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
Глава 4. МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
В химических и пищевых производствах широко распространены и имеют важное значение процессы массопередачи, характеризуемые переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую.
Массопередача представляет собой сложный процесс, включающий перенос вещества (массы) в пределах одной фазы, перенос через границу раздела фаз и его перенос в пределах другой фазы. При теплопередаче обменивающиеся теплотой среды в большинстве случаев разделены стенкой, а массопередача обычно происходит через границу раздела (поверхность соприкосновения, контакта) фаз.
Перенос вещества из фазы к границе раздела фаз или в обратном направлении, т.е. в пределах одной из фаз, называется массоотдачей.
Распределяемое вещество внутри каждой фазы переносится путем диффузии, поэтому процессы массопередачи называются также диффузионными.
Для диффузионных процессов, по аналогии о процессами переноса теплоты, принимают, что количество переносимого вещества пропорционально площади поверхности раздела фаз и движущей силе
, (4.1)
где М - масса вещества, перешедшая из одной фазы в другую за время τ, кг/с; К - коэффициент массопередачи; - движущая сила процесса, кг/кг; F - площадь поверхности раздела фаз, м2 ; τ - продолжительность процесса, с.
Коэффициент массопередачи показывает, какое количество вещества переходит из одной фазы в другую за единицу времени через единицу площади поверхности контакта фаз при движущей силе массопередачи, равной единице. Он определенным образом связан с коэффициентами массоотдачи, расчет которых ведут по эмпирическим уравнениям, полученным на основе теории подобия.
Движущая сила характеризуется степенью отклонения системы от состояния динамического равновесия. Диффундирующее в пределах фазы вещество перемещается от точки с большей к точке с меньшей концентрацией, поэтому в расчетах движущую силу процессов массопередачи выражают через разность концентраций.
Концентрацию распределяемого вещества в газовой фазе обозначают через У, а в жидкой - X. Равновесные концентрации соответственно через У* и X*.
Распределяемое вещество всегда переходит из фазы, где его содержание выше равновесного, в фазу, в которой концентрация вещества ниже равновесной.
Ц е л ь р а б о т ы - построение по результатам испытаний кривой сушки и кривой скорости сушки, определение продолжительности процесса.
Т е о р е т и ч е с к а я ч а с т ь. Сушкой называют процесс удаления влаги из материала путем её испарения и отвода образующихся паров.
Сушка широко применяется в химической и пищевой промышленности на разных стадиях технологических процессов. Процесс высушивания материала в конвективных сушилках осуществляется при непосредственном соприкосновении нагретого сушильного агента с поверхностью влажного материала. При контакте влажного материала с сушильным агентом вследствие температурной разности поверхности тела и окружающей среды происходит испарение влаги, связанное с изменением её агрегатного состояния. Одновременно вследствие разности парциальных давлений паров влаги над влажной поверхностью тела и в окружающей среде осуществляется перенос массы влаги в окружающую среду. В результате испарения влаги с поверхности и отвода образовавшихся паров возникает градиент концентрации влаги в материале, являющийся движущей силой её внутреннего перемещения из глубины слоев к поверхности испарения. Это перемещение влаги сопряжено с нарушением её связи с материалом (скелетом твердого тела) и, следовательно, дополнительной затратой энергии помимо энергии, необходимой для парообразования. Поэтому скорость процесса зависит от характера или формы связи влаги с материалом [6,20].
Об эффективности процесса сушки можно судить, изучая кинетику процесса путем экспериментального определения изменения средней влажности материала во времени.
Изменение влажности материала во времени ω = f(τ) графически изображается кривой линией (рис. 4.1), которая носит название кривой сушки. В общем случае кривая сушки состоит из нескольких участков. соответствующих различным периодам сушки.
|
Рис. 4.1. Кривая сушки ω = f(τ). |
Рис. 4.2. Кривая скорости сушки dω / dτ = f(ω) |
|
|
Период прогрева материала (1); постоянной скорости (2) и падающей скорости (3). |
В начале сушки происходит нагрев материала до температуры мокрого термометра и небольшое уменьшение влажности (участок АВ - период прогрева материала), затем влажность материала значительно уменьшается по линейному закону (участок ВС - период постоянной скорости), при этом температура материала в большинстве случаев остается постоянной, равной температуре мокрого термометра. На заключительном этапе в период падающей скорости влажность материала изменяется по кривой СДЕ, приближающейся к равновесному значению ωр = const. Достижение равновесной влажности означает установление динамического равновесия, когда скорости испарения и конденсации равны, при этом температура материала становится равной температуре сушильного агента. В каждом конкретном случае вид функции ω = f(τ) может отличаться от приведенной на (рис. 4.1) в зависимости от формы и структуры материала, а также вида связи с ним влаги.
Скорость сушки определяется из кривой сушки путем графического дифференцирования, для чего к произвольной точке кривой, характеризующей влажность в данный момент времени, необходимо провести касательную до пересечения с осью абсцисс. Тангенс угла наклона касательной к оси абсцисс определяет скорость сушки в данный момент времени, наклон касательной находится построением прямоугольного треугольника, у которого гипотенузой является касательной, а катетами - соответствующие отрезки на осях координат, выраженные в определенных единицах измерения. Так, например, для точки С (рис. 4.1) скорость сушки будет равна тангенсу угла наклона касательной к кривой ω = f(τ)
. (4.2)
По формуле (4.2) вычисляют значения скорости сушки для ряда точек кривой сушки и откладывают их на графике в координатах dω/dτ = f(ω) (рис. 4.2). Вертикальными линиями разбить кривую сушки ω = f(τ) на 10 - I5 участков и для каждого определить тангенс угла наклона.
Текущей точке С на кривой ω = f(τ) соответствует точка С на кривой dω/dτ = f(ω). Прямому участку ВС на кривой ω = f(τ) соответствует одна касательная ко всем точкам этого участка, следовательно, один наклон касательной и постоянная скорость сушки ВС на кривой dω/dτ = f(ω).
Для последующих точек кривой сушки (Д, Е) тангенсы угла наклона уменьшаются и процесс сушки будет происходить в периоде падающей скорости, кривая СДЕ (рис. 4.2).
В начале процесса (после прогрева материала) скорость сушки оказывается постоянной, не зависящей от влажности материала. В этот период постоянной скорости (или первый период) происходит интенсивное испарение свободной влаги из материала (в основном у его поверхности). Скорость процесса является наибольшей, так как внутридиффузионное сопротивление (т.е. сопротивление продвижению влаги внутри материала) пренебрежимо мало по сравнению с внешнедиффузионным сопротивлением (т.е. сопротивлением продвижению пара от поверхности материала в окружающую среду).
Диффузионное сопротивление массопроводности внутри влажного материала не оказывает существенного влияния на процесс сушки в первый период и скорость сушки определяется только диффузией во внешней области (конвективной диффузией).
Период постоянной скорости сушки соответствует изменению влажности материала в пределах от ωк (начальная влажность) до ωкр (критическая влажность).
С уменьшением влажности материала внутридиффузионное сопротивление увеличивается и в некоторый момент достигает значения, соизмеримого с внешнедиффузионным сопротивлением. Общее сопротивление процесса возрастает, и скорость сушки падает.
При влажности материала ω < ωкр наступает второй период сушки - период падающей скорости сушки. Для второго периода сушки характерным является то, что процесс сушки в этот период лимитируется массопроводностью внутри влажного материала, а конвективная диффузия паров влаги от поверхности раздела фаз в ядро потока не оказывает существенного влияния на процесс сушки.
Период падающей скорости сушки соответствует изменению влажности материала в пределах от ωкр до ωк (конечная влажность материала), которая в пределе может быть равна ωр (равновесная влажность). Вид кривых скорости сушки во втором периоде весьма разнообразен и зависит как от формы и вида высушиваемого материала, так и от режима сушки.
Сопоставление кривых скорости сушки, полученных при разных режимах, дает возможность определить влияние того или иного фактора на протекание процесса сушки и подобрать рациональный режим для данного материала, определяющего продолжительность сушки.
