Изучение гидравлических сопротивлений

Ф. 7.11-18

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ

КАЗАХСТАН

ЮЖНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. М.АУЕЗОВА

 

 

Алтынбеков Ф.Е., Нурунбетов Т.С., Тлеуов А.С.,

Ханходжаев Ш.Х., Омаркулов П.К., Якубова Р.Р.

 

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

 

ПО ДИСЦИПЛИНАМ

 

«Основные процессы и аппараты химических производств»,

«Технологические процессы и производства»,

«Процессы и аппараты химической технологии»,

«Процессы и аппараты перерабатывающей промышленности»,

«Процессы и аппараты»,

«Теоретические основы нефтехимической технологии»,

 

Часть 1 «Гидромеханические процессы»

 

 

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

для студентов специальностей

050720, 050721, 050724, 050708, 050702, 050727, 050728, 050730, 050731

всех форм обучения

 

 

Шымкент 2008

 

УДК 66.021.1 (072)

ББК 35.11

 

Алтынбеков Ф.Е., Нурунбетов Т.С., Тлеуов А.С., Ханходжаев Ш.Х.,

Омаркулов П.К., Якубова Р.Р. Лабораторный практикум по дисциплинам «Основные процессы и аппараты химических производств», «Технологические процессы и производства», «Процессы и аппараты химической технологии», «Процессы и аппараты перерабатывающей промышленности», «Процессы и аппараты», «Теоретические основы нефтехимической технологии». Часть 1 «Гидромеханические процессы»: Учебное пособие – Шымкент: Южно-Казахстанский государственный университет им.М.Ауезова, 2008. – 47 с.

 

Учебное пособие предназначено для студентов специальностей 050720,

050721, 050724, 050708, 050702, 050727, 050728, 050730, 050731 всех форм обучения. Лабораторный практикум содержит теоретические основы гидромеханических процессов, методики выполнения и расчета работы, контрольные вопросы. Учебное пособие составлено в соответствии с требованиями ГОСО соответствующих специальностей и с содержанием типовых программ дисциплин.

 

 

Рецензенты:: Волненко А.А., д.т.н., профессор, ЮКГУ им.М.Ауезова

Шахабаев Е.Ш., к.т.н., доцент ШИ МКТУ им. Х.Яссави

 

 

Учебное пособие рекомендовано к изданию Методическим советом ЮКГУ им. М.Ауезова (протокол № _4_ от «_31__»__03___ 2008 г.).

 

© Южно-Казахстанский государственный университет им.М.Ауезова, 2008 г.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение 4

1. Лабораторная работа № 1 «Изучение гидравлических

сопротивлений в трубопроводе» 5

2. Лабораторная работа № 2 «Определение режима течения

жидкости» 12

3. Лабораторная работа № 3 «Изучение гидродинамики

псевдоожиженного слоя (ПС)» 18

4. Лабораторная работа № 4 «Определение расхода энергии

на перемешивание» 25

5. Лабораторная работа № 5 «Определение характеристик

центробежного вентилятора» 30

6. Лабораторная работа № 6 «Определение констант процесса

фильтрования суспензии»36

7. Лабораторная работа № 7 «Изучение работы лабораторных

бегунов» 43

Литература 47

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Курс «Процессы и аппараты» является завершающей дисциплиной в общеинженерной и основополагающей в специальной подготовке специалиста.

Целью преподавания дисциплины «Процессы и аппараты» является изучение закономерностей протекания типовых технологических процессов, встречающихся в различных производствах, овладение методами подбора и расчета аппаратов, применяемых в промышленном производстве.

Настоящая дисциплина состоит из лекционного курса, лабораторного практикума, самостоятельной работы студентов.

Лабораторный практикум является важной частью изучения данной дисциплины. На лабораторных занятиях прививаются навыки практического экспериментального и расчетного анализа процессов различных производств. Изучаются и усваиваются основные закономерности расчета аппаратов, применяемые в химической, нефтехимической, пищевой производствах. На основании этого выбираются оптимальные условия ведения процесса, рассчитываются основные параметры, характеризующие эффективность технологического процесса.

