ĆWICZENIA LABORATORYJNE DLA STUDENTÓW III ROKU … · Projekt współfinansowany przez Unię...

Projekt wspfinansowany przez Uni Europejsk w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

Zwikszenie liczby wysoko wykwalifikowanych absolwentw kierunkw cisych Uniwersytetu Jagielloskiego UDA-POKL.04.01.02-00-097/09-00

www.zamawiane.uj.edu.pl

1

Z a k a d T e c h n o l o g i i C h e m i c z n e j

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

WICZENIA LABORATORYJNE

DLA STUDENTW III ROKU CHEMII

Opracowali:

Katarzyna Furczo Andrzej Kochanowski Andrzej Kowalczyk Dorota Majda Marian Piasecki Agnieszka Wgrzyn

ZASADY OGLNE obowizujce na wszystkich wiczeniach

1. Na cao wiczenia skada si kolokwium wstpne, zajcia w laboratorium oraz opracowanie

wynikw. Zakres obowizujcego materiau, zalecana literatura oraz wskazwki do sprawozdania podane s w instrukcji do poszczeglnych wicze.

2. W czasie wicze obowizuje odzie ochronna i okulary. 3. Kady student zobowizany jest do prowadzenia zeszytu laboratoryjnego. 4. W wikszoci wicze wykonuje si obliczenia dobrze mie ze sob kalkulator oraz ukad

okresowy. 5. Naley zachowa ostrono przy pracy z odczynnikami. 6. Zuyte odczynniki wlewa do odpowiednio oznakowanych zbiornikw na odpady, nie do

kanalizacji! 7. W przypadku jakichkolwiek wtpliwoci prosz pyta prowadzcego.




2

O P E R A C J E C I E P L N E ......................................................................................................................................................7

1. PODSTAWY TEORETYCZNE ................................................................................................................................................8

1.1. WPROWADZENIE............................................................................................................................................................8 1.2. PRZEWODNICTWO CIEPLNE........................................................................................................................................8 1.3. PRZEWODZENIE CIEPA PRZEZ CIANK CYLINDRYCZN..............................................................................11 1.4. PRZENOSZENIE CIEPA NA DRODZE KONWEKCJI ...............................................................................................12 1.6. PRZENIKANIE CIEPA .................................................................................................................................................14 1.7. REDNIA NAPDOWA RNICA TEMPERATUR I REDNIA TEMPERATURA NONIKW CIEPA ............16

2. LITERATURA.........................................................................................................................................................................17

3. CELE DYDAKTYCZNE.........................................................................................................................................................17

WICZENIE OC-1 ......................................................................................................................................................................18

WARTO OPAOWA PALIWA STAEGO.........................................................................................................................18

1. WARTO OPAOWA PALIWA STAEGO..................................................................................................................19 2. ZASADY POMIARU..........................................................................................................................................................20 3. OPIS TECHNICZNY PRZYRZDU..................................................................................................................................21

3.1. BOMBA KALORYMETRYCZNA ............................................................................................................................21 3.2. NACZYNIE KALORYMETRYCZNE .......................................................................................................................22 3.3. TERMOSTAT WODNY .............................................................................................................................................22 3.4. OBUDOWA WRAZ Z URZDZENIEM ELEKTRYCZNO-ZAPONOWYM.......................................................22 3.5. MIESZADO MECHANICZNE MIGOWE..........................................................................................................23 3.6. URZDZENIE DO POMIARU TEMPERATURY....................................................................................................23 3.7. PRASA DO SPORZDZANIA PRBEK..................................................................................................................23 3.8. STATYW.....................................................................................................................................................................23

4. INSTRUKCJA OBSUGI ORAZ PRZEPROWADZENIE POMIARU.............................................................................24 4.1. POMIESZCZENIE DLA POMIARW......................................................................................................................24 4.2. WODA DO KALORYMETRU...................................................................................................................................24 4.3. ZANURZENIE TERMOMETRU ...............................................................................................................................24 4.4. PRZYGOTOWANIE PRBKI DO SPALENIA ........................................................................................................24 4.5. NAPENIANIE BOMBY ...........................................................................................................................................25 4.6. ZESTAWIENIE PRZYRZDW ..............................................................................................................................26 4.7. SPRAWDZENIE PRAWIDOWEGO ZESTAWIENIA PRZYRZDW...............................................................26 4.8. WYKONANIE POMIARU .........................................................................................................................................26 4.8. CZYNNOCI KOCOWE .........................................................................................................................................27

5. OZNACZENIE WARTOCI WODNEJ KALORYMETRU ..............................................................................................27 6. OBLICZANIE WYNIKW POMIARW .........................................................................................................................28

6.1 KOREKTA PRZYROSTU TEMPERATURY.............................................................................................................28 6.2 GRAFICZNE WYZNACZANIE POPRAWKI NA PROMIENIOWANIE.................................................................28 6.3 RACHUNKOWE WYZNACZANIE POPRAWKI NA PROMIENIOWANIE ..........................................................29

A. WZR REGNAULT PFAUNDLERA.............................................................................................................................29 B. WZR LANGBEINA.........................................................................................................................................................29 C. WZR A. SZCZUKAREWA .............................................................................................................................................30

WICZENIE OC-2 ......................................................................................................................................................................31

WARTO OPAOWA GAZW.............................................................................................................................................31

1. WSTP ................................................................................................................................................................................32 1.1 PODZIA PALIW........................................................................................................................................................32




3

1.2 RODZAJE PALIW GAZOWYCH...............................................................................................................................33 2. WARTO OPAOWA I CIEPO SPALANIA ORAZ SPOSOBY ICH WYZNACZANIA ...........................................34 3. OZNACZANIE WARTOCI OPAOWEJ GAZW.........................................................................................................36 2. OPIS APARATURY ...........................................................................................................................................................37

2.1 KALORYMETR...........................................................................................................................................................38 2.2 GAZOMIERZ...............................................................................................................................................................39 2.3 PALNIK........................................................................................................................................................................39 2.4 CYLINDER MIAROWY. ............................................................................................................................................39

3. LITERATURA ....................................................................................................................................................................39 4. ZAKRES OBOWIZUJCEGO MATERIAU................................................................................................................40 5. PRZEBIEG WICZENIE....................................................................................................................................................40

5.1 SZKO LABORATORYJNE ......................................................................................................................................40 5.2 WYKONANIE .............................................................................................................................................................40

6. OPRACOWANIE WYNIKW - SPRAWOZDANIE ........................................................................................................41

O P E R A C J E D Y F U Z Y J N E ..........................................................................................................................................42

1. PODSTAWY TEORETYCZNE..........................................................................................................................................43 1.1 WPROWADZENIE..........................................................................................................................................................43 1.2 MIESZANINY..................................................................................................................................................................43 1.3 DESTYLACJA .................................................................................................................................................................45 1.4 REKTYFIKACJA.............................................................................................................................................................45

1.4.1 WYZNACZANIE ILOCI PEK TEORETYCZNYCH......................................................................................46 METODA GRAFICZNA...............................................................................................................................................46 METODA FENSKIEGO ...............................................................................................................................................47

1.4.2 SPRAWNO KOLUMNY ................................................................................................................................48 2. LITERATURA ...................................................................................................................................................................48 3. CELE DYDAKTYCZNE ....................................................................................................................................................48

WICZENIE OD-1......................................................................................................................................................................49

WYZNACZANIE LICZBY PEK TEORETYCZNYCH KOLUMN REKTYFIKACYJNYCH............................................49

1. ZAKRES OBOWIZUJCEGO MATERIAU ...............................................................................................................50 2. PRZEBIEG WICZENIA ..................................................................................................................................................50 3. OPRACOWANIE WYNIKW..........................................................................................................................................50

WICZENIE OD-2......................................................................................................................................................................51

FERMENTACJA ALKOHOLOWA I REKTYFIKACJA ETANOLU......................................................................................51

1. PODSTAWY TEORETYCZNE .........................................................................................................................................52 2. LITERATURA UZUPENIAJCA ..................................................................................................................................52 3. ZAKRES OBOWIZUJCEGO MATERIAU ...............................................................................................................53 4. PRZEBIEG WICZENIA ..................................................................................................................................................53 5. OPRACOWANIE WYNIKW..........................................................................................................................................54

T E C H N O L O G I A P O L I M E R W ( T W O R Z Y W S Z T U C Z N Y C H ) ...........................................................56

1. WSTP ..........................................................................................................................................................................57 2. LITERATURA ..............................................................................................................................................................57 3. ZAKRES OBOWIZUJCEGO MATERIAU ..........................................................................................................57 4. CELE DYDAKTYCZNE...............................................................................................................................................57

WICZENIE P-1 .........................................................................................................................................................................58

POLIMERYZACJA RODNIKOWA AKRYLOAMIDU. OTRZYMYWANIE HYDROELI..................................................58

1. ODCZYNNIKI: .............................................................................................................................................................59 2. APARATURA I SZKO LABORATORYJNE:............................................................................................................59




4

3. SYNTEZA: ....................................................................................................................................................................59 4. OPRACOWANIE WYNIKW.....................................................................................................................................60

