ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ПЕРЕМІШУВАННЯ РІДИНИ

Дослідження процесу ПЕРЕмішування рідини

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО виконання лабораторної роботи

з курсу «Процеси та апарати хімічних виробництв»

Київ-2008

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

До 70-річчя інженерно-хімічного факультету

і 80-річчя кафедри машин та апаратів

хімічних і нафтопереробних виробництв

Дослідження процесу ПЕРЕмішування рідини

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО виконання лабораторної роботи

з курсу «Процеси та апарати хімічних виробництв»

Київ

НТУУ «КПІ»

Дослідження процесу перемішування рідини : метод. вказівки до викон. лабораторної роботи з курсу «Процеси та апарати хімічних виробництв» / Укл. : М. П. Швед, А. Р. Степанюк. – К. : НТУУ «КПІ», 2008. – 14 с.

Навчальне видання

ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ПЕРЕМІШУВАННЯ РІДИНИ

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО виконання лабораторної роботи

з курсу «Процеси та апарати хімічних виробництв»

Укладачі: Швед Микола Петрович, канд. техн. наук, доцент

Степанюк Андрій Романович, канд. техн. наук, доцент

Відповідальний

редактор Я. М. Корнієнко, д-р техн. наук, професор

Рецензент О. Л. Сокольський, канд. техн. наук, доцент

За редакцією укладачів

Надруковано з оригінал-макета замовника

1 ВСТУП ТА ОСНОВНІ ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕННЯ

Перемішування – це одна з найбільш розповсюджених виробничих операцій, яка значно впливає на тепло- і масопередачу та на швидкість хімічних процесів. На виробництві, в залежності від мети і умов перемішування, застосовують мішалки різноманітних конструкцій. Одним з основних параметрів при проектуванні і експлуатації апаратів з мішалками є потужність, що витрачається на перемішування.

Метою роботи є експериментальне дослідження енергетичних затрат на перемішування рідин при різних режимах перемішування.

В зв'язку з поставленою метою можна сформулювати наступні задачі дослідження:

1. Експериментально визначити потужність, що витрачається на перемішування в залежності від типу мішалки, числа обертів і фізичних властивостей рідини.

2. Узагальнити експериментальні дані.

3. Зіставити отримані дані з даними інших досліджень.

2 ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

Рух рідини в апараті з мішалкою можна розглядати як нестаціонарний рух рідини по каналу, що має складну геометричну форму.

Нестаціонарний рух рідини по каналах в умовах, коли впливом сили тяжіння можна нехтувати, характеризується залежністю:

,

де - критерій Рейнольдса;

- критерій гомохромності;

- критерій Ейлера.

Різницю тисків ∆Р в критерії Еи можна замінити на підставі наступних міркувань. Якщо рідина під дією мішалки циркулює по якомусь контуру, то потужність мішалки визначається як потужність насоса з співвідношень:

(2)

Де V_сек – насосна продуктивність мішалки в м³/с;

∆Р - напір, що розвивається мішалкою, в Па.

Звідси

(3)

Продуктивність мішалки як насоса визначається об'ємним видатком рідини, що виходить з каналів між лопатками мішалки.

Для мішалок, геометрія яких характеризується діаметром лопастей їх шириною , наносна продуктивність рівна:

(4)

де U_ri - середня в часі і по площі викиду з мішалки радіальна швидкість рідини в м/с.

Середню швидкість U_ri можна знайти засобами теорії подібності як функцію Rе і Но:

(5)

В формулі (5), та в виразах для інших критеріїв подібності середня швидкість , як правило задається. Однак в випадку перемішування воназаздалегідь не може бути задана.

