Docsity
Docsity

Przygotuj się do egzaminów
Przygotuj się do egzaminów

Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity


Otrzymaj punkty, aby pobrać
Otrzymaj punkty, aby pobrać

Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium


Informacje i wskazówki
Informacje i wskazówki

Fluidyzacja - opracowane ćwiczenie, Skrypty z Technologia i inżynieria chemiczna

Materiały do ćwiczeń

Typologia: Skrypty

2019/2020
W promocji
30 Punkty
Discount

Promocja ograniczona w czasie


Załadowany 16.07.2020

Lady_Pank
Lady_Pank 🇵🇱

4.7

(136)

375 dokumenty

Podgląd częściowego tekstu

Pobierz Fluidyzacja - opracowane ćwiczenie i więcej Skrypty w PDF z Technologia i inżynieria chemiczna tylko na Docsity! Wydział Chemii UMCS Zakład Technologii Chemicznej Ćwiczenie nr 11 Fluidyzacja. Lublin 2.2. Fluidyzacja Bardzo czgsto w produkcji lub w przetworstwie mamy do czynienia z substancja w po- staci rozdrobnionej fazy stalej . Faza stala mole pelnic roZne role w przebiegu procesu. MoZe nie brac udzialu w glownym procesie, a jedynie umozliwia6 rozwiniqcie powierzchni l<ontaktu faz, na przyklad j ako wypeln ienie kolumn absorpcyj nych, destylacyjnych lub ekstrakcyjnych. Moze znajdowai siQ w reaktorach chemicznych jako kataltzator. Moze takZe brai czynny udzial w procesie j ako j eden z reagentow. Spos6b kontaktowania siq przepfwaj4cego ptynu z rozdrobnion4 fazq stal4 znajduj4c4 siq w aparacie o porowatym dnie, w zalehnoSci od zachowania sig ziaren ctaLa stalego, rnozna podzielic na trzy rodzale'. a) przeplyw plynu przez nieruchome zloZe fazy stalej (cz4stki ciala stalego nie poruszajq siQ wzglgdern Scianek aparatu ani wzglqdem siebie, na przyklad sE zatrzymywane pomigdzy dwoma porowatymi ekranami lub plyn przeplywazniewielk4prqdkoScid, b) przeptyw plynu przezzloIe fluidalne (szczegolowo om6wione ponizej), c) transport pneumatyczny fazy stalej (ptyn porywa cz4stki crala stalego L razefft poru- szajqsiE w aparacie). 2.2.1. Og6lna charakterystyka fluidyzacji Jak wynrka z przedstawionej powyzej klasyfikacji, z fluidyzacjq mamy do czyntenra, gdy przez zlohe sypkiego materialu przeplywa ptyn z prpdkoSci4 mniejsz4 od wymaganej do transportu, a wigksz4 od dopuszczalnel dla warstwy nieruchornej. Aby okre5lic przedzial prgdkoSci plynu, w kt6rym wystEpuje fluidyzacja, rozpatrzrny prosty przyklad. W aparacte o stalym polu powierzchni przekroju"f [m'] i perforowanym dnie mamy nasypan4 warstwg ziaren ciala sypkiego. ObjgtoSi zajqtqprz:z zloZe (objqto(i warstwy) oznaczmy przez Dw [ *'], a obj qtoSi samych ziaren przez u. [m'] . Zaczynamy od dolu do gory przepuszczae przez aparat "plyn o ggstoSci Pp [kg/m3] z objqtoSciowym natqzeniem przeplywu wynosz4cyn V [m'/s] (rysunek 2.2.I). Liniowa szybkoSi przeplywu plynu przez kolumng (prgdkoSi pozorna - prqdkoSi odniesiona do przekroju aparatu) u lmls] bgdzie wynosic: c) Rysurrek 2.2.1. Przeplyw gazu w warstwie cz4stek stalych, a) warstwa nieruchoma, b) zloZe fluidalne, c) unosze- nie cz4stek stalych przez gaz a) b) fJl,lt','Jdl {,uf,ffi,}H .6.6"d.