WICZENIE P-2 .........................................................................................................................................................................61

OTRZYMYWANIE POLIESTRW METOD POLIKONDENSACJI....................................................................................61

1. ODCZYNNIKI: .............................................................................................................................................................62 2. APARATURA I SZKO LABORATORYJNE:............................................................................................................62 3. SPOSB PRZEPROWADZENIA SYNTEZY..............................................................................................................62 4. OPRACOWANIE WYNIKW.....................................................................................................................................62

WICZENIE P-3 .........................................................................................................................................................................63

IDENTYFIKACJA TWORZYW SZTUCZNYCH......................................................................................................................63

1. ZNACZENIE PRAKTYCZNE BADANIA. ..................................................................................................................64 2. METODY BADANIA ...................................................................................................................................................64

A. WYGLD ZEWNTRZNY OBSERWACJE ORGANOLEPTYCZNE ..............................................................64 B. PRAENIE W RURCE SZKLANEJ (PIROLIZA) ..................................................................................................64 C. BADANIA PALNOCI ZA POMOC OTWARTEGO POMIENIA...................................................................65 D. ZACHOWANIE SI TWORZYWA WOBEC ROZPUSZCZALNIKW ORGANICZNYCH I W WODZIE......65 E. OKRELENIE TYPU POLIMERU NA PODSTAWIE JEGO GSTOCI ............................................................66

3. OPRACOWANIE WYNIKW.....................................................................................................................................66

PODSTAWY PROCESW KATALITYCZNYCH I ADSORPCYJNYCH ..............................................................................75

1. PODSTAWY TEORETYCZNE..........................................................................................................................................76 A. KATALIZA ...................................................................................................................................................................76 B. ADSORPCJA.................................................................................................................................................................77

A. MODEL FREUNDLICHA .......................................................................................................................................77 B. MODEL HENRYEGO ............................................................................................................................................78 C. MODEL LANGMUIRA ...........................................................................................................................................78 D. MODEL BET............................................................................................................................................................79

2. LITERATURA ....................................................................................................................................................................79 3. ZAKRES OBOWIZUJCEGO MATERIAU ..........................................................................................................79 4. CELE DYDAKTYCZNE...............................................................................................................................................79

WICZENIE KA-1......................................................................................................................................................................80

CHARAKTERYSTYKA KATALIZATORW PRZEMYSOWYCH METODAMI ANALIZY TERMICZNEJ ..................80

1. ZAKRES OBOWIZUJCEGO MATERIAU: .........................................................................................................81 2. OMWIENIE NAJWANIEJSZYCH ZAGADNIE: ................................................................................................81 3. LITERATURA UZUPENIAJCA: ............................................................................................................................83 4. SPRZT I ODCZYNNIKI: ............................................................................................................................................83 5. WYKONANIE WICZENIA: ......................................................................................................................................84 6. OPRACOWANIE WYNIKW:....................................................................................................................................85

WICZENIE KA-2......................................................................................................................................................................86

WYZNACZANIE POWIERZCHNI WACIWEJ WGLA AKTYWNEGO ZA POMOC ADSORPCJI KWASU OCTOWEGO...............................................................................................................................................................................86

1. ZAKRES OBOWIZUJCEGO MATERIAU: .........................................................................................................87 2. OMWIENIE NAJWANIEJSZYCH ZAGADNIE: ................................................................................................87 3. LITERATURA OBOWIZKOWA: .............................................................................................................................87 4. LITERATURA UZUPENIAJCA: ............................................................................................................................87 5. SPRZT I ODCZYNNIKI: ............................................................................................................................................87 6. WYKONANIE WICZENIA: ......................................................................................................................................88




5

7. OPRACOWANIE WYNIKW:....................................................................................................................................89

WICZENIE KA-3......................................................................................................................................................................93

USUWANIE FENOLU Z WODY ZA POMOC MATERIAW HYDROTALKITOWYCH ..............................................93

1. ZAKRES OBOWIZUJCEGO MATERIAU: .........................................................................................................94 2. LITERATURA OBOWIZKOWA: .............................................................................................................................94 3. LITERATURA UZUPENIAJCA: ............................................................................................................................94 4. SPRZT I ODCZYNNIKI: ............................................................................................................................................94 5. WYKONANIE WICZENIA: ......................................................................................................................................95 6. OPRACOWANIE WYNIKW:....................................................................................................................................96

WICZENIE KA-4......................................................................................................................................................................98

WYMIANA JONOWA W ZEOLITACH....................................................................................................................................98

1. ZAKRES OBOWIZUJCEGO MATERIAU: .........................................................................................................99 2. OMWIENIE NAJWANIEJSZYCH ZAGADNIE: ................................................................................................99 3. LITERATURA OBOWIZKOWA: ...........................................................................................................................101 4. LITERATURA UZUPENIAJCA: ..........................................................................................................................101 5. SPRZT I ODCZYNNIKI: ..........................................................................................................................................101 6. WYKONANIE WICZENIA: ....................................................................................................................................102 7. OPRACOWANIE WYNIKW:..................................................................................................................................103

HYDRODYNAMIKA ...............................................................................................................................................................106

1. WSTP PODSTAWOWE POJCIA I DEFINICJE .......................................................................................................107 2. LITERATURA ..................................................................................................................................................................117 3. CELE DYDAKTYCZNE ..................................................................................................................................................117

WICZENIE H-1.......................................................................................................................................................................118

WYZNACZANIE OPORW PRZY PRZEPYWIE PYNW .............................................................................................118

ZAKRES OBOWIZUJCEGO MATERIAU: ...............................................................................................................119 APARATURA:......................................................................................................................................................................119 SPOSB WYKONANIA POMIARW: ............................................................................................................................121 WYKONANIE WICZENIA: .............................................................................................................................................121 OPRACOWANIE WYNIKW:...........................................................................................................................................122

WICZENIE H-2.......................................................................................................................................................................124

WYZNACZANIE OPORW FILTRACJI................................................................................................................................124

1. WSTP ..............................................................................................................................................................................125 2. OPIS WYKONANIA POMIARW..................................................................................................................................129 3. OPRACOWANIE WYNIKW I PRZYGOTOWANIE SPRAWOZDANIA...................................................................130

WICZENIE H-3.......................................................................................................................................................................131

OKRELENIE KRYTYCZNEJ LICZBY REYNOLDSA ........................................................................................................131

PODSTAWY TEORETYCZNE............................................................................................................................................132 POJCIE LICZBY REYNOLDSA. KRYTYCZNA LICZBA REYNOLDSA .....................................................................132 RUCH LAMINARNY I TURBULENTNY W PRZEWODZIE O PRZEKROJU KOOWYM...........................................134 OPIS STANOWISKA POMIAROWEGO ............................................................................................................................135 WYKONANIE WICZENIA. ..............................................................................................................................................136 ZESTAWIENIE WYNIKW POMIARW I OBLICZE. .................................................................................................136

WICZENIE H-4.......................................................................................................................................................................137




6

FLUIDYZACJA.........................................................................................................................................................................137

PODSTAWY TEORETYCZNE............................................................................................................................................138 ZASTOSOWANIE FLUIDYZACJI......................................................................................................................................139 MINIMALNA PRDKO FLUIDYZACJI........................................................................................................................140 EKSPANSJA ZOA ORAZ MAKSYMALNA PRDKO FLUIDYZACJI. .................................................................141 SPADEK CINIENIA W ZOU OPR HYDRAULICZNY ZOA. ...........................................................................142 RODZAJE FLUIDYZACJI ...................................................................................................................................................143 WYZNACZANIE PRDKOCI PRZEPYWU PYNU ZA POMOC RURKI SPITRZAJCEJ PITOTA..................144 POMIAR CINIENIA MANOMETREM Z RURK POCHY. ......................................................................................145 STANOWISKO POMIAROWE ...........................................................................................................................................146 PRZEBIEG POMIARW I OPRACOWANIE WYNIKW................................................................................................147 ZAGADNIENIA DO WICZE ..........................................................................................................................................149 W SPRAWOZDANIU NALEY UMIECI: .....................................................................................................................149 LITERATURA. .....................................................................................................................................................................149




7

OPERACJE CIEPLNE




8

1. PODSTAWY TEORETYCZNE 1.1. Wprowadzenie Transport ciepa moe nastpi na skutek:

1) przewodzenia, 2) konwekcji, a) konwekcji wymuszonej,

b) konwekcji swobodnej 3) promieniowania.

Przewodzenie ciepa jest to przekazywanie energii wewntrznej midzy bezporednio stykajcymi si czciami jednego ciaa lub rnych cia. W pynach przekazywana jest energia kinetyczna atomw i czsteczek, a w ciaach staych energia drga atomw w sieci krystalicznej i ruchu swobodnych elektronw. Wycznie przez przewodzenie odbywa si wymiana ciepa w ciaach staych nieprzenikliwych dla promieniowania termicznego oraz w pynach, gdy nie wystpuj przemieszczenia wzgldem siebie makroskopowych czci pynu (np. gdy pyn jest ogrzewany od gry).

