Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра металлургии цветных металлов и химической технологии
ТЕПЛО - И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ
Лабораторный практикум по дисциплине
«Процессы и аппараты химической технологии».
Специальность «Химическая технология неорганических веществ» (250200)
Новокузнецк
2004
УДК 66.021.07 (076.5)
Рецензент
Кафедра физической химии и теории металлургических
процессов ГОУ ВПО «СибГИУ»
(заведующий кафедрой )
Тепло - и массообменные процессы и аппараты: Метод. указ. / Сост.: , : ГОУ ВПО «СибГИУ». – Новокузнецк, 2004. – 19 с., ил.
Представлены работы по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии». При выполнении работ студенты знакомятся с методикой экспериментального определения и расчета гидравлического сопротивления насадочного абсорбера, а также коэффициента теплопередачи от жидкости к воде в кожухотрубном теплообменнике.
Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ НАСАДОЧНОГО АБСОРБЕРА
Введение
Абсорбцией называют процесс поглощения газов из газовых или паро-газовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). Аппараты, в которых осуществляются абсорбционные процессы, называются абсорберами. Поскольку абсорбция протекает на поверхности раздела фаз, то абсорберы должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом. По способу образования этой поверхности абсорберы можно условно разделить на следующие группы: 1) поверхностные и пленочные; 2) насадочные; 3) барботажные (тарельчатые); 4) распыливающие.
Насадочные абсорберы представляют собой колонны, заполненные насадкой – твердыми телами различной формы (куски кокса или кварца размером 25-100 мм, тонкостенные керамические кольца Рашига с высотой, равной диаметру, деревянные рейки, металлические и проволочные ленты).
В насадочной колонне (рисунок 1) насадка 1 укладывается на опорные решетки 2, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости. Последняя с помощью распределителя 3 равномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. Для улучшения смачивания насадки в колоннах большого диаметра насадку обычно укладывают слоями (секциями) высотой 2-3 м и под каждой секцией, кроме нижней, устанавливают перераспределители жидкости 4. В насадочной колонне жидкость течет по элементу насадки главным образом в виде тонкой пленки. Поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки, в связи с чем насадочные аппараты можно рассматривать как разновидность пленочных. Однако в последних пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата, а в насадочных абсорберах – только по высоте элемента насадки. При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается, а на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит через расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью.
Основными характеристиками насадки является ее удельная поверхность 
(м2/м3) и свободный объём 
(м2/м3). Свободный объём для непористой насадки обычно определяют путем заполнения объёма насадки водой. Отношение объёма воды к объёму, занимаемому насадкой, дает величину . Эквивалентный диаметр насадки
(1)
Насадочные абсорберы могут работать в различных гидродинамических режимах. Эти режимы видны из графика, приведенного на рисунке 2 и выражающего зависимость гидравлического сопротивления орошаемой насадки от фиктивной скорости газа в колонне.
Первый режим – пленочный - наблюдается при небольших плотностях орошения и малых скоростях газа. Количество задерживаемой в насадке жидкости при этом режиме практически не зависит от скорости газа. Пленочный режим заканчивается в первой переходной точке (точка А, рисунок 2), называемой точкой подвисания.
Второй режим – режим подвисания. При противотоке фаз вследствие увеличения сил трения газа о жидкость на поверхности соприкосновения фаз происходит торможение жидкости газовым потоком. В результате этого скорость течения жидкости уменьшается, а толщина ее пленки и количество удерживаемой в насадке жидкости увеличивается. В режиме подвисания с возрастанием скорости газа увеличивается смоченная поверхность насадки и соответственно – интенсивность процесса массопередачи. Этот режим заканчивается во второй переходной точке (точка В, рисунок 2), причем в режиме подвисания спокойное течение пленки нарушается: появляются завихрения, брызги, т. е. создаются условия перехода к барботажу. Всё это способствует увеличению интенсивности массообмена.
Третий режим – режим эмульгирования – возникает в результате накопления жидкости в свободном объеме насадки.
1 – насадка; 2 – опорная решетка; 3 – распределитель жидкости; 4 – перераспределитель жидкости Рисунок 1 – Насадочный абсорбер |
1 – сухая насадка; 2 – орошаемая насадка Рисунок 2 – Зависимость гидравлического сопротивления насадки от скорости газа в колонне (L = const) |
Накопление жидкости происходит до тех пор, пока силы трения между стекающей жидкостью и поднимающимся по колонне газом не уравновесят силу тяжести жидкости, находящейся в насадке. При этом наступает обращение, или инверсия, фаз (жидкость становится сплошной фазой, а газ – дисперсной). Образуется газожидкостная дисперсная система, по внешнему виду напоминающая барботажный слой (пену) или газожидкостную эмульсию. Режим эмульгирования начинается в самом узком сечении насадки, плотность которой неравномерна по сечению колонны. Путем тщательного регулирования подачи газа режим эмульгирования может быть установлен по всей высоте насадки. Гидравлическое сопротивление колонны при этом резко возрастает (на рисунке 2 этот режим характеризуется почти вертикальным отрезком ВС).
Режим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн, прежде всего за счет увеличения поверхности контакта фаз, которая в этом случае определяется не только геометрической поверхностью насадки, а поверхностью пузырьков и струй газа в жидкости, заполняющей весь свободный объём насадки. Однако при работе колонны в таком режиме её гидравлическое сопротивление относительно велико.
В режимах подвисания и эмульгирования целесообразно работать, если повышение гидравлического сопротивления не имеет существенного значения (например, в процессах абсорбции, проводимых при повышенных давлениях). Для абсорбентов, работающих при атмосферном давлении, гидравлическое сопротивление может оказаться недопустимо большим, что вызовет необходимость работать в пленочном режиме. Поэтому наиболее эффективный гидродинамический режим в каждом конкретном случае можно установить только путем технико-экономического расчета.
Четвертый режим – режим уноса или обращенного движения жидкости, выносимой из аппарата газовым потоком. Этот режим на практике не используется.
При определении режимов течения и потерь напора на гидравлическое сопротивление в насадочных колоннах предполагается, что газовая фаза движется внутри каналов неправильной формы, образуемых пустотами между насадочными телами. Сопротивление орошаемой насадки при оптимальной скорости движения газа находится по формуле
(2)
где 
– гидравлическое сопротивление сухой насадки, Па;
– массовый расход газа, кг/с;
– массовый расход жидкости, кг/с;
– плотность газа и жидкости, кг/м3;
– вязкость газа и жидкости, Па·с.
Сопротивление сухой насадки рассчитывается по формуле
(3)
где 
– высота насадки, м;
– эквивалентный диаметр, м;
– коэффициент трения;
– среднерасходная скорость газа, рассчитанная на полное сечение колонны, м/с.
Коэффициент трения находится по формулам:
при ламинарном режиме движения газа (Re < 40)
, (4)
при турбулентном режиме движения газа (Re > 40)
, (5)
где
Цель работы
Целью настоящей работы является изучение гидродинамических режимов работы насадочного абсорбера; расчет и экспериментальное определение гидравлических сопротивлений.
Описание установки
На рисунке 3 изображена схема лабораторного стенда для изучения гидродинамических характеристик насадочного абсорбера.
Рисунок 3 – Схема лабораторного стенда для изучения гидродинамических характеристик насадочного абсорбера
Насадочный абсорбер 1 диаметром 0,046 м заполнен насадкой из кусков пеношамота. Высота слоя насадки равна 0,1 м. Расход жидкости и газа измеряется с помощью ротаметров 2 и 3 соответственно, а регулируется вентилями 4,5. Для измерения гидравлического сопротивления насадки предназначен U – образный манометр 6.
Порядок выполнения работы
С помощью тарировочного графика на лабораторном стенде определяют расход воздуха. Опыты по замеру гидравлического сопротивления сухого насадочного абсорбера проводят при закрытом вентиле 4 и открытом вентиле 5 в следующей последовательности:
1) включают воздуходувку (вентилятор) и устанавливают заданный расход воздуха, поочередно соответствующий положению поплавка ротаметра 0, 5, 10, 15 делений;
2) через 3 минуты после подачи воздуха измеряют гидравлическое сопротивление сухой насадки;
3) устанавливают новое значение расхода газа и проводят очередной замер и т. д. Измерение производится в той же последовательности после подачи орошающей жидкости (воды). Результаты измерений заносятся в отчетную таблицу (см. таблицу 1).