В первом периоде скорость сушки постоянная (рис. 4.2), следовательно, - dω/dτ = N (знак минус означает убыль влаги со временем). Разделив переменные и проинтегрировав это уравнение в пределах изменения влажности в первом периоде
, (4.3)
получают ωн – ωкр = Nτ1 и продолжительность сушки в первом периоде
, (4.4)
где N – скорость сушки в первом периоде.
Для определения продолжительности периода падающей скорости сушки кривую скорости сушки во втором периоде СДЕ заменяют осредняющей прямой С´ К (отсекаемые ею площади до кривой по обе стороны должны быть равновелики, а точка К соответствовать равновесной влажности материала). При этом точка С´ может лежать левее или правее (рис. 4.2) точки С, или совпадать с точкой С. Влажность материала, соответствующую точке С´, называют критической приведенной ωк.п. Для любой точки на прямой С'К, соответствующей влажности ω, справедливо выражение
, (4.5)
где Кс - тангенс угла наклона прямой С´K к оси абсцисс, константа (коэффициент) скорости сушки во втором периоде. По своему физическому смыслу она выражает скорость убыли скорости сушки во втором периоде (ускорение со знаком минус).
Поскольку точка С´ относится как к первому периоду, так и ко второму, то
. (4.6)
Разделяя переменные и интегрируя уравнение (4.5) в пределах изменения влажности при сушке во втором периоде от ωк.п. до ωк,.
, (4.7)
получают
,
откуда
или
. (4.8)
Общая продолжительность сушки τ = τ1 + τ2. Значения ωкр, ωк.п., ωр и N определяют экспериментально.
Установка (рис. 4.3) состоит из вентилятора 1, калорифера 2 и сушильной камеры 3, находящихся в циркуляционном трубопроводе. Рамка с высушиваемым материалом 4 стержнем через отверстие в корпусе сушильной камеры соединена с весами 5, что позволяет в процессе сушки наблюдать за изменением массы материала. Расход воздуха в сушильной камере регулируется поворотными задвижками 6,7, а температура сушильного агента - регулятором дополнительного подогрева 8 и включателем дополнительной секции 9 щита управления 10. Включение вентилятора, калорифера и весов 5 осуществляется одновременно кнопкой пускателя 11. Отработанный сушильный агент (воздух) удаляется в атмосферу.
Установить поворотные задвижки 6 и 7 вдоль оси циркуляционного трубопровода, включить вентилятор и калорифер для прогрева установки на 5-10 мин.
Получить образец высушиваемого материала (войлок, бельтинг, тонкий кусочек хлеба или булки) и, увлажнив его, поместить на рамку 4 в сушильной камере 3, предварительно отрегулировав расход воздуха поворотными шиберами 6, 7, температуру воздуха регулятором дополнительного подогрева 8 и включателем дополнительной секции 9 щита управления 10. Изменение массы высушиваемого материала фиксировать показанием весов через 2-3 мин.
Опыты прекратить по достижении материалом заданной влажности. При сушке войлока или бельтинга материал довести до равновесной влажности (для определения m абс.суш.)
Результаты всех опытов внести в табл. 4.1.
|
Номер опыта |
Продолжительность высушивания |
Интервал времени, мин |
Масса материала, г |
Рис. 4.3. Схема экспериментальной установки для изучения
кинетики процесса конвективной сушки
Определить массу абсолютного сухого вещества в высушиваемом материале: для войлока и бельтинга
, (4.9)
где mp - масса высушиваемого материала при достижении им равновесной влажности, г; ωp - равновесная влажность материала: для войлока - 0,06 (6 %), для бельтинга - 0,07 (7 %); для хлебобулочных изделий
, (4.10)
где mн , - первоначальная масса высушиваемого образца, г;
ωст - стандартная влажность хлебобулочных изделий (хлеб подовый - 0,425 (42,5 %), хлеб формовой - 0,45 (45 %), булка городская - 0,415 (41,5 %).
Рассчитать содержание влаги в материале по формуле
, (4.11)
где W – содержание влаги в материале, %; m - масса высушиваемого материала в данный момент времени, г.
Рассчитать абсолютную влажность материала по формуле
. (4.12)
Построить кривую сушки ω = f(τ) .
Продифференцировав кривую сушки, построить кривую скорости сушки dω/dτ = f(ω).
Определить по кривой скорости сушки значения скорости сушки для первого периода N , критической влажности ωкр. , приведенной критической влажности ωк.п. и равновесной влажности ωр.
Найти константу скорости сушки Kс по уравнению (4.6).
По формуле (4.4) вычислить продолжительность сушки в первом периоде, а по формуле (4.7) - во втором.
Определить общую продолжительность сушки и сравнить её с экспериментальным временем сушки (разность времени окончания и начала опытов).
Сделать соответствующие выводы.
Результаты расчета внести в табл. 4.2.
|
Номер опыта |
Высушиваемый материал |
Скорость сушки dw/dt %/ с |
Скорость сушки в первом периоде N, %/с |
Константа скорости сушки Кс, с-1 |
Критическая влажность wкр, % |
Продолжительность сушки |
||||
|
время от начала сушки, с |
масса материала, m, г |
содержание влаги в материале, W, г |
абсолютная влажность материала w, % |
1, с |
2, с |
Отчет о работе оформляется в соответствии с требованиями, изложенными в [10], и должен содержать:
- титульный лист;
- цель работы;
- схему, описание экспериментальной установки для изучения кинетики процесса конвективной сушки и методику проведения работы;
- таблицу опытных данных;
- расчетную часть;
- графики зависимостей ω = f(τ) и dω/dτ = f(ω), построенные на миллиметровой бумаге в масштабе с обязательным нанеcением экспериментальных или расчетных точек;
- таблицу результатов расчета,
- выводы, соответствующие целям работы, с объяснением причин возможного расхождения результатов расчета и эксперимента.
1. Отличительная особенность сушки от других способов обезвоживания.
2. Формы связи влаги с материалом. Характер удаления влаги из материала.
3. Кривая сушки, её построение.
4. Построение кривой скорости сушки, сущность метода графического дифференцирования.
5. Характеристика двух периодов сушки, критическая влажность материала.
6. Схема лабораторной установки, порядок проведения эксперимента.
7. Константа скорости сушки и её физический смысл.
8. Определение продолжительности процесса сушки, вывод расчётных уравнений.
9. Устройство сушилок.
Работа № 13
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УРАВНЕНИЯ ПРОСТОЙ ПЕРЕГОНКИ
Ц е л ь р а б о т ы - экспериментальная проверка результатов решения дифференциального уравнения процесса простой перегонки на примере системы этанол – вода.
Т е о р е т и ч е с к а я ч а с т ь. Метод разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа компонентов, основанный на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре, называется перегонкой. В простейшем случае исходная смесь является бинарной, т.е. состоит только из двух компонентов. Получаемый при её перегонке пар содержит относительно большее количество легколетучего или низкокипящего компонента (НК), чем исходная смесь. Следовательно, в процессе перегонки жидкая фаза обедняется, а паровая фаза обогащается НК. Неиспарившаяся жидкость, естественно, имеет состав, более богатый труднолетучим или высококипящим компонентом (BК) [1].
Эта жидкость называется остатком, а жидкость, полученная в результате конденсации паров, - дистиллятом.
Простая перегонка представляет собой процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Простая перегонка применима только для разделения смесей, летучести (температуры кипения) компонентов которой существенно различны. Обычно её используют лишь для предварительного грубого разделения жидких смесей, а также для очистки сложных смесей от нежелательных примесей.
Перегонку проводят путем постепенного испарения жидкости, находящейся в перегонном кубе. Образующиеся пары отводятся и конденсируются. Процесс осуществляют периодическим или непрерывным способом [22].
В периодически действующей установке (рис. 4.4) исходную смесь загружают в перегонный куб 1, снабженный устройством для обогрева, и доводят до кипения. Пары отводят в конденсатор 2, где они конденсируются, отдавая теплоту воде. По окончании операции остаток сливают из куба, после чего в него вновь загружают разделяемую смесь.
