Расчет аппарата с псевдоожиженным слоем зернистого материала

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО "Уфимский государственный нефтяной

технический университет"

Кафедра нефтехимии и химической технологии

Домашнее задание

по дисциплине

«Процессы и аппараты химической технологии»

«Расчет аппарата с псевдоожиженным слоем зернистого материала»

Выполнил: студ. гр. ТП-10-01 Ю.В. Железняков

Проверил: д.т.н. профессор Г.К. Зиганшин

Уфа 2012

Содержание

Задание и исходные данные

Введение

Преобразование гранулометрического состава

Определение среднего диаметра частиц силикогеля 

Расчет порозности неподвижного слоя зернистого материала

Расчет скорости начала псевдоожижения

Расчет второй критической скорости w_кр2

Расчет рабочей скорости 

Расчет диаметра аппарата 

Рассчитаем рабочую скорость, исходя из нового значения диаметра аппарата

Определие порозности псевдоожиж. слоя при рабочей скорости

Определение действительной скорости воздуха в свободном сечении слоя

Расчет объема неподвижного слоя

Расчет высоты неподвижного слоя 

Расчет высоты псевдоожиженного слоя

Определение высоты сепарационного пространства

Расчет высоты установки входного штуцера циклона

Расчет циклона

Расчет гидравлического сопротивления аппарата и его компонентов

Заключение

Список использованных источников

Задание и исходные данные

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 №38;

2. Материал слоя: силикагель;

3. Ситовой состав приведен в таблице 1.

Таблица 1: Гранулометрический состав слоя зернистого материала.

Фракция, мм	2,0-1,5	1,5-1,0	1,0-0,5	0,5-0,25
Содержание, %	43	28	17	12

4. Насыпная плотность силикагеля с_нас=650 кг/м³;

5. Кажущаяся плотность частиц с_ч=1100 кг/м³;

6. Псевдоожижающий агент: воздух;

7. Температура воздуха: t_возд=165⁰С;

8. Число псевдоожижения: K_w=5,80;

9. Производительность: G_т =6,00 т/ч;

10. Среднее время пребывания частиц в аппарате ф₀=50 мин.;

11. Расход воздуха при рабочих условиях V_р=5800 м³/ч;

12. Доля живого сечения решетки от диаметра аппарата ц=0,015;

13. Диаметр отверстия решетки d₀=0,8 мм;

14. Толщина решетки д=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).

Преобразование гранулометрического состава

Т.к. 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 приложение 1), а по этому графику определим гранулометрический состав. Полученные данные сведём в таблицу 2.

Таблица 2 - Гранулометрический состав силикагеля.

Фракция, мм	2,0 - 1,92	1,92 - 1,82	1,82-1,69	1,69 - 1,54	1,54 - 1,38	1,38 - 1,22	1,22 - 1,02	1,02 - 0,71	0,71 - 0,45	0,45- 0,25
Содержание, %	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10

Определение эквивалентного диаметра

Цель: Рассчитать эквивалентный диаметр двумя методами и определить наиболее подходящий для нашего аппарата.

Для определения эквивалентного диаметра необходимо определить средний диаметр фракции. Для определения среднего диаметра фракции существует несколько формул, выбор типа формулы зависит от типа распределения диаметра от содержания, основных формул 2: как среднее арифметическое и как среднее геометрическое

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

По формуле (1) получаем:

Находим эквивалентный диаметр:

Среднее значение диаметра частиц силикагеля:

d_СР=(_.+)/2=(0,9691+1.2875)/2=1.1283мм

Вывод:

Так как слой зернистого материала состоит из частиц разных диаметров, нам нужно было определить средний диаметр частиц равный 1,1283 мм. Нам будет, достаточно этого диаметра чтобы определить скорость псевдоожижения. Когда диаметр частицы маленький то достаточно и меньшей скорости, а если частица большого диаметра то нужна большая скорость псевдоожижения, мы берем среднее значения диаметров т.к. частички меньшего диаметра будут переходить в псевдоожиженное состояние, а частички большего размера будут, подцеплять и переводить частички меньшего размера.

Расчет порозности неподвижного слоя зернистого материала, _н.с

Цель: Рассчитать долю свободного объема в неподвижном слое зернистого материала.

Определяем параметры псевдоожижающего агента (воздуха) при температуре t=165⁰С:

Плотность рассчитывается по

Где с - 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, стр 557, нов.] определяем вязкость воздуха:

м = 0,025*10^-3 Па*с

Размещено на http://www.allbest.ru/

где р_нас.= насыпная плотность, кг/м³

p_ч.= плотность частиц, кг/м³

р_р= плотность ожижаеющего агента, кг/м³

_н.с.=

Вывод:

Мы рассчитали долю свободного пространства в неподвижном слое, ?_н.с.=0.409, что соответствует оптимальному значению (?_н.с.=0,35-0,45). Порозность слоя является важной его характеристикой, так как он в значительной степени определяет на гидродинамику и интенсивность массо- и теплообмена в аппаратах с псевдоожиженным слоем зернистого материала.

