Гидромеханические процессы химической и пищевой технологии

При достижении второй критической скорости, называемой скоростью уноса, частицы приобретают однонаправленное движение и уносятся потоком газа из аппарата. На практике это используют для пневмотранспорта сыпучего материала.

Скорость псевдоожижения определяется из равенства гидравлического сопротивления слоя весу частиц, приходящихся на единицу площади сечения аппарата

? P = G/S (2)

Значения порозности слоя ?, скорости газа W и диаметра частиц d находятся из зависимости Ly = f(Ar, ?) [1]..

Критерий Лященко и Архимеда определяются по формулам:

Ly=Re3/Ar=w3?2г / ?г(?ч-?г)g (3)

 (4)

Верхняя граница псевдоожиженного состояния (? ?1) соответствует скорости свободного витания одиночных частиц.

Очевидно, что при скорости потока большей, чем скорость витания начнется унос частиц из слоя.

В инженерной практике важно определить обе критические скорости. Для этого можно, в частности, воспользоваться формулами Тодеса:

(5)

(6)

Значение Wпо и Wун находят из критических значений критерия Рейнольдса.

Описание установки

Схема установки представлена на рис. 1. Она включает в себя две прозрачные колонки 3 и 8 диаметром 5см. В колонках установлены сетки, на некоторых из них помещен зернистый материал.

В нижние части колонок из общего коллектора поступает сжатый воздух, расход которого измеряется ротаметрами 4 и 7 и регулируется вентилями 5 и 6.

К каждой из колонок присоединено по два дифманометра, заполненные водой. Дифманометры 2 и 9 измеряют гидравлическое сопротивление сеток, а манометры 1 и 10 гидравлические сопротивления сеток и слоев зернистого материала

Порядок выполнения работы, обработка результатов измерения и содержание отчета

Работу проводят на одной из двух колонок.

Осторожно открывают вентиль 5 (6), увеличивают расход воздуха в колонке через 2 - 5 делений ротаметра 4 (7), наблюдают при этом за состоянием слоя, одновременно записывая показания дифманометров.

Определяют расход газа соответствующий скорости начала псевдоожижения.

Полученные данные заносят в табл. 1 и строят график зависимости гидравлического сопротивления слоя от скорости W.

Зная скорость псевдоожижения рассчитывают критическое значение критерия Лященко Lyпо и из графика [1].. определяют значение критерия Архимеда при ? = 0,4. Из критерия Ar находят диаметр частиц.

Режимы псевдоожижения и начало уноса устанавливают визуально, повторяя опыт 3 - 4 раза и одновременно измеряя перепад давления в слое и расход воздуха.

После усреднения расхода воздуха, соответствующего началу уноса частиц, по уравнению расхода определяют экспериментальное значение скорости уноса. Полученное таким образом значение (Wун)э сравнивают с рассчитанным из критерия Рейнольдса по уравнению (6). Полученные данные заносят в табл. 2.

Таблица 1.

Показание ротаметра	Расход воздуха V, м3/с	Скорость воздуха W, м/с	Сопротивление слоя	Сопротивление сетки	Примечание
			мм. водян. столба	Па	мм. водян. столба	Па

В графе «Примечание» записываются визуальные наблюдения.

Таблица 2.

Расход воздуха V, м3/с	Скорость псевдоожижения Wпо, м/с	Скорость уноса Wун, м/с	Примечание
		Эксперимент.	Рассчитан.

Отчет о работе должен содержать цель и задачи работы, схему установки, пример расчета скоростей Wпо, Wун, таблицы и графики экспериментальных и рассчитанных величин.

ИСПЫТАНИЕ РАМНОГО ФИЛЬТР-ПРЕССА

Цель работы: Определить константы в уравнении фильтрования и производительность рамного фильтр-пресса.