Пусть в некоторый момент времени масса жидкости в кубе равна Wх , а её состав (содержание НК) – х. Мacсa НК в жидкости в этот момент равна W·х
Рис. 4.4. Схема установки для периодической перегонки
За бесконечно малый промежуток времени dτ испарится dW кг смеси и концентрация жидкости в кубе уменьшится на величину dx. При этом образуется dW кг пара, равновесного с жидкостью и имеющего концентрацию y*, масса НК в паре будет равна dWy*. Соответственно остаток жидкости в кубе составит (W - dW), а её концентрация будет (х – dx). Масса НK в жидкости к концу рассматриваемого промежутка времени будет равна (W - dW) (x - dx).
Уравнение материального баланса по НК за рассматриваемый промежуток времени примет вид
(4.13)
Раскрывая скобки и пренебрегая произведением dWdx, как бесконечно малой величиной второго порядка, после разделения переменных получают
. (4.14)
Это дифференциальное уравнение должно быть проинтегрировано в пределах изменения количества жидкости в кубе от начального W = Wн до конечного W = Wк и соответствующего падения её концентрации от xн до xк за всю операцию перегонки:
. (4.15)
В результате интегрирования получают
. (4.16)
Уравнение (4.16) называется дифференциальным уравнением материального баланса простой перегонки.
Вид функции y* = f(x) определяется формой кривой равновесия и не может быть установлен аналитически для каждого конкретного случая простой перегонки. Поэтому интегрирование правой части уравнения проводят графически - путем построения зависимости 1/(y* - x) от х (рис. 4.5)
Рис. 4.5. Графическое решение интеграла
Для ряда значений х в пределах от xн до xк находят равновесные их значения y* (из таблиц или диаграммы y-x) и вычисляют значения y* - x и 1/(y* - x). Разделив соответствующие значения х и I/(y* - x) на выбранные масштабы по осям координат Мх и М 1/(y*-x), строят подинтегральную функцию и по размеру площади под кривой Ф, ограниченной абсциссами хк и хн, определяют величину искомого интеграла
(4.17)
Таким образом, А = ln (Wн/Wк) или Wн/Wк = еА (е - основание натуральных логарифмов, е = 2,71). Массовое количество кубового остатка
. (4.18)
Определив массовое количество кубового остатка, рассчитывают данные по дистилляту
, (4.19)
где WD - масса получаемого дистиллята, кг; xD – массовая доля НК в дистилляте.
Цель расчета простой перегонки - определить количество и состав дистиллята, чтобы получить в кубе остаток заданного состава из имеющегося количества исходной смеси известного состава.
Описание экспериментальной установки
Установка (рис. 4.6) представляет собой перегонный куб 1, снабженный электронагревателем 2 и конденсатором 3 в верхней его части. Исходная смесь заливается через приемный патрубок 4. Пар, образующийся при кипении жидкости в кубе, поднимается в конденсатор 3, где соприкасаясь с холодными стенками камеры, конденсируется, а затем в виде дистиллята через холодильник 5 поступает в сборник 6. После окончания перегонки кубовый остаток через спускной кран 7 и холодильник 8 поступает в сборник для кубового остатка 9.
Методика проведения работы
и обработка результатов эксперимента
Определить объемную концентрацию исходной смеси хн. В цилиндр вместимостью 300 см3 налить смесь, определить ее температуру и показание металлического спиртомера. С помощью таблиц показание металлического спиртомера перевести в объемные доли при 20 °С (стандартная крепость). Объемная доля исходной смеси должна находиться в пределах 0,15-0,23.
В куб, предварительно освобожденный от остатков предыдущего опыта, при закрытом кране 7 залить точно отмеренный объем исходной водно-спиртовой смеси Vн (2,5 - 3,0 дм3). После заливки смеси плотно закрыть пробку на патрубке 4.
По прил. 6 объемную концентрацию исходной смеси перевести в массовую, выбрать соответствующую ей плотность водно-спиртовой смеси ρн и определить массу исходной смеси
(4.20)
и массу спирта (НК) в ней
, (4.21)
где хн - массовая доля спирта в исходной смеси.
Результаты опытов по исходной смеси внести в табл. 4.3. .
Включить электронагреватель 2 перегонного куба I в сеть и одновременно открыть кран подачи холодной воды в конденсатор и холодильник. Ожидая появления первых капель дистиллята, приступить к решению дифференциального уравнения простой перегонки.
Рис. 4.6. Схема экспериментальной установки для экспериментальной проверки дифференциального уравнения простой перегонки
Таблица 4.3
|
Показатели |
Исходная смесь по замеру |
Дистиллят |
Кубовый остаток |
||
|
по расчету |
по измерению |
по расчету |
по измерению |
||
|
Объем V.103, м3 |
|||||
|
Объемная доля спирта, х, % |
|||||
|
Массовая доля спирта, х, % |
|||||
|
Плотность ρ, кг/м3 |
|||||
|
Масса смеси W, кг |
|||||
|
Масса этанола РН, кг |
|||||
Приняв значение (по указанию преподавателя) концентрации НК в кубовом остатке хк, приступают к графическому интегрированию правой части уравнения (4.16). При этом удобно выбрать масштабы Мх = 0,002 (в 1 мм содержится 0,002 ед. х), М1/(у*-х) = 0,02 (в 1 мм содержится 0,02 ед. 1/(у*-х)). Значения у*, соответствующие определенным х, выбрать по приложению 7.
Результаты расчетов по графическому интегрированию внести в табл. 4.4 (для примера в ней представлены результаты расчета от хк =3 % мас. до хн = 18 % мас.).
Таблица 4.4
|
Содержание этанола |
Разность концентраций |
Величина |
В масштабе, мм |
|||
|
в жидкости |
в парах |
|||||
|
х, % мас. |
х, мас. доля |
у*, мас. доля |
у*-х |
1/ (у*-х) |
х |
1/ (у*-х) |
|
3 |
0,03 |
0,272 |
0,242 |
4,13 |
15 |
206,6 |
|
4 |
0,04 |
0,333 |
0,293 |
3,41 |
20 |
170,5 |
|
5 |
0,05 |
0,370 |
0,320 |
3,13 |
25 |
156,2 |
|
6 |
0,06 |
0,411 |
0,351 |
2,84 |
30 |
142,5 |
|
7 |
0,07 |
0,446 |
0,376 |
2,66 |
35 |
133,0 |
|
8 |
0,08 |
0,476 |
0,396 |
2,53 |
40 |
126,5 |
|
9 |
0,09 |
0,506 |
0,416 |
2,40 |
45 |
120,0 |
|
10 |
0,10 |
0,522 |
0,422 |
2,37 |
50 |
118,5 |
|
11 |
0,11 |
0,541 |
0,431 |
2,32 |
55 |
116,0 |
|
12 |
0,12 |
0,558 |
0,438 |
2,28 |
60 |
114,0 |
|
13 |
0,13 |
0,574 |
0,444 |
2,25 |
65 |
112,5 |
|
14 |
0,14 |
0,588 |
0,448 |
2,23 |
70 |
111,5 |
|
15 |
0,15 |
0,600 |
0,450 |
2,22 |
75 |
111,0 |
|
16 |
0,16 |
0,611 |
0,451 |
2,22 |
80 |
111,0 |
|
17 |
0,17 |
0,622 |
0,452 |
2,21 |
85 |
110,5 |
|
18 |
0,18 |
0,632 |
0,452 |
2,21 |
90 |
110,5 |
На миллиметровой бумаге построить график зависимости 1/(у*-х) = f(х); определить площадь под кривой Ф.
По формуле (4.17) определить величину интеграла А, по формуле (4.18) - массу кубового остатка определить также массу в нем этанола (НК) Рк = Wкхк и его объем Vк=Wк/ρк. Результаты расчета по кубовому остатку внести в табл. 4.3 в графу "Кубовый остаток по расчету"..
