"Už tě nebaví hrát si s kádinkami? Tak si přijď hrát ve velkém!

Transkript

1 "Už tě nebaví hrát si s kádinkami? Tak si přijď hrát ve velkém! Abstrakty k úlohám z laboratoří chemického inženýrství Míchání Míchání je hydrodynamický proces, při kterém je různými způsoby vyvoláván vzájemný pohyb částic míchané vsádky. Míchání slouží k homogenizaci vzájemně rozpustných kapalin, suspendaci zrnitého materiálu, dispergaci, intenzifikaci sdílení hybnosti, tepla a hmoty, příp. k dalším účelům. Působením míchadel na vsádku, kdy míchadlo převádí část své hybnosti kapalině, vzniká cirkulace kapaliny v nádobě. Převod hybnosti nastává tlakem lopatek míchadla na kapalinu před sebou, takže část kapaliny před lopatkou proniká do okolní kapaliny a část se jí dostává do pohybu ve směru otáčení míchadla. Těsně za lopatkou vniká podtlak, který způsobuje přisávání kapaliny z okolí míchadla. Vytlačováním a přisáváním kapaliny vzniká okolo lopatek turbulentní víření. Jednou ze základních charakteristik pro návrh míchacího zařízení je příkon míchadla. Zpracováním Navierovy-Stokesovy rovnice metodami teorie podobnosti lze odvodit, že příkon míchadla PM je dán obecným vztahem mezi bezrozměrnými kritérii a geometrickými simplexy pro míchání. Cílem práce je posoudit nezávislost Příkonového kritéria na kritériu Reynoldsově v turbulentní oblasti proudění vsádky. Mletí Mletí je jednotková operace, při které dochází k rozmělňování pevných částic na menší. Účelem mletí je zvětšit měrný povrch materiálu, získat produkt s určitou distribucí velikostí částic, dosáhnout potřebného tvaru částic nebo zlepšit homogenitu směsi. Mletí je podle velikosti získaných částic rozdělováno na hrubé mletí (0,5 5 mm) jemné mletí (50 μm 500 μm) velmi jemné mletí (5 μm 50 μm) ultra jemné mletí (do 5 μm) Mletí je jedním z nejdůležitějších průmyslových procesů. Odhaduje se, že spotřeba elektrické energie během tohoto procesu tvoří až 0 % celkové elektrické energie spotřebované v průmyslu. Proto je důležitá správná volba vhodného mlecího zařízení. Vzhledem k tomu, že dosavadní znalosti o povaze procesu jsou převážně empirické povahy, lze pro daný případ zvolit vhodný drtič nebo mlýn jedině na základě mlecích pokusů. Závěry z těchto pokusů mohou osvětlit vliv různých faktorů na průběh a výsledky mletí, a tím i na jeho hospodárnost. Mlecí pokusy v naší laboratoři se provádějí na kulovém mlýnu, ve kterém dochází k jemnému mletí.

2 Elektrodialýza Elektrodialýza (ED) je moderní elektro-membránový separační proces, který nalézá významné uplatnění při odsolování brakické nebo mořské vody (tedy přípravě pitné vody), kde v poslední době s úspěchem nahrazuje tradiční procesy, jako je reverzní osmóza. Rostoucího významu dosahuje i v oblastech čištění odpadních vod a úpravy procesních roztoků ve farmaceutickém a potravinářském průmyslu. Přední výhodou je, že jejím použitím na rozdíl od tradičních postupů nedochází ke ztrátě léčivých či nutričních hodnot ve výsledném produktu, způsobené například přídavkem koagulačních nebo regeneračních činidel. Typickým příkladem takového použití ED je pak například odsolování mléčné syrovátky, úprava sladkosti ovocných šťáv či kyselosti vín. V rámci laboratorní práce bude studentům představena poloprovozní ED jednotka, díky čemuž pochopí funkční princip a konstrukci ED procesu v praxi. Sami si pak vyzkouší provoz ED ve vsádkovém a průtočném režimu, a současně i vliv některých provozních parametrů na výkon ED. Usazování Usazování slouží k oddělování částic od tekutiny pomocí gravitace. Hustota částic se proto musí lišit od hustoty tekutého prostředí. Tento rozdíl hustot podmiňuje významnou měrou (vedle dalších faktorů) rychlost pohybu částice. Usazovací rychlost částice je základní veličinou pro výpočet usazovacích zařízení (např. gravitačních usazováků v čistírnách odpadních vod či ve vodních elektrárnách). Usazování též může sloužit k oddělení jednotlivých velikostí částic či částic různého složení. Při výpočtech usazováků se často zabýváme pouze usazováním samostatné částice a vzájemné ovlivňování dalšími částicemi zanedbáváme. Usazovací rychlost se obvykle velmi rychle ustálí, tj. síly působící na částici jsou brzy v rovnováze. V této úloze si naměříme nejen usazovací rychlosti částic různých tvarů, ale i hustotu a viskozitu, které jsou potřebné pro inženýrský výpočet usazovací rychlosti. Na závěr si získané hodnoty porovnáme a zhodnotíme jejich přesnost.

3 Rektifikace Destilace a rektifikace jsou metody dělení kapalných látek založené na různé těkavosti složek ve vroucí kapalné směsi. Destilace je jednostupňový proces, kde po zahřátí směsi na teplotu varu přechází do plynné fáze směs bohatší na těkavější složku a zbylá kapalná fáze je bohatší o méně těkavou složku. Destilace se vyznačuje malou dělící účinností a k účinnější separaci složek je třeba destilaci několikrát opakovat. Efektivnější variantou destilace je vícestupňová destilace se zpětným tokem fází, která se nazývá rektifikace. Rektifikaci si lze představit jako sériové zapojení více jednotlivých destilačních stupňů nad sebou. Rektifikace se provádí v kolonových zařízeních, jejichž hlavními součástmi jsou vařák, rektifikační věž a kondenzátor. Vroucí kapalina, která vzniká kondenzací par v kondenzátoru a stéká rektifikační věží, se postupně ochuzuje o těkavější složky, které přecházejí do páry. Pára vznikající ve vařáku prochází věží vzhůru a roste v ní koncentrace těkavějších složek. V této práci si zkusíte navrhnut výplňovou průmyslovou kolonu o vnitřním průměru 0,35m, která má sloužit ke koncentraci 35%-ního roztoku vodného roztoku metanolu (800 kg/h). Kolona má produkovat 198 kg/h 91%-ního roztoku metanolu. Výška výplně kolony bude určena na základě experimentu na atmosférické rektifikační koloně s vnitřním průměrem DN=150mm naplněné výplní Mellapak 50Y a pracující v režimu totálního zpětného toku. Sdílení tepla Sdílením tepla rozumíme převod energie z místa s vyšší teplotou na místo s nižší teplotou vlivem rozdílu teplot. Zařízení určená k technické realizaci sdílení tepla převážně mezi dvěma tekutinami o různé teplotě se nazývají výměníky tepla. Do nedávné doby byla naprostá většina rekuperátorů v technické praxi konstruována jako výměníky svazkové, ve kterých je teplosměnná plocha vytvořena z paralelně uspořádaných trubek uzavřených v plášti. Pokrok v technologii umožnil, že se v nejrůznějších chemických a potravinářských provozech uplatňují stále více deskové výměníky, ve kterých jsou tekutiny od sebe odděleny různě profilovanými, ale v podstatě rovinnými deskami. Veličina charakterizující schopnost předávat teplo je z teplejší do chladnější tekutiny přes stěnu výměníku je koeficient prostupu tepla. Cílem práce bude stanovení experimentální hodnoty tohoto koeficientu ve výměníku z naměřených hodnot.

4 Sdílení tepla Směna: Skupina: Datum: Zadání: Uspořádání proudů: souproud - protiproud 1.zadání Teplota vstupující čerpané kapaliny: t Ai =.zadání 0 C t Ai = Objemový průtok : chladicí voda VB litr min -1 VB litr min -1 čerpaná kapalina VA litr min -1 VA litr min -1 0 C Výsledky výpočtů: 1. zadání Entalpická bilance a) Chladicí voda QB b) Čerpaná kapalina Q A c) Topná pára QP. zadání Entalpická bilance a) Chladicí voda QB b) Čerpaná kapalina Q A c) Topná pára QP Koeficient prostupu tepla z naměřených hodnot t l s = K k exp = Wm - K -1 Koeficient prostupu tepla z empirických rovnic Koeficienty přestupu tepla chladicí voda čerpaná kapalina Re B = Re A = Pr B = Pr A = Nu B = Nu A = B = Wm - K -1 A = Wm - K -1 Koeficient prostupu tepla pro čistý výměník k = Wm - K -1 Tepelný odpor nečistot R = W -1 m K Podíl R na celkovém tepelném odporu je % Koeficient prostupu tepla z naměřených hodnot t l s = K k exp = Wm - K -1 Koeficient prostupu tepla z empirických rovnic Koeficienty přestupu tepla chladicí voda čerpaná kapalina Re B = Re A = Pr B = Pr A = Nu B = Nu A = B = Wm - K -1 A = Wm - K -1 Koeficient prostupu tepla pro čistý výměník k = Wm - K -1 Tepelný odpor nečistot R = W -1 m K Podíl R na celkovém tepelném odporu je %