Основные определения и теория процесса

Фильтрованием называют процесс разделения суспензий при помощи пористой перегородки, пропускающей жидкость (фильтрат) и задерживающей твердую фазу. В начальный момент фильтрования твердые частицы проникают в поры фильтровальной перегородки, затем накапливаются на ней и образуют слой осадка, который играет роль основной фильтрующей среды. Движущей силой процесса является разность давлений над слоем осадка и под фильтровальной перегородкой. По способу создания движущей силы фильтры делятся на вакуум-фильтры и фильтры, работающие под избыточным давлением, а по режиму работы - на фильтры периодического и непрерывного действия. Устройство фильтров и принцип их работы описаны в [ 2].

Интенсивность данного процесса и производительность фильтрующей аппаратуры определяются скоростью фильтрования, т.е. количеством фильтрата, прошедшего через 1м поверхности фильтрующей перегородки за единицу времени. Для несжимаемых осадков ее можно определить по уравнению:

( 1 )

где W - скорость фильтрования, м3 /(м 2с);

dV - объем фильтрата, м3;

F - поверхность фильтрования, м2;

?Р - перепад давлений, Па;

? - вязкость фильтрата, Па·с;

Roc , Rфп - сопротивление слоя осадка и фильтровальной перегород- ки, соответственно, м-1;

d? - время фильтрования, с.

В процессе фильтрования изменяется сопротивление слоя осадка, если предположить, что структура осадка однородна, то сопротивление слоя осадка можно выразить следующей зависимостью [ 2 ].

( 2 )

где ro- удельное сопротивление осадка, м-2;

xo- относительная объемная доля твердой фазы в суспензии,

м3 осадка / м3 жидкости.

Удельное сопротивление осадка зависит от структуры осадка, формы и размера частиц и определяется экспериментально. Для несжимаемых осадков оно постоянно. Сопротивление фильтровальной перегородки Rфп принимается постоянным.

Подставив значение Roc в уравнение (1) , получим уравнение фильтрования в дифференциальной форме

( 3 )

Если фильтрование происходит при постоянной разности давлений (?P=const), то интегрирование уравнения ( 3 ) в пределах от 0 до V и от 0 до ? дает:

( 4 )

Разделив правую и левую части уравнения ( 4 ) на F2 будем иметь

( 5 )

и введя обозначения

; ; ( 6 )

получим уравнение, которое выражает зависимость объема фильтрата, проходящего через единицу поверхности фильтровальной перегородки от продолжительности фильтрования

( 7 )

Чтобы определить константы С и К графическим способом уравнение ( 7 ) следует представить в виде: (после дифференцирования уравнения 7):

( 8 )

Рисунок 1. - Схема установки

1 - бак для суспензии

6 - рамный фильтр-пресс

9, 13, 14 - манометры

2 - пневматическая мешалка

7 - зажимное устройство

16 - мерный сосуд

3 - насос

5, 8, 10, 11,12, 15 - вентили запорные

4 - ванна

В координатах это уравнение выражается прямой линией, наклоненной к горизонтальной оси под углом ? , тангенс которого равен 2/К, а отрезок, отсекаемый на оси ординат С/К (рис. 1) Найденные значения К и С позволяют определить константы фильтрации ro и Rфп на основе соотношений ( 6 ).

Описание установки

Основным элементом установки является плиточно-рамный фильтр пресс, который состоит из чередующихся рам и плит рис. 1 Размеры рам в свете 315х315. Плиты и рамы опираются ручками на брусья. Между плитами и рамами помещаются тканиевые фильтровальные перегородки. Общая поверхность фильтрования зависит от числа фильтровальных перегородок и может быть изменена от опыта к опыту. Плиты и рамы прижимаются к неподвижной плите при помощи прижимного устройства.

Суспензия готовится в баке емкостью 0,75 м3 с пневматическим перемешиванием. Сжатый воздух для перемешивания подается из воздухопровода.

Суспензия в фильтр - пресс подается диафрагменным насосом. Она поступает в нижний канал фильтр - пресса и из него через отверстия в нижних стенках рам в камеры, образованные плитами и рамами. Фильтрат проходит через ткань, поднимается по желобам плит в верхний сборный канал и удаляется наружу. Осадок остается на перегородках внутри камер. Его промывают водой, сушат воздухом и выгружают.

