 0,3 м2.

5. Возможные углы наклона сита - 5…250.

6. Число оборотов эксцентрикового вала - n = 1450 об/мин.

7. Амплитуда колебаний r = 3 мм.

8. Вес грохота без электродвигателя - 107 кг.

9. Ориентировочная производительность грохота - G = 7 м3/ч.

Рис. 1. Схема установки:

1 - грохот; 2 - бункер; 3 - шибер; 4 - пружинные подвески; 5 - короб с ситами; 6 - маховик с балансирующим грузом; 7 - приводные шкивы; 8 - эксцентриковый вал; 9 - подшипники; 10 - верхнее сито; 11 - нижнее сито.

Вибрационный грохот 1 состоит из короба с закрепленными на нем ситами 10 и 11 и приводным эксцентриковым валом 8, помещенным в центре тяжести движущихся масс. Посредством пружинных подвесок 4 грохот вывешен на перекрытиях бокса. Приводной вал вращается в подшипниках 9, которые насажены на эксцентрично обкатые шейки вала. Подшипники защищены от пыли лабиринтным уплотнением и защитной гильзой. На эксцентриковом валу закреплены с обеих сторон вала приводные шкивы 7. Электродвигатель устанавливается отдельно от грохота. При установившейся работе короб грохота с закрепленными в нем ситами движется по круговой траектории, совершая колебания с амплитудой, равной двойному эксцентриситету вала. В зависимости от свойств материала и предъявляемых требований к продуктам грохочения грохот устанавливается с наклоном в пределах 5…250. Нормальным условиям работы грохота соответствует угол наклона, равный 20 - 220. Направление вращения вала по ходу движения материала принимается в тех случаях, когда требуется высокая производительность по питанию, а эффективность грохочения не является особо важной, и наоборот, когда требуется высокая эффективность грохочения, а производительность не особо важна, применяется вращение вала против потока материала.

КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Набор сит по ГОСТ 3584-73 с поддоном для ситового анализа. Весы лабораторные.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. Перед проведением работы необходимо ознакомиться с устройством грохота, осмотреть его и, если необходимо, подтянуть крепежные детали. Проверить натяжение сит и в случае ослабления их произвести натяг, причём натягивать сито нужно равномерно, не допуская перекоса. В условиях лабораторного эксперимента в качестве исходного материала, разделяемого по крупности, используется кирпичный щебень или гравий.

2. Для проведения эксперимента необходимо приготовить 10 кг щебня с максимальным размером зёрен не более 10 мм. Из приготовленного щебня взять с разных мест не менее 3-х проб по 200 г и каждую из них подвергнуть ситовому анализу в наборе сит. Сита в наборе должны быть расположены в порядке уменьшения размеров отверстий сит сверху вниз. Верхнее сито должно быть закрыто крышкой, а под нижнее (самое мелкое) подставлено донышко. Приготовленная проба пересыпается в контрольное сито с наиболее крупными отверстиями (верхнее), и весь набор сит устанавливается на механическом встряхивателе. Встряхивание набора сит производят в течение 3…5 минут (в производственных условиях рассев проб продолжают до 30 минут).

По окончании рассева взвешивают остаток на каждом сите, включая также и материал, попавший в донышко.

Результаты взвешивания заносят в таблицу.

Таблица

Отверстия сит д, м (номера сит) дх103	Исходный материал Масса остатка на сите, кг min, где i- номер пробы, n - номер сита, (i = 1, 2, 3)	Материал с верхнего сита Масса остатка на сите min, где i = 1	Материал с нижнего сита Масса остатка на сите min, где i = 1
	1 2 3 среднее
10 7 5,5 5 4,5 3,5 2 1,6 1 Донышко
ВСЕГО

3. При закрытом шибере весь приготовленный щебень загрузить в бункер грохота. Установив переключателем направление вращения приводного вала по ходу материала, включают грохот в работу и открывают шибер, пропускают материал через сита грохота. По секундомеру замерить время грохочения материала, взяв за точку отсчета время начала поступления материала в приемник с верхнего сита. Опыт заканчивают, как только прекратилось массовое (стесненное) движение материала по верхнему ситу. Полученные фракции материала +3,5 и -3,5 + 1,6 подвергают рассеву в наборе сит, данные ситовых анализов заносят в таблицу.

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

1. Построение дисперсионных характеристик материала в виде функций R (д), D(д).

гидродинамика теплопередача суспензия установка

По таблице, где занесены данные ситовых анализов, требуется построить функции распределения массы частиц по их размерам R (д) и D (д) для исходного материала, а также фракций +3,5 и -3,5 + 1,6.

Следуя определению и считая диаметр отверстий сита граничным размерам частиц, находим значения функции R (д) для каждого граничного размера:

R (д1) = m1 / M, R (д2) = m2 + m1 / M, R (д3) = m3 + m2 + m1 / M и т.д.,

где M - масса навески зернистого материала, взятая для проведения ситового анализа.

По расчетным величинам R ( д ) строят график функции R (д) (рис. 2)

Используя соотношение (1) D (д) = 1 - R (д), вычисляем значения D (д) и по расчетным величинам строим график функции D (д) (рис. 3).

2. Определение коэффициента качества грохочения (например, верхнего сита) воспользуемся формулой (4):

E = б - г / б (100 - г) ? 10.

Содержание нижнего класса в исходном материале (б, %) определим следующим образом. Из графика функции распределения массы частиц по размерам R (д) для исходного материала определим долю частиц (A) с размером больше 3,5 мм, R (0,0035) = A. Используя уравнение (1), находим долю частиц (B) с размером, меньшим 3,5 мм. D (0,0035) = 1 - R (0,0035) = B. Величина B, помноженная на 100, и есть искомое содержание нижнего класса в исходном материале - d, %.

Аналогичным образом, воспользовавшись функцией распределения массы частиц по размерам R (д), построенной для фракции +3,5 (фракция верхнего сита), находим содержание нижнего класса в надрешетчатом продукте (г, %).

3. Определение средних размеров частиц.

Средний размер частицы дср. полидисперсного материала определяют на основании гранулометрического состава, т.е. количественного разделения зёрен по крупности, используя формулу:

дср. = д1x1 + д2x2 + д3x3 + … / x1 + x2 + x3 + … = У (дx)/100,

где д1, д2, д3 … - средние размеры зёрен отдельных фракций ситового анализа, определяемые как полусумма размеров отверстий двух сит, - ближайшего верхнего, через которое прошли все зёрна фракции, и сита, на котором зёрна этой фракции задержались, не просеявшись через него; x1, x2, x3 … - массовые проценты каждой фракции.

Уx = 100, %.

Средний размер частиц полидисперсного материала можно найти, также используя дисперсную характеристику материала в виде функции R (д). Для этого кривую R (д) разбивают на отдельные прямые участки и, измеряя для каждого отрезка Д Ri и дi , рассчитывают по уравнению (2):

дср. = Д R1д1 + Д R2д2 + Д R3д3 + … = ? д?dR (д).

В работе требуется определить средний размер частиц, используя оба метода ситовых анализов, занесенных в таблицу.

4. Определение производительности грохота при грохочении от крупного к мелкому определяется производительностью верхнего слоя. По опытным данным производительность грохота определяют из выражения

Gоп = G/ф?3600, кг/ч,

где G - количество материала в кг, полученного с верхнего сита (фракция +3,5) за время рассева материала ф, сек.

В общем случае производительность вибрационного грохота зависит от физических свойств материала (плотности, формы и размера частиц, наличия в смеси «трудных» зёрен, т.е. частиц, размер которых соизмерим с размером отверстий в сите грохота, влажности), размеров сита, относительной скорости движения материала, способа его подачи, толщине слоя материала на сите и других факторов. Точному расчету производительность вибрационных грохотов не поддаётся. Ориентировочно её можно определить по формуле (4).

Для сдачи проделанной работы необходимо представить отчёт, состоящий из схемы установки, таблицы ситовых анализов, графиков дисперсионных характеристик, расчётные значения дср., E, G. В отчёте обязательно представить все расчёты по использованным формулам.

СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Отчёт 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 с представлением всех расчетов по приведенным формулам;

- выводы.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. До начала работы необходимо:

- убедиться путем внешнего осмотра в исправности лабораторной установки;

- убедиться в наличии и правильной установке приемников фракций зернистого материала;

- убедиться, что шибер бункера находится в положении «закрыто».

2. Во время работы:

- строго руководствоваться предписаниями данного указания;

- во время работы грохота не открывать дверь бокса и не заходить внутрь него;

- при грохочении пылящих материалов включить вентилятор отсоса пылевоздушного потока из бокса;

- не оставлять работающую установку без присмотра;

- докладывать о всех замеченных неполадках в работе установки преподавателю или учебному мастеру.

3. По окончании работы:

- выключить двигатель привода грохота;

- закрыть шиберную заслонку бункера;

- очистить сита грохота от остатков зернистого материала;

- сдать установку учебному мастеру (лаборанту).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ 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 вибрационного грохота.

4. Каков порядок выполнения лабораторной работы?

5. Какие экспериментальные данные снимаются при выполнении работы?

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ НА ЗАЩИТЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Назовите основные способы классификации зернистых материалов.

Дайте сравнительную характеристику каждого из них.

2. Назовите основные типы рабочей поверхности грохотов.

3. Что такое ситовой анализ? Как он проводится? Как обрабатывают данные ситовых анализов?

4. Какими показателями оценивается работа грохота?

5. Назовите основные типы промышленных грохотов и дайте их сравнительную характеристику.

6. Можно ли по дисперсионной характеристике R (б) найти средний размер частиц? Удельную площадь поверхности частиц?

7. Чем отличаются функции распределения массы частиц по их размерам D (б) и R (б)?

8. Назовите основные характеристики для оценки дисперсности полидисперсной системы.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Сиденко П.М. Измельчение в химической промышленности. - М.: Химия, 1977.

2. Машины и аппараты химических производств: Примеры и задачи/ Под общей редакцией В.Н. Соколова. - Л.: Машиностроение, 1982.

Работа № 11

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ В БАРАБАННОМ СМЕСИТЕЛЕ

Смешение сыпучих материалов с целью получения однородных по составу смесей в химической промышленности используется очень широко, например, в производствах: наполненных полимерных материалов, сложных удобрений, красителей, резин и т.д. В большинстве случаев качество готовых изделий, приготавливаемых из смесей, зависит от однородности состава этих смесей.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является ознакомление с процессом смешения сыпучих материалов, с конструкцией и работой двухбарабанного механического смесителя типа «пьяная бочка», исследование кинетики процесса смешения, определение оптимального времени смешения.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Лабораторная работа выполняется на барабанном смесителе БЛ-2, принципиальная схема установки которого представлена на рис.1.

