- Порозность – доля жидкости или газа в объеме слоя.
/61/
Для неподвижного слоя порозность составляет 0,35-0,45 и ориентировочно принимается равной 0,4.
- Доля частиц в слое
x = 1 - ε
- Действительная и фиктивная скорости.
Уравнение постоянства объемного расхода газа /жидкости/
В свободном сечении В слое зернистого
аппарата материала
Ve = S · W0 = Sсвоб. · W м3/с /62/
Принимаем ориентировочно Sсвоб. ≈ S · ε, тогда
- Эквивалентный диаметр каналов в слое.
Представим условно один цилиндрический канал в слое, как это показано на рис 67.
Рис. 67. Условный цилиндрический канал в слое зернистого материала.
Поверхность цилиндрического канала
F = πdэ · H, откуда πdэ =
Cмоченный периметр
П = πdэ =
Для слоя зернистого материала принимается допущение:
– суммарная поверхность всех каналов равна суммарной поверхности всех частиц.
F = Fч
Поверхность частиц
Fч = S · H · a
где a – удельная поверхность частиц, м2/м3.
Смоченный периметр каналов
Эквивалентный диаметр каналов
Удельная поверхность частиц /N – число частиц в cлое/
|
|
Теперь
/63/
Для частиц неправильной формы вводится Φ – фактор формы.
Процессы,
протекающие в слое зернистого материала.
Представим слой зернистого материала /кварцевый песок/ в цилиндрическом аппарате с дифманометром. Снизу в аппарат подается воздух, дифманометр залит подкрашенной водой. Схема аппарата показана на рис. 68.
Рис. 68. Схема цилиндрического аппарата со слоем зернистого
материала и дифманометром.
На установке снимаются: показания ротаметра /число делений/ и дифманометра /Δh мм/. Далее по градуировочному графику число делений ротаметра переводится в расход газа / Vc м3/с/. Рассчитывается фиктивная скорость газа
Перепад давлений в слое, определяемый дифманометром,
рассчитывается приближенно по формуле
Опытные данные позволяют построить графическую зависимость Δp = f(W0), которая в общем виде представлена на рис. 69.
Рис. 69. Кривая идеального псевдоожижения
1 – неподвижный слой /фильтрование воздуха/, 2 – псевдоожиженный слой: а/ спокойное псевдоожижение, б/ кипящий слой, в/ слой с барботажем больших пузырей, 3 – унос частиц.
По графику на рис. 69. определяются первая и вторая критические скорости /начало и окончание псевдоожижения/. В процессе псевдоожижения слой расширяется, его высота увеличивается, порозность слоя изменяется от 0,4 /т. А/ до 1,0 /т. В/. Для работы промышленных аппаратов обычно принимается порозность, равная 0,75, что соответствует рабочей скорости псевдоожижения /W раб./. Отношение рабочей скорости к первой критической называется числом псевдоожижения:
/64/
|
|
Зависимость Δp = f(W0) отражает структуру и поведение слоя. Некоторые примеры приведены на рис. 70-73.
I
Рис. 70. Слой с адгезией /сцеплением/ частиц.
Требуется небольшой перепад давлений, чтобы устранить адгезию.
Рис. 71. Слой с поршневым уносом частиц.
Перепад давлений в области уноса увеличивается для преодоления сил трения поршней о стенки аппарата.
Рис. 72. Слой с каналообразованием.
Открытие и закрытие каналов создают пульсирующую кривую псевдоожижения.
Рис. 73. Фонтанирующий слой.
Требуется значительный перепад давлений для образования осевого канала в слое.
Расчетные зависимости
- Уравнение постоянства частиц в слое, /закон сохранения материи/
Неподвижный слой Кипящий слой
H0 · S · (1 – ε) = Hпс. · S · (1 – ε)
Откуда высота кипящего слоя
/65/
- Уравнение Бернулли /закон сохранения анергии/ для сечений 1-1 и 2-2 /рис. 68/.