Тому її необхідно виключити з критеріїв шляхом відповідної заміни одних величин іншими. В даному випадку потрібно помножити всі критерії що містять на . При цьому отримаємо наступну критеріальну залежність, що характеризує рух рідини в апараті з мішалкою:

(6)

Комплекс N/ρ∙n³∙d⁵ називають модифікованим критерієм Ейлера ( ) або критерієм потужності (К_N)

Комплекс ρ∙n∙d²/μ називають модифікованим критерієм Рейнольдса ( ). Рівняння (6) можна записати у вигляді:

(7)

або

(8)

де N- потужність, що витрачається на перемішуванні (Вт);

- густина рідини (кг/м³);

п - число обертів мішалки (с^-1);

d - діаметр мішалки (м);

μ - в'язкість рідини (Па·с);

С - безрозмірна константа, яка визначається експериментальним шляхом;

т - показник степеня, який визначається експериментальним шляхом.

Таким чином корисна потужність що витрачається чисто на перемішування визначається по виразу

де К_N - коефіцієнт потужності. Знайти його можна в довідковій літературі у виді графіків або аналітичних виразів.

Наприклад, для геометрично подібних апаратів з якірною мішалкою коефіцієнт потужності може бути визначений за виразами [1]

, для Re_M=2÷20 (9)

для Re_M=360÷300000 (10)

4 ХАРАКТЕРИСТИКА ТА ОПИС УСТАНОВКИ

Об'єм реактора - 25 л.

Температура у реакторі - регульована до 100 °С.

Потужність електронагрівачів - 2 кВт.

Температура холодного теплоносія - 8-20 °С.

Видаток холодного теплоносія - до 3 л/хв.

Діапазон регулювання обертів мішалки - 5-150 об/хв.

Потужність приводу мішалки - 0.7 кВт.

Основними елементами установки є апарат з мішалкою, рисунку 1, який представляє собою емальовану ємність циліндричної форми діаметром 325 мм, з якірною мішалкою 7 діаметром 270 мм.

В апараті передбачена можливість застосування мішалок різних конструкцій. Привід мішалки здійснюється від двигуна постійного струму 1 через планетарний редуктор 2 і далі через прилад який вимірює крутний момент 3 на вал мішалки 7. Для підтримання температурного режиму в реакторі є кожух охолоджування та два електронагрівачі 6. Температура рідини вимірюється чотирма термопарами, розташованими по висоті апарату в щупі 5. Оберти мішалки вимірюються лічильником імпульсів 11, рисунок 3, який отримує імпульси від переривача 4, рисунок 1.

Регулювання числа обертів двигуна здійснюється шляхом зміни напруги, за допомогою ЛАТРА (лабораторний автотрансформатор).

Рівень рідини у реакторі вимірюється з допомогою метричної лінійки.

Порядок включення установки і проведення вимірів, рисунок 3:

1.Включити щит управління за допомогою автомата вмикання установки 6. При цьому загораються сигнальні лампи установки 9.

2. Тумблером 5 подається живлення на електродвигун.

3. Плавним обертанням регулятора частоти обертання мішалки 2 встановлюється первинна напруга (приблизно 10 В).

4. Включити тумблер на лічильнику імпульсів 11 і за допомогою секундоміра визначити частоту обертання валу мішалки.

5. Заміряти температуру рідини по висоті реактора за допомогою потенціометра 1. На багатопозиційному перемикачі 3 підключення термопар відповідає позиціям 12, 13, 14, 15.

6. Регулювання температури рідини здійснюється автоматично за допомогою пристрою задавання температур 8 після включення електронагрівачів тумблером 7. Регулювання потужності нагрівачів виконується за допомогою ЛАТРа, ручка 4.

7. Зменшення температури рідини, що перемішується, здійснюється подачею води в кожух охолодження за допомогою кранів 1 та 5, рисунок 2.

8. Якщо оберти мішалки і температури встановилися, то по приладу 12 заміряється потужність електродвигуна.

Рисунок 3 – Загальний вид щита керування приладом

1 – електричний потенціометр ЕПП.-09; 2 – регулятор частоти обертання мішалки; 3 – багатопозиційний перемикач; 4 – Регулятор потужності нагрівачів; 5 – тумблер вмикання нагрівачів; 6 – автомат вмикання установки; 7 – тумблер вмикання нагрівача; 8 – пристрій задавання температурного режиму; 9 – сигнальні лампи установки;
10 – регістратор крутного моменту; 11 – лічильник імпульсів; 12 – ватметр; 13 – схема установки та параметри рідин, що перемішуються.