Два одинаковых цилиндрических барабана 1 ёмкостью 0,01 м3, образующие корпус смесителя, вращаются на валу 2, составляющем с осями симметрии барабанов некоторый угол. Барабаны закрываются съёмными крышками 3. Привод барабанов осуществляется от электродвигателя 4 мощностью 0,6 кВт через червячный редуктор 5. Всё оборудование смонтировано на общей раме 6.

Рис. 1. Барабанный смеситель БЛ-2:

1 - ёмкость; 2 - вал; 3 - крышка; 4 - электродвигатель; 5 - редуктор; 6 - рама.

Для проведения процесса смешивания выбираются сыпучие материалы, различающиеся по крупности частиц. Физико-механические свойства компонентов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Наименование компонента	Насыпная плотность, кг/м3	Средний диаметр частиц, мм	Примечание
Крошка полиэтилена Силикагель молотый Сферы стеклянные Пшено Крупа

ПОРЯДОК РАБОТЫ

По заданному преподавателем массовому соотношению (1:1; 1:2; 1:4; 1:8; 1:10; 1:20) смешиваемых компонентов взвесить с точностью - 5 г порции первого (А) - ключевого и второго (Б) компонентов, выбирая общую массу их из условия, что заполнение барабана материалом должно быть на 50…70 % по объёму.

Открыть крышку 3 одного из барабанов смесителя и засыпать поочередно внутрь его смешиваемые компоненты, закрыть крышку барабана. Массовое количество компонентов и порядок их засыпки записать в таблицу 2.

Для проведения процесса смешивания включить электродвигатель смесителя на промежуток времени, соответствующий 1-2 оборотам вращения барабана, после этого выключить электродвигатель. Таким образом, время от момента включения электродвигателя до момента полной остановки барабана будет соответствовать времени смешивания на данном этапе эксперимента. Время этого этапа эксперимента замеряется секундомером.

Открыв крышку барабана, пробоотборником взять с поверхности слоя до 10 проб смеси. Масса каждой пробы 30-40 г. Поместив пробу на сито, рассеять её вручную на две фракции: первый компонент - А, второй - Б. Каждую фракцию взвесить с точностью 0,1 г, используя весы ВНЦ-0,2 типа ВНЦ ГОСТ 1327-55. Определить процентное содержание ключевого компонента в каждой пробе (каждого компонента).

После анализа проб их компоненты ссыпать в барабан смесителя, закрыть крышку барабана.

Для дальнейшего проведения процесса смешивания компонентов необходимо операции пуска, остановки смесителя, отбора проб, определения концентрации ключевого компонента в каждой пробе смеси повторить многократно до тех пор, пока пробы смеси последующих этапов смешивания не перестанут значительно отличаться друг от друга по составу (по концентрации ключевого компонента). Рекомендуемая периодичность этапов смешивания согласовывается с преподавателем. Например, ряд этапов смешивания, соответствующий 2, 4, 8, 16, 30, 60, 120, 240 оборотам барабана смесителя. Процессу смешивания сопутствует процесс расслоения сыпучих компонентов - сегрегации их частиц, особенно при смешивании компонентов, различающихся размером частиц, плотностью. Поэтому в случае, когда процесс расслоения преобладает над смешиванием, место отбора проб смеси играет существенную роль при оценке процесса смешивания.

По окончании работы смесителя необходимо освободить барабан от смеси. Смесь компонентов рассеять и фракции ссыпать в соответствующие ёмкости для хранения.

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

1. Определить содержание CА ключевого компонента А в готовом продукте:

CА = MА/(MА + MБ)? 100, %,

где MА и MБ - соответственно массы компонентов А и Б, взятые для смешивания, кг.

2. Определить содержание Ci ключевого компонента в каждой пробе:

Ci = mА/(mА + mБ)? 100, %,

где mА и mБ - соответственно массы компонентов А и Б в пробе, г.

3. Рассчитать для каждого этапа смешивания меру качества смешивания, за которую в ряде случаев принимают среднее относительное квадратическое отклонение содержания ключевого компонента в пробах, взятых из смеси, и по данным опытов подсчитывают по формуле

S = 1/CА v? (Ci - CА)2 /n,

где n - число проб, взятых из смеси в данный этап смешивания.

Величина S не учитывает частоту появления в пробе концентрации Ci, близкой к CА, следовательно, ?C зависит от CА и использование S для сравнительной оценки смесей с различным содержанием в них ключевого компонента не представляется возможным. Поэтому величину S делят на некоторую величину среднего отклонения S0, в которую многие авторы вкладывают различный смысл [1].

Среднее отклонение S0 можно вычислить исходя из начальных условий смешивания компонентов при ф = 0. При смешивании компонентов в отношении 1 : m число проб (при полной выборке смеси) будет кратно m + 1, а концентрация ключевого компонента в смеси

CА = 1/m + 1,

тогда

S0 = v1 (1 - CА)2 + m (0 - CА)2/(m + 1) (1/m + 1)2 = vm =v1 - CА/CА.

С учетом последнего коэффициент неоднородности смешивания для каждого этапа смешивания рассчитывается:

VС = S • 100/S0, %,

или коэффициент смешивания

J = 100 - VС, %.

4. Данные опытов и расчетов MА, MБ, mА, mБ, CА, Ci, VС, J, ф занести в таблицу 2.

5. Построить график зависимости меры качества смешивания в смесителе от времени смешивания.

6. Определить по графику оптимальное время смешивания ф, т.е. соответствующее наиболее качественному смешиванию.

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 отчете должны быть представлены:

- описание цели работы,

- схема лабораторной установки,

- описание работы установки,

- методика проведения работы,

- полученные экспериментальные данные,

- результаты обработки опытных данных,

- выводы.

J,%

Студент _________________ Преподаватель___________________

VС, %

Концентрация ключевого компонента в пробе смеси: Ci = mА/(mА + mБ)? 100, %

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

Время смешивания, сек, число оборотов

Исходные данные

Смеситель ______________

________________________

Компонент А _______, Ма=

Компонент Б _______, Мб=

CА = MА/(MА + MБ)

So=v1 - CА/CА

Обозначения:

Ci = mА/(mА + mБ)

S = 1/CА v? (Ci - CА)2 /n

J = 100 - VС

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Электродвигатель смесителя, его пускатель и электропроводящие элементы должны быть заземлены.

2. Муфты привода и вращающийся корпус барабана должны иметь защитные ограждения.

3. Не применять в исследовании процесса смешения токсичные сыпучие материалы.

4. Во время работы смесителей не прикасаться руками к вращающимся и двигающимся элементам установки (полы и рукава халатов должны быть застегнуты).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА И ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Какова цель предстоящей работы?

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

3. Каков порядок выполнения лабораторной работы?

4. Какие экспериментальные данные фиксируются при выполнении работы?

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ НА ЗАЩИТЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Какие процессы принято выделять при приготовлении смесей из сыпучих материалов?

2. Как оценивается качество смеси?

3. Как влияет время экспозиции при отборе пробы на определение качества смеси?

4. Как влияет количество частиц в пробе на оценку качества смеси?

5. Основные типы емкостных смесителей, применяемых в химической промышленности.

6. Техника безопасности при смешивании пылевидных сыпучих компонентов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. - М.: Машиностроение, 1973.

2. Штербачек З., Туаск К. Перемешивание в химической промышленности. - Л.: Госхимиздат, 1963.

3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973.

Работа № 12

ИСПЫТАНИЕ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ

Перегонка и ректификация как методы разделения жидких смесей на практически чистые компоненты или фракции различного состава - широко распространенные процессы не только в химической, но и в других отраслях промышленности: в нефтепереработке, в пищевой, фармацевтической, микробиологической и т.п. Так, например, на долю ректификационных установок в производстве синтетического каучука приходится около 30% от всего установленного оборудования.

Основными элементами ректификационного аппарата являются контактные устройства, служащие для организации двухстороннего тепло- и массообмена между неравновесными потоками пара и жидкости, в результате чего пар обогащается низкокипящим компонентом, а жидкость - высококипящим. Массообменная эффективность этих устройств определяется гидродинамической обстановкой на них. При определенных скоростях паровой фазы контактные устройства достигают наибольшей эффективности. Анализ достоинств и недостатков контактных устройств колонных массообменных аппаратов достаточно подробно изложен в [1].

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

ф2 = 1/N[2,3 (Uкр. - Uр.) lg Uкр. - Uр./U2 - Uр.],(2)

где Uр и U2 - равновесное и конечное влагосодержания материала, считая на абсолютно сухое вещество, %.

Таким образом, зная скорость сушки в первом периоде, можно найти общую продолжительность процесса сушки:

фобщ = ф1 + ф2,(3)

а также коэффициент теплоотдачи от сушильного агента (воздуха) к поверхности высушиваемого материала:

бf = NrGсух / F (t1 - tм),(4)

где r - скрытая теплота парообразования, Дж/кг; Gсух - вес абсолютно сухого материала, кг; F - поверхность высушиваемого материала, м2; t1 - температура сушильного агента (воздуха) на входе в сушилку, 0C; tм - температура «мокрого» термометра, 0C. Выражение (4) справедливо только для первого периода сушки.

При сушке во взвешенном состоянии, в связи с трудностью определения истинной поверхности зернистого материала, в расчёты обычно вводят объёмный коэффициент теплообмена, связанный с поверхностным коэффициентом бf соотношением

бv = F/Vк,(5)

где Vк - рабочий объём сушильной камеры, м3.

Для оценки интенсивности испарения влаги за весь процесс сушки иногда пользуются величиной, называемой обычно напряжением по влаге объёма камеры. Эта величина определяется количеством влаги, испаряемой за весь процесс, отнесённым к единице времени и единице объёма, и обозначается Av. По определению

Av = W/Vк?ф, (кг/м3ч),(6)

где W - количество влаги, удаленной за процесс сушки, кг;

Vк - рабочий объём камеры, м3; ф - длительность процесса сушки, час.

Приближенная зависимость между напряжением объёма по испаряемой влаге Av и объёмным коэффициентом теплообмена имеет вид

Av = бv ? Дtср/rср,(7)

где Дtср - средняя разность температур (потенциал переноса тепла), 0C.

С достаточной точностью средняя разность температур определяется по формуле

Дtср = (t1 - и1) - (t2 - и2)/2,3 lg t1 - и1/t2 - и2,(8)

где t1 и t2 - температуры сушильного агента (воздуха) соответственно на входе в сушилку и выходе из неё; и1 и и2 - температуры поверхности материала соответственно до и после сушки.

В приближенных инженерных расчётах можно допустить линейную зависимость температуры материала от его влажности (рис. 2), тогда

и2 = tм + t2 - tм/Uкр - Uр (Uкр - U2).(9)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Ознакомление с работой и устройством сушилки с кипящим (псевдоожиженным) слоем высушиваемого материала.

2. Построение кинетических кривых процесса сушки.

3. Изображение процесса сушки по диаграмме J - x влажного воздуха.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Экспериментальная установка периодического действия (рис. 3), предназначенная для изучения процесса сушки зернистых материалов в псевдоожиженном слое, состоит из сушильной камеры цилиндрической формы диаметром 150 мм и высотой 1200 мм, снабженной

газораспределительной колпачковой решеткой, имеющей живое сечение 10 %, штуцера 4 для загрузки порции влажного материала и пробоотборника 3. Корпус сушилки имеет два продольных смотровых окна 2 для визуального наблюдения за псевдоожиженным слоем. Сушильный агент (воздух) засасывается из помещения двумя вентиляторами 16 и 17, проходит электрический калорифер 9 и поступает в сушильную камеру, где приводится в тесное соприкосновение с высушиваемым зернистым материалом. Кинематическая энергия подаваемого воздуха затрачивается на создание в сушильной камере кипящего слоя, а тепло, подаваемое с ним, - на проведение процесса сушки.

Отработанный воздух, пройдя через систему пылеулавливания, включающую в себя батарейный циклон 21 и рукавный фильтр 22, выбрасывается в атмосферу. Расход воздуха устанавливается вентилем 14 и измеряется нормальной диафрагмой 13 с подключенным к ней дифференциальным манометром 18. Температура воздуха, поступившего в рабочий объём сушилки, измеряется с помощью термопары 5, а покидающего сушилку - термопарой 6, подключённых к потенциометру 12. Электрокалорифер мощностью 6 кВт питается от сети переменного тока напряжением 220 вольт. Одна секция калорифера - авторегулируемая. Проба высушиваемого материала на определение влагосодержания в любой промежуток времени берётся пробоотборником 3. Для выгрузки материала предусмотрен штуцер 23.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Перед тем как приступить к исследованию, необходимо подготовить материал, предназначенный для сушки. С этой целью отвешивают порцию сухого материала в количестве 1 кг и равномерно увлажняют его водой из расчёта примерно 150…500 г воды на 1 кг сухого материала. Увлажнение материала проводят в эксикаторе тщательным перемешиванием. Эту операцию надо выполнять в самом начале работы для того, чтобы влага продифундировала с поверхности внутрь зёрен. Из равномерно увлажненного материала в бюкс отбирают пробу в количестве 3-5 г для определения исходной влажности. Бюкс взвешивают с точностью до второго знака после запятой и ставят на весы влагомера для сушки до постоянного веса. После достижения постоянного веса бюкс охлаждают и снова взвешивают. Влагосодержание исходного материала определяют по формуле

W1 = m1 - m2/m1? 100%

Или(10)

U1 = m1 - m2/m2? 100%,

где m1 - масса влажного материала; m2 - масса высушенного материала.

Одновременно с подготовкой материала на сушку выводят установку на заданный тепловой режим. Для пуска установки в работу включают воздуходувки выключателями а и б и при помощи вентиля 14 при закрытом вентиле 15 устанавливают максимальный расход воздуха. Затем включают калорифер для подогрева воздуха до необходимой температуры (величина напряжения, подаваемого на тэны калорифера, и температура воздуха, идущего на сушку, определяются заданием преподавателя). Без загрузки сушилки влажным материалом её прогревают до тех пор, пока термометры 5 и 6 и после сушильной камеры не будут показывать постоянную температуру. Ввиду того, что масса сушильной камеры и тепловой изоляции велика, невозможно достичь в короткое время равенства температур до и после сушильной камеры. Поэтому расхождение в показателях термопар в 100С-200С допустимо.

После наступления заданного температурного режима через загрузочное отверстие 4 в сушилку засыпают увлажненный материал. Время начала эксперимента заносят в журнал наблюдений. При попадании влажного материала в сушильную камеру температура сушильного агента (воздуха) резко уменьшается и на протяжении первого периода сушки приблизительно равна температуре «мокрого» термометра. Для построения кривой сушки через равные промежутки времени 0,5-2 мин пробоотборником отбирают материал на определение влагосодержания. Количество проб 10-12, вес взятой пробы не должен превышать 3-5 г. В момент взятия каждой пробы замеряют температуру кипящего слоя (термопара 5), температуру воздуха на выходе из сушилки (термопара 6). Результаты опыта заносят в отчётную таблицу.

Отчётная таблица

Высушиваемый материал…………………………………..…………

Вес исходного сухого материала…………………………..……… кг

Влагосодержание влажного исходного материала………..……… %

Эквивалентный диаметр частиц материала dэ…………………… мм

Удельная поверхность частиц высушиваемого материала

f…………………………………………………………………... м2/кг

Критическая скорость псевдоожижения wкр ………………….. м/с

Показания дифманометра диафрагмы Дh……………… мм вод.ст.

Сопротивление сушильной камеры Дp………………… мм вод.ст.

Скорость воздуха на полное сечение сушильной камеры w….. м/с

Относительная влажность воздуха, поступающего в сушильную

камеру, ц…………………………………………………………….. %

Относительная влажность комнатного воздуха ц0……………….. %

Рис. 3. Схема экспериментальной установки для сушки зернистых материалов в псевдоожиженном слое:

1 - сушильная камера; 2 - смотровые окна; 3 - пробоотборник; 4 - штуцер загрузки; 5-6 - термопары; 7 - контактный термометр; 8 - реле температуры; 9 - электрокалорифер; 10 - трансформатор (РНО-250-5); 11 - пускатель (ПМЕ-211); 12 - потенциометр (КВП-512); 13 - диафрагма; 14-15 - вентили; 16-17 - воздуходувки; 18, 19, 20 - дифманометры; 21 - батарейный циклон; 22 - рукавный фильтр; 23 - штуцер выгрузки.

№ п п	Текущее время взятия пробыф	Интервал времени Дф	Вес пробы m1	Вес пробы в абсолютно сухом состоянии m2	Содержание влаги в материале W	Влагосодержание материала на сухое вещество U	Изменение влагосодержания ДU	Скорость сушки ДU/Дф	Температура кипящего слоя t5	Температура воздуха на выходе из сушилки t6
	мин	мин	г	г	г	%	%	1/ч	0C	0C

Опыт заканчивают после того как прекратится убыль массы материала, об этом можно судить по температуре воздуха на выходе из сушилки, а именно, по моменту достижения заданного (начального) температурного уровня. По окончании опыта, не выключая воздуходувок, через штуцер 23 из сушильной камеры удаляют высушенный материал, выключают электрокалорифер и спустя 5-10 мин останавливают воздуходувки.

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

Результаты опытов представляют в виде графической зависимости «убыль влаги - время» (U = f(ф)) и кривой изменения температуры сушильного агента от времени (t = f(ф)). Построение данных зависимостей можно совместить на графике (см. рис. 1). На другом графике, используя опытные данные, строят кривую «скорость сушки - влагосодержание» (dU/dф = f(U)). Кривую скорости сушки можно построить также путём графического дифференцирования кривой сушки. Данное построение произвести на отдельном графике, совместив на нём обе зависимости: U = f(ф) и dU/dф = f(U). По кривой скорости сушки находят значение критического влагосодержания - Uкр. и из уравнения (1) - скорость сушки в первом периоде - N. Затем, используя зависимости (1, 2, 3), находят общую продолжительность сушки данной порции материала. Время, затраченное на сушку, определяют по уравнению

ф = (U1 - Uкр/Uкр - Uр - 2,3 lg U2 - Uр/Uкр - Uр)?см?н?r (Uкр - Uр)?hпл / 4,8 W?Дtср лг (Pn/Pb)0,25,(11)

где U1 - начальное влагосодержание, %; Uкр - критическое влагосодержание, %; U2 - конечное влагосодержание, %; Uр - равновесное влагосодержание, %; см - истинная плотность материала, кг/м3; н - кинематическая вязкость воздуха, м2/с; r - теплота парообразования, Дж/кг; hпл - высота плотного слоя, м; h0 - высота свободного насыпного слоя, м; е0 = 0,4 - порозность свободного насыпного слоя; W - скорость воздуха на полное сечение аппарата, м/с.

Расход воздуха, проходящего через сушилку, определяют по формуле

V = vДh/сt , м3/ч,(12)

где Дh - показания дифманометра на диафрагме, мм вод.ст.; сt - плотность воздуха при рабочей температуре, кг/м3.

Дtср = (t1 - tм) - (t2ґ - tм)/ 2,3 lg t1 - tм/t2ґ - tм = t1 - t2ґ / 2,3 lg t1 - tм/t2ґ-tм - средняя разность температур для первого периода сушки, 0C, где t1 - температура воздуха на входе в сушилку, 0C (определяется заданием преподавателя); t2ґ - температура сушильного агента в конце первого периода сушки, которую определяют по диаграмме J - x, зная количество испарённой влаги в течение 1-го периода сушки; tм - температура «мокрого» термометра воздуха для 1-го периода сушки, 0C.

Количество влаги, удалённой из материала за время первого периода в пересчёте на час, определяется по формуле

WI = G1 ? w1 - wкр/100 - wкр ? 60/ф1, кг/ч,(13)

где G1 - начальная масса влажного материала, поступающего на сушку, кг; w1 - начальная влажность материала (на общую массу влажного материала), %; wкр - критическая влажность материала (на общую массу), %.

Определив WI по формуле (13), находят влагосодержание воздуха в конце I-го периода сушки из выражения

d2ґ = d0 + WI/L, кг/кг,(14)

где d0 - влагосодержание холодного воздуха, кг/кг (определяется по показателям «сухого» и «мокрого» термометра); L - расход сухого воздуха, кг/ч; Vґ = Vсt - расход влажного воздуха, кг/ч.

L = Vґ/1+d0.(15)

ИЗОБРАЖЕНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ НА ДИАГРАММЕ

Для построения на диаграмме J - d реального процесса сушки (с учётом потерь тепла) определяется величина Д по уравнению

Д = (qД + C ин) - (qм + qт + qп),(16)

где qД - удельный расход тепла в дополнительном калорифере, Дж/кг; qД=0; C - теплоёмкость влаги, Дж/кг?0C; ин - начальная температура материала, 0C; qм = Gк/W?Ск (ик - ин) - удельный расход тепла на нагрев высушенного материала; Cк - удельная теплоёмкость сухого материала, Дж/кг?0C; ик - температура материала в конце процесса сушки, 0C.

Температуру материала в конце процесса сушки определить экспериментально по показанию термопары 5 и сопоставить с расчётным значением, вычисленным по уравнению

ик = tм + tср - tм/Uкр - Uр (Uкр - U2),(17)

где tср = t1 + t2/2 - средняя температура сушильного агента (воздуха), 0C;

qт - удельный расход тепла на нагрев транспортных устройств, Дж/кг; qт=0; qп - удельные потери тепла сушилкой в окружающую среду, Дж/кг.