Откуда
p1 – p2 ≈ Δpn /66/
- Баланс сил, действующих на слой /рис. 68/.
p1 · S + A – GT – p2 · S = 0
GT – A = (p1– p2) · S
g(ρT – ρC) · (1 – ε) · H · S = Δp · S
Откуда высота слоя
/67/
Для расчета "Н" Δp принимают или рассчитывают.
- Потери напора /равны перепаду давления/.
По формуле Дарси-Вейсбаха /внутренняя задача гидродинамики/
/68/
а/ Re < 1, λ = 133/Re – ламинарный режим,
б/ Re > 7000, λ = 2,34 – турбулентный режим,
в/ l = H,
г/ ,
д/ ,
е/
Выражения а/ – е/ подставляем в формулу /68/:
/69/
Формулу /69/ опубликовал в 1952 г. американский ученый Эрган /S. Ergun/. Первое слагаемое формулы учитывает ламинарный режим, второе – турбулентный режим.
- Скорость псевдоожижения.
Балане сил, действующих на одиночную частицу в состоянии витания, будет таким же, как и /14/, только сила сопротивления будет называться силой кинетического /скоростного/ давления.
Для учета ансамбля частиц в зависимость /16/ вводят порозность:
/70/
Зависимость /70/ была опубликована в 1958 г. ленинградскими авторами: В.Д. Горошко, Р.Б. Розенбаум, О.М. Тодеc, – в виде
/71/
Для расчета первой критической скорости порозность слоя принимается равной 0,4 и формула /71/ будет иметь вид:
/72/
Для расчета второй скорости /критической/ псевдоожижения порозность слоя принимается равной 1,0 и формула /71/ будет иметь вид:
/78/
Для расчета любой скорости псевдоожижения /в том числе и рабочей/ применяется графическая зависимость критерия Лященко от критерия Архимеда и порозности:
/74/
где .
Графическая зависимость /диаграмма/ /74/ представлена на рис. 74.
Рис. 74. Зависимость критерия Ly от критерия Ar и порозности
4/ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ
Цель перемешивания заключается в снижении градиента концентрации или температуры, либо обоих одновременно, в перемешиваемой среде.
Применяется как самостоятельный процесс для получения однородной смеси или как средство для интенсификации тепловых, массообменных и химических процессов.
Перемешивающее оборудование разделяют на четыре основные группы:
- для газов,
- для ньютоновских жидкостей,
- для неньютоновских жидкостей,
- для твердых сыпучих материалов.
1. Перемешивание газов.
Различают перемешивание:
а/ нескольких газов /У-образное соединение труб, сопло, вентилятор/,
б/ газы и пары /то же/,
в/ газы и жидкости /диспергирование – сопло, центробежные разбрызгиватели и др./,
г/ газы и твердые вещества /пневмотранспорт, взвешенный слой/.
Перемешивание в газовой среде редко применяется как самостоятельный процесс и обычно рассматривается совместно с другими процессами /абсорбция, сушка и др./.
2. Перемешивание ньютоновских жидкостей.
Различают перемешивание:
– циркуляционное,
– струйное,
– барботажное,
– ультразвуковое /акустическое/,
– пульсационное,
– механическое с помощью мешалок:
– лопастные,
– пропеллерные,
– турбинные,
– специального типа.
Некоторые виды перемешивания и типы мешалок представлены на рис. 75-88.
|
|
3. Перемешивание неньютоновских жидкостей
Проводится с помощью мешалок и смесителей.
Мешалки | Смесители |
/вязкость жидкости до 100 Па.с/ | /вязкость смеси до 104-105 Па.с/ |
– турбинные | – роторные |
– якорные | – червячно-лопастные |
– гребенчатые | – валковые |
– комбинированные |
4. Перемешивание твердых сыпучих материалов.