Przewodzenie ciepa w pynach poczone jest z konwekcj, czyli ruchem makroskopowych czci pynu o rnych temperaturach. Konwekcja moe wystpowa w przestrzeni ograniczonej (np. w zbiorniku, w rurze) lub w przestrzeni nieograniczonej (przy opywaniu zewntrznej powierzchni ciaa staego). Moe to by konwekcja swobodna (naturalna), pod wpywem dziaania zewntrznych si masowych na czci pynu o rnych temperaturach, a wic i o rnych gstociach, lub konwekcja wymuszona przez pomp, sprark, dmuchaw lub mieszado.

Promieniowanie polega na wysyaniu przez ciaa o temperaturze wyszej od temperatury zera bezwzgldnego fal elektromagnetycznych, takich samych jak fale promieniowania wietlnego, lecz obejmujcych cay zakres dugoci fal od zera do nieskoczonoci lub selektywnie tylko niektre dugoci fal. W wyniku promieniowania termicznego energia wewntrzna ciaa przeksztaca si w energi radiacyjn (promieniowania elektromagnetycznego), ktra po napotkaniu innych cia lub innych czci tego samego ciaa czciowo lub cakowicie jest pochaniania i przeksztacana w energi wewntrzn.

Si napdow przenoszenia ciepa stanowi zawsze rnica temperatur w polu temperaturowym.

Pole to moe by stacjonarne lub moe zmienia si z czasem. Rozrnia si pola jedno-, dwu- lub trjwymiarowe. 1.2. Przewodnictwo cieplne

Ilo ciepa dQ przechodzca przez elementarn paszczyzn dS zlokalizowan na powierzchni izotermicznej w czasie d pod wpywem gradientu temperaturowego T/n okrelona jest rwnaniem Fouriera:

TdQ dS dn

=

[1]

przy czym n oznacza odcinek dugoci na normalnej wzgldem kierunku rozchodzenia si ciepa. Znak (-) wskazuje na spadek temperatury w kierunku strumienia ciepa. Wspczynnik okrelajcy zdolno danej




9

substancji do przewodzenia jest wspczynnikiem przewodnictwa cieplnego (przewodnoci cieplnej). Jego wymiar wynosi:

[ ] 2dQ n J m W

dS d T m s K m K

= = =

[2]

Wielko tego parametru dla rnych rodzajw substancji przedstawiono na rysunku 1.2.1

Rys 1.2.1 Zakres wartoci wspczynnikw przewodzenia ciepa

Przewodnictwo cieplne cia staych jest funkcj liniow temperatury T

( )0 l bT = + [3]

gdzie: 0 - przewodnictwo cieplne w temperaturze 0C, b - sta charakterystyczn dla danej substancji.

Warto wspczynnika ze wzrostem temperatury cieczy najczciej maleje przy czym cinienie

nie wywiera tutaj istotnego wpywu. W gazach wspczynnik ze wzrostem temperatury ronie. Na podstawie rwnania Fouriera obliczenie iloci przewodzonego ciepa jest moliwe, gdy znany

jest rozkad temperatur w danym polu temperaturowym. Rozkad ten znany jest na og w przypadku przewodnikw o ksztacie prostych figur geometrycznych (czworocianu, kuli itp.). Rwnanie

c

= [4]

wspczynnik przewodnictwa temperaturowego 2ms




10

wspczynnik przewodnictwa cieplnego Wm K

c ciepo waciwe materiau JK kg

gsto materiau 3kgm

c pojemno cieplna materiau 3Jm K

stanowi model matematyczny przewodzenia ciepa. Jego rozwizanie wymaga znajomoci warunkw jednoznacznoci.

W przypadku obliczania przewodzenia ciepa przez ciank pask mona zaoy jednowymiarowe pole temperaturowe. W tych warunkach miarodajna jest tylko grubo przegrody oraz temperatury T1 i T2 na zewntrznych paskich powierzchniach (T1 > T2), temperatura ulega zmianie tylko wzdu jednej osi, np. x (rys. 1.2.2), ilo ciepa Q przewodzonego przez ciank pask w czasie , czyli natenie ciepa Q , w warunkach stacjonarnych zgodnie z rwnaniem Fouriera wynosi:

dTQ Sdx

= [5]

Rys. 1.2.2 Przewodzenie ciepa przez ciank pask: 1 - =const, 2 - zwiksza si ze wzrostem temperatury, 3 - maleje ze wzrostem temperatury; oznaczenia: T - temperatura, x - parametr dugoci, - grubo cianki paskiej

( ) [ ]JttSQ

21 =

[6]

Wzr [6] odnosi si rwnie do cianki wielowarstwowej, z tym e wtedy przyjmuje posta:

( )

n

n

SttQ

+++

=

2

2

1

1

21

[7]

gdzie n oznacza grubo n-tej warstwy, a n - wspczynnik przewodzenia tej warstwy.




11

1.3. Przewodzenie ciepa przez ciank cylindryczn

W przypadku cianki paskiej powierzchnia przewodzenia, rozumiana jako pole przekroju prostopadego do kierunku przepywu ciepa, jest staa i wynosi S. Warunek ten nie jest speniony w przypadku cianek cylindrycznych, ktre wystpuj np. w wymiennikach ciepa. Tutaj pole przekroju nie jest stae, gdy inna jest pod wzgldem wielkoci powierzchnia zewntrzna rury, a inna jej powierzchnia wewntrzna. Dlatego w rwnaniu [4] warto powierzchni S naley zastpi powierzchni redni Sr, co daje zaleno:

( )21 ttSQ r =

[8]

drdtrl

drdtSQ 2==

[9]

Rys. 1.3.1 Przewodzenie ciepa przez jednorodn ciank cylindryczn

T - temperatura, r - promie w ktrym r jest promieniem piercieniowatej warstwy o gruboci dr, wydzielonej wewntrz cylindra. Po rozdzieleniu zmiennych otrzymuje si zaleno:

rdr

lrQdt2

= [10]

Po scakowaniu




12

( ) [ ]W

dd

ttlQ

1

2

21

ln12

= [11]

Jest to rwnanie opisujce przewodzenie ciepa przez jednorodn ciank cylindryczn w warunkach stacjonarnych. W przypadku wielowarstwowej cianki cylindrycznej odpowiednie rwnanie przyjmuje posta:

( )

n

n

n dd

dd

dd

ttlQ1

2

3

21

2

1

21

ln1ln1ln12

++++

=

[12]

gdzie dn jest rednic wewntrzn n-tej warstwy cylindrycznej, dn+1 - rednic zewntrzn tej warstwy, a n - jej wspczynnikiem przewodzenia. 1.4. Przenoszenie ciepa na drodze konwekcji

Transport ciepa od substancji staej do przylegajcego do niej pynu, lub odwrotnie, nazywa si wnikaniem ciepa. Osobliwoci wnikania jest fakt, e ciepo od ciaa staego do pynu, lub odwrotnie, przenoszone jest zarwno na drodze konwekcji jak te przewodzenia. Przewodzenie wystpuje w granicznej warstwie adsorpcyjnej. Wymiana ciepa w pynach nastpuje atwiej w wyniku konwekcji ni przewodzenia. W jdrze fazy pynnej ciepo przenoszone jest na drodze konwekcji, a wic zdecydowanie szybciej anieli w warstewce adsorpcyjnej. Dlatego natenie wnikania ciepa jest uzalenione od gruboci granicznej warstwy adsorpcyjnej, jak przedstawiono na rys. 1.4.1. Grubo warstwy granicznej zaley od charakteru ruchu pynu oraz od jego lepkoci.

Rys. 1.4.1 Rozkad temperatur w warstewce adsorpcyjnej podczas ogrzewania cieczy T temperatura, grubo warstewki adsorpcyjnej po stronie cieczy

Natenia wnikania ciepa oblicza si na podstawie prawa Newtona. W oglnej postaci mona go sformuowa nastpujco:

( )21 ttdSQd = gdzie jest wspczynnikiem wnikania ciepa, przy czym




13

[ ]

=

KmW2

Na warto wspczynnika wpywaj warunki fizyczne operacji, takie jak: - waciwoci fizyczne pynu, - ksztat geometryczny aparatury, - warunki na granicy styku faz. Rozwizanie rwna rniczkowych opisujcych dan operacj jest czsto niemoliwe i dlatego, posugujc si teori podobiestwa mona wyprowadzi odpowiednie liczby kryterialne, ktre przedstawiaj stosunki si dziaajcych w ukadzie i majce wpyw na przebieg zjawiska. Podstawowe s cztery liczby:

lNu =

liczba Nusselta,

wl

=Re liczba Reynoldsa,

c=Pr

liczba Prandtla,

3 2

2

gl TGr

=

liczba Grashoffa,

gdzie: oznacza wspczynnik wnikania [W/(m2K)], wspczynnik przewodzenia ciepa [W/(mK)] w warstwie adsorpcyjnej, wspczynnik lepkoci dynamicznej [N s/m2], wspczynnik rozszerzalnoci objtociowej [1/K], l wymiar geometryczny [m], c ciepo waciwe strumienia [J/(kgK)], w prdko liniow strumienia [m/s]. Z wymienionych liczb, liczba Nu nie jest liczb okrelajc. Naley j przedstawi w formie funkcji pozostaych liczb, tzn.: Nu = f (Re, Pr, Gr, T) [13] Waciw zaleno funkcyjn naley wyznaczy na drodze eksperymentalnej, przedstawiajc liczb Nu jako funkcj pozostaych liczb w postaci rwnania wykadniczego:

knm

dlcNu

= PrRe

[14]




14

1.5. Przenoszenie ciepa przez promieniowanie

Pochanianie i odbijanie promieni przez ciaa zaley od stanu ich powierzchni. Powierzchnie gadkie sprzyjaj odbijaniu, powierzchnie chropowate za poprawiaj zdolno pochaniania fal elektromagnetycznych. Cia doskonale czarnych, ktre pochaniayby promieniowanie w 100%, nie ma. Natenie emitowanego przez takie ciao ciepa okrela rwnanie Stefana-Boltzmanna:

4

100

=

TCSQ

w ktrym C - staa promieniowania wynoszca dla ciaa doskonale czarnego C = 5,68 Wm-2K-1, S pole powierzchni.