^6.6t' 6.d.6f|"ft'r'dff f if It i:er-e-oi,l 97 D, . , - D , D. a _ t v < . _ l u - - l uw 't)w gctzie: u,- objgtoSc warstwy [rrr3] ,'Dz - objgtoSd samych ziaren [rnt]. Dla warstwy nieruchomej, zloZonej z ziaren kulistych o jednakowej Srednicy, niezaleL- nie od ich rozrniaru, porowatoSi (e ) wynosi w przyblizeniu 0,4. Wraz ze wzrostem natEzenia przeplywu gazu roSnie porowatoSi (e ) zloZa fluidalnego (wzrasta jego objgtoSc 'Dw przy stalej objEtoSci u.). Dla szybko6ci wynoszenia Lt,u,,, moZna przyiqc, 2e Dw >> 'tJz I t -- 1. Dlatego stan fluidalny moze wystqpowai w przedziale od t - 0,4 do e: 1. WartoSci te mogq byi rowniez przyipte, z niewielkim przyblizeniern i dla ziaren w formie wieloScianu. Spadek ciSnienia przy przeplywie przez zloZe sypkiego materialu mozna okreSlii, wyko- rzystuj 4c doSwiadczalne r6wnanie Leva: 2 0 0 . n . H 0 . u . ( I - e ) 2 . Q 2 t ? , - 3 d , . L L p - (2.2.4) (2.2.s) (2 .2 .6 ) (2.2.e) gdzie: n dynamiczna lepkoSi gazu [Pa.s] , Ho wysokoSc zloLa odpowiadajqca krytycznej prqdkoSci f lLridyzac.i i [rn], A czynnik ksztaltu ziaren - jest to wspolczynnik pokazuj4cy l le razy powierzchnia cz4stkijest wiqksza od powierzchni kuli o tej sarnej objEtoSci. R6wnanie (2.25) jest sluszne dla przeptywu laminarnogo, w tym przypadku liczba kryterialna Reynoldsa (Re) definiowana nastapujEco: musi byi mniejsza od 10. Do wyznaczenia krytycznej prqdkoSci (rtr) mozemy wykorzystai r6wnanie (2.2.2). lJwzglEdniaj4c definicjE porowatoSci (u. - 1),,' (l- e)) oraz przedstawiaj4c objgtoSi zloZa w postaci i loczynu wysokoSci zloZa i pola powierzchni przekroju aparatu (iJ,, = H,,.f ), r6wnanie (2.2.2) przylmie postac: L p f = H o ' f ' ( l - e ) ' ( p - p , , ) ' g Otrzymuj emy wi qc zaleZnoic . (2.2.1) L p - H o . B . ( l - s ) . ( p - p , ) (2.2 8) Porownuj4c wartoSci spadku ciSnienia w momencie pocz4tku fuidyzacji (rownania 2.2.5 i 2.2.8) otrzymujemy zaleZnolc nakrytyczn4 prqdkoSi fluidyzacli: u . d " . p , . R e - n t t ? t ' . ( p - p , ) . s I l k r : f f i Jak wynika z powyzszego rownania, dla danego materialu sypkiego i przy stalej pocz4tkowej porowatoSci zloZa (e), prpdkoSi krytycznanie zaleZy od wysokoSci zloZa (Ho) Uwidacznia siq natomiast wplyw czynnikow zmieniaj4cych lepkoSi piynu (T), na przyklad rodzaj plynu, temperatura. Do obliczenia urzEdzen do fluidyzacji konieczne jest znalezienie zalelnoSci pomiqdzy wlaSciwoSciami f zycznymi plynu, szybkoSci4 wywiewania i porowato5ci4 zloZa. Tak jak czgsto ma to rniejsce w praktyce, zalelnoSci powyZsze s4 przedstawiane w formie wykre- 100 s6w funkcj i zmiennych bezwymiarowych. Przy rozpatrywaniu hydrodynamiki stanu fluidalnego bardzo wygodne jest poslugiwanie siQ zaleZnolci4 graficznE pomiqdzy kry- teriami Laszczenki (Ly) i Archimedesa (Ar): f (A r ) ZE WZOTU: u t ' P ? , L y - Liczbq kryterialn4 Laszczenki obl i czamy (2 2.r0) (2.2rr)I . t -rJ)/ - q . ( p - P , ) ' 8 Liczbq Archirnedesa wyznaczamy z zaleZnoSct: A r - Przyjrnuj Ec, 2e gpstoSd ciala stalego (p) jest rria powyZsze ulegaj 4 uproszczeniu: n' duzo wiEksza od gqstoSci , t l ' p,, ' (p - p,,) ' s (2.2.12) gazu (p),wyraZe- , t ' p , l L y - (2.2.r3) (2.2.r4) n ' p ' s d t , ' p r ' p A r - rl' W literaturze spotyka siq czpsto okreslenie krytycznej prgdkoSci fluidyzacji w postaci rownari kryterialnych typu Re k,= f (Ar), gdzie Re t , j est l iczbq Reynoldsa odpowiadaj 4c4 krytycznej prqdkoSci fluidyzacji. Jedna z czgsciej cytowanych zalelnoici ma postai: A r (2.2.Ls)Rrr, = rso ry *\7-l a, t - t - Po wyliczeniu hczb Ar i Re krytycznqprgdkoSi fluidyzacji mozna obliczyc na podstawie r6wnania2.2.6. 