4 ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

Досліди по визначенню витрат потужності на перемішування починаються з визначення потужності холостого ходу, тобто потужності, що втрачається в електродвигуні, редукторі, підшипниковому вузлі, а також потужності, що витрачається на подолання сил інерції деталей, що обертаються в залежності від числа обертів.

Для цього з апарату зливається рідина для перемішування і на порожньому апараті при різних числах обертів фіксується потужність холостого ходу, заносячи дані в таблицю 1. Заміри зробити для
6…10 різних чисел обертів у діапазоні 5-150 об/хв.

На другому етапі апарат заповнюється раніше злитою експериментальною рідиною і повторюються ті ж самі заміри, але при заповненому апараті, заносячи дані у таблицю 1.

Вищезазначені досліди можуть проводитися при різних середніх температурах, яка визначається за схемою: .

Таблиця 1 – Результати експериментів

№ пп	Σn	τ	Nx.x.	NПОВ	NКОР	tсер	Параметри рідини
об	с	Вт	Вт	Вт	0С	густина	в’язкість
, кг/м3	μ, Па·с

5 ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ

За даними таблиці 1 на одному графіку будуються графічні залежності потужності холостого ходу та повної потужності від числа обертів, рисунок 4.

За різницею цих потужностей для всіх значень визначається потужність , що витрачається при перемішуванні рідини. Густина та в'язкість рідини, що перемішується, визначається за середньою температурою, .

Рисунок 4 – Графічна залежність потужності холостого ходу та повної потужності від числа обертів

Заповнюється таблиця 2 i по ній будуються графічні залежності: , , , . Вищезазначені графічні залежності в аналітичній формі виразами виду:

(11)

Аналізуються отримані результати.

Коефіцієнт і показник степені в рівнянні (11) знаходяться у такий спосіб.

Таблиця 2 – Результати розрахунків

№ пп	, c-1	NKOP, Вт

Коли рівняння (11) прологарифмувати, то отримаємо вираз:

. (12)

Це рівняння прямої у логарифмічній системі координат (рисунок 5):

, (13)

де – тангенс кута нахилу прямої до осі абсцис; а – відрізок між точкою перетину прямої з віссю ординат при х=0.

Показник степені знаходять за залежністю (рисунок 5):

. (14)

Для отримання значення потрібно взяти антилогарифм від величини а (рисунок 5):

. (15)

Коефіцієнт можна також знайти, використовуючи дослідні дані, за схемою: спочатку розраховується значення , а потім вибираючи на експериментальній прямій довільну точку, з відповідними значеннями і , які підставляються в прологарифмоване рівняння (12) і знаходиться значення .

Рисунок 5 – Логарифмічна залежність коефіцієнта потужності від модифікованого критерія Рейнольдса

6 ПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

1. Проаналізуйте поняття ньютонівської рідини.

2. Проведіть класифікацію рідин в залежності від в’язкості.

2. Проаналізуйте типи мішалок та випадки їх застосування.

3. Обґрунтуйте методику визначення величини в залежності від типу мішалки.

4. Обґрунтуйте методику визначення величини .

5. Проаналізуйте, від чого залежить потужність при перемішуванні.

6. Проаналізуйте, що таке автомодельний режим при перемішуванні.

СПИСОК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Стренк Ф., Перемешивание и аппараты с мешалками, Л., «Химия», 1975, 383 с.

2. Холланд Ф., Чапман Ф., Химические реакторы и смесители для жидкофазных процессов, М. «Химия», 1974., 207 с.

3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А., Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, Изд. 8-е, Л. «Химия»,1976, 552 с.

4. Вукалович М.Л., Ривкин С.Л., Александров А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара, М., Изд. стандартов, 1968, 408 с.

5. Штербачек 3., Тауск П. Перемешивание в химической про-мышленности, Пер. с чещск. под. ред. И. С. Павлушенко, Л., ГХИ, 1963,
416 с.

Поиск по сайту: