WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Учреждение Российской академии наук

КАЗАНСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РАН

Исследовательский центр проблем энергетики

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРИГОТОВЛЕНИЯ

И ХРАНЕНИЯ СУСПЕНЗИОННОГО

ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА

Методические указания к лабораторным работам

Казань 2009

Учреждение Российской академии наук

КАЗАНСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РАН

Исследовательский центр проблем энергетики

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРИГОТОВЛЕНИЯ

И ХРАНЕНИЯ СУСПЕНЗИОННОГО

ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА

Методические указания к лабораторному практикуму Методические указания разработаны в рамках Государственного контракта № 02.740.11. от 15 июня 2009 г.федеральной целевой программы «Научные и научно - педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы по направлению «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области производства топлив и энергии из органического сырья».

Казань УДК 621.311: 644. Исследование процесса приготовления и хранения суспензионного водоугольного топлива. Методические указания к лабораторному практикуму / Учрежд. Рос. акад.

наук Казан. научн. центр РАН; сост. Г.Р. Мингалеева, О.В. Афанасьева, Э.И. Мухаметшина, С.И. Исламова, В.О. Здор, Э.В. Шамсутдинов. Казань: КазНЦ РАН, 2009.

– 39 с.

Указания содержат описания ряда лабораторных работ, направленных на изучение процесса получения суспензионного водоугольного топлива, включающего в себя измельчение угля, определение насыпной плотности и дисперсного состава угольной пыли, исследование вязкости водоугольной суспензии и процессов перемешивания ее в резервуаре при хранении. Указаны цели работ, методы их достижения, приведены методики проведения работ, порядок и форма отчетности.

Указания предназначены для подготовки аспирантов по специальности 05.17.08.

«Процессы и аппараты химических технологий» в рамках следующих дисциплин: «Механика твердых дисперсных систем» и «Теория тепло- и массопереноса», а также могут быть полезны специалистам, занимающимися вопросами получения и хранения суспензионного водоугольного топлива.





Табл.10. Илл.16. Библиогр.11 наим.

Печатается по решению Ученого совета Исследовательского центра проблем энергетики Учреждения Российской академии Казанского научного центра РАН © Учреждение Российской академии наук КазНЦ РАН Исследовательский центр проблем энергетики © Г.Р. Мингалеева, О.В. Афанасьева, Э.И. Мухаметшина, С.И. Исламова, В.О. Здор, Э.В. Шамсутдинов

ВВЕДЕНИЕ

Сжигание углей в виде водоугольных суспензий (ВУС) является одним из перспективных направлений развития угольной промышленности. ВУС представляет собой дисперсную систему, состоящую из тонко измельченного угля и воды. Это топливо выгодно отличается высокой экологичностью, стабильностью и практичностью. При сжигании водоугольного топлива вместо мазута и угля выбросы вредных оксидов азота снижаются в 1,5 раза, оксидов углерода в 2 раза, а бензопирена в раз. Экономические преимущества также очевидны: стоимость 1 тонны условного топлива снижается в 2 и более раз, на 15-30% падают эксплуатационные затраты на хранение, транспортировку и сжигание топлива Данные методические указания состоят из исследования процессов, связанных с получением и хранением водоугольной суспензии и включают следующие виды работ: измельчение угля и определение насыпной плотности угольной пыли; определение дисперсного состава, построение реологической кривой при определении вязкости водоугольной суспензии, исследование процесса перемешивания ВУС при хранении в резервуарах.

Основные положения получения и хранения водоугольного топлива рассматриваются в рамках подготовки аспирантов по специальности 05.17.08 Процессы и аппараты химических технологий» в следующих дисциплинах: «Механика твердых дисперсных систем» и «Теория тепло- и массопереноса».

Контроль усвоения материала по дисциплине осуществляется по результатам защиты отчетов по лабораторным работам.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ УГЛЯ

ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВОДОУГОЛЬНОЙ СУСПЕНЗИИ

Цель работы:

Изучение процесса измельчения угля и определение насыпной плотности угольной пыли.

1. Изучить теоретические основы процесса измельчения.

2. Выполнить эксперимент по измельчению угля в вибрационной мельнице и обработать экспериментальные данные.

3. Составить отчет о работе.

Оборудование, приборы, материалы 1. Пять проб угля 2. Вибрационная мельница 3. Весы лабораторные типа MW- 4. Лабораторные емкости и мензурки Теоретические основы Измельчением называют процесс разрушения кусков твердого материала при критических внутренних напряжениях, создаваемых в результате какого-либо нагружения и превышающих соответствующий предел прочности. Напряжения в материале могут создаваться механическим нагружением, температурными воздействиями, ультразвуковыми колебаниями и др. Наибольшее применение в современном производстве имеют механические способы измельчения.

Измельчение делят на дробление и помол, а машины, применяемые для этих целей, называются дробилками и мельницами.





Основной характеристикой процесса измельчения является степень измельчения, которая определяется соотношением средневзвешенных размеров частиц материала до и после измельчения [1]:

Степень измельчения отражает технологию и определяет параметры измельчителей. Степень измельчения твердого материала за одну обработку составляет для частиц крупных и большой твердости 2-6, для средних частиц 5-10, мелких 10-50 и самых мелких 50 и выше.

В зависимости от начального и конечного размера кусков обрабатываемого материала различают следующие виды измельчения (см. табл. 1).

С целью обеспечения эффективности измельчение материала от исходной до конечной крупности осуществляется, как правило, в несколько приемов, с последовательным переходом от крупного дробления к более мелкому и к помолу с постадийным разделением материала по классам. Следовательно, процесс измельчения целесообразно осуществлять последовательно на нескольких измельчителях. Каждый отдельный измельчитель выполняет часть общего процесса, называемую стадией измельчения [2].

В зависимости от свойств исходного материала и видов измельчения различают следующие основные способы измельчения, отличающиеся по способу приложения усилия, дробящего материала:

- раздавливание;

- раскалывание.

Имеются практические рекомендации по использованию соответствующих видов нагрузок в зависимости от типа измельчаемого материала. Так, дробление прочных и хрупких материалов целесообразно осуществлять раздавливанием и изломом, а прочных и вязких – раздавливанием и истиранием. Крупное дробление мягких и хрупких материалов предпочтительно выполнять раскалыванием, среднее и мелкое – ударом. В промышленности дробление материалов проводят, как правило, сухим способом. Реже применяют мокрое дробление, когда в загрузочные устройства машин разбрызгивают воду для уменьшения пылеобразования. Помол твердых материалов осуществляют ударом и истиранием. Также как и дробление, помол может быть сухим и мокрым. По сравнению с сухим, мокрый помол экологически более совершенен и более производителен. Однако мокрый помол может применяться только тогда, когда допускается контакт измельчаемого материала с водой.

В некоторых машинах для измельчения материалов одновременно осуществляется несколько из перечисленных выше способов измельчения.

Число стадий измельчения определяется требуемой степенью измельчения.

Степень измельчения, достигаемая на одной машине, для большинства видов дробильного оборудования не превышает 3-7. В то же время следует отметить, что увеличение стадий дробления приводит к повышению капитальных затрат на создание установок, переизмельчению материала и к удорожанию эксплуатации. Поэтому выбор схемы измельчения следует осуществлять из условия обеспечения минимального числа стадий дробления. Однако, в ряде случаев только применение многостадийных схем (четырех- и пятистадийных) обеспечивает получение готового продукта в необходимом объеме и высокого качества.

Энергозатраты, нагрузки на элементы измельчителей и качество продукта зависят от прочности, хрупкости, твердости, упругости, абразивности и плотности твердых материалов.

Прочность – свойство твердого материала сопротивляться разрушению при возникновении внутренних напряжений, появляющихся в результате какого-либо нагружения. Обычно прочность твердых материалов оценивается пределом прочности при сжатии c. По величине c измельчаемые материалы делят на мягкие (c 80МПа), средней прочности (c =80-150 МПа), прочные (c =150-250 МПа) и очень прочные (c 250 МПа) [3].

При других видах деформаций прочность твердых материалов существенно ниже. Например, предел прочности известняка, гранита составляет при растяжении 2-5 %, при изгибе 8-10 % и при сдвиге 10-15 % предела прочности при сжатии.