Порядок выполнения работы и обработка результатов измерения

1. Приготовить суспензию из полистирола и воды.

2. Подать сжатый воздух в бак (1) для перемешивания суспензии.

3. Подготовить фильтр - пресс к работе:

- покрыть плиты с двух сторон фильтровальной тканью так, чтобы отверстия в рамах и плитах совпадали с отверстиями в ткани;

- плиты и рамы сдвинуть к опорной плите и зажать зажимным устройством.

4. Открыть вентиль (8) на трубопроводе подачи суспензии в фильтр-пресс и закрыть вентиль на трубопроводе подачи суспензии к барабанному вакуум-фильтру.

5. Включить электродвигатель диафрагмового насоса на подачи суспензии и момент получения фильтрата считать началом опыта.

6. С помощью мерника (16) отмечается несколько значений объема фильтрата V1, V2, V3, и по секундомеру - время ? 1, ? 2, ? 3….., за которое указанные объемы фильтрата собираются в мерный сосуд (16).

7. далее рассчитываются величины VF = V/F, ??, ?VF и ?? /?VF в которых строится график для определения констант фильтрации.

Опытные и рассчитанные данные сводятся в таблицу.

Таблица - Опытные и рассчитанные данные

№ п/п	Объем фильтрата V, м3	Время фильтрации ?, с	VF=V/F м3/м2	??, с	?VF м3/м2	??/ ?VF

Для определения удельного сопротивления осадка по (6) необходимо знать движущую силу процесса ?Р, которая определяется как показание манометра (9) на линии подачи суспензии. (манометр показывает избыточное давление по отношению к атмосферному, Ризб= Рабс - Ратм

а это будет разность давлений над слоем осадка и за фильтровальной перегородкой). Значение ?Р представляется в соотношение (6) в паскалях.

Установлено, что влажность осадка составляет приблизительно 16%. Поэтому взвесив осадок и учтя его влажность можно найти массу полистирола, а разделив ее на плотность определить объем частиц

Vч=Goc(100-?)/100?полист.

Зная объем частиц и объем полученного фильтрата Vч можно рассчитать концентрацию частиц полистирола в суспензии

Хо= Vч / V

которая необходима для расчета Rфп по уравнению (6).

Производительность фильтра за время ? можно определить по формуле:

Vф = F?VF / ?

Определение ЗАТРАТ МОЩНОСТИ НА ПЕРЕМЕШИВАНИЕ В АППАРАТЕ С МЕШАЛКОЙ

Цель работы: Экспериментально определить затраты мощности на перемешивание в аппарате с мешалкой. Установить зависимость критерия мощности от числа Рейнольдса.

Основные определения и теория процесса

Перемешивание - это процесс многократного перемещения частиц текучей среды относительно друг друга во всем объеме аппарата, протекающий за счет импульса, передаваемого среде механической мешалкой, струей жидкости или газа. Процессы перемешивания широко применяются в химической и пищевой промышленности для приготовления суспензий, эмульсий и растворов, а также для ускорения тепловых, массообменных и химических процессов. На практике наиболее распространенным способом перемешивания является механический, который осуществляется с помощью вращающихся механических мешалок. Устройство мешалок описано в [2].

Основными характеристиками процессов перемешивания являются интенсивность и эффективность перемешивания. Интенсивность перемешивания определяется количеством энергии, подводимой к единице объема или к единице массы перемешиваемой среды в единицу времени.

Под эффективностью перемешивания понимают технологический эффект, характеризующий качество проведения процесса.

Мощность, затрачиваемая на перемешивание, зависит от целого ряда факторов: конструкции мешалки, аппарата и его внутренних устройств, физических свойств среды и числа оборотов вала мешалки.

