Гидромеханические процессы химической и пищевой технологии

Гидромеханические процессы химической и пищевой технологии

Методические указания по лабораторным работам

По курсам « Процессы и аппараты химической технологии» и

«Процессы и аппараты пищевых производств»

 

 

Иркутск 2004г.

Определение гидравлических сопротивлений

Трубопровода и арматуры

Цель работы: Экспериментально определить гидравлическое сопротивление контрольных участков трубопровода и арматуры. Сопоставить справочные и экспериментальные значения коэффициентов трения и местных сопротивлений.

 

Основные определения и теория процесса

 

Трубопроводная сеть включает в себя прямые участки труб и местные сопротивления, в которых поток жидкости (газа) изменяет свою скорость по величине и направлению. К местным сопротивлениям относятся вентили, краны, задвижки, диафрагмы, повороты труб, внезапные и плавные расширения или сужения и т.д.

При движении среды по трубопроводной сети, вследствие вихреобразования и трения, энергия давления переходит в другие ее виды, в результате чего давление по длине сети падает. Если выбрать участок трубопровода и измерить давление на его границах, то разность измеренных величин будет потерей давления или гидравлическим сопротивлением данного участка.

Гидравлическое сопротивление прямого участка сети без местных сопротивлений рассчитывается по формуле:

           (1)

где Δ Р_тр – потеря давления на трение в прямой трубе, Па;

l – длина трубы, м;

d – внутренний диаметр трубы, м;

ρ – плотность жидкости, кг/м³;

w – скорость потока, м/с.

Коэффициент трения λ является безразмерной величиной и зависит от режима движения жидкости. Формулы для его расчета приведены в [1].

Потеря давления на трение в змеевике Δ Р_зм больше, чем в прямой трубе Δ Р_тр:

Δ Р_зм = Δ Р_тр ·ψ           (2)

Безразмерный поправочный коэффициент ψ > 1 вычисляют по формуле:

Ψ = 1+ 3, 54

где d – внутренний диаметр трубы, м;

D – диаметр витка змеевика, м.

Потеря давления в местных сопротивлениях рассчитывается по формуле:

       (3)

Коэффициенты местного сопротивления  зависят от вида сопротивления и берутся из справочных таблиц [1].

Описание установки

 

Вода из напорного бака 1 с помощью центробежного насоса 2 подается через систему различных гидравлических сопротивлений и поступает обратно в бак. Бак установлен выше насоса и питается от общего коллектора холодной воды. Поступив в первую линию, поток проходит сначала диафрагму 3, затем плавное расширение и плавное сужение 4. Далее поступает в четырехвинтовой горизонтально расположенный змеевик 5 диаметром 480мм. Затем проходит внезапное расширение и внезапное сужение потока 6. Диаметр основных труб составляет 55х2, 5 мм. Диаметр большой трубы – 100х2, 5 мм.

На разветвлении потока установлен коллектор, из которого жидкость с помощью задвижек 8, 12, 13 может быть направлена по второй, третьей или четвертой линии. На второй линии установлены дополнительно кран 9 и вентили 10, 11. На четвертой линии имеется прямой участок трубы 14 длиной 5м, предназначенный для исследования сопротивления трения. Запорная арматура имеет условный проход 50 мм.

Изменение скорости движения жидкости в трубопроводе достигается регулировкой расхода с помощью вентиля на линии нагнетания насоса. Расход воды измеряется диафрагмой 3, по показаниям дифференциального манометра 7. Потери давления при прохождении потока по прямому участку трубы, а также через арматуру, сужения и расширения измеряются тем же дифманометром, который работает в комплекте со вторичным прибором.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Заполнить напорный бак водой.

2. Открыть вентили на всасывающем и нагнетательном трубопроводе центробежного насоса.

3. Закрыть задвижки 8, 12 и открыть задвижку 13.

4. Включить центробежный насос.

5. Измерить перепад давления на диафрагме 3 и определить расход воды по графику.

6. Измерить поочередно перепады давления на плавном расширении 4, змеевике 5, резком расширении 6, прямом участке 14. Результаты измерений занести в таблицу.

Рисунок 1- Схема Установки

1- напорный бак

2- центробежный насос

3- диафрагма

4- плавное расширение

5- змеевик

6- внезапное расширение

7- вентили нормальные

7. Закрыть задвижку 13 и открыть задвижку 8 и выполнить замеры перепада давления на кране 9 и вентилях 10, 11. Результаты измерений занести в таблицу 1.

8. Далее с помощью вентиля на нагнетательном трубопроводе изменяют расход воды и выполняют все измерения для второго опыта.

