Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
Технологический институт
Методические указания для лабораторных работ
По дисциплине «Процессы и аппараты»
Курс 2,3
Для специальности 240404.51 «Переработка нефти и газа»
Тюмень,
2011г.
|
Одобрена на заседании УМК Протокол № _____
«___» ________2011 Председатель УМК ТИ __________Е.В. Корешкова |
УТВЕРЖДАЮ Директор ТИ _______________ А.Н. Халин «___»_________ 2011 |
Автор: Мозырев Андрей Геннадьевич
Пояснительная записка
Для студентов химико-технологических специальностей, специализирующихся для работы в химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической промышленности и смежных с ними производствах курс «Процессы и аппараты химической технологии» имеет большое значение. Эффективность освоения этой учебной дисциплины в значительной мере зависит от содержания и постановки лабораторного практикума.
В основу настоящих методических указаний положен лабораторный практикум по процессам и аппаратам кафедры ПНГ Тюменского государственного нефтегазового университета с учетом опыта работы подобных лабораторий других учебных заведений.
Лаборатория процессов и аппаратов оснащена действующими типовыми аппаратами и машинами. Лабораторный практикум помогает студентам практически изучить физико-химическую сущность процессов, ознакомить их с основными типами общей химической аппаратуры (фильтрами, выпарными и теплообменными аппаратами, сушилками, ректификационными колоннами, абсорберами и т.д.), их устройством и техникой обслуживания, а также определить их важнейшие характеристики и установить факторы, влияющие на производительность и экономичность установки.
Каждая работа содержит перечень контрольных вопросов, позволяющих связать теоретическую часть курса с экспериментальной частью исследования.
Прежде чем приступить к пуску учебной лабораторной установки, необходимо изучить содержание работы. Для этого студент должен ознакомиться с оборудованием, относящимся к данной работе, схемой установки и изучить инструкцию и порядок выполнения работы. Ответив на контрольные вопросы (включая вопросы по технике безопасности) и получив разрешение преподавателя, студент приводит в действие лабораторную установку и приступает к необходимым замерам и записям показаний котрольно - измерительных приборов в соответствии с полученным заданием.
Без разрешения преподавателя студентам категорически запрещено включать лабораторные установки и приборы.
Обо всех замеченных неполадках и неисправностях студент обязан немедленно сообщить преподавателю и учебному мастеру.
Отчет о лабораторной работе студент должен предоставлять по определенной форме на отдельных бланках. На них указывается название института и лабораторной работы, фамилия и инициалы студента и шифр учебной группы. Кроме этого отчет должен содержать название лабораторной работы, ее цель, схему установки, таблицы измеренных и рассчитанных величин, а также основные расчеты и графические материалы, связанные с обработкой опытных данных. Каждый отчет подписывает студент, выполнивший работу, и преподаватель, принявший ее.
Отчет по лабораторной работе студент должен по возможности закончить в лаборатории в отведенные учебным планом часы, что является показателем его организованности и дисциплинированности. При этом обеспечивается надлежащий контроль за самостоятельностью выполнения работы студентом и возможность внесения необходимых исправлений по ходу работы.
Лабораторная работа № 1
«Определение режима течения жидкости»
Теоретические основы.
При расчетах технологических процессов, связанных с движением газов и жидкостей, необходимо учитывать характер движения потока.
На примере жидкости, пропускаемой по трубопроводу, можно установить существование двух режимов течения – ламинарного и турбулентного. Обычно при малых скоростях (и малых диаметрах трубопровода) элементарные струйки жидкости движутся параллельно, как бы скользя друг по другу, не перемешиваясь. Такое течение называют ламинарным или слоистым (вязким).
При больших скоростях наблюдается поперечное перемешивание струек жидкости за счет образования вихрей. Это – турбулентный вид течения.
Для установившегося потока при ламинарном течении скорость постоянна в каждой точке жидкости, а при турбулентном течении – колеблется около некоторого среднего значения (за счет пульсации, т.е. изменения своего значения и направления во времени). Распределение скоростей по поперечному сечению трубопровода при ламинарном течении происходит по параболе, причем средняя скорость потока составляет 0,5 от максимальной (по оси потока). При турбулентном течении изменение скоростей в этих же условиях идет по более пологой кривой, и средняя скорость составляет 0,8–0,9 от максимальной.
Характер движения жидкости (газа) зависит, как показали опыты, не только от средней скорости потока (, м/с), но и от геометрических размеров потока (эквивалентного диаметра трубопровода, dэ, м), вязкости (, Пас; , м2/с) и плотности (, кг/м3) жидкости (газа). Влияние перечисленных физических параметров потока на характер движения определяется значением критерия (числа) Рейнольдса
. (1.1)
Критерий 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 характерно для потоков, в которых силы внутреннего трения преобладают над силами инерции.
Установлено, что для ламинарного режима численное значение критерия Рейнольдса всегда меньше, а для турбулентного режима – всегда больше некоторого определенного критического значения. Например, для прямых труб критическое значение критерия Рейнольдса Reкр = 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 критерия Рейнольдса для переходной области находятся в пределах 2300 10000. При Re >10000 режим потока становится развитым (устойчивым) турбулентным.
Для змеевиков значение ReКР повышается в зависимости от отношения диаметра d трубы к диаметру D змеевика (d/D) и может достигать 70008000.
При движении газов с очень большой скоростью может возникнуть инерционный режим (при Re>300000). Для такого режима характерно постоянство коэффициента трения.
Цель работы – изучение изменений, происходящих в потоке при различных режимах течения.
Описание установки.
Схема лабораторной установки представлена на рис.1.1. Вода из расходной емкости 1 поступает в стеклянную трубку 2 и через регулировочный вентиль 3 сливается либо в канализацию, либо в мерную емкость 4.
Из сосуда 5 с краской по тонкой трубке 6 через вентиль 7 подкрашенная струйка воды поступает в трубу 2. Температуру воды для нахождения ее вязкости и плотности определяют по термометру 8.
Для успешного проведения опытов важными условиями являются стабилизация потока в стеклянной трубе 2 и согласование истечения краски со скоростью самого потока. В этих целях приняты следующие меры.
Стабильность потока в стеклянной трубе 2 обеспечивается постоянным напором Н в емкости 1. Емкость 1 представляет собой закрытый резервуар, из которого жидкость вытекает по трубе 2. Трубка 9 вверху открыта в атмосферу. При движении жидкости по трубе 2 из емкости I в ее верхней части образуется вакуум. При этом по трубке 9 засасывается атмосферный воздух. Вследствие этого в емкости на уровне Н над трубой 2 давление всегда будет равно атмосферному, независимо от количества жидкости в емкости, и истечение жидкости будет происходить под постоянным напором до тех пор, пока уровень ее не опустится ниже Н.
Рис. 1.1. Схема установки для определения режима течения жидкости:
1 – расходная емкость; 2 – труба; 3, 7, 11 – вентили; 4 – мерная емкость; 5 – сосуд с краской; 6 – тонкая трубка; 8 – термометр; 9 – трубка; 10 – метка необходимого уровня жидкости.
Для согласования скорости истечения краски со скоростью воды в стеклянной трубе 2 сосуд 5 с краской перемещается по вертикали и закрепляется на нужной высоте для создания необходимого напора при истечении краски. Расход краски регулируется зажимом 7.
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.
После наглядного изучения поведения подкрашенной струйки приступают к измерению величин, необходимых для определения числа Рейнольдса, начиная с ламинарного режима и кончая турбулентным.
Перед началом работы проверяют наличие воды в емкости 1. Если уровень воды в емкости ниже метки 10, то открывают вентиль 11 и заполняют емкость до метки. При достижении необходимого уровня закрывают вентиль 11. Затем понемногу открывают вентиль 3, устанавливая минимальный расход воды.
В первой части работы для пуска подкрашенной струйки постепенно открывают зажим 7. Регулируя степень открытия вентиля 3 и зажима 7, добиваются четкого очертания подкрашенной струйки. Наличие резко выделяющейся, четкого очертания подкрашенной струйки указывает на наступление ламинарного режима.
Увеличивая затем степень открытия вентиля 3, повышают тем самым скорость воды в стеклянной трубе 2, вследствие чего ламинарный режим начинает нарушаться и переходит в турбулентный.
При этом надо регулировать открытие зажима 7, а также в случае необходимости - вентиля 11, не позволяя уровню воды в емкости 1 опускаться ниже уровня Н.