Расчет скорости начала псевдоожижения w_кр1

Цель:Определить скорость начала "кипения" слоя зернистого материала.

Критерий Архимеда рассчитывается по формуле

Где Аr- критерий Архимеда;

d_экв - эквивалентный диаметр, м;

с_ч - кажущаяся плотность частиц, кг/м³ ;

с - плотность среды, кг/м³;

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

м - вязкость среды, Па*с.

Рассчитаем значение числа Архимеда для различных значений эквивалентного диаметра:

По данным значениям числа Архимеда находим первое критическое значение числа Рейнольдса по:

Где Re_кр1 - первое критическое значение числа Рейнольдса;

Ar - число Архимеда.

Методом Тодеса рассчитаем первое критическое значение числа Рейнольдса:

Второй способ расчета критерия Рейнольдса:

По рассчитанному значению числа Рейнольдса рассчитывают значение первой критической скорости по формуле - начало псевдоожижения:

Где w_кр1 - первая критическая скорость, м/с;

м - вязкость среды, Па*с;

Re_кр1 - первое критическое значение числа Рейнольдса;

d_экв - эквивалентный диаметр, м;

с - плотность среды, кг/м³.

Рассчитаем значения первой критической скорости для эквивалентного диаметра (берем средний диаметр):

м/с

или

м/с

Вывод:

При восходящем потоке газа (воздуха) через плотный слой зернистого материала с увеличением скорости потока увеличивается сопротивление слоя и ослабляется взаимное давление частиц. Когда скорость достигает 0,258 м/с сопротивление слоя становится равным весу слоя, частицы перестают оказывать взаимное давление и слой переходит во взвешенное состояние.

Расчет второй критической скорости w_кр2

Цель: Определить предел существования взвешенного слоя.

Вторая критическая скорость (конец псевдоожижения) рассчитывается аналогично, в выражении для числа Архимеда и критической скорости вместо эквивалентного диаметра берётся минимальный. (d_min = 0.25 мм)Число Рейнольдса рассчитывают по :

или

Где Re_кр2 - второе критическое значение числа Рейнольдса;

Ar - число Архимеда для минимального диаметра.

Число Архимеда для минимального диаметра равно:

Число Рейнольдса равно

Вторая критическая скорость равна

м/с.

Вывод:

Практически пределом существования взвешенного слоя будет скорость, равная скорости витания данной частицы. В нашем аппарате это 1,02 м/с. Если скорость будет выше, то псевдоожиженный слой прекращает свое существование.

Расчет рабочей скорости псевдоожижения

Цель:Определить рабочую скорость псевдоожижающего агента в аппарате.

Используя известные значения числа псевдоожижения К_w= 5,80 и первой критической скорости w_кр1= 0,257 м/с, найдем рабочую скорость псевдоожижающего агента по формуле:

Где w_р - рабочая скорость, м/с;

K_w - число псевдоожижения;

W_кр1 - первая критическая скорость, м/с.

w_р = 5,80*0,257 = 1,49 м/с

w_р = 5,80*0,273 = 1,5834 м/с

Вывод:

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

0,2581,49 1,02

0,273 1,5834 1,02

В таком случае мы берем К_w= 3,50:

w_р = 3,50*0,257 = 0,9 м/с

w_р = 3,50*0,273 = 0,96 м/с

Найденные нами значения скоростей псевдоожижающего агентаудовлетворяютнеравенству:

0,258 0,9 1,02

0,273 0,96 1,02

Определение диаметра аппарата

Цель: Рассчитать диаметр аппарата с псевдоожиженным слоем зернистого материала.

Найдем секундный расход воздуха:

V_c = 5800/3600=1,611м³/с;

Площадь сечения аппарата находят по:

S = V_c/w_раб=1,611/0,9=1,79 м²

Где S - площадь сечения аппарата, м²;

V_c - секундный расход, м³;

W_раб - рабочая скорость, м/с.

Диаметр аппарата рассчитывают по:

Где D - диаметр аппарата, м;

S - площадь сечения аппарата, м².:

Вывод: гранулометрический силикагель порозность псевдоожижение

Расчетный диаметр аппарат составил 1,51 м. Выбираем ближайшее значение стандартного диаметра D_станд.=1600 мм=1,6 м (ГОСТ 9617-76).

Рассчитаем рабочую скорость, исходя из нового значения диаметра аппарата

Цель: Рассчитать рабочую скорость псевдоожижающего агента, исходя из стандартного значения диаметра аппарата.