Учебное пособие охватывает содержание курса в разделе «Гидромеханические процессы» и содержит 7 лабораторных работ, каждая из которых включает цель работы, теоретические сведения об изучаемом процессе, описание установки, методику выполнения работы, порядок расчета основных показателей процесса, контрольные вопросы. Лабораторные работы выполняются бригадами по 2-3 человека после получения допуска преподавателем. После выполнения работы каждый студент проводит расчеты в соответствии с заданием, оформляет отчет и затем его защищает преподавателю.

Лабораторный практикум составлен в соответствии с содержанием типовой и рабочей программ по соответствующим дисциплинам и требованиями фирменного стандарта ЮКГУ им.М.Ауезова Ф.4.7-008-02 и предназначен для студентов специальностей 050720, 050721, 050724, 050708, 050702, 050727, 050728, 050730, 050731 всех форм обучения.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

В ТРУБОПРОВОДЕ

Цель работы: Опытное определение коэффициентов трения и коэффициентов местного сопротивления.Исследование зависимости величины коэффициентов трения и местного сопротивления от режима движения жидкости.

 

1.1. Теоретическая часть

 

При движении реального потока жидкости или газа часть его энергии теряется в результате преобразования механической энергии в тепловую за счёт преодоления касательных напряжений различного характера. Аналитически это явление учитывается в уравнении Бернулли:

(1.1)

где: и – нивелирные высоты, м;

; - статистический напор, м;

; - скоростной напор, м;

h - потерянный напор, т.е. потерянная энергия, выраженная в м.

Различают два виды касательных напряжений, на преодоление которых затрачивается энергия потока.

а) При прямолинейном движении потока жидкости по трубопроводу возникают силы межмолекулярного взаимодействия (силы трения) между слоями жидкости о внутреннюю стенку трубопровода. Энергия потока, теряемая на преодоление касательных напряжений, возникающих под действием сил трения, называется потерей энергии на трение по длине потока;

б) При движении потока по трубопроводу он проходит участки, в которых меняется форма русла или его скорость: вентили, краны, повороты, отводы и др. В этих участках также возникают касательные напряжения. Потери энергии на преодоление этих напряжений называются местными.

Таким образом, энергия движения жидкостей по трубопроводам теряется на преодоление потери напора, который складывается из двух составляющих.

(1.2)

где: - напор, теряемый на преодоление сил трения, м;

- напор, теряемый в местных сопротивлениях, м.

Расчет потерь напора является одним из основных вопросов прикладной гидродинамики. Зная величину потерянного напора, определяют затраты энергии, необходимой для компенсации этих потерь и затем определяют вид насоса, компрессора или вентилятора для перекачивания потока жидкости или газа.

Для определения потерянного напора пользуются формулой Вейсбаха:

(1.3)

где: j - коэффициент сопротивления;

w – средняя скорость потока, м/с.

При расчете потерь энергии на трение в качестве коэффициента сопротивления в формулу (1.3) подставляют коэффициент сопротивления на трение по длине j_l, а при расчете местных потерь энергии принимают коэффициент местного сопротивления j_{м.с .}.

 

Определение потери напора на трение.

Коэффициент сопротивления на трение определяют по формуле:

(1.4)

где: l - коэффициент трения (коэффициент Дарси);

l – длина трубопровода, м;

d – диаметр трубопровода, м.

С учетом выражения (1.4) уравнение (1.3) преобразуется в уравнение Дарси-Вейсбаха:

(1.5)

Величина коэффициента трения зависит от многих факторов: режима движения потока, его физических свойств, формы и величины живого сечения трубы, шероховатости внутренней стенки трубы. Зависимость (1.5) в логарифмических координатах:

(A)

где: - средняя высота выступов шероховатости, числовые значения которых приводятся ниже, мм.

Трубы из латуни, свинца, меди: - 0,002

Стальные бесшовные трубы - 0,006-0,2

Стальные трубы - 0,1…, 0,5

Чугунные трубы - 0,2…,1,0

В функциональной зависимости (А) существуют четыре характерные области. Первая область соответствует ламинарному режиму движения (Re <2300). В этом режиме внутренние слои движутся параллельно друг другу, а количество элементарных струек, копирующих рельеф выступов шероховатости и имеющих повышенные потери энергии, невелико, поэтому коэффициент трения в этом режиме не зависит от шероховатости трубы. На основе теоретического анализа закономерностей ламинарного режима движения потока Пуазейль получил зависимость для определения потерь напора на трение:

(1.6)

где: m – динамический коэффициент вязкости, Па^.с;

r – плотность жидкости, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с².