Хрупкость – свойство твердого материала разрушаться без заметных пластических деформаций. Она определяется на специальном маятниковом копре по числу ударов груза до разрушения материала. По числу ударов, выдерживаемых образцами, твердые материалы делят на очень хрупкие (до 2), хрупкие (2-5), вязкие (5очень вязкие (более 10).

Абразивность – способность перерабатываемого материала изнашивать рабочие органы машины. Ее оценивают в граммах износа эталонных бил, отнесенных к одной тонне измельченного материала [1].

При получении водоугольной суспензии одним из важных свойств угля, необходимых в расчетах, является его насыпная плотность. Насыпная плотность используется при определении необходимого объема бункеров, смесителей, при расчетах энергии на перемешивание материала.

Насыпная плотность – масса материала, находящаяся в единице занимаемого им объема.

Насыпная плотность зависит от размера составляющих его частиц, их средней плотности и от степени измельчения. По величине насыпной плотности различают материалы:

- средние 600 н 1100 кг/м3;

- тяжелые 1100 н 2000 кг/м3;

- весьма тяжелые н 2000 кг/м3.

Насыпная плотность н (кг/м3) исследуемого материала рассчитывается по формуле:

где G1 и G вес мензурки с материалом и без него, кг; V – внутренний объем мензурки заполненной материалом, м3 [4].

Величина н зависит от способа заполнения стакана материалом. Поэтому рекомендуется заполнить стакан путем свободного истечения исследуемого материала из воронки. В данной работе предлагается определить насыпную плотность угля, измельченного в вибрационной мельнице.

Основной вопрос теории измельчения состоит в установлении связи между затратами энергии и размерами конечных и начальных кусков материала, их формой, взаимным расположением, физико-механическими свойствами и т.п. В связи с многочисленностью влияющих факторов существующие теории измельчения характеризуют энергозатраты в общем виде с учетом лишь наиболее важных параметров процесса и материала.

Согласно гипотезе П. Риттингера работа при измельчении материала пропорциональна площади вновь образованной поверхности F:

где K1 – коэффициент пропорциональности.

Величину F можно выразить через начальные dн и конечные dк размеры кусков измельчаемого материала. Если предположить, что куски имеют форму куба с размером ребер dн до измельчения и dк = dн /i после измельчения, то F можно определить по следующему выражению:

При дроблении Q (м3) материала со средним размером кусков dн общее число измельчаемых частиц равно Q/ dн3, а работа при дроблении согласно формуле (3):

При массе измельчаемого материала Qм (кг) работа определяется согласно уравнению:

где – плотность материала; KR –коэффициент пропорциональности между затраченной работой и вновь образованной поверхностью.

Теория Риттингера не учитывает изменения формы тел при измельчении.

Вследствие этого она не пригодна для описания процессов дробления в случаях, когда готовый продукт имеет малую удельную поверхность.

Кирпичев В.Л. (1874) и Ф. Кик (1885) установили, что энергия, необходимая для одинакового изменения формы подобных и однородных тел, пропорциональна их объемам, т.е.

где k2 – коэффициент пропорциональности.

При измельчении Qм материала со средним размером кусков dн общее количество измельчаемых кусков равно Qм/(dн3), соответственно, работа измельчения где – плотность куска, кг/м3.

Рассмотренные гипотезы измельчения отражают только часть сложных процессов, происходящих при измельчении. Теория Кирпичева-Кика оценивает энергию, расходуемую на деформирование материала, и не учитывает затраты на образование новых поверхностей. Ее целесообразно применять при крупном и среднем дроблении, когда влияние вновь образованных поверхностей незначительно. Теория Риттингера не учитывает затраты энергии на упругую деформацию кусков. Она наиболее применима при мелком дроблении и помоле материалов.

В реальном процессе измельчения деформирование кусков и образование новых поверхностей происходит одновременно. В связи с этим многие ученые стремились оценить эти явления в комплексе.

Так, П.А. Ребиндер (1940) и Ф. Бонд (1951) предложили определять энергозатраты при дроблении с учетом работы как деформации кусков, так и образования новых поверхностей.

На основании опытных исследований предложена эмпирическая формула для расчета мощности N (кВт) электродвигателя дробилок:

где Ei – энергетический показатель, зависящий от физико-механических свойств измельчаемого материала (3,2 кВт·ч/т); Kм – коэффициент масштабного фактора (определяется в зависимости от dн [6]); dн – средневзвешенный размер кусков исходного материала, м; Qпр – производительность, кг/с [1].

В зависимости от степени измельчения материала размольные машины подразделяются на три основные группы:

- для крупного дробления;

- для среднего и мелкого дробления;

- для тонкого измельчения.

При приготовлении водоугольной суспензии необходим уголь с размерами частиц 50-200 мкм. Частицы подобного размера можно получить при измельчении в вибрационных мельницах.

В вибрационных мельницах измельчение материала осуществляется в барабане, заполненном мелющими телами на 70-80%, ударом и истиранием при высокочастотных колебаниях корпуса. В качестве мелющих тел используют шары, которые изготовляют из стали, твердых сплавов или фарфора.

Различают вибрационные измельчители периодического и непрерывного действия. В зависимости от способа возбуждения вибрации их делят на машины гирационного и инерционного типов.

Вибрационный измельчитель гирационного типа (рис. 1. а) состоит из электродвигателя 1, соединенного через муфту 2 с коленчатым валом 3, на котором эксцентрично на подшипниках закреплен корпус 4 измельчителя. Корпус установлен на пружинах 7 и заполнен шарами 5. При вращении вала с частотой 1500…3000 об/мин корпус совершает гирационное движение. От корпуса колебания передаются шарам, которые начинают с соударениями медленно циркулировать в сторону. При колебаниях шаров происходят их отрывы то корпуса. Для уравновешивания центробежных сил корпуса служат противовесы 6.

Наиболее широко распространены вибрационные измельчители инерционного типа (рис. 1. б). В них для создания вибраций используется вибровозбудитель, представляющий собой вал с дебалансной массой 8. В измельчителях инерционного типа частота вращения вала и характер движения шаров обеспечиваются такими же, как и в измельчителях гирационного типа [1, 6].

Вибрационная инерционная мельница (рис. 2) состоит из корпуса 1, в котором в подшипниках 3 установлен дебалансный вал 2, приводимый во вращение двигателем 4. Корпус мельницы опирается на пружины 5.

В процессе работы корпус мельницы, мелющие тела и измельчаемый материал вибрируют с высокой частотой колебаний (1500-3000 мин–1). Вследствие этого мелющие тела (шары, стержни) интенсивно воздействуют на материал и измельчают его.

При измельчении материала в этих мельницах выделяется большое количество тепла, что может вызвать нагрев корпуса до 300 °С. Для снижения температуры нагрева корпус мельниц изготовляется с рубашкой для охлаждения водой. Вибрационные мельницы сухого помола, как правило, работают в замкнутом цикле с воздушным сепаратором.

В сравнении с другими мелющими машинами применение вибромельниц обеспечивает:

- повышение производительности за счет сокращения времени помола;

-уменьшение расхода электроэнергии;

- уменьшение износа аппарата и мелющих тел;

- получение более чистого конечного продукта;

- достижение высокой тонины помола;

- использование мелющих тел из различных материалов;

- проведение процесса измельчения в инертной среде, вакууме, при различных температурных режимах.

Описание лабораторной установки Лабораторная работа по изучению процесса измельчения угля проводится на вибрационной мельнице (рис. 3). Для примера в табл. 2 приведены основные технические характеристики вибромельницы ВМА 2х30.

Сущность процесса вибропомола заключается в следующем. Электродвигатель с помощью эластичной муфты передает вращение валу вибровозбудителя, что вызывает круговые колебания помольных камер вибромельницы, загружаемых мелющими телами. В помольные камеры производится подача измельчаемого материала.

Траектория любой точки корпуса помольной камеры, совершающей круговые колебания, лежит в плоскости, перпендикулярной оси вибратора. Под действием вращающегося дисбаланса вибровозбудителя помольные барабаны совершают вибрационно-вращательное движение, при котором измельчающим телам сообщается ускорение, от 3 до 10 раз превышающее ускорение силы тяжести, так что находящийся между ними материал подвергается главным образом ударным нагрузкам, повторяющимся с большой частотой.

