
Содержание
Введение 3
1 Описание и аналитические исследования процесса 4
2 Описание и анализ аппаратов проектируемого процесса 11
Барабанный вакуум-фильтр (рисунок - 2.8). Фильтр имеет вращающийся цилиндрический перфорированный барабан 1, покрытый металлической сеткой 2 и фильтровальной тканью 3. Часть поверхности барабана (30–40%) погружена в суспензию, находящуюся в корыте 6. С помощью радиальных перегородок барабан разделен на ряд изолированных друг от друга ячеек (камер) 9. 18
3 Инженерные расчёты 21
Заключение 26
Список использованной литературы и информационных источников: 27
Введение
Целью данного курсового проекта является более углубленное изучение гидромеханических процессов, а именно процесса фильтрования.
Важной задачей курсового проекта является определение места и экономической роли процесса фильтрования в технологическом прогрессе соответствующих производств, в виде сравнения действующих аппаратов и наиболее совершенных по показателям технологическим, экономическим, энергетическим и т.п.
Процессы в пищевой технологии в большинстве своем сложны и зачастую представляют собой сочетание гидродинамических, тепловых, массообменных, биохимических и механических процессов. Одним из важных процессов является фильтрование. Фильтрование может быть шламовым, оно реализуется для маловязких жидкостей, содержащих большое количество взвешенных частиц; закупорочным – при малом размере частиц и их небольшом количестве; и комбинированным.
Тема моего курсового проекта достаточно актуальна в наше время, поскольку процессы фильтрования очень широко используются в пищевой промышленности. Значение процессов фильтрования возрастает с увеличением масштабов производства. Знания физических основ процесса, факторов, задающих режимы работы и качества производимого продукта, позволяет учёным наиболее полно использовать рациональные типы современного оборудования фильтрации.
1 Описание и аналитические исследования процесса
К гидромеханическим процессам относятся осаждение взвешенных в жидкой или газообразной среде частиц под действием гравитационной силы (осаждение), центробежной силы (центробежное осаждение) или сил электрического поля; фильтрование жидкостей или газов через пористую перегородку под действием разности давлений (фильтрование и центробежное фильтрование); перемешивание в жидкой среде; псевдоожижение и другие [1].
Фильтрование – это разделение неоднородной системы с твердой дисперсной фазой, основанное на задержании твердых частиц пористыми перегородками.
Фильтрование осуществляется под действием разности давлений перед фильтрующей перегородки и после нее. Интенсивность фильтрования зависит от количества суспензий, полученных на предыдущих стадиях технологического процесса: дисперсной системы с понижением сопротивления осадка, без смолистых, слизистых и коллоидных веществ.
При разделении неоднородных систем фильтрования возникает необходимость выбора конструкции фильтра, фильтровальной перегородки, режима фильтрования.
В качестве фильтрующих материалов применяют зернистые материалы – песок, гравий для фильтрования воды, различные ткани, картон, сетки, пористые полимерные материалы, керамику и т.д.
Классификация процесса фильтрования
1) По движущей силе: движущей силой процесса фильтрования является разность давлений по обе стороны фильтровальной бумаги. Получить разность можно двумя способами:
– создание избыточного давления над фильтром (рисунок 1, а)
– создание вакуума (рисунок 1, б) [3].
По механизму фильтрования:
– с образованием осадка на поверхности фильтровальной перегородки. При этом твердые частицы не проникают внутрь перегородки.(рисунок 2, а)
– с закупориванием пор фильтровальной перегородки, твердые частицы проникают внутрь перегородки (рисунок 2,б).
- промежуточный вид фильтрования имеет место в случае одновременного закупоривания пор фильтровальной перегородки и отложения осадка на поверхности фильтровальной перегородки [2].
3) По целенаправленности процесса:
– получение чистого осадка;
– получение фильтрата;
– получение одновременно осадка и фильтрата;
4) По целевому назначению:
– очистное фильтрование, его применяют для очистки растворов от включений, а целевым продуктом является фильтрат.
– продуктовое фильтрование, его целью является получение осадка (НУТЧ-фильтры, барабанные вакуум фильтры).
а б
Рисунок 1 – Схема фильтрования: а – под избыточным давлением;
б – под вакуумом
Рисунок – 2 Схемы фильтрования:
а - с образованием осадка; б – с закупориванием пор
Процесс разделения суспензий на фильтрах состоит из нескольких операций: промывка осадка на фильтре, при этом с помощью фильтра, фильтрат выделяется из пор осадка; продувка осадка воздухом с целью вытеснения из пор оставшейся промывной жидкости; сушка осадка нагретым воздухом [3].
Фильтрование обычно протекает в ламинарном режиме. Скорость фильтрования – это объем фильтрата полученный с 1м2 фильтрующей поверхности за 1с:
ω=
,
[м3/м2×с].
(1)
Скорость процесса прямо пропорциональна разности давлений и обратно пропорциональна сопротивлению осадка. Процесс описывается следующим кинетическим уравнением:
,
(2)
где V – объем фильтрата, м3;
F – площадь поверхности фильтрования, м2;
t-продолжительность фильтрования, с;
–
перепад давлений,
Н/м2;
–
вязкость жидкой
фазы, Н×с/м2;
Rос – сопротивление осадка, м-1;
-
сопротивление фильтровальной перегородки,
м-1.
Общее уравнение фильтрования (2) необходимо интегрировать по-разному в зависимости от следующих условий проведения процесса:
· фильтрование при постоянной движущей силе;
· фильтрование при постоянной скорости;
· фильтрование при постоянных движущей силе и скорости;
· фильтрование при переменных движущей силе и скорости.