Приравнивая правые части уравнений (1.5) и (1.6) и, учитывая, что комплекс равен числовому значению числа Рейнольдса, получим выражение для определения коэффициента Дарси

(1.7)

отсюда: и, с учётом этого, потерянный на трение напор равен:

(1.8)

Вторая область – начало турбулентного потока (2320 £ Re£ 10⁵). В этом режиме выступы шероховатости не вызывают завихрения смывающей их жидкости, а значит и дополнительных сопротивлений и потери энергии. Коэффициент трения в этом режиме не зависит от шероховатости стенок трубопровода, он определяется значением числа Рейнольдса. Коэффициент трения в этом режиме рассчитывается по формуле Блаузиуса:

(1.9)

Третья область – развитой турбулентный режим, соответствующий числу Рейнольдса 10⁵ < Re < 10⁶. В этом режиме толщина ламинарного подслоя постепенно уменьшается и становится равной высоте выступов шероховатости стенок трубопровода, а затем и меньше. На выступы накатывается турбулентный поток, это вызывает дополнительное сопротивление движению потоков. Эта область сопротивления определяется по уравнению Альтшуля:

(1.10)

Четвертая область, соответствующая числовому значению Re > 10⁶ – автомодельная. В этом режиме роль шероховатости стенок трубы становится определяющей, а числовое значение потери напора пропорциональна скорости во второй степени. Коэффициент трения в этом режиме определяют по формуле Шифринсона:

(1.11)

Коэффициент трения также можно определить по графику (2, стр. 22).

 

 

Определение потери напора в местных сопротивлениях

Местные потери напора возникают на коротких участках трубопровода, когда резко меняется форма и размеры русла движущегося потока. Это происходит при внезапных сужениях и расширениях, поворотах, отводах, в диафрагмах, вентилях, кранах, конфузорах, диффузорах и др.

Напор, теряемый в местном сопротивлении, определяется по формуле (1.3). Общий коэффициент сопротивления j_м.с заменяется на коэффициент местного сопротивления x_м.с..

(1.12)

Числовое значение приводится в справочнике (2, стр.503).

 

Описание установки

Лабораторная установка состоит из системы трубопроводов, диафрагмы (4); приспособлений, вызывающих местные сопротивления (вентиль, колено, повороты, внезапное сужение и расширение), системы манометров. Включение установки в работу осуществляется плавным поворотом регулировочного вентиля (11), т.к. при резком открытии вентиля может произойти выброс воды из ди.манометра. Расход воздуха контролируется диф.манометром (7). С помощью диф.манометров (5, 6, 8, 9, 10) замеряется сопротивление на различных участках трубопровода. Результаты измерений записываются в протокол испытаний. Необходимо сделать пять, шесть замеров для различных расходов воздуха.

 

Обработка опытных данных

Потери напора в трубе между двумя сечениями можно определить по уравнению Бернулли:

(1.13)

или

(1.14)

 

Так как перепад давления по высоте в импульсных точках подключения дифманометров незначительно, то примем, что нивелирные высоты равны: .

Перепад давления потока в двух сечениях трубопровода можно определить по уравнению:

∆P = P – P = ∆h (1.15)

 

Подставляя (1.10) в (1.9), получим:

 

(1.16)

 

где: - плотность манометрической жидкости, кг/м³;

- показания диф.манометра, м;

- плотность воздуха, кг/ м³;

W₁, W₂ - скорость воздуха в первом и втором сечении, м/с.

При расчете сопротивление по длине трубопровода не меняется, поэтому второе слагаемое в уравнении (1.16) становится равным нулю и уравнение принимает вид:

(1.17)

 

 

Рис. 1.1. Схема установки

 

1 - первый участок трубы, d = 24,5 мм;

2 - второй участок (расширение), d = 38,4 мм;

а - внезапное расширение; б, в, г, д, е - повороты; ж - прямой участок

3 - третий участок, d = 18 мм;

4 - диафрагма, d = 9 мм;

5, 6, 7, 8, 9, 10, 12 – диф.манометры; 11 – вентиль

 

Таблица 1.1. Протокол наблюдений

 

Расход воздуха

Показания диф.манометров, мм вод. ст.

мм. рт. ст.

К

Диафрагма. Показания дифманометра 7.

Расход воздуха

Расширение. Показание дифманометра 5.

