Fluidace Úod: Fluidace je mechanická operace (hydro- nebo aeromechanická), při které se udržují tuhé částice e znosu tekuté (kapalné nebo plynné) fázi. Uplatňuje se energetice při spaloání uhlí, katalytických reaktorech, sušení, třídění, pneumatické dopraě, klasifikační krystalizaci apod. Úkol: 1) poznat choání reálné fluidní rsty, 2) popsat její parametry: - objemoý průtok nosné fáze / m 3 s -1, - průřez kolony S / m 2, - mimorstoou rychlost proudění tekutiny = / m s -1, (R-1) S - rychlost proudění tekutiny e rstě, - hmotnost náplně tuhé fáze m / kg, - sypný objem náplně V V / m 3, - objem (samotné) tuhé fáze V s / m 3, - ýšku klidoé rsty (olně nasypané) tuhé fáze h 0 / m, - ekialentní ýšku tuhé fáze (kompaktní bez mezer) h s / m, - ýšku fluidní rsty h / m, - mezeroitost klidoé rsty ε 0 / 1, - mezeroitost expandoané a fluidní rsty ε / 1, - tlakoý odpor roštu fluidační kolony p r / Pa, - celkoý tlakoý odpor fluidní rsty p / Pa, - statický tlakoý odpor fluidní rsty p s / Pa, - dynamický odpor částic fluidní rsty p ξ / Pa, - práh fluidace (souřadnice p ), - práh úletu (souřadnice p ). 3) graficky znázornit choání fluidní rsty záislostmi jejího tlakoého odporu p a její mezeroitosti ε na mimorstoé rychlosti proudění nosné tekutiny, 4) poznat a popsat rozdíly choání monodisperzních fluidních rste s různým průměrem částic a různou ýškou h 0 klidoé rsty, 5) poznat a popsat rozdíly choání mono- a polydisperzní fluidní rsty, 6) popsat průodní charakteristické jey reálné fluidní rsty (tryskání, pístoání, lající záclony apod.), 7) na grafu záislosti tlakoého odporu fluidní rsty ymezit oblasti expanze klidoé rsty, expanze fluidní rsty a úletu (práh fluidace a úletu), 8) ypočítat hodnoty statického a dynamického odporu fluidní rsty, 9) poronat zrnění použité náplně s elikostí částic ypočtenou z mimorstoé rychlosti proudění nosné fáze na prahu úletu. Teoretický úod: Objemoý průtok zduchu měříme rotametry. Průřezy sekcí fluidační kolony ypočteme z jejích průměrů 50 mm, 100 mm a 150 mm. V úahu 1
přicházejí průměry 50 mm a 100 mm. Výpočet mimorstoé rychlosti proudění tekuté fáze je ueden e ýčtu popisoaných parametrů. Rychlost proudění zduchu f e fluidní rstě ypočteme z ýšky fluidní rsty h a doby zdržení τ tekutiny ní f = h / τ (R-2) Doba zdržení je dána objemem mezer objemu V a průtokem tekutiny tímto objemem ε V h τ = = V & odkud kde podle ro.(r- 6) je = ε S f = hs 1 S h f = ε = 1 h s h ε (R-3) Sypný objem náplně V V a objem (samotné) tuhé fáze V s ypočteme z její hmotnosti m a sypné hustoty ρ V, případně hustoty ρ s kompaktního materiálu bez mezer stanoených postupem uedeným úloze Mletí. Výšku klidoé rsty tuhé fáze h 0 odečteme na stupnici fluidační kolony a oěříme ýpočtem ( h 0 = V V / S ). Ekialentní ýšku tuhé fáze h s ypočteme podle ronice m hs = ρs S (R-4) Výšku h fluidní rsty odečteme na měřítku kolony. Mezeroitost ε 0 klidoé rsty ypočteme podobně jako úloze Mletí z hustot ρ V a ρ s m ρv VV Vs S hs hs ε 0 = 1 = 1 = 1 = 1 = 1 ρ m s VV S h0 h0 (R-5) Vs Podobně ypočteme i mezeroitost fluidní rsty o ýšce h h s ε = 1 (R-6) h Tlakoý odpor roštu p r fluidační kolony neměříme, je našem případě zanedbatelný. Celkoý tlakoý odpor p fluidní rsty ypočteme z rozdílu ýšek hladin ody h U-manometru, je-li nosnou tekutinou zduch se zanedbatelnou hustotou proti hustotě ρ manometrické kapaliny: p = h ρ g (R-7) Statický tlakoý odpor p s způsobený tíhou náplně fluidoaného materiálu ypočteme podle ronice 2
m g Vs ρs g ps = = ( = hs ρs g ) (R-8) S S Dynamický tlakoý odpor p ξ ypočteme z rozdílu celkoého tlakoého odporu fluidní rsty a statického tlakoého odporu náplně fluidoaného materiálu pξ = p p s (R-9) Prahy fluidace a úletu odečteme z grafu záislosti tlakoého odporu fluidní rsty na mimorstoé rychlosti proudění zduchu způsobem naznačeným na idealizoané záislosti celkoého tlakoého odporu p fluidní rsty na mimorstoé rychlosti proudění zduchu: p praconí oblast fluidace úlet expanze fluidní rsty práh fluidace práh úletu Průměr d fluidoaných ypočteme z rychlosti proudění zduchu f e fluidní rstě na prahu úletu, kdy se mezeroitost blíží hodnotě 1 (0,8 i íce) a kdy se rychlost proudění zduchu e fluidní rstě blíží hodnotě mimorstoé rychlosti (pro mezeroitost ε = 1). Pro přibližný ýpočet průměru fluidoaných částic můžeme počítat s mimorstoou rychlostí proudění zduchu. Postup je ueden úloze Usazoání: Podle hodnoty mimorstoé rychlosti ypočteme hodnotu Ljaščenkoa kriteria Ly, určíme oblast usazoání a použijeme příslušného zorce pro ýpočet průměru fluidoaných částic shodného s průměrem nerušeně se usazujících částic. Můžeme také poronat ypočtenou rychlost nerušeného usazoání podle zrnění použitých částic s mimorstoou rychlostí fluidace, opět za předpokladu, že při prahu úletu je hodnota mezeroitosti blízká jedné. Podle střední elikosti zrna ypočteme Archimedoo kriterium Ar, určíme podle usazoací tabulky oblast usazoání a podle příslušného zorce ypočteme usazoací rychlost, která by měla být prakticky shodná s mimorstou rychlostí proudění zduchu. 3
Sestaa aparatury: Hodnoty eličin potřebných pro yhodnocení fluidace se měří na laboratorní fluidační koloně s průměry sekcí 50, 100 a 150 mm. Sekce jsou opatřeny měřítky a tlakoými odběry k připojení U-manometrů případně měřičů tahu. Měří se hlaně na sekci o průměru 50 mm opatřené nátrubkem pro sypání fluidoaného materiálu. Zdrojem tlakoého zduchu je ýkonný kompresor. Postup při měření: Přípraa materiálu a stanoení jeho fyzikálních lastností Pro fluidaci připraíme sítoáním monodisperzní frakce iontoměniče hodného zrnění, např. 0,71/0,80 mm nebo použijeme netříděný iontoměnič a stanoíme jejich sypnou hustotu a hustotu kompaktního materiálu (bez mezer) metodami popsanými úloze Mletí. Obě eličiny jsou potřebné pro ýpočty mezeroitostí klidoých i fluidních rste. Ke stanoení hustoty kompaktního materiálu se doporučuje použít nejhrubší frakci, která se nejlépe usazuje. Iontoměnič (přibližně 50 g) naažujeme na laboratorních ahách (analytické jsou zbytečně přesné) z prachonice do kádinky o objemu 100 ml. Objemy a jejich změny měříme odměrnými álečky objemu 100 ml. Protože se suchý iontoměnič smáčí odou obtížně, použijeme ke stanoení jeho hustoty ethanolu. Po stanoení hustoty suspenzi zfiltrujeme, iontoměnič ysušíme na porcelánoé misce. na zduchu nebo při teplotě do 80 C sušárně a ethanol použijeme pro opakoaná stanoení hustoty (celkem třikrát). Při opakoaných měřeních hustoty nemusíme áleček kantitatině yprazdňoat, protože měříme jen přírůstek objemu ethanolu po nasypání odážené hmotnosti iontoměniče. Výpočet hmotnosti náplně Ze známé sypné hustoty iontoměniče a zadaných nebo zolených ýšek klidoé rsty (aspoň dou interalu 5cm až 15 cm) ypočteme hmotnost náplně a nasypeme ji do kolony. Případný neroný porch sronáme mírným proudem zduchu a poronáme ýšku klidoé rsty odečtenou na měřítku s ýškou ypočtenou. Tlakoé odběry k U-manometru yplníme smotky záclonoiny, které zabrání niknutí fluidoaného materiálu do příodních hadic a manometru, tlumí tlakoé rázy způsobené neronoměrným choáním fluidní rsty a usnadní odečítání