ЛР6

Казанский государственный технологический университет

Кафедра ПАХТ

Лабораторная работа №10

Изучение гидравлики взвешенного слоя.

Казань – 2005

Цель работы: 1) вычисление критической скорости начала псевдоожижения расчетным и опытным путем; 2) определение порозности неподвижного и взвешенного слоя при некоторых значениях расхода жидкости расчетным путем и сопоставление расчетных значений порозности с экспериментальными; 3) нахождение гидравлического сопротивления взвешенного слоя расчетным (по весу материала) и опытным путем.

Описание установки: Лабораторная установка (рис.1) состоит из стеклянной вертикальной колонки 1 с внутренним диаметром D = 70 мм и приборов для измерения давления и расхода жидкости. В колонку снизу по трубопроводу подается вода, которая предварительно проходит через ротаметры 2 (при малых расходах через ротаметр РС- 5, при больших - через РС-7), фиксирующие значение расходов воды. Расход регулируется вентилями В₁, и В₂. Из колонки вода отводится в бак

Колонка заполнена сферическими частицами алюмосиликатного катализатора диаметром d = 3,7 мм и плотностью р_т = 1,6 г/см³. С одной стороны к колонке прикреплена шкала с указателем для отсчета высоты слоя, с другой стороны расположен дифманометр 3 для измерения потери давления на участке слоя I высотой Н* = 150 мм. Вверху колонки установлен термометр 4.

от насоса

Сущность работы: В настоящее время ряд процессов химической технологии (сушка, обжиг, адсорбция, катализ), при которых происходит взаимодействие газа или жидкости с мелкораздробленным твердым материалом, осуществляют в аппаратах со взвешенным (псевдоожиженным, или кипящим) слоем. В таких аппаратах указанные процессы значительно ускоряются.

Если через неподвижный слой монодисперсных твердых частиц, находящихся на решетке, пропускать снизу вверх поток жидкости (газа) и при этом постепенно увеличивать его скорость, то при некоторой так называемой первой критической скорости (скорости начала псевдоожижения) весь слой твердых частиц переходит во взвешенное состояние. При дальнейшем повышении скорости жидкости объем взвешенного слоя увеличивается. Такой расширившийся слой, в котором происходит интенсивное перемешивание (движение) твердых частиц, во многом напоминает кипящую жидкость: он течет, принимает форму сосуда, имеет поверхность раздела с жидкостью, через него пробулькивают пузырьки газа, поэтому его называют часто кипящим, или псевдоожиженным слоем. При некоторой скорости потока, превышающей так называемую вторую критическую скорость (скорость витания или уноса), взвешенный слой разрушается: твердые частицы уносятся из аппарата потоком жидкости, осуществляется их транспорт.

Переход зернистого слоя из неподвижного во взвешенный слой происходит тогда, когда сила Р_д динамического воздействия потока на слой материала, выражаемая как произведениеΔрS, станет равной силе тяжести Р_Т, создаваемой твердыми частицами, за вычетом архимедовой силы Р_А, т. е.

Р_Д = Р_Т – Р_А

или

ΔрS = V_Тg(ρ_Т-ρ) = SH(1-ε)(ρ_Т-ρ)g

где Δр - потерянное давление в слое, Па; S - живое сечение пустого аппарата, м²; V_т - объем твердых частиц слоя, м³; е - порозность слоя (доля свободного объема V_cв в объеме слоя V_cл); H - высота слоя, м; ρ_Т, ρ - плотности твердых частиц и жидкости соответственно, кг/м³.

С другой стороны, потеря давления в слое Δр может быть выражена с помощью уравнения Дарси—Вейсбаха:

,

где Ф - коэффициент, учитывающий форму и состояние поверхности

твердых частиц.

Коэффициент сопротивления на основании обобщения опытных данных может описываться различными соотношениями. В частности, для всех режимов течения он с удовлетворительной точностью описывается уравнением

.

Подставляя значение потери давления по уравнению (2) в уравнение (3), можно получить с учетом (4) критериальное уравнение, описывающее поведение псевлоожиженного слоя. Так, для частиц округлой формы, для которых Ф ≈ 1 и ε ≈ 0.4, из выражений (2)-(4) получается критическое значение числа Рейнольдса, при котором начинается псевдоожижение:

,

где - критерий Архимеда; - модифицированный критерий Рейнольдса; d - диаметр твердой частицы, м; — кинематическая вязкость жидкости, м²/с; — фиктивная средняя скорость потока (отнесенная к незаполненному частицами поперечному сечению аппарата), м/с.

Такую же структуру имеет зависимость между критериями Rе и Аr и при промежуточных значениях 0.4< ε < 1. Обобщением опытных данных в этом случае получена формула

.

Это уравнение выражает основную зависимость гидравлики взвешенного слоя - зависимость между порозностью слоя и скоростью потока. По уравнению (6) можно рассчитать скорость начала псевдоожижения w_ПС, подставляя в нее значение порозности неподвижного слоя ε_Н.

Гидравлическое сопротивление взвешенного слоя, как следует из уравнения (2), во всем диапазоне его существования практически одинаково и определяется выражением

Δр = H(1-ε)(ρ_Т-ρ)g.

Порядок проведения опытов: измеряют высоту неподвижного слоя Н_н. Включают насос и постепенно открывают вентиль В₁ до положения, соответствующего началу псевдоожижения. Началом псевдоожижения следует считать момент перехода практически всех частиц слоя в состояние движения. Фиксируют показание ротаметра РС-5 и по тарировочному графику устанавливают величину расхода V. Измеряют температуру воды на

выходе из колонки. Все измерения заносят в табл. 1.

Далее увеличивают расход воды до значения, соответствующего уровню взвешенного слоя выше участка I, при этом открывают вентиль В₂ и закрывают вентиль В₁. В таком положении замеряют высоту взвешенного слоя Н, снимают показания ротаметра РС-7 и U-образного дифманометра Δh*. По тарировочному графику определяют расход воды, проходящей через колонку.

Аналогичный опыт повторяют при большем значении расхода воды. Данные для второго этапа работы заносят в табл. 2.

После окончания опытов следует закрыть вентили В₁ и В₂ и отключить насос.