Wydział Chemiczny

Wnikanie ciepła w warstwie fluidalnej

Laboratorium inżynierii chemicznej

Grupa 2

TCC3055L

Czwartek 8.15-11.00

Opracował:

Dariusz Łozak

Składowe			Punktacja
I	Opracowanie arkusza wyników (schemat aparatury, metodyka badań, wyniki badań), oznaczenia		(0-5), min. 2
II	Przykład obliczeniowy		(0-5), min. 3
III	Wnioski		(0-5), min. 2
∑
Punkty	Ocena
< 8 8 - 9 10 11-12 13 14 15	2.0 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5

Wrocław, 23.03.2006

Oznaczenia

		T6		Temperatura ściany grzejnej	C
		T5		Temperatura warstwy fluidalnej	C
		wk		Krytyczna prędkość fluidyzacji	m/s^2
		Q		Strumień ciepła	W
		A		Powierzchnia ściany grzejnej	m^2
		L		Długość części cylindrycznej elementu grzejnego	m
		d0		Średnica otworu zwężki pomiarowej	m
		D		Średnica wewnętrzna rurociągu	m
		dcz		Średnica cząstek ciała stałego	m
		w		Prędkość przepływu gazu	m/s^2
		g		Przyspieszenie ziemskie	m/s^2
		U		Napięcie grzejnika	V
		J		Natężenie grzejnika	A
symbole greckie
				Współczynnik wnikania ciepła	W/(m^2 K)
				Współczynnik wnikania masy	m/s
	ηp			Lepkość powietrza	Pa*s
				Porowatość	---
	ρcz			Gęstość ciała stałego	Kg/m^3
	ρm			Gęstość metanolu	Kg/m^3
	ρp			Gęstość powietrza	Kg/m^3
	λf			Współczynnik oporu

1. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest doświadczalne wyznaczenie zależności:

• Współczynnika wnikania ciepła w warstwie fluidalnej
  _f od liniowej prędkości powietrza, liczonej na pusty przekrój rury
  _f =f(w) dla stałej intensywności ogrzewania.

2. Aparatura:

Schemat instalacji badawczej do wyznaczania współczynników wnikania ciepła w warstwie fluidalnej pokazano na rysunku 1 - załącznik A.

3. Metodyka badań:

W momencie rozpoczęcia ćwiczeń laboratoryjnych aparatura była już włączona. Przed dokonaniem pomiarów napięcie zostało ustawione na wartość 200V a natężenie na wartość 0,6A. Po tych czynnościach nastąpiło ustawienie przepustnicy w pozycji 1. Po ustabilizowaniu się temperatury spisanie wartości pomiarów T₆ i T₅ oraz Δh. Pomiary zostały powtórzone 9-krotnie dla zmiennych ustawień przepustnicy.

4. Wyniki badań:

Wyniki badań zostały zgromadzone w tabeli 1 - załącznik A.

5. Metodyka obliczeń - przykład obliczeniowy

5.1 Obliczanie prędkości przepływu powietrza w kolumnie.

a) spadek ciśnienia według wzoru obliczam następująco:

∆p = g · ∆hm · (ρm· ρp) = 9.81 · 1.4· 10^-3· (790 - 1.2759) = 10.83 Pa

(1)

b) następnie obliczam masowe natężenie przepływu, korzystając z wartości obliczonej wcześniej:

= · d0 · ε · · = · 0.0938 · 1 · 0.62 · 5.48 = 0.250 kg/s

(2)

c) znając masowe natężenie przepływu mogę obliczyć objętościowe natężenie przepływu:

= = = 0.1959 m^3/s

(3)

d)następnie z powyższych danych można obliczyć prędkość przepływu powietrza w kolumnie:

w = = = 11.87 m/s

(4)

5.2 Obliczenia współczynnika wnikania ciepła w złożu fluidalnym:

a) aby przeprowadzić obliczenia współczynnika wnikania ciepła α należało obliczyć wartości składowe:

