II - переходном; III - турбулентном

 

При ламинарном режиме обтекания частицы средой сопротивление обусловлено только силами трения, при турбулентном - затратами энергии на образование вихрей, при переходном присутствуют обе составляющие.

Величина коэффициента сопротивления ξ для ламинарного режима осаждения сферических частиц равна ξ = 24/Re, для переходного - ξ = 18,5/Re^0,6, а для турбулентного режима - ξ = 0,44. С учетом этого можно записать критериальное уравнение осаждения (4.7):

- для ламинарного режима осаждения (закон Стокса)

(4.10)

- для турбулентного режима осаждения (закон Ньютона)

(4.11)

Для описания стесненного осаждения часто используют критериальное уравнение Тодеса, Горошко, Розенбаума:

(4.12)

где ε - относительная доля объема сплошной среды (порозность).

Относительная доля объема сплошной среды или порозность определяется, как:

(4.13)

где V - объем сплошной среды; V_ч - объем дисперсной фазы или объем, занимаемый частицами.

 

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка для определения скорости осаждения одиночных частиц включает три стеклянных цилиндра с внутренним диаметром D = 30 мм и высотой около L = 1000 мм. В цилиндрах содержаться глицерин, масло и вода. На стенках цилиндров имеются риски, расстояние между которыми составляет l = 800 мм.

Так же имеется набор частиц сферической формы разных диаметров, выполненных из свинца, стали и стекла.

Диаметры цилиндров и исследуемых частиц сопоставимы, в связи с чем в экспериментах имеет место стеснённое осаждение.

 

Методика проведения лабораторной работы

Сферические частицы опускаются в цилиндры.

С помощью секундомера измеряется время осаждения t частицы в интервале между рисками. Необходимо сделать не менее трех измерений для каждого цилиндра.

Результаты измерений заносятся в таблицу 4.1.

 

Обработка результатов

Обработка результатов измерений включает расчет величин скоростей осаждения для частиц сферической формы в различных средах и сопоставление расчетных величин с экспериментальными данными.

Обработку данных проводят в следующей последовательности:

1. Рассчитывают экспериментальное значение скорости осаждения частицы:

(4.12)

2. Рассчитывают значение критерия Архимеда по уравнению (4.9).

3. Определяют относительную долю объема сплошной среды или порозность по уравнению (4.13).

С учетом того, что в нашем случае объем сплошной среды равен объему цилиндра диаметром D и высотой d и объем дисперсной фазы равен объему частицы диаметром d, уравнение (4.13) примет вид:

(4.14)

 

Таблица 2.1

Экспериментальные и расчетные данные

№ п/п	Наименование показателя	№ опыта
	Характе-ристики среды	наименование	глицерин	масло	вода
плотность ρс, кг/м3
вязкость μ, Па·с	0,35	0,14	0,001
	Характе-ристики частицы	материал	свинец	сталь	стекло	свинец	сталь	стекло	свинец	сталь	стекло
диаметр d, мм
плотность ρч, кг/м3
	Время осаждения t, с
	Скорость осаждения экпериментальная Wос,м/с
	Значение критерия Рейнольдса Re
	Режим обтекания частицы жидкостью
	Скорость осаждения экпериментальная W’ос,м/с
	Относительное отклонение d, %

 

4. Рассчитывают значение критерия Рейнольдса по уравнению (4.12) и делают вывод о режиме обтекания частицы жидкостью (ламинарный, переходный, турбулентный).

5. Пользуясь уравнением (4.8), определяют расчетное значение скорости осаждения частицы W_ос.

6. Определяют относительное отклонение d экспериментального значения скорости осаждения W’_ос от расчетного значения W_ос:

(4.15)

Результаты расчетов заносят в таблицу 4.1.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Силы, действующие на осаждающуюся частицу.

2. Режимы обтекания частицы жидкостью.

3. Скорость осаждения.

4. Свободное и стесненное осаждение.

5. Законы Стокса и Ньютона.

6. Уравнение Тодеса, Горошко, Розенбаума

7. Способы увеличения скорости осаждения.

Лабораторная работа № 5

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЦИКЛОНА

Цели лабораторной работы

· практическое ознакомление с технологией разделения потока по плотности в поле центробежных сил;

· экспериментальное определение КПД циклона, коэффициентов уноса пыли и гидравлического сопротивления;

· сравнение экспериментальных данных с расчетными.

Теоретические основы

Циклоны являются гидромеханическими аппаратами.