5 Pozn. : Pro každé z obou zadání minimálně 8 měření při ustáleném chodu zařízení. chladicí voda čerpaná kapalina pára kondenzát čas V t t B 1 C Bi Be V t t A C 1 C Ai Ae t p t C l min l min C C k V P _ l min zadání Prům ěr. zadání Prům ěr

6 Usazovací rychlost částic, Směna : Skupina : Datum : REFERENČNÍ MĚŘENÍ HUSTOTY A VISKOZITY KAPALINY Hustota / kg m -3 0 C 30 C E = kg m -3 K -1 Měření viskosity K 1 = m 4 s - ; k = kg m -3 Teplota při měření viskosity t 1 = C t = C Doba pádu kuličky Viskozita j / s / s C= ; D = VLASTNOSTI ČÁSTIC A KAPALINY PŘI MĚŘENÍ Kulové částice - sada č Nekulové částice - sada č Zadáno : d p = mm p = kg m -3 Zadáno : p = kg m -3 V pn = m 3 A pn = m l p,max = mm Vypočteno : d ek = V = mm Střední teplota t / o C Střední teplota t / o C Hustota / kg m -3 Hustota / kg m -3 Viskozita / Pa s Viskozita / Pa s VÝSLEDKY VÝPOČTŮ VÝSLEDKY VÝPOČTŮ (7-7) Ar (7-7), d p = d ek Ar Ar 1/3 Ar 1/3 obr. 7-1, V = 1 Ly 1/3 obr. 7-1, V Ly 1/3 (7-8) u / m s -1 (7-8) u / m s -1 tab. 7-1 tab. 7-1 B b (7-9) Ly (7-8) u / m s -1 změřeno: u / m s -1 změřeno : u / m s -1 t n-1;0,05 s u / n (m s -1 ) t n-1;0,05 s u / n (m s -1 )

7 Vzdálenost rysek : L =,4 m Kulové částice s a d a č Nekulové částice s a d a č.... Poznámky měř. t p = o C t k = o C t p = o C t k = o C i i / s ui / m s -1 i / s ui / m s ui / m s -1 ui / m s -1 n n u / m s -1 u / m s -1 u s / - m s u s / - m s t n-1;0,05 t n-1;0,05

8 USAZOVACÍ RYCHLOST ČÁSTIC Höpplerův viskozimetr - rovnice (7-14) : hustota kuličky k = 3 kg m -3 konstanta kuličky K = 1, m s - - platí pro měření doby průchodu kuličky mezi dvěma nejvzdálenějšími ryskami A - C na trubici (viz obr. 7-3) Fyzikální vlastnosti částic : Kulové částice Sada číslo Označení barvou Průměr d p / mm Hustota p / kg m -3 K1 červené 3, K modré 3, K3 modré 5, Nekulové částice Sada Označení Hustota Objem Povrch Parametr číslo barvou p / kg m -3 V pn / 10-9 m 3 A pn / 10-6 m l p,max / mm skleněné B1 červené 530 1,7 14,3 7,90 B modré ,9 113,3 7,30 B3 žluté , 57,8 5,9 kovové V1 válec ,01 V ,01 H1 hranol ,0 H ,0 Poznámka : Pomůcky pro práci vydává odborný instruktor pan Štrach před zahájením práce. Jemu se po skončení experimentů opět předají. Po ukončení měření usazovacích rychlostí nevypouštějte roztok glycerolu z měřicí trubice.

9 Mletí Směna: Skupina: Datum: Zadání: Hmotnost mletého materiálu 0,4 kg Maximální rozměr zrn... 3 mm Frekvence otáčení mlýna...60 min -1 Předepsaná sada sít (průměr ok v mm): Počet období pokusu ,5-0,5-0,15-0,063 Délka trvání jednoho období..5 min Navážka (vzorek) na prosévání : 100 g Doba prosévání : 0 min Měření spotřebované energie Období pokusu j Běžný čas / s Příkon P / W Střední hodnota příkonu P j / W Spotřebovaná energie E j / 10 3 J Poznámka 1 Výsledky výpočtu: Diferenciální charakteristika: 1 = = Integrální charakteristika: 1 = = Podpisy studentů: Podpis instruktora: Podpis asistenta:

10 Prosévací analýza Období Frakce Hmotno / 10-3 kg Hmot. Di+ 1 celková nádobky frakce zlomek j i 10-3 m m i x i 6 3 i x l l=0 D i m x i / D i m ,5 0,5 1 0,15 0 0, ' = a ,5 0,5 1 0,15 0 0,063 ' = a ,5 0,5 1 0,15 0 0,063 *) Pro mezní rozměry částic se předpokládá : D 0 = 0 a D 7 = ' = a