Расчет процесса центробежного разделения

Центробежное поле позволяет резко интенсифицировать процесс осаждения. Отношение центробежного ускорения к ускорению силы тяжести определяется критерием Фруда (фактор разделения):

где - угловая частота вращения;

r_с - расчетный радиус;

g - ускорение силы тяжести.

Для центробежного осаждения используются центрифуги, в которых процесс разделения системы осуществляется во вращающихся барабанах. Схема барабана осадительной центрифуги представлена на рис. 6.

 

Загрузка барабана такого типа суспензией 1 и выгрузка осветленной жидкости (фугата) 2 могут осуществляться в процессе вращения барабана как периодически, так и непрерывно. Осадок 3 может быть удален после остановки барабана или путем срезания специальным ножевым устройством (не показанным на рисунке) без остановки.

Рассмотрим метод расчета периодически загружаемой и разгружаемой центрифуги.

Ввиду того, что режим осаждения в центрифуге может быть не ламинарным, расчет скорости целесообразно производить, используя критерий Архимеда, видоизмененный для центробежного осаждения:

Для практических расчетов удобно задаваться не угловой частотой вращения барабана, а его скоростью, измеряемой числом оборотов в минуту n. С использованием n рассчитывают соотношение, являющееся аналогом критерия Фруда и называемого фактором разделения:

При этом формула для расчета центробежного критерия Архимеда будет иметь вид:

В качестве расчетного радиуса, если барабан центрифуги загружен менее, чем наполовину, используют среднее арифметическое значение радиуса:

где R_б — радиус барабана;

R₁ — внутренний радиус загрузки.

Если известен коэффициент загрузки барабана, то средний логарифмический расчетный радиус можно определит, пользуясь формулой

Дальнейший расчет скорости _дц ведут по формулам раздела 2, используя в качестве определяющего критерия Аr_ц, находя Re или Ly.

Если коэффициент загрузки близок к единице, то в процессе осаждения возможен переход от одного режима к другому. В этом случае барабан разбивают на несколько зон и определяют среднюю скорость осаждения для каждой зоны.

По найденному значению скорости и известным значениям внутреннего и наружного радиусов можно рассчитать продолжительность осаждения:

Для расчета продолжительности осаждения по известному радиусу барабана и коэффициенту загрузки центрифуги К₃ следует воспользоваться формулой

Толщина слоя осадка после центрифугирования может быть определена по формуле

где К_зо= - коэффициент заполнения объема центрифуги осадком.

Объем осадка V_o и объем суспензии V_c определяются из материального расчета (раздел 1).

Продолжительность одного цикла работы центрифуги, включающего в себя продолжительность собственно осаждения, а также продолжительности операций загрузки, разгрузки, пуска и остановки находится как сумма:

где сумма продолжительностей вспомогательных операций загрузки , разгрузки , пуска , остановки .

Пример 5

Рассчитать осадительную центрифугу для разделения суспензии по данным примеров 1 и 2.

Диаметр барабана ротора, м D_б = 0, 8

Скорость вращения, об/ мин n = 1000

Коэффициент загрузки К₃ = 0, 5

1. Радиус барабана:

м.

2. Средний расчетный радиус загрузки:

м.

3. Фактор разделения:

4. Критерий Архимеда для центробежного осаждения:

Режим осаждения переходный, так как 36 < Re< 84000.

5. Критерий Рейнольдса:

6. Средняя скорость движения единичной частицы:

м/с.

7. Средняя скорость осаждения:

= 0, 133*0, 8831 = 0, 117 м/с.

8. Продолжительность осаждения:

9. Продолжительность одного цикла.

Время вспомогательных операций принимаем равным 1 минуте.

=1, 001+60=61, 001 с

10. Толщина слоя осадка в барабане (отношение объема осадка к объему суспензии в барабане принимается по примеру 1):

=7, 828*10^-3 м.