Сужение. Показание дифманометра 6.

Поворот на 60º. Показание дифманометра 9.

Поворот на 90º. Показание дифманометра 12.

Поворот на 120º. Показание диф.манометра 10

Прямой участок трубы длиной 1,8 м. Показание диф.манометра 8

Атмосферное давление

Температура воздуха

Порядок проведения расчета

Определить объемный расход воздуха в трубе для всех опытов по уравнению расхода:

(1.18)

 

где: V_c – секундный расход воздуха в трубе, м³/с;

a - коэффициент расхода диафрагмы, a = 0,62;

f - площадь поперечного сечения диафрагмы, м²;

d - диаметр диафрагмы, d = 0,006 м;

Δh_м - показания диафрагмового диф.манометра, м;

r_м - плотность манометрической жидкости, кг/м³;

r_r - плотность воздуха при этих условиях, кг/м³

Определить среднюю скорость в сечениях до и после сопротивления:

(1.19)

F - площадь поперечного сечения трубы, м².

Определить перепад давления на линейном участке:

(1.20)

где: Δh_м – показание диф.манометра на прямом участке, м.

Определить опытный коэффициент трения по формуле:

(1.21)

где: d_э – эквивалентный диаметр живого потока, м; для круглой трубы d_э=d_вн, м

Определить числовое значение числа Рейнольдса:

(1.22)

Установить режим движения воздуха, выбрать формулу для расчета коэффициента трения, вычислить его.

Сравнить опытное значение коэффициента трения с расчетным по формуле:

(1.23)

Определить перепад давления на участке с местным сопротивлением:

(1.24)

где: Δh_мс – показание соответствующего дифференциального манометра, м;

r_ж – плотность манометрической жидкости, кг/м³

r_г – плотность воздуха, кг/м³.

Рассчитать значение коэффициента местного сопротивления по формуле:

(1.25)

где: w - средняя скорость потока в трубе на участке местного сопротивления, м/с.

Опытное значение коэффициента сравнить со справочным (2, стр. 520) по формуле:

(1.26)

где: - справочное значение коэффициента, из (2, стр. 503)

Сделать выводы из проделанной работы.

 

1.5. Контрольные вопросы

1. Дать определение гидравлических сопротивлений и привести примеры.

2. Объяснить потерю энергии в местных сопротивлениях.

3. Чем отличается коэффициент трения от коэффициента сопротивления?

4. Влияет ли режим движения потока на числовое значение коэффициента

трения?

5. Объясните понятие «гидравлическая гладкая труба».

6. Записать и объяснить уравнение Бернулли для двух сечений трубопровода, по которому движется реальная жидкость и идеальная.

7. Чем отличается потерянная энергия и потерянный напор?

8. Как рассчитывается энергия, теряемая на трение?

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Теоретическая часть

Большинство процессов химической технологии связаны с движением газа или жидкости, причем характер этого движения существенно сказывается на ходе процесса. При расчете таких процессов необходимо учитывать характер движения потоков, жидкости или газа.

Исследуя течение капельных жидкостей в трубах, английский ученый Рейнольдс (1883 г.) обнаружил существование двух различных режимов ее течения.

Обычно при малых скоростях и малых диаметрах трубопровода, элементарные струйки жидкости движутся параллельно, как бы скользя друг по другу, не перемешиваясь. Такое течение называют вязким или ламинарным. Распределение скоростей поперечному сочетанию трубопровода при ламинарном течении происходит по параболе, причем средняя скорость потока составляет 0,5 от максимальной

w_ср= 0,5 w _max (2.1)

 

При больших скоростях наблюдается поперечное перемешивание струек жидкости за счет образованных вихрей и движение частиц жидкости хаотическое, этот вид течения называется турбулентным. При таких скоростях характер течения различен поперечному сечению потока. У стенки течет тонкий ламинарный слой толщиной d. В центральной части потока находится сфера вихревого движения с радикальным перемешиванием. Ламинарный слой отделяется от вихревого так называемым буферным слоем. Распределение скоростей при этом режиме пологой кривой и средняя скорость потока составляет 0,8 - 0,9 от максимальной.

w_ср = (0,8 ¸ 0,9) w_max (2.2)

Характер движения жидкости (газа) зависит, как показали опыты, не только от скорости потока, но и от геометрических размеров потока, вязкости и плотности жидкости (газа). Влияние перечисленных физических параметров потока на характер движения определяется величиной безразмерного комплекса- критерия, названного в честь ученого, открывшего это явление, числом Рейнольдса:

(2.3)

где: w – средняя скорость потока, м/с;

d_э – эквивалентный диаметр трубопровода, м;

r – плотность жидкости (газа), кг/ м³;

-динамический коэффициент вязкости, Па ^. с;

n = - кинематический коэффициент вязкости, м²/с.