Во второй части работы проводят замеры, необходимые для определения числа Рейнольдса при разных режимах течения. Настраивают установку на ламинарный режим (как указано выше) и приступают к определению расхода воды, фиксируя время заполнения мерной емкости. Увеличив степень открытия вентиля 3 и отрегулировав, если нужно, открытие вентиля 11 и зажима 7, приступают к новому измерению расхода воды. Таких замеров проводят несколько (5–6), заканчивая их при развитом турбулентном движении. При этом записывают также показания термометра.
После проведения всех измерений приступают к обработке полученных результатов.
Обработка опытных данных и составление отчета.
Определяют среднюю скорость движения воды в стеклянной трубе
, (1.2)
где V – расход воды, м3/с; d – внутренний диаметр стеклянной трубы, м (d = 0,001 м).
Рассчитывают число Рейнольдса по уравнению (1.1).
Результаты наблюдений, опытные и расчетные данные заносят в отчетную табл. 1.1.
Таблица 1.1
Отчетная таблица
|
№ опыта |
Расход V,м/с |
Температура, 0С |
Вязкость 103, Пас |
Плотность , кг/м3 |
Скорость , м/с |
Критерий Re |
Режим движения |
Отчет должен также содержать задание и схему установки со спецификацией.
Плотность и вязкость воды при температуре опыта принимаются по справочным данным табл. 1.2 и 1.3.
Таблица 1.2
Плотность воды
|
Температура, 0С |
Плотность , кг/м3 |
Температура, 0С |
Плотность , кг/м3 |
|
0 |
999,6 |
30 |
995,7 |
|
10 |
999,7 |
40 |
992,2 |
|
20 |
998,2 |
50 |
988,1 |
Таблица 1.3
Динамическая вязкость воды
|
Температура, 0С |
Вязкость 103, Пас |
Температура, 0С |
Вязкость 103, Пас |
Температура, 0С |
Вязкость 103, Пас |
|
5 |
1,519 |
14 |
1,171 |
23 |
0,936 |
|
6 |
1,473 |
15 |
1,140 |
24 |
0,914 |
|
7 |
1,428 |
16 |
1,111 |
25 |
0,894 |
|
8 |
1,386 |
17 |
1,083 |
26 |
0,874 |
|
9 |
1,346 |
18 |
1,056 |
27 |
0,855 |
|
10 |
1,308 |
19 |
1,030 |
28 |
0,836 |
|
11 |
1,271 |
20 |
1,005 |
29 |
0,818 |
|
12 |
1,236 |
21 |
0,981 |
30 |
0,801 |
|
13 |
1,203 |
22 |
0,958 |
31 |
0,784 |
Контрольные вопросы.
1. Назовите основные режимы течения потоков.
2. Как определить среднюю скорость потока, движущегося ламинарно?
3. Какие величины характеризуют режим течения потока?
4. Каково соотношение между средней и максимальной скоростями потока при турбулентном течении?
5. Что такое критерий Рейнольдса? Каков его физический смысл?
6. Назовите критическое значение числа Рейнольдса для прямых труб, для змеевиков.
7. При каком значении числа Рейнольдса наблюдают развитый турбулентный режим потока?
8. Какая скорость потока входит в критерий Рейнольдса?
9. В каком интервале чисел Рейнольдса наблюдают переходную область режима течения?
Теоретические основы.
В расчетах процессов, связанных с движением жидкостей и газов, важное значение имеет характер движения рассматриваемого потока. При достаточно медленном движении жидкости в прямолинейном направлении пути отдельных частиц ее представляют собой параллельные прямые, образующие при поворотах правильную систему кривых. Такое движение, когда частицы жидкости движутся прямолинейно и параллельно друг другу, называется струйчатым или ламинарным.
Наоборот, при больших скоростях отдельные частицы жидкости, даже в случае прямолинейного движения, будут двигаться беспорядочно, по замкнутым кривым в различных направлениях, причем эти пути будут постоянно изменяться. Такое движение называется вихревым или турбулентным.
Характер движения жидкости зависит от средней скорости движения жидкости (м/с); диаметра трубопровода d (м); плотности жидкости (кг/м3) и ее динамической вязкости , (Пас).
Определяется характер движения жидкости по величине критерия Рейнольдса (Rе), связывающего эти величины
. (2.1)
Установлено, что для ламинарного режима численное значение Рейнольдса меньше определенного "критического" числа, а для турбулентного режима – больше. Для прямых труб критическое значение Рейнольдса Reкр=2320.
Турбулентное движение становится вполне устойчивым только при
Reкр > 10000. При 2320 < Reкр < 10000 движение неустойчиво и оба вида движения могут проявляться одновременно и легко переходить один в другой.
Одним из важнейших пунктов при расчете трубопроводов является определение потерь энергии напора при движении жидкости. Потеря напора в трубопроводе обусловлена наличием сопротивлений, которые должна преодолеть на своем пути протекающая жидкость.
Эти сопротивления бывают двух видов:
1. Сопротивление трения жидкости - потерянный напор Нтр;
2. Местные сопротивления, возникающие при изменении направления движения жидкости или геометрической формы трубопровода - потерянный напор Нм.с.
,м , м; (2.2)
, Н/м2 , Н/м2 (2.3)
где: – коэффициент гидравлического трения, определяемый в зависимости от характера движения среды (ламинарный, переходный, турбулентный); l – длина пути, м; d – диаметр трубопровода, м; – скорость движения потока в соответствующем сечении трубопровода, м/с; – плотность движущегося потока, кг/м3; – коэффициент местного сопротивления.
Схема установки представлена на рис.2.1.
Вода из бака I подается в трубопровод 2 центробежным насосом 3 и через ротаметр 6 - на участки исследования.
На установке имеется три участка исследования:
I – падение напора по длине трубопровода d = 22 мм; l = 880 мм;
II – падение напора на поворотах в 90°;
III – падение напора в вентиле 11.
Падение напора на рассматриваемых участках регистрируется манометрами 10, 12, 13, 15. Изменение скорости движения воды в трубопроводе достигается регулировкой вентиля 7.
Методика проведения работы.
Перед началом работы проверить наличие воды в баке I. При закрытом вентиле 7 включить насос. После того, как показания манометра 5 не будут изменяться, вентилем 7 установить постоянный расход жидкости по показаниям ротаметра (задание выдается преподавателем).
Рис. 2.1. Схема лабораторной установки:
1 – бак для воды; 2, 8, 9 – трубопровод; 3 – центробежный насос; 4 – электродвигатель; 5, 10, 12, 13, 15 – манометры; 6 – ротаметр; 7, 11 – вентили
Для каждого режима движения жидкости снимаются показания манометров 10, 12, 13, 15. Данные измерений заносятся в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Опытные данные
|
№ опыта |
Расход жидкости |
Показания манометра |
||||
|
показания ротаметра |
по графику |
10 |
12 |
13 |
15 |
|
|
1 |
||||||
|
2 |
||||||
|
3 |
1. По уравнению расхода рассчитываем среднюю скорость потока
, (2.4)
где: V – объемный расход жидкости, м3/с; – средняя скорость движения потока, м/с; S – площадь поперечного сечения трубопровода, м.
Для трубы круглого сечения
, (2.5)
откуда (2.6)
2. Коэффициент гидравлического трения рассчитываем по уравнению Дарси–Вейсбаха
. (2.7)
3. Коэффициент местных сопротивлений рассчитываем по формуле
. (2.8)
Расчетные данные заносятся в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Расчетные данные
|
Наименование величин |
№ опыта |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
Кoнтpoльныe вопросы.
1. Какие процессы называют гидромеханическими?
2. На чем базируются гидростатика и гидродинамика?
3. Что такое идеальная жидкость?
4. В чем отличие капельных и упругих жидкостей?
5. Что такое плотность, удельный объем? Как они взаимосвязаны?
6. Что такое гидростатическое давление?
7. Приборы для измерения давления? Что они показывают?
8. Что называют вязкостью жидкости?
9. Связь между динамической и кинематической вязкостью.
10. Что такое расход жидкости?
11. Уравнение расхода жидкости.
12. Связь массового и объемного расхода жидкости.
13. Что такое гидравлический радиус и эквивалентный диаметр?
14. Какое течение называют ламинарным?
15. По какому закону изменяется скорость потока в поперечном сечении трубопровода при ламинарном течении?
16. Как определить среднюю скорость потока, движущегося ламинарно?
17. Какое течение называется турбулентным?
18. Какое соотношение между средней и максимальной скоростями потока при турбулентном течении?
19. Какие величины определяют режим течения жидкости в трубопроводе?
20. Что такое критерий Рейнольдса? Его физический смысл.