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

ВВЕДЕНИЕ

В технологических процессах мясной и молочной промышлен­ности широко применяется тепловая обработка сырья, которая проводится в теплообменных аппаратах. Теплообменными аппара­тами называются устройства, в которых происходит теплообмен между рабочими средами независимо от его технологического назна­чения.

Теплообменными аппаратами являются конденсаторы, подогре­ватели, пастеризаторы и другие аппараты технологического и энергетического назначения.

Теплообменники можно классифицировать по основному назна­чению, по способу передачи тепла, виду теплообмена, свойствам рабочих сред и тепловому режиму.

По основному назначению различают теплообменники и реак­торы. В теплообменниках нагрев является основным процессом, а в реакторах - вспомогательным.

По способу передачи тепла теплообменные аппараты разде­ляются на две группы: аппараты смешения и поверхностные аппараты. В аппаратах смешения процесс теплообмена осуществляется за счет непосредственного контакта и смешения жидких или газооб­разных теплоносителей. В поверхностных аппаратах передача тепла от одной рабочей среды к другой осуществляется через твердую стенку из теплопроводного материала.

Поверхностные теплообменники делятся на регенеративные и рекуперативные. В регенеративных аппаратах теплоносители по­переменно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева, которая, соприкасаясь вначале с " горячим" теплоносителем, на­гревается, а затем, соприкасаясь с " холодным" теплоносителем, отдает ему свое тепло. В рекуперативных аппаратах передача тепла между средами осуществляется через стенку.

В зависимости от вида рабочих сред различают теплооб­менники газовые (теплообмен между газовыми средами) и паро­газовые.

Наибольшее распространение в качестве теплоносителей по­лучили водяной пар, горячая вода и дымовые газы.

По тепловому режиму различают аппараты с установившимся и с нестационарным процессами.

В мясной и молочной промышленности наиболее широко приме­няются рекуперативные теплообменные аппараты ж аппараты смеше­ния различных типов и конструкций.

I. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

При выполнении геометрического расчета трубчатого тепло­обменника рассчитываются те же геометрические размеры, которые можно определить по исходным данным, а также по принятым в процессе расчета геометрическим величинам. Геометрические раз­меры, расчет которых связан с применением теплотехнических величин, определяется в тепловом расчете.

Основной расчетной формулой, связывающей заданную произво­дительность по жидкости, протекающей в трубах, с принимаемыми геометрическими размерами и скоростью, является формула pacxoда

где - секундный расход, м³/с;

- внутренний диаметр трубки, м;

- число труб в ходу;

- скорость движения жидкости в трубах, м/с

При заданной производительности по нагреваемой жидкости расчет производится в следующем порядке.

1.1. Определяется секундный объемный расход жидкости (если задан часовой расход по массе)

м³/с

где - часовой расход, кг/час;

- плотность воды, кг/м³.

1.2. Определяется требуемое число труб в ходу

Скорость движения жидкости по трубам принимается в пре­делах 0, 3-1, 5 м/с, при движении по трубам газа = 5-10 м/с. Диаметр нагревательной трубки принимается в зависимости от производительности (рекомендуется (20-30)*10^-3 м).

1.3. Определяется требуемое число труб в пучке теплообмен­ника с учетом числа ходов

Число ходов ( если не задано по заданию) чаще всего при­нимают равным 1, 2, 4 и реже 6 и 12. Многоходовые теплообменники применяют для нагревания жидкостей на большие перепады темпе­ратур. Обычно при нагреве воды на I ход можно принять 10-30 градусов температурного перепада. Чем больше ходов в теплооб­меннике, тем он более компактен, удобен в эксплуатации и мон­таже. Если теплообменник рассчитывается как конденсатор, а не как нагреватель жидкости, в нем предусматривается только I ход.

1.4. Определяется действительное число труб в теплообменнике с учетом их рационального размещения. Для этого вычерчивается расчетная схема поперечного сечения пучка. При этом принимается чаще всего схема размещения труб по правиль­ным шестиугольникам ( см. табл. нормалей).