Поскольку в практике большинство фильтров работает в режиме постоянной движущей силы, а промывку можно рассматривать как фильтрование при постоянных движущей силе и скорости:
Д
ля
случая фильтрования при Δр
= const
из уравнения (2) после его интегрирования
в пределах 0 V
и
0
τ получим
(3)
Полученное уравнение применимо как к сжимаемым, так и к несжимаемым осадкам и показывает, что с увеличением объема фильтрата скорость фильтрования уменьшается.
Для случая фильтрования при v = const из уравнения (2) получим
(4)
Если предположить, что в фильтровальную перегородку не проникают твердые частицы, то сопротивление можно принять постоянным, а сопротивление осадка изменяется с увеличением слоя осадка.
Примем, что при прохождении 1 м3 фильтрата, образуется х0 м3 осадка, тогда:
х0V=h0F,
h0=
х0V/F,
(5)
где h0-высота осадка, м.
Допустим, что сопротивление слоя осадка пропорционально его высоте:
Roc
r0h0=r0x0V/F,
(6)
где r0 – удельное сопротивление осадка, м2.
Подставив, полученное выражение в уравнение (2):
(7)
Пренебрегая, сопротивлением фильтровальной перегородки получим:
(8)
Для начального момента фильтрования (V=0):
(9)
Для
случая фильтрования при
имеем:
(10)
Полученное уравнение применимо как к сжимаемым, так и к несжимаемым осадкам и показывает, что увеличением объема фильтрата скорость фильтрования уменьшается.
Из этого уравнения можно найти продолжительность фильтрования:
(
)2
+
(11)
Таким образом, продолжительность фильтрования прямо пропорциональна квадрату объема полученного фильтрата. [3]
Материальный баланс для процесса фильтрования составляют для определения производительности фильтровальной установки по осадку, фильтрату или исходной суспензии. Соответствующие уравнения имеют вид:
для всей гетерогенной системы
Gс = Gф + Gос , (12)
где Gс - производительность фильтра по суспензии
Gф – производительность фильтра по фильтрату
Gос - производительность фильтра по осадку
для твердой фазы
Gс · Хос = Gос · Хос , (13)
где Хс, Хос - соответственно массовая концентрация суспензии и осадка
или
Gс · Хс = Gос(1 - W), (14)
где W = (1 - Хос) – влажность осадка.
Массовая концентрация в осадке равна
Xос = W – 1 (15)
Переход от весовых величин к объемным осуществляем с помощью плотностей соответствующих потоков (фаз). При этом плотность суспензии определяется в зависимости от способа выражения концентрации твердой фазы по уравнениям:
Плотность осадка:
ρос
=
,
(16)
Плотность суспензии:
=
,
(17)
ρс
=
, (18)
Удельная производительность фильтрата в (м3/м2):
2
-
(19)
Фильтрование под действием центробежной силы проводят в фильтрующих центрифугах. Фильтрующая центрифуга в отличие от отстойной имеет перфорированный барабан, обтянутый внутри фильтровальной тканью. Суспензия под действием центробежной силы отбрасывается на фильтровальную ткань. Дисперсионная жидкая фаза фильтруется через ткань, фильтрат выводится из центрифуги, а взвешенные частицы задерживаются на фильтровальной ткани, образуя осадок.
Процесс фильтрования можно разделить на три периода: образование осадка, его уплотнение и отжим.
При центробежном фильтровании на массу элементарного кольца суспензии действует центробежная сила
(20)
где
- масса элементарного кольца, кг;
-
угловая скорость (
=
),
с -1;
r – расстояние кольца от оси вращения, м.
Отношение центробежной силы к силе тяжести, как было Указано выше, является фактором разделения, характеризующим эффективность разделения суспензии в центрифуге. Фактор разделения возрастает пропорционально квадрату угловой скорости вращения барабана центрифуги и уменьшению его диаметра.
Производительность фильтрующих центрифуг рассчитывают исходя из теории фильтрования. Движущая сила процесса, действующая на элементарный объем суспензии dV = 2πrLdr (рисунок 3) :
( 21)
Рисунок 4 -К расчёту производительности Рисунок 5 - К определению констант
фильтрующих центрифуг фильтрования
Движущую силу найдем, проинтегрировав полученное выражение в пределах от R0 до R: Δри = рсω2 (R2 –R02 )/2.
Скорость центробежного фильтрования
=0,5
,
(22)
где Rф.п. – сопротивление фильтрующей перегородки;
r0 – удельное сопротивление слоя осадка;
х0 – толщина слоя осадка, которая для непрерывно действующих центрифуг не изменяется во времени;
R, R0 – соответственно внешний и внутренний радиусы барабана центрифуги.
На практике отношение объема осадка х0 к объему фильтрата V, удельное объемное сопротивление осадка r0 и сопротивление фильтровальной перегородки Rф.п определяют экспериментальным путём.
У равнение (4) при F 1 м2 может быть представлено в виде
, (23)
где С - константа фильтрования, характеризующая гидравлическое сопротивление фильтрующей перегородки м3\м2;
К – константа фильтрования, учитывающая режим фильтрования и физико - химические свойства осадка и жидкости, м2\с
Уравнение (23) представляет собой уравнение прямой линии, наклоненной к горизонтальной оси под углом α, тангенс которого tgα = 2/K, и отсекающей на оси ординат отрезок т = 2С/К (рисунок 5). Для построения этой линии откладывают по оси абсцисс измеренные значения V1,V2,...,Vп а по оси ординат — соответствующие значения τ1/V1, τ2 V2,…,τп/ Vn.