21. Критическое значение числа Рейнольдса для прямых труб.
22. На преодоление каких потерь затрачивается энергия при движении жидкостей по трубопроводам?
23. От чего зависят сопротивления трения?
24. На каких участках трубопровода возникают местные сопротивления? Примеры.
25. Как экспериментально определить коэффициент сопротивления трения?
26. Как экспериментально определить коэффициент местного сопротивления?
27. Уравнение для определения потерянного напора на трение.
28. Уравнение для определения потерь напора на местные сопротивления.
Лабораторная работа № 3
«Изучение гидродинамики аппарата с колпачковыми тарелками2
Теоретические основы.
В ректификационных и абсорбционных аппаратах осуществляется контакт между фазовыми потоками – жидкостью и паром или газом, при котором происходит переход компонентов из одной фазы в другую. Массообмен между фазами осуществляется через границу раздела, т.е. межфазовую поверхность, которая представляет собой суммарную поверхность пузырьков газа или пара, распределенных в жидкой фазе, а также капель и пленок жидкости, диспергированных в потоке пара или газа. Эффективность массопередачи находится в прямой зависимости от степени развития межфазовой поверхности.
Наиболее распространенным типом массообменного аппарата является тарельчатая колонна, в которой контакт между жидкой и паровой фазами осуществляется на контактном устройстве, называемом тарелкой. Конструкции тарелок отличаются большим разнообразием, которое объясняется стремлением создать более производительные и экономичные конструкции, а также обеспечить оптимальные условия работы колонн для специфических требований различных технологических процессов.
Все применяемые типы тарелок условно могут быть разделены на две группы: с переливными устройствами и тарелки провального типа. В тарелках с переливами жидкость перетекает с тарелки на тарелку по специальным переливным устройствам, и при общем противоточном движении жидкости и пара в целом по колонне на каждой тарелке пар и жидкость контактируют в перекрестном токе. К тарелкам с переливными устройствами относятся колпачковые, желобчатые, тарелки из S - образных элементов, ситчатые, клапанные, струйные и другие.
На тарелках провального типа жидкость перетекает с тарелки на тарелку через те же отверстия, через которые проходит пар и газ. Таким образом, контакт паровой и жидкой фаз в целом по колонне и на каждой ступени осуществляется в противотоке.
Колпачковые тарелки относятся к контактным устройствам, работающим при постоянном сечении для прохода паров. Контактное устройство–колпачок состоит из трех частей: патрубка в тарелке, по которому поступает пар; колпачка с прорезями, через которые пар барботирует в жидкую фазу, и устройства, которое закрепляет колпачок на тарелке. Сечение и форма прорезей колпачка имеют второстепенное значение, но желательно устройство узких прорезей, так как при этом газ разбивается на мелкие струйки, что способствует увеличению поверхности контакта фаз. Для создания большой поверхности контакта фаз на тарелках обычно устанавливается значительное число колпачков.
Эффективность тарелок любой конструкции в значительной степени зависит от гидродинамических режимов их работы. В зависимости от скорости газа и плотности орошения для тарелок с переливными устройствами различают три основных гидродинамических режима работы:
1. Пузырьковый - наблюдается при небольших скоростях газа, когда газ движется через слой жидкости в виде отдельных пузырьков.
2. Пенный - с увеличением расхода газа пузырьки сливаются в сплошную струю, которая на определенном расстоянии от места истечения разрушается вследствие сопротивления барботажного слоя с образованием большого количества пузырьков. При этом на тарелке возникает газожидкостная дисперсная система – пена. При пенном режиме поверхность контакта фаз на тарелках максимальна.
3. Струйный (инжекционный) - при дальнейшем увеличении скорости газа длина газовых струй увеличивается, и они выходят на поверхность барботажа, слой не разрушается. При своем движении газовые струи отрывают прилегающие слои жидкости от основной массы и образуют большое количество крупных брызг.
Схема установки изображена на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Схема установки для изучения гидродинамики аппарата с колпачковыми тарелками: 1 – ректификационная колонна; 2 – куб; 3 – поршневой насос; 4 – ротаметр; 5 – вентиль; 6 – дифференциальный манометр; 7 - штуцер
Установка состоит из ректификационной колонны 1 с 18 колпачковыми тарелками и куба 2. Колонна и куб выполнены из стекла для визуального наблюдения за ходом процесса. В середину колонны на тарелку 9 подается орошение поршневым насосом 3. Через вентиль 5 и ротаметр 4 воздух подается в куб колонны 2, проходит через колпачковые тарелки колонны 1 и выбрасывается через штуцер 7 в атмосферу. Вода движется навстречу газовому потоку, контактирует с ним на тарелках и по сливным патрубкам попадает в куб 2. Потеря напора газа при прохождении его через колонну измеряется дифференциальным манометром 6.
D = Ø18,5×0,6 мм; d = Ø13×0,5 мм; сл = 0,011 м; l1 = 0,011 м; l2 = 0,011 м
Проводим одну серию опытов в режиме нормальной работы аппарата при пенном режиме. Снимаем величины гидравлического сопротивления Р при нескольких (6–7) значениях расхода газа и при постоянной величине расхода жидкости. Сопротивление сухих тарелок PСУХ измеряем при тех же расходах газа, но в отсутствии орошения аппарата жидкостью. Сопротивление слоя жидкости определяем из зависимости
(3.1)
Для каждой тарелки считаем
, (3.2)
где – сопротивление слоя жидкости на тарелке; - число тарелок с орошением, =9.
, (3.3)
где – гидравлическое сопротивление сухой тарелки; N – число тарелок в колонне, N =18.
,
где - сопротивление орошаемой тарелки.
Гидравлический затвор определяется с помощью линейки визуально для двух крайних расходов газа.
По результатам исследования составляется табл. 3.1 и строятся графики зависимости сопротивления сухой и орошаемой тарелки от скорости газа.
Скорость газа в наиболее узком сечении колпачка рассчитывается из уравнения
, (3.4)
где V – расход воздуха, м3/с, S – площадь наиболее узкого сечения, м2.
Расход жидкости на единицу длины сливной перегородки определяется из выражения
, (3.5)
где Q – расход жидкости, м3/с; L – длина сливной перегородки, м (в нашем случае – это 0,4 длины окружности переточного устройства, рис.3.2); dп = 0,005м – диаметр переточного устройства.
|
№ |
Расход жидкости Q, м3/с |
Расход жидкости на единицу длины перегородки V,М3/см |
Расход воздуха V, м3/с |
Скорость воздуха 0, м/с |
Перепад давления, мм. вод. ст. |
Гидрозатвор, мм. вод. ст. |
||
|
РТ |
||||||||
При тех же значениях расхода газа и жидкости рассчитывают гидравлическое сопротивление орошаемой тарелки, которое рассматривается как сумма сопротивлений сухой тарелки и слоя жидкости на тарелке
(3.6)
Первая составляющая в уравнении (3.6) представляет потерю скоростного напора газа (пара) вследствие преодоления ряда местных сопротивлений на "сухой" неорошаемой тарелке и определяется из уравнения
, (3.7)
где – коэффициент сопротивления тарелки (для колпачковых тарелок =4,55); 0 – скорость газа (пара) в наиболее узком сечении, м/с; n – плотность воздуха при температуре опыта, кг/м3 (см. табл.3.3).
Вторая составляющая в уравнении (3.6) для колпачковых тарелок определяется высотой слоя жидкости на тарелке
, (3.8)
где Ж – плотность жидкости при температуре опыта, кг/м3; h – высота слоя барботажа, м
, (3.9)
где l1 – расстояние от края сливной перегородки до верхней прорези колпачка, м (l1=0,007 м); l2 - высота открытия прорези, м (l2 =0,004м); – градиент уровня жидкости на тарелке (в нашем случае не учитывается); h – высота слоя жидкости над водосливом, м
, (3.10)
где k1 – коэффициент, зависящий от формы сливной планки k1=2,8 3,2; k2 – коэффициент, учитывающий сжатие потока, k2 =1,01 1,02; V – расход жидкости на единицу длины сливной перегородки, м3/(с×м).
Рассчитав сопротивление тарелки РТр, определяем величину гид-розатвора, т.е. высоту слоя жидкости в сливном устройстве Нр
, (3.11)
где lСЛ – высота сливной перегородки, м (lСЛ = 0,011м); – градиент уровня жидкости на тарелке, м; h – высота слоя жидкости над сливной перегородкой, м; РТр – рассчитанное гидравлическое сопротивление орошаемой тарелки, Па.