1.5. Определяется диаметр пучка труб

где - число труб по диагонали шестиугольника

t - шаг между трубами, м; t = .(при закреплении труб в решетке путем развальцовки; = 1, 3-1, 5, при сварке =1, 25);

- наружный диаметр трубы, м; =

м;

t₀ - зазор между крайней трубой в диагонали пучка и кожухом, принимаемый конструктивно так, чтобы

t₀ ˃ (t - d_нар)

Полученный диаметр обычно увеличивают до ближайшего числа, рекомендуемого нормалями на обечайки аппаратов. Если при этом затвор окажется во много раз превосходящим размер t- , целесообразно несколько увеличить или сделать пересчет диаметра.

1.6. Определяется диаметр патрубка, подводящего жидкость

м,

где - скорость жидкости в патрубке, принимаемая несколько большей, чем в трубах, м (рекомендуемая =1-2, 5 м/с).

1.7. Уточняется скорость движения жидкости в трубах

= м/с

где - действительное число труб в ходу с учетом их рационального размещения.

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

В результате выполнения теплового расчета определяются расчетные характеристики процесса, а также те размеры аппарата, которые зависят от них. Основные расчетные зависимости, исполь­зуемые здесь - уравнение теплопередачи и формулы тепловой нагрузки.

2.1. Тепловая мощность теплообменника (тепловая нагрузка) по нагреваемой жидкости (рассчитывается, если задано G)

Вт

где С - теплоемкость жидкости при ее средней температуре, Дж/кг К;

-производительность, по нагреваемой жидкости, кг/с:

- температуры жидкости на входе и выходе, °С по конденсирующемуся пару ( рассчитывается, если задано D)

Q=D(i- ,

где D - производительность по пару, кг/с;

i - энтальпия пара, Дж/кг;

с_к- теплоемкость конденсата, Дж/ (кг*К),

t_к- температура конденсата, °С (принимается на нес­колько градусов ниже температуры конденсации пара)

2.2 Определяется средняя разность температур при конденсации пара при нагреве жидкости

где t _nаp - температура конденсации пара (температура насыщения), °C.

Если разности t_пар- t₁ и t_пар -t₂ отличаются по величине менее, чем в 2 раза, для расчета допускается вычислить среднюю арифметическую разность

2.3. Вычисляется коэффициент теплоотдачи от пара стенке:

а) для вертикальной трубы

Вт/(м²*К)

где - коэффициент физических констант;

-плотность, кг/м;

- коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К);

- динамическая вязкость, Па*с;

r - удельная теплота конденсации пара, Дж/кг;

разность температур конденсации и стенки трубы, °К;

Н - высота трубы, м.

б) для горизонтальной трубы

где - наружный диаметр трубы, м.

Коэффициент А обычно определяют по температуре пленки конденсата t_пл= t_пар- , принимая =10+ 30 К. Удельная теплота конденсации принимается по температуре пара по таблице.

Выбор обычно бывает затруднен и требует многократного пересчета, в связи с чем целесообразно заранее рассчитать для 4-6 значений к в пределах 10+30°К по формулам

или

При этом параметр А берется для средней температуры пленки, принимая температуру пленки на 5-15°С ниже температуры пара, и предварительно вычисляется числитель. Далее рассчитывается тепловая нагрузка по теплоотдаче от пара стенке для ряда принятых перепадов температур

или

2.4. Вычисляется коэффициент теплоотдачи от стенки трубы движущейся жидкости. Для интенсификации процесса в теплообмен­никах - нагревателях движение жидкости осуществляется в тур­булентном режиме ( Rе > 10⁴). При этом условии

Для расчета по этой формуле следует предварительно определить критерии Рейнольдса и Прандтля

где - кинематический коэффициент вязкости жидкости, м²/с;

w_д- действительная скорость движения жидкости по трубам, м/с;

- внутренний диаметр труб, м;

- плотность жидкости, кг/м³

- динамическая вязкость жидкости, Па*с:

Pr=

где С - теплоемкость жидкости, Дж/кг*К;

- коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/м*К.

