Контрольная работа по "Технологии". 33

Содержание 

                                                                                                                                                                                            

• Задание и исходные данные ………………………………………………    2
• Введение ………………………………………………………………… …   3
• Расчетная часть ……………………………………………………………...  5
• Преобразование гранулометрического состава…………………… .. ..  5
• Определение эквивалентного диаметра  частиц……………………….  5 
• Расчет порозности неподвижного слоя зернистого материала ………  6 
• Расчет первой критической скорости………………………………        7 
• Расчет второй критической скорости………………………………         8 
• Расчет рабочей скорости ……………………………………………        9 
• Расчет диаметра аппарата ……………………………………………… 10 
• Расчёт рабочей скорости, исходя из нового значения диаметра аппарата………………………………………………………………………… 10
• Расчет порозности псевдоожиженного слоя с учетом рабочей скорости……………………………………………………………………        11
• Определение действительной скорости воздуха в свободном сечении     слоя……………………………………………………………………………..  12
• Расчет объема, высоты неподвижного слоя и высоты псевдоожиженного слоя………………………………………………………. 11
• Определение высоты сепарационного пространства………………….13
• Расчет высоты установки входного штуцера…………………………. 13
• Расчет циклона  ………………………………………………………...  13 
• Расчет гидравлического сопротивления аппарата………………. …... 14 
• Заключение………………………………………………………………...   17
• Список использованных литературы …………………………………….  19 

 
 
 
 
 
 

 Цель работы: рассчитать аппарат с псевдоожиженным слоем зернистого материала, включая циклон, основные гидродинамические характеристики слоя зернистого материала, рассчитать геометрические размеры аппарата и циклона. Рассчитать полное гидравлическое сопротивление системы, включающее в себя сопротивление аппарата со слоем, сопротивление циклона и гидравлическое сопротивление распределительной (опорной) решетки. 

    Исходные  данные 

1. Вариант №20;
2. Материал слоя: силикагель;
3. Ситовой состав приведен в таблице 1.

 

    Таблица 1: Гранулометрический состав слоя зернистого материала. 

Фракция, мм	0,25-0,50	0,50-1,00	1,00-1,50	1,50-2,00
Содержание, %	12	17	28	43

 

4. Насыпная  плотность силикагеля ρ_нас=650 кг/м³;
5. Кажущаяся плотность частиц ρ_ч=1100 кг/м³;
6. Псевдоожижающий агент: воздух;
7. Температура воздуха: t_возд=150 ⁰С;
8. Число псевдоожижения: K_w=3,8;
9. Производительность: G_т =6,2 т/ч;
10. Среднее время пребывания силикагеля в аппарате τ₀=76 мин.;
11. Расход воздуха при рабочих условиях V_р=5200 м³/ч;
12. Доля живого сечения решетки от диаметра аппарата φ=0,015;
13. Диаметр отверстия решетки d₀=0,8 мм;
14. Толщина решетки δ=2 мм.

 

Введение 

    Большое распространение в промышленности и лабораторной практике получили аппараты с неподвижным слоем зернистого материала. Однако за последние 20-30 лет  возросло внимание ученых и специалистов к гетерогенным системам с псевдоожиженным слоем зернистого материала, обладающим целым рядом достоинств. В настоящее время свыше семидесяти технологических процессов используют в производственных масштабах технику псевдоожижения, все шире проникающую в такие отрасли промышленности как нефтеперерабатывающая, химическая, металлургическая, пищевая, медицинская, производство строительных материалов, ядерная энергетика и т.п.

    Основные  достоинства псевдоожиженного слоя: развитая межфазная поверхность, обусловленная малыми размерами частиц, интенсивное перемешивание твердого материала и выравнивание свойств (температур, концентраций и др.) по объёму слоя; интенсивный теплообмен слоя с размещенной в нем поверхностью, простота конструктивного оформления. Основные недостатки псевдоожиженного слоя: истирание и унос частиц (необходимость в ряде случаев весьма сложных улавливающих устройств после аппарата с псевдоожиженным слоем); в ряде случаев недостатком является перемешивание твердого материала и ожижающего агента.

