Методические указания к практическим работам по процессам и аппаратам

Министерство промышленности и торговли Тверской области

Государственное бюджетное профессиональное

образовательное учреждение

«Тверской химико-технологический колледж»

 

Цикловая комиссия дисциплин профессионального цикла

 

 

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ

по дисциплине

ОП.15. Процессы и аппараты химических производств

 

для специальности 20.02.01

Рациональное использование природохозяйственных комплексов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тверь 2024

Рассмотрено цикловой комиссией дисциплин профессионального цикла Протокол № 10 от «29» мая  2024 г. Председатель ЦК __________ Н.В. Королёва

Принято Методическим советом Протокол № ___ от «___» __________ 2024 г.   Зам. руководителя по УР __________

 

Разработчик: Харитонова А.В., преподаватель.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Пояснительная записка	4
Перечень практических работ	8
Практическое занятие № 1 Определение по справочным данным свойств жидкостей в зависимости от условий. Расчёт режимов движения жидкости	8
Практическое занятие № 2 Выбор насосов и компрессоров по каталогам и ГОСТам	18
Практическое занятие № 3. Расчет размеров отстойника, подбор отстойника по ГОСТу. Расчет, подбор и выбор фильтра, циклона или центрифуги по каталогу.	20
Практическое занятие № 4. Расчёт частоты вращения мешалки и затрат на перемешивание	22
Практическое занятие № 5. Расчет расхода теплоносителя и потерь тепла в окружающую среду	25
Практическое занятие № 6. Тепловой расчет теплообменного аппарата	27
Практическое занятие № 7. Расчет выпарной установки	30
Практическое занятие № 8. Определение габаритных размеров массообменных аппаратов	32
Практическое занятие № 9. Определение расхода вещества	40
Практическое занятие №10 Расчет состава отгоняемых паров и основных размеров ректификационных аппаратов	43
Практическое занятие № 11: Выбор и обоснование конструкции сушилки	56
Практическое занятие № 12 Расчет оборудования для дробления и измельчения. Подбор оборудования для твердых материалов по ГОСТу.	75
Список информационных источников	79

 

 

 

 

 

 

 

 

Пояснительная записка

Методические указания к практическим работам по учебной дисциплине ПиА Процессы и аппараты химических производств предназначены для студентов специальности 20.02.01 Рациональное использование природохозяйственных комплексов

Цель методических указаний: оказание помощи студентам в выполнении практических работ по учебной дисциплине ПиА Процессы и аппараты химических производств.

Настоящие методические указания содержат практические работы, которые позволят студентам закрепить теорию по наиболее сложным