Практическая работа № 11. Расчёт отстойников
Аппараты, в которых суспензии и эмульсии разделяются в поле земного тяготения вследствие разной плотности дисперсной и дисперсионной фаз, называют отстойниками.
При
расчете отстойников определяют площадь
поверхности осаждения, скорость осаждения
и геометрические характеристики
аппаратов. Исходные данные: производительность
по исходной суспензии, характеристики
суспензии (состав, концентрация и
дисперсность дисперсионной фазы,
плотности жидкой и твердой фаз, вязкость
и др.). Разделение суспензий в отстойниках
происходит, если плотность дисперсионной
среды
ж
и дисперсной фазы
ч
различны. Если
,
то процесс называют осаждением, и частицы
опускаются на дно или полки отстойника;
если
—
отстаиванием, при котором частицы
всплывают к поверхности.
При расчете отстойников учитывают, что должны быть выделены частицы самого малого размера.
Производительность отстойника (кг/с) по осветлённой фазе
где Gc – массовый расход исходной суспензии, кг/с; хн – массовая доля твёрдой фазы в исходной суспензии, кг/кг; хос – массовая доля твёрдой фазы в осадке, кг/кг.
Общая площадь (м2) поверхности осаждения
,
где
— плотность осветленной суспензии.
кг/м3;
Vc
— объемная подача
суспензии, м
/с:
vCT
— скорость стесненного осаждения, м/с.
Скорость (м/с) свободного осаждения частиц, которые не создают взаимных помех,
,
где
— коэффициент динамической вязкости
осветленной суспензии, Па с; Re
— критерий Рейнольдса;
—
диаметр частицы, м.
Критерий
Рейнольдса определяют через критерий
Архимеда в зависимости от режима
осаждения. При ламинарном режиме (Re
< 2) Re
= 0,06Ar,
при переходном (2
< Re
< 500) Re=0,152Аг0'715,
при турбулентном
.
Критерий Архимеда
,
где
g
— ускорение
свободного падения, м/с2;
— кинематическая вязкость, м2/с
Предельные значения критерия Архимеда: для ламинарного режима Аг < 36, переходного 36 < Аг < 83 000. турбулентного Аг > 83 000.
Вычислив критерий Аг, определяют, в каком режиме происходит осаждение, затем по соответствующей формуле вычисляют критерий Re и по формуле — скорость свободного осаждения voc. Если форма частиц отлична от круглой, то в формуле вводят эквивалентный диаметр частицы
,
где — коэффициент формы; для округлых частиц = 0,77, угловатых = 0,66, продолговатых = 0,58, пластинчатых = 0,43.
Скорость стесненного осаждения определяют по эмпирическим формулам в зависимости от ε — объемной доли жидкой фазы в суспензии.
При
,
при
.
Объемная доля жидкой фазы
,
где с — плотность исходной суспензии, кг/м3.
Для определения площади поверхности осаждения в отстойниках непрерывного действия используют видоизмененную формулу
.
После определения площади осаждения определяют объем и размеры аппарата в зависимости от его конструкции: периодический, одно- или многоярусный, непрерывный и т. д.
Практическая работа № 12. Расчёт охладителей жира.
При расчете охладителей определяют количество отводимой теплоты, производительность аппаратов, тепловые балансы и поверхности теплообмена, расход охлаждающей жидкости.
Количество отводимой теплоты (Дж/кг) при охлаждении жира до полного застывания (кристаллизации)
,
где сн,
ск
— удельная теплоемкость расплавленного
и застывшего жира, Дж/(кг К);
— температуры жира начальная, застывания
и конечная, °С; rж
— скрытая теплота
кристаллизации жира, Дж/кг.
Для расчетов можно принимать сн = = 2300 Дж/(кг К), св = 1460 Дж/(кг • К), rж = (1,21...1,46)108 Дж/кг.