Проводится в смесителях. Различают смесители:
Тихоходные | Быстроходные |
Fr < 30 | Fr > 30 |
– лопастные | – ударные |
– барабанные | – центробежные |
– шнековые |
МЕХАНИЧЕСКОЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ НЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕЙ
Теоретические основы
Движение потока перемешиваемой жидкости, вызываемое мешалкой, очевидно, можно описать дифференциальным уравнением Навье-Стокса, которое после преобразования согласно теории подобия приводится к критериальному уравнению /11/. Для стационарного процесса перемешивания выпадает критерий Н0, тогда уравнение /11/ примет вид:
/75/
Раскрывая критерии подобия, получим функциональную зависимость между величинами:
/76/
Однако при перемешивании в жидкой среде мы имеем сложную эпюру распределения скоростей и давлений в аппарате с мешалкой. Схема аппарата представлена на рис. 89.
Рис. 89. Схема аппарата с перегородками и мешалкой.
Можно предположить, что скорость движения жидкости в любой точке аппарата будет пропорциональна числу оборотов мешалки и диаметру мешалки:
/77/
Мешалку можно рассматривать как насос, тогда полезная мощность
/78/
В свою очередь расход жидкости будет зависеть от скорости и диаметра аппарата:
/79/
Таким образом от зависимости /76/ мы переходим к зависимости /80/:
/80/
Методом анализа размерностей зависимость /80/ переводятся в критериальное уравнение:
/81/
где
– критерии мощности,
– центробежный критерий Рейнольдса,
– центробежный критерий Фруда.
– геометрический симплекс.
Для механического перемешивания геометрических симплексов может быть несколько /все параметры относятся к диаметру мешалки/:
; ; ; .
При условии геометрического подобия /Г = const и переходят в константу "С"/ и при отсутствии воронки /≈ 0, для устранения воронки устанавливают перегородки/ уравнение /81/ принимает вид:
|
|
/82/
Общий вид зависимости /82/, полученный опытным путем, представлен на рис. 90.
Рис. 90. Общая зависимость критерия мощности от критерия Рейнольдса.
Режимы перемешивания и расчет полезной мощности
На графике рис. 90 можно отметить четыре характерных области.
- Участок АВ, < /30-50/, ламинарный режим перемешивания. В этом случае
; N μ /83/
В ламинарном режиме мощность, потребляемая мешалкой, пропорциональна вязкости среды.
- Участок ВС, = 50-104, переходный режим. Для расчета мощности используются опытные графические данные.
- Участок СD, = 104-106, турбулентный режим. Тогда
; N μ /83/
В турбулентном режиме мощность перемешивания пропорциональна плотности среды.
- Участок ЕF, = 104-106, турбулентный режим с образованием воронки. В этом случае необходимо учитывать критерий Фруда. Однако на практике стараются избежать этот режим из-за неустойчивости перемешивания и вибрации вала. Мешалка выходит из зацепления с жидкостью, как это показано на рис. 91, поэтому критерий мощности уменьшается.
Рис. 91. Перемешивание с образованием воронки.
1 – область вынужденного вихря, где собираются частицы суспензии.
Мощность двигателя мешалки
Определяется по формуле
, /85/
где η = 0,6 – 0,9 – кпд мешалки.
Для ньютоновских жидкостей пусковой момент не учитывается.
Интенсивность и эффективность перемешивания
Если τ – время для достижения определенного технологического результата, то произведение
τ · n /86/
может служить показателем интенсивности мешалки. Самой интенсивной признается турбинная мешалка.
Произведение
N · τ /87/
может служить показателем эффективности мешалки. Самой эффективной признается пропеллерная мешалка.
Пути интенсификации перемешивания.
Основные трудности при моделировании механического перемешивания в турбулентном режиме возникают из-за изменения масштаба турбулентности /размер вихря и путь его смешения/. В малом объеме аппарата соответственно невелик масштаб турбулентности и перемешивание осуществляется более интенсивно, чем в большом объеме аппарата.
В соответствии с этим можно отметить следующие пути интенсификации процесса перемешивания.
- Уменьшение диаметра или объема аппарата.
- Увеличение диаметра мешалки, .
- Секционирование и размещение нескольких мешалок в одном аппарате.
- Применение комбинированного перемешивания, например, барботаж + ультразвук + механическое перемешивание.