Параметры жидкости С, берутся по средней температуре жидкости или . Критерий Прандтля не зависит от кинетических характеристик и может быть найден по таблице. Аналогично находится и критерий Прандтля для параметров жидкости при температуре стенки. Темпе­ратура стенки со стороны жидкости берется выше средней температуры жидкости на 10+40 К. Следует заметить, что эта температура не может быть выше температуры стенки, принятой со стороны пара при вычислении .

2.5. Определяется коэффициент теплопередачи через стенку формуле

Вт/(м²*К)

где - коэффициенты теплопроводности материала стенки и накипи, Вт/(м*К);

- толщины стенки трубы и накипи (загрязнения), м.

Данная формула выведена для случаев теплопередачи через плоскую стенку, однако она применяется и для цилиндрических стенок, у которых . В этом случае ошибка не превышает нескольких процентов.

При выполнении многовариантного расчета следует рассчи­тать термическое сопротивление стенки без учета теплоотдачи со стороны пара, полагал α ₂ постоянным

Далее рассчитывается ряд значений тепловой нагрузки по Формуле

Результаты вычислений q₁ и q_ст для принятых значений t_ст вно­сятся в обобщающую таблицу

tст
q1
qст

 

По результатам расчета строится график q по ко­торому находится действительное значение t_{ст. д.}при условии равенства .

Для определения коэффициента теплопередачи можно воспользоваться значением q= - взятым из таблицы или по гра­фику.

Для точного расчета коэффициента теплопередачи следует сначала определить величину α ₁ по формуле пункта 2.3, подставив в нее значение температуры стенки, найденное по гра­фику.

После этого рассчитывается величина коэффициента тепло­передачи по формуле пункта 2.5.

2.6. Рассчитывается поверхность теплопередачи

, м²

2.7. Рассчитывается длина пути, проходимого жидкостью по трубам (общая длина ходов)

L=

где d_т - расчетный диаметр теплопередачи, принимаемый

при равным

при равным

при равным

2.8. Определяется длина одного хода

Эта длина для вертикальных аппаратов должна соответствовать высоте поверхности Н.

2.9. Проверка предварительно принятых температур стенки со стороны пара (выполняется обязательно, если ведется одновариантный расчет с пересчетом),

со стороны жидкости

Если подбор t_ст.д производился не графическим способом и разность температур в формулах п. 2.9 более чем на 10% отли­чается от ранее принятой Δ t, то требуется пересчет со зна­чениями температур стенки, определенными по формулам п. 2.9.

2.10. Ориентировочный расход пара

D=

где К - коэффициент запаса, принимаемый 1, 15+1, 2;

i - энтальпия пара, находимая по его давлению, Дж/кг;

С - теплоемкость конденсата, Дж/кг*К.

⇐ Предыдущая123Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. I. Фаза накопления отклонений объекта от нормального протекания процесса.
2. II.4. Особенности процесса социализации в маргинальный переходный период.
3. VII.3. Социально-педагогическая превенция процесса криминализации неформальных подростковых групп.
4. XVII ВЕК В ИСТОРИИ ЗАПАДНОЙ ЕВРОПЫ И РОССИИ. ОСОБЕННОСТИ РОССИЙСКОГО ИСТОРИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ЕГО ФАКТОРЫ
5. А. В процессе плавления. Б. В процессе отвердевания. В. Одинакова в обоих процессах.
6. АВТОМАТИКА И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
7. Адаптация или разработка системы непрерывного контроля и улучшения процесса. Реинжиниринг процессов
8. Анализ процесса подачи баланса и силовые факторы при рубке древесины в рубительной машине.
9. АСР процесса газовой абсорбции.
10. АСУ технологическими процессами и производством
11. Безопасная среда для участников лечебно-диагностического процесса
12. Взаимоотношения следователя с участниками процесса