Число Рейнольдса показывает соотношение сил инерции, характеризующихся скоростью потока и его размерами, и сил внутреннего трения, характеризующихся вязкостью потока. Отсюда следует, что турбулентное течение свойственно потокам, обладающим развитыми силами инерции, а ламинарное течение характерно для потоков, в которых силы внутреннего течения преобладает над силами инерции. Установлено, что для ламинарного режима численное значение числа Рейнольдса всегда меньше некоторого определенного «критического» значения, для прямых труб критическое значение Re_кр = 2300.

Необходимо отметить, что приведенное критическое значение является в известной степени условным, так как трудно обнаружить резкий переход от ламинарного режима к турбулентному. В действительности обычно наблюдается так называемая «переходная» область исчезновения ламинарного режима и установления турбулентного состояния потока. Численные значения числа Рейнольдса для потоков, проходящих по прямым трубам, характерны следующие значения числа Рейнольдса:

Ламинарное течение - Re < 2300

Переходная область - 2300 £ Re £ 10000

Развитое турбулентное течение - Re ³ 10000

Для потоков, проходящих по изогнутым трубам (змеевикам), критическое значение Re_кр выше, чем в прямых трубах, и зависит от отношения диаметра трубы d змеевика к диаметру D витков змеевика ( d /D) / 1, стр. 18/.

При движении жидкости через сечение любой формы, отличной от круглой, в качестве расчетного линейного размера принимают гидравлический радиус или эквивалентный диаметр.

Под гидравлическим радиусом r_г понимают отношение площади затопленного сечения потока к смоченному периметру:

(2.4)

Для круглой трубы с внутренним диаметром d и, значит, площадью свободного сечения S = πd² / 4 при сплошном заполнении его жидкостью П = π d, откуда гидравлический радиус:

r_r = (2.4 а)

Следовательно, для потоков некруглого сечения вместо диаметра можно применить эквивалентный диаметр:

d _э = = 4r_u = d (2.5)

Для круглой трубы: d_э = d_вн.

Для канала прямоугольного сечения со сторонами полностью заполненного жидкостью, гидравлический радиус:

r_г = (2.6)

а эквивалентный диаметр:

d _э = 4r_г = r_г = (2.6а)

 

Описание установки

Схема установки приведена на рис 2.1. Воду из городского водопровода подают в бак 1 по трубе 3, регулируя подачу вентилем 4. Для предупреждения переполнения бака установлена переливная труба 5. Для слива воды из бака установлена воронка 6 на трубе (линия канализации).

Во время работы установки вода из бака 1 по питательной трубе 10 через вентиль 11 поступает в расходный бак 12. Излишек воды через трубу сливается в канализацию. Из расходного бака 12 вода по стеклянной трубе 14 поступает в буферный бак 15 и сливается из него через регулировочный вентиль 16 и ротаметр 12 в канализацию. Из бака с краской 18 через кран 19 по тонкой трубе 20 подкрашенная струйка воды поступает в стеклянную трубу 14.

По окончании работы для опорожнения баков 15 и 12 пользуется соответственно вентилями 21 и 22.

Для успешного проведения опытов весьма важными условиями являются стабилизация потока в стеклянной трубе 14 и согласование скоростей истечения краски со скоростью самого потока. В этих целях приняты следующие меры. Так как в городском водопроводе наблюдается временами колебания напора и пульсаций потока, то воду из водопровода подают сначала в запасный бак 1 достаточно большой вместимости. Затем вода поступает в расходный бак 12 по питательный трубе 10. Постоянный уровень воды в баке 12 поддерживается с помощью переливной трубы 13. Для согласования скорости истечения краски со скоростью воды в стеклянной трубе 14 бак с краской 18 закреплен на наружной высоте для создания необходимого напора при истечении краски. Расход краски регулируется краном 19.

 

Методика проведения работы

Работу начинают с установления ламинарного режима и, увеличивая постепенно скорость движения воды в стеклянной трубе, наблюдают за изменениями, происходящими с подкрашенной струйкой при разных режимах течения.

Перед началом работы проверяют наличие воды в баке 1 по водомерному стеклу 2. Если вода в баке меньше половины, то открывают вентиль 4 и заполняют бак, следя за уровнем воды в водомерном стекле 2. Затем заполняют баки 10 и 15, открывая вентиль 11. Затем понемногу открывают вентиль 16, устанавливая по ротаметру 17 минимальный расход воды.

 

Рис.2.1. Схема экспериментальной установки.

 

В первой части работы для пуска подкрашенной струйки постепенно открывают кран 19, регулируя степень открытия вентилей 11 и 16 и крана 1, Добиваются четкого очертания подкрашенной струйки, хорошо видимой на освещенном фоне – экрана. Затем, увеличивая степень открытия вентиля 15, повышают тем самым скорость воды в стеклянной трубе 14, вследствие чего ламинарный режим начинает нарушаться и переходить в турбулентный. При этом надо регулировать открытие крана 19, а также вентиля 11, не позволяя уровню воды в баке 12 опускаться ниже переливной трубы 13.

Во второй части работы производят замеры, необходимые для определения значения число Рейнольдса при разных режимах течения, Настраивают установку на ламинарный режим и приступают к определению расхода по ротаметру 17. Таких замеров проводят несколько раз (6-7), заканчивая их при развитом турбулентном движения.

 

Обработка опытных данных

 

Определить скорость движения воды в стеклянной трубе, через массовый расход воды:

w =

где: G - массовый расход воды, кг/ с;

r - плотность воды, кг/м³

d _BH – внутренний диаметр стеклянной трубы (d = 20 мм), м.

Массовый расход воды определяется из уравнения расхода:

G = V r

где: V – объемный расход воды, м³/сек.

Вычисляют число Re и определяют режим течения:

где: ν – кинематический коэффицент вязкости.

Определить число Рейнольдса для случаев прохождения жидкости через прямоугольное и квадратное сечения трубопроводов со сторонами «a» и «b». Значения сторон выдается преподавателем каждому студенту. При этом для определения скорости воды можно использовать экспериментальные значения расхода воды.

Результаты наблюдаемые, опытные и расчетные данные заносят в отчетную таблицу.

Таблица 2.1. Протокол наблюдений

 

№ п/п	Расход воды G, кг/с	Температура воды, tу, ^0С	Скорость движения воды w, м/с	Число Рейнольдса Re	Состояние подкрашенной струйки	Режим потока

2.5. Контрольные вопросы

1. Какое течение называется ламинарным?

2. Как определить среднюю скорость потока движущегося ламинарно?

3. Какое течение называется турбулентным?

4. Какого соотношение между средней и максимальной скоростями потока при турбулентном течении?

5. Что такое эквивалентный диаметр и гидравлический радиус?

6. Что такое число Рейнольдса? Каков его физический смысл?

7. В каком интервале числе Рейнольдса наблюдают «переходную» область?

8. От каких параметров зависит значение Re для змеевиков?

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Теоретическая часть

В настоящее время целый ряд процессов в химической технологии осуществляется при взаимодействии газа или жидкости с мелкораздробленными твердыми частицами (абсорбция, сушка, обжиг и др.) в аппаратах с так называемым взвешенным (кипящим, псевдоожиженным) слоем. В таких аппаратах указанные процессы существенно ускоряются. В целом в настоящее время свыше пятидесяти технологических процессов используют технику псевдоожижения в промышленной практике, что обусловлено следующими их достоинствами:

1. Интенсивное перемешивание твердой фазы, которое приводит к выравниванию температур и концентрации в объеме ПС.

2. Высокие коэффициенты эффективной теплопроводности и теплоотдачи от ПС (или, наоборот) к поверхностям теплообмена, значит малые площади необходимой поверхности теплообмена.

3. Возможность использования твердых частиц малых размеров, т.е. твердой фазы с развитой удельной поверхностью. Это приводит к повышению производительности аппаратов для сорбционных, тепловых, каталитических и других процессов.

4. Подвижность (текучести) ПС позволяет создать аппараты с непрерывным вводом и отводом твердых частиц.

5. Небольшое гидравлическое сопротивление и независимость его от скорости газа (жидкости).

6. Простое устройство аппарата и легкая механизация и автоматизация.

Наряду с достоинствами принципу псевдоожижения присущи следующие недостатки:

1. Неравномерность времени пребывания частиц в аппарате.

2. Истирание и унос газом хрупких частиц.

3. Агломерация и спекание мелких частиц.

4. Эрозия труб и стенок аппаратов в результате абразивного действия частиц.

Несмотря на серьезные недостатки, существенные экономические преимущества ПС обусловили его успешное использование в промышленности.

Гидродинамическая сущность процесса взаимодействия газовой фазы с твердыми частицами заключается в следующем: если через слой зернистого материала, расположенного на решетке, пропускать снизу вверх поток газа, то состояние слоя твердого материала будет различным в зависимости от скорости потока.

При относительно небольших скоростях движения газа, рассчитанной на полное сечение аппарата (фиктивная скорость) зернистый слой остается неподвижным, перепад давления при этом увеличивается линейно с ростом скорости.

Однако, когда скорость достигает некоторой критической величины, слой перестает быть неподвижным и весь слой твердых частиц переходит во взвешенное состояние, напоминающий кипящий (псевдоожиженный) слой, ограниченный ясно выраженной верхней границей раздела фаз. В таком слое твердые частицы интенсивно перемешиваются в потоке в различных направлениях. В этом режиме перепад давления на слое сохраняет практически постоянное значение и зависимость DP = f(w) выражается прямой линией, параллельной оси абсцисс.

Скорости газа (жидкости), при которой неподвижный слой зернистого твердого материала переходит в псевдоожиженное состояние, называется скоростью начала псевдоожижения (или первой критической) - w_ПС..

Скорость газа (или жидкости) при которой начинается массовый вынос частиц из слоя, называется скоростью уноса или иначе, скоростью свободного витания - w_{СВ .} При w > w_СВ частицы уносятся из слоя, их весовое количество в слое падает в результате уменьшается энергия, необходимая для поддержания твердой фазы во взвешенном состоянии. По этой причине ∆Р_сл точки В понижается.

Явление массового уноса твердых частиц используют в промышленности для перемещения сыпучих материалов (пневмотранспорт).

Опыты по определению перепада давления DP, а также веса слоя зернистого материала G_сл. Показывают, что критическая скорость w_кр. Отвечает соотношению:

G_сл. = DP ^.S (3.1)

где: G_сл. – вес зернистого слоя, кг;

S – площадь поперечного сечения аппарата, м².

Поскольку уравнение (3.1) выражает силу гидравлического сопротивления слоя, можно отметить, что состояние псевдоожижения возникает при скорости потока, которая соответствует силе гидравлического сопротивления слоя, равного весу слоя. Рабочие скорости потоков при проведении процессов с применением псевдоожиженного слоя зернистого материала выбирается в пределах:

w_p = nw_кр. = (2 ¸ 10) w_кр (3.2)

 

где: n – число псевдоожижения, характеризующее отношение рабочей скорости потока газа и критической скорости (начала псевдоожижения).

При достижении скорости газа некоторого значения w_у (точка В) псевдоожиженный слой практически прекращает свое существование, так как начинается процесс пневмотранспорта материала.

Переход твердых частиц неподвижного слоя во взвешенное состояние будет происходить тогда, когда сила F динамического воздействия потока на частицу станет равной весу ее за вычетом подъемной (архимедовой) силы R:

(3.3)

где: r_Т, r_С – плотность твердой частицы и среды, соответственно, кг/м³.

Отношение рабочей скорости w_раб (в пределах w_ПС - w_СВ) к скорости начала псевдоожижения w_ПС называется числом псевдоожижения

(3.4)

K_W - характеризует интенсивность перемешивания частиц и состояния ПС. Опытным путем найдено, что во многих случаях интенсивное перемешивание достигает при K_W = 2, хотя оптимальные значения устанавливаются практически для каждого конкретного процесса.

Отношение высоты псевдоожиженного слоя (H_CП) к первоначальной высоте неподвижного слоя (H₀) называется степенью расширения

(3.5)

В системах капельная жидкость - твердые частицы (например, процессы экстракция, адсорбция) увеличение скорости потока выше w_ПС приводит к спокойному, постепенному расширению слоя. Образование больших пузырей или неоднородности не наблюдается. Такой ПС называется однородным слоем.