По формулам (4.19) найти массу дистиллята WD в и массовую долю в нем НК -хD. Определить также его объем VD = WD/ρD и массу в нем этанола РD = WD xD (плотность дистиллята ρD и кубового остатка ρк выбрать по прил. 6). Результаты расчета по дистилляту внести в табл. 4.3 в графу "Дистиллят по расчету".
Отобрав полученный по расчету объем дистиллята, прекратить процесс перегонки и выключить электрообогрев (выключить нужно за несколько минут до того, как будет отобрана нужная масса дистиллята, перегонка будет закончена за счет тепловой инерции подогревателя).
После этого через кран 7 слить в колбу с пришлифованной пробкой кубовый остаток и охладить его под струёй воды до комнатной температуры. Выключить подачу воды на конденсатор 3 и холодильники 5, 8.
Измерить температуру, концентрацию дистиллята и кубового остатка (объемную с помощью металлического спиртомера и таблиц, массовую - по прил. 6), объем кубового остатка Vк. Определить массу кубового остатка, дистиллята (Wк, WD), а также массу этанола в кубовом остатке и дистилляте (Рк, РD ).
Полученные результаты внести в табл. 4.3 в графы "Дистиллят по замеру" и "Кубовый остаток по замеру".
При наличии расхождений между расчетными и опытными данными, превышающими 5 %, дать анализ возможных причин расхождений. Сделать выводы, соответствующие целям работы.
Примечание. 3 А П Р E Щ A E Т С Я производить дегустацию перегоняемой смеси или дистиллята, так как при перегонке используются отходы этанола, содержащие ядовитые примеси.
Порядок оформления отчета
Отчет о работе оформляется в соответствии с требованиями, изложенными в [10], и должен содержать:
- титульный лист;
- цель работы;
- схему, описание экспериментальной установки для экспериментальной проверки дифференциального уравнения простой перегонки и методику проведения работы;
- таблицу опытных данных;
- таблицу результатов расчета по графическому решению интеграла;
- необходимые расчеты, сопровождаемые пояснительным текстом;
- график зависимости 1/(у*-х) = f(х), построенный на миллиметровой бумаге с нанесением расчетных точек и значением площади под кривой;
- выводы, соответствующие целям работы.
Контрольные вопросы
1. Принципиальная схема периодической простой перегонки, сущность процесса. Фракционная перегонка.
2. Измерение концентрации НК в водно-спиртовых смесях. Способы выражения состава фаз.
3. Дифференциальное уравнение материального баланса простой перегонки (вывод).
4. Расчет количества получаемого остатка путем графического интегрирования.
5. Расчет количества дистиллята и содержания в нем НК.
6. Схема лабораторной установки, порядок проведения эксперимента.
Работа № 14
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА АБСОРБЦИИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА ВОДОЙ В АППАРАТЕ С МЕХАНИЧЕСКИМ ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ
Ц е л ь р а б о т ы - получение зависимости диффузионного числа Нуссельта от числа Рейнольдса для системы углекислый газ - вода.
Т е о р е т и ч е с к а я ч а с т ь. Абсорбцией называют процесс избирательного поглощения компонентов из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). При физической абсорбции поглощаемый компонент не взаимодействует химически с абсорбентом.
Процесс массопередачи включает процессы массоотдачи в пределах каждой из двух взаимодействующих фаз и, кроме того, - процесс переноса распределяемого вещества через поверхность раздела фаз. Сложность расчета процесса связана с тем, что невозможно измерить концентрацию фаз непосредственно у границы их раздела. Учитывая это, основное уравнение массопередачи, определяющее массу М вещества, переносимого из фазы в фазу в единицу времени, выражают следующим образом:
; (4.22)
, (4.23)
где у*, х* - равновесные концентрации в данной фазе, соответствующие концентрациям распределяемого вещества в основной массе (ядре) другой фазы - х и у; Ку, Кх - коэффициенты массопередачи, выраженные соответственно через концентрации газовой и жидкой фаз; τ - продолжительность процесса, с.
Коэффициенты массопередачи Ку и Кх определенным образом связаны с коэффициентами массоотдачи
; (4.24)
, (4.25)
где βх - коэффициент массоотдачи в жидкой фазе; βу - коэффициент массоотдачи в газовой фазе; m - коэффициент распределения.
Коэффициенты массоотдачи βx и βу показывают, какое количество вещества переходит от единицы поверхности раздела фаз в ядро фазы (или в обратном направлении) в единицу времени при движущей силе, равной единице.
Коэффициент массоотдачи является не физической константой, а кинетической характеристикой, зависящей от физических свойств фазы, гидродинамических условий в ней (скорость движения, режим движения), связанных в свою очередь с физическими свойствами фазы, а также с геометрическими факторами, определяемыми конструкцией и размерами массообменного аппарата. Коэффициенты массоотдачи учитывают как молекулярный, так и конвективный перенос вещества в фазе.
В некоторых случаях сопротивление одной из фаз может быть пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением другой. Пусть, например, невелико сопротивление жидкой фазы. Тогда коэффициент массоотдачи βж очень велик, диффузионное сопротивление соответственно очень мало и Ку ≈ βу, т.е. в данном случае скорость массопередачи ограничена сопротивлением в газовой фазе, которое является определяющим.
В противоположном случае, когда очень мало сопротивление газовой фазы, как в случае поглощения углекислого газа водой, величина βу весьма большая, а величина 1/βуm незначительна. При этом Кх ≈ βх , т.е. определяющим является сопротивление в жидкой фазе и для интенсификации массопередачи необходимо воздействовать на массоотдачу в жидкой фазе, например, путем увеличения скорости жидкой фазы или увеличения числа оборотов мешалки в аппарате с механическим перемешиванием.
Уравнение массопередачи (4.23) примет вид
. (4.26)
Из уравнения (4.26) можно определить коэффициент массоотдачи
. (4.27)
Поскольку гидродинамическую обстановку в жидкой фазе в аппарате с механическим перемешиванием можно характеризовать числом Рейнольдса
, (4.28)
где n - частота вращения мешалки, с-1 ; d - диаметр мешалки, м;
ν -кинематическая вязкость жидкости, м2/с, а интенсивность массоотдачи - диффузионным числом Нуссельта
, (4.29)
где D - коэффициент молекулярной диффузии в жидкой фазе, м2/с, то зависимость Nuх = f(Rex) выражает собой влияние гидродинамической обстановки в жидкой фазе на интенсивность массоотдачи в ней и массопередачи в целом.
Описание экспериментальной установки
Установка (рис. 4.8) состоит из ресивера 1, абсорбера 2 с диаметром D = 0,2 м с мешалкой 3 диаметром d = 6,67 10-2 м, приводимой во вращение электродвигателем постоянного тока 4 через привод 5. Частота вращения мешалки устанавливается регулятором 6. Углекислый газ подается в абсорбер 2 из ресивера 1 по трубопроводу с вентилями 7, 8, 9 и краном 10. Жидкость в абсорбер 2 заливается через воронку 11.
Для измерения объема газа, поглощаемого жидкостью, абсорбер через штуцер 12 и трехходовой кран 13 подключен к газовой бюретке 14, соединенной с уравнительным сосудом 15. Уравнительный сосуд перемещается с помощью системы блоков 16 или вручную. Контроль за постоянством давления в абсорбере осуществляется манометром 17, соединенным с линией продувки углекислым газом трехходовым краном 18.
Температура жидкости в абсорбере изменяется термометром 19, а продолжительность опыта - электросекундомером 20.
Методика проведения работы
Через воронку 11 в аппарат с мешалкой залить воду (количество указывается преподавателем). Извлечь воронку и закрыть отверстие пробкой.
Соединить газовую бюретку 14 с атмосферой (положение "а" рис. 4.7 крана 13), вытеснив из нее воздух, поднимая уравнительный сосуд 15 с водой в крайнее верхнее положение, после чего кран 13 перевести в положение "в", отсекая бюретку от атмосферы.