Для описания процессов перемешивания широко используются критериальные зависимости. Так, обобщенное уравнение гидродинамики для процессов перемешивания имеет вид [2]:

KN = f (Reм, Frм, Г1, Г2 …)

или (1)

где - критерий мощности;

- модифицированное число Рейнольдса ;

Frм = n · dм /g - модифицированное число Фруда;

Г1, Г2 - симплексы геометрического подобия;

N - мощность на валу мешалки, Вт;

n - число оборотов мешалки в секунду, с-1;

dм - диаметр мешалки (диаметр окружности, описываемый мешалкой), м.

Если при перемешивании на поверхности жидкости не образуется воронка, то влияние силы тяжести на протекание процесса будет невелико и при условии геометрического подобия уравнение (1) принимает вид:

KN = С ·Re (2)

Значения коэффициентов А, С и показателей m, n, p, q определяется экспериментально, а значения критерия мощности, как правило приводятся в виде графических зависимостей [1].

Описание установки

Работа выполняется на установке, общий вид которой представлен на рис. 1. Основным элементом установки является аппарат для перемешивания жидких сред, включающий перемешивающее устройство 7 и корпус 5. Привод состоит из электродвигателя постоянного тока 2, редуктора 3, пускового устройства 1. Частоту вращения измеряют тахометром 4 и пересчитывают с учетом передаточного числа редуктора. Подъемный столик 6 служит для изменения положения мешалки по высоте аппарата. Верхняя крышка аппарата отсутствует. Такое исполнение корпуса обеспечивает возможность наблюдения за процессом перемешивания в аппарате и обеспечивает легкую смену мешалок.

Величину крутящего момента определяют с помощью специального устройства 8, основанного на использовании трубок Пито.

Порядок выполнения работы

Установить мешалку 7 на вертикальный вал, предварительно замерив размер лопастей.

Заполнить сосуд 5 водой до метки на цилиндрической царге.

Установить рычаг регулирования скорости вращения мешалки на минимальное число оборотов.

Включить электродвигатель 2 привода мешалки.

Снять показания тахометра 4.

Определить показания устройства 8.

Далее проводят измерения при других числах оборотов мешалки. После проведения одной серии замеров двигатель выключают, меняют мешалку, и все операции повторяют в той же последовательности. Результаты измерений заносят в таблицу.

Обработка результатов измерения и содержание отчета

Для установившегося режима потребляемую мощность на перемешивание определяют по формуле:

Nn = Mкр · n, (3)

где n - скорость вращения мешалки, с-1;

Mкр - крутящий момент, Н м;

Nn - мощность, затрачиваемая на перемешивание, Вт.

Для измерения крутящего момента на установке использована оригинальная методика, основанная на использовании трубок Пито. Одна из этих трубок вварена ровно в корпус аппарата, а другая направлена навстречу потоку жидкости и учитывает динамический напор. Чем интенсивнее вращение, тем больше разница уровней в указанных трубках. Для того чтобы установить связь ? h с крутящим моментом, была выполнена калибровка трубок и получено уравнение

Mкр = 0,127 · ? h0,42, Н · м (4)

В этом уравнении ? h следует подставлять в миллиметрах.

Таблица 1 - Измеренные и рассчитанные величины

Тип мешалки	dм м	N об/с	? h мм	Mкр Н·м	Nn Вт	Reм	KN	Nр Вт

Для каждого типа мешалок строится график зависимости lg KN от lg Reм и определяют показатель степени m и коэффициент С в уравнении (2).

По полученному уравнению рассчитывают критерий мощности, из которого определяют мощность, и сравнивают ее с опытной.

Отчет должен включать схему установки, расчетные формулы, таблицу измеренных и рассчитанных величин, графики зависимости lg KN от lg Reм , вычисленные значения констант m и С.

ЛИТЕРАТУРА

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов /Под ред.чл-корр.АН СССР П.Г.Романкова.-10-е изд., перераб. и доп.-Л.: Химия, 1987.-576с.,ил.

2. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов.Изд.2-е. В 2-х кн.-М.: Химия, 1995.-кн.1.-400с.: ил.

Страницы: 1, 2