 

Таблица 1 - Измеренные величины

Наименование величин	Обозначение	Размерность	Значение
Расход воды по диафрагме	V	м3/с
Потери давления - на прямом участке - на плавном расширении - на змеевике - на резком расширении - на резком сужении - на кране - на вентиле - на диафрагме	Δ Ртр. Δ Рпл.р.   Δ Рзм. Δ Рр.р.   Δ Рр.с. Δ Ркр. Δ Рвн Δ Рд.	Па Па   Па Па   Па Па Па Па

 

Обработка результатов измерения и содержание отчета

 

1. На основе перепада давления на диафрагме по градуировочному графику определяют расход воды V, м³/с.

2. По уравнению расхода V = w · S рассчитывают скорость потока на контрольных участках трубопроводной сети (для случаев сужения и расширения расчетную скорость находят по наименьшему сечению трубопровода).

3. Определяют число Рейнольдса

Re

4. Исходя из опытных значений потери давления на различных участках трубопровода с помощью уравнений (1) и (2) рассчитывают экспериментальные значения λ и  для обоих опытов и полученные результаты заносят в таблицу 2. Для рассматриваемого змеевика ламинарный режим при Re ≤ 9000 [1].

5. По графику или соответствующему уравнению устанавливают величину λ при шероховатости трубы е = 0, 2 мм [1].

6. Находят величины  по данным таблиц в приложении [1]. Значения λ и  заносят в таблицу 2, в графу справочные данные.

7. Сопоставляют справочные и экспериментальные значения коэффициентов трения и местных сопротивлений.

Отчет должен включать формулировку цели работы, схему установки, описание методики измерений и расчеты необходимых параметров.

 

Таблица 2 – Рассчитанные величины

Наименование величин	Обозначение	Размерность	Значение	Справочные данные
Скорость потока	W	м/с
Число Рейнольдса	Re
Коэффициент трения: - прямой трубы - змеевика	λ тр. λ зм.
Коэффициент местных сопротивлений: - плавного расширения - резкого расширения - резкого сужения - крана - вентиля - диафрагмы	пл.р. р.р. р.с. кр. вн. д.

 

И НАСАДОЧНЫХ КОЛОНН

Цель работы: Экспериментально определить гидравлическое сопротивление сухих и орошаемых контактных элементов – тарелок и насадок. Сопоставить измеренные величины с рассчитанными по эмпирическим зависимостям.

 

Основные определения и теория процесса

 

Тарельчатые и насадочные колонны являются широко распространенными аппаратами в химической и других смежных отраслях промышленности. В них осуществляется взаимодействие восходящих потоков газа или пара с жидкостью, стекающей по колонне вниз (абсорбция, ректификация).

Тарельчатые колонны работают в основном в барботажном режиме, когда пар или газ проходит через слой жидкости на тарелке в виде пузырей или струй.

Насадочные колонны работают в большинстве случаев как поверхностные аппараты, когда пар или газ взаимодействуют с жидкостью, стекающей в виде пленок по насадке.

Существует большое разнообразие контактных тарелок: колпачковые, ситчатые, клапанные, струйные и т.д. Их устройство и принцип работы описаны в [2]. 

Наиболее распространенной насадкой являются кольца Рашига, которые изготавливаются из керамики и металла. Кроме них используются также кольца Паля, спиральная насадка и др. [2].

Назначение тарелок и насадки в колонных аппаратах состоит в том, чтобы создать хороший контакт газа и жидкости и тем самым обеспечить эффективное протекание процессов тепло- и массообмена между взаимодействующими фазами.

Для того чтобы обеспечить перемещение газа через колонну, необходимо затратить мощность на преодоление гидравлических сопротивлений.

N = Δ P · V              (1)

где Δ P – гидравлическое сопротивление колонны, Па;

V – объемный расход газа, м³/с.

Для колпачковых тарелок гидравлическое сопротивление рассчитывают как сумму трех составляющих:

 Δ P_т = Δ P_сух. + Δ P_σ + Δ P_с.т.             (2)

где Δ P_сух =   – сопротивление сухой тарелки, Па;  

Δ P_σ =   – сопротивление связанное с преодолением сил

поверхностного натяжения жидкости, Па;

Δ P_ст =  – сопротивление, оказываемое слоем

жидкости на тарелке, Па.

Здесь: ρ _ж – плотность жидкости, кг/м³;

ρ _г – плотность газа, кг/м³;

 – коэффициент сопротивления колпачковой тарелки ( ≈ 5);

σ – поверхностное натяжение жидкости, Н/м;

m – высота прорезей колпачка, м;

b – ширина прорезей колпачка, м;

w₀ = w/ψ – скорость газа в прорезях колпачка, м/с;

w = V/S – скорость газа в колонне, м/с;

V – расход газа, м³/с;

S – площадь сечения колонны, м²;

ψ – доля сечения прорезей колпачка определяется как отношения их суммарной площади на тарелке к площади поперечного сечения колонны S, кг/м³;

К – отношение плотности пены к плотности чистой жидкости

 (К ≈ 0, 5);

l –расстояние от верхнего края прорезей до сливного порога, м (l = 0, 01м);

g – ускорение свободного падения, м/с²;

Δ h = (V_ж /ПК) – подпор жидкости над переливным устройством, м;

V_ж – объемный расход жидкости, м³/с;

П – периметр слива жидкости, м.