а б в
Рис. 4.7. Положение кранов 13 и 18 во время работы
Установить кран 18 в положение "а" (для отключения манометра 17 на время продувки).
Проверить наличие избыточного давления углекислого газа в ресивере 1 (не более 0,01 МПа). Последовательно соединить вентили 7, 8, 9, кран 13 и продуть абсорбер углекислым газом (не более 3 мин ).
После продувки отключить установку от ресивера 1 и атмосферы путём ряда последовательных операций:
а) перекрыть доступ углекислого газа в абсорбер краном 10 и сразу же перевести кран 13 в положение "б";
б) медленно снизить уровень жидкости в бюретке 14 до нуля, опуская уравнительный сосуд 15;
в) подключить манометр 17, поставив кран 18 в положение "в".
Если в аппарате избыточное давление (уровень жидкости в правом колене выше уровня жидкости в левом колене манометра 17), то сбросить его краном 13, быстро поворачивая кран из положения "б" в положение "в" и обратно. В случае наличия в аппарате вакуумметрического давления (уровень .жидкости в правом колене ниже уровня жидкости в левом колене манометра 17) - очень осторожно добавить через кран 10 углекислый газ в аппарат 2.
Установить регулятор частоты вращения мешалки 6 в положение, соответствующее минимальному значению используемых в эксперименте чисел оборотов (указываются преподавателем).
Включить мешалку и секундомер (тумблер одновременного включения перевести в положение Вкл), поддерживая в абсорбере постоянное давление (уровень жидкости в правом и левом коленах манометра одинаковы) в течение опытов перемещением уравнительного сосуда 15 вверх, измерить секундомером 20 время поглощения водой 20 10–6 м3 углекислого газа; при достижении уровнем жидкости в бюретке показаний, соответствующих поглощению 20·10-6 м3 углекислого газа (20, 40, 60, 80, 100 дел.) каждый раз быстро переводить регулятор числа оборотов мешалки 6 в следующее положение, увеличивая число оборотов мешалки. Выключить мешалку и секундомер. Результаты измерений внести в табл. 4.5.
|
Номер опыта |
Частота вращения мешалки n, с-1 |
Продолжительность процесса τ , с |
Объем поглощаемого газа Vу, м3 |
Температура опыта t, 0С |
Перекрыть вентили 7, 8, 9 и соединить сосуд с атмосферой, переключив краны 13 и 18 в положение "а". Слить воду из аппарата.
Рисунок 4.8. Схема экспериментальной установки для изучения процесса абсорбции углекислого газа водой в аппарате с механическим перемешиванием
Обработка результатов эксперимента
По формуле (4.27) рассчитать коэффициент массоотдачи. Для этого определить:
- количество поглощенного углекислого газа (одинаковое во всех опытах), кмоль:
, (4.30)
где Vy - объем углекислого газа, поглощаемого в опыте, м3 ;
Vо - объем, занимаемый 1 кмолем газа при условиях опыта (давлении и температуре), м3 /кмоль;
- поверхность раздела фаз (принимается равной площади, зеркала жидкости), F = 3,1410-2 м2;
- равновесную концентрацию углекислого газа в воде при условиях опыта (давлении и температуре), кмоль /м3,
, (4.31)
где С - растворимость углекислого газа в воде при температуре опыта, (см. прил. 8); Vо - объем, занимаемый 1 кмолем газа при температуре опыта и парциальном давлении углекислого газа РCО2, м3 /кмоль,
; (4.32)
где - парциальное давление углекислого газа, мм. рт. ст. (98,5 % об. - концентрация углекислого газа в ресивере), = 0,985 В - ; В - атмосферное давление, мм рт. ст. (показания барометра-анероида); - упругость водяных паров при температуре опыта t, мм рт. ст. (прил. 9).
Значение равновесной концентрации углекислого газа в воде х* постоянно для всех опытов;
- концентрацию углекислого газа в воде в конце опыта в кмоль/)
х = M'/Vx (4.33)
где M' - количество газа в кмолях, поглощенное водой к концу каждого опыта
;
где Vх - объём воды в аппарате, м3;
Продолжительность поглощения углекислого газа в опыте (определяется разностью показаний секундомера, зафиксированной в конце и начале данного опыта).
По формуле (4.28) рассчитать число Рейнольдса. Значение кинематической вязкости воды выбрать при температуре опыта по прил. 2 или 4.
По формуле (4.29) найти диффузионное число Нуссельта. Значение коэффициента молекулярной диффузии углекислого газа в воде при температуре опыта выбрать по прил. 10.
Вычислить значения lg Rex и lg Nun.
Результаты расчета для всех опытов внести в табл.4.6.
Таблица 4.6
|
Номер опыта |
Количество поглощенного газа М, кмоль |
Концентрация газа в воде, кмоль СО2/м3 Н2О |
Площадь контакта фаз F, м2 |
Продолжительность процесса τ, с |
Коэффициент массоотдачи βх, м/с |
Число Нуссельта Nuх |
Число Рейнольдса Reх |
lg Nuх |
lg Rex |
|
|
равновесная х* |
рабочая х |
|||||||||
Построить зависимость lg Nux = f (lg Rex) - рис. 4.9.
Рис. 4.9. Зависимость lg Nux = f (lg Rex)
Определить множитель А и показатель степени n в критериальном уравнении
, (4.34)
где n = tgα = ОА/ОВ - тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс; lg A = ОА(А=10ОА) - отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат. Проанализировав полученные результаты, сделать соответствующие выводы.
Порядок оформления отчета
Отчет о работе оформляется в соответствии с требованиями, изложенными в [10], и должен содержать:
- титульный лист;
- цель работы;
- схему, описание экспериментальной установки для изучения процесса абсорбции углекислого газа водой в аппарате с механическим перемешиванием и методику проведения работы;
- таблицу опытных данных;
- расчетную часть;
- таблицу результатов расчета;
- график зависимости lg Nu = f(lg Rex), построенный на миллиметровой бумаге в масштабе с обязательным нанесением экспериментальных точек;
- выводы, соответствующие целям работы с объяснением причин возможного расхождения результатов расчета и эксперимента.
Контрольные вопросы
1. Сущность абсорбции.
2. Законы массопередачи, которым подчиняется процесс абсорбции.
3. Закон равновесия в процессах абсорбции.
4. Движущая сила процессов массопередачи.
5 Сyщность физической абсорбции и абсорбции, сопровождаемой химической реакцией.
Работа № 15
ИЗУЧЕНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ КОЛПАЧКОВОЙ ТАРЕЛКИ
Ц е л ь р а б о т ы - определение экспериментального значения коэффициента гидравлического сопротивления сухой тарелки; экспериментальной и расчетной зависимостей гидравлического сопротивления орошаемой тарелки ΔР от скорости газа в колонне; ознакомление с работой колпачковой тарелки в различных режимах на основе визуальных наблюдений.
Т е о р е т и ч е с к а я ч а с т ь. Для проведения массообменных процессов, в которых взаимодействуют жидкость и газ (абсорбция) или жидкость и пар (ректификация), широкое распространение нашли колонные аппараты с колпачковыми тарелками.
Колпачковая тарелка (рис.1.5) представляет собой горизонтальную перегородку, снабженную переливным устройством. Колпачки служат для равномерного распределения газа в жидкости. Переливное устройство состоит из сливного порога (перегородки), сливной трубы и служит для поддержания уровня жидкости на тарелке и перелива ее на нижерасположенную тарелку (бак). Для создания гидравлического затвора, препятствующего проходу газа (пара) через сливное устройство, нижний конец сливной трубы опущен в приемный карман нижней тарелки.
Газ вводится в жидкость, находящуюся на тарелке, через прорези колпачков; поток газа дробится на ряд отдельных струек и пузырьков, перемещающихся в слое жидкости снизу вверх. Жидкость на тарелке течет поперек газового потока от приемного кармана к сливному ("перекрестный поток"). Движение пузырьков и струек газа через слой жидкости получило название "барботаж". В результате барботажа на тарелке образуется динамический двухфазный слой.