Потери тепла сушилкой в окружающую среду принимаем равными 10% от удельного расхода тепла в теоретической сушилке по уравнению

qп = 0,1 J1 - J0/d2Ѕ - d0,(18)

где J0, J1 - соответственно энтальпия воздуха на входе в калорифер и на выходе из него, Дж/кг?сух.в.; d2Ѕ - конечное влагосодержание воздуха для теоретической сушилки.

Определив по формуле (16) величину Д , которую часто называют внутренним балансом сушильной камеры, приступают к изображению процессов нагрева воздуха и сушки влажного материала в координатах J-x на миллиметровой бумаге. По результатам построения определяют удельные расходы воздуха и тепла на сушку для теоретической и действительной сушилок, температуру «мокрого» термометра и температуру t2ґ по известному значению d2ґ (уравнение 14), парциальное давление пара в паровоздушной смеси Pп. Теплофизические параметры воздуха и пара определяются из справочной литературы при средней температуре.

СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЁТА

Отчёт 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 отчете должны быть представлены:

- описание цели работы,

- схема лабораторной установки,

- методика проведения работы,

- полученные экспериментальные данные,

- результаты обработки опытных данных (графики и диаграмма вычерчиваются на миллиметровой бумаге с применением необходимых чертежных инструментов),

- выводы.

В отчете обязательно представить все расчеты по приведенным формулам.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. До начала работы необходимо:

- убедиться в отсутствии явных повреждений лабораторной установки;

- проверить наличие резиновых ковриков перед щитом управления;

- установить вентиль 15 в положение «открыто», убедиться в наличии приемников пыли у батарейного циклона и рукавного фильтра.

2. Во время работы:

- строго руководствоваться данными указаниями;

- разрешается включать электрический калорифер только при работающих вентиляторах;

- не прикасаться голыми руками к стеклянным бюксам, находящимся под включенной лампой влагомера;

- не оставлять работающую установку без наблюдения;

- докладывать о всех замеченных неполадках преподавателю или учебному мастеру.

3. По окончании работы:

- выключить электрический калорифер при работающих вентиляторах;

- по истечении некоторого времени (3-5 минут) выключить вентиляторы;

- через разгрузочное отверстие 23 выгрузить из сушилки высушенный материал (при выгрузке материала вентиляторы должны быть включены);

- убрать рабочее место и сдать установку учебному мастеру (лаборанту).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Какова цель предстоящей работы?

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

3. Каков порядок выполнения лабораторной работы?

4. Какие экспериментальные данные снимаются при выполнении работы?

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ НА ЗАЩИТЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Что является движущей силой процесса сушки?

2. Что называется скоростью сушки?

3. Чем определяется скорость сушки в первом периоде? При каких условиях скорость сушки в первом периоде постоянна?

4. Чем определяется скорость сушки во втором периоде?

5. Что такое равновесное влагосодержание материала и от чего зависит его значение? Что такое критическое влагосодержание материала?

6. Как изменяется температура материала в процессе конвективной сушки?

7. Почему при сушке влага в материале перемещается из внутренних слоев к поверхности?

8. Что такое относительная влажность воздуха?

9. Как, пользуясь диаграммой Рамзина, найти относительную влажность воздуха, температуру «мокрого» термометра, температуру точки росы?

10. Справедливы ли при сушке в кипящем слое представления о периодах постоянной и падающей скоростях сушки?

11. Почему для сушки полидисперсных материалов нецелесообразно применять сушилки цилиндрической формы?

12. Что такое удельный расход воздуха и удельный расход тепла?

13. Какой физический смысл понятия тепловой кпд сушилки?

14. В чем физический смысл величины Д - внутреннего баланса сушилки?

15. Что такое теоретическая сушилка?

16. Как изменяется относительная влажность воздуха при нагревании его до температуры выше 100 0C?

17. С какой целью применяют частичный возврат отработанного воздуха в сушилку при конвективной сушке?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

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

2. Романков П.Г., Рашковская Н.В. Сушка во взвешенном состоянии. - Л.: Химия, 1968.

Работа № 16

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАЛОРИФЕРА ДЛЯ НАГРЕВА ВОЗДУХА

В химической технике довольно широко применяется нагревание электрическим током. С помощью электрического тока нагрев можно производить в очень широком диапазоне температур, точно поддерживая и регулируя температуру нагрева в соответствии с заданным технологическим режимом. Кроме того, электрические нагревательные устройства отличаются простотой, компактностью, удобны для обслуживания. В химической промышленности наиболее часто применяется омический электронагрев (до температур не выше 5000C) при помощи пластинчатых, стержневых и трубчатых нагревателей небольшой единичной мощности. В них тепло выделяется при прохождении электрического тока по специальным нагревательным элементам и передается нагреваемой среде лучеиспусканием, конвекцией и теплопроводностью. Нагревательные элементы изготавливают главным образом из проволоки или ленты хроможелезоникелевых сплавов, обладающих большим омическим сопротивлением и высокой жаростойкостью (нихром или фехрали).

Электрический калорифер лабораторной установки выполнен в виде трубы диаметром 100 мм, в которой размещены трубчатые электрические нагреватели (ТЭНы) в количестве трех штук, мощностью каждый - 2000 Вт. ТЭН представляет собой стальную трубку 1 (рис. 1), в которой расположена спираль из нихрома 2.

Пространство между стенкой трубки и спиралью заполнено кристаллической окисью магния 3, обладающей хорошей теплопроводностью и электроизоляционными свойствами.

Рис. 1. Устройство ТЭНа:

1 - стальная трубка диаметром мм; 2 - спираль из нихрома; 3 - окись магния; 4 - фарфоровый изолятор; 5 - клемма; 6,7 - зажимы (гайки) токоподводящего провода.

Подводимая к ТЭНам электрическая энергия превращается в теплоту Q, которая расходуется по трем направлениям:

а) передается воздуху, протекающему по трубе калорифера, Q1;

б) передается воздуху, окружающему калорифер, Q2;

в) расходуется на нагрев корпуса калорифера, Q3.

Таким образом, Q = Q1 + Q2 + Q3.(1)

При стационарном режиме теплообмена, когда температура стенки трубы калорифера неизменна, т.е. когда достигнуто тепловое равновесие, Q3 = 0.

Количество теплоты Q1 может быть определено по формуле

Q1 = G [Cp / t2 - Cp / t1], Вт(2)

где G - секундный расход воздуха, кг/с; Cp / и Cp / - средние теплоемкости воздуха, Дж/кг?К; t1 - температура воздуха на входе в калорифер, К; t2 - температура воздуха на выходе из калорифера, К.

Количество тепла, выделяемое при прохождении электрического тока по нагревателям, определяется формулой

Q = J V cosц, Вт,(3)

где J - сила тока в амперах; V - падение напряжения в вольтах.

В данной работе изучается передача тепла в электрическом калорифере при нагревании в нем атмосферного воздуха в условиях вынужденной конвекции, когда, как известно, тепло воздуху передается совместно конвекцией и излучением. Суммарная отдача тепла стенкой ТЭНа путем конвекции Qк и теплового излучения Qл определяется уравнением

Q = Qк + Qл = бобщ ? F (и - t), Вт,(4)

где бобщ - суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/м2? К; F - поверхность теплоотдающей стенки (ТЭНа), м2; и - температура наружной стенки ТЭНа, К; t - температура нагреваемой фазы (воздуха), К.

Так как температура теплоизлучающей стенки и температура воздуха, движущегося вдоль нее, не остаются постоянными, то в формулу (4) следует подставить среднюю разность температур, определяемую формулой

Дtср = Дt1 - Дt2 / 2,3 lg Дt1/Дt2(5)

где Дt1 = и1 - t1 - разность температур стенки (ТЭНа) и воздуха на одном конце калорифера (вход холодного воздуха); Дt2 = и2 - t2 - то же на другом конце калорифера (выход нагретого воздуха).

Если Дt1/Дt2 < 2, то вместо формулы (5) можно использовать более простую зависимость

Дtср = Дt1 + Дt2/2.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Закрепление теоретических знаний основ теплопередачи.

2. Практическое ознакомление с работой электрического калорифера.

3. Исследование влияния силы тока и скорости движения воздуха на основные параметры процесса нагрева.

4. Приобретение навыков в обработке экспериментального материала методами математической статистики.

Содержание экспериментальной части работы

Экспериментальное определение влияния силы тока Ј и скорости движения воздуха W на основные параметры процесса нагрева в виде зависимостей t2 = f (J,W); и1 = f (J,W); и2 = f (J,W); б = f (W).

Получение того или иного вида аналитического выражения определяется заданием преподавателя.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Принципиальная схема лабораторной установки описана в работе № 15 («Исследование процесса сушки зернистых материалов в псевдоожиженном слое»). Объектом исследования в данной работе является электрический калорифер 9, сила тока нагревательного элемента (ТЭНа) в котором устанавливается с помощью автотрансформатора 10 и измеряется амперметром А. Через калорифер с помощью вентиляторов 16 и 17 продувается атмосферный воздух, расход которого измеряется с помощью мерной диафрагмы 15 и дифманометра 18. Регулируется расход воздуха с помощью вентилей 14 и 13. Места установки термопар для измерения температуры воздуха и температуры поверхности ТЭНа показаны на рис. 2.

Выходной координатой объекта исследования являются температура воздуха на выходе из калорифера t2, температура поверхности нагревателя и1, и2 или и = и1 + и2/2, которые зависят в основном от значений двух переменных: силы тока J в спирали нагревателя и скорости движения нагреваемого воздуха W.

Кроме того, возможны случайные колебания температуры вследствие изменения напряжения в сети, температуры окружающего воздуха и других неучтенных факторов, которые можно рассматривать как некоторую общую помеху.

Рис. 2. Схема подключения термопар в электрическом калорифере.

Структурная схема объекта исследования представлена на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема объекта исследования.

ПОРЯДОК РАБОТЫ

Преподаватель задает значения входных переменных x1i (i = 1,2,…n) и x2j (j = 1,2,…m), каждая пара которых определяет один режим работы калорифера. Студент последовательно выводит объект на каждый из заданных режимов и по окончании переходного процесса (через 15-20 мин) регистрирует установившееся значение выходной величины yij. Исходя из 4-часовой продолжительности лабораторных занятий и среднего времени переходного процесса 15-20 мин общее количество исследуемых в одном эксперименте режимов работы калорифера не должно превышать 16.

Результаты экспериментов заносят в табл. 1.

Таблица 1

№ п.п.	Сила тока J, А	Напряжение V, В	Расход воздуха	Температура
			Дp, кг/м2	G, м3/ч	W, м/с	ТЭНов	воздуха
						и1	и2	t1	t2
1 2 …

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

4.1. Вывод расчетных уравнений.