Температуры начала застывания жиров: говяжьего 34...38 оС, бараньего 34...35, свиного 22...33°С.
Производительность (кг/с) периодически действующих охладителей
,
где G — масса единовременной загрузки, кг; — продолжительность цикла, с; V — геометрический объем аппарата, м3; — коэффициент заполнения; ср = 0,8...0,85; — плотность продукта, кг/м3; охл — продолжительность охлаждения, с; п.з — продолжительность подготовительно-заключительных операций, с.
Расчет цилиндровых охладителей. Производительность (кг/с) цилиндровых охладителей непрерывного действия равна
,
где
- площадь поперечного сечения продукта,
;
voc
— осевая скорость движения продукта,
м/с; Dц,
Dв
— диаметры внутренний
цилиндра и внешний вытеснителя, м;
— коэффициент полезного использования
сечения с учетом объема лопастей;
=
0,7...0,8.
Осевая скорость (м/с) создается питательным насосом и может быть определена при заданных начальных значениях производительности и при предполагаемых значениях Dц и Dв:
.
Площадь поверхности теплообмена при охлаждении жира F (м2) при заданной производительности М (кг/с) определяют по формуле
,
где q — удельное количество теплоты, отводимой от жира при охлаждении, Дж/кг; k — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К); — среднеарифметическая или среднелогарифмическая разность начальной и конечной температур продукта, К.
Зная
площадь поверхности теплопередачи и
периметр цилиндра
определяем
суммарную длину (м) цилиндра
.
По суммарной длине определяют рациональные длины и число отдельных цилиндров в аппарате.
Расчет пластинчатых аппаратов. При технологическом расчете пластинчатых аппаратов определяют площади поверхностей теплообмена, расходы теплоты, пара и хладоносителя, гидравлическое сопротивление аппарата и размеры выдерживателя. Исходными данными для расчета служат производительность аппарата, начальные и конечные температуры продукта и рабочих жидкостей и их физические свойства.
Тепловой баланс охладителя
,
где Q
— тепловая нагрузка
аппарата (расход холода), Дж/с; М
— производительность
аппарата, кг/с; с —
средняя удельная теплоемкость продукта
в данном интервале температур, Дж/(кг •
К); t1,
t2
— начальная и конечная
температуры продукта,
С;
Gр
— расход рабочей
жидкости (воды), кг/с; ср
— средняя удельная
теплоемкость рабочей жидкости, Дж/(кг
К);
—
начальная и конечная температуры рабочей
жидкости, °С.
Температура (°С) холодной воды при выходе из аппарата
,
где
— кратность рабочей среды.
Кратность рабочей среды — отношение расхода рабочей среды к расходу продукта:
.
Разность
температур на входе
и
выходе
из
аппарата:
;
.
Определяют предварительно максимально допустимую скорость потоков в аппарате с учетом его гидравлического сопротивления и условий теплообмена по формуле
,
где k
— предполагаемый
коэффициент теплопередачи, Вт/(м2
К);
—
гидравлическое сопротивление продукта,
Па;
— коэффициент
гидравлического сопротивления по длине
канала; сп
— теплоемкость продукта, Дж/(кг • К);
п
— плотность продукта, кг/м3.
В случае охлаждения жира можно ориентировочно принять k = 1000 Вт/ (м2 К). Коэффициент гидравлического сопротивления
для ленточно-поточных пластин
,
для сеточно-поточных пластин
Зная скорость движения продукта, находят число каналов в пакете (м2 К)
.
Если получается дробное число, то его округляют до целого и уточняют значение скорости v.
Коэффициент
теплопередачи k
,
где
— толщина стенки, м;
— теплопроводность
материала стенки, Вт/(м К).
Площадь поверхности теплообмена (м2)
.
Число пластин в секции
где f — площадь поверхности теплопередачи одной пластины, м2.
Значение гидравлического сопротивления аппарата
,
где
- приведенная высота пластины, м;