Основы технологического оборудования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

гомогенизация раствор перемешивание дробление

Перемешивание - это вспомогательный процесс, применяющийся в пищевой промышленности для приготовления эмульсий, суспензий, смесей, гомогенизации растворов, а также интенсификации тепло- и массообменных процессов, химических и биохимических реакций.

Цель перемешивания определяется назначением процесса. При приготовлении эмульсий для интенсивного дробления дисперсной фазы необходимо создавать в перемешиваемой среде значительные следующие усилия, зависящие от градиента скорости. В тех зонах аппарата, где градиент скорости жидкости имеет наибольшее значение, происходит наиболее интенсивное дробление дисперсируемой фазы.

Способы перемешивания.

Способы перемешивания и выбор аппаратуры для его проведения определяются целью перемешивания и агрегатным состоянием перемешивающих 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 2 основных способа перемешивания в жидких средах:

механический (с помощью мешалок различного типа);

пневматический (сжатым воздухом или инертным газом).

Кроме того, применяют перемешивание в трубопроводах и перемешивание с помощью насосов и сопел. Наиболее важными характеристиками перемешивающих устройств, которые могут быть положены в основу их сравнительной оценки, являются:

эффективность перемешивающего устройства;

интенсивность его действия.

Эффективность перемешивающего устройства характеризует качество проведения процесса перемешивания и может быть выражена по-разному в зависимости от цели перемешивания. Чтобы оценить эффективность перемешивания, достигаемый технологический эффект сопоставляют с расходом энергии на перемешивание. Эффективнее то перемешивающее устройство, которое при том же расходе энергии обеспечивает больших эффект или для достижения аналогичного эффекта требует меньше энергии. Ввиду многообразия технологических процессов разнообразны и получаемые технологические эффекты, что затрудняет сравнение эффективности различных перемешивающих устройств и способов перемешивания. Поэтому качество перемешивания обычно оценивают по таким показателям:

при суспензировании и гомогенизации - по степени однородности системы;

при интенсификации теплообмена - по величине коэффициента теплоотдачи;

при интенсификации массообмена - по значению коэффициента массоотдачи.

Поскольку оценить эффективность перемешивания бывает сложно, расчет процесса зачастую сводится к определению расхода энергии на перемешивание с целью подбора соответствующего источника. Интенсивность перемешивания определяется временем достижения заданного технологического результата или числом оборотов мешалки при фиксированной продолжительности процесса (для механических мешалок). Чем выше интенсивность перемешивания, тем меньше времени требуется для достижения заданного эффекта перемешивания. Интенсификация процессов перемешивания приводит к уменьшению размеров проектируемой аппаратуры и увеличению производительности действующей.

Перемешивание применяют в процессах абсорбции, выпаривания, экстрагирования и других процессах химической технологии. Для экономичного проведения процесса перемешивания желательно, чтобы требуемый эффект перемешивания достигался за наиболее короткое время. При оценке расхода энергии перемешивающим устройством следует учитывать общий расход энергии за время, необходимое для обеспечения заданного результата перемешивания. Наибольшее распространение в химической промышленности получило перемешивание с введением в перемешивающую среду механической энергии из внешнего источника. Механическое перемешивание осуществляется с помощью мешалок, которым сообщается вращательное движение либо непосредственно от электродвигателя, либо через редуктор или клиноременную передачу. Известны также мешалки с возвратно-поступательным движением, имеющие привод от механического или электромагнитного вибратора.

1. Состояние вопроса

Для приготовления моющего раствора (раствор CaCl₂ 0,7%) используется аппарат с механическим перемешивающим устройством. Основными элементами аппарата являются перемешивающее устройство и его корпус. Под перемешивающим устройством понимается конструкция, состоящая из привода, вала и мешалки, соединенных между собой в единый узел. Используется быстроходная мешалка - винтовая, литая с профилем крыловидной формы. Привод перемешивающего устройства в общем случае состоит из электродвигателя, редуктора и стойки привода. Выходной вал редуктора через муфту соединяется со сплошным валом аппарата, на конце которого закреплен6а мешалка. Под корпусом аппарата понимается сосуд вертикальный, цилиндрической формы, в котором осуществляется перемешивание.

Корпус аппарата, используемого для осуществления теплообменных процессов, имеет теплообменные устройства - наружные, в виде рубашки, и, встроенного в корпус, в виде змеевика, используемые для интенсификации теплоотвода в корпусе аппарата. В аппарат установлены также отражательные перегородки, представляющие собой плоские пластины, закрепленные вертикально на внутренней поверхности цилиндрической части корпуса аппарата. Установка отражательных перегородок изменяет структуру потока жидкости в аппарате, что приводит к увеличению интенсивности перемешивания и к ликвидации воронки.

По устройству лопастей различают мешалки: лопастные, пропеллерные, турбинные и специальные. Лопастными мешалками называются устройства, состоящие из двух или большего числа лопастей прямоугольного сечения, закрепленных на вращающемся вертикальном или наклонном валу. К лопастным мешалкам относятся также и некоторые мешалки специального назначения: якорные, рамные и листовые. Основные достоинства лопастных мешалок: простота устройства и невысокая стоимость изготовления. К недостаткам мешалок этого типа следует отнести низкое насосное действие мешалки (слабый осевой поток), не обеспечивающее достаточно полного перемешивания во всем объеме аппарата. Вследствие незначительности осевого потока лопастные мешалки перемешивают только те слои жидкости, которые находятся в непосредственной близости от лопастей мешалки. Эти мешалки непригодны для перемешивания в протоке, например в аппаратах непрерывного действия. Лопастные мешалки с наклонными лопастями используют при проведении медленных химических реакций, для которых стадия, определяющая скорость подвода реагентов в зону реакции не является лимитирующей. Основные размеры лопастных мешалок изменяются в зависимости от вязкости перемешиваемой среды может изменяться в пределах от 0,5 до 5,0 сек, причем с увеличением вязкости и ширины лопасти скорости вращения мешалки уменьшаются. При высоких скоростях вращения лопастных мешалок в аппарате устанавливают отражательные перегородки.

1.1 Пропеллерные мешалки

Рабочей частью пропеллерной мешалки является пропеллер - устройство с несколькими фасонными лопастями, изогнутыми по профилю гребного винта. Наибольшее распространение получили трехлопастные пропеллерные. На валу мешалки, который может вертикально, горизонтально или наклонно, в зависимости от высоты слоя жидкости устанавливают один или несколько пропеллеров.

Пропеллерные мешалки создают преимущественно осевые потоки перемешиваемой среды и как следствие этого, большой насосный эффект, что позволяет существенно сократить продолжительность перемешивания. Пропеллерные мешалки следует применять в цилиндрических аппаратах с выпуклым днищем. Для улучшения перемешивания больших объемов жидкостей и организации направленного течения жидкости в сосудах устанавливают направляющий аппарат или диффузор. Пропеллерные мешалки применяются для перемешивания жидкостей не более, чем 2*10³ мл*сек/м³.

1.2 Турбинные мешалки

Эти мешалки имеют форму колес водяных турбин с плоскими, наклонными или криволинейными лопатками, укрепленными, как правило, на вертикальном валу. В аппаратах с турбинными мешалками создаются преимущественно радиальные потоки жидкости. При их работе с большим числом оборотов наряду с радиальным потоком возможно возникновение тангенциального течения содержимого аппарата и образование воронки. В этом случае в аппарате устанавливают отражательные перегородки. Турбинные мешалки широко применяют для образования взвесей растворения, при проведении химической реакции, адсорбции газов и интенсификации теплообмена. Число оборотов мешалки колеблется в пределах от 2 до 5 в секунду, а окружная скорость составляет 3-8 м/сек.

1.3 Специальные мешалки

К этой группе относятся мешалки, имеющие более ограниченное применение, чем мешалки рассмотренных выше типов. В последнее время все более широкое распространение получили дисковые, барабанные и вибрационные мешалки.

2. Технические описания и расчеты

2.1 Описание принципа действия технологической схемы и проектируемого аппарата

Вода насосом H нагнетается из сети в теплообменник ТС в трубное пространство, где подогревается до температуры 25 ^оС. Далее в трубное пространство теплообменника ТВТ, где подогревается до температуры 35 ^оС, а затем по трубам в аппарат с мешалкой. Туда же подается кристаллический СаСl₂ из бункера Б с дозатором Д. В аппарате происходит перемешивание. Для подогрева в рубашку аппарата подается пар давлением р=0,1 атм. Раствор подогревается до температуры 55 ^оС и дальше используется для подогрева воды в теплообменнике ТС и затем отводится в емкость Е₂. Конденсат используется для подогрева воды в теплообменнике ТС.

Материальный расчет установки.

Зная производительность аппарата, определим объем раствора в аппарате:

Где G - производительность аппарата, кг/с;

- время растворения, мин (принимаем 15 мин);

_р - плотность раствора СаСl₂ в аппарате, кг/м³:

где х=0,7% - содержание (концентрация) СаСl₂ в растворе;

= 2200 кг/м³ - плотность сухого хлорида кальция;

_в = 980,75 кг/м³ - плотность воды при t_р-ра=55^оС.

Уравнение материального баланса процесса растворения в результате перемешивания:

где G_c - масса сухого СаСl₂;

G_в - масса воды;

G_р-ра - масса полученного раствора;

х_с=100% - содержание СаСl₂ в сухом продукте;

х_р=0,7% - содержание СаСl₂ в растворе.

Тогда

G_в=G_р-ра-G_c (из выше указанного уравнения).

G_в=0,49*984,6-3,4=479,1 кг.

Расчет мощности перемешивания.

где К_N - критерий мощности;

_с - плотность среды, кг/м³;

n - число оборотов, сек^-1;

d_м - диаметр мешалки, м.

Для определения коэффициента К_N найдем критерий Рейнольдса:

где _с - динамическая вязкость среды, находящаяся из уравнения:

d_м = D/3 = 1000/3 = 333,3 мм;

по ГОСТ 20680-75 из таблицы 1.1 примем d_м = 320 мм;

= 2м/сек, n = (12,5-750) = 620 мин^-1 = 10,5 сек^-1.

Плотность среды находим из формулы:

где _ф=1220 кг/м³;

_ж=992 кг/м³;

Динамическая вязкость среды находится из формулы:

Расчет мощности проведем по следующей формуле:

из таблицы 1.6 по [8]: _м=0,56,

k_м=0,185,

Примем аппарат: литая винтовая мешалка с профилем крыловидной формы с эллиптическим днищем, с гладкой приварной рубашкой и четырьмя отражательными перегородками, и отъемной крышкой.

Тепловой расчет установки.

Уравнение теплового баланса:

где G - массовый расход жидкости, кг/с;

с - средняя удельная теплоемкость жидкости, Дж/кг*К;

с = 4,19*10³ Дж/кг*К;

t₁, t₂ - начальная и конечная температура;

Определим коэффициент теплопередачи К:

где - коэффициент теплоотдачи от перемешиваемой среды;

_т - коэффициент теплоотдачи от параконденсирующего в гладкой цилиндрической рубашке;

S - толщина стенки;

_ст - коэффициент теплопроводности.

где а_н - коэффициент, определяемый зависимостью:

где , , , с - соответственно теплопроводность, динамическая вязкость, плотность и удельная теплоемкость.

0,7% р-р СаСl₂ = 45 ^оС

= 0,641 Вт/кг*К,

= 990 кг/м³,

= 0,603*10^-3 Па*с,

с = 4,18*10³ Дж/кг*с,

N - мощность перемешивания, Вт;

Д - диаметр аппарата, м.

Следовательно:

где t_т - температура конденсата, ^оС;

_т, _т, _т - соответственно плотность, динамическая вязкость, теплопроводность конденсата;

r_т - удельная теплота парообразования насыщенного пара, Дж/кг;

t_т = 70 ^оС,

r_т = 2333*10³ Дж/кг,

_т = 0,4061*10^-3 Па*с,

_т = 978 кг/м³,

_т = 7255,2 Вт/м²*К.

Следовательно:

t_ср = t_т - t,

где t_т - температура конденсата, ^оС;

t - температура среды, ^оС;

t = 0,5*(55+35) = 45 ^оС,

t_ср = 70 - 45 = 25 ^оС.

Из уравнения Q = K*F*t_ср находим

Конструктивный расчет аппарата.

Диаметр аппарата:

где V - объем аппарата, м³4

К - коэффициент, принимаемый конструктивно: К₂ = 0,071, К = 1,25;

Принимаем Д = 1000 мм.

Диаметр рубашки аппарата:

где Д - диаметр аппарата;

- толщина стенки;

S - 30-60 мм.

Принимаем Д = 1100 мм.

Размеры мешалки.

Диаметр мешалки:

Принимаем d_м = 0,320 м.

Диаметр кольцевого диска:

несущий на себе три лопасти равномерно-расположенных по его окружности

Длина каждой лопасти:

Мешалка расположена на высоте равной h_м = (0,51)*d_м = 320 мм от дна аппарата. В зависимости от мощности перемешивания принимаем привод вертикальный с одной опорой вала (тип II) по МН 5856-66.

Диаметр вала принимаем 40 мм.

2.2 Тепловые расчеты комплектующего оборудования

Тепловой расчет спирального теплообменника.

t₁ = 55 ^oС, t₂ = 40 ^oС, t₃ = 15 ^oС, t₄ = 25 ^oС

Физические параметры теплоносителей при средней температуре потоков (при температуре раствора СаСО₃ 47,5 ^oС, охлаждающей воды 20 ^oС).

	СаСО3	Н2О
Коэффициент теплопроводности , Вт/м*К	64,45*10-2	59,9*10-2
Плотность , кг/м3	995	998
Коэффициент кинематической вязкости , м2/с	0,582*10-6	1,01*10-6
Теплоемкость с, кДж/кг*К	4,18	4,19
Критерий Рr	3,54	7,02

Тепловая нагрузка аппарата:

Расход охлаждающей воды:

Средняя разность температур:

Эквивалентный диаметр спирального теплообменника определяем по формуле: d_э сторона не участвует в теплообмене. Приняв ширину канала равной 0,012 м, получаем значение эквивалентного диаметра d_э = 2*0,012 = = 0,024 м.

Задавшись скоростью движения раствора = 0,5 м/с, находим площадь сечения канала теплообменника:

откуда эффективная высота теплообменника (эффективная ширина ленты):

Принимаем ширину ленты в = 0,5 м ( из табл. 11.15 [2]), тогда площадь поперечного сечения канала f = 0,012*0,5 = 0,006 м². Действительная скорость движения раствора СаСО₃ по каналу теплообменника:

Определим значение критерия Re для раствора:

Приняв диаметр спирали теплообменника D_c = 1 м, по формуле (304) [9] находим критическое значение Re:

По формуле (322) [9] определяем коэффициент теплоотдачи от раствора СаСО₃ к стенке:

откуда

Определяем значение Re для воды:

По формуле (322) определяем коэффициент теплоотдачи от воды к стенке:

откуда

Задаваясь толщиной стенки спирального теплообменника _ст=0,002 и материальной стенки из стали Х18Н10Т с коэффициентом теплопроводности _ст=16 Вт/м*К, находим значение коэффициента теплоотдачи:

Находим поверхность теплообмена спирального теплообменника:

Длина листов спирали определяется из соотношения:

Число витков спирали, необходимое для получения эффективной длины, определяем по уравнению (294):



где t = + _cт = 0,012 + 0,002 = 0,014 м;

d = 2r + t = 2*0,15 + 0,0144 = 0,314 м.

Наружный диаметр спирали, находим по формуле (304) критическое значение Re:

Таким образом, для раствора СаСО₃: Re₁ = 3835,5 < Re_кр = 7569; для воды

Re₂ = 3327 < Re_кр = 7569.

Определим потерю напора теплоносителями при прохождении через каналы спирального теплообменника.

Для 0,7% раствора СаСО₃ потерю напора определяем по формуле (308):

2.3 Тепловой расчет теплообменника “труба в трубе”

Примем Re = 18300.

Критерий Pr рассчитаем по формуле:



где с = 4,18*10³ Дж/кг*К;

= 804*10⁶ Па*с;

= 61,8*10² Вт/м*К;

= 996 кг/м³;

r = 2425,6.

Тогда

Рассчитываем внутренний диаметр трубы:

d_вн.тр.=48*4,

d_{вн. вн.тр.}= 40 мм по таблице (11.11).

t_ст = t_ср.пр. + 10,

t_ср.пр. =115-84,9 = 30,1,

t_ст = 40,1.

При t_ст = 40,1: с_ст = 4,18*10³ Дж/кг*К;

_ст = 657*10^-6 Па*с;

_ст = 63,4*10² Вт/м*К.

Тогда,

Тогда можно получить Re расчетный:

Определим коэффициент теплоотдачи от стенки к продукту по формуле:

Определим коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенкам трубопровода:

 а = 0,728.

Тогда,

Находим значение коэффициента теплоотдачи:

Находим поверхность теплообмена теплообменника “труба в трубе”:

где Q - расход тепла на нагревание продукта,

где G = 0,5561 кг/с;

с = 4,18*10³ Дж/кг*К;

t₁ = 25 ^oC;

t₂ = 35 ^oC.

Расход греющего пара:



r = 2425,6 кДж/кг,

Значит

2.4 Гидравлический расчет продуктовой линии и подбор нагнетательного оборудования

Гидравлический расчет насоса.

Для всасывающего и нагнетательного трубопровода примем одинаковую скорость течения воды, равную 2 м/с. Тогда диаметр по формуле:

где - расход продукта (воды);

Q = 0,6*10^-3 м³/с;

Фактическая скорость:

Примем, что трубопровод стальной, коррозия незначительна. Стандартное значение диаметра трубопровода 20*2. Определение потерь на трение и местные сопротивления. Находим критерий Рейнольдса:



т.е. режим турбулентный.

Абсолютную шероховатость трубопровода принимаем =2*10^-4 м.

Тогда

Далее получим:

1000 < Re < 56000

Таким образом, в трубопроводе имеет место смешанное трение, и расчет следует проводить по формуле:

Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений отдельно для всасывающей и нагнетательной линий.

Для всасывающей линии.

Вход в трубу (с острыми краями) ₁ = 0,5.

Нормальные вентили для d = 0,02; ₂ = 8,0.

Колено под углом 90 ^о; ₃ = 2,08.

Сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии:

_м.с. = ₁+ ₂ +₃ = 0,5 + 8,0 + 2,08 = 10,58.

Потерянный напор во всасывающей линии находится по формуле:

Для нагнетательной линии.

Колено под углом 90 ^о; ₁ = 2,08.

Нормальные вентили ₂ = 8,0.

Выход из трубы ₃ = 1.

Сумма коэффициентов местных сопротивлений в нагнетательной линии:

_м.с. = 3₁+ 3₂ +₃ =3*2,08 + 3*8,0 + 1 = 30,08.

Потерянный напор в нагнетательной линии находится по формуле:

Общие потери напора:

h_п = h_п.вс. + h_п.нач. = 3,3 + 10,92 = 14,22.

Выбор насоса.

Находим напор насоса по формуле:



где т.к. давление в аппарате отсутствует;

H_г - геометрическая высота подъема жидкости;

h_п - суммарные потери напора.

Полезную мощность насоса определим по формуле:

где Q - подача (расход);

H - напор насоса.

Принимая _пер = 0,98, _п = 0,6, найдем мощность на валу электродвигателя:

По таблице устанавливаем, что заданным подаче и напору больше всего соответствует центробежный насос марки Х8/18, для которого в оптимальных условиях работы Q = 2,4*10^-3 м³/с, H = 14,8 м, _м = 0,4. Насос мощностью N_н = 3 кВт. Частота вращения вала равна 48,3 с^-1.

3. Требования техники безопасности

Для обеспечения безопасных условий труда при эксплуатации аппарата необходимо производить внутренний ремонт, осмотр, очистку. Так как стенки корпуса являются хорошим проводником тепла и электричества, необходимо включать рукоятку рубильника сухой рукой в резиновой перчатке. Под ногами должен располагаться резиновый коврик. Нежелательно прикасаться к железным частям аппарата, т. к. это очень опасно. Нагнетательный трубопровод необходимо снабдить предохранительным клапанам.

Насос устанавливают так, чтобы можно было быстро разобрать рабочую часть насоса для промывки и очистки рабочих органов и их поверхностей от перекачиваемой продукции, а также смазывание трущихся частей и деталей. Для безопасности труда необходимо выполнять следующие мероприятия: перед началом работы тщательно осматривать аппарат с наружной и внутренней стороны, проверять исправность всех вентилей, задвижек, кранов, также осматривать все трубопровода (фланцы).

Заключение

Значительный процент в выпуске основного технологического оборудования для новых технологических процессов занимают аппараты с мешалками. Аппараты этого типа являются в мировой практике основным доминирующим типом аппаратов для перемешивания жидких гетерогенных систем. Это объясняется универсальностью этих аппаратов, надежностью их конструкции, большим коэффициентом полезного действия мешалок по сравнению с другими видами перемешивающих механизмов.

Механические перемешивающие устройства позволяют обеспечить равномерное распределение энергии в объеме аппарата и наиболее эффективно осуществить преобразование электрической энергии в механическую.

Список используемых источников

1. Васильцов Э.А., Ушаков В.Г. “Аппараты для перемешивания жидких сред”: Справочное пособие: П: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1979 - 272 с.

2. Дытнерский Ю.М. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. - М: Химия, 1983.

3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М., “Химия”, 1974 - 750 с.

4. Лащинскиц А.А., Тончинский А.С. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник.

5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - П: Химия, 1987.

6. Стренк. Пособие по курсовому проектированию процессов и аппаратов пищевых производств. - М., 1975.

7. Федоров М.Е. Методы расчетов процессов и аппаратов.

8. Стабников В.Н. Проектирование процессов и аппаратов пищевых производств. - Киев. Выш. Школа. - 1982.

9. Барановский Н.В. Пластинчатые и спиральные теплообменники пищевой промышленности. - М., Машгиз, 1962 - 383 с.

Размещено на Allbest.ru