Отчет по лабораторной работе ГНП-3 «ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ СВОБОДНОГО ОСАЖДЕНИЯ (ВСПЛЫТИЯ) ШАРООБРАЗНЫХ ЧАСТИЦ В ПОЛЕ ГРАВИТАЦИОНН. ЛР №3. Отчет по лабораторной работе гнп3 определение скорости свободного осаждения (всплытия) шарообразных частиц в поле гравитационных сил

• Название: Отчет по лабораторной работе гнп3 определение скорости свободного осаждения (всплытия) шарообразных частиц в поле гравитационных сил
• Анкор: Отчет по лабораторной работе ГНП-3 «ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ СВОБОДНОГО ОСАЖДЕНИЯ (ВСПЛЫТИЯ) ШАРООБРАЗНЫХ ЧАСТИЦ В ПОЛЕ ГРАВИТАЦИОНН
• Дата: 09.11.2022
• Размер: 125.91 Kb.
• Имя файла: ЛР №3.docx
• Тип: Отчет; #778628

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Кафедра Нефтехимии и химической технологии

Дисциплина “Процессы и аппараты химической технологии”

Отчет принял:

Оценка:

Доцент кафедры НХТ, к.т.н.

С. П. Ломакин


Отчет по лабораторной работе ГНП-3

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ СВОБОДНОГО ОСАЖДЕНИЯ (ВСПЛЫТИЯ) ШАРООБРАЗНЫХ ЧАСТИЦ В ПОЛЕ ГРАВИТАЦИОННЫХ СИЛ»

Выполнил: Литяйкина Т. Ю.

ст. гр. БТГ-19-01

Уфа 2021
Цель работы:

1. 
   экспериментальное определение коэффициента динамической вязкости µ через опытную скорость осаждения шарообразной частицы w₀⁰ при ламинарном режиме;
   
2. 
   экспериментальное определение скорости свободного осаждения (всплытия) шарообразных частиц w₀⁰ в жидкой среде;
   
3. 
   расчетное определение скорости свободного осаждения W₀ по исходным данным эксперимента;
   
4. 
   сопоставление экспериментальной и расчетной скоростей свободного осаждения;
   
5. 
   выполнение индивидуальных заданий в разрезе УИРС: по экспериментальному и расчетному определению коэффициента сферичности φ_с или коэффициента формы φ , сопротивления среды ξ и скорости w₀^/ осаждения для частиц нешарообразной формы; по выявлению 7 влияния стенок сосуда на коэффициент сопротивления при осаждении частиц.
   

Теоретическая часть:

1. 
   Исходя из определения, постоянную скорость w0 можно определить из равенства
   

	(1)
где слева – сила сопротивления среды движению частицы, справа – сила, движущая шарообразную частицу диаметром dr;

ρ_ч, ρ – плотность частицы и среды, кг/м3;

ξ = f (Re) – коэффициент сопротивления;

- число Рейнольдса.

Из (1) получаем:

(1а)

Выражая в (1a) скорость

(2)

получим выражение П.В. Лященко:

(3)

где µ – коэффициент динамической вязкости, Па·с.

Известно, что:

при ламинарном режиме при Re < 2 (4)

при переходном режиме при 2 < Re < 500 (5)

при турбулентном автомодельном режиме при 500 < Re < 2·10⁵

ξ ≈ 0.44 (6)

Подставляя соответствующие значения ξ по (4, 5, 6) в (3), получим расчетные формулы для w₀

Формула Стокса:

, м/с

(7)

Подставив в (7) выражение w0 через Re (2) и приняв Re = 2 получим максимальный размер частицы, для которой возможно использование формулы (7):

(8)

Формулу (7) можно использовать для определения коэффициента динамической вязкости µ конкретной среды при осаждении в ней конкретной шарообразной частицы, диаметр которой d_r ≤ d_r max. По экспериментально определенной скорости осаждения подобранной частицы, используя (7), вычисляют вязкость:

, Па*с

(9)

1. 
   Для расчета скорости по (1а), (7) и уравнениям, приведенным в 1, с. 99, нужно знать режим осаждения, т.е. значение числа, в которое входит искомая скорость. Трудоемкий путь расчета - последовательное приближение - можно избежать, если преобразовать уравнение (3). Подставляя в выражение (3) критические (граничные) значения числа Rе, соответствующие переходу режиме осаждения из одной области в другую, получим уже критические (граничные) значения числа Ar, в которое входят известные параметры, и соответствующие зависимости Re от Ar.
   