Таблица 3.2
|
№ |
Расход жидкости на единицу длины перегородки V,М3/см |
Расход воздуха V, м3/с |
Скорость воздуха 0, м/с |
Перепад давления, Па |
Гидрозатвор Нр, мм. вод. ст. |
||
|
РТр |
|||||||
Для одинаковых величин расхода газа сравнить опытные и расчетные значения гидравлических сопротивлений сухой и орошаемой тарелки и величины гидрозатвора, оценив абсолютную величину расхождений Δ
, , .
Контрольные вопросы.
1. Классификация тарелок.
2. Типы барботажных тарелок. Принцип работы.
3. Типы тарелок с переливными устройствами. Принцип работы.
4. Типы тарелок без переливов. Принцип работы.
5. Определение диаметра колонны.
6. Гидравлическое сопротивление тарелки.
7. Роль гидравлического затвора в работе колонны и его расчет.
8. Сепарационное пространство. Чем определяется его высота?
9. Межтарельчатое расстояние. Чем оно определяется?
Лабораторная работа №4
«Снятие характеристик центробежного насоса»
Теоретические основы.
Центробежные насосы предназначены для перекачивания жидкостей. Внутри корпуса центробежного насоса находятся одно или несколько рабочих колес. Соответственно центробежные насосы делятся на одно– и многоступенчатые. Рабочее колесо состоит из двух дисков, соединенных изогнутыми лопастями. Жидкость, находящаяся между ними, приводится во вращение вместе с рабочим колесом. При этом каждая частица жидкости перемещается по сложной траектории.
Во – первых, центробежная сила, отбрасывая жидкость, заставляет её двигаться радиально, вдоль лопаток от оси колеса к периферии.
Во – вторых, увлекаемая лопатками вращающегося колеса жидкость, помимо радиальной скорости, приобретает еще окружную скорость, одинаковую со скоростью колес. Так как окружная скорость на периферии колеса больше, чем у входа на лопатки, то абсолютная (равнодействующая) скорость жидкости на выходе из колеса становится больше, чем на входе. Таким образом, жидкость, проходящая через колесо центробежного насоса, приобретает добавочное количество энергии.
Жидкость, стремительно выбрасываемая с периферии рабочего колеса, поступает в спиральный канал. Канал (в виде улитки) кольцом охватывает рабочее колесо. Увеличивающееся к выходному патрубку поперечное сечение канала приводит к плавному снижению большой скорости полученной жидкости в рабочем колесе до нормальной скорости в трубопроводе.
При этом часть кинетической энергии жидкости переходит в потенциальную, что сопровождается увеличением давления (напора).
Для повышения напора в многоступенчатых центробежных насосах жидкость, выходящая из первого рабочего колеса, поступает с помощью направляющего аппарата во второе рабочее колесо, затем в третье и т.д.
Общий напор, создаваемый насосом, в этом случае будет равен сумме напоров, приобретенных в каждом колесе.
Работа центробежного насоса при постоянном числе оборотов характеризуется следующими величинами:
1. Производительностью Q, м3/сек;
2. Создаваемым напором Н, м;
3. Коэффициентом полезного действия , %;
4. Потребляемой мощностью N, Вт.
У центробежных насосов величины Q, Н, N, связаны между собой, и изменение одной из них вызывает изменение остальных.
Величины, характеризующие работу центробежных насосов при постоянном числе оборотов, обычно представляют в виде графических зависимостей: напора Н, мощности N, к.п.д. от производительности Q. Такие зависимости Н – Q, N – Q, – Q называют характеристиками насоса и устанавливают опытным путем. При изменении числа оборотов центробежного насоса его подача, напор и потребляемая мощность также изменяются в следующих соотношениях:
; ; (4.1)
Рис. 4.1. Характеристики центробежного насоса
Описание установки.
Схема установки представлена на рис. 4.2.
Вода из бака 1 через всасывающий патрубок с обратным клапаном 2 центробежным насосом 3 подается через ротаметр 6 в систему трубопроводов и возвращается в бак 1. Центробежный насос 3 установлен на одном валу с электродвигателем 4. Давление, развиваемое насосом, фиксируется манометром 5. Расход воды регулируется вентилем 9 и замеряется ротаметром 6. Величины напряжения и тока отмечаются по показаниям вольтметра 7 и амперметра 8.
Рис. 4.2. Схема установки:
1 – бак для воды; 2 – всасывающий патрубок с обратным клапаном; 3 – центробежный насос; 4 – электродвигатель; 5 – манометр; 6 – ротаметр; 7 – вольтметр; 8 – амперметр; 9 - вентиль
Методика проведения работы.
Пуск насоса осуществляется при полностью закрытом вентиле 9. При нулевой производительности насоса фиксируют давление, величину тока и напряжение. Увеличивая производительность насоса (45 значений по заданию преподавателя), для каждого значения производительности (Q) замеряют давление (Р), величину тока (J) и напряжение (U). По полученным данным строят графические зависимости ; ; . Полный напор насоса Н, выраженный в метрах столба подаваемой жидкости (воды в нашем случае), определяют следующим образом:
, (4.2)
где Рм – показания манометра в метрах столба подаваемой жидкости (воды); h – высота всасывания, в нашем случае она зависит от уровня жидкости в баке 1 и составляет примерно 0,2 м.
Так как всасывающий и нагнетательный трубопроводы имеют одинаковые диаметры, то Н =ВС , и таким образом, Н = РМ +h.
Мощность, потребляемая насосной установкой, кВт
, (4.3)
где V – напряжение, В; J – сила тока, А.
Коэффициент полезного действия насосной установки определяют по формуле
, (4.4)
где Q – производительность насоса, м3/с; – плотность жидкости, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2; H – полный напор, создаваемый насосом, в метрах столба подаваемой жидкости.
Все величины, измеряемые в процессе испытания и полученные расчетом, заносятся в табл. 4.1.
Таблица 4.1
Таблица измерений
|
КПД , % |
Производительность Q, м3/с |
Давление |
Полный напор Н, м.вод.ст, |
Сила тока J,А |
Напряжение V, В |
Мощность N, кВт |
|
|
кг/см2 |
м.вод.ст |
||||||
|
1. |
|||||||
|
2. |
|||||||
|
3. |
|||||||
|
4. |
|||||||
|
5. |
Контрольные вопросы.
1. Насосы. Определение.
2. Классификация насосов.
3. За счет чего создается давление в центробежных насосах?
Лабораторная работа № 5
«Изучение работы циклона»
Теоретические основы.
Одним из наиболее простых и широко распространенных способов очистки газовых потоков от находящихся в них твердых частиц является центробежное разделение таких неоднородных систем. В качестве аппаратов–пылеуловителей, в которых можно осуществить этот способ, используют так называемые циклоны различных конструкций.
Процесс разделения неоднородных смесей «газ–твердые частицы» под действием центробежных сил обуславливается разностью плотностей газового потока и твердых частиц, находящихся во вращательном движении. Центробежные силы, возникающие при этом, обеспечивают большую эффективность процесса по сравнению с процессом разделения, проходящем в поле только сил тяжести. Соотношение этих сил называют фактором разделения
,
где G = mg – сила тяжести, Н; – центробежная сила, отбрасывающая твердую частицу из вращающегося газового потока к стенкам циклона, Н; m – масса твердой частицы, кг; – окружная скорость частицы (условно принимается равной скорости газового потока во входном патрубке циклона), м/с; R – радиус циклона, м.
Фактор разделения характеризует увеличение разделяющей способности в условиях действия центробежной силы
. (5.1)
Из выражения (7.1) видно, что эффективность разделения возрастает с увеличением скорости газового потока и уменьшением радиуса циклона. Однако значительное увеличение скорости газового потока связано с резким возрастанием гидравлического сопротивления циклона и усилением местных завихрений, срывающих уже осевшие на внутренней поверхности циклона твердые частицы, что приводит к ухудшению очистки газа.
Обычно наиболее эффективными являются скорости газа на входе в циклон в интервале 20–25 м/с. Работа циклона оценивается по совокупности его основных характеристик:
1) эффективности разделения (степени очистки или коэффициента полезного действия);
2) гидравлического сопротивления (достижение высокой степени очистки при малом гидравлическом сопротивлении).
Степень очистки (в %) можно рассчитать, зная начальную СН и конечную СК концентрации твердых частиц в газовом потоке, проходящем через циклон
%, (5.2)
где Сн – концентрация пыли на входе в циклон, кг/м3; Ск – концентрация пыли на выходе из циклона, кг/м3.
Степень очистки газового потока зависит от размера и плотности твердых частиц, от плотности и вязкости газового потока, от типа циклона и его геометрических размеров и, конечно, от скорости газового потока на входе в циклон. Оптимальное значение скорости газа на входе в аппарат, обеспечивающей высокую степень очистки, определяется в каждом отдельном случае с учетом свойств разделяемых неоднородных систем (например, фракционного состава твердой фазы, слипаемости твердых частиц, допускаемого уноса твердых частиц и др.), условий работы циклона и его гидравлического сопротивления.
Общее гидравлическое сопротивление можно представить как сумму потерь давления на преодоление сопротивления трения и местных сопротивлений, а именно: потери давления при входе в циклон, потери давления на преодоление сопротивления в корпусе циклона, потери давления при переходе газового потока из внешней зоны циклона большого диаметра во внутреннюю зону (в выхлопную трубу) с поворотом на 180°, а также потери давления на преодоление сопротивления трения в выхлопной трубе.
Выражая общее гидравлическое сопротивление через динамический напор во входном патрубке и заменяя сумму частных коэффициентов гидравлических сопротивлений через общий коэффициент гидравлического сопротивления циклона Ц , получим
РЦ =Ц, (5.3)
где – плотность газовой среды в paбочих условиях, кг/м3; BX– скорость газа во входном патрубке, м/с.
Скорость газа во входном патрубке определяется
, (5.4)
где FBX – площадь поперечного сечения входного патрубка, м2; V – расход газа, м3/с; Dпат – диаметр входного патрубка. Dпат=14 мм.
При расчете величины общего гидравлического сопротивления циклона чаще ее определяют как функцию условной скорости газа wЦ, отнесенной к площади свободного поперечного сечения цилиндрической части корпуса циклона
РЦ=. (5.5)
Условная скорость газа в циклоне, обеспечивающая степень очистки, лежит в пределах 3,0–3,5 м/с и рассчитывается по уравнению
. (5.6)
Как было отмечено выше, степень улавливания при всех прочих одинаковых условиях зависит от скорости газового потока, а следовательно, и от соотношения (см. формулу 5.3 и 5.5) .
Наилучшие условия очистки запыленного газа обеспечиваются, как показывают данные по эксплуатации циклонов, при значениях этого соотношения в интервале 500–750 м2/с2. Выше этих значений будет перерасход энергии при практически постоянной степени очистки , ниже этих значений степень очистки циклона будет заметно снижаться.
Описание лабораторной установки.
Лабораторная установка состоит из циклона, куда поступает запыленный газ, емкости для пыли, ротаметра для замера расхода воздуха и манометра для определения перепада давления в циклоне.
Количество воздуха, поступающего в циклон, регулируется при помощи вентиля. В опытах в качестве пыли используется мелкодисперсный алюмосиликатный катализатор крекинга. Схема приведена на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Схема циклона:
1 –входной патрубок; 2 – корпус циклона; 3 – патрубок для выхода пыли; 4 - патрубок для выхода очищенного газа
Порядок проведения работы.
Исследование работы циклона проводят в два этапа. На первом этапе определяют гидравлическое сопротивление циклона в зависимости от скорости газового потока. Исследование проводят на незапыленном воздухе. Включают воздуходувку и устанавливают необходимый расход воздуха по ротаметру в пределах, заданных преподавателем (5–6 замеров). Показания манометра снимаются при каждом установленном расходе воздуха. Результаты заносятся в таблицу.
Во второй части работы исследования проводят на запыленном воздухе. В емкость 2 загружают предварительно взвешенное количество пыли GH = 40–60 г. Устанавливают расход воздуха (по заданию преподавателя). После установления заданного расхода воздуха с помощью манометра определяют перепад давления в циклоне и затем открывают кран подачи пыли и одновременно включают секундомер. За время опыта 2–3 раза с помощью манометра замеряют перепад давления в циклоне. Опыт прекращают, когда полностью израсходуется пыль, загруженная в емкость. При
этом секундомер останавливают. По окончании опыта останавливают воздуходувку и определяют количество уловленной пыли GK. По разности GH–GK определяют количество пыли, унесенной из циклона уходящим воздухом. Опыт можно повторить 4–5 раз на тех же расходах воздуха, как и в первом этапе исследований.
По экспериментальным данным отчетной таблицы для каждого опыта:
1. Определяют расход воздуха (V, м3/с) по градуировочному графику расходомера.
2. Рассчитывают скорость газового потока во входном патрубке циклона ВХ и условную скорость газового потока в циклоне Ц по уравнениям (5.4) и (5.6).
3. Рассчитывают соответствующие коэффициенты гидравлических сопротивлений Ц и по уравнениям (5.3) и (5.5).
4. Рассчитывают величину (PЦ/).
5. Рассчитывают величину начальной СН и конечной СК концентрациями запыленного газа, кг/м3:
и ,
где V – суммарный расход воздуха за время опыта, м3,
,
где V0 – расход воздуха по графику, м3/час; – продолжительность опыта, час.
6. Рассчитывают степень очистки (по уравнению 5.2).
Таблица 5.1
Таблица опытных величин
|
Показания ротаметра, % |
Расход воздуха по графику, м3/с |
Показания манометра РЦ |
Количество материала |
Время проведения опыта ,с |
||
|
мм вод.ст. |
Па |
загружаемого GH, кг |
уловленного GК, кг |
|||
Таблица 5.2
Таблица расчетных величин
|
Скорость воздуха |
Коэффициент гидравлического сопротивления |
Степень очистки , % |
||
|
во входном патрубке BX, м/с |
условная в циклоне Ц, м/с |
|
Ц |
|
Кoнтpoльные вопросы.
1. Что такое газовая гетерогенная система?
2. Где и как происходит формирование газовых неоднородных систем?
3. Способы очистки газов.
4. Схема пылеосадительной камеры.
5. Для очистки каких газовых систем используют пылеосадительные камеры?
6. Принцип действия инерционных пылеуловителей.
7. Для эффективного улавливания пыли в инерционных аппаратах скорость газового потока должна лежать в каких пределах?
8. Принцип действия циклона.
9. Схема циклона.
10. Способы создания центробежной силы в циклоне.
11. Классическое уравнение (общее) центробежной силы. Направление центробежной силы.
12. Используя уравнение центробежной силы, сформулировать возможность разделения двух разнородных частиц.
13. Что такое фактор разделения?
14. Эффективность работы циклона зависит от скорости газового потока. Показать, каким образом.
15. Влияет ли диаметр циклона на эффективность его работы? Каким образом? Показать.
16. Почему ограничивают диаметр циклона?
17. Почему ограничивают скорость газового потока в циклоне?
18. Ведут ли расчеты циклонов? Почему?
I9. Как выбирают циклоны?
20. Что такое мультициклон?
21. Почему и в каком случае используют батарейные циклоны?
22. Принцип действия рукавного фильтра,
23. Достоинства и недостатки рукавных фильтров.
24. Материалы, используемые для изготовления фильтрующих перегородок.
25. Принцип действия скруббера.
26. Схема скруббера Вентури.
27. На чем основана электрическая пылеочистка газов?
30. Как определить К.П.Д. циклона?
31. Как определяется коэффициент гидравлического сопротивления циклона?
32. Как определяют концентрацию твердых частиц в газовом потоке на входе и выходе из циклона?
Лабораторная работа №6
Теоретические основы.
Процесс передачи тепла между двумя теплоносителями, имеющими различные температуры, осуществляется в аппаратах различных конструкций, называемых теплообменниками. Одной из таких конструкций является теплообменник «труба в трубе», представляющий собой систему двух коаксиальных труб разных диаметров. По внутренней трубе проходит один теплоноситель, по кольцевому зазору между трубами – второй. Поток тепла при этом направлен поперек цилиндрической поверхности внутренней трубы.
Количество передаваемого в теплообменнике тепла в случае установившегося процесса можно определить из уравнения теплопередачи
, (6.1)
где F – теплопередающая поверхность, м ; tCP – средний температурный напор,С; K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 град).
Средний температурный напор – это разность между температурами горячего и холодного теплоносителей, усредненная вдоль теплопередающей поверхности. Усреднение требуется в тех случаях, когда температура хотя бы одного теплоносителя изменяется при прохождении его через теплообменник. Независимо от взаимного направления движения теплоносителей tCP можно рассчитать по формуле
, (6.2)
где tб и tм – большая и меньшая разности температур между теплоносителями на концах теплообменника.
Если 0,5 2,0, то с достаточной точностью tCP можно рассчитать по формуле
, (6.3)
Коэффициент теплопередачи К по физическому смыслу является термической проводимостью того пути, по которому тепло передается от горячего теплоносителя к холодному. Вдоль этого пути обычно выделяются следующие термические сопротивления:
1. Сопротивление при переходе тепла от основной массы (потока) первого теплоносителя к поверхности трубы (1/1, где 1 – коэффициент теплоотдачи или термическая проводимость ламинарного пристенного слоя).
2. Термическое сопротивление слоя загрязнений на стенках трубы (накипь, ржавчина).
3. Термическое сопротивление собственной стенки трубы (ст /ст, где ст – толщина стенки, ст – коэффициент теплопроводности материала трубы).
4. Термическое сопротивление загрязнений на стенках трубы со стороны второго теплоносителя.
5. Термическое сопротивление ламинарного слоя при переходе тепла от наружной стенки трубы к основной массе второго теплоносителя (1/2).
Так как перечисленные сопротивления проходятся тепловым потоком последовательно, то общее термическое сопротивлении системы равно, сумме отдельных сопротивлений, а проводимость есть величина, обратная сопротивлению
. (6.4)
Определение коэффициентов теплоотдачи является одной из основных задач теории теплообмена. Коэффициенты теплоотдачи рассчитываются из критериальных соотношений, в которых сам вид обобщенных безразмерных переменных (критериев подобия) определяется теоретически на основе теории подобия, а явный вид зависимости между критериями находится экспериментально для каждого вида теплообмена.
Коэффициент теплоотдачи входит в определяемый критерий Нуссельта (Nu), характеризующий интенсивность перехода тепла на границе потока–стенки
. (6.5)
Определяемый критерий Nu, в свою очередь, является функцией следующих определяющих критериев:
,
где Pr – критерий Прандтля:
(6.6)
характеризует отношение вязкостных и температуропроводных свойств теплоносителя (физические свойства);
Re – критерий Рейнольдса:
(6.7)
характеризует соотношение сил инерции и молекулярного трения в потоке;
Gr – критерий Грасгофа
(6.8)
характеризует соотношение сил трения и подъемной силы, обусловленной различием плотностей в отдельных точках неизотермического потока;
где – плотность, кг/м3; сp – удельная теплоемкость (при постоянном давлении), Дж/кг К; , – динамический (Па×С) и кинематический (м2/с коэффициент вязкости; a, – коэффициенты температуропроводности (м2/с) и теплопроводности (Вт/м×К); l – определяющий геометрический размер, м (в работе – это диаметр внутренней трубы или эквивалентный диаметр кольцевого пространства); – средняя скорость потока, м/с; g – ускорение свободного падения, м/с2; – коэффициент объемного расширения, К-1; t – разность температур стенки и жидкости (или наоборот), К.
Вид критериального соотношения для расчета коэффициентов теплоотдачи определяется экспериментально для каждого конкретного случая. Так, при движении потоков в прямых трубах и каналах он зависит от режима течения жидкости (газа);
а) при развитом турбулентном течении (Re 10000)
, (6.9)
где l – поправочный коэффициент, учитывающий влияние на коэффициент теплопередачи отношения длины трубы L к ее диаметру d. Значения l приведены в табл. 4.5. (1, с. I54.) При L/d > 50, l 1;
б) в переходной области (2300 Rе 10000) точных зависимостей не имеется. Для практических расчетов рекомендуется приближенное уравнение
; (6.10)
в) при ламинарном режиме движении теплоносителя между двумя трубами, расположенными концентрически, критериальное уравнение для расчета теплообмена с поверхностью внутренней трубы имеет вид
, (6.11)
где l – коэффициент, учитывающий изменение среднего коэффициента теплоотдачи в зависимости от длины и диаметра трубы.
При ламинарном режиме для труб с соотношением L/d > 50 и l 1. Множитель (Pr/Prст) учитывает направление теплового потока и близок к единице, когда температуры жидкости и стенки не сильно отличаются.
При расчетах критериев за определяющую температуру принимается средняя температура потока, а за определяющий размер l – эквивалентный диаметр dэ.
Установка (рис.6.1) состоит из теплообменника 1, термостата для горячей воды 2, водопровода 3, контрольно–измерительных приборов (ротаметры 4, 5; термометры 6, 7, 8, 9). В качестве теплоносителя используется дистиллированная вода, подогретая до определенной температуры в термостате.
Теплообменник «труба в трубе» состоит из двух стеклянных труб: наружной трубы внутренним диаметром 18 мм и концентрически расположенной внутри неё трубы диаметром 10,50,75 мм. Рабочая длина трубы (7902) мм.
Горячую воду подают из термостата во внутреннюю трубу теплообменника с последующим возвращением в термостат. Холодную воду из водопровода подают в межтрубное пространство теплообменника, затем отводят в канализацию.
Расходы горячей и холодной воды замеряют ротаметрами. Температуру горячей и холодной воды до и после теплообменника измеряют ртутными термометрами.
Рис. 6.1. Схема лабораторной установки:
1 – теплообменник типа «труба в трубе»; 2 – термостат; 3 – вентиль; 4, 5 – ротаметры; 6, 7, 8, 9 - термометр
При пуске установки устанавливают небольшой расход холодной воды, затем налаживают циркуляцию горячей воды (с небольшим расходом) по схеме: термостат 2 – трубное пространство теплообменника 1 – ротаметр 5 – термостат 2. После прогрева теплообменника (5–10 мин.) устанавливают заданные расходы горячего и холодного теплоносителей. Работают на установившемся режиме. Через каждые 2–5 мин. записывают показания термометров 6, 7, 8, 9. Замеры заканчивают, когда начальная и конечная температуры холодной воды примут постоянные значения (5–7 значений), что обозначает установившийся температурный режим.
1. Величину коэффициента теплопередачи К вычисляют из уравнения (6.1). При этом средний температурный напор tСР определяют по формуле (6.2) по измеренным температурам холодного и горячего теплоносителей при установившемся режиме. Количество тепла, переданного от горячего теплоносителя к холодному, находят из уравнения
, (6.12)
где Q – количество тепла, воспринятого холодной водой, Вт; GB – расход холодной воды, кг/с; cB – теплоемкость воды, Дж/кг град. (Приложение 1, лабор. раб. №9); – конечная и начальная температуры холодной воды, С.
При этом теплоемкость холодной воды определяют при ее средней температуре.
2. Средние температуры теплоносителей определяют с учетом того, что температуры теплоносителей при прохождении вдоль разделяющей поверхности изменяются не линейно, а экспоненциально.
При условии, если < , средние температуры определяются следующим образом:
;
Если , то
; ,
где: индекс «г» относится к горячему теплоносителю, а индекс «х» – к холодному.
3. Коэффициенты теплоотдачи 1 и 2 определяются в зависимости от режима течения по формулам (6.5, 6.9, 6.10, 6.11).
Значения физических констант берутся при средних температурах соответствующих теплоносителей. Так как температура стенки заранее неизвестна, то в качестве первого приближения при вычислении коэффициентов '1 и '2 принимается Pr/PrСТ = 1. После этого во втором приближении определяется значение температуры стенки tСТ из следующих выражений:
а) для теплового потока от горячей воды к стенке
, (6.13)
где Q – количество тепла, отданного горячей водой (или воспринятого холодной водой), Вт; F – теплопередающая поверхность, м2; tст1 – температура стенки со стороны горячей воды, С;
б) для теплового потока от стенки к холодной воде
, (6.14)
где tст2 – температура поверхности стенки со стороны холодной воды, С.
Затем вычисляют значения Prст1 и Prст2 при полученных температурах tст1 и tст2, рассчитывают более точные значения коэффициентов теплоотдачи 1 и 2 по формуле (6.5, 6.9, 6.10, 6.11).
4. Величину термического сопротивления загрязнений на стенках теплопередающей трубы rзагр. находят из выражения (6.4).
Отчетная таблица
|
№ |
Измеряемая величина |
Значения |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
||
|
1 |
Начальная температура холодной воды |
|||||
|
2 |
Конечная температура холодной воды |
|||||
|
3 |
Начальная температура горячей воды |
|||||
|
4 |
Конечная температура горячей воды |
1. Основное уравнение теплопередачи, его физический смысл.
2. Движущая сила процесса теплопередачи.
3. Влияние взаимного направления движения теплоносителей на движущую силу процесса теплопередачи.
4. Коэффициент теплопередачи, его физический смысл и единицы измерения.
5. Основные способы передачи тепла. Какие способы передачи тепла имеют место в теплообменнике "труба в трубе"?