Q = U · I = 200 · 0.6 = 120W	(5)
Q = α · A · (T6-T5)
A = · d · L = · 0.024 · 0.1215 = 9.1609·10^-3m^2
α = = = 111.01 W/(m^2 K)

5.3 Obliczanie krytycznej prędkości fluidyzacji:

a) prędkość krytyczną obliczam z równania kwadratowego

18828.39 wk^2 + 7812.5 wk - 22550.48 = 0 wk2 = 0.90641 m/s^2

(6)

Wszystkie wyniki wartości obliczeniowych umieszczam w tabeli poniżej:

Tabela	1	Wyniki obliczeń
Lp.			α [W/(m^2 K)]	∆p [Pa]	[kg/s]	[ m^3/s]	w [m/s]
1			111.01	10.83	0.250	0.1959	11.87
2			121.29	43.33	0.500	0.3918	23.75
3			137.88	133.08	0.877	0.6879	41.69
4			154.11	232.12	1.159	0.908	55.03
5			174.66	286.28	1.287	1.01	61.22
6			174.66	286.28	1.287	1.01	61.22
7			174.66	286.28	1.287	1.01	61.22
8			174.66	286.28	1.287	1.01	61.22
9			174.66	286.28	1.287	1.01	61.22

6. Omówienie wyników, wnioski

Rysunek1 Wykres zależności
_f =f(w) dla Q=const, charakteryzujący układ fluidalny

Powstanie stanu fluidalnego związane jest z wyrównaniem ciśnienia statycznego ładunku ze spadkiem ciśnienia gazu przepływającego przez nieruchomy ładunek o porowatości
. W układzie fluidalnym występuje bardzo mała różnica temperatur między ścianką grzejną a gazem. Jest to rezultat intensywnego mieszania się strumienia gazu przez cząstki ciała stałego. Można wywnioskować więc, że im większe jest natężenie przepływającego powietrza tym mniejsza jest różnica temperatur między ścianką grzejną i powietrzem. Prowadzi to następująco do zwiększania współczynnika wnikania ciepła warstwy fluidalnej. Ma to istotne znaczenie i prowadzi do zwiększania wydajności procesów chemicznych. Z tego faktu wynika również, że warstwa fluidalna ułatwia wymianę ciepła. Z dalszych zależności wynika również, że podczas fluidyzacji wzrost temperatury powoduje zmniejszenie prędkości krytycznej fluidyzacji. Całkiem odwrotny wpływ ma powierzchnia ziaren sypkiego ciała stałego. Im większe ziarna również większa gęstość powoduje wzrost prędkości krytycznej.

6.1 Podstawy teoretyczne

Bardzo często w produkcji lub w przetwórstwie mamy do czynienia z substancjami w postaci rozdrobnionej fazy stałej. Faza stałą może pełnić różne role w przebiegu procesu. To skłania do znalezienia procesu który mógłby ułatwić produkcje związaną z tą fazą a nawet i polepszyć wyniki produkcyjne. Do takich procesów należy Fluidyzacja.

Z fluidyzacją mamy do czynienia, gdy przez złoże sypkiego materiału przypływa strumień powietrza lub płynu z prędkością mniejszą od wymaganej do transportu, a większą od dopuszczalnej dla warstwy nieruchomej.