Экспериментальные данные требуется аппроксимировать уравнением вида y = ц(x1, x2) = f1 (x1) ? f2 (x2),

используя метод Брандона. В данной работе студенты берут для обработки одну из перечисленных выше зависимостей (по заданию преподавателя). Расчет проводят в такой последовательности:

1) экспериментальные данные из табл. 1 переносят в табл. 2, более удобную с учетом применяемого метода обработки;

2) в первом приближении выходную координату y рассматривают как функцию одной переменной, например, x1. При этом каждому значению x1i соответствует m значений yij в зависимости от значений второго аргумента x2j. Рассчитывают средние значения

y (x1i) = У yi j /m, i = 1, 2, … n

(обрабатывают данные вертикальных столбцов табл. 2) и строят график функции y (x1),

Таблица 2

X1 X2	X11	X12	X13	…	X1i	….	X1n
X21	y11	y21	y31	…	yi1	.…	yn1
X22	y12	y22	y32	…	yi2	.…	yn2
…
X2j	y1j	y2j	y3j	…	yi j	.…	ynj
…
X2m	y1m	y2m	y3m	…	yim	.…	ynm

где x1 = W; x2 = J; y = и1 ? и2 ? t2;

3) функцию y (x1) аппроксимируют уравнением прямой f1(x1) = a0 + a1x1 или параболы f1(x1) = a0 + a1x1 + a2x12 , коэффициенты которого находят методом наименьших квадратов (см. приложение);

4) исключается влияние переменной x1, для чего рассчитывают значения остаточной функции:

f2 [ij] = yi j / f1 (x1i),

которая предполагается зависящей только от переменной x2 (обрабатываются данные горизонтальных строк табл. 2);

5) для каждого значения x2j вычисляют среднюю величину:

f2 (x2j) = ? f2 [ij] / n, j = 1, 2, … m

и строят график функции f2 (x2);

6) функцию f2 (x2) аппроксимируют уравнением прямой или параболы:

f2(x2) = b0 + b1x2 или f2(x2) = b0 + b1x2 + b2x22,

коэффициенты которого определяются методом наименьших квадратов;

7) рассчитывают погрешности аппроксимации на отдельных режимах:

Д[ij] = yi j - f1 (x1) ? f2 (x2), i = 1, 2, …n; j = 1, 2, … m.

и среднюю квадратичную погрешность аппроксимации:

Х = v? ?2[ij] / N - 1.

Приложение: 1. Определение коэффициентов многочлена первой степени методом наименьших квадратов.

Система уравнений для вычисления коэффициентов аппроксимирующей функции f(x) = a0 + a1x имеет вид:

a1 ? xк + a0R = ? yк,

a1 ? xк2 + a0 ? xк = ? xк yк,

где yк, xк, к = 1, 2, … R - набор экспериментальных данных, отражающих некоторую функцию y = f(x).

В нашем случае

xк ? W ? J; yк ? y (x1i) ? f2(x2j).

Для определения коэффициентов, входящих в систему уравнений, необходимо рассчитать соответствующие суммы, что удобно делать, пользуясь следующей таблицей.

№ п.п.	xк	xк2	yк	xк • yк
1
2
…
R
?

2. Определение коэффициентов многочлена второй степени. Для данного случая система уравнений для вычисления коэффициентов многочлена - аппроксимирующей функции f (x) = a0 + a1x + a2x2 имеет вид:

a2 ? xк2 + a1 ? xк + a0R = ? yк ;

a2 ? xк3 + a1 ? xк2 + a0 ? xк = ? xк yк;

a2 ? xк4 + a1 ? xк3 + a0 ? xк2 = ? xк2 yк.

Для расчета коэффициентов, входящих в систему уравнений, удобна следующая таблица.

№ п.п.	xк	xк2	xк3	xк4	yк	xк• yк	xк2•yк
1
2
3
….
R
?

4.2. Определение коэффициента теплоотдачи от поверхности нагревателя (ТЭНа) к воздуху в условиях вынужденной конвекции.

Коэффициент теплоотдачи (общий) определяется по формуле

бобщ = Q1 / F? Дtср, Вт/м2?К,

где Q1 - количество тепла, отдаваемое поверхностью ТЭНов воздуху, проходящему через электрический калорифер, Дж; F - наружная поверхность ТЭНов, м2; F = рdln; d, l - соответственно диаметр и длина ТЭНа; n - количество ТЭНов; Дtср - средний температурный напор, К.

Для каждого значения силы тока J и всех расходов воздуха при данном J рассчитать значения бобщ по приведенной формуле. Результаты расчетов занести в табл. 3.

В таблице обозначено: x1 = Э, м3/ч или x1 = W, м/с, y = бобщ - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2?К.

Примечание. Расход воздуха, проходящего через калорифер, определяют по показаниям дифманометра, присоединенного к плоской диафрагме, и вычисляют по формуле:

Э = 2,5 v?p / сt, м3/ч,

где Дp - статический перепад давлений в дроссельном приборе, замеренный до и после диафрагмы, мм вод.ст.; сt - плотность воздуха у диафрагмы, кг/м3.

Таблица 3

x2 x1	x11	x12	x13	…	x1i
x21
x22
x23
…
x2j				…	xi j

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

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

где с0 - плотность воздуха при начальных условиях (t = 00C, B = 760 мм рт.ст.), кг/м3; B - барометрическое давление, мм рт.ст.; P - сопротивление системы, мм рт.ст.

При известном значении расхода воздуха Э скорость воздуха на свободное сечение трубчатого электрического калорифера определяем по формуле:

W = Э/26,6, м/c.

Данные табл. 3 аппроксимировать уравнением в виде многочлена первой или второй степени по изложенной выше методике.

4.3. Определение технологического коэффициента полезного действия электрического калорифера.

Технологический коэффициент полезного действия показывает, какая доля тепла от общего количества, выделяемого электрическим калорифером, полезно затрачивается на проведение данной технологической операции, т.е. идет на нагрев воздуха:

з = Q1/Q ? 100, %,

где Q1 - количество теплоты идущего на нагрев воздуха, протекающего через калорифер, Вт; Q - количество теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока по спирали нагревателя, Вт. Q1 и Q определяются по вышенаписанным формулам.

Результаты расчета сведены в табл. 4.

Таблица 4

№ п.п.	Тепло, выделяемое ТЭНом Q, Вт	Расход тепла на нагрев воздуха Q1, Вт	Кпд нагревателя з, %
1 2 . . . n

СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА

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

В отчете должны быть представлены:

- описание цели работы,

- схема лабораторной установки,

- методика проведения работы,

- полученные экспериментальные данные,

- результаты обработки опытных данных.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. До начала работы необходимо:

- убедиться в отсутствии явных повреждений лабораторной установки;

- проверить наличие резиновых ковриков перед щитом управления;

- убедиться в исправности работы потенциометра.

2. Во время работы:

- строго руководствоваться данными указаниями;

- не включать электрический калорифер в работу при неработающих вентиляторах;

- не оставлять работающую установку без присмотра;

- не закрывать вентиль сброса воздуха в атмосферу при изменениях его расхода;

- докладывать о всех замеченных неполадках преподавателю или учебному мастеру.

3. По окончании работы:

- при работающих вентиляторах выключить электрический калорифер;

- по истечении 5-10 минут выключить вентиляторы;

- сдать установку учебному мастеру (лаборанту).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ 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 электрического калорифера.

4. Каков порядок выполнения лабораторной работы?

5. Какие экспериментальные данные фиксируются при выполнении работы?

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ НА ЗАЩИТЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Достоинства и недостатки нагревания электрическим током.

2. Способы превращения электрической энергии в теплоту.

3. Устройство электрических калориферов сопротивления.

4. Что такое сложная теплоотдача? Дайте определение коэффициента теплоотдачи излучением.

5. Какие замеры необходимо сделать, чтобы определить среднюю движущую силу процесса теплоотдачи в калорифере?

6. Можно ли по результатам этих замеров определить коэффициент теплоотдачи излучением?

7. В чем различие между коэффициентом теплоотдачи и коэффициентом теплопередачи по физическому смыслу?

8. От чего в большей степени зависит коэффициент теплоотдачи при развитом турбулентном движении воздуха по трубе электрического калорифера - от скорости воздуха или от силы тока?

9. Разность каких температур входит в уравнение теплоотдачи и каких - в уравнение теплопередачи?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973.

2.Балакирев В.С. Построение математических моделей и обработка экспериментальных данных: Конспект лекций для слушателей ФПКП при МИХМе. - М.: МИХМ, 1980.

Работа № 17

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ ПО ПРЯМЫМ ГЛАДКИМ ТРУБАМ

Трубопроводы в химической промышленности занимают очень важное место, являясь неотъемлемой частью технологического оборудования. На некоторых химических предприятиях общая протяженность трубопроводов измеряется десятками и даже сотнями километров. От качества их проектирования, изготовления, монтажа и эксплуатации во многом зависит успех работы на предприятиях.

Давно было замечено, что энергетические затраты на транспортирование жидкостей (газов) по трубопроводам зависят, помимо прочих причин, от скорости движения потока. Позднее это было связано с наличием двух качественно различных гидродинамических режимов движения жидкости (газа), названных ламинарным и турбулентным. Характер гидродинамического режима определяется величиной критерия Рейнольдса Re, критическое значение которого, соответствующее переходу ламинарного потока в турбулентный при движении жидкости (газа) по прямым гладким трубам, составляет 2300. В диапазоне 2300<Re<10000 принято говорить о переходном режиме. Устойчивый турбулентный режим наблюдается при Re > 10000 [1,2].

Установление экономически выгодных режимов эксплуатации трубопроводов обязательно требует знания гидродинамических режимов движения потоков в них.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Закрепить теоретические знания по вопросам гидродинамических режимов движения жидкостей (газов) в условиях внутренней задачи.

2. Путём визуального наблюдения за характером движения подкрашенной струйки установить качественное изменение гидродинамического режима при изменении скорости жидкости в трубе и, определив значение критерия Рейнольдса Re для этого случая, сравнить его с критическим Reкр для прямых гладких труб.

3. Объяснить причину наблюдаемого в эксперименте качественного изменения гидродинамического режима движения потока.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ (рис.)

Рабочей жидкостью является вода, поступающая в бак 1 из водопровода через вентили 2 и 3. Для контроля за уровнем воды в баке 1 служит водомерное стекло 4, а постоянный уровень обеспечивается переливной трубой 5. Опорожнение бака 1 после окончания работы осуществляется через сливную трубу при открытом вентиле 6.

В рабочую ёмкость 7 вода из бака 1 поступает по трубе 8 с вентилем 9. Сливная труба с вентилем 10 служит для опорожнения рабочей ёмкости 7. Постоянный уровень воды в рабочей ёмкости 7 обеспечивается переливной трубой 11. Рабочая ёмкость имеет смотровое окно. Внутри её установлена перегородка из металлической сетки, назначение которой - погасить возмущения на входе в стеклянную трубу 12, обусловленные потоком воды, поступающей из бака 1 в рабочую ёмкость 7. Температура воды в ёмкости 7 измеряется термометром 22.