С увеличением скорости газа растет гидравлическое сопротивление тарелок, и при некоторых значениях W расходы энергии могут оказаться слишком большими. Однако чаще предельное значение скорости газа в тарельчатых колоннах определяется величиной брызгоуноса, который определяется как отношение количества жидкости, уносимого одним килограммом газа с нижележащей на вышележащую тарелку. Величину брызгоуноса е (кг жидкости/кг газа) для колпачковых тарелок можно определить по формуле:

е = (11, 5 · 10^-6/σ ) · (W/Н_С)^{3, 2}       (3)

где Н_С – высота сепарационного пространства, представляющая собой расстояние от верхней кромки пены до вышележащей тарелки, м.

Допустимая величина брызгоуноса составляет 0, 1 кг/кг. Если значение больше 0, 1, то необходимо уменьшить скорость газа в колонне.

Максимальный расход жидкости в колонне определяется сечением переливного устройства, обеспечивающего переток жидкости с вышележащей тарелки на нижележащую. При этом допустимая скорость жидкости в переливном устройстве можно рассчитать как

, м/с     (4)

Сопротивление орошаемой насадочной колонны можно рассчитать исходя из величины гидравлического сопротивления сухой насадки

Δ P_н = Δ P_сух. · [1+8, 4(L/G)^{0, 4}(ρ _г/ρ _ж) ^{0, 23} ]                 (5)

Сопротивление сухой насадки зависит от высоты слоя Н и определяется как

             (6)

где a – удельная поверхность насадки, м²/м³

a = 300

ε – доля свободного объема насадки, м³/м³

ε = 0, 7

Обе эти величины зависят от вида насадки и берутся из справочных таблиц [2].

Коэффициент сопротивления λ зависит от числа Рейнольдса для газа

Re_г

При Re_г < 40 λ _г = 140/Re_г

При Re_г > 40 λ _г = 16/Re_г^{0, 2}

В зависимости от скорости газа возникают различные режимы работы насадочной колонны: пленочный, подвисания, захлебывания, эмульгирования.

При достижении определенной скорости газа, называемой «точкой инверсии фаз» происходит резкое изменение в характере гидродинамической обстановки. В этот момент насадка полностью заполняется жидкостью, а газ начинает барботировать через нее в виде пузырьков и струек. Дальнейшее увеличение скорости может привести к захлебыванию колонны, при котором нарушается противоток газа и жидкости и жидкость выбрасывается из верхней части колонны. Очевидно, что рабочая скорость должна быть меньше, чем скорость захлебывания W_з, которую можно найти из уравнения:

        (7)

Коэффициент А = 0, 022 для процессов абсорбции, при которых жидкость взаимодействует с газами А = - 0, 125 для систем пар – жидкость.

 

Описание установки

 

Порядок выполнения работы

 

Для исследования влияния скорости газа на сопротивление сухой тарелки (насадки) необходимо измерить их сопротивление при трех различных расходах газа. Затем при этих расходах газа измерить сопротивление орошаемой тарелки (насадки). Расход жидкости на орошение в этом случае остается неизменным.

Далее исследуется влияние плотности орошения на сопротивление тарелки (насадки).

Для этого при постоянной скорости газа измеряют гидравлическое сопротивление орошаемой тарелки (насадки) при трех плотностях орошения.

Измеренные данные сводят в таблицу 1.

Таблица 1 - Опытные данные по сопротивлению колонн

 

№ п/п	Расход, м3/с		Сухой				Орошаемой
	тарелки	насадки	тарелки	насадки

 

В графе «Примечания» записываются визуальные наблюдения.

Обработка результатов измерения и содержание отчета

Измеренные величины позволяют рассчитать скорость газа в колонне и плотность орошения. А это, в свою очередь, совместно со сведениями о геометрических характеристиках колонн и физико-химических свойствах газа и жидкости позволяет рассчитать гидравлические сопротивления тарелок и насадок по формулам (2 - 6). Сравнение опытных и рассчитанных величин сводится в таблицу 2.

Таблица 2 - Сравнение опытных и рассчитанных величин

 

№ п/п

Скорость газа W, м/с

Плотность орошения U, м3/м2с

Сопротивление, Па