Для работы вибрационной мельницы характерно большое количество ударов при очень малых по величине импульсах. При сверхтонком измельчении приходится измельчать значительное количество малых частиц, каждая из которых для своего разрушения требует очень немного энергии.

Таблица 2. Технические характеристики мельницы ВМА-2х Установка для определения насыпной плотности измельченного в вибрационной мельнице угля состоит из стеклянной мензурки и лабораторных весов MWМетодика проведения эксперимента и обработка результатов Измельчение угля в вибрационной мельнице 1. Определить средневзвешенный размер частиц угля и занести показания в табл. 3.

2. Включить вибрационную мельницу.

3. Загрузить образец угля №1 с помощью дозатора в мельницу и измельчать уголь в течение 5 минут.

4. Выгрузить полученную измельченную пробу угля в емкость 1.

5. Произвести замер частиц после измельчения и занести показания в табл. 3.

Таблица 3. Размеры частиц угля до и после измельчения в зависимости Номер про- Время измельче- Средний размер Средний размер 6. Выключить вибрационную мельницу.

7. Загрузить образец угля №2 и увеличить время измельчения в два раза.

8. Выгрузить полученную измельченную пробу угля в емкость 2.

9. Выключить вибрационную мельницу.

10. Повторить действия согласно пунктам 2-5, увеличивая время дробления, с оставшимися 3 образцами.

После измельчения угля в вибрационной мельнице проводится определение насыпной плотности полученных образцов.

Определение насыпной плотности в зависимости от времени измельчения угля 1. Взвешивается пустая мензурка.

2. В мензурку засыпается полученный образец измельченного угля №1.

3. Взвешивается мензурка с образцом угля № 1 и показания измерений заносятся в табл. 4.

Таблица 4. Результаты расчета насыпной плотности угля Вес пустой мензурки, кг Время измельчения, мин Вес угля в мен- зурке, кг Насыпная плотность, кг/м 4. С оставшимися образцами повторяются действия пунктов 2-3.

5. На основании полученных данных по формуле (2) определяется насыпная плотность для каждого образца.

6. Строится график зависимости насыпной плотности угля от времени измельчения.

7. По формуле (9) вычисляется мощность электродвигателя N мельницы при времени измельчения угля 5 минут.

а) значения коэффициента пропорциональности Км приведены в табл. 5.

Крупность исход- Крупность измельченного материала, мм б) степень измельчения вычисляется по формуле (1).

в) производительность Qпр принимается в зависимости от типа мельницы.

8. Анализируются полученные результаты и делаются выводы по работе.

Контрольные вопросы 1. Какой процесс называется измельчением?

2. Что является основной характеристикой процесса измельчения?

3. Какие бывают виды измельчения?

4. Что такое прочность?

5. Что подразумевается под хрупкостью материала?

6. Что такое абразивность материала?

7. Что такое насыпная плотность материала?

8. В чем сущность гипотезы, выдвинутой П. Риттингером?

9. В чем сущность теории, предложенной Кирпичевым В.Л. совместно с Киком Ф.?

10. В чем смысл теории Ребиндера П.А. и Бонда Ф.?

11. В чем принцип действия вибрационного измельчителя гирационного типа?

12. Как работает вибрационный измельчитель инерционного типа?

13. В чем принцип действия вибрационной инерционной мельницы?

14. Какие преимущества вибрационных мельниц вы знаете?

Список литературы В.Я. Борщев Оборудование для измельчения материалов: дробилки и мельницы.

Учебное пособие. Т.: ТГТУ, 2004.

Б.В. Клушанцев, А.И. Косарев, Ю.А. Муйземнек Дробилки. Конструкции, расчет, особенности эксплуатации. М.: Машиностроение, 1990.

И.В. Доманский, В.П. Исаков, Г.М. Островский и др. Машины и аппараты химических производств: Примеры и задачи: Учебное пособие для студентов втузов.

Под общ. ред. В.Н. Соколова. Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1982.

Методические указания к лабораторным работам. Физико-химические свойства сырья и готовой продукции / Под. ред. П.К. Кирилова, П.А. Петрушенкова, К.В.

Зеленецкой, И.А. Дубкова. К.: Казан. гос. технол. ун-т., 2004.

Ю.И. Гусев, И.Н. Карасев, Э.Э. Кольман-Иванов и др. Конструирование и расчет машин химических производств. М.: Машиностроение, 1985.

Машины и аппараты химических производств: лабораторные работы / Сост.:

В.Я. Борщев, Г.С. Кормильцин, М.А. Промтов, Л.А. Воробьева. Ч. 1. Т.: ТГТУ,

АНАЛИЗ ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ

ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВОДОУГОЛЬНЫХ СУСПЕНЗИЙ

Цель работы:

Изучение методов дисперсионного анализа угольной пыли и приобретение практических навыков определения дисперсного состава материалов ситовым методом.

1. Изучение теоретических основ исследования дисперсных систем.

2. Ознакомление с методикой проведения ситового анализа угольной пыли.

3. Получение экспериментальных данных о дисперсном составе угольной пыли ситовым методом.

4. Математическая обработка результатов.

Оборудование, приборы, материалы:

1. Набор лабораторных сит 2. Весы лабораторные типа MW- 3. Угольная пыль Теоретические основы Дисперсной называется гетерогенная система, которая состоит как минимум из двух фаз, одна из которых – дисперсная фаза - является раздробленной (прерывной), а другая фаза представляет дисперсионную нераздробленную (непрерывную) среду. Дисперсные системы обладают следующими характерными признаками:

1. гетерогенность, обусловленная поверхностным натяжением на межфазной границе раздела;

2. дисперсность (раздробленность), мерой которой является степень дисперсности D – величина, обратная поперечному размеру частиц: D=1/а;

3. развитая удельная поверхность Sуд,;

4. избыток свободной поверхностной энергии, за счет которого протекают процессы не в объеме, а на поверхности системы.

Дисперсионный анализ – это совокупность методов измерения размеров частиц. При дисперсионном анализе определяют дисперсность D и удельную поверхность Sуд.

Методы дисперсионного анализа можно разделить на четыре группы.

1) Методы, измерения параметров отдельных частиц (размеров, массы и т.д.) с последующей статистической обработкой результатов большого числа измерений.

2) Методы, основанные на механическом разделении дисперсной системы на несколько классов по крупности частиц, включающий:

- ситовой анализ;

- разделение частиц в потоке газа или жидкости.

3) Методы, основанные на изучении свойств частиц:

- методы седиментационного анализа, основанные на регистрации кинетики накопления осадка;

- методы рассеяния света малыми частицами (нефелометрия и турбодиметрия), методы неупругого рассеяния, а также рассеяния рентгеновских лучей, нейтронов;

- адсорбционные методы, используемые для определения удельной поверхности частиц.

4) Методы, основанные на исследовании газопроницаемости слоя анализируемого вещества при фильтровании через него воздуха при атмосферном давлении или в вакууме.

В ряде случаев дисперсность порошков измеряют по скорости растворения, теплофизическим, магнитным и другим характеристикам системы, связанным с размером частиц дисперсной фазы или межфазной поверхности.

Наиболее распространенными методами дисперсионного анализа являются:

микроскопический, седиментационный и ситовой анализы.

Определение дисперсного состава сыпучего материала методом микрокопирования основано на изучении отдельных частиц – определения их числа, формы и размеров. Наблюдения производят под микроскопом или просматривая микрофотосъемки.

Микроскопический анализ дает возможность получить относительное содержание числа частиц в данном интервале размеров, выраженное в процентах.

Седиментационный анализ основан на зависимости скорости осаждения (седиментации) твердых частиц в вязкой среде от их размеров.

Седиментационный анализ, как правило, проводят в ламинарной области осаждения, в которой скорость осаждения частиц определяется уравнением:

где d - диаметр частицы, м; 1 и - плотность частицы и жидкости, кг/м3; - вязкость жидкости, м2/с; g - ускорение силы тяжести, м/с2.

Анализ этого уравнения показывает, что при заданных свойствах жидкости и твердого материала скорость осаждения частиц пропорциональна квадрату их диаметра. Таким, образом, если пробу полидисперсного сыпучего материала мгновенно высыпать в жидкость, то на некотором расстоянии от свободного уровня жидкости, частицы распределятся по высоте пропорционально квадрату их диаметра: крупные – внизу, мелкие – вверху. Измеряя время прохождения частицами пути от свободного уровня жидкости, можно рассчитать скорость их падения, а затем с помощью уравнения и их диаметры.