Стеклянная труба 12 внутренним диаметром 27 мм с двумя пъезометрами 13 и 14 одним концом заделана в сетчатую перегородку рабочей ёмкости 7.

Для измерения воды служит ротаметр 15 (РС-04Ж). Расход регулируется с помощью вентиля 16.

Индикатор режима движения потока в трубе - подкрашенная марганцовкой струйка воды подаётся из специального бачка 19 через регулирующий вентиль 20 по трубке 21 на вход в стеклянную трубу 12 (по оси).

ПОРЯДОК РАБОТЫ

После изучения руководства и ознакомления с установкой приступить (с разрешения преподавателя) к работе.

Открыв вентили 2 и 3 (при закрытых вентилях 6 и 9), наполнить бак 1 (контроль за выполнением - по водомерному стеклу). Приготовить и залить в бачок 19 индикаторную жидкость (производится лаборантом). После заполнения водой бака 1 открыть вентиль 9, подав тем самым воду в рабочую ёмкость 7 (при закрытых вентилях 10, 16). Вентиль 3 прикрыть таким образом, чтобы во время эксперимента уровень воды в баке 1 оставался практически постоянным (следить и регулировать вентилем 3 во время работы). После заполнения ёмкости 7, о чём свидетельствует перелив лишней воды из неё по трубе 11 (устанавливается визуально и по характерному звуку сливающейся воды), можно начинать эксперимент.

Осторожно открыв вентиль 16, по ротаметру установить небольшой расход воды (5-10 делений) и подать индикаторную жидкость в трубу, открывая кран 20 таким образом, чтобы струйка индикаторной жидкости не размывалась в потоке. Следует иметь в виду, что любое изменение расхода воды или индикаторной жидкости возмущает поток и тем самым сказывается на поведении подкрашенной струйки. Поэтому, установив определенный расход, нужно выждать некоторое время (3-5 мин). Термометром 22 замерить температуру воды в ёмкости 7 (t, 0C).

Результаты наблюдения за поведением струйки подкрашенной жидкости в потоке записать, сделав небольшой схематический рисунок наблюдаемой картины. Охарактеризовать поток: ламинарный, переходный, турбулентный.

После этого, больше открывая вентиль 16, увеличить расход воды (на 5-10 делений по ротаметру, согласовав предварительно с преподавателем), записать показания ротаметра и результаты наблюдения за поведением индикаторной струйки жидкости.

Таким путём постепенно довести расход воды до максимально возможного в условиях данной установки (при полном открытии вентиля 16), каждый раз фиксируя показания ротаметра, характер движения потока и температуру воды.

По окончании работы закрыть вентили 3 и 20, открыть вентили 6 и 10 до полного слива воды из системы, после чего закрыть вентили 6, 10 и 16. Установку сдать учебному мастеру (лаборанту).

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

1. По тарировочному графику для ротаметра (помещён непосредственно на установке) определить расход воды V, м3/с.

2. По уравнению расхода определить среднюю скорость движения воды в трубе:

W = V / рd2/4, м/с.

3. По справочной литературе определить плотность (с, кг/м3) и вязкость (м, н.с/м2) воды при фиксированных в эксперименте температурах.

4. Определить значения чисел Рейнольдса для каждой скорости потока:

Re = W d с / м.

5. Установить значение критического числа Рейнольдса по результатам эксперимента - Reкр.оп.

6. Сравнить полученное значение Reкр.оп. с известным по литературе Reкр = 2300.

7. Результаты представить в виде таблицы:

№ опыта	Расход воды n,V, дел. м3/с ротаметра	W, м/с	t, 0C	м, н.с/м2	Re, расчетное значение (опытное)	Характер потока схеламатимичес на- кий

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.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. До начала работы:

- проверить наличие (отсутствие) воды в баке 1;

- убедиться в наличии индикаторной жидкости в бачке 19.

2. Во время работы:

- строго руководствоваться данными указаниями;

- следить за уровнем воды в баке 1;

- не оставлять работающую установку без наблюдения.

3. По окончании работы:

- закрыть вентиль 3 на линии подачи воды в бак 1;

- закрыть вентиль 20 подачи индикаторной жидкости;

- открыть вентили 6 и 10 на линиях слива воды из бака 1 и рабочей ёмкости 7 до полного опорожнения последних;

- сдать установку дежурному рабочему 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. Каков порядок выполнения лабораторной работы?

4. Какие экспериментальные данные фиксируются при выполнении данной работы?

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ НА ЗАЩИТЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. От чего и как зависят вязкости жидкостей и газов?

2. В чём различие между динамической и кинематической вязкостями? Какова размерность динамической вязкости в системе СИ и как перевести вязкость в сантипаузах в единицы системы СИ?

3. Кем и когда (хотя бы примерно) было проведено впервые систематическое изучение гидродинамических режимов движения жидкостей?

4. Какие гидродинамические режимы движения жидкостей внутри каналов принято различать? Каковы их качественные характеристики?

5. Каким критерием принято характеризовать гидродинамический режим движения жидкости и каков его физический смысл?

6. Каковы величины критических значений Re для потока жидкости в прямых гладких трубах?

7. Как изменяются значения критических чисел для потока жидкости в изогнутых каналах (змеевика)?

8. Как влияет гидродинамический режим течения жидкости (газа) на характер распределения локальных скоростей в поперечном сечении потока?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Ч.1. - М.: Химия, 1995.

2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973.

Работа № 18

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В АППАРАТЕ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

В данной работе изучается передача тепла от охлаждаемого продукта (воды), движущегося по трубкам аппарата воздушного охлаждения к воздуху, обдувающему эти трубы снаружи. К установившемуся процессу перехода теплоты от одной среды к другой применимо общее уравнение теплопередачи:

Q = K?F?Иср,(1)

где Q - количество теплоты, переданное через поверхность теплообмена, Вт; K - коэффициент теплопередачи, Вт/м2?с; Иср - средний температурный напор, 0C; F - поверхность теплообмена, м2.

Количество теплоты Q определяется из уравнений теплового баланса:

Q = Qпр = Qв, Вт,(2)

Qпр = Gпр?Спр (Т1 - Т2), Вт,(3)

Qв = Gв? Св (t2 - t1), Вт,(4)

где Qпр - количество теплоты, отдаваемое охлаждаемым продуктом (водой), Вт; Qв - количество теплоты, получаемое охлажденным воздухом, Вт; Gпр - расход охлаждаемого продукта (воды), кг/сек; Gв - расход воздуха, кг/сек; Т1 - начальная температура охлаждаемого продукта (воды), 0C; Т2 - конечная температура охлаждаемого продукта (воды), 0C; t1 - начальная температура охлаждающего воздуха, 0C; t2 - конечная температура охлаждающего воздуха, 0C; Спр, Св - соответственно средние теплоемкости охлаждающего продукта и воздуха, Дж/кг?0С.

Коэффициент теплопередачи

В условиях переноса тепла от продукта (воды), движущегося в трубках аппарата воздушного охлаждения, к воздуху, обдувающему эти трубы снаружи, процесс теплообмена определяется совместным действием конвекции (от продукта к стенкам трубы и от стенок трубы к воздуху) и теплопроводности (через стенку трубы и слой загрязнений). Лучеиспусканием в условиях сравнительно низких температур воздуха можно пренебречь.

В аппаратах воздушного охлаждения поверхность труб, обдуваемая воздухом, выполняется оребренной. Делается это с целью интенсификации теплоотдачи с той стороны, где коэффициент теплоотдачи мал (бвозд = 10…50 Вт/м2 град для гладких труб) по сравнению с коэффициентом теплоотдачи с другой стороны (продукта). Выравнивание теплоотдачи с обеих сторон трубы достигается увеличением с помощью ребер наружной поверхности теплообмена.

Коэффициент теплопередачи в аппаратах воздушного охлаждения может быть отнесен к различной поверхности теплообмена. Если расчет вести на единицу полной поверхности оребренной трубы, то расчетное уравнение для коэффициента теплопередачи имеет следующий вид:

K = 1 / 1/бв?Fп/Fв + rм?Fп/Fср + 1/бнп + rзв?Fп/Fв + rзн,

где бв - коэффициент теплоотдачи со стороны продукта, Вт/м2?0С; бнп - коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха, отнесенный к полной поверхности трубы, Вт/м2?0С; Fп - полная поверхность оребренной трубы, м2; Fв - поверхность трубы внутренняя, м2; Fср - поверхность трубы по среднему диаметру, м2; rм - тепловое сопротивление материала стенок трубы, м2?0С/Вт; rзв - тепловое сопротивление загрязнений со стороны продукта, м2?0С/Вт; rзн - тепловое сопротивление загрязнений со стороны воздуха, м2?0С/Вт.

В обычных эксплуатационных условиях загрязнения со стороны воздуха отсутствуют, т.е. rзн = 0. С достаточной степенью точности коэффициент теплопередачи, отнесенной к полной поверхности оребренной трубы, можно рассчитывать по формуле

K = 1 / 1/бв?Ш + 1/бнп + rзв?Ш,(5)

где Ш = Fп/Fв - коэффициент увеличения поверхности.

Средний температурный напор

При расчете аппаратов воздушного охлаждения средний температурный напор, т.е. средняя разность температур теплоносителей по всей поверхности теплообмена, зависит от схемы движения теплоносителей. Наиболее общим случаем для аппаратов воздушного охлаждения является перекрестный ток теплоносителей, а также смешанный при соблюдении общего противоточного направления потоков.

Наличие поперечного оребрения на трубах препятствует перемешиванию потока в межтрубном пространстве. Это приводит к увеличению температурного напора. Вычисление среднего температурного напора при перекрестном (смешанном) токе приводит к сложным математическим формулам, поэтому для наиболее часто встречающихся случаев по этим формулам составлены расчетные графики.

Определение среднего температурного напора производится следующим образом: вычисляется среднелогарифмический температурный напор для противоточного аппарата:

иґср = и1 - и2 /2,3 lg и1/и2,(6)

затем вычисляются вспомогательные величины:

R = T1 - T2/t2 - t1,(7)

P = t2 - t1/T1 - t1.(8)

По этим данным находят поправочные коэффициенты еДt, умножая которые на значение среднелогарифмического температурного напора (при противотоке), получаем средний температурный напор:

иср = еДt?иґср.(9)

Расчетные графики для определения R по P и при однократном перекрестном токе (один ход продукта) без перемешивания теплоносителей имеются в справочной литературе [1].

При числе ходов от 2-х до 4-х поправочный коэффициент находят по формуле:

еДtn = еДt n=1 + 1 - еДt/4 (n - 1).(10)

Здесь n = 2…4 - число ходов продукта. При большем числе ходов рекомендуется принимать еДt = 1, т.е. аппарат рассчитывается как чисто противоточный.