W przypadku cia rzeczywistych staa ta jest mniejsza i wynosi C = 5,68, gdzie - stopie czarnoci ciaa, < 1. 1.6. Przenikanie ciepa

Transport energii cieplnej na drodze przewodzenia, wnikania i promieniowania nazywa si przenikaniem ciepa. Przenikanie ciepa od nonika gorcego o temperaturze T1 do przedzielonego ciank pask nonika zimnego o temperaturze T4 jest przedstawione na rys. 1.6.1. Rnica temperatur T = T1 T4 stanowi w ukazanym przypadku cakowit si napdow przenikania ciepa, podczas gdy rnice (T1 T2), (T2 T3) oraz (T3 T4) s czstkowymi siami napdowymi.

Rys. 1.6.1 Rozkad temperatur podczas przenikania ciepa przez ciank T - temperatura, - grubo cianki paskiej, 1, 2 - wspczynniki wnikania ciepa w dwch rnych fazach po obu stronach cianki, - przewodno cieplna cianki

Poniewa nie mona pomin udziau przewodzenia w przenoszeniu ciepa, suszne w tych warunkach jest rwnanie: q K T= lub [ ]Q K S T J s= przy czym T - cakowita napdowa rnica temperatur [K], K - wspczynnik przenikania ciepa o wymiarze:




15

2

Q WKS T m K

=

Wspczynnik przenikania ciepa okrela ilo ciepa Q przenoszonego w jednostce czasu przez

jednostkow powierzchni od nonika ciepego do zimnego, przy rnicy temperatur wynoszcej 1 stopie. We wspczynniku tym musz by uwzgldnione wspczynniki wnikania oraz przewodzenia ciepa. Zaleno funkcyjn pomidzy tymi wspczynnikami najatwiej wyprowadzi w przypadku cianki paskiej (rys. 1.2.1). W warunkach stacjonarnych obowizuj nastpujce rwnania:

( )1 1 2q T T=

( )2 3q T T

=

( )2 3 4q T T= Poniewa w warunkach ustalonych obcienie q = const, atwo jest obliczy czstkowe napdowe rnice temperatur:

1 2 11

1T T q q r

= =

2 3 T T q q r

= =

3 4 22

1T T q q r

= =

gdzie r1, r2, r to opory termiczne przy przechodzeniu ciepa przez warstewki graniczne po stronie nonika gorcego i zimnego oraz przez ciank. Sumujc lew i praw stron rwnania, otrzymuje si cakowit si napdow operacji przenikania ciepa:

( )1 4 1 21 2

1 1T T T q q r r r

= = + + = + +

Jak z powyszego wynika, 1/K = r, gdzie r oznacza oglny opr termiczny przenikania ciepa [m2W/K]. W przypadku wielowarstwowej cianki oddzielajcej pyny naley uwzgldni wszystkie

wspczynniki przewodzenia ciepa. Wtedy:

2,121

111 rrrK i

ii i

i ++=++=

Powysze rwnania dowodz, e wszystkie czynniki sprzyjajce wnikaniu ciepa powoduj jednoczenie wzrost wspczynnika przenikania ciepa. Natomiast w pewnych warunkach np. poprzez naronicie na ciance dziaowej warstwy kamienia kotowego o maym wspczynniku przewodnoci cieplnej zmniejsza warto wspczynnika przenikania K i zwiksza opr oglny r.

Z wyej przytoczonych rozwaa wynika, e obliczenie iloci przenoszonego ciepa przez ciank cylindryczn wymaga znajomoci jednostki obliczeniowej, do ktrej natenie przenoszenia ma by proporcjonalne. Z tego wzgldu, biorc pod uwag geometri ukadu istniej wic a cztery




16

moliwoci. Dotycz one albo dugoci cianki cylindrycznej, albo jej powierzchni wewntrznej, zewntrznej lub redniej. 1.7. rednia napdowa rnica temperatur i rednia temperatura nonikw ciepa

Korzystajc z rwnania na przenoszenie ciepa: Q = KST, istnieje konieczno okrelenia nie tylko powierzchni obliczeniowej, lecz rwnie redniej siy napdowej, jeeli np. wzdu cianki dzielcej nonik zimny od gorcego rnica temperatur jest funkcj dugoci cianki l, tzn.

( )T f l = Powysza zaleno jest najczciej nieznana i w obliczeniach praktycznych wystarczy okreli tzw. redni napdow rnic temperatur Tr, ktra zaley od kierunku ruchu obydwu nonikw ciepa.

Podstawowymi rodzajami ruchw ciepa s wspprd i przeciwprd. W przypadku gdy obydwa noniki pyn w tym samym kierunku cianki dziaowej, przepyw taki jest wspprdowy. Gdy natomiast kierunki s przeciwne, przepyw jest przeciwprdowy. Charakter zmian temperatur poszczeglnych nonikw ciepa zobrazowany jest na rys. 1.7.1. Przebieg zmian temperaturowych zaley od ciepa waciwego nonikw i przepywu masowego Qm, dla gorcego W i zimnego w. Rwnowaniki te rwnaj si iloczynom W = QmC i w = qmc, C, c - ciepa waciwe nonika gorcego i zimnego.

Rys. 1.7.1. Przebieg zmian temperaturowych w wymienniku ciepa wsp- i przeciwprdowym

T, t - temperatura gorcego i zimnego nonika ciepa, S - powierzchnia wymiany ciepa, W, w - rwnowaniki nonika gorcego i zimnego

Zarwno dla wsp- jak i dla przeciwprdu redni napdow rnic temperatur oblicza si w postaci redniej logarytmicznej z maksymalnej Tmax i minimalnej Tmin napdowej rnicy temperatur. Oznacza to, i:

max min

max

min

2,3 logr

T TT TT

=




17

Gdy maxmin

2TT

10000

Dla przepywu przejciowego wszystkie obliczenia inynierskie przeprowadza si tak, jak dla przepywu turbulentnego, poniewa dyssypacja energii w ruchu turbulentnym jest wysza ni w laminarnym. RWNANIE CIGOCI STRUMIENIA: Masowe natenie przepywu Qm, ustalone w czasie, jest jednakowe w kadym przekroju strumienia pynu: Qm1 = Qm2. Std wynikaj nastpujce zalenoci: Qv1 1 = Qv2 2 (3)




109

S1 w1 1 = S2 w2 2 (4) Dla przepywu pynw nieciliwych (1 = 2) objtociowe natenie przepywu pozostaje stae: Qv1 = Qv2 (5) S1 w1 = S2 w2 (6) lub

1

2

2

1

wS

wS

= (7)

Zatem dla przepywu ustalonego (Qv = const) przez przewd o zmiennym przekroju, rednia prdko przepywu (w) pynu nieciliwego w danym punkcie jest odwrotnie proporcjonalna do przekroju przewodu (S). BILANS ENERGETYCZNY PRZEPYWU PRAWO ZACHOWANIA ENERGII:

)EE(zg2w

gp

WQzg2w

gp

1222

22

2

21

1

21

1

1 +++=++++ (8)

gdzie: p1, p2 cinienie w przekroju 1 i 2 [N/m2], 1, 2 gsto pynu [kg/m3],

gp energia objtociowa [m],

w1, w2 rednie prdkoci liniowe przepywu [m/s], g przyspieszenie ziemskie [= 9,81 m/s2],

g2w 2

energia kinetyczna [m],

1, 2 poprawka wynikajca z wyraenia prdkoci wartoci redni; dla przepywu laminarnego = 0.5, dla burzliwego = 1, z1, z2 wysokoci poziomw lub energia potencjalna [m], E1, E2 energia wewntrzna [m], Q ciepo dostarczone z zewntrz do strumienia [m], W praca mechaniczna [m].




110

RWNANIE BERNOULLIEGO: Podczas przepywu pynu doskonaego przez przewd o zmiennym przekroju obowizuje zasada zachowania energii mechanicznej oraz zachowana zostaje objto pynu.

rys. 2. Przepyw przez przewd o zmiennej rednicy

(na rysunku zaznaczono parametry zwizane z rwnaniem Bernoulliego)

Interaktywna ilustracja prawa Bernoulliego dostpna jest na stronie: http://www.science-animations.com/support-files/bernoulli07.swf. Wychodzc z rniczkowego rwnania Eulera dla jednowymiarowego przepywu ustalonego, po jego scakowaniu otrzymujemy rwnanie Bernoulliego:

const2wp

zg2

stg =++ (9)

lub korzystajc z rwnania (8) oraz uwzgldniajc parametry zaznaczone na rys. 2.:

2wp

zg2wp

zg2

2

2

22

21

1

11 ++=++ (10)




111

w ktrym wszystkie czony maj wymiar pracy waciwej [J/kg] (tj. odniesionej do jednostki masy). Kolejne czony oznaczaj rne rodzaje energii waciwej: g zg energia potencjalna,

stp energia objtociowa (czyli praca woona w celu wyprowadzenia cieczy naprzeciw cinieniu

statycznemu),

2w 2

energia kinetyczna.

Dla pynu doskonaego (nieciliwego i nielepkiego), kiedy praca mechaniczna W nie jest doprowadzana ani odprowadzana, rwnanie zawiera tylko elementy dynamiczne. Podzielenie rwnania (9) przez przyspieszenie ziemskie prowadzi do zapisu rwnania Bernoulliego w postaci rnych rodzajw wysokoci [m]:

constzzzZ dynstg =++= (11) lub

g2w

gp

zg2w

gp

z2

2

2

22

21

1

11 ++=++ (12)

gdzie: zg wysoko geodezyjna pooenia,

gp

z stst = - wysoko cinienia statycznego,

g2w

z2

dyn = - wysoko prdkoci (dynamiczna).

Pomnoenie rwnania (9) przez gsto pynu prowadzi do zapisu rwnania Bernoulliego w postaci rnych rodzajw cinienia [Pa]:

constpppp dynstg =++= (13) lub

2w

pzg2w

pzg 22

2222

12

1111

++=

++

(14) gdzie: pg = g zg cinienie geodezyjne, pst cinienie statyczne,

= 2w

p2

dyn - cinienie dynamiczne.

Dla pynw rzeczywistych uwzgldnione s opory przepywu Z1,2 pomidzy przekrojami 1 i 2 (rys.2.) wynikajce z tarcia wewntrznego (cz energii ulega nieodwracalnej przemianie na energi ciepln): Straty energii pomidzy przekrojami 1 i 2 mona wyrazi jako: - wysoko Z1,2: Z1 = Z2 = zg2 + zst2 + zdyn2 + Z1,2 (15) lub

2,1

22

2

22

21

1

11 Zg2

wg

pzg2

wg

pz +++=++ (16)




112

- energi odniesion do jednostki masy, E1,2:

21

22

2

22

21

1

11 E2

wpzg2

wpzg ,+++=++ (17)

- spadek cinienia: p1 = p2 = pg2 + pst2 + pdyn2 + p1,2 (18) lub

2,12

22

2221

21

111 p2w

pzg2w

pzg +

++=

++ (19)

RWNANIE DARCY-WEISBACHA: Opory przepywu przez rurocig okrela funkcja bezwymiarowa: Eu = f (Re, L/d) (20) oraz wyprowadzone z niej rwnanie Darcy-Weisbacha:

g2w

dL

gp

Z2

=

= (21)

gdzie: Z wysoko stracona [m], p strata cinienia [Pa], gsto pynu [kg/m3], g przyspieszenie ziemskie [m/s2],

wspczynnik tarcia, L dugo rurocigu [m], d rednica rurocigu [m], w rednia prdko liniowa [m/s].

Wspczynnik tarcia dla przepywu laminarnego oblicza si ze wzoru:

Rea

= (22)

Wartoci wspczynnika a dla rur gadkich, w zalenoci od ksztatu przekroju wynosi np. dla rury o przekroju koowym 64, o przekroju kwadratu 57, dla warstewki cieczy o gruboci t na pionowej rurze 4t.




113

W przypadku przepywu turbulentnego zaley dodatkowo od szorstkoci wewntrznej powierzchni rury i do jego wyliczenia stosuje si rne rwnania empiryczne np. wzr Blasiusa:

25.0Re3164.0

= (23)

Dla rurocigu skadajcego si z odcinkw prostoliniowych oraz elementw o skomplikowanym ksztacie zawierajcych zwenia, rozszerzenia, rozwidlenia strumienia, wownice, itp. rwnanie Darcy-Weisbacha przyjmuje ogln posta:

+= mp ZZZ (24)

g2w

dL

Z2

zp = (25) oraz g2

wZ

2

m = (26)

std:

g2w

g2w

dL

Z22

z+= (27)

gdzie: Zp opory na odcinkach prostoliniowych, Zm opory miejscowe, wspczynnik oporw miejscowych. REDNICA ZASTPCZA: W przypadku innego ni kolisty ksztatu przewodu lub niecakowitego wypenienia przewodu przez pyn oblicza si rednic zastpcz dz:

OS4

dz = (28) gdzie: S przekrj strumienia, O obwd zwilony




114

OPORY PRZEPYWU PRZEZ ZOA POROWATE (MATERIAY SYPKIE, ZIARNISTE): Przepyw jednofazowy przez zoe porowate ma miejsce podczas filtracji cieczy, wymiany na jonitach, suszenia, adsorpcji i reakcji chemicznej w reaktorze przepywowym ze staym zoem (rys. 3.). Opory przy przepywie przez materiay sypkie mona scharakteryzowa korzystajc ze znanego rwnania Darcy-Weisbacha.

rys. 3. Przepyw przez kanay w zou porowatym.

wariant 1. W celu wyprowadzenia rwnania Darcy-Weisbacha definiujemy nastpujce wielkoci: porowato wypenienia, czyli stosunek objtoci swobodnej do objtoci cakowitej [m3/m3], powierzchnia waciwa wypenienia (powierzchnia w jednostce objtoci kolumny) [m2/m3], S powierzchnia poprzecznego przekroju kolumny/reaktora [m2], std: S sumaryczny przekrj kanaw [m2], S obwd wypenienia w danym przekroju kolumny/reaktora S [m], w prdko przepywu w kanaach wypenienia [m/s], w0 pozorna prdko przepywu [m/s] liczona na niewypenion kolumn/reaktor, rwna: w0 = w (29), dzw rednica zastpcza wypenienia [m], ktra podaje iloraz przekroju kanaw i obwodu wypenienia zwilonego przez pyn w przekroju S:

=4

dzw (30)

L dugo kanaw w zou [m], ktr przyjmuje si jako rwn wysokoci zoa (w rzeczywistoci L > H), H wysoko zoa [m]. Podstawiajc do rwnania (21) powysze zalenoci otrzymujemy zmodyfikowane rwnanie Darcy-Weisbacha:

3

20

w g8w

HZ

= (31)




115

Liczba Reynoldsa, Rew, wynosi:

= 0ww4

Re (32)

a bdcy jej funkcj wspczynnik tarcia, w:

dla przepyww laminarnych, gdy Rew < 40: w

w Re140

= (33)

dla przepyww turbulentnych, gdy Rew > 40: 2.0w

w Re16

= (34)

wariant 2. Dla wypenienia ziarnistego, w przypadku trudnoci z wyznaczeniem powierzchni waciwej wypenienia, do rwnania Darcy-Weisbacha podstawiamy: porowato wypenienia, czyli stosunek objtoci swobodnej do objtoci cakowitej [m3/m3], wspczynnik sferycznoci (ksztatu), czyli stosunek powierzchni kuli do powierzchni elementu wypenienia o tej samej objtoci (UWAGA: w tym wariancie wspczynnik sferycznoci jest inaczej zdefiniowany ni w pozostaych przykadach!), dk rednic ziaren (lub urednion rednic ziaren) [m], w0 pozorn prdko przepywu [m/s] liczon na niewypenion kolumn/reaktor, H wysoko zoa [m], otrzymujc:

203

kw

)1(gd

H43

Z = (35) oraz

wd

)1(32

Re 0k

= (36)

Dla przepywu o charakterze laminarnym (Re < 50) wynosi:

Re220

= (37)

dla przepywu o charakterze przejciowym (50 < Re < 7200):

25.0Re6.11

= (38)




116

wariant 3. Opory opisywane s rwnaniem:

[ ]n33n32

0

ze )1(

g2w

dH

Z = (39)

gdzie: H wysoko wypenienia [m] dze rednica zastpcza elementu wypenienia, rwna rednicy kuli o objtoci danego elementu [m], w0 pozorna prdko przepywu liczona na niewypenion kolumn/reaktor [m/s], porowato wypenienia, czyli stosunek objtoci swobodnej do objtoci cakowitej [m3/m3], wspczynnik sferycznoci (ksztatu), czyli stosunek powierzchni elementu wypenienia do powierzchni kuli o tej samej objtoci. Wspczynnik tarcia zaley od zmodyfikowanej liczby Reynoldsa, Rez:

wd

Re 0zez = (40)

Dla przepywu laminarnego (Rez < 10) wykadnik n = 1, a wspczynnik tarcia:

zRe400

= (41)

Dla Rez > 10 wspczynnik tarcia zaley od szorstkoci powierzchni i mona go odczyta z wykresu. Dla przepywu turbulentnego (Rez > 100) wspczynnik tarcia mona obliczy z rwnania empirycznego:

1.0zRe

b= (42)

b = 7.0 (elementy o gadkiej powierzchni szko, porcelana), b = 10.5 (elementy o redniej szorstkoci glina, cement), b = 16 (elementy bardzo szorstkie tlenek glinu). Wykadnik n wynosi od 1 do ok. 2 i zaley od liczby Re.