Вывод:

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

Определие порозности псевдоожиженного слоя при рабочей скорости

Цель: Определить долю свободного пространства "кипящего" слоя при рабочей скорости.

Определие критерия Рейнольдса при рабочей скорости:

Где е_п.с. - порозность псевдоожиженного слоя;

Re_раб - число Рейнольдса при рабочей скорости;

Ar - число Архимеда.

Re_раб =

Где Re_раб - рабочее значение Рейнольдса;

W_раб - рабочая скорость, м/с;

d_экв - эквивалентный диаметр,средний диаметр, м;

с - плотность среды, кг/м³;

м - вязкость среды, Па*с.

Порозность:

Вывод:

При рабочей скорости псевдоожижающего агента, превышающей первую критическую скорость псевдоожижения, кипящий слой начинает расширяться и его пористость возрастает по сравнению с первоначальной. Это связано тем что частички имеют большую кинетическую энергию и сильнее отталкиваются друг от друга.

Определение действительной скорости воздуха в свободном сечении слоя

Где W_д - действительная скорость, м/с;

W_раб - рабочая скорость, м/с;

е_п.с. - порозность псевдоожиженного слоя.

Масса силикагеля

Цель: Рассчитать массу селикогеля.

M=G*ф₀

Где М - масса силикагеля, кг;

G - производительность, кг/ч;

ф₀ - среднее время пребывания частиц, мин.

Масса силикагеля равна М=6000*50/60=5000 кг.

Вывод:

Рассчитали массу силикагеля, необходимую для обеспечения заданных параметров.

Объем неподвижного слоя силикагеля рассчитывают по

Цель: Определить объем неподвижного слоя силикагеля в аппарате.

V=M/с_нас

Где V - объём неподвижного слоя, м³;

М - масса силикагеля, кг;

с_нас - насыпная плотность силикагеля, кг/м³.

V=5000/650=7,69 м³.

Вывод:

Рассчитали объем неподвижного слоя силикагеля в аппарате с псевдоожиженным слоем зернистого материала.

Высоту неподвижного слоя находят по

Цель: Рассчитать высоту неподвижного слоя силикагеля.

Где Н₀ - высота неподвижного слоя, м;

V - объём неподвижного слоя, м³;

S - площадь сечения аппарата, м².

Вывод: Высота неподвижного слоя силикагеля составляет 3,83 м и остается неизменной до начала псевдоожижения.

Определим высоту псевдоожиженного слоя

Цель: Рассчитать высоту псевдоожиженного слоя.

Н_пс = Н₀

Где Н_пс - высота псевдоожиженного слоя, м;

е₀ - порозность неподвижного слоя;

е_п.с.- порозность псевдоожиженного слоя;

Н₀ - высота неподвижного слоя, м.

Вывод:

При рабочей скорости псевдоожижающего агента высота слоя увеличивается в следствии увеличения кинетической энергии и сил отталкивания частичек друг от друга. Однако общий вес, приходящийся на единицу площади остается постоянным.

Определие высоты сепарационного пространства

Цель: Рассчитать высоту сепарационного пространства.

Критическая высота сепарационного пространства, h_к, зависит от скорости газа w и диаметра аппарата D и определяется по графику [3, с. 406]. При w_р = 0,501 м/с и D = 1,6 м отношение h_к/D равно 3, тогда искомая критическая высота сепарационного пространства будет равной:

h_k=3*1,6=4,8 м

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

h_с =1,2*h_k=1,2*4,8=5,76 м

Вывод: Высота сепарационного пространства должна быть больше h_к, в противном случае быстро возрастает унос частиц из аппарата.

Высота установки входного штуцера циклона

Цель: Рассчитать высоту установки входного штуцера циклона.

H_a = Н_пс+h_с

Где H_a - высота установки штуцера, м;

Н_пс - высота псевдоожиженного слоя, м;

h_c- критическая высота сепарационного пространства, м.

H_a =4,12+5,76=9,88 м

Вывод:

Принимаем высоту установки входного штуцера циклона равной 10 м. Это приводит к увеличению сепарационного пространства до 7 м, что входит в допустимый интервал (h_с=1,2-1,4h_k)

Расчет циклона

Цель: Выбрать подходящий по параметрам циклон и определить его характеристики.

Для улавливания частиц размером менее 0,25 мм (250мкм) выбираем циклон ЦН-15. Данный тип циклонов обеспечивает хорошую степень улавливания при сравнительно небольшом гидравлическом сопротивлении. Технические характеристики и основные размеры (в долях диаметра) приведены в таблице 3:

Таблица 3 - основные параметры циклона ЦН-15:

Наименование характеристики	Значение
Диаметр выходной трубы D1	0,6
Ширина входного патрубка b	0,26
Высота входного патрубка h1	0,66
Высота выходной трубы h2	1,74
Высота цилиндрической части h3	2,26
Высота конической части h4	2,0
Общая высота циклона H	4,56
Коэффициент сопротивления циклона ж0	160

1. Принимаем м²/с², и по этому значению по формуле рассчитываем скорость газа внутри циклона:

Где W_ц - скорость газа внутри циклона, м/с;

ж₀ - коэффициент сопротивления циклона;

?Р - гидравлическое сопротивление циклона, Па;

с_г - плотность газа, кг/м³.