Сущность ситового анализа заключается в разделении пробы исследуемого материала на фракции. Размеры этих фракций ограничены размерами отверстий, используемых в анализе сит. Каждое сито делит материал на две части – остаток и проход.

Ситовый анализ можно проводить двумя путями. Первый, заключается в том, что анализируемая проба помещается на сито с наибольшими размерами отверстий.

Материал, прошедший через сито, подается на следующее, с меньшими размерами отверстий, и так далее до последнего. Такая последовательность позволяет сита всего набора поставить друг на друга и разделить пробу на фракции за одну рабочую операцию.

Второй путь состоит в том, что пробу сначала помещают на сита с наименьшими размерами отверстий, а полученный остаток перекладывают на следующее по крупности ячеек сито. Преимущество такой последовательности состоит в том, что крупные частицы способствуют процессу рассева на ситах с меньшими размерами отверстий.

Значение класса определяют размером отверстий соседних сит. Например, если нижнее сито имеет отверстие равное 0,5мм, а верхнее 0,7мм, то между этими ситами после просеивания останется фракция угольного порошка класса (0.5-0.7мм).

Фракция, прошедшая сквозь верхнее сито с отверстиями dмм, обозначается –d, а оставшаяся на нижележащем сите с отверстиями b мм обозначается +b.

Величину класса (фракции) часто представляют в процентах от общего количества анализируемой пробы, причем место подсчета числа частиц, попавших в данных класс, определяют их суммарный объем или массу.

С учетом этого среднее арифметическое значение диаметра частиц в пробе полидисперсного материала где d 1,d 2,..., d k - среднее значение частиц первого, второго и k-го классов;

G - вес анализируемой пробы (суммарный вес частиц всех классов);

Gi - вес материала i-го класса;

di – среднее значение диаметра частиц i-го класса;

ci - процентное содержание частиц i-го класса;

k – число классов (фракции).

Ширина класса зависит от подбора соответствующих сит. Согласно ГОСТ 3584-53 сетка, идущая на изготовление сит, обозначается номерами. Каждому номеру соответствует определенная величина отверстий (ячейки) сита, выраженная в миллиметрах. Отношение суммарной площади отверстий к общей поверхности сита для ряда остается постоянным и равным 36%.

В зависимости от способа изготовления сита бывают: тканые, плетеные, крученые, стержневые, вязаные, сборные, штампованные. Материал проволоки или листа, из которого изготовляют сита, может быть различным, и выбирают его в зависимости от условий, в которых они работают, или свойств просеиваемых материалов.

При рассеве на ситах хрупких веществ наблюдается износ частиц и, как следствие, искажение картины дисперсного состава. Поэтому для таких материалов используют капроновые сита вместо металлических и ускоряют процесс рассева, помещая на сита гладкие резиновые кубики.

Вещества, которые легко электризуются, приходится рассеивать мокрым способом. Так же следует рассеивать влажный материал, который после просушки не распадается на первичные частицы.

Угольная пыль представляет собой полидисперсную систему, свойства которой удобно описывать функцией распределения массы материала по размерам частиц D( ) или связанной с ней функцией «остатка» материала - R( ).

Функция D( ) равна выраженному в процентах отношению массы всех частиц, размеры которых меньше, к общей массе частиц. Функция R( ) равна выраженному в процентах отношению массы всех частиц, размер которых больше, к общей массе частиц. При этом выполняются соотношения:

где min и max - наименьший и наибольший размеры частиц, встречающиеся в данном материале.

Графически функции распределения изображаются в виде кривых распределения. Общий вид этих кривых представлен на рис. 1. В силу того, что D( ) + R( ) = 100%, кривые пересекаются в точке, где D( ) + R( ) = 50%.

Справедливо считать величиной непрерывной. Тогда функция распределения D( ) есть непрерывная монотонная функция, дифференцируемая и обладающая непрерывной производной. Это значит, что существует функция f ( ), которая может быть найдена путем дифференцирования функции распределения D( ), т.е.

Функция f ( ) называется функцией плотности распределения массы материала по размерам частиц или дифференциальной функцией распределения. Функция f ( ) дает наглядное представление о дисперсном составе материала и позволяет легко найти средний размер частиц:

Кривая f ( ), полученная путем дифференцирования кривой D( ), представлена на рис. 2.

( d max = 0,5 2 мм ), пылевидные ( d max = 0,5 мм ).

Экспериментальное оборудование для проведения исследования Методика проведения эксперимента Даны пять проб угольной пыли с разными размерами частиц. Взвешивают грамм исследуемого угольного порошка первой пробы и засыпают его в верхнее сито комплекта сит. Комплект сит закрывается крышкой и устанавливается на установку рассева (рис. 3). Производится рассев материала. Время рассева производят в зависимости от размера ячеек сита, представленных в табл. 1. Таким же образом, исследуют оставшиеся четыре пробы угольной пыли.

Обработка результатов эксперимента По окончании рассева взвешивается остаток на каждом сите, включая материал попавший на дно комплекта сит, на аналитических весах типа MW-1200. Рассчитывается остаток на каждом сите по формуле:

Рассчитываются значения функций D( ) и R( ) согласно формуле (3).

Результаты ситового анализа сводятся в табл. 2.

Строятся графики полученных функций на примере рис. 1.

Средневзвешенный размер материала в пробе находится по формуле:

Контрольные вопросы Что такое дисперсная система?

Что такое дисперсионный анализ?

Назовите методы дисперсионного анализа.

Какие характеристики описывают дисперсный состав?

В чем заключается метод проведения ситового анализа и каковы методы его проведения?

Список литературы 1. Б.С. Белосельский, В.С. Вдовченко. Контроль твердого топлива на электростанциях. М.: Энергоатомиздат, 1987.

2. Урьев Н.Б. Высококонцентрированные дисперсные системы. М.: Химия, 1980.

3. Гельфман М.И., Ковалевич О.В., Юстратов В.П. Коллоидная химия. СПб.: Изд-во «Лань», 2003.

4. Биргер М.И. Справочник по пыле- и золоулавливанию. М.: Энергоатомиздат, 1983.

5. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия. 1973.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЯЗКОСТИ ВОДОУГОЛЬНОЙ СУСПЕНЗИИ

И ПОСТРОЕНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКОЙ КРИВОЙ

Цель работы:

Изучение методов определения вязкости водоугольной суспензии, принципа действия анализатора суспензии, построение реологической кривой для водоугольной суспензии.

1. Ознакомиться с теорией течения вязких жидкостей.

2. Ознакомиться с методикой определения вязкости водоугольной суспензии на ротационных вискозиметрах.

3. Получить экспериментальные данные о вязкости водоугольной суспензии в зависимости от различных концентраций твердой фазы.

4. Построить реологические кривые.

5. Исследовать участки реологических кривых с наибольшим увеличением или уменьшением вязкости и выявить причину данного эффекта.

Оборудование, приборы, материалы 1. Ротационный вискозиметр «Реотест-2».

2. Набор из пяти проб водоугольной суспензии с различной массовой долей твердой фазы.

Теоретические основы Реология – это изучение деформаций и течения материалов, включая эластичные, вязкие и пластичные свойства.

При движении реальной жидкости в ней возникает сила внутреннего трения, оказывающая сопротивление движению. Эта сила действует между соседними слоями жидкости, перемещающимися друг относительно друга. Свойство жидкости оказывать сопротивление усилиям, вызывающим относительное перемещение ее частиц, называется вязкостью.

Рассмотрим подробнее следующий пример. Представим слой жидкости, находящийся между двумя параллельными горизонтальными пластинами (рис. 1).

Для того чтобы с постоянной скоростью переместить верхнюю пластину относительно нижней в горизонтальной плоскости, нужно приложить некоторую постоянную касательную силу p тр, так как вязкая жидкость оказывает сопротивление такому перемещению. Соответственно в жидкости при наличии такого перемещения возникнут касательные напряжения между ее отдельными слоями. Чем больше трение, тем больше силы необходимо приложить, чтобы вызвать движение («сдвиг»).

Рис. 1. Слой жидкости между двумя параллельными горизонтальными пластинами Сдвиг имеет место при физическом перемещении или разрушении жидкости:

разливе, растекании, разбрызгивании, перемешивании и т.п. Для сдвига жидкостей с высокой вязкостью необходимо приложить больше силы, чем для маловязких материалов.

Слой жидкости между пластинами представим состоящим из бесконечного числа элементарных слоев толщиной dn, скорость движения жидкости обозначим как. Касательная сила p тр, которую надо приложить для сдвига, тем больше, чем ризует изменение скорости на единицу расстояния по нормали между слоями. Касательная сила также пропорциональна площади соприкосновения слоев F. Отсюда получаем соотношение:

где µ – коэффициент пропорциональности или динамический коэффициент вязкости. Динамическая вязкость в системе СИ имеет размерность Па·с.

Согласно закону Ньютона сила внутреннего трения в жидкости, отнесенная к единице поверхности, пропорциональна градиенту скорости:

где – напряжение внутреннего трения, напряжение сдвига или касательное напряжение.

Наряду с вязкостью в реальной жидкости имеют место и силы инерции, поэтому для их учета пользуются отношением:

т.е. кинематическим коэффициентом вязкости или кинематической вязкостью. В системе СИ единица кинематической вязкости имеет размерность 1 м2/с.

По характеру течения жидкости делятся на ньютоновские и неньютоновские, а по поведению во времени – на тиксотропные и реопексные.

Жидкости, для которых вязкость не зависит от скорости деформации, называются ньютоновскими. Характерными ньютоновскими жидкостями являются вода и маловязкие моторные топлива. Поведение ньютоновских жидкостей отлично видно на графиках зависимости напряжения сдвига ( ) или вязкости (µ ) от скорости сдвига. Эта зависимость выражается прямой проходящей через начало координат (рис.

2 (а, б)).

Рис. 2. Зависимости напряжения сдвига (а) и вязкости (б) от скорости сдвига Для неньютоновских жидкостей вязкость изменяется при изменении скорости сдвига. Реологические свойства таких жидкостей характеризуются кривой зависимости скорости сдвига от напряжения, называемой кривой течения или реограммой.

Существует несколько типов неньютоновских жидкостей, различающихся влиянием скорости сдвига на вязкость. Наиболее известны три типа:

• псевдопластичные жидкости;

• дилатантные жидкости;

Вязкость псевдопластичных жидкостей уменьшается при увеличении скорости сдвига. Наиболее известные псевдопластичные жидкости – краски, эмульсии и некоторые суспензии.

У дилатантных жидкостей, наоборот, с увеличением скорости сдвига вязкость увеличивается. Хотя дилатантные жидкости не так распространены, но их довольно много, к ним относится большинство дефлокулянтов: глиняные суспензии, сладкие смеси, взвесь кукурузного крахмала в воде, системы песок/вода.

Пластичные жидкости в статических условиях ведут себя как твердые материалы, но при воздействии на них определенной силой они начинают течь. Минимальное усилие, которое необходимо приложить к системе, чтобы она начала течь называется предельным напряжением сдвига (f’). Томатный кетчуп является ярким примером пластичных жидкостей: пока бутылку с продуктом не потрясти или ударить по ней, кетчуп течь не будет. После преодоления критического напряжения сдвига пластичные жидкости могут вести себя как ньютоновские, псевдопластичные или дилатантные.

Вязкость некоторых жидкостей при постоянных окружающих условиях и скорости сдвига изменяется со временем. Если вязкость жидкости со временем уменьшается, то жидкость называют тиксотропной, а если, наоборот, увеличивается, то – реопексной. Временной интервал может сильно варьироваться для разных веществ: некоторые материалы достигают постоянного значения за считанные секунды, другие – за несколько дней. Реопексные материалы встречаются довольно редко, в отличие от тиксотропных, к которым относятся смазки, вязкие печатные чернила, краски.

Как показали многочисленные исследования, вязкость дисперсных систем уменьшается с повышением напряжения сдвига, т.е. с увеличением градиента скорости. В отличие от ньютоновских жидкостей дисперсные системы относятся к вязкопластическим, для которых характерно наличие более или менее прочной структуры.

Дисперсную фазу водоугольной суспензии (ВУС) составляет уголь, а дисперсионную среду – вода. Классическая схема приготовления ВУС состоит из трёх этапов:

• классификация для выделения частиц угля большего размера, чем запроектировано;

• гомогенизация – уменьшение неоднородности смеси путем измельчения и равномерного перераспределения их по объему.

Для определения вязкости ВУС используют следующую зависимость:

где 0 – вязкость воды; – характеристическая константа с размерностью времени;

n – эмпирическая постоянная.

Содержание твёрдой фазы (доли угля) в ВУС является одним из самых ключевых параметров, поскольку определяет основное свойство водоугольной суспензии как топлива – теплотворную способность. Увеличение доли угля в ВУС (или уменьшение влажности) повышает теплотворную способность, но приводит к существенному увеличению вязкости водоугольной суспензии (рис. 3).

На зависимость вязкости водоугольных суспензий от содержания в них твердой фазы влияют степень гидрофобности угля (неспособность смачиваться с водой), количество в нем и состав минеральных примесей. Вязкость суспензии можно в значительной мере уменьшить химическими реагентами (ПАВ) – сочетанием дисперсантов и стабилизаторов, а также подбором гранулометрического состава угольных частиц. Эффективны опыты с водоугольными суспензиями, имеющими бимодальный фракционный состав дисперсной фазы, т.е. равное содержание одинаковых по составу, но различной дисперсности угольных порошков.

1-3 - из исходного угля с зольностью 13,5% (1-2 - по одно- и двустадийной технологии без гомогенезации; 3 - по двустадийной технологии с гомогенизацией); 4 - из обогащенного до зольности 7% угля по двустадийной технологии с гомогенизацией; 5 - из обогащенного угля оптимального бимодального гранулометрического состава Особенностью многих неньютоновских жидкостей является медленное установление стационарного потока в процессе течения, поэтому измерение реологических свойств водоугольной суспензии проводится с помощью ротационного метода вискозиметрии.

Исследуемое вещество помещается в малый зазор между двумя телами и подвергается сдвигу. Одно из тел на протяжении всего опыта остаётся неподвижным, другое, называемое ротором, совершает вращение с постоянной скоростью. Вращательное движение ротора передается к другой поверхности (посредством движения вязкой среды). Отсюда следует тезис: момент вращения ротора является мерой вязкости. Угловая скорость вращающегося цилиндра может варьироваться в широких пределах.

Для исследования реологических свойств ВУС ротационным методом применяются анализаторы суспензий, называемые ротационными вискозиметрами. Данные приборы допускают необходимую выдержку в процессе измерений скорости течения. Ротационные вискозиметры широко используются для изучения реологических свойств, как исходного сырья, так и продуктов производства. По сравнению с другими вискозиметрами они обладают рядом преимуществ, особенно при изучении материалов с большой вязкостью. Методика наблюдений и обработки опытных данных достаточно проста.

Описание лабораторной установки Ротационный вискозиметр (рис. 4) состоит из основного блока 1, включающего измерительное устройство с механико-электрическим преобразователем 2 и коробку передач 3 с двигателем, и блока измерений 4. Система коаксиальных цилиндров включает внутренний вращающийся измерительный цилиндр 5 и измерительную цилиндрическую емкость (неподвижный внешний цилиндр) 6 со съемной мерной чашечкой 7; на измерительную емкость может надеваться термостатирующее устройство (на рисунке не изображено). Переключатель 8 позволяет в 10 раз менять чувствительность системы измерения к усилиям вращения внутреннего цилиндра.

Рукоятка 9 обеспечивает переключение 12-ступенчатой коробки передач; номер включенной передачи фиксируется в отверстии 10. Переключатель 11 измеряет скорость вращения двигателя.

Значения скоростей вращения измерительного цилиндра (об/мин) при различных положениях переключателя 9 и в положении А переключателя 11 приведены в табл. 1.

Таблица 1. Значения скоростей вращения измерительного цилиндра и скоростей деформации передачи об/мин Также табл. 1 приведены значения скоростей деформации сдвига в зазоре между цилиндрами для используемого в практикуме внутреннего цилиндра. Для положения В переключателя 11 значения и вдвое ниже приведенных в табл. 1.

Блок измерения 4 фиксирует усилие вращения (индикатор 12) и реальную частоту сети n (индикатор 13). При точной работе приведенные в таблице значения и умножаются на коэффициент n /50, в котором реальная частота сети определяется по резонирующей (размазавшейся) метке индикатора 13. На внешней панели блока измерений находятся также выключатели двигателя 14 и измерительного устройства 15. Связь напряжения сдвига с показаниями измерителя (12) для измерительного цилиндра S1 в положении I переключателя 8 дается соотношением: = 0,552 (Па) или = 5,52 (дин/см2); в положении II переключателя 8: = 5, (Па) = 55,3 (дин/см2).

Методика проведения эксперимента и обработка результатов Взять пять проб (№1,2,3,4,5) исследуемой жидкости с различной концентрацией твердой фазы.

Включить прибор в сеть. Придерживая правой рукой внешний цилиндр 6, левой рукой повернуть влево до упора рычаг 16 с натяжным стопорным кольцом 17 и снять вниз внешний цилиндр. Убедившись в чистоте цилиндров, отвернуть от внешнего цилиндра мерную чашечку 7. Затем заполнить ее доверху пробой №1 исследуемой жидкости и снова привернуть к цилиндру.

Повернуть внешний цилиндр меткой к себе, вставить его в прорезь крепежного устройства и закрепить поворотом рычага вправо до упора. Установив переключатель скорости вращения двигателя в положение А, переключатель скорости вращения двигателя на 4 диапазон и кнопками 14 и 15 включить прибор.

После 1-2 минут работы вискозиметра подобрать такую скорость вращения, при которой усилие вращения достигает надежно измеримой величины. После установления стационарного значения усилия вращения записать в таблицу номер включенной передачи и значения.

Аналогичные измерения на той же пробе провести на других, последовательно увеличивающихся скоростях вращения, переходя при необходимости на диапазон II переключателя чувствительности силоизмерителя 8. Вписать в таблицу значения, По окончании измерения установить переключатель 9 в положение 4, выключить двигатель и остановить его тогда, когда метка на видимой в прорези внешнего цилиндра узкой части 18 внутреннего цилиндра 5 окажется снаружи. Остановить двигатель, отжав кнопку 14. Затем, удерживая правой рукой внешний цилиндр, повернуть вправо до упора рычаг 16, приподнять муфту 19 и снять с прибора оба цилиндра.

Вымыть цилиндры или, в случае нерастворимых в воде жидкостей, протереть их бумагой. Затем, взяв внутренний цилиндр за широкую часть меткой к себе, приподнять муфту 19 и вставить внутренний цилиндр так, чтобы находящаяся под муфтой 19 риска совпала с меткой на цилиндре. Затем отпустить муфту и потянуть цилиндр слегка вниз, так чтобы муфта защелкнулась, а цилиндр зафиксировался.

Далее заполнить мерную чашечку новой жидкостью и провести в той же последовательности измерения для остальных проб (№2,3,4,5) исследуемой водоугольной суспензии.

По окончании работы вымыть и протереть досуха оба цилиндра, закрепить их на приборе и отключить прибор от сети.

Полученные экспериментальные данные свести в таблицу. По формуле 3. рассчитать значения вязкости. Для каждого номера пробы исследуемой жидкости должна быть составлена своя таблица по образцу табл. 1.

передачи об/мин дин/см, Па·с Результаты работы представить в виде графиков зависимостей вязкости от значений скорости сдвига, а также при любой одинаковой скорости сдвига зависимости вязкости от массовой доли твердой фазы.

Контрольные вопросы Что такое реология?

В чем заключается определение вязкости?

Чем отличаются неньютоновские жидкости от ньютоновских?

Дайте понятие псевдопластичной жидкости.

Объясните понятие дилатантной жидкости.

Дайте понятие пластичной жидкости.

Опишите устройство ротационного вискозиметра Реотест-2.

Опишите методику работы на ротационном вискозиметре Реотест-2.

Каково влияние массовой доли твердой фазы на вязкость ВУС?

Список литературы 1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия. 1973.

2. Гельфман М.И., Ковалевич О.В., Юстратов В.П. Коллоидная химия. СПб.: Издво «Лань», 2003.

3. Методические указания к лабораторным работам. Физико-химические свойства сырья и готовой продукции / Под ред. П.К. Кириллова, П.А. Петрушенкова, К.В.

Зеленецкой, И.А. Дубкова. Казань.: Казан. гос. технол. ун-т., 2004.

ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ВОДОУГОЛЬНОЙ СУСПЕНЗИИ

В РЕЗЕРВУАРЕ

Цель работы:

Изучение тепловых и гидравлических характеристик оборудования для перемешивания водоугольной суспензии в резервуаре.

1. Ознакомиться с теорией процесса перемешивания водоугольных суспензий.

2. Провести численное исследование процессов теплообмена при перемешивании водоугольной суспензии в зависимости от температуры подаваемой суспензии.

3. Получить значения максимальной температуры, в резервуаре.

4. Построить график зависимости температуры в резервуаре от времени перемешивания.

Теоретические основы Наибольшее значение по областям и масштабам применения имеют дисперсные системы, содержащие твердую фазу в жидкой и газовой дисперсионных средах:

суспензии и порошки. К таким системам относятся многие технические продукты и материалы, в частности, лакокрасочные составы, водные суспензии минеральных вяжущих до начала отверждения, водоугольные суспензии для прямого сжигания, сырьевые продукты горнообогатительной промышленности, буровые растворы, разнообразные продукты фармацевтической и пищевой промышленности, минеральные удобрения, пылевидные топлива и многие др.

Все эти системы, несмотря на их исключительное разнообразие, характеризуются рядом общих черт. Большинство их содержат преимущественно частицы твердой фазы размером от 1 до 100 мкм. Концентрации таких частиц в газовой (порошки) или жидкой среде (суспензии и пасты) обычно достаточно велики. Эти два фактора приводят к тому, что в системах самопроизвольно возникают пространственные структуры, которые определяют структурно-реологические свойства, обуславливающие реакцию дисперсий на механическое воздействие.

Одним из основных свойств суспензий является седиментационная устойчивость.

Седиментационная устойчивость суспензии - это способность её сохранять неизменным во времени распределение частиц по объему системы, т. е. способность системы противостоять действию силы тяжести.

Изучение седиментации суспензий связано с получением кривых накопления осадка (кривых седиментации) m=f(t) (рис.1). Кривыe накопления могут быть двух видов: с перегибом или без перегиба. Установлено, что вид кривых седиментации зависит от того, является ли седиментирующая суспензия агрегативно устойчивой или нет. Если седиментация сопровождается укрупнением частиц, а, следовательно, увеличением скорости их оседания, то на кривых седиментации появляется точка перегиба. Если же суспензия агрегативно устойчива (нет коагуляций), то на кривой седиментации перегиб отсутствует. Характер осадков, полученных в том и другом случаях, также различен.

Рис. 1. Кривая седиментации полидисперсной системы Для интенсификации химических, тепловых и диффузионных процессов необходимо перемешивание. В процессах тепло- и массообмена скорость переноса будет тем выше, чем выше интенсивность перемешивания, т.к. при этом увеличивается поверхность контакта фаз.

Цель перемешивания определяется назначением процесса. При приготовлении эмульсий и суспензий для интенсивного дробления дисперсной фазы необходимо создавать в перемешиваемой среде значительные срезающие усилия, зависящие от величины градиента скорости. В тех зонах, где градиент скорости жидкости имеет большое значение, происходит наиболее интенсивное дробление диспергируемой фазы.

В случае гомогенизации, приготовления суспензий, нагревания или охлаждения перемешиваемой гомогенной среды целью перемешивания является снижение концентрационных или температурных градиентов в объеме аппарата.

При использовании перемешивания для интенсификации химических, тепловых и диффузионных процессов в гетерогенных системах создаются лучшие условия для подвода вещества в зону реакции, к границе раздела фаз или к поверхности теплообмена.

Увеличение степени турбулентности системы, достигаемое при перемешивании, приводит к уменьшению толщины пограничного слоя, увеличению и непрерывному обновлению поверхности взаимодействующих фаз. Это вызывает существенное ускорение процессов тепло - массообмена.

Способы перемешивания и выбор аппаратуры для его проведения определяются целью перемешивания и агрегатным состоянием перемешиваемых материалов.

Широкое распространение в химической промышленности получили процессы перемешивания в жидких средах.

Независимо от того, какая среда смешивается с жидкостью - газ, жидкость или твердое сыпучее вещество, - различают два основных способа перемешивания в жидких средах: механический (с помощью мешалок различных конструкций) и пневматический (сжатым воздухом или инертным газом).

Кроме того, применяют перемешивание в трубопроводах и перемешивание с помощью сопел и насосов. Наиболее важными характеристиками перемешивающих устройств, которые могут быть положены в основу их сравнительной оценки, является эффективность перемешивающего устройства и интенсивность его действия.

Водоугольное топливо (ВУТ) является частным случаем дисперсной системы.

Водоугольное топливо применяется в качестве замены газа или мазута на тепловых электростанциях и котельных. ВУТ используется в качестве экологически чистого и недорогого источника тепловой энергии. Технологичность применения ВУТ заключается в том, что ВУТ не пожароопасно, не взрывоопасно, может храниться и транспортироваться в обычных мазутных цистернах. В связи с этим, весьма актуальным является подогрев и перемешивание ВУТ циркуляционным методом, аналогично мазуту. Принципиальная схема циркуляционного подогрева водоугольного топлива в резервуаре приведена на (рис. 2).

Рис. 2. Схема циркуляционного подогрева ВУТ в резервуаре Циркуляционный контур включает в себя: резервуар 1, всасывающий трубопровод 2, насос рециркуляции 3, подогреватель рециркуляции 4, напорный трубопровод 5, распределительный коллектор 6, насадки 7. В резервуаре топливо растекается, в виде затопленных струй 8, которые обеспечивают эффективное перемешивание суспензии и ее однородность.

Принцип действия циркуляционной системы подогрева заключается в следующем: топливо, отбирается из нижней части резервуара и насосом прокачивается через внешний подогреватель. Подогретое во внешнем подогревателе топливо по напорному трубопроводу через насадки сбрасывается в нижнюю часть резервуара к центру сечения или в сторону, противоположную отводу. Растекающиеся в резервуаре турбулентные, свободно затопленные струи и сопутствующие им вихревые токи создают эффективное перемешивание мазута, обеспечивают ее однородность и препятствуют отложениям в резервуарах. При циркуляционном подогреве полностью используется полезный объём резервуара.

Методика проведения эксперимента Для проведения работы используется пакет программ COMSOL Multifiphysics 3.5.

COMSOL Multiphysics – это мощная интерактивная среда для моделирования и расчетов большинства научных и инженерных задач основанных на дифференциальных уравнениях в частных производных (PDE) методом конечных элементов. С этим программным пакетом возможно расширять стандартные модели, использующие одно дифференциальное уравнение (прикладной режим) в мультифизические модели для расчета связанных между собой физических явлений.

Для решения PDE, COMSOL Multiphysics использует метод конечных элементов (FEM). Программное обеспечение запускает конечноэлементный анализ вместе с сеткой учитывающей геометрическую конфигурацию тел и контролем ошибок с использованием разнообразных численных решателей. Так как многие физические законы выражаются в форме PDE, становится возможным моделировать широкий спектр научных и инженерных явлений из многих областей физики таких как: акустика, химические реакции, диффузия, электромагнетизм, гидродинамика, фильтрование, тепломассоперенос, оптика, квантовая механика, полупроводниковые устройства, сопротивление материалов и многих других.

Кроме вышеперечисленного, программа позволяет с помощью переменных связи (coupling variables) соединять модели в разных геометриях и связывать между собой модели разных размерностей.

Последовательность работы с программным комплексом заключается в следующем:

1. Навигатор моделей и главное меню Работа программного обеспечения начинается с развертывания диалогового окна Навигатора моделей (рис. 3).

Размерность модели выбирается в Model Navigator [Навигаторе моделей] на первой вкладке New в Space Dimension [размерность пространства], кроме 1D, 2D и 3D программа позволяет решать осесимметричные модели Axial Symmetry (1D) и (2D).

Выбирается физический раздел, на примере Heat Transfer [Теплоперенос], и Fluid Dynamics [Гидродинамика]. Раздел Fluid Dynamics использует уравнение Навье-Стокса для несжимаемой жидкости. Раздел Heat Transfer включает в себя, кроме подраздела Conduction [Теплопроводность], подраздел Convection and Conduction [Конвекция и теплопроводность], который отличается тем, что кроме теплофизических свойств, можно задать поле скоростей теплоносителя.

Чтобы создать мультифизические модели, например, поток жидкости в резервуаре: надо нажать кнопку Multiphisics, затем нажимается кнопка Add geometry [Добавить геометрию], в открывшемся окне выбирается размерность и названия осей.

После выбора геометрии, нажимается кнопка Add [Добавить]. Сначала выбирается один физический раздел - Heat Transfer Convection and Conduction (Теплообмен – Конвекция и Кондукция) а потом в модель добавляется второй раздел - Fluid Dynamics Incompressible Navier – Stokes (Гидродинамика несжимаемой жидкости по Навье-Стоксу). Между собой они взаимодействуют как раз через поле скоростей.

Для каждого из подразделов можно выбрать Steady-state analysis [Стационарный анализ] или Transient analysis [Переходный анализ].

Так же на вкладке New в Model Navigator можно выбрать вид конечных элементов, по умолчанию стоит Lagrange - Quadratic [Лагранжевы-квадратичные], предлагаются Лагранжевы элементы вплоть до пятой степени, в некоторых разделах доступны элементы Эйлера.

2. Работа в Comsol Задачей исследования является исследование изменения температуры водоугольной суспензии в резервуаре в процессе перемешивания.

Для решения поставленной задачи необходимо открыть в главном меню закладку Options (Опции), далее выбирается вкладка Constants (Константы).

Далее, необходимо записать значения следующих констант (рис. 4):

T0, T1 - соответственно начальная и конечная температуры [K];

Q - расход на выходе из насадки, [ м / ч ];

u_max_1 - скорость начальная на выходе из насадки [безразмерная единица].

Следующим шагом для решения поставленной задачи является получение гидродинамических и тепловых характеристик.

Для этого необходимо открыть вкладку Postprocing parameters (Постпроцессовые характеристики).

Ставим галочку возле Streamline далее нажимаем кнопку Ok и получаем распределения линий тока процесса смешения в резервуаре. Для получения тепловых характеристик необходимо поставить галочку возле параметра Surface, нажимаем на вкладку Surface вверху диалогового окна. Далее также нажимаем кнопку Оk (рис.

5).

И так из полученных графиков теплогидравлических характеристик получаем значения максимальной и минимальной температуры (рис. 6).

Значения берутся для времени 100, 5000, 10000, 50000. Результаты численных расчетов заносятся в табл. 1.

Обработка результатов В результате полученных значений температур, строится график зависимости температуры T [К] от времени t*.

Контрольные вопросы Каким из свойством должна обладать суспензия?

Частицы, каких размеров могут входить в состав суспензии?

Что такое седиментационная устойчивость суспензий?

Какие факторы могут влиять на образование пространственных структур?

Для чего применяют перемешивание суспензий?

Какие существуют способы перемешивания?

Задачи, каких областей физики можно решать при помощи программного комплекса COMSOL Multifiphysics 3.5?

8. Какой метод используется при решении задач в программном комплексе COMSOL Multifiphysics 3.5?

Подписано в печать 12.11.2009. Формат 60х84/16.



 
Похожие работы:

«Министерство образования и науки Украины Севастопольский национальный технический университет МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к выполнению практической работы на тренажере Эксплуатация судового вспомогательного парового котла КВС-68 по дисциплине Судовые паровые котлы и их эксплуатация для студентов специальности 7.100302 Эксплуатация судовых энергетических установок дневной и заочной форм обучения Севастополь Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Амурский государственный университет УТВЕРЖДАЮ Зав. кафедрой энергетики _ Ю.В. Мясоедов 2012 г. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПО ДИСЦИПЛИНЕ ЭКОНОМИКА И ОРГАНИЗАЦИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА для специальности 140204.65 Электрические станции для профиля (заочное обучение) Электроэнергетические системы и сети Составитель: старший...»

«СЕРІЯ НАУКОВО-ТЕХНІЧНА ОСВІТА: ЕНЕРГЕТИКА, ДОВКІЛЛЯ, ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ министерство образования и науки украины Харьковская наЦионаЛьная академия городского Хозяйства В. А. Маляренко ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНУЮ ЭКОЛОГИЮ ЭНЕРГЕТИКИ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Харьков Издательство САГА 2008 УДК 625.311:502.5 М21 Рекомендовано Ученым Советом Харьковской национальной академии городского хозяйства (Протокол № 3 от 29 декабря 2000 г.) Рецензенты: заведующий кафедрой теплогазоснабжения, вентиляции и ТГВ Харьковского...»

«МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ АУДИТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ, ПРЕДУСМОТРЕННОЙ УЧЕБНОЙ ПРОГРАММОЙ Лекции. 1. Содержание лекционных занятий должно быть в соответствии с ГОС по дисциплине, которые отличаются по специальностям. Например: Химия: химические системы: растворы, дисперсные системы, электрохимические системы, катализаторы и каталитические системы, полимеры и олигомеры; химическая термодинамика и кинетика: энергетика химических процессов, химическое и фазовое равновесие, скорость реакции и...»

«КОМИТЕТ ПО АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ МИНИСТЕРСТВА ЭНЕРГЕТИКИ И МИНЕРАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН Методические указания по проверке безопасности деятельности по перемещению отработавшего топлива реактора БН- 350 на площадке МАЭК Утверждено приказом Председателя КАЭ МЭМР РК №_3_от_7 февраля_2005г. РД-02-01-31-05 г. Алматы, 2005. Методические указания по проверке Комитет по Док. № РД-02-01-31-05 безопасности деятельности по перемещению атомной Вер. 1.0 отработавшего топлива реактора БН- 350 на...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ и НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное агентство по образованию МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ (Технический университет) Кафедра физических основ электронной техники Методические указания к лабораторной работе по дисциплине Физические основы ионно-плазменной технологии Конструирование заданных профилей распределения примеси в полупроводниках методом ионной имплантации Москва – 2009 -2Составители канд. хим. наук, проф. Ф.И.Григорьев; канд....»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный экономический университет Высшая экономическая школа МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ по пропаганде и популяризации энергосбережения в регионах Санкт-Петербург 2014 Настоящие методические рекомендации разработаны в соответствии с учебной программой повышения квалификации Актуальные и проблемные вопросы...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ КОЛЛЕДЖ РАБОЧАЯ ПРОГРАММА дисциплины Геология, поиск и разведка МПИ для средних профессиональных учебных Семипалатинск 2004 г Введение В современных условиях научно-технической революции роль минерально-сырьевых ресурсов в экономике нашей страны значительно возросла, увеличилась потребность в топливно-энергетическом сырье, Примерный тематический план. особенно это, относится к нефти и газу. Возрастает...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Амурский государственный университет УТВЕРЖДАЮ Зав. кафедрой энергетики Ю.В. Мясоедов _2012г. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИН АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ для специальности: 140204.65 Электрические станции АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Амурский государственный университет УТВЕРЖДАЮ Зав. кафедрой энергетики _Ю.В. Мясоедов _2012г. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ СТАНЦИЙ И ПОДСТАНЦИЙ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПО ДИСЦИПЛИНЕ для специальности 140204 - Электрические станции Составитель: к.т.н., доцент А.Н. Козлов Благовещенск 2012 г. Печатается по решению...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) УТВЕРЖДАЮ проректор СПбГТИ (ТУ) по учебной работе, д.х.н., профессор Масленников И.Г. 200 г. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ В ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, НЕФТИХИМИИ И БИОТЕХНОЛОГИИ образовательной профессиональной программы (ОПП) 240803 – Рациональное использование материальных и...»

«База нормативной документации: www.complexdoc.ru РОССИЙСКОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ ЕЭС РОССИИ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО УСТАНОВЛЕНИЮ НОМЕНКЛАТУРЫ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ НА ЭНЕРГОПРЕДПРИЯТИЯХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ, ПОДЛЕЖАЩИХ ПОВЕРКЕ РД 34.11.410-95 ОРГРЭС Москва 1997 Разработано АО Фирма ОРГРЭС, АО Уралтехэнерго, АО Сибтехэнерго, АО Дальтехэнерго, АО ВНИИИЭ, Департаментом науки и техники РАО ЕЭС России Исполнители Б.Г. ТИМИНСКИЙ, А.Г. АЖИКИН, Т.Ф. ЧИЛИКИНА, (АО...»

«Министерство энергетики Министерство регионального развития Российской Федерации Российской Федерации (Минэнерго России) (Минрегион России) ПРИКАЗ _ _ 2012 г. №/ Москва Об утверждении методических рекомендаций по разработке схем теплоснабжения В соответствии с пунктом 3 постановления Правительства Российской Федерации от 22 февраля 2012 г. № 154 (Собрание законодательства Российской Федерации, 2012, № 10, ст. 1242), п р и к а з ы в а е м: Утвердить прилагаемые методические рекомендации по...»

«Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ухтинский государственный технический университет (УГТУ) ОСНОВЫ ГЕОЛОГИИ НЕФТИ И ГАЗА Методические указания к лабораторным работам для студентов специальности 080502 Экономика и управление на предприятии топливно-энергетического комплекса ЭТК Ухта 2009 УДК 553.98(075.8) БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Б 25 1. Бакиров, А. А. Геология нефти и газа [Текст] / А. А. Бакиров, В. И....»

«Министерство образования Российской Федерации Восточно - Сибирский государственный технологический университет Пищевые растительные жиры являются основными продуктами питания, они имеют не только высокую энергетическую ценность, но и большое биологическое значение. Пищевые растительные жиры широко применяются на предприятиях пищевой промышленности и общественного питания, особенно при термической обработке. Поэтому весьма актуально формирование у студентов навыков исследования качества пищевых...»

«Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева Кафедра химической технологии твердого топлива и экологии РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ УСТАНОВКИ ВОДОПОДГОТОВКИ С УМЯГЧЕНИЕМ ВОДЫ Na-КАТИОНИРОВАНИЕМ ДЛЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ Методические указания к самостоятельной работе по курсу Водоподготовка для студентов специальности...»

«База нормативной документации: www.complexdoc.ru МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УТВЕРЖДЕНО Приказом Министерства энергетики Российской Федерации от 30 июня 2003 г. № 270 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ОЦЕНКЕ ЖИВУЧЕСТИ ОБОРУДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ СО 153-34.17.456-2003 Москва Центр производственно-технической информации энергопредприятий и технического обучения ОРГРЭС 2005 Содержание 1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 2 ОСНОВЫ ЖИВУЧЕСТИ ТЭС 3 ЖИВУЧЕСТЬ ОТВЕТСТВЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТУРБИН 3.1 Общие...»

«Государственный комитет РС4СР по л л а м науки • и дысшей школы Архангельский ордена^Трудового Красного Знамени лесотехнический институт ии. В.В.КуИбыаеаа • ЭКОНОМИКА ЭНЕРГЕТИКИ Методические указания к выполнение практических занятий Архангельск 1991 Ркосмотреиы и рекомендована к изданию методической комиссией факультета промышленной энергетики А р х а н г е л ь с к о г о ордена Трудового Красного Знамени лесотехнического института ии. В.В.Куйбышева Составитель А.З.Ш1АСТИНИН. д о ц., к а н д...»

«Министерство образования и науки Украины Севастопольский национальный технический университет МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к курсовой работе по дисциплине Техническая эксплуатация и диагностика энергетических установок промысловых судов для студентов специальности 7.100302 Эксплуатация судовых энергетических установок всех форм обучения Севастополь Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) УДК 629.03:629. Методические указания к курсовой работе по...»

«База нормативной документации: www.complexdoc.ru ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО ГАЗПРОМ ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий - ВНИИГАЗ Система нормативных документов в газовой промышленности ВЕДОМСТВЕННЫЙ РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫБОРУ И ПРИМЕНЕНИЮ АСИНХРОННОГО ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА МОЩНОСТЬЮ ДО 500 кВТ ВРД 39-1.10-052-2001 Дата введения 22.11.2001 г. Предисловие РАЗРАБОТАН Обществом...»






 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.