Fluidyzacja polega na zawieszeniu drobnoziarnistego ciała stałego w płynącym do góry strumieniu gazu. Gaz dopływa przez porowate dno kolumny, w której występuje rozdrobnione ciało stałe do pewnego poziomu początkowego. Przy niewielkich prędkościach przepływu gazu położenie cząstek stałych nie zmienia się. Również wysokość warstwy ciała stałego nie ulega zmianie. Gdy prędkość przekroczy pewną wartość graniczną, struktura warstwy ciała stałego zostaje naruszona i jej wysokość wzrasta. Ze wzrostem prędkości przepływu gazu zachodzi stałe „ pęcznienie” warstwy, powodujące wzrost odległości między cząsteczkami. Są one wówczas zawieszone we wznoszącym się strumieniu gazu i poruszają się w sposób nieuporządkowany. Jest to stan tzw. stanem fluidalnym. Wysokość utworzonej warstwy fluidalnej zależy od prędkości przepływu gazu. Im większa prędkość, tym większa będzie wysokość warstwy i tym mniejsza masa ciała stałego zawarta będzie w jednostce objętości warstwy. Właściwości warstwy fluidalnej pod wieloma względami odpowiadają właściwością cieczy. Odznacza się ona bowiem wyrażnie zarysowaną górną powierzchnią rozgraniczającą, możliwością przepływania przez przelewy oraz pewną charakterystyczną lepkością.

Jak już wcześniej zasygnalizowałem zjawisko fluidyzacji wymaga zaistnienia konkretnych warunków. Stosunek zastosowanej prędkości roboczej przepływu gazu do prędkości krytycznej (w_rob/w_kr=a) jest wskaźnikiem fluidyzacji. Gdy a>1, warstwa ciała stałego jest nieruchoma. Warstwa fluidalna zaczyna powstawać dopiero gdy a=1 tzn. gdy w_rob=w_kr Wskaźnik fluidyzacji spełnia jeszcze jedną ważną rolę, charakteryzuje intensywność „wrzenia” w warstwie fluidalnej. Doświadczalnie stwierdzono, że intensywność ta jest największa, gdy a=2. Przy dalszym wzroście wartości a warstwa fluidalna staje się niejednorodna, a po przekroczeniu drugiej wartości krytycznej, prędkości w_kr2 warstwa ta całkowicie znika i zaczyna się zwykły transport pneumatyczny.

Fluidyzacja znalazła szerokie zastosowanie w wielu procesach katalitycznych oraz przy zgazowaniu paliw, prazeniu rud, procesach spalania, procesach aktywacji. Szerokie zastosowanie procesu fluidyzacji wiąże się z tym, że nawet przy prowadzeniu procesów silnie endo- i egzotermicznych stosunkowo łatwo utrzymać praktycznie równomierną temperaturę całej warstwy fluidalnej. Ma to duże znaczenie, gdy cząstki ciała stałego odgrywają rolę katalizatora. Ponadto dzięki lepszemu rozwinięciu powierzchni zwiększa się szybkość ewentualnych reakcji chemicznych miedzy fazą stałą i gazową. Ułatwiony jest też transport dużych ilości materiału stałego, a przenikanie ciepła jest znaczniej lepsze niż w procesie z warstwą nieruchomą. Ze względu na silnie rozwiniętą powierzchnię zetknięcia faz oraz dzięki stałemu odnawianiu powierzchni międzyfazowej na skutek intensywnego mieszania powstają korzystne warunki do wymiany ciepła i masy. Ważną zaletą fluidyzacji jest również łatwość utrzymania stałych parametrów ciała stałego, poprzez wymianę części wsadu, bez konieczności przerywania procesu. Proces fluidyzacji gwarantuje doskonałe mieszanie co umożliwia uzyskanie jednorodnej mieszaniny kilku substancji o różnych właściwościach fizycznych. Fluidyzacja umożliwia wymianę dużych ilości ciepła(poprzez wykorzystanie różnic w pojemnościach cieplnych ciała stałych i gazów)Te cechy fluidyzacji prowadzą do wzrostu szybkości przebiegu procesu, a zatem wzrostu wydajności aparatów.

Literatura:

Technologia chemiczna „Ćwiczenia laboratoryjne” Wydawnictwo Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej Lublin 2002 Redakcja Andrzej Machorki

Procesy Mechaniczne w Inżynierii Chemicznej A. Noworyta

Technologia chemiczna Jacek Molenda

Zasady inżynierii chemicznej i procesowej Mieczysław Serwiński

2

---