Изменение расхода газа через тарелку меняет характер барботажа: при малых расходах тарелка работает неравномерно, прорези колпачков открыты не полностью и не все колпачки вступают в работу. Увеличение расхода газа постепенно переводит в равномерный режим работы тарелки, характеризующийся полным открытием прорезей всех колпачков. Дальнейшее увеличение расхода газа через тарелку приводит к образованию все большего количества капель жидкости различного размера, подбрасываемых на все большую высоту, и все большее количество капель уносится газовым потоком на вышерасположенную тарелку (унос жидкости). Очевидно, что унос жидкости снижает эффективность работы тарелки, а чрезмерный унос может привести к срыву работы тарелки. На практике рабочий режим выбирается так, чтобы обеспечить равномерную работу тарелки и не превысить допустимый унос жидкости. В литературе приводятся уравнения, которые позволяют рассчитать предельно допустимую скорость газа в колонне и скорость, при которой происходит полное открытие прорезей.
Перемещение газа через аппарат требует энергетических затрат, величина которых пропорциональна гидравлическому сопротивлению колонны. Полное гидравлическое сопротивление тарельчатой колонны равно сумме сопротивлений тарелок, поэтому гидравлическое сопротивление тарелки является показателем её работы.
Полное гидравлическое сопротивление колпачковой тарелки ΔРт представляет собой сумму трех величин: сопротивления сухой тарелки ΔРс.т, сопротивления газожидкостного слоя на тарелке ΔРг.ж и сопротивления, обусловленного силами поверхностного натяжения жидкости ΔРσ, Па
. (1.16)
Сопротивление сухой тарелки
, (1.17)
где ζ – коэффициент сопротивления тарелки, измеряемый экспериментально; ρ – плотность газа, кг/м3; ωпр – скорость газа в прорезях колпачков тарелки, м/с.
Рис. 1.5. Колпачковая тарелка
Сопротивление газожидкостного слоя на тарелке принимают равным статическому давлению слоя
, (1.18)
где ρж – плотность жидкости на тарелке, кг/м3; h – высота слоя жидкости на тарелке, м; g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2.
Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения
, (1.19)
где σ – коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м;
dэкв – эквивалентный диаметр прорези колпачка, м.
Описание экспериментальной установки
Установка (рис. 1.6) состоит из колонны 1 с зажатой между фланцами прямоугольных царг колпачковой тарелкой 2, вентилятора 3 для подачи воздуха в колонну с шибером 4 на всасывающем патрубке для регулирования расхода воздуха, нормальной диафрагмы 5 на напорном трубопроводе вентилятора с дифференциальным U-образным манометром 6 для измерения расхода воздуха, U-образного дифференциального манометра 7 для измерения гидравлического сопротивления тарелки. Подача воды из водопровода на тарелку регулируется вентилем 8, а измеряется ротаметром 9. Температура поступающей на тарелку воды измеряется термометром 10. С тарелки вода через сливную трубу 11 попадает в бак 12, а из него через вентиль 13 сливается в канализацию.
Методика проведения работы
Экспериментальная часть работы заключается в выполнении гидродинамических испытаний сухой и орошаемой тарелок. В первом случае все измерения проводят на сухой тарелке, во втором - при постоянной подаче воды на тарелку, задаваемой преподавателем.
Рис. 1.6 Схема экспериментальной установки для исследования гидродинамики колпачковой тарелки
Перед началом опытов полностью закрыть вентиль 13 и шибер 4. Включить вентилятор 3. Снять показания дифференциальных U-образных манометров 6 и 7. Приоткрывая шибер, увеличить расход воздуха на 15-20 мм вод. ст. по шкале манометра 6 и вновь снять показания манометров 6 и 7. Опыты продолжать до полного открытия шибера 4, записывая каждый раз результаты испытаний в табл. 1.3.
Таблица 1.3
|
Номер опыта |
Показания U–образных дифференциальных манометров, мм вод. ст. |
Деления шкалы ротаметра |
Температура воды t, оС |
|
|
Δh6 |
Δh7 |
Сухая тарелка
1.
2.
и т.д.
Орошаемая тарелка
1.
2.
и т.д.
При изменении расхода воздуха необходимо иметь в виду, что колонна обладает определенной инерционностью и поэтому снятие показаний приборов можно производить, лишь убедившись в их неизменности. Перед проведением испытаний орошаемой тарелки вентилем 8 по ротаметру 9 установить заданный расход воды. После полного заполнения тарелки водой (достижения ею уровня сливного порога) включить вентилятор 3 и приступить к испытаниям орошаемой тарелки. При этом также необходимо на основе визуальных наблюдений качественно оценить изменение характера барботажа при увеличении расхода воздуха.
Работу заканчивают, выключив вентилятор 3, закрыв шибер 4 и открыв вентиль 13 для слива воды из бака 12 в канализацию.
Обработка результатов эксперимента
Определить расход воздуха в колонне по уравнению
, (1.20)
где Vг – расход воздуха в колонне, м3/с; 0,152 – постоянная диафрагмы 5, определенная при ее тарировке; Δh6 – показание дифференциального манометра 6, мм вод. ст. Рассчитать фиктивную скорость воздуха в колонне
, (1.21)
где ωо – фиктивная скорость воздуха, м/с; fк = 0,14 - площадь поперечного сечения колонны, м2. Рассчитать скорость воздуха в прорезях колпачков
, (1.22)
где ωпр – скорость воздуха в прорезях колпачков, м/с;
φ = 0,061 - живое сечение прорезей колпачков испытываемой тарелки, м2/м2 (отношение их суммарной площади на всех колпачках тарелки к площади поперечного сечения колонны).
Результаты расчета по формулам (1.20)-(1.22) внести в табл. 1.4 для сухой тарелки и в табл. 1.5 – для орошаемой.
Определение коэффициента сопротивления сухой тарелки
Экспериментальные значения коэффициента гидравлического сопротивления сухой тарелки для каждого опыта определить по формуле (1.17) и внести в табл. 1.4.
Учитывая незначительные изменения температуры и давления в условиях проведения эксперимента, плотность воздуха (газа) принять ρг = 1,2 кг/м3.
Таблица 1.4
|
Номер опыта |
Показания U –образных дифференциальных манометров |
VГ, м3/с |
w0, м/с |
wпр м/с |
ζ |
ζср |
|||
|
Δh6 |
Δh7=Рст. |
||||||||
|
мм вод. ст. |
м вод. ст. |
мм вод. ст. |
Па |
По результатам всех опытов на сухой тарелке определить среднее арифметическое значение коэффициента сопротивления тарелки ζср и сравнить его значение со справочным для данного типа тарелок (4÷5).
Определение гидравлического сопротивления
орошаемой тарелки
По формуле (1.17) рассчитать сопротивление сухой тарелки, используя среднеарифметическое значение коэффициента сопротивления тарелки ζср.
По формуле (1.18) рассчитать сопротивление газожидкостного слоя на тарелке ΔРг.ж, предварительно определив высоту слоя жидкости на тарелке (глубину барботажа) по формуле
, (1.23)
где l2 = 0,013 м - расстояние от верхнего края прорезей до сливного порога; hпр = 0,019 м - высота прорези колпачка;
Δ = 5·10-4 м - градиент уровня жидкости на тарелке; hсл - высота уровня жидкости над сливным порогом, м, рассчитываемая по формуле
, (1.24)
где Vж - объемный расход жидкости (воды), определяемый по градуировочному графику ротаметра 9 (рис 1.7) для заданного деления шкалы ротаметра, м3 /с; L = 0,2 м - длина сливной планки, равная ширине колонны
Рис. 1.7 Градуировочный график ротаметра
Плотность жидкости на тарелке в зависимости от ее температуры выбрать из прил. 2.
По формуле (1.19) рассчитать потерю давления (сопротивление) на преодоление сил поверхностного натяжения жидкости σ при входе газа в слой жидкости на тарелке ΔРσ. Коэффициент поверхностного натяжения воды в зависимости от её температуры выбрать из прил. 2. Эквивалентный диаметр прорези колпачка определить по формуле
, (1.25)
где fпр = (19 · 10-3 )(3 · 10-3 ) - площадь живого сечения прорези колпачка м2; П = [(I9 · 10-3 )+(3 · 10-3)] ·2 - смоченный периметр прорези колпачка, м.
По формуле (1.16) рассчитать гидравлическое сопротивление орошаемой колпачковой тарелки ΔРт.
Расчетные значения ΔРст, ΔРг.ж. , ΔРσ , ΔРТ для всех опытов на орошаемой тарелке внести в табл. 1.5.
|
Номер опыта |
Показания U –образных дифференциальных манометров |
VГ, м3/с |
w0, м/с |
wг, м/с |
ΔР с.т, Па |
ΔРг ж Па |
ΔРσ, Па |
ΔРТ расч, Па |
|||
|
Δh6 |
Δh7=ΔРтэксп. |
||||||||||
|
мм вод. ст. |
м вод. ст. |
мм вод. ст. |
Па |
Построить зависимости ΔРс.т = f(ωо), ΔРг.ж = f(ωо), ΔРσ = f(ωо) нa одном графике. Сложив ординаты вышеперечисленных зависимостей, построить график расчетной зависимости сопротивления орошаемой тарелки от скорости газа в колонне ΔРТ (расч) = f(ωо). Сделать вывод о влиянии (роли) каждой составляющей в общее сопротивление орошаемой тарелки при разных скоростях газа в колонне. На этом же графике построить зависимость ΔРТ(эксп) = f(ωо) и сделать соответствующие выводы.
Порядок оформления отчета
Отчет о работе оформляется в соответствии с требованиями, изложенными в [10] и должен содержать:
- титульный лист;
- цель работы;
- схему экспериментальной установки для исследования гидродинамики колпачковой тарелки, описание установки и методику проведения работы;
- таблицу опытных данных;
- расчетную часть, в которой приводятся все необходимые расчеты для одного из опытов по сухой и орошаемой тарелкам;
- графические зависимости ΔРс.т = f (ω0) ΔРг.ж = f(ω0). ΔРσ = f(ω0), ΔРт.(расч) = f(ω0).ΔРт.(эксп) = f(ω0), построенные на миллиметровой бумаге в масштабе с обязательным нанесением на них расчетных и экспериментальных точек;
- таблицы результатов расчета для сухой и орошаемой тарелок;
- выводы, соответствующие целям работы;
- описание визуальных наблюдений характера барботажа на тарелке с увеличением скорости газа в колонне.
Контрольные вопросы
1. Назначение, устройство и принцип действия колпачковой тарелки.
2. Характер барботажа при изменении расхода газа через тарелку.
3. Гидродинамические режимы работы тарелок.
4. Сопротивление орошаемых тарелок.
5. Конструкции тарельчатых колонных аппаратов.
6. Схема лабораторной установки, порядок проведения эксперимента.
7. Экспериментальное определение сопротивлений сухой и орошаемой тарелок.
8. Измерение расхода воздуха в колонне.
Работа № 16
ИЗУЧЕНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
НАСАДОЧНОЙ КОЛОННЫ
Ц е л ь р а б о т ы - практическое ознакомление с гидродинамическими режимами работы насадочной колонны; экспериментальное определение зависимости гидравлического сопротивления слоя насадки от скорости газа в колонне для сухой насадки и при различных плотностях орошения.
Теоретическая часть. Для проведения процессов абсорбции, ректификации и охлаждения газа (скрубберный процесс) используются насадочные колонны, представляющие собой вертикальный цилиндрический сосуд, заполненный насадочными телами - насадкой.
Наибольшее распространение получила керамическая насадка в форме колец различного размера. Она называется кольцевой. Высота слоя насадки определяет рабочую высоту насадочной колонны.
Контакт газа и жидкости в насадочной колонне, во время которого происходит обмен веществом или теплотой между фазами, осуществляется в основном на смоченной поверхности насадки. При некоторых условиях в слое насадки возможен барботаж, который увеличивает поверхность контакта фаз.
В зависимости от скорости газового потока и количества орошающей жидкости изменяется характер движения фаз и условия их взаимодействия. При сравнительно небольших нагрузках по газу и жидкости трение между газом и жидкостью незначительно и количество удерживаемой жидкости не зависит от скорости газа. Контакт газа и жидкости происходит только на поверхности пленки жидкости, стекающей по насадке. С увеличением скорости газа происходит торможение жидкости, из-за чего скорость её стекания уменьшается, а толщина пленки жидкости и, следовательно, удерживающая способность насадки по жидкости увеличивается. Возрастание количества жидкости в насадке ведет к уменьшению сечения для прохода газа и соответственно росту гидравлического сопротивления. Последующее увеличение скорости газа приводит к дальнейшему увеличению количества жидкости в насадке до тех пор, пока сила тяжести жидкости не уравновесит силы трения. Момент, когда наступает равновесие силы трения и силы тяжести, характеризуется полным затоплением насадки и называется "точкой захлебывания". Затопление начинается с нижних слоев насадки и распространяется на всю ее высоту.
Работа промышленных аппаратов в точке захлёбывания вследствие неустойчивости течения газа в жидкости, сопровождаемая периодическими провалами и выбросами жидкости, а также значительными колебаниями гидравлического сопротивления, становится невозможной.
В работе насадочной колонны условно выделяют "пленочный" режим и режим "подвисания" - частичного затопления насадки, который называют оптимальным режимом. Рабочие режимы ограничены точкой захлёбывания, являющейся верхним пределом рабочих скоростей газа в насадочной колонне.
Движение жидкости через насадку характеризуется плотностью орошения, т.е. объемным расходом жидкости, подаваемой на единицу площади поперечного сечения колонны. При недостаточном орошении поверхность насадки смачивается неполностью. Для каждого вида и размера насадки существует минимальная плотность орошения, при которой поверхность насадки, смоченная жидкостью, будет наибольшей. Рабочая плотность орошения должна быть выше минимальной. Условие смачивания насадки определяет нижний предел плотности орошения насадочной колонны.
Важным показателем работы насадочной колонны является гидродинамическое сопротивление, определяющее энергетические затраты на перемещение газа через аппарат. Данный показатель характеризует режим работы и состояния насадки в колонне, от которого зависят массообменные характеристики насадочной колонны.
Гидравлическое сопротивление сухой (не орошаемой жидкостью) насадки ΔРсух газовому потоку определяется по уравнению
, (1.26)
где λ – гидравлический коэффициент трения при движении газа в слое насадки; Н – высота слоя насадки в колонне, м; dэкв = 4ε/d – эквивалентный диаметр каналов в слое насадки, м; ε – свободный удельный объем насадки (порозность), м3/м3; d – удельная площадь поверхности насадки, т.е. геометрическая площадь поверхности всех насадочных тел в единице объема насадки, м2/м3; ω = ω0/ε – истинная скорость газа в каналах насадки, м/с; ω0 = Vr/fк - фиктивная скорость газа, т.е. скорость газа, отнесенная ко всему сечению колонны, м/с; ρг - плотность газа, кг/м3 ;
Vг – объемный расход газа в колонне, м3 /с; fк - площадь поперечного (живого) сечения колонны, м2.
Для беспорядочно засыпанных кольцевых насадок гидравлический коэффициент трения находят по следующим формулам
- при ламинарном режиме движения газа (Rег<40)
; (1.27)
- при турбулентном режиме движения газа ( Rег>40 )
, (1.28)
где Reг - критерий Рейнольдса, вычисленный по газовой фазе в насадке
, (1.29)
где νг - кинематическая вязкость газа, м/с2.