6. Основное уравнение теплоотдачи, его физический смысл.
7. Основной закон передачи тепла теплопроводностью (закон Фурье).
8. Коэффициент теплоотдачи, его физический смысл, единицы измерения.
9. Коэффициент теплопроводности, его физический смысл, единицы измерения.
10. Теплопередача при постоянных температурах теплоносителей.
11. Теплопередача при переменных температурах теплоносителей.
12. Выбор взаимного направления движения теплоносителей.
13. Определение поверхности теплообмена.
14. Определений тепловой нагрузки теплообменных аппаратов.
15. Определение среднего температурного напора.
16. Определение коэффициентов теплоотдачи.
17. Определение тепловой проводимости стенки, загрязнений.
18. Определение коэффициента теплопередачи.
19. Определение температуры поверхности разделяющей стенки.
20. Нагревающие и охлаждающие агенты.
21. Конструкции теплообменных аппаратов.
22. Основные критерии подобия: Nu, Pr, Gr, Re, их вид и физический смысл.
23. Конструкции теплообменных аппаратов.
Лабораторная работа №7
«Исследование непрерывного процесса
ректификации бинарной смеси»
Теоретические основы.
В химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности для разделения жидких смесей на технически чистые продукты широко применяют ректификацию. Этот процесс основан на различной летучести составляющих смесь компонентов, т.е. на различии в температурах кипения компонентов при одинаковом давлении. Процесс ректификации осуществляется в противоточных аппаратах, называемых ректификационными колоннами.
Сущность процесса ректификации, происходящего в ректификационных колоннах, заключается в обмене компонентами между паром, поднимающимся вверх по колонне, и жидкостью (флегмой), стекающей в колонне вниз навстречу пару. В тарельчатых ректификационных колоннах такой массообмен между паром и жидкостью осуществляется во время барботажа – прохождения пузырьков пара через слой жидкости на тарелке.
На колпачковых тарелках барботаж происходит по периметру колпачков, края которых имеют зубья или прорези для дробления потока пара на отдельные мелкие паровые струйки. При контакте в барботажном слое ректификационной тарелки жидкой и паровой фаз, состоящих из двух компонентов, неравновесных друг другу, возникает процесс тепло– и массообмена между фазами, при котором более низкокипящий компонент (НКК) из жидкости частично испаряется и переходит в паровую фазу, а менее летучий, высококипящий (ВКК), – в жидкость.
В результате такого обмена компонентами поток пара, поднимаясь по колонне, на каждой тарелке все более обогащается НКК, а поток жидкости, стекая вниз, постепенно обогащается ВКК. Пар, поступающий на ректификацию под нижнюю тарелку колонны (рис. 12.1), имеет небольшую концентрацию НКК. Этот пар идет из куба–испарителя, в котором он образуется при кипении бедной НКК жидкости, стекающей в куб–испаритель с нижней тарелки колонны. По мере того, как пар поднимается по колонне, концентрация НКК в нем увеличивается, с верхней тарелки пар уходит в расположенный над колонной конденсатор (дефлегматор) уже с высокой концентрацией НКК. В дефлегматоре этот пар полностью конденсируется. Образовавшаяся жидкость (флегма) с высокой концентрацией НКК поступает на верхнюю тарелку колонны. Стекая в колонне вниз с тарелки на тарелку, флегма теряет НКК и обогащается ВКК. На одну из тарелок в середине колонны непрерывно подают на разделение исходную смесь (питание) F, состоящую из двух компонентов. Часть богатой НКК жидкости из сборника под дефлегматором отбирают в качестве верхнего продукта D – дистиллята. В качестве нижнего продукта – кубового остатка W из куба–испарителя отбирают часть жидкости, бедной НКК. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляют непрерывный процесс разделения подаваемой в колонну исходной бинарной смеси на дистиллят D с высоким содержанием НКК и кубовый остаток W с малой концентрацией НКК. Концентрация получаемых продуктов разделения зависит от числа тарелок в колонне и от режима ее работы. Для того, чтобы в кубе–испарителе происходило непрерывное кипение жидкости, куб нагревают, а для концентрации пара, поступающего в дефлегматор, последний охлаждают водой.
Считая, что разделяемая смесь (бинарная) при давлении близком к атмосферному образует идеальный раствор, подчиняющийся законам Рауля и Дальтона, определяют при заданном давлении составы жидкой (х) и паровой (у) фаз, находящихся в равновесии, по уравнениям
, (7.1)
, (7.2)
где – давление системы, мм.рт.ст.; Рсп – давление насыщенных паров спирта при температуре, мм.рт.ст.; Рв – давление насыщенных паров воды при температуре, мм.рт.ст..
Поскольку температура кипения данной бинарной смеси в процессе ее разделения при атмосферном давлении изменяется в интервале температур кипения чистых компонентов: воды (100С) и этилового спирта (78°С) - для построения изобарных температурных кривых равновесия составы жидкой (х) и паровой (у) фаз находят при температурах t, лежащих в указанном интервале (78–100С). Данные расчетов заносят в табл.7.1.
Таблица 7.1
|
t, оС |
Рсп, мм.рт.ст |
Рв, мм.рт.ст |
π, мм.рт.ст |
х’* |
у’*=К· х’* |
|
|
78 |
||||||
|
82 |
||||||
|
86 |
||||||
|
90 |
||||||
|
94 |
||||||
|
98 |
||||||
|
100 |
По данным табл.7.2 строят графики t – x/, y/; y/ – x/ (рис.7.2 и 7.3). По графику t – x/, y/ уточняют температуры верха и низа ректификационной колонны, температуру питания и его агрегатное состояние.
Исходная водно–спиртовая смесь из бака питания 1 при помощи насоса 2 поступает через подогреватель 3 в ректификационную колонну 5. Температура вводимого в колонну сырья регулируется ЛАТРом и замеряется с помощью термометра 4, установленного на линии питания. С нижней тарелки колонны жидкость стекает в куб–испаритель 6, снабженный электрообогревателем. Температуру в кубе замеряют термометром 7. Отвод кубового остатка W из куба осуществляется через гидравлический затвор, одновременно являющийся холодильником 8, в емкость 9. Пар, богатый НКК, поступает с верхней тарелки колонны в конденсатор (дефлегматор) 10, который охлаждается циркулирующей водой. Подачу воды регулируют вентилем, который открывают на 1/3. Конденсат из дефлегматора 10 поступает во флегмоделитель 11. Часть этого конденсата насосом 12 подается в качестве орошения в колонну на верхнюю тарелку. Для замера температуры возвращаемой в колонну флегмы установлен термометр 14. Остальная часть конденсата из флегмоделителя 11 самотеком поступает в мерный сосуд 13 в качестве дистиллята, температура которого равна температуре возвращаемой в колонну флегмы. Температура паров, уходящих с верха колонны, замеряется термометром 15.
После ознакомления со схемой и установкой в натуре приступают к работе, предварительно распределив рабочие места. С разрешения преподавателя приступают к пуску установки. Прежде всего пускают воду в конденсатор и холодильник кубового остатка. Проверяют, есть ли жидкость в кубе. Если отсутствует – необходимо куб заполнить на 2/3. Затем включают подогреватель куба и с помощью ЛАТРа постепенно увеличивают напряжение. После этого проверяют, наполнен ли бак питания исходной смесью и, если необходимо, добавляют в него смеси. Когда жидкость в кубе закипит и начнется барботаж на верхней тарелке, подают питание в колонну, предварительно подогревая его до температуры, близкой к температуре кипения. Объемный расход питания F, который необходимо все время держать постоянным, задает преподаватель. Концентрация спирта в питании составляет 20%. После того как во флегмоделителе накопится достаточное количество дистиллята, часть его начинают подавать в виде орошения на верхние тарелки колонны. Количество подаваемой флегмы регулируется насосом 12 по температуре верха колонны. Избыток дистиллята из флегмоделителя самотеком поступает в мерный сосуд в качестве верхнего продукта. Отбор нижнего продукта (остатка) W осуществляют в конце работы для проведения анализа на содержание НКК. Когда
Рис. 7.1. Схема лабораторной установки:
1 – бак питания; 2, 12 – поршневые насосы; 3 – подогреватель; 4, 7, 14, 15 – термометры; 5 – ректификационная колонна; 6 – куб-испаритель; 8 – холодильник; 9 – емкость; 10 – конденсатор (дефлегматор); 11 – флегмоделитель; 13 – мерная емкость
начат отбор дистиллята, пусковой период установки считается законченным. Режим считают установившимся (стационарным) при достижении заданной преподавателем температуры верха колонны в пределах 8084°С. Стационарный режим достигается регулировкой количества орошения и питания и характеризуется постоянством температур по высоте колонны.