tlakoé diference. Tlakoé odběry občas pročistíme profouknutím mírně stlačeným zduchem (nejlépe ústy). Zrnitost náplně Kolonu plníme jednak monodisperzními frakcemi připraenými sítoáním, jednak netříděným materiálem a poronááme jejich choání subjektiním popisem a objektiním yjádřením záislosti tlakoé diference, ýšky fluidní rsty, mezeroitosti a dalších parametrů uedených teoretickém úodu na mimorstoé rychlosti proudění zduchu formou zápisu do tabulky naměřených a ypočtených hodnot a formou grafů záislostí celkoého tlakoého odporu fluidní rsty a mezeroitosti a rychlosti proudění zduchu fluidní rstou na mimorstoé rychlosti proudění. Průtoky zduchu měříme rotametry a jejich konstantní hodnoty během měření regulujeme příslušnými entily. Průtoky do 9 m 3 zyšujeme po 1 m 3 /hod, průtoky od 10 do 50 m 3 /hod po 5 m 3 /hod. Po ukončení měření ysajeme náplň fluidační kolony ysaačem a iontoměnič ysypeme do příslušné prachonice. Hadice tlakoých odběrů 4
sejmeme z nátrubků kolony a manometrů, aby se nepřilepily a neztěžoaly případné čištění tlakoých cest. Vyhodnocení ýsledků měření: Změřené a ypočtené hodnoty zapisujeme do tabulky Tabulka naměřených a ypočtených hodnot fluidace monodisperzní frakce iontoměniče se zrněním / mm (netříděného iontoměniče) o hmotnosti g, hustotě ρ s = kg m -3, sypné hustotě ρ V = kg m -3, objemu samotné tuhé fáze V s = cm 3, její ýšce h s = mm a statickém tlakoém odporu p s = Pa koloně o průměru 50 mm při teplotě. C a tlaku kpa. č. měř. 3 1 m hod h mm h m mm 3 1 m s 1 m s f 1 m s p Pa p ξ ε Pa 1 1 0.. 0 0 0 0 0 0 2 1......... Diskuse ýsledků: Podle tabulky a hlaně přiložených grafů zhodnotíme rozdílné průběhy fluidace a ypočtených parametrů u frakcí různého zrnění, šimneme si záislosti hodnot rychlostí proudění zduchu e rstě a dynamického tlakoého odporu částic na mimorstoé rychlosti proudění zduchu. Poronáme též ypočtené hodnoty průměrů částic se střední elikostí zrn fluidoané frakce. Příloha: Grafy záislostí uedených odst.úkol. Kontrolní otázky: 1) Ueďte příklady praktického yužití fluidace. 2) Vysětlete pojmy nehybná a expandující klidoá rsta, fluidní rsta, mimorstoá rychlost a důod jejího použití při fluidaci, prahy fluidace a úletu a jejich praktický ýznam. 3) Napište ronici pro ýpočet mimorstoé rychlosti proudění zduchu fluidační kolonou z průtoku zduchu a průměru fluidační kolony. 4) Odoďte zorec pro ýpočet rychlosti proudění zduchu (tekutiny) fluidní rstou. 5) Jak stanoíme hustotu a sypnou hustotu fluidoaného materiálu. Vyjádřete sloně a napsáním příslušných ronic. 6) Napište ronici pro ýpočet naážky fluidoaného materiálu pro dosažení zadané klidoé ýšky. 7) Napište ronici pro ýpočet ekialentní ýšky tuhé fáze ( kompaktní, bez mezer ) fluidoaného materiálu. 8) Vysětlete pojem mezeroitosti klidoé a fluidní rsty a odoďte zorec pro jejich ýpočet z příslušných ýšek fluidoaného materiálu e fluidační koloně. Jak elké mohou být přibližné hodnoty mezeroitosti kuloých částic? 5
9) Odoďte zorce pro ýpočet celkoého, statického a dynamického tlakoého odporu fluidní rsty. Kterým zorcům se podobají a jak s nimi souisejí? 10) Nakreslete průběh fluidace příslušném souřadném systému, popište něm charakteristické oblasti a čáry, které je ymezují. 11) Jaké záěry yodíte z konstantních hodnot tlakoých odporů oblasti fluidace a jak je zdůodníte? 12) Vysětlete pojmy monodisperzního a polydisperzního materiálu. Jak se liší mezeroitostí případě částic kuloého taru? 13) Ueďte ýpočet průměru fluidoaných kuloých částic. Které eličiny a ronice použijete? 6