Средние температуры потоков и поверхности стенок труб

Существенное значение для расчетов коэффициентов теплоотдачи имеет выбор определяющих температур потоков охлаждаемого и охлаждающего теплоносителей, к которым относят физические константы продуктов. Примем за определяющую температуру средние температуры потоков.

Средняя температура охлаждаемого продукта (воды)

Tср = T1 + T2 /2.(11)

Средняя температура воздуха

tср = t1 + t2/2.(12)

Температура наружной поверхности стенки трубы

tст.н. = tср + Kп?иср/бнп.(13)

Температура внутренней поверхности стенки трубы

Тст.в. = Тср - Кп?иср/бв ?Ш(14)

где Ш = Fп/Fв - коэффициент увеличения поверхности; Fп - полная поверхность оребренной трубы, м2; Fв - внутренняя поверхность трубы, м2.

Коэффициент теплоотдачи при охлаждении продукта (воды)

Коэффициент теплоотдачи со стороны продукта (внутри труб) определяется по известным формулам, применяемым для расчета других видов теплообменных аппаратов:

а) при турбулентном режиме движения продукта (воды) внутри трубы коэффициент теплоотдачи

бв = 0,021 л/aв?Ref?Prf (Prf / Prw);(15)

б) при развитом турбулентном режиме коэффициент теплоотдачи определяется более простой формулой

бв = 0,023 л/aв?Ref0,8?Prf0,4;(16)

в) для переходного режима движения (2200 ? Re ? 10000) при определении коэффициента теплоотдачи в вышеуказанные формулы необходимо вводить поправочный коэффициент цRe, который определяется по графику [1];

г) при ламинарном режиме (Re < 2200) коэффициент теплоотдачи

бв = 0,17 л/aв ?Ref0,33?Prf0,43?Grf0,1 (Prf / Prw)0,25?(17)

Здесь Re = w dв/ н - критерий Рейнольдса;

Pr = н cp с/л - критерий Прандтля;

Gr = в g aв3 Дt / н2 - критерий Грасгофа;

в - коэффициент объемного расширения, 1/0С; Дt - разность температур продукта и стенки, 0С.

Индексы: f - показывает, что физические параметры берутся при средней температуре продукта; w - показывает, что физические параметры берутся при температуре стенки.

В данной работе экспериментально определяют коэффициент теплопередачи K, используя зависимость (1). Определив по одной из зависимостей (15-17) коэффициент теплоотдачи при охлаждении продукта (воды) и используя уравнение (5), определяем коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха, который зависит от многих переменных величин: геометрических, гидродинамических и теплофизических. При вынужденном турбулентном движении газа (воздуха) обобщенная критериальная зависимость для определения коэффициента теплоотдачи имеет вид

Nu = C ? Ren,(18)

где Nu = бн?dн/л - критерий Нуссельта;

Re = щ dн с/м - критерий Рейнольдса.

Здесь бн - коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха, Вт/м2?0С; dн - наружный диаметр трубы, м; л - теплопроводность воздуха, Вт/м 0С; щ - скорость воздуха в узком сечении межтрубного пространства, м/сек; с - плотность воздуха, кг/м3; м - вязкость воздуха, н ? сек/м2.

Коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха определяют по уравнению

Q = Qпр = Qв = бн ? F (tст.н. - t1).(19)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Экспериментальное определение коэффициента теплопередачи в аппарате воздушного охлаждения для воздуха при различных его расходах и получение обобщенной расчетной зависимости между критериями Nu и Re для воздушного потока.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Экспериментальная установка состоит из кожухотрубчатого 2-ходового теплообменника 1, аппарата воздушного охлаждения 2, паропровода 3, водопровода 4-5, линии отвода конденсата 6, контрольно-измерительных приборов (ротаметр 7, манометр 8 и термометры T1, T2, t1, t2).

Теплообменник 1 в данной работе служит для приготовления горячей воды, которая по трубопроводу горячей воды 5 поступает на охлаждение в теплообменную поверхность аппарата воздушного охлаждения (АВО). Техническая характеристика теплообменника 1 приведена в работе № 7 «Исследование процесса теплопередачи в кожухотрубчатом теплообменнике».

Аппарат воздушного охлаждения представляет собой ребристую батарею общей поверхностью 150 м2, изготовленную из медных труб диаметром 15х2,5 мм с насаженными на них ребрами из дюралюминия. Теплообменная поверхность специальным коллектором разделена на две части (два хода). Число трубок в одном ходе N = 3 шт. Длина всех трубок L = 206 м. Общая поверхность трубок по наружному диаметру Fн = 9,7 м2. Коэффициент увеличения поверхности Ш = Fп / Fн = 150/9,7 = 15,4. Площадь свободного сечения трубного пучка F = 0,6 м2.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 - теплообменник; 2 - аппарат воздушного охлаждения; 3 - паропровод; 4 - водопровод холодной воды; 5 - водопровод горячей воды; 6 - линия для отвода конденсата; 7 - ротаметр; 8 - манометр; 9 - заслонка; 10 - вентиляторы.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Ознакомившись с установкой и с инструкцией и получив задание от преподавателя, при пуске установки в работу устанавливают примерный расход воды (10-15 делений по шкале ротаметра), вентиль В4 при этом должен быть открыт. Открыв вентиль ВП на паропроводе, продувают паром межтрубное пространство теплообменника 1 и конденсатоотводник на линии конденсата 6, открывая слегка В2, вентиль В3 для этой операции должен быть открыт полностью. При продувке необходимо следить, чтобы давление пара в межтрубном пространстве теплообменника не превышало 1,5 атм по манометру 8. После продувки устанавливают необходимый расход воды.

По манометру 8 устанавливают заданное преподавателем давление греющего пара в межтрубном пространстве теплообменника. В дальнейшем в течение всей работы установки это давление необходимо тщательно поддерживать постоянным непрерывно регулируя его с помощью вентиля В2.

По истечении ~ 10 минут включают вентиляторы аппарата воздушного охлаждения и устанавливают с помощью заслонки 9 максимальный расход воздуха. Выждав 3-5 минут, записывают показания термометров T1, T2, t1, t2, а также расход воды, воздуха. Данные заносят в таблицу 1. Устанавливают с помощью заслонки следующий (меньший) расход воздуха. Работая с новым расходом воздуха, снова записывают температуры воздуха, воды. Таким путем получают данные для 5 расходов воздуха. После этой серии опытов переходят к другой, оставляя для нее расход воздуха постоянным, а меняя расход воды (данные получают для пяти значений расходов воды). Очень важно в этой работе показания термометров снимать только при достижении установившегося теплового режима.

Таблица 1

№ п.п.	Расход воздуха, м3/ч	Расход воды, м3/ч	Температура воздуха воды	Давление греющего пара P, н/м2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

Для обработки опытных данных составляют таблицу (табл. 2).

После определения логарифмов критерия Нуссельта и критерия Рейнольдса строят на миллиметровой бумаге график зависимости lg Nu от lg Re. Через экспериментальные точки проводят прямую линию, уравнение которой в соответствии с (18):

Lg Nu = n lg Re + lg C.

Далее определяют по этому графику величину n - угловой коэффициент прямой, после чего, взяв любую точку на прямой, находят для нее

lg C = lg Nu - n lg Re и затем - значение С.

Отчет о выполненной работе должен включать:

а) схему установки;

б) таблицу обработки опытных данных;

в) график зависимости lg Nu от lg Re с определением значения n и C.

Примечание. Все расчеты с использованием тех или иных формул должны быть выполнены в отчете.

Таблица 2

Обработка опытных данных

№ п.п.	Наименование и размерность величин	Номера опытов
		1 2 3 4 5 6
1	Расход воздуха V, м3/ч
2	Температура воздуха до теплообменника t1, 0C
3	Температура воздуха после теплообменника t2, 0С
4	Плотность воздуха при tср = t1 + t2/2 с, кг/м3
5	Теплоемкость воздуха Cp, Дж/кг?0С
6	Вязкость воздуха м, н?сек/м2
7	Теплопроводность воздуха л, Вт/м?град
8	Массовый расход воздуха Gв = Vс/3600, кг/сек
9	Скорость воздуха в свободном сечении щ = V/3600F, м/сек
10	Критерий Рейнольдса Re = щ?dн?с/м
11	Расход тепла на нагрев воздуха Qв = Gв?Св (t2 - t1), Вт
12	Средняя разность температур в теплообменнике по формуле (9) или (6)
13	Коэффициент теплопередачи K =Qв/Fп?иср, Вт/м2?град
14	Расход продукта (воды) W, м3/ч
15	Температура воды до теплообменника Т1, 0С
16	Температура воды после теплообменника Т2, 0С
17	Средняя температура воды Тср = Т + Т/2, 0C
18	Плотность воды при Тср, с, кг/м3
19	Теплоемкость воды при Тср, Cp, Дж/кг?0С
20	Теплоемкость воды при средней температуре стенки Тст, Cp, Дж/кг?0С
21	Теплопроводность воды при Тср, лn, Вт/м2?град
22	Теплопроводность воды при Тст, лґn, Вт/м2?град
23	Вязкость воды при Тср, мn, н?сек/м3
24	Вязкость воды при Тср, мn, н?сек/м3
25	Массовый расход воды Gn = W?сn/3600, кг/сек
26	Скорость воды в трубке теплообменника щ = W/3600?0,785?d2в?Н, м/сек
27	Количество теплоты, отдаваемое водой Qпр = G?Cp? (T1 - T2), Вт
28	Коэффициент теплопередачи K = Qпр/Fn?иср, Вт/м2?град
29	Критерий Рейнольдса Ref = щn?dв/н
30	Критерий Прандтля Prf = нn?Cp?с/лn
31	Критерий Прандтля, при температуре стенки, Prw = нґn?Cp?с/лґn
32	Критерий Грасгофа Grf = в?gd3вДt/нn2
33	Средняя разность температур продукта и стенки Дt = Tср - Тст (11,14)
34	Коэффициент теплоотдачи при охлаждении продукта (воды) бв (определяется по уравнениям 15, 16, 17 в зависимости от режима движения)
35	По уравнению (5) определяется величина коэффициента теплоотдачи со стороны воздуха бнn
36	Коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха бн = Qв/Fn (tст.н - t1), Вт/м2?град
37	Критерий Нуссельта Nu = бн?dн/л
38	lg Nu
39	lg Re

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 отчете 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 РАБОТЫ

1. До начала работы необходимо:

- убедиться в отсутствии явных повреждений лабораторной установки;

- проверить исправность запорной арматуры и трубопроводов;

- проверить наличие резиновых ковриков перед щитом управления;

- убедиться в отсутствии подтеканий и течи теплообменника, арматуры и трубопровода.

2. Во время работы:

- строго руководствоваться данными указаниями;

- не прикасаться голыми руками к неизолированным металлическим поверхностям, особенно к паропроводу;

- не оставлять работающую установку без наблюдения;

- докладывать о всех замеченных неполадках преподавателю или учебному мастеру.