Обработка опытных данных
При заданных расходах газа определяют гидравлическое сопротивление сухой и орошаемой насадки расчетным путем (см. формулы 2-5). По расчетным значениям и опытным данным строят графики зависимости сопротивления сухой и орошаемой насадки от скорости газа в координатах lg ΔР – lg w. Результаты опытных и расчетных значений заносят в таблицу, сравнивают и делают вывод о гидродинамическом режиме работы абсорбера.
Изменение плотности воздуха с температурой выражается формулой
, (6)
где 
, кг/м3 – плотность воздуха при нормальных условиях (т. е. при Т = 0ºС = 273,15 К, Р = 760 мм рт. ст. = 1,013·105 Па).
Значения динамических коэффициентов вязкости воздуха и воды принимаются равными при 20 ºС соответственно 
= 0,018 мПа·с, 
= 1 мПа·с.
Таблица 1- Отчетная таблица
Показание ротаметра | Расход воздуха V, м3/с | Скорость воздуха | Гидравлическое сопротивление насадки, * Па | |||||
h, мм вод. ст. | сухой | сухой | орошаемой ∆Р расчет | орошаемой ∆Р эксп. | ||||
сухой | орошаемой | |||||||
0 5 10 15 |
расчет***) 
где 
– разность уровней жидкости в дифманометре, м;
– соответственно плотность жидкости в дифманометре и плотность воздуха, кг/м3.
**) при расчете отношение 
выбирается в пределах
(20-25) 104 м-1, а 
= (0,3 – 0,4) 10-4 кг/с.
Содержание отчета
На титульном листе отчета указывается фамилия студента и название лабораторной работы.
Отчет должен содержать: цель работы, краткую характеристику гидродинамических режимов работы насадочного абсорбера, схему лабораторного стенда со спецификацией, отчетную таблицу, необходимые расчеты, графические зависимости, анализ полученных результатов и выводы.
Контрольные вопросы
1) В чем заключается процесс абсорбции?
2) Каким образом классифицируются абсорберы по способу образования поверхности соприкосновения между жидкостью и газом?
3) Каково устройство абсорбера?
4) При каких условиях в насадочном абсорбере возникает пленочный режим?
5) При каких условиях возникает режим подвисания?
6) При каких условиях возникает режим эмульгирования?
7) Как определить, что насадочная колонна вышла на режим и можно снимать показания?
Правила техники безопасности
1. Перед началом работы необходимо пройти общий инструктаж по ТБ.
2. Категорически запрещается использовать стеклянные измерительные приборы, имеющие трещины.
3. При заполнении дифференциальных манометров водой запрещается использовать стеклянную посуду с отбитыми краями.
Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А 2
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В КОЖУХОТРУБНОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ
Введение
В химической промышленности широко распространены тепловые процессы – нагревание и охлаждение жидкостей и газов и конденсация паров, которые проводятся в теплообменных аппаратах (теплообменниках).
Теплообменниками называют аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями. Теплоносители, имеющие более высокую температуру, чем нагреваемая среда и отдающие тепло, принято называть нагревающими агентами, а теплоносители с более низкой температурой, чем среда, от которой они воспринимают – теплоохлаждающими агентами. В качестве охлаждающих агентов для охлаждения до обыкновенных температур (10-30 ºС) применяют в основном воду и воздух.
Кожухотрубные теплообменники являются наиболее распространенными производственными теплообменными аппаратами. На рисунке 4 показан кожухотрубный теплообменник жесткой конструкции, который состоит из корпуса, или кожуха 1, и приваренных к нему трубных решеток 2. В трубных решетках закреплен пучок труб 3. К трубным решеткам крепятся (на прокладках и болтах) крышки 4. В теплообменниках такого типа одна из обменивающих теплом сред I движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая II – в межтрубном пространстве. Среды обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло – в противоположном направлении. Такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная среда под влиянием изменения её плотности при нагревании или охлаждении. При указанных направлениях движения сред достигается более равномерное распределение скорости и идентичные условия теплообмена по площади поперечного сечения аппарата.
Рисунок 4 – Кожухотрубные одноходовый (а) и многоходовый (б) теплообменники
В противном случае, например, при подаче более холодной (нагреваемой) среды сверху теплообменника более нагретая часть жидкости, как более легкая, может скапливаться в верхней части аппарата, образуя «застойные» зоны.
Теплообменник, изображенный на рисунке 4, а, является одноходовым. При сравнительно небольших расходах жидкости скорость её движения в трубах таких теплообменников низка и, следовательно, коэффициенты теплоотдачи невелики. Скорость теплообмена может быть увеличена за счет перехода от одноходовых к многоходовым теплообменникам. В многоходовом теплообменнике (рисунок 4, б), корпус 1, трубные решетки 2, укрепленные в них трубы 3 и крышки 4 идентичны изображенным на рисунке 4, а. С помощью поперечных перегородок 5, установленных в крышках теплообменника, трубы разделены на секции, или ходы, по которым последовательно движется жидкость, протекающая в трубном пространстве теплообменника. Вследствие меньшей площади суммарного сечения труб, размещенных в одной секции, по сравнению с поперечным сечением всего пучка труб скорость жидкости в трубном пространстве многоходового теплообменника возрастает (по отношению к скорости в одноходовом теплообменнике) в число раз, равное числу ходов. Для увеличения скорости и удлинения пути движения среды в межтрубном пространстве (рисунок 4, б) служат сегментные перегородки 6. Одноходовые и многоходовые теплообменники могут быть вертикальными и горизонтальными.
Процесс теплообмена между горячей и холодной жидкостями, протекающими противотоком в кожухотрубном теплообменнике, может быть представлен в виде схемы (рисунок 5), на которой приняты следующие обозначения: индекс «1» – для горячей жидкости Ж 1 в трубах; индекс «2» – для холодной жидкости Ж 2 в межтрубном пространстве;
, 
, 
, 
, 
и 
– соответственно начальные и конечные температуры жидкостей (ºС) и их массовые расходы (кг/с); 
, 
, 
– соответственно толщина стенки трубы и слоев загрязнений (м); 
, 
, 
– соответственно термическое сопротивление стенки и загрязнений со стороны горячей и холодной жидкостей (м2 К/Вт); 
и 
– соответственно коэффициенты теплоотдачи от горячей жидкости к стенке трубы и от стенки трубы к холодной жидкости (Вт/м2 К); 
и 
– соответственно внутренний и наружный диаметр трубы, м. Таким образом, процесс передачи тепла осуществляется последовательно протекающими конвекцией, теплопроводностью и снова конвекцией. При выполнении соотношения
> 
(7)
подобный случай теплопередачи может быть описан уравнением вида
, (8)
где 
- расход передаваемой теплоты, Вт;
- площадь поверхности теплопередачи, м2;
- сумма термических сопротивлений стенки трубы и слоёв загрязнений, имеющих коэффициенты теплопроводности , 
и 
, (м2 К)/Вт;
- средняя разность температур.
Рисунок 5 – Схема процесса теплопередачи.
Первый множитель правой части уравнения (8) представляет собой общий коэффициент теплопередачи
. (9)
Расход теплоты может быть определен как
, (10)
где 
– удельная теплоемкость жидкости Ж1 при средней температуре 
, Дж/(кг К).
Средняя температура горячей жидкости Ж1 может быть определена как
. (11)
Для противотока 
определяется как
, (12)
где 
и 
– большая и меньшая разности температур на концах теплообменника.
Если отношение 
≤ 2, то с достаточной точностью (погрешность менее 5 %) вместо уравнения (12) можно применять уравнение
(13)
Таким образом, уравнение (7) позволяет при известных величинах , , рассчитать значение общего коэффициента теплопередачи.
Цель работы
Целью настоящей работы является изучение конструкции, принципа работы кожухотрубного теплообменника и процесса теплообмена в нем; экспериментальное определение коэффициента теплопередачи от жидкости к жидкости (вода).