    Аппараты  с кипящим слоем используются для перемещения и смешивания сыпучих материалов, для проведения процессов обжига, теплообмена, сушки, адсорбции, каталитических и других процессов. Это обусловлено тем, что псевдоожижению подвергаются частицы меньших размеров, чем частицы материалов, находящихся в неподвижном слое. Гидравлическое сопротивление при этом невелико, а уменьшение размеров частиц приводит к увеличению поверхности контакта с потоком и снижает сопротивление диффузии внутри частиц при взаимодействии между твердой и газовой (жидкой) фазами. В результате возрастает скорость протекания многих процессов. Например в адсорберах с кипящим слоем поглотителя в псевдоожиженном слое при прочих равных условиях интенсивность внешнего массопереноса выше, чем в неподвижном слое, вследствие больших скоростей газа, движущегося через слой. Вместе с тем, проведение процесса адсорбции в кипящем слое связано с трудностями выбора механически прочного адсорбента, способного выдержать достаточное число циклов в условиях повышенного истирания при интенсивном перемешивании частиц как в самом аппарате, так и в пневмотранспортных трубах.

    Элементами  зернистого слоя могут быть шары, таблетки, зерна неправильной формы, округлые гранулы, насадки из кубиков, кольца Рашига, кольца Лессинга, седла Берля и др. Слои, состоящие из частиц одинакового размера, называются монодисперсными. В промышленности большое распространение получили так называемые полидисперсные слои, в которых размер частиц неодинаковый. Более того, почти всегда используются смеси частиц самой разнообразной формы. Природа полидисперсного слоя связана с трудностями изготовления частиц одинаковой формы, а также процессами истирания или обрастания частиц в процессе работы аппарата. Однако наличие мелких частиц предохраняет от истирания более крупные частицы.

    В настоящей работе рассмотрен пример расчета аппарата со слоем нейтрального материала (силикагеля), а также рассмотрено влияние методов расчета основных параметров полидисперсного слоя на основные характеристики аппарата (геометрические размеры, скорость движения псевдоожижающего агента, гидравлического сопротивления аппарата).

 

     Расчетная часть. 

1. Преобразование гранулометрического состава. 

    Так как гранулометрический состав определён достаточно грубо, для более точного расчета необходимо преобразовать состав. Допустим, что в пределах каждой фракции зависимость диаметра от его содержания линейная, построим график (см. рис.1),  а по этому графику определим гранулометрический состав. Полученные данные сведём в таблицу 2. 

    Таблица 2 – Гранулометрический состав силикагеля.

Фракция, мм	0,25-0,455	0,455-0,73	0,73-1,02	1,02-1,195	1,195-1,375	1,375-1,53	1,53-1,65	1,65-1,765	1,765-1,885	1,885-2,00
Содержание, %	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10

 

2. Определение эквивалентного диаметра. 

    Для определения эквивалентного диаметра необходимо определить средний диаметр фракции. Для определения среднего диаметра фракции возьмем среднее арифметическое между максимальным и минимальным значениям диаметра каждой фракции 

     

 

    где d_ср – средний диаметр фракции, мм;

    d_min – минимальный диаметр фракции, мм;

    d_max – максимальный диаметр, мм. 

    Для расчета параметров кипящего слоя необходимо знать так называемый эквивалентный  диаметр, для определения которого существует две формулы: 

    где d_экв – эквивалентный диаметр, мм;

    d_{ср ,i} – средний диаметр фракций, мм;

    x_i – содержание фракции. 
 
 

    Определим средние диаметры фракций 

 
 

Находим эквивалентный диаметр:

 

 

Так как слой зернистого материала состоит  из частиц разных диаметров, нам нужно было определить средний  диаметр. Мы берем  среднее значение из-за того, что когда  диаметр частиц маленький , то достаточно меньшей скорости псевдоожижения, а если частица большого диаметра, то нужна большая скорость псевдоожижения. Мы берем средние значения, так как частички меньшего диаметра будут переходить в псевдоожиженное состояние, а частички большего размера будут подцеплять и переводить в псевдоожиженный слой частички меньшего диаметра. 

d_экв=(d_экв1 + d_экв2)/2

d_экв=(0,977+1,293)/2=1,125 мм 

3. Расчет порозности неподвижного слоя зернистого материала 
 

Порозность неподвижного слоя рассчитывают по формуле: 

ε0=1–ρнас/ρч

Где ε₀ – порозность неподвижного слоя;

       ρ_нас – насыпная плотность силикагеля, кг/м³;

       ρ_ч – кажущаяся плотность силикагеля, кг/м³. 

ε₀ = 1-650/1100=0.409

Определяем параметры  псевдоожижающего агента (воздуха) при температуре 150 ⁰С:

Плотность рассчитывается по формуле: 

где ρ – плотность, кг/м³;

М =29 – молярная масса воздуха, кг/кмоль;

Т₀ =273,15 – температура начала отсчета, К;

Т – температура среды, К.  

Плотность воздуха  равна:

По номограмме [2, с. 557] определяем вязкость воздуха:

μ = 0,024*10^-3 Па*с

4. Расчет первой  критической скорости

При этой скорости гидравлическое сопротивление слоя становится равным весу твердых частиц, слой приобретает текучесть и  переходит в псевдоожиженное состояние 

Критерий Архимеда рассчитывается по формуле

Где Аr – критерий Архимеда;

d_экв – эквивалентный диаметр, м;

ρ_ч – кажущаяся плотность частиц, кг/м³ ;

ρ – плотность среды, кг/м³;

g =9,81 – ускорение свободного падения, м/с²;

μ – вязкость среды, Па*с.

Рассчитаем значение критерия Архимеда для различных значений эквивалентного диаметра:

По данным значениям  критерия Архимеда находим первое критическое значение критерия Рейнольдса:

Данная  формула удобна при  расчете критерия Рейнольдса, если порозность слоя зернистого материала  равна ~ 0.4

Re_кр1 – первое критическое значение критерия Рейнольдса;

Ar – критерий Архимеда. 

Рассчитаем первое критическое значение критерия Рейнольдса:

10,86 

По рассчитанному значению критерия Рейнольдса рассчитывают значение первой критической скорости – начало псевдоожижения:

    Где w_кр1 – первая критическая скорость, м/с;

    μ – вязкость среды, Па*с;

    Re_кр1 – первое критическое значение критерия Рейнольдса;

    d_экв – эквивалентный диаметр, м;

    ρ – плотность среды, кг/м³. 

Рассчитаем значения первой критической скорости:

     

     м/с 

5. Расчет второй  критической скорости 

    Вторая  критическая скорость (конец псевдоожижения) рассчитывается аналогично, в выражении  для критерия Архимеда и критической скорости, вместо эквивалентного диаметра берётся минимальный, поскольку именно мелкие частицы первыми начинают уноситься из слоя. Значение минимального диаметра d_min = 0.25 мм. Критерий Рейнольдса для определения скорости свободного витания частиц рассчитывают по 

Где Re_кр2 – второе критическое значение критерия Рейнольдса;

Ar – критерий Архимеда для минимального диаметра.

Где d_min – диаметр самой маленькой частицы 0,25мм

ρ_ч – кажущаяся плотность частиц, кг/м³ ;

ρ – плотность среды, кг/м³;

g =9,81 – ускорение свободного падения, м/с²;

μ – вязкость среды, Па*с.

Аr – критерий Архимеда 

Где w_кр2– вторая критическая скорость, м/с;

μ – вязкость среды, Па*с;

Re_кр2 – второе критическое значение критерия Рейнольдса;

d_экв – эквивалентный диаметр, м;

ρ – плотность среды, кг/м³. 

Критерий Архимеда для минимального диаметра частиц равен:

Критерий Рейнольдса равен

Вторая критическая  скорость равна

м/с 

6. Расчет рабочей скорости псевдоожижения 

Используя известные значения числа псевдоожижения К_w = 3,8 и скоростью псевдоожижения  w_пс = 0,28 м/с, найдем рабочую скорость псевдоожижающего агента по формуле:

        

  _{Где Kw-число псевдоожижения}

  W_кр1 – первая критическая скорость 

      w_р = 3,8*0,28 = 1,064 м/с

Границей  существования псевдоожиженного слоя является начало псевдоожижения и начало режима пневмотранспорта: . Найденные нами значения скоростей псевдоожижающего агента НЕ удовлетворяют неравенству:

0,28< 1,064< 1,04

В таком случае мы изменяем число псевдоожижения, примем К_w = 3,6 

w_р=0,28*3,6=1,008 м/с

0,28< 1,008< 1,04

Найденные нами значения скоростей псевдоожижающего агента удовлетворяют неравенству, рабочая скорость равна 1.008 м/с 
 
 
 

7. Определение диаметра  аппарата 

D =

Где S – площадь сечения аппарата, м²

Для этого определим  площадь сечения аппарата

S = V_p/w_p

Где V_p – расход воздуха , м³/ч

w_p – рабочая скорость псевдоожижающего агента, м/с

S =5200/(1,008*3600)=1,433 м²

D =

  Выбираем  ближайшее значение стандартного диаметра D_cтанд.=1.4 м (ГОСТ 9617-76) 

8. Расчёт рабочей скорости, исходя из нового значения диаметра аппарата

Рассчитаем рабочую скорость псевдоожижающего агента, исходя из нового значения диаметра аппарата:

w_p=4V_p/(3600πd²)

где V_p – расход воздуха, м³/ч

d – диаметр аппарата, м

w_p=4*5200/(3600*3.14*1.4²)=0.94 м/с

Рассчитанная  рабочая скорость псевдоожижающего агента из стандартного диаметра аппарата входит в область псевдоожижения.

9. Расчет порозности  псевдоожиженного слоя с учетом рабочей скорости 

Рабочее значение критерия Рейнольдса находят по формуле 

Где Re_раб – рабочее значение критерия Рейнольдса;

W_раб – рабочая скорость, м/с;

d_экв – эквивалентный диаметр, м;

ρ – плотность среды, кг/м³;

μ – вязкость среды, Па*с. 

Рабочее значение Рейнольдса равно:

 

По найденному значению критерия Рейнольдса при рабочей скорости находим значение порозности псевдоожиженного слоя: 

Где ε_п.с. – порозность псевдоожиженного слоя;

Re_раб – критерий Рейнольдса при рабочей скорости;

Ar – критерий Архимеда. 

Рассчитаем порозность:

 

  Порозность  при рабочей скорости больше порозности при первой критической скорости, при которой частички только начинаю отрываться от неподвижного слоя. Это связано тем что частички имеют большую кинетическую энергию и сильнее отталкиваются друг от друга, из за этого образуются большего размера порозни. 
 

10. Определение действительной скорости воздуха в свободном сечении слоя

Действительную  скорость воздуха в свободном  сечении слоя рассчитывают: 

Wд =Wраб/εп.с.                Wд=0,94/0,536=1,753 м/с      Где Wд –действительная скорость воздуха в свободном сечении слоя         Wраб - рабочая скорость воздуха     εп.с.  – порозность псевдоожиженного слоя

 
 

11. Расчет объема, высоты неподвижного слоя, высоты псевдоожиженного слоя

     Масса силикагеля, необходимая для обеспечения  заданных параметров рассчитывается:

M=G*τ0/60

где М – масса  силикагеля, кг;

G – производительность силикагеля, кг/ч;

τ₀ – среднее время пребывания частиц, мин. 

М=6200*76/60=7853 кг 

Объем неподвижного слоя силикагеля рассчитывают

V=M/ρнас

Где V – объём неподвижного слоя, м³;

М – масса  силикагеля, кг;

ρ_нас – насыпная плотность силикагеля, кг/м³. 

Объем неподвижного слоя равен: 

V=7853/650=12,081 м³ 

Высоту неподвижного слоя находят  

h0=V/S

 

Где h₀ – высота неподвижного слоя, м;

V – объём неподвижного слоя, м³;

S – площадь сечения аппарата, м². 

Высота неподвижного слоя равна:

 h₀=4*12,081/(3,14*1,4²)= 7,851 м 

Высота псевдоожиженного слоя рассчитывается:

Где h – высота псевдоожиженного слоя, м;

ε₀ – порозность неподвижного слоя;

ε – порозность псевдоожиженного слоя;

h₀ – высота неподвижного слоя, м. 

Высота псевдоожиженного слоя:

        

Критическая высота сепарационного пространства, h_к, зависит от скорости газа w и диаметра аппарата D и определяется по графику [3, с. 467]. При w_р = 0,94 м/с и D = 1,4 м отношение h_к/D равно 3,2, тогда искомая критическая высота сепарационного пространства будет равной:

        

  

h_k=3,2*1.4=4,48 м

12. Определение высоты  сепарационного пространства

Рекомендуется проектировать сепарационное пространство (h_c) таким образом, чтобы оно было на 20 % ¸ 25 % больше значения критической высоты, следовательно, высота сепарационного пространства будет составлять:

  

  _{где  hc – проектируемая высота сепарационного пространства}

  _{hk – критическая высота сепарационного пространства} 

  h_с = 1,2*4,48 = 5,38 м

13. Расчет высоты  установки входного  штуцера

Высота установки  входного штуцера циклона рассчитывается

ha = h+hc