Для введения колонны в стационарный режим через каждые 56 минут снимают и записывают в табл.7.3 параметры работы колонны (56 замеров).
Объемное количество дистиллята замеряют мерным цилиндром. Концентрацию спирта в питании, дистилляте и остатке определяют по табл.7.4. в зависимости от их плотностей, замеренный ареометрами. После окончания работы прекращают подачу напряжения на все обогревательные элементы колонны, отключают насосы питания. Воду на дефлегматор закрывают после того, как остынет колонна.
Массовые концентрации питания, дистиллята и остатка пересчитывают в мольные
, (7.5)
Таблица 7.3
Результаты измерений
|
№ |
Измеряемая величина |
Замеры |
Среднее расчетное значение |
|||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|||
|
1 |
Температура в кубе, оС |
|||||||
|
2 |
Температура ввода сырья, оС |
|||||||
|
3 |
Температура орошения, оС |
|||||||
|
4 |
Температура верха колонны, оС |
|||||||
|
5 |
Напряжение, подаваемое на подогрев куба, В |
|||||||
|
6 |
Содержание спирта, масс. доли: а) в питании б) в дистилляте в) в остатке |
|||||||
|
7 |
Объемные количества, мл/мин: а) питания б) дистиллята |
|||||||
|
8 |
Массовые расходы, кг/с: а) питания б) дистиллята в) орошения |
|||||||
|
9 |
Время отбора заданного количества дистиллята, с |
, (7.6)
, (7.7)
Средние молекулярные массы потоков МСМ рассчитывают, исходя из мольных составов
, (7.8)
, (7.9)
где Мi – молекулярные массы i – го компонента в смеси; , xi –молярная и массовая доля i – го компонента в смеси.
3. Тепловой баланс колонны.
На основании закона сохранения энергии
Qприхода=Qрасхода+Qпот. (7.10)
а) приход тепла
Qприхода=QF+QL+QB , (7.11)
где QF – тепло, вносимое в колонну с питанием, Вт;
QF=F·CF··tF , (7.12)
где QL – тепло, вносимое в колонну с орошением, Вт;
QL=L·CL·tL , (7.13)
где F, L – массовые расходы питания и орошения, кг/с; tF, tL – температуры питания и орошения, С; СF, CL – удельные массовые теплоемкости питания и орошения, Дж/кг·град.
CF=Cсп·z+Cв·(1-z) (7.14)
СL= Cсп·yD+Cв·(1-yD) , (7.15)
где CСП, СВ – удельные массовые теплоемкости спирта и воды при температурах потоков (С), Дж/(кг×град), определяют по табл. 7.3; z,yD – состав питания и орошения (массовые доли); QВ – тепло, подводимое к кубу колонны, Вт.
QB=U·I= (7.16)
где: I – сила тока, А; U – напряжение, В; R – сопротивление нагревателей, Ом, R=80 Ом.
б) расход тепла
Qрасхода=Q(D+L)+QW,
где Q(D+L)– тепло, отводимое в конденсаторе, Вт;
Q(D+L)=(D+L)·r+(D+L)·CD·(tK-tL),
QW– тепло, уносимое остатком, Вт;
где D, W, L – массовые расходы дистиллята, остатка и орошения, кг/с; СD, CW – удельные массовые теплоемкости дистиллята и остатка, определяемые по правилу аддитивности в зависимости от составов дистиллята (у) и остатка (х) и теплоемкостей спирта и воды при температуре дистиллята и остатка, Дж/(кг×град)
СD= Cсп·yD+Cв·(1-yD)
СW= Cсп·xW+Cв·(1-xW),
где r – теплота конденсации паров, уходящих с верха колонны в дефлегматор, Дж/кг;
r= rсп·yD+rв·(1-yD),
где rсп, rв – удельная теплота конденсации паров спирта и воды, (см. табл.7.3), Дж/кг; tД, tW, tL, tK – температуры дистиллята, остатка, орошения и конденсации паров дистиллята (tД = tL).
Таблица 7.3
Удельные теплоемкости и теплота парообразования
этилового спирта и воды
|
Температура, С |
Удельная теплоемкость, кДж/(кг×град) |
Удельная теплота парообразования, кДж/кг |
||
|
спирт |
вода |
спирт |
вода |
|
|
0 |
2,292 |
4,212 |
921,8 |
2493,1 |
|
20 |
2,485 |
4,183 |
913,4 |
2448,2 |
|
40 |
2,715 |
4,174 |
900,8 |
2403,0 |
|
60 |
2,966 |
4,179 |
879,9 |
2356,9 |
|
80 |
3,222 |
4,195 |
850,6 |
2310,0 |
|
100 |
3,515 |
4,220 |
812,9 |
2260,0 |
в) количество тепла, теряемое в окружающую среду
Qпот.= Qприхода- Qрасхода.
4. Из уравнения теплового баланса для верха колонны определяют количество флегмы (g), стекающей с верхней тарелки
, (7.17)
где L – массовый расход орошения, кг/с; - соответственно энтальпия паров дистиллята при температуре верха колонны, энталпия дистиллята при температуре конденсации (tK) и при температуре орошения (tL), Дж/кг.
,
,
,
где r – теплота концентрации паров верхнего продукта, Дж/кг.
5. Определяют минимальное флегмовое число RMIN
,
где – равновесные составы жидкой и паровой фаз питания определяют по графику t–x/, y/ при температуре питания (Rmin определяюм, если питание поступает при температуре кипения и выше).
6. Рабочее флегмовое число определяют как отношение мольного расхода флегмы в верхней части колонны (g') к мольному расходу дистиллята (D')
. (7.18)
7. Число ступеней изменения концентрации (теоретических тарелок) определяется графическим способом. Для этого используют кривую равновесия фаз в координатах х’* - y’*. На этот же график наносят кривые концентраций (рабочие линии) для верхней и нижней частей колонны:
а) рабочая линия верхней части колонны строится по уравнению линии концентрации (рабочей линии) для верха
, (7.19)
где – мольные концентрации верхних потоков пара жидкости в любом i–том сечении верхней части колонны.
Если мольные количества пара и жидкости по высоте секции не меняются, то уравнение (7.19) представит собой прямую линию, и для построения рабочей линии верхней части колонны достаточно двух точек. Решая уравнение (7.19) при , получим и при получим .
Следовательно, имеем две точки: А () и В ().
Нанеся эти точки на график х’* - y’* и соединив их, получим рабочую линию верхней части колонны АВ (рис.7.4);
б) рабочую линию нижней части колонны строим аналогично, используя уравнение рабочей линии (линия концентрации) для низа
, (7.20)
где П – паровое число, это есть отношение расхода паров нижней части колонны к расходу остатка
, (7.21)
где – мольное количество паров в нижней части колонны, определяется из уравнения материального баланса для нижней части колонны, моль/с.
, (7.22)
где: – мольное количество жидкой части питания, моль/с (если питание подается в колонну при температуре его кипения или более низкой, то ).
При постоянных мольных потоках пара и жидкости по высоте секции уравнение (7.20) представляет собой уравнение прямой линии, и для построения ее достаточно двух точек. Решая уравнение (7.20) при , получаем , а при соответственно .
Через две полученные точки С () и Д () проводим рабочую линию нижней части колонны (рис.7.4). Для облегчения графического расчета можно использовать условную линию q (МN), определяющую точки пересечения рабочих линий верхней и нижней частей колонны, положение этой условной линии зависит от величины q , характеризующей тепловое состояние исходного сырья (рис. 7.5).
Далее из точки А(), под углом, тангенс которого равен , проводят рабочую линию верхней части колонны до пересечения со вспомогательной линией q. Соединив точку пересечения с точкой С(), получают рабочую линию нижней части колонны.
Для определения числа теоретических тарелок как в первом, так и во втором случае проводят ступенчатую линию между кривой равновесия и рабочими линиями от точки А до точки С. Число ступеней соответствует числу теоретических тарелок.
При этом ордината каждой горизонтали ступени соответствует составу паров, поднимающихся с той или иной тарелки, а абсцисса каждой вертикали определяет состав жидкости, стекающей с тарелки.
Коэффициент полезного действия тарелки определяется из соотношения
, (7.27)
где NT – число теоретических тарелок в колонне; NP – число реальных тарелок в колонне.
Литература
Основная литература
5.Дополнительная литература
37
PAGE 2