Скорость внутри циклона равна:

.

2. Диаметр циклона рассчитывают по (24):

Где V_с - объёмный расход газа, м³/с;

W_ц - скорость внутри циклона, м/с.

Диаметр циклона равен:

, принимаем диаметр циклона 1000 мм.

Вывод:

Выбранный нами циклон соответствует всем требуемым параметрам нашего аппарат с "кипящим" слоем зернистого материала.

Расчет гидравлического сопротивления аппарата и его компонентов

Цель:Рассчитать гидравлическое сопротивление аппарата с псевдоожиженным слоем зернистого материала.

1. Гидравлическое сопротивление слоя рассчитывают по:

?Р_сл=(с-с_ч)*(1-е)*g*h₀

Где ?Р_сл - гидравлическое сопротивление слоя, Па;

с - плотность среды, кг/м³;

е - порозность псевдоожиженного слоя;

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

h₀ - высота неподвижного слоя, м.

Рассчитаем гидравлическое сопротивление слоя:

?Р_сл=(1100-0,807)*(1-0,4504)*9,81*3,83=22698 Па.

Скорость в отверстиях решетки рассчитывается по

W₀=W_раб/ц

Где W₀ - скорость в каналах решетки, м/с;

W_раб - рабочая скорость, м/с;

ц - доля «живого» пространства решетки.

Рассчитаем скорость в отверстиях решетки :

W₀=0.501/0.015=33,4 м/с;

Определить коэффициент сопротивления решеткизависящий от отношения диаметра отверстий решетки d₀ к ее толщине и определяемый по графику [ 2,с.105 ].

Из рисунка для d₀/ д=0.8/2=0.4 получаем С=0,63.

Сопротивление решетки рассчитывают по:

?Р_реш=0,503*W₀²*с*(1-ц²)/c²

Где ?Р_реш - гидравлическое сопротивление решетки, Па;

W₀ - скорость в отверстиях решетки, м/с;

с - сопротивление среды, кг/м³;

ц - доля «живого» сечения решетки;

с - коэффициент сопротивления решетки.

Рассчитаем гидравлическое сопротивление решетки

?Р_реш=0,503*33,4²*0.807*(1-0,015²)/0,63²=1123,8 Па

Сопротивление циклона рассчитывается по:

Где ?р_ц - гидравлическое сопротивление решетки, Па;

ж₀ - коэффициент сопротивления циклона;

W_ц - скорость среды внутри циклона, м/с;

с - плотность среды, кг/м³.

Сопротивление циклона равно:

Па.

Общее сопротивление аппарата для всех случаев равно:

?Р=22698+1123,8+403,5=24225 Па.

Вывод:

Действительное значение гидравлического сопротивления обычно несколько меньше теоретического вследствие неоднородности структуры "кипящего" слоя. Это различие становится меньше при развитом псевдоожижении, при удовлетворительной структуре и достаточно большой начальной высоте слоя.

Так же гидравлическое сопротивление позволяет оценить аппарат с экономической точки зрения: чем меньше Дp, тем меньшее потери энергии.

Заключение

Были рассчитаны основные параметры аппарата с псевдоожиженным слоем зернистого материала, определены линейные размеры и гидродинамические характеристики, соответствующие заданному числу псевдоожижения и значению объемного расхода. Диаметр циклона D=0,906 (1)м, высота H=4,56м.

Составлена схема аппарата в масштабе. По ситовому составу зернистого слоя найдены средние диаметры частиц. Для уменьшения уноса самых маленьких частиц был рассчитан циклон типа ЦН-15, который обеспечивает повышенную эффективность и рекомендуется в качестве унифицированного пылеуловителя.

В результате работы было рассчитано общее гидродинамическое сопротивление аппарата. Оказалось, что оно зависит от гидродинамических сопротивлений слоя зернистого материала, решетки и циклона.

Список использованных источников

1. Зиганшин Г.К. Методическое руководство по гидродинамическому расчету аппаратов с неподвижным и псевдоожиженным слоем зернистого материала. -- Уфа: Уфимский нефтяной институт, 1983. 43 с.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. 11-е изд. -- Л.: «Химия», 2004. 576 с.

3. Скобло А.И, Молоканов Ю.К., Владимиров Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. 2-е изд. -- М.: «Химия», 1982. 590 с.

Размещено на Allbest.ru

...