3. По окончании работы:

- закрыть вентиль на линии подачи пара в теплообменник;

- закрыть вентиль на линии подачи воды на установку;

- сдать установку дежурному учебному мастеру (лаборанту).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ 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 теплообменного аппарата с воздушным охлаждением.

4. Каков порядок выполнения лабораторной работы?

5. Какие экспериментальные данные фиксируются при выполнении работы?

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ НА ЗАЩИТЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Что является движущей силой процесса теплопередачи?

2. Объяснить необходимость оребрения поверхности труб, обдуваемой воздухом.

3. Написать расчетное уравнение для коэффициента теплопередачи.

4. Какие данные необходимы для расчета аппаратов воздушного охлаждения?

5. Как вычисляется средний температурный напор для аппаратов воздушного охлаждения?

6. Влияют ли давление охлаждаемого продукта и допускаемая потеря напора в трубах на величину коэффициента теплопередачи?

7. Составьте приблизительную схему расчета аппаратов воздушного охлаждения.

8. Что влияет на величину коэффициента теплоотдачи со стороны охлаждаемого продукта?

9. Чем вызвано широкое применение аппаратов воздушного охлаждения в химической технологии?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - М.; Л.: Химия, 1979.

2. Берман С.С. Теплообменные аппараты и конденсационные устройства турбоустановок. - М.: Машгиз, 1969.

Работа № 19

ИСПЫТАНИЕ АДСОРБЦИОННОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ СУШКИ ВОЗДУХА

Адсорбция является универсальным методом, позволяющим практически полностью извлекать те или иные примеси из газовых и жидких сред поверхностью твердого поглотителя (адсорбента). В химической и родственных с ней отраслях промышленности адсорбционные методы широко используются для глубокой очистки и сушки технологических потоков, улучшения качества сырья и продуктов, обезвреживания газовых выбросов и сточных вод.

В качестве адсорбентов (твердых поглотителей) применяются вещества, имеющие большую удельную поверхность. Наиболее распространенными среди них являются активные угли, силикагели, алюмогели и цеолиты. Так, например, силикагель служит традиционным поглотителем влаги из воздуха или других газов. В промышленности применяют адсорбционные процессы с неподвижным слоем, движущимся слоем (под действием силы тяжести) и взвешенным (кипящим или псевдоожиженным) слоем адсорбента. Несмотря на прогресс техники и технологии основным типом адсорбционных установок и в настоящее время остаются установки периодического действия с неподвижным слоем адсорбента. Широкое применение автоматики позволяет исключить ручной труд при эксплуатации этих установок и делает их конкурентноспособными.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Закрепить теоретические знания по основам адсорбции как одного из массообменных процессов химической технологии.

2. Практически ознакомиться с одним из вариантов технологической и аппаратурной организации процесса адсорбционной сушки воздуха, одним из наиболее распространенных адсорбентов - силикагелем.

3. Провести эксперимент по адсорбционной сушке атмосферного воздуха с целью последующего определения степени насыщения слоя силикагеля влагой.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ (рис.1)

Основной аппарат лабораторной установки - адсорбер 1 собран из 3-х цилиндрических стеклянных царг с внутренним диаметром 160 мм. На воздухораспределительной решетке его находится слой силикагеля марки КСКГ (крупный селикагель крупнопористый гранулированный) высотой 100 мм. Вес абсолютно сухого силикагеля составляет 0,941 кг. Основные геометрические и физико-химические характеристики силикагеля приведены в таблице.

Подача воздуха в аппарат осуществляется с помощью бытового пылесоса 5, работающего на нагнетание. Воздух, забираемый из помещения, проходит через увлажнитель 3, представляющий из себя одноколпачковое контактное устройство, вода в которое по мере надобности подается из емкости 4. Увлажненный воздух с относительной влажностью ц1 проходит через слой силикагеля, где осушается (полностью или частично) и выбрасывается с относительной влажностью ц2 через воздушник непосредственно в помещение лаборатории. Расход воздуха определяется с помощью нормальной диафрагмы 5, установленной на линии подачи воздуха в абсорбер, и дифманометра 6, расположенного на приборном щите. Относительная влажность воздуха на входе в адсорбер и на выходе из него определяется психометрическим способом, для чего предусмотрены специальные камеры 7 с размещенными в них сухим и мокрыми термометрами. Параметры окружающей среды контролируются по показаниям приборов, размещенных на приборном щите. Регенерация силикагеля не является целью данной лабораторной работы и производится обслуживающим персоналом.

ПОРЯДОК РАБОТЫ

После изучения руководства и ознакомления с установкой приступить (с разрешения преподавателя) к работе.

Проверить наличие воды в увлажнителе 3 (вода должна закрывать прорези колпачка). При отсутствии воды открыть кран 9 и подать необходимое ее количество из емкости 4. Проверить наличие воды в резервуарах специальных камер 7 для увлажнения одного из термометров, уровень воды в них должен быть на 2-3 миллиметра ниже обреза трубки.

При закрытом вентиле 8 на линии подачи воздуха в адсорбер включить пылесос (выключатель на приборном щите), плавно приоткрывая вентиль 8, установить определенный расход воздуха ( по согласованию с преподавателем), ориентируясь по показаниям дифманометра 6. Время начала подачи воздуха в адсорбер зафиксировать. Периодически снижать показания сухих и мокрых термометров на входе и выходе воздушного потока, фиксируя время и их величины. Периодичность снятия показаний и длительность эксперимента согласовать с преподавателем. По окончании работы выключить подачу воздуха в адсорбер и закрыть вентиль 8. Установку сдать учебному мастеру.

Рис. 1. Схема лабораторной установки:

1 - адсорбер; 2 - камера для сухого и мокрого термометров; 3 - емкость для воды; 4 - кран подачи воздуха в увлажнитель; 5 - увлажнитель; 6 - нормальная диафрагма; 7 - вентиль регулирования расхода воздуха; 8 - пылесос; 9 - дифманометр.

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

Состояние адсорбционного равновесия в системе силикагель-влага воздуха может быть описано зависимостью:

а* = 0,231ц = 0,371 Р/Рнас? x,

где а* - равновесное содержание влаги в силикагеле, кг влаги/кг сухого силикагеля; ц - относительная влажность воздуха, в долях единицы; Р - барометрическое давление в помещении лаборатории, Па; Рнас - давление насыщения водяного пара при температуре сухого термометра, Па; x - влагосодержание воздуха, кг влаги/кг сухого воздуха.

1. Определить истинные температуры мокрого термометра:

tм = tґм - Д(tс - tм) 100.

Здесь tм - истинная температура мокрого термометра, 0С; tґм - измеренная в эксперименте температура мокрого термометра, 0С. Д = f (щґ,tґм) - поправка к температуре мокрого термометра, определяемая по графику (рис.2); щґ- скорость обтекания воздухом мокрого термометра, м/с.

щґ = 3,47щ,

где щ - скорость воздуха в адсорбере, отнесенная к полному сечению аппарата, м/с;

щ = V/S,

где V - объемный расход воздуха, м3/с;

V = 0,53?10 -3? v h•?с/с,

S -площадь поперечного сечения адсорбера, м2; h - показания дифманометра, мм вод.столба; Дс = см - с,

см - плотность манометрической жидкости (воды), кг/м3; с - плотность воздуха, кг/м3.

2. Определить относительные влажности воздуха на входе в адсорбер и выходе из него.

ц = Pм/Pнас - А?Р/Pнас (tс - tм).

Здесь Pм - давление насыщенного пара при температуре мокрого термометра; А - психометрический коэффициент, А = f (щґ), при щ?0,5 м/с

А = (65 + 6,75/щґ)?10 -5.

3. Определить влагосодержание воздуха на входе в адсорбер и на выходе из него.

X = 0,622 цPнас/P - цPнас.

Рис. 2 . Зависимость величины поправки к температуре мокрого термометра от скорости обтекания воздухом.

4. Определить количество влаги W, поглощенной силикагелем из воздуха за время эксперимента, методом графического интегрирования, построив в координатах xн (xк) - ф графики изменения влагосодержания воздуха на входе в адсорбер и на выходе из него xк (ф - время процесса).

5. Определить степень насыщения влагой силикагеля за время эксперимента:

з = а/ aн*.

Здесь а = W/G; G - вес абсолютно сухого силикагеля в адсорбере, кг; а* - содержание влаги в силикагеле в состоянии равновесия с воздухом, поступающем в адсорбер, кг влаги/кг сух.адс.

6. Результаты работы представить в виде таблицы экспериментальных данных, содержащей значения величин, рассмотренных по п.п.1-3, графики xк (xн) - ф и окончательных сведений по количеству поглощаемой влаги и степени отработки силикагеля.

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 отчете должны быть представлены:

- описание цели работы,

- схема лабораторной установки,

- методика проведения работы,

- полученные экспериментальные данные,

- результаты обработки опытных данных,

- выводы.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. До начала работы:

- убедиться в отсутствии явных повреждений лабораторной установки;

- проверить наличие сухого резинового коврика на полу перед приборным щитом;

- проверить наличие воды в емкости 4, в увлажнителе 3 и в гидрозатворах камер 6.

2. Во время работы:

- строго руководствоваться данными методическими указаниями;

- не оставлять лабораторную установку без присмотра;

- докладывать о всех замеченных неполадках преподавателю или учебному мастеру.

3. По окончании работы:

- прекратить подачу воздуха (выключить пылесос);

- закрыть вентиль 8;

- сдать установку дежурному учебному мастеру (лаборанту).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Какова цель предстоящей работы?

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

3. Каково устройство адсорбера?

4. С какой целью производится увлажнение воздуха?

5. В чем заключается психрометрический метод определения относительной влажности воздуха?

6. Каков порядок выполнения лабораторной работы?

7. Какие экспериментальные данные фиксируются при выполнении работы?

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ НА ЗАЩИТЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Что называется процессом адсорбции и для каких целей он применяется?

2. Что называется процессом десорбции и как он осуществляется?

3. Какие требования к адсорбентам?

4. Какие абсорбенты наиболее часто применяются в химической промышленности?

5. Что такое динамическая и статическая активности адсорбента?

6. Что называется временем защитного действия слоя адсорбента?

7. Что называется потерей времени защитного действия слоя адсорбента?

8. Как влияет температура на процесс адсорбции?

9. Что такое температура адсорбции?

10. Адсорберы периодического и непрерывного действия. Адсорберы с псевдоожиженным слоем адсорбента.

Таблица

Основные геометрические и физико-химические свойства силикагеля

Свойства, размерность	Величина	Свойства, размерность	Величина
Насыпная плотность, кг/м3 Эквивалентный диаметр частиц, м	0,45?103, кДж/кг?к 3,5?10 -3	Теплоемкость Теплота адсорбции паров воды, кДж/кг воды	0,92 2650

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1987.

3. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. - М.: Химия, 1976.