2.2.3. Zastosowanie fluidyzacji w praktyce przemyslowej Proces fluidyzacji charakteryzuje sig wieloma zaletami. Ze wzglqdu na silnie rozwinipt4 powierzchniE zetkniEcia faz oraz dziqki stalemu odnawianiu powierzchni miqdzyfazowej na skutek intensywnego mieszania powstaj q korzystne warunki do wymiany ciepla i masy. Umozliwia to zastosowanie fluidyzacji w heterogenicznych procesach chemicznych pro- wadzonych w ukladzie cialo stale - Edz, a zwlaszcza przebiegaj4cych ze znacznym efektem cieplnym. Wazn4 zaletq fluidyzacji jest r6wnieZ latwoSc utrzymania stalych parametr6w ciala stalego, poprzez wymianE czpsci wsadu, bez koniecznoSci przerywania procesu. Dos- konale mieszanie umozliwia uzyskanie jednorodnej mieszaniny kilku substancji o roZnych wlaSciwoSciach frzycznych. Fluidyzacja umozliwia wymianq duzych iloSci ciepla (poprzez wykorzystanie roZnic w pojemnoSciach cieplnych cial stalych I gazow). Te cechy fluidyza- cji prowadzqdo wzrostu szybkoSci przebiegu proces6w, a zatem wzrostu wydajnoSci apa- rat5w. Powylsze zalety pozwolily na zastosowanie fluidyzacji w duzej iloSci proces6w w ro2' nych galpziach przernyslu. Oto niektore z nich: 1 0 1 l. Suszenie mineral6w, nawo zow i produktow spo Zywczych. 2. Reakcje cherniczne (na przyktad katalityczny kraking wqglowodor6w, synteza chlorkSw alkilowych, akrylonitrylu, produkcja bezwodnika ftalowego, reakcja Fischera Tropscha i inne). 3. Gazyfikacja paliw stalych - wydobywanie wEglowodor6w z tupkow bitumicznych, zga- zowanie wqgla w generatorze Winklera (pierwsze zastosowanie fluidyzacli w praktyce przemyslowej w roku 1926), spalanie wqgla w kotlach fluidalnych, pozwalaj4ce na ograniczenie misji tlenk6w azotu i siarki. 4. Obrobka mineralow (produkcja wapna palonego, redukcja tlenkow Zelaza, utlenianie mi- neral6w zawieraj4cych s i arkq, prazenie koncentrat6w fl otacyj nych). 5. Adsorpcja (odzyskiwanie CSz, osuszanie gaz6w). 6. Powlekanie metali warstwami plastycznymi. 7. Mies zanie (proszki szklane, przemysl chemic zny i rnetalurg iczny). 8. Blanszowanie produkt6w spozywczych. 2.2.4. Opis (wiczenia Cel iwiczenia Celem iwiczenia jest wprowadzenie w zagadnienia zwiqzane z fluidyzacjq oraz zapo- znanie ze sposobami wyznaczania podstawowych wielko6ci charakteryzuj4cych tE operacjq j ednostkow4. Zadania Znalehc krytyczn4 prqdko5c fluidyzacji oraz prgdkoSi wynoszenia dla ciala stalego wskazanego przez prowadzEcego cwiczenia. Por6wnai wielkoSci otrzymane doSwiadczal- nie z uzyskanymi na podstawie obliczefi teoretycznych. Aparatura Zestaw do badania zjawiska fluidyzacji (rysunek 2.2.4) sklada siq ze sprqzarki (1), na kt6rej zamocowany jest zaw5r redukcyjny (3) z manometrami wysokiego (2) i niskiego ciSnienia (4), zaworu iglowego (5); manostatu (6); zaworu iglowego (7); rotametrow (8); manometru rolnicowego (9); kolumn fluidyzacyjnych o rolnej Srednicy (10) Rysunek 2.2.4. Schernat zestawu aparatury do badania z jawiska f lu idyzacj i 102 4. po wyznaczeniu l iczby Archirnedesa, obliczyi Sredni4 warto5c Srednicy ziaren zloZa (na podstawie rownan ia 2.2 12) Porowna c z wartoSci4 odczytan4 z etykiety poj ernn ika z ziarnern ciala stalego. 