Главная функция, выполняемая циклонами – разделение дисперсионной, сплошной, и дисперсной, распределенной в виде отдельных частиц, фаз (суспензия, эмульсия, пена, туман, дым, пыль) имеющих различную плотность под действием центробежных сил. Центробежные силы создаются в циклоне за счет придания потоку вращательного движения.

В промышленности циклоны широко применяются в реакторах каталитического крекинга, для отделения частиц катализатора от углеводородных паров, в регенераторах, для отделения катализатора от дымовых газов, в сепараторах, для отделения твердых частиц и жидкости от газового потока, при производстве технического углерода (сажи), сушке твердых материалов в потоке нагретых газов, измельчении, пневмотранспорте и др.

Если дисперсионной фазой является не газ, а жидкость, то такие аппараты называются гидроциклонами.

В зависимости от свойств разделяемых фаз и от необходимой степени разделения потока циклоны могут применяться или самостоятельно или в сочетании с другими сепарационными аппаратами. Часто для повышения степени разделения применяют многоступенчатые, т.е. последовательно соединенные циклоны. При больших объемах потока подобные циклоны могут соединяться параллельно, объединяться в группы.

Принципиальная схема циклона для очистки газов представлена на рис. 5.1. Циклон состоит из цилиндрического корпуса 2 с внутренним диаметром d, входного патрубка 1, бункера 3 и патрубка 4 для выгрузки отсепарированной фазы, и выходного патрубка 5 или выхлопной трубы для выхода очищенного газа. Входной патрубок по отношению к цилиндрическому корпусу циклона расположен тангенциально.

Рис. 5.1. Принципиальная схема циклона

Циклон работает следующим образом. Газ, содержащий мелкие частицы большей плотности, поступает в корпус циклона 2 чрез патрубок 1 в тангенциальном направлении и за счет этого приобретает вращательное движение. Частицы вместе с газовым потоком движутся по спиральной траектории вниз. Возникающая при этом центробежная сила действует на частицы и заставляет их двигаться по направлению к стенке аппарата. Достигнув стенки, частицы ссыпаются вниз и собираются в бункере. По мере заполнения бункера отсепарированные частицы выгружаются из циклона через патрубок 4. Очищенный газ покидает циклон через выхлопную трубу 5.

Эффективность сепарации можно увеличить повысив скорость газового потока, так как при этом возрастает центробежная сила, воздействующая на отделяемые частицы. Однако одновременно возрастет гидравлическое сопротивление циклона, повыситься его эрозионный износ и вынос отделенных частиц в выходной патрубок при развороте очищенного газового потока.

Накопленный опыт проектирования и эксплуатации циклонов показывает, что сравнительно высокая степень очистки при умеренном гидравлическом сопротивлении достигается при скорости потока во входном патрубке циклона порядка 15-25 м/с.

Эффективность работы циклона характеризуется коэффициентом полезного действия циклона или степенью очистки:

(4.1)

где С_н и С_к – концентрации пыли в исходном и очищенном газе соответственно.

Степень очистки газов в промышленных циклонах для частиц со средним диаметром 5 мкм составляет 30–85%, с увеличением диаметра она повышается и для частиц со средним диаметром более 10 мкм составляет 95–99%.

Работа циклона может быть также охарактеризована величиной коэффициента уноса пыли:

(4.2)

Гидравлическое сопротивление циклона определяется сопротивлением трения при движении газа через циклон и местными гидравлическими сопротивлениями, обусловленными изменением свободного сечения и направления потока газа в различных точках аппарата. Гидравлическон сопротивление определяется из уравнения:

 

(4.3)

 

где: x – коэффициент сопротивления, зависящий от конструкции циклона; W_усл – условная скорость газа, отнесенная к полному сечению циклона; ρ_г – плотность газа при рабочих условиях.

Из уравнения (4.3) получим выражение для коэффициента сопротивления:

 

(4)

 

В процессе промышленной эксплуатации циклонов для их эффективной работы необходимо:

- обеспечить отсутствие подсоса воздуха в циклон. Струи проникающего снаружи воздуха захватывает уловленную пыль и выносят ее в выхлопную трубу. Так, подсос воздуха в количестве 10-15% от объема очищаемых газов снижает эффективность очистки газа до нуля;

- своевременно выгружать из циклона уловленные частицы. При переполнении бункера избыточные частицы захватываются вихрями газа и выносятся в выхлопную трубу;

- создавать условия, препятствующие налипанию отделяемых в циклоне продуктов на внутренние стенки аппарата.