Описание установки
Для изучения теплообмена используется кожухотрубный теплообменник 1 (рисунок 6) с поверхностью теплообмена 1,0 м2. Горячая жидкость подается в трубное, а охлаждающаяся вода – в межтрубное пространство. Расход теплоносителей регулируется вентилями 2, 3 и измеряется ротаметрами 4, 5. Начальная и конечная температура теплоносителей контролируется термометрами 6, 7, 8, 9. На лабораторном стенде имеются также калибровочные графики ротаметров, позволяющие определить расход теплоносителей в соответствии с положением поплавка.
Порядок выполнения работы
Вентилями 2, 3 устанавливаются заданные расходы теплоносителей. Через каждые 10 минут контролируют показания термометров 6, 7, 8, 9. Показания термометров записывают после того, как они остаются неизменными в течение 5 минут. Результаты измерений заносят в отчетную таблицу 2.
Обработка опытных данных
По зависимостям (8), (10), (12) находят , и значение 
. Полученные расчетные данные заносят в отчетную таблицу 2.
Рисунок 6 – Схема лабораторной установки
Таблица 2 – Отчетная таблица
Наименование величины | Величина |
Экспериментальные данные 1. Массовый расход горячего теплоносителя 2. Массовый расход воды на охлаждение 3. Температура горячего теплоносителя до теплообменника 4. Температура горячего теплоносителя после теплообменника 5. Температура охлаждающей воды до теплообменника 6. Температура охлаждающей воды после теплообменника | |
Расчётные данные 7. Большая разность температур теплоносителей 8. Меньшая разность температур теплоносителей 9. Средняя разность температур теплоносителей 10. Средняя температура горячего теплоносителя 11. Расход теплоты 12. Коэффициент теплопередачи |
Содержание отчета
На титульном листе отчета указывается фамилия студента и название лабораторной работы.
Отчет должен содержать: цель работы, краткую характеристику кожухотрубного теплообменника и процессов теплопередачи в нем, схему установки со спецификацией, отчетную таблицу, необходимые расчеты, анализ полученных результатов и выводы.
Контрольные вопросы
1. Из каких основных частей состоит кожухотрубный теплообменник?
2. В каких теплообменниках – одноходовых или многоходовых – эффективность теплопередачи выше?
3. Может ли в каком-либо теплообменнике коэффициент теплопередачи быть больше любого из коэффициентов теплоотдачи?
4. Разность каких температур входит в уравнение теплопередачи?
5. Когда следует рассчитывать по логарифмическому закону?
6. Каким образом можно увеличить коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве теплообменника?
7. Для чего служат поперечные перегородки в межтрубном пространстве теплообменника?
8. Каким образом рассчитывается расход теплоты в теплообменнике?
Правила техники безопасности
1. Перед началом работы необходимо пройти общий инструктаж по ТБ.
2. Категорически запрещается использовать ротаметры, колбы которых имеют трещины.
3. Соединение шлангов со штуцерами теплообменника необходимо уплотнять металлическими хомутами.
Список литературы
1. Дытнерский и аппараты химической технологии: Учебник. Ч. 1: Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты / . – 2-е изд. – М.: Химия, 1995 – 400 с.
2. Дытнерский и аппараты химической технологии: Учебник. Ч. 2: Массообменные процессы и аппараты / . – 2-е изд. – М.: Химия, 1995 – 368 с.
3. , , Носков и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учеб. пособие для вузов / Под ред. чл.-корр. АН СССР . – 10-е изд. перераб. и доп. – Л.: Химия, 1987. – 576 с., ил.
План 2004
Составители
ТЕПЛО - И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ
Лабораторный практикум по дисциплине
«Процессы и аппараты химической технологии».
Специальность «Химическая технология неорганических веществ» (250200)
Напечатано в полном соответствии с авторским оригиналом
Изд. лиц. г. Подписано в печать 2004 г. Формат бумаги 60х84 1/16. Бумага писчая. Ризография.
Усл. печ. л. . Уч.-изд. л. . Тираж экз. Заказ.
 |
ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный
университет»
654007, 2.
Издательский центр ГОУ ВПО «СибГИУ»
Факультет электротермических технологий
Кафедра металлургии цветных
металлов и химической
технологии
ТЕПЛО - И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ
Лабораторный практикум
Новокузнецк
2004