НЕНЬЮТОНОВСКИЕ ЖИДКОСТИ
Методика определения мощности механического перемешивания
- Зная тип неньютоновской жидкости, принимают число оборотов "n" мешалки и определяют среднюю скорость сдвига
мин-1 /88/
Для псевдопластичной жидкости принимается k = 13, для бингамовской k = 10, для дилатантной .
- По реологической характеристике определяют эффективную вязкость жидкости. Например, для точки "А" дилатантной жидкости, рис. 92.
Рис. 92. Реологическая характеристика дилатантной жидкости.
Эффективная вязкость для т. А
/89/
- Зная диаметр мешалки, определяют число Рейнольдса
/90/
- Для неньютоновских жидкостей перемешивание возможно в ламинарном или /в крайнем случае/ переходном режимах. Из зависимости , представленной графически на рис. 93, определяют критерий мощности KN.
Рис. 93. Зависимость критерия мощности от числа Рейнольдса
для неньютоновских жидкостей
Полезная мощность
/91/
- Мощность двигателя. Определяется по формуле:
, /92/
где – кпд привода,
– мощность пуска /определяется по эмпирическим формулам/.
ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ
Тепловые процессы представляют собой переход тепла от одного теплоносителя к другому и подчиняются основному уравнению теплопередачи:
/93/
где Q – расход тепла от первого теплоносителя ко второму, Вт,
К – коэффициент теплопередачи, Вт/м2.K,
F – поверхность теплопередачи, м2,
– средняя разность температур между теплоносителями, К/ºС.
К тепловым процессам относятся.
- НАГРЕВАНИЕ – увеличение температуры вещества путем подвода тепловой энергии. Температура / t / увеличивается, t > tнач.
- ОХЛАЖДЕНИЕ – уменьшение температуры вещества путем отвода тепловой энергии
Температура / t / уменьшается, t < tнач.
- КОНДЕНСАЦИЯ – перевод пара в жидкое состояние путем отвода тепловой энергии.
tконд. = const.
- ИСПАРЕНИЕ – перевод жидкости в парообразное состояние путем подвода тепловой энергии.
tисп. = const.
Частные случаи.
КИПЕНИЕ – испарение жидкости при tкип. = const.
ВЫПАРИВАНИЕ – кипение растворов твердых нелетучих веществ при tкип. = const.
ВОЗГОНКА – /сублимация/ – перевод твердого вещества в парообразное состояние, минуя жидкую вазу.
tвозг. = const.
Классификация тепловых процессов в развернутом виде c указанием аппаратуры представляется ниже.
Тема: "Нагревание, охлаждение и конденсация" – предлагается студентам для самостоятельного изучения по учебнику А.Н. Плановского /глава седьмая/. [1, 1972 г. – стр. 160-181].
Классификация теплообменников и основы их конструктивного расчета представлены в пособии:
Тепловые процессы. Методические указания по лекционному курсу. /Сост.: В.С. Сальников, Б.Н. Басаргин/ - Ярославль, ЯПИ,1982. – 26 с.
Дополнительные рисунки с небольшими пояснениями представлены далее на стр. 89 - 104 /данные МКТИ/.
Из этой тематики более подробно мы рассмотрим обработку опытных данных по лабораторной работе №23 "Испытание элементного теплообменника" и полные тепловые расчеты дефлегматора и кипятильника для курсового проекта по ректификации.
СПОСОБЫ ПОДВОДА И ОТВОДА ТЕПЛА В ПРОМЫШЛЕННОЙ
АППАРАТУРЕ. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ.
В химической промышленности применяются различные способы подвода и отвода тепла.
Для подвода тепла использует электроэнергию, топочные газы, полученные сжиганием газообразного, жидкого или твердого топлива, и промежуточные теплоносители. В ряде случаев источниками тепла служат экзотермические процессы в химических реакторах; здесь отбор тепла, необходимый с технологической точки зрения, позволяет в то же время утилизировать его, что повышает экономичность производства.
Выбор способа подвода тепла и выбор теплоносителей определяются потребной температурой, технологическими и технико-экономическими соображениями.
При электрообогреве тепло может подводиться в нагревательных устройствах с электросопротивлением или внешним индукционным обогревом (рис. Т-I), токами высокой частоты (рис.2), а также в электродуговых печах. При этом достигаются высокие температуры (при нагревании электросопротивлением – порядка 1000 °С, а при электродуговом нагреве – насколько тысяч градусов). Температура может легко регулироваться отключением или включением части элементов или изменением напряжения. Установки с электрообогревом – весьма компактны. Однако их распространение лимитируется дефицитностью и сравнительно высокой стоимостью электроэнергии.
Обогрев топочными газами осуществляют либо непосредственно в печах, либо – в вынесенных теплообменниках (рис. 3). Такой способ подвода тепла прост, обеспечивает достижение высоких температур (до ~1000 °С), однако обладает рядом существенных недостатков: опасность взрывов и пожаров, невозможность быстрого и точного регулирования температуры, громоздкость установок из-за низких коэффициентов теплоотдачи от газов (10-60 Вт/м2.К) и низкой объемной теплоемкости последних.
Для подвода тепла при более низких температурах (до нескольких сот градусов) предпочитают использовать промежуточные теплоносители.
Наиболее широко распространенным теплоносителем при необходимости
обеспечения температуры не выше 180-200 °С является насыщенный водяной пар. При возможности транспортирования на большие расстояния он обладает рядом существенных достоинств: доступность: высокий коэффициент теплоотдачи (~ 10000 Вт/м2), обеспечивающий
компактность установки; высокая теплота конденсации, обеспечивающая низкий его расход; равномерность обогрева и возможность тонкого регулирования температуры изменением давления.
На рис.4 показан обогрев "острым", а на рис 5 – "глухим" паром. При наиболее широко распространенном способе использования водяного пара в поверхностных теплообменниках ("глухой" пар) достижение полной конденсации пара в теплообменном аппарате обеспечивается установкой на выходе из него конденсатоотдатчиков (рис.5 и 6).
Для работы при более высоких температурах, чем те, которые достигаются с помощью водяного пара, применяют высокотемпературные теплоносители – парообразные и жидкие.
Среди паровых органических теплоносителей наибольшее распространение нашла дифенильная смесь, содержащая около трех четвертей дифенилового эфира и около четверти дифенила. При атмосферном давлении жидкая дифенильная смесь кипит при 258 °С,
а при повышенном давлении (~8 ат) ее можно применять до ~ 400 °С (выше начинается интенсивное разложение смеси). Дифенильная смесь, хотя и горюча, но практически взрывобезопасна и нетоксична.
Пары высококипящих органических жидкостей, как и водяной пар, получают в котлах, обогреваемых топочными или технологическими газами (в последнем случае котлы называют котлами-утилизаторами) и направляют для использования в теплообменники; образовавшийся в последних конденсат вновь возвращают в котел.
При использовании жидких высокотемпературных теплоносителей применяют либо обогрев с помощью рубашек (бань), либо (чаще) циркуляционный обогрев (рис.7). Среди таких теплоносителей можно назвать перегретую воду при давлениях и температурах, близких к критическим (ею можно греть до 300-350°С), минеральные масла, органические и кремнийорганические соединения (в том числе и уже упоминавшуюся, жидкую дифенильную смесь), расплавленные соли и металлы (последние применяют при температурах вплоть до ~ 1000°С). '
Отвод тепла чаще всего осуществляют с помощью естественных
История ее развития за рубежом и в России. Патология клетки. Понятие о дегенеративных (альтеративных) процессах. Понятие о дистрофиях и механизмах их развитий. Классификация дистрофий. Паренхиматозные дистрофии и их виды.
1. Содержание и задачи патологической анатомии. На первых двух курсах вы изучали нормальную анатомию, гистологию и нормальную физиологию. В совокупности они формируют единую науку - физиологию. С этого года вы приступаете к изучению нового предмета - патологической анатомии.