117

2. LITERATURA LITERATURA OBOWIZKOWA: 1. Jacek Molenda Technologia chemiczna, WSiP, Warszawa 1997, 2. Edgar Bortel Zarys technologii chemicznej, WN PWN, Warszawa 1992 LITERATURA UZUPENIAJCA: 3. Wieczysaw Kuczyski Podrcznik do wicze z technologii chemicznej, PWN, Warszawa 1974, 4. Praca zbiorowa Kalendarz chemiczny, cz. II., tom I., PWT, Warszawa 1955, 5. Krzysztof Schmidt-Szaowski, Jan Sentek, Jerzy Raabe, Ewa Boryk Podstawy technologii chemicznej; Procesy w przemyle nieorganicznym, OWPW, Warszawa 2004, 6. F. M. White, Viscous Fluid Flow, 2nd ed., McGraw-Hill, (1991); arXiv:physics/0410237v1: You-Jae Kim, J.-G. Han and Youn J. Kim Numerical Analysis of Flow Characteristics of An Atmospheric Plasma Torch,12th International Congress on Plasma Physics, 25-29 October 2004, Nice (France), 7. Technical handbook, Magnetrol, bulletin 41-600.4, USA 2005, 8. Praca zbiorowa Poradnik fizykochemiczny, WNT, Warszawa 1974, 9. Roman Koch, Andrzej Noworyta Procesy mechaniczne w inynierii chemicznej, WNT, Warszawa 1998,

3. CELE DYDAKTYCZNE - znajomo podstawowych poj pyn i jego rodzaje, rodzaje przepyww, prawo cigoci strumienia i bilans energetyczny przepywu, opis przepywu w przewodach (rurach) oraz przez zoa porowate, - umiejtno obliczenia teoretycznie oraz wyznaczenia eksperymentalnie wysokoci straconej dla przepywu w modelowym ukadzie (model rurocigu, model zoa porowatego).




118

wiczenie H-1

WYZNACZANIE OPORW PRZY PRZEPYWIE PYNW

CEL: Celem wiczenia jest wyznaczenie oporw miejscowych i na odcinkach prostoliniowych przy przepywie pynu rzeczywistego przez model rurocigu, model kolumny z wypenieniem (lub reaktora ze zoem katalitycznym) oraz wybrane elementy instalacji, a take okrelenie zalenoci pomidzy parametrami geometrycznymi modelu a wyznaczonymi stratami cinienia.




119

ZAKRES OBOWIZUJCEGO MATERIAU: Przykadowe zagadnienia:

1. Jakie rozrniamy pyny? Jaki moe by charakter przepywu pynu? 2. Wyjanij czym s liczby kryterialne, jakie maj zastosowanie? Podaj przykady liczb kryterialnych. 3. Przedstaw krtko czego dotycz: rwnanie cigoci strumienia, rwnanie Bernouliego, rwnanie Darcy-Weisbacha. 4. Wyjanij na czym polega zasadnicza rnica obserwowana podczas przepywu pynw idealnych i rzeczywistych. 5. W jakich procesach obserwuje si jednofazowy przepyw pynu przez zoe porowate?

APARATURA: Aparatura wykorzystywana do wiczenia skada si z: rotametru, manometru wodnego, elektronicznego manometru rnicowego, pompy olejowej oraz elementw instalacji (szklanych i z tworzywa sztucznego). Straty cinienia przy przepywie pynu rzeczywistego mona bada w trzech wariantach: dla modelu rurocigu (CZ. I.), dla modelu kolumny z wypenieniem porowatym (CZ. II.) oraz dla typowych elementw, ktre mog stanowi cz instalacji (CZ. III.). Poniej przestawiono schematy modeli oraz rysunki wybranych elementw. CZ I. MODEL RUROCIGU

rys. 1. Schemat modelu rurocigu z zaznaczonymi wymiarami geometrycznymi oraz kierunkiem przepywu pynu (w punktach oznaczonych literami A, B, C, D naley zamontowa manometr na czas

pomiaru)




120

CZ II. MODEL KOLUMNY Z WYPENIENIEM (A., B.) lub REAKTORA ZE ZOEM KATALITYCZNYM (A.)

A.

wypenienieSzklane

kulki

B.

wypenienie Piercienie z

tworzywa sztucznego

rys. 2. Modele kolumn z wypenieniem porowatym lub reaktora ze zoem katalitycznym (na rysunkach zaznaczono wysoko zoa podzielonego na porcje)

rys. 3. Kolanka

rys. 4. Trjnik rys. 5. Przegroda porowata




121

SPOSB WYKONANIA POMIARW: Poniej przedstawiono rysunki przyrzdw pomiarowych umoliwiajcych okrelenie natenia przepywu i strat cinienia przy przepywie pynu przez wybrany do wiczenia ukad. Do pomiaru cinienia wykorzystuje si najprostszy manometr wodny (U-rurk). Rnica cinie dziaajcych na koce U-rurki powoduje wychylenie si poziomu cieczy manometrycznej. Prawidowo odczytana warto wysokoci supa cieczy zostaa pokazana na rys. 6. C. Alternatywnie mona wykorzysta elektroniczny manometr rnicowy (rys.7.). Do przeprowadzenia oblicze konieczna jest rwnie znajomo objtociowego natenia przepywu. W tym celu do ukadu naley zamontowa rotametr zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 8.

A.

B.

C.

rys. 6. Sposb odczytywania cinienia za pomoc U-rurki

rys. 7. Elektroniczny manometr rnicowy

rys. 7. Rotametr

Zadaniem grupy wykonujcej wiczenie jest przeprowadzenie pomiarw dla: CZ. I. modelu rurocigu skadajcego si z minimum 3-5 elementw i/lub CZ. II. modelu kolumny z wypenieniem podzielonym na 5-10 porcji i/lub CZ. III. serii elementw dodatkowych ew. kilku alternatywnych pomiarw dla elementu, w ktrym jest to moliwe. Wybr zestawu naley UZASADNI i okreli, jaka zaleno miaa by zbadana. WYKONANIE WICZENIA: UWAGA! W przypadku stosowania manometru wodnego, z powodu duego oporu niektrych elementw, naley zwrci uwag na kolejno montowanych elementw oraz dugo wybranego manometru wodnego.

podczas wszystkich operacji nie dawi zbytnio przepywu! wszelkie przeczenia wykonywa przy wyczonej pompie!




122

Zmontowa ukad pomiarowy. Zapisa podstawowe dane do arkusza pomiarowego:

p0 aktualne cinienie atmosferyczne [Pa]

TAIR temperatura [C] (w przypadku uwzgldniania poprawki dla lepkoci powietrza)

wymiary geometryczne modeli oraz badanych elementw:

L1, L2, L3, , Ln dugoci [m]

d1, d2, d3, , dn rednice [m]

Qv objtociowe natenie przepywu [m3/s]

pomiary wykonane manometrem:

hA, hB, hC, , hN rnice poziomu cieczy manometrycznej [m] lub bezporednio straty cinienia [Pa]

(manometr elektroniczny).

Zapisa, ktrym odcinkom modelu rurocigu, bd jakim elementom odpowiadaj poszczeglne wartoci mierzonych rnic poziomu cieczy manometrycznej.

Po zanotowaniu natenia przepywu zmierzy rnice poziomu cieczy manometrycznej (hA, hB, hC, hD, itd. dla manometru wodnego) w kolejnych punktach modelu rurocigu: A, B, C, D, itd. Do ukadu mona przyczy dodatkowe elementy np. trjnik, ptla, kolanka itp. tak aby wyznaczy dla nich straty cinienia (w tym przypadku pomiar wykonuje si tylko w punkcie A po skorygowaniu poziomu odniesienia o opr pocztkowego odcinka). Pomiary strat cinienia dla modelu kolumny z wypenieniem porowatym (lub reaktora ze zoem katalitycznym) przy rnych wysokociach zoa wykonuje si po przyczeniu manometru bezporednio do modelu. OPRACOWANIE WYNIKW: Korzystajc z materiaw pomocniczych ustali/obliczy:

- charakter przepywu, - bezwzgldne cinienie w punktach pomiarowych, np. A, B, C, D, itd. (dla manometru wodnego), - spadki cinienia na kolejnych odcinkach/elementach wraz z podaniem rodzaju oporw, - cakowity opr dla danego modelu (cakowit wysoko stracon) oraz opory na odcinkach prostoliniowych i miejscowe, - wspczynnik oporu miejscowego dla zastosowanych dodatkowych elementw (np. trjnik).




123

Dla odcinkw prostoliniowych wartoci wyznaczone eksperymentalnie (Z, ) porwna z wielkociami oporw obliczonymi teoretycznie. Przedstawi dyskusj wynikw, skomentowa rozbienoci pomidzy wartociami oczekiwanymi i uzyskanymi. Wyniki naley zebra w tabeli. Do opracowania wynikw i przygotowania sprawozdania bezporednio na laboratorium wykorzysta arkusz kalkulacyjny udostpniony przez prowadzcego.

Podsumowanie wynikw:

odcinek opis (w tym rodzaj oporw)

Re Zexp [m] Zteor [m] exp teor exp

POMOCNICZE DANE LICZBOWE:

wielko warto jednostka

przyspieszenie ziemskie g 9.81 [m/s2]

gsto wody H2O 1000 [kg/m3]

gsto powietrza AIR 1.293 [kg/m3]

lepko dynamiczna powietrza w t=18C AIR 182.7 [P]

UWAGA! lepko naley przeliczy na jednostki ukadu SI




124

wiczenie H-2

WYZNACZANIE OPORW FILTRACJI

CEL: Celem wiczenia jest wyznaczenie podstawowych parametrw filtracji pod sta rnic cinie oraz zbadanie wpywu flokulantw na przebieg filtracji.




125

1. Wstp Filtracj nazywamy operacj technologiczn polegajc na rozdzieleniu skadnikw mieszaniny cieczy lub gazu z zawieszonymi czstkami cia staych za pomoc urzdze majcych przegrod przepuszczaln dla cieczy lub gazu, a nieprzepuszczaln dla czstek ciaa staego. Si napdow procesu jest rnica cinie przed i za przegrod filtracyjn (elementem filtrujcym). Pod wpywem wytwarzanej rnicy cinie faza cieka przechodzi przez pory elementu, a czstki ciaa staego osadzaj si na jego powierzchni, tworzc warstw osadu (tzw. placka) lub wnikaj w pory (kanaliki) elementu filtrujcegozmniejszajc jego przepuszczalno. Ten ostatni przypadekma miejsce przy filtracji z tzw. korkowaniem porw. Stosowanie filtracji w przemyle chemicznym, spoywczym i pokrewnych jest szczeglnie czste. Cho rozdzielanie ciaa staego od cieczy nastpowa moe rnymi metodami (np. na drodze sedymantacji), to jednak filtracja jest operacj wygodn, poniewa rozdzielanie zawiesin moe nastpowa take w takich przypadkach, gdy prdko sedymentacji jest maa oraz gdy zaley nam na otrzymaniu cieczy moliwie dokadnie pozbawionej czstek ciaa staego, bd gdy osad powinien charakteryzowa si ma zawartoci wilgoci. Przegroda filtracyjna moe mie struktur ziarnist lub wknist. Przykadem przegrd filtrujcych moe by: warstwa piasku lub ziaren, tkaniny z materiaw wknistych rolinnych, zwierzcych lub syntetycznych. Czsto sama przegroda ma ma zdolno filtrowania, szczeglnie podczas filtracji zawiesin o maych czstkach ciaa staego zblionych do wymiarw czstek koloidalnych. Tworzca si w trakcie filtrowania warstwa osadu jest w tym przypadku wykorzystywana jako warstwa filtrujca podnoszca zdolno rozdzielcz filtru. Ciecz przepywajca przez warstw osadu i przez przegrod filtracyjn napotyka na opr, ktry musi pokona. W zalenoci od wielkoci tego oporu stosuje si rne typy filtrw oraz stwarza si rne warunki filtracji. Jeeli opr jest niewielki, wtedy wykorzystuje si zwykle niskie cinienie hydrostatyczne supa cieczy nad warstw osadu. Filtracj prowadzimy wwczas w filtrze grawitacyjnym, w ktrym si napdow procesu jest cinienie supa surwki filtracyjnej nad przegrod filtracyjn. Jeeli opory przepywu s wiksze, stosuje si filtry prniowe (np. nucze, prniowe filtry obrotowe itp.), albo filtry cinieniowe (prasy filtracyjne fot.1., cinieniowe filtry wiecowe itp.). W filtrach prniowych przescz wpywa do przestrzeni, w ktrej cinienie jest nisze ni cisnienie atmosferyczne, natomiast w filtrach cinieniowych surwka filtracyjna jest wprowadzana do filtru pod cinieniem wyszym od cinienia atmosferycznego. Ze wzgldu na rnorodno technik filtrowania zawiesin i rne wasnoci osadw otrzymywanych w toku filtracji, due zrnicowanie warunkw, w jakich zachodzi filtracja, stosowane w przemyle chemicznym filtry dzielimy na filtry o dziaaniu okresowym lub cigym, filtry cinieniowe lub prniowe, wreszcie w zalenoci od konstrukcji filtru na filtry obrotowe, bbnowe, tarczowe, tamowe, komorowe, nucze, prasy filtracyjne, wiecowe i wiele innych. Do podstawowych czynnikw majcych wpywa na intensywno rozdzielania faz (szybko filtracji) naley zaliczy:




126

wasnoci fizykochemiczne zawiesiny: stenie fazy rozproszonej, wielko i ksztat czstek staych, stopie dyspersji (rozporszenia) ciaa staego, temperatura cieczy, pH cieczy, gsto fazy ciekej i gsto fazy staej, zdolno zawiesiny do sedymentacji;

wasnoci materiaowe i fizykochemiczne przegrody filtracyjnej (tkaniny): sposb jej wykonania, objto i ksztat porw, przepuszczalno;

wielko wytwarzanej rnicy cinie przed i za przegrod filtracyjn, ktra wpywa w znacznym stopniu na prdko filtracji, a take budow warstwy osadu i stopie usunicia cieczy z placka.

fot.1. Model prasy filtracyjnej (Technical University of Ostrava, Czechy). Z punktu widzenia zjawisk zachodzcych w obrbie przegrody filtracyjnej mona wyrnic cztery zasadnicze rodzaje filtracji:

filtrowanie z penym blokowaniem (zatykaniem) porw przegrody filtracyjnej przez czstki ciaa staego zachodzi wwczas, gdy kady kanalik jest zatykany przez pojedyncz czastk: dcz dpor;

filtrowanie ze stopniowym zatykaniem porw rodka filtrujcego czstki fazy staej osadzaj si na wewntrznej powierzchni porw przegrody filtracyjnej zmniejszajc stopniowo przewit: dcz < dpor;

filtrowanie porednie charakteryzujce si tym, e jednoczenie z przenikaniem czstek fazy rozpraszanej w pory przegrody filtracyjnej zachodzi zjawisko tworzenia si kompleksw (grup, mostkw) czstek staych nad wejciami do porw;

filtrowanie z tworzeniem si warstwy osadu (placka) na orodku filtrujcym (tkaninie filtracyjnej) proces ten praktycznie zawsze poprzedzony jest filtrowaniem porednim.




127

Wszystkie opisane powyej czynniki oddziuj w czasie filtracji jednoczenie, co komplikuje zasadniczo cisy opis matematyczny dynamiki procesu. Dlatego te konieczne jest przeprowadzenie bada filtracji zawiesin podlegajcych filtrowaniu zwykle w skali laboratoryjnej, a take ptechnicznej. Badania te powinny w efekcie dostarczy lub umoliwi wybr typu aparatu filtracyjnego i optymalizacj jego warunkw pracy. Podstawowym rwnaniem opisujcym dynamik procesu filtracji jest rwnanie rniczkowe w postaci:

Rp

SddV

=

gdzie: V objto odebranego filtratu [m3] w czasie , czas filtrowania [s], S powierzchnia filtru [m2], p rnica cinie [Pa], lepko dynamiczna filtratu [Pa . s], R opr filtracji [1/m]. Opr filtracji stanowi sum oporu osadu Ros oraz oporu przegrody filtracyjnej Rp: R = Ros + Rp. Opr osadu zgodnie z rwnaniem Levyego wynosi: Ros = r . gdzie r oznacza opr waciwy, natomiast grubo osadzonego keku na filtrze [m]:

S

Vu .= .

Jeeli wydajno waciw [m] okrelimy jako:

SV

q =

to otrzymamy nastpujc zaleno: = u . q, gdzie u jest objtoci osadu przypadajc na 1 m3 odebranego filtratu. Rownanie w postaci prostoliniowej, przy zaoeniu, e p, , Rp, u oraz Ros s stae przedstawia si nastpujco:

21 KqKq+=




128

przebieg prostej zilustrowano na poniszym rysunku:

rys.1. Wydajno filtracji. Za pomoc powyszego rwnania moemy wyznaczy wic dowiadczalnie opr waciwy r oraz opr przegrody Rp, na podstawie pomiaru objtoci V filtratu odebranego w czasie . Tangens kta nachylenia prostej okrela warto K1 i pozwala obliczy r z zalenoci:

upK2

r 1

=

natomiastrzdna w punkcie q = 0 podaje warto K2, a poniewa:

p

RK p2

=

opr przegrody mona obliczy z nastpujcej zalenoci:

= 2p

pKR .




129

2. Opis wykonania pomiarw Schemat aparatury Na rysunku 2. przedstawiono schemat aparatury wykorzystywanej do badania procesu filtracji. Nucza filtracyjna z przegrod umieszczona jest nad zestawem wycechowanych naczy (baniek). W ukadzie, poniej przegrody filtracyjnej za pomoc pompy olejowej wytwarzane jest podcinienie.

rys.2. Schemat aparatury filtracyjnej. Stae parametry podczas przeprowadzanych pomiarw:

nawaka zdyspergowanego ciaa staego uywana podczas sporzdzania surwek filtracyjnych: 30, 40, 50 g CaCO3,

objto wody uywana podczas sporzdzania surwek filtracyjnych: 350 cm3, czas mieszania surwek filtracyjnych za pomoc mieszada mechanicznego: 1 minuta, czas sedymentacji tj. czas od momentu umieszczenia zawiesiny w urzdzeniu filtracyjnym (nuczy

filtracyjnej) do momentu wczenia pompy, kiedy ustala si warstwa filtrujca o staej gruboci: 5 minut,

czas suszenia osadu powietrzem: 1,5 minuty.




130

Pomiar czasu filtracji:

na wadze technicznej odway nawak wglanu wapnia o masie 30, 40 lub 50 g, sporzdzi zawiesin CaCO3 w 350 cm3 wody, przygotowan w ten sposb surwk filtracyjn miesza za pomoc mieszada mechanicznego

przez 1 minut, po upywie tego czasu zawiesin przela do urzdzenia filtracyjnego (rys.1.), po uprzednim

zamontowaniu w nuczy odpowiedniej przegrody (rednica 74,30 mm), po upywie 5 minut wczy pomp i ustali cinienie: 0,07 lub 0,04 Mpa, przeprowadzi filtracj mierzc czas napeniania si filtratem kolejnych wycechowanych baniek, po zakoczeniu filtracji osad suszy powietrzem przez 1,5 minuty, a nastpnie zmierzy grubo

powstaego keku filtracyjnego, wykona pomiar czasu filtracji po dodaniu flokulanta; przy pomiarach z dodatkiem flokulanta

objto wody uytej do sporzdzenia zawiesiny CaCO3 naley zmniejszy o objto dodanego roztworu flokulanta.

3. Opracowanie wynikw i przygotowanie sprawozdania Wyniki pomiarw przedstawi w tabeli:

Czas filtracji [s]* Grubo keku filtracyjnego [mm]* Objto odebranego filtratu V [m3]

t1 t2 t3 d1 d2 d3 d4 d5

* - pomiary naley wykona w kilku powtrzeniach Wyznaczy parametry filtracji (opr przegrody, opr waciwy, opr osadu). Wyjani zmiany zachodzce podczas filtracji na skutek dodania rnych dawek flokulanta.




131

wiczenie H-3

OKRELENIE KRYTYCZNEJ LICZBY REYNOLDSA

CEL: Celem wiczenia jest okrelenie krytycznej liczby Reynoldsa i zapoznanie si z warunkami przejcia ruchu laminarnego w turbulentny na drodze wizualizacji przepywu wody w rurze szklanej przez doprowadzenie do rury strumienia cieczy barwnej.




132

Podstawy teoretyczne

W wielu zagadnieniach hydromechaniki i hydrauliki zwizanych z przepywem cieczy lepkiej, wan rol odgrywa okrelenie rodzaju ruchu, w jakim znajduje si ciecz. Jedn z podstawowych klasyfikacji jest podzia na ruch laminarny i turbulentny.

W ruchu laminarnym (zwanym take uwarstwionym), ciecz w przewodzie porusza si wzdu regularnie, rwnolegle uoonych warstw (rys. 1a), midzy ktrymi nie nastpuje makroskopowe mieszanie elementw pynu (elementy z poszczeglnych warstw nie wykonuj ruchw poprzecznych). Ruch taki moliwy jest przy spenieniu pewnych warunkw, z ktrych podstawowym jest odpowiednio maa prdko liniowa przepywu. Jeli jednak prdko jest dostatecznie dua, elementy pynu oprcz przemieszczenia w gwnym kierunku przepywu zaczynaj wykonywa rwnie ruchy poprzeczne, wskutek czego dochodzi do wzajemnego mieszania si warstw cieczy. Te poprzeczne ruchy czsteczek nazywane s fluktuacjami turbulentnymi, a ruch okrelany jest mianem turbulentnego lub burzliwego (rys. 1b). Znajomo rodzaju ruchu cieczy ma istotne znaczenie praktyczne. Umoliwia nie tylko jakociowy opis zachowania si elementw cieczy, ale take stanowi podstaw przy wyborze oglnej wersji rwna ruchu. Z zada technicznych naley wymieni okrelanie zalenoci midzy wysokoci strat energii mechanicznej a prdkoci przepywu (w przypadku ruchu laminarnego wysoko strat jest proporcjonalna do prdkoci w potdze pierwszej, za dla ruchu turbulentnego w potdze drugiej).

W przewaajcej czci zagadnie praktycznych, w przypadku przepywu cieczy w rurocigach i kanaach otwartych mamy do czynienia z ruchem turbulentnym. Ruch laminarny moe wystpi tylko przy bardzo maych prdkociach oraz/albo w strumieniach o bardzo maych wymiarach geometrycznych (kapilary), rzadko obserwowanych w praktycznych zagadnieniach przepywu pod cinieniem, a jeszcze trudniejszych do zrealizowania w przypadku kanaw otwartych. Natomiast jest on powszechnie obserwowany podczas przepywu cieczy przez orodki porowate (ze wzgldu na mae rozmiary porw).

a) b)

Rys. 1. Ukad trajektorii ruchu czstek: a) ruch laminarny w przewodzie o ciankach rwnolegych, b)

ruch turbulentny w przewodzie o ciankach rwnolegych.

Pojcie liczby Reynoldsa. Krytyczna liczba Reynoldsa Elementarne objtoci cieczy poruszajce si wzdu rwnolegych linii strumienia oznaczaj tzw.

ruch laminarny (uwarstwiony). Ten rodzaj ruchu ujawnia si najczciej przy nieduych prdkociach liniowych przepywu. Na skutek wystpowania tarcia, rozkad prdkoci ruchu czstek pynu nie jest w rnych miejscach przekroju poprzecznego taki sam. W rodku, tj. wzdu osi przewodu, prdko




133

poruszania si jest najwiksza (wmax), najmniejsza za zerowa jest ona na styku strumienia ze ciank przewodu. Pomidzy wartociami skrajnymi prdko (w) ma warto redni. Na rys. 2a przedstawiono rozkad prdkoci w przewodzie rurowym podczas laminarnego ruchu pynu. W przypadku laminarnego ruchu pynu w przewodzie rurowym rednia prdko pynu rwna si poowie prdkoci wzdu osi, to znaczy:

max

2ww = (1)

a) b)

Rys.2. Rozkad prdkoci w strumieniu podczas przepywu: a) laminarnego, b) turbulentnego

Re liczba Reynoldsa, wmax maksymalna prdko linowa w strumieniu, w rednia prdko linowa strumienia Jeeli czstki pynu nie przesuwaj si wzdu rwnolegych linii strumienia, rwnolegle do osi rury, lecz przemieszczaj si w poprzek, to ruch jest turbulentny (burzliwy) (rys. 2b). W przypadku ruchu turbulentnego:

max0,8w w= gdy Re10

8 (3) Charakter ruchu pynw zaley od: - przekroju przewodu, d - gstoci pynu, - prdkoci liniowej przepywu pynu, w - lepkoci pynu, , Wpyw ten okrelony jest wartoci kryterialnej liczby Reynoldsa, zdefiniowanej jako:

Re sr srw d w d

= = , gdy

= (4)

Re liczba Reynoldsa [-] wsr prdko rednia w przekroju przewodu [m/s] d rednica przewodu [m] kinetyczny wspczynnik lepkoci [m2/s] (tabela. 1) dynamiczny wspczynnik lepkoci [kg/(ms)]

Liczba Reynoldsa okrela stosunek si bezwadnoci do si lepkoci (si tarcia wewntrznego

cieczy). Im wiksza jest jej warto, tym siy lepkoci odgrywaj mniejsz rol w ruchu cieczy, a czsteczki mog atwiej przemieszcza si w kierunkach poprzecznych do gwnego kierunku przepywu. Oglnie, jeli Re jest mniejsza od pewnej wartoci granicznej, to ruch jest laminarny, natomiast w przeciwnym przypadku ruch jest turbulentny. Ta graniczna warto liczby Re, przy ktrej ruch zmienia




134

charakter z laminarnego w turbulentny i odwrotnie, nosi nazw krytycznej liczby Reyn

ĆWICZENIA LABORATORYJNE DLA STUDENTÓW III ROKU … · Projekt współfinansowany przez Unię...

Documents

Transcript of ĆWICZENIA LABORATORYJNE DLA STUDENTÓW III ROKU … · Projekt współfinansowany przez Unię...