5. Z wykresu zaleZno$ci kryteriow Ly - f(Ar) znaleLc wartoSc kryteriutn Laszczenki dla t: I (dla l iczby Archirnedesa okreslonej w punkcie 3) i obliczyc prqdkoSc wyrroszenta tL,"r,, (na podstawie r6wnania 2.2'II). 6. N; podstawie r6wnania (2.2.2) okreslic crqZar ziaren w zIoZu (r6wny i loczynowi G,= Apl) . Porownai z wartoSci4 zmierzonq(Gr.= r t t 'g) 1 . Wyniki umiesci i w tabel i 2.2.2. Dane potrzebne do przeprowadzenia powyzszych obliczen (dotyczqce gqstoici i lep- koSci powietrza) znaj dri tt siq vt tabeli 2.2.3. Tabela 2.2.2. Paramctry f lu idyzacj i badarrego ciala stalego Nazwa ciala stalego Krytyczna prqdkoSc fl uidyzacj i rri, Invs] Srednica ziaren d, Irn] PrqdkoSc wynoszenia ll nry,, lrn/sl CiqZar zloLa G* tNlKolumna WartoS6 SredniaI I I Tabe la 2 .2 .3 . Wla5c iwoSc i suchego powie t rzapod c iSn ien ie rn l ' 105Pa 2.2.4. Symbole wielkoSci uzywanych w rozdziale 2.2 Ap rolnica ciSnieri, p gqstoSi ziaren, Ps gEstoSi gazu, Pp gqstoS6 Plynu, t porowatoS(, zloZa, Tl dynamiczna lepkoS6 gazu, O czynnik ksztaltu, Temperatura ["c] GgstoS6 Ikg/m3] LepkoSc [ 0-5 Pa's] 0 1 0 20 30 40 50 60 1,293 1,247 1,205 I , 1 6 5 1 , 1 2 8 1 ,093 l ,060 1 , 7 1 7 1 ,166 1 , 8 1 5 1 ,864 1 , 9 1 3 1 ,962 2 ,011 105 Ar liczba Archimedesa, d, Srednica zastgpcza ziaren ciala stalego, f pole powierzchni przekroju, F r liczba Frouda, I przyspieszenie ziemskie, G, ciplar ziaren w zlozu, H0 wysokoS c zlo2aodpowiadaj4ca krytycznej prqdkoSci fluidyzacji, Ly hczba Laszczenki, ttx masa, Re liczba Reynoldsa, Rew liczba Reynoldsa odpowiadaj4ca krytycznej prgdkoSci fluidyzacji, U liniowa srybkoS c przeplywu plynu przezkolumnq (prqdkoSi pozorna), ttk, krytyczna prgdkoSi fluidyzacji, Lt',v),n prgdkoSi wynos zenia, V objqtoSciowe natqzenie przeplywu plynu, u,u objgtoSi warstwy ciala stalego, D. objqtoSi samych ziaren ciala stalego, Literatura 1. Bis Z-, Fluidyzarja cyrkulat:yjna ntieszanin polidyspersyjrtyr:h, Politechnika Czpstochowska, Czgstochowa 1999. 2. Ciborowski J., Podstatuy inzynierii chemicznej, Wyclawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1965. 3. Kandefer S-, Spalanie.fluidalne odpadriw i paliw niskogatunkowych, Politechnika Krakowska, Krak6w 1989. 4. Koch R., Noworyta A., Procesy ntechaniczne v iniynierii chemicznej, Wyclawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1998. 5. Kozak D., Wybrane operacje jednostkowe i aparatury przemltsly chenticznego, Wyclawnictwo Uniwersyteru Mari i Cur ie-Sklodowskiej , Lubl in I 986. 6. Kuczyriski W., Podrqcznik do 6viczeit z technologii chemicznej, Panstwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1914. 1. Lewicki P., Inzynieria procesowa i aparatura przemyslu spozytuczego, Wyclawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1999. 106