Сопротивление орошаемой насадки при одной и той же скорости газа в колонне ωо превышает сопротивление сухой насадки. Величина ΔРор определяется из соотношения
, (1.30)
где K – поправочный коэффициент, определяемый по уравнению
, (1.31)
где L, G – массовые расходы жидкой и газовой фаз, кг/с; ρж , ρг – плотности жидкой и газовой фаз, кг/м3 ; μж , μг – динамическая вязкость жидкой и газовой фаз, Па·с.
При незначительно изменяющихся значениях ρж, ρг, μж, μг (t = const) уравнение (1.31) преобразуется к виду
, (1.32)
где Vж , Vг – объемные расходы жидкой и газовой фаз, м3/с.
Описание экспериментальной установки
Установка (рис.1.8) состоит из насадочной колонны 1 диаметром 103,7 мм (площадь живого сечения колонны fк = 0,00845 м2 ) с насадкой из колец Рашига размером 15х15х2 мм (порозность слоя ε = 0,6 м3/м3; удельная площадь поверхности насадки а = 330 м2 /м3; эквивалентный диаметр каналов dэкв = 0,73·10-2 м) и высотой слоя Н = 1,56 м; воздуходувки 2 для подачи воздуха в колонну. Расход воздуха регулируется вентилем 3 и контролируется ротаметром 4. Подача воды из водопровода на орошение насадки в колонне регулируется вентилем 5, а измеряется ротаметром 6. Гидравлическое сопротивление сухой или орошаемой насадки в колонне измеряется дифференциальным манометром 7. Слив воды в канализацию регулируется вентилем 8.
Рис. 1.8. Схема экспериментальной установки для
исследования гидродинамики насадочной колонны
Методика проведения работы
Экспериментальная часть работы заключается в выполнении гидродинамических испытаний сухой и орошаемой насадки. В первом случае все измерения проводят на сухой насадке, во втором - при постоянной подаче воды в колонну, задаваемой преподавателем.
Перед началом опытов полностью закрыть вентиль 8 и включить воздуходувку 2. Вентилем 3 установить такой расход воздуха в колонне, при котором поплавок ротаметра занимал бы положение в нижней части шкалы. Снять показания дифференциального манометра 7. Опыт повторить при различных расходах воздуха (до полного открытия вентиля 3).
После окончания испытаний сухой насадки вентилем 5 по ротаметру 6 установить заданный расход воды. При постоянном расходе воды снять показания дифференциального манометра 7 для различных расходов воздуха (зафиксированных при испытании сухой насадки).
Аналогичные опыты могут проводиться при других расходах воды, подаваемой на орошение (по указанию преподавателя).
В процессе испытания орошаемой насадки визуально фиксируется момент захлебывания насадки (появления слоя жидкости над насадкой) и измеряется расход воздуха, подаваемого в колонну.
Работу заканчивают, выключив воздуходувку 2, закрыв вентили 3 и 5 и открыв вентиль 8 для слива воды из нижней части колонны в канализацию.
Результаты опытов по сухой и орошаемой насадке записать в табл. 1.6.
Таблица 1.6
|
Номер опыта |
Показания ротаметра 4, деления шкалы |
Показания ротаметра 6, деления шкалы |
Показания дифференциального манометра 7 h, мм вод. ст. |
Температура воздуха t ,0С |
Температура воды t, 0С |
Сухая насадка
1.
2.
и т. д.
Орошаемая насадка
1.
2.
и т. д.
Деления шкалы ротаметра 4 в опытах по орошаемой насадке должны повторить их в опытах по сухой насадке.
Обработка результатов эксперимента
Расчетная часть заключается в определении гидравлического сопротивления сухой и орошаемой насадки.
Определение гидравлического сопротивления сухой насадки
По градуировочному графику ротаметра 4 (рис. 1.9) определить объемный расход воздуха Vг , соответствующий показанию шкалы ротаметра.
Рассчитать фиктивную ωо и действительную ω скорости воздуха.
Установить режим движения воздуха в каналах насадки, рассчитав критерий Рейнольдса по формуле (1.29).
Рассчитать гидравлический коэффициент трения λ по формуле (1.27) или (1.28) в зависимости от значения критерия Рейнольдса (режима движения воздуха в каналах насадки). Физические свойства воздуха выбрать в зависимости от температуры по прил. 1.
Определить гидравлическое сопротивление сухой насадки ΔРсух газовому потоку по формуле (1.26).
Определить lg (ΔРсух/Н) и lg ωо. Результаты расчётов для всех опытов на сухой насадке внести в табл. 1.7.
Деления шкалы ротаметра
Рис. 1.9. Градуировочный график ротаметра 4
Рисунок 1.10. Градуировочный график ротаметра 6
На одном графике для сухой насадки построить расчётные
и экспериментальные функциональные зависимости вида
lg (ΔРсух/Н) = f (lg ωо) . (1.33)
Определение гидравлического сопротивления орошаемой насадки
По градуировочному графику ротаметра 6 (рис. 1.10) определить объёмный расход воды Vж, соответствующий заданному показанию шкалы ротаметра.
Рассчитать поправочный коэффициент К по формуле (1.31), используя найденные в опытах по сухой насадке значения Vг.
Рассчитать сопротивление орошаемой насадки по формуле (1.30), используя найденные в опытах по сухой насадке значения ΔРсух.
Определить lg (ΔРсух/Н) и lg ωо. Результаты расчётов для всех опытов на орошаемой насадке внести в табл. 1.8.
На одном графике для орошаемой насадки построить расчётные и экспериментальные функциональные зависимости вида :
lg (ΔРор/Н) = f (lg ωо) . (1.34)
Таблица 1.7
|
Номер опыта |
Расход воздуха |
Фиктивная ско-рость воздуха ωо, м/с |
Действительная скорость воздуха ω, м/с |
RRe |
λ |
Гидравлическое сопротивление сухой насадки ΔРсух |
lg (ΔРсух/Н) |
lg ωо |
||||
|
показания ротаметра 4, деления шкалы |
Vr, м3/с |
эксперимент |
расчет |
эксперимент. |
расчет. |
|||||||
|
Δh, мм вод. ст. |
Па |
Па |
Таблица 1.8
|
Номер опыта |
Расход воздуха |
Расход воды |
Фик-тивная ско-рость воздуха Vж, м/с |
Гидрав-лическое сопротивление сухой насадки ΔРсух , Па |
K |
Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки ΔРор |
lg (ΔРор/Н) |
lg ωо |
|||||
|
показания ротамет-ра 4, деления шкалы |
Vr, м3/с |
показа- ния ротаметра 6, деления шкалы |
Vж, м3/с |
эксперимент |
расчет |
эксперимент. |
расчет. |
||||||
|
Па |
Δh, мм вод. ст. |
Па |
Порядок оформления отчёта
Отчет о работе оформляется в соответствии с требованиями, изложенными в [10], и должен содержать:
- титульный лист;
- цель работы;
- схему, описание экспериментальной установки для исследования гидродинамики насадочной колонны и методику проведения работы;
- таблицу опытных данных;
- расчетную часть, в которой приводятся все необходимые расчеты для одного из опытов по сухой и орошаемой насадке;
- графические, расчетные и экспериментальные зависимости, построенные lg (ΔРор/Н) = f (lg ωо) ; lg (ΔРсух/Н) = f (lg ωо)
на миллиметровой бумаге в масштабе с обязательным нанесением на них расчетных и экспериментальных точек;
- таблицу результатов расчета для сухой и орошаемой насадок;
- выводы, соответствующие целям работы;
- описание визуальных наблюдений гидродинамических режимов работы насадочной колонны.
Контрольные вопросы
1. Назначение, устройство и принцип действия колонных аппаратов с насадкой.
2. Основные характеристики насадок. Виды насадок. Выбор насадок.
3. Достоинства, недостатки и область применения насадочных аппаратов.
4. Гидродинамические режимы работы насадочных аппаратов. Зависимость гидравлического сопротивления насадки от скорости газа в колонне.
5. Расчет гидравлического сопротивления сухой и орошаемой насадок.
6. Схема лабораторной установки, порядок проведения эксперимента.
8. Экспериментальное определение сопротивлений сухой и орошаемой насадок.