При ламинарном режиме: (9)

для турбулентного автомодельного режима, если (10)

для турбулентного переходного режима, если 36
Re= 0.152*Ar^0.715 (11)

(12)

Вычислив по (9) - (12) значение числа Re, определяет скорости:

(2/)

3. Осаждение частиц нешарообразной формы w₀^/

3.1. Для определения w₀^/можно использовать формулу (1а), в которой d_r заменяется на эквивалентный диаметр d_э, равный диаметру шара того же объема V, что и у нешарообразной частицы. При этом для определения ξ используются формулы (4) - (6) совместно с т.н. фактором формы Ф или коэффициентом сферичности φ_с.

(13)

Где F_э – поверхность шара, равновеликого частице нешарообразной формы; F_r – действительная поверхность нешарообразной частицы.

Из

(14)

тогда (15)

Коэффициенты сопротивления среды при осаждении нешарообразной 10 частицы для ламинарного режима можно подсчитать по формуле:

(16)

для турбулентного автомодельного режимa c ξ=5.31-4.87* для переходного режима ξ принять из табл. 1 в зависимости от Re_э


В выражениях (16 и в табл. 1) , в котором w₀^// вычисляется по формулам (9) – (12) при замене d_ч на d_э.

3.2. В [I, с. 97] приведены следующие значения коэффициента сферичности:

для куба φс = 0,806,

для цилиндра высотой, в 10 раз превышающей его радиус, φс = 0,690; для диска, высота которого в 10 раз меньше радиуса, φс = 0,320.

3.3. Для определения скорости осаждения нешарообразной частицы w₀^/ используется также понятие коэффициента формы =>

где w₀^// вычисляется по формулам (9) - (12), в которых d_r, заменяется на d_э по выражению (14);

φ = 0,77 - для частиц округлой формы;

φ = 0,66 - для частиц угловатой формы;

φ = 0,58 - для продолговатых частиц;

φ = 0,43 - для пластинчатых частиц.

φ можно определить, если известна опытная скорость нешарообразной частицы.

4. Скорость осаждения шарообразной и нешарообразной частиц определяется и по графической зависимости чисел Лященко (Ly) и Рейнольдса (Re) от Архимеда (Ar) [3, с. 95; 4, с. 91]. Число Ly имеет вид

(20)

По подсчитанному значению числа Ar определяется по графику числа Ly или Re, из которых можно подсчитать w₀:

(21)

В случае нешарообразной частицы в соответствующих выражениях d_ч меняется на d_э.

5. 
   Сопротивление среды осаждению частицы возрастает в случае соизмеримости диаметров частицы d_r и сосуда d_c. Так, для шарообразной частицы при ламинарном режиме осаждения коэффициент сопротивлений определяется так:
   

(22)

Описание лабораторной установки

1. 
   Экспериментальная установка включает (рисунок 1) три цилиндра 1, 2, 3 с жидкостями: первый заполняется глицерином и служит для осаждения твердых шарообразных частиц, второй и третий – водой и служит для осаждения и всплывания шарообразных жидких капель соответственно с большей и меньшей плотностью, чем у воды. Для определения расхода (числа капель) диспергируемой жидкости используются мерные бюретки 4 и 5 с краниками. В цилиндр с водой 2 конец трубки бюретки 4 введен сверху, в цилиндр 3 – снизу, т.е. цилиндр 3 и бюретка работают по принципу сообщающихся сосудов. Цилиндры имеют две метки на расстоянии L = 1 м друг от друга – путь, проходимый частицами при осаждении (всплывании). Внутренний диаметр цилиндров 40 мм. Для опускания частиц в осевую зону цилиндр I снабжен воронкой 6, а для удаления частиц и органической жидкости цилиндры 1 и 2 имеют опускные краны 7. Причем выходной патрубок крана цилиндра I закрывается резиновой пробкой при открытом состоянии крана. Органическая жидкость из цилиндра 3 удаляется грушей.
   

2. Исходные данные к работе:

2.1. Сплошная фаза: в цилиндре 1 – глицерин (исходная плотность ρ = 1258 кг/м3 ); в цилиндре 2 и 3 - вода (ρ и µ принимаются в зависимости от температуры воздуха в помещении.

2.2. Дисперсная фаза: для осаждения в цилиндре 1: стальные шарики (ρ = 7870 кг/м3 ), частицы нешарообразной формы: цилиндрики, кубики из фторопласта (ρ = 2070 кг/м3 ), алюминия (ρ = 2700 кг/м3 ) и т.д.; четыреххлористый углерод (ρ = 1595 кг/м3 ), толуол (ρ =866,9 кг/м3 ), плотности даны при 20 °С. Природа дисперсной фазы может быть и другой, поэтому необходимо каждый раз уточнять, частицы и капли каких веществ используются.

2.3. Принадлежности к работе:

- Набор твердой дисперсной части.

- Штангенциркуль.

- Секундомер.

- Калькулятор.

- Термометр в помещении лаборатории.

- Мерная линейка для контроля расстояния между метками.

Методика проведения эксперимента

1. Проверяют в цилиндрах 1, 2, 3 и бюретках 4, 5 наличие соответствующих жидкостей; уточняют их природу, т.к. ранее указанные штатные жидкости могут быть заменены.

2. Подбирают стальные шарики, получают нешарообразную частицу и штангенциркулем замеряют их размеры: каждый студент в бригаде должен иметь шарики «своего» размера. Один общий шарик должен иметь диаметр не более 1,5-2,0 мм для обеспечения заведомо ламинарного режима осаждения. Плотности твердых частиц могут быть уточнены расчетноэкспериментальным путем: определив массу m_r взвешиванием на аналитических весах и объем Vr по замерам, находим

, кг/м³

3. Для жидких капель с помощью краников на бюретках добиваются приемлемой частоты опускания или всплывания капель, после которого один студент фиксирует на бюретке изменение объема V_ж за определенное время, измеряемое секундомером, другой за это же время считает число капель N, V_ж должно быть не менее 1 см³ .

4. При осаждении и всплывании стального шарика, нешарообразной частицы и капли фиксируется время прохождения τ их между метками L.

5. По термометру в лаборатории фиксируется температура воздуха, которая принимается за температуру жидких сред.

Обработка данных

Номер опыта	Опытные данные
	Диаметр d,м	Высота частицы, h м	Время осаж- дения, τ с	Масса , кг с,
Стальные шарики
1	1,5*10-3		135	0,01*10-3
2	5,0*10-3		13	0,44*10-3
Цилиндр
3	4,0*10-3	3,0*10-3	14	0,49*10-3

По данным опыта рассчитаем скорости свободного осаждения шарообразных и нешарообразных частиц :








Опыт №1,2

1. 
   
   

кг

кг

_м³

м³

= 5649 кг/м³

= 6727 кг/м³

2. 
   Определение расчетной скорости свободного осаждения
   

1. 
   
   

– ламинарный режим

если – турбулентный режим

если 360.715- турбулентный переходный режим

2. 
   
   

Для первого шарика:

1. 
   0,31
   

2. 
   
   

м/с

Для второго шарика:

1. 
   8,96
   

2. 
   
   

3. 
   
   

Для первого шарика:





Для второго шарика:





Опыт №3

1. 
   
   

м^3

кг





Па*с

м

м²

м²

2. 
   
   

м/c



Второй способ:

1. 
   
   

Опытные и расчетные данные для шарообразных частиц

№	Опытные данные			Расчетные данные
	Диаметр d, м	Время осаж- дения τ, с	Опытная скорость осаждения w00, м/с	Динамическая вязкость , Па*с, масс. % глицерина	Число Ar	Режим осаждения	Число Re		Расчет скорости осаждения w0		% Расхождения w00 c w0
1	2	3	4	5	6	7	8		9		10
Стальные шарики
1	1,5*10^-3	135	0,007	0,77 масс.% глицерина 99	0,31	ламинарный	0,017	0,016	0,007	0,006	0	14,3
2	5,0*10^-3	13	0,077	0,97 масс.% глицерина 99	8,96	ламинарный	0,49	0,45	0,08	0,07	0	12,5

Опытные и расчетные данные для нешарообразных частиц

Цилиндр

№	Опытные данные			Расчетные данные
	Диаметр d, м	Время осаж- дения τ, с	Опытная скорость осаждения w00, м/с	Объем частиц V, м^3	Эквивалентный диаметр d, м	Расчетная скорость	Коэффициент сферичности,	Reэ	Коэффициент сопротивления	Расчет скорости \		% Расхождения w00 c w0
1	4,0*10^-3	14	0,071	3,77*10^-8	0,0041	0,059	0,475	0,1672	197	0,059	0,045	17,37	36,37

Вывод: в ходе лабораторной работы были определены коэффициенты динамической вязкости через опытную скорость осаждения частиц при ламинарном режиме:

Па*с

= 0,97 Па*с.



Была определена скорость свободного осаждения шарообразных и нешарообразных частиц в жидкой среде:







Расчетно определена скорость свободного осаждения по исходным данным эксперимента:



м/с





3) м/c



Сопоставила экспериментальные и расчётные скорости свободного осаждения. Были определены режимы осаждения. Расхождения между опытными и расчетными значениями скоростей объясняется тем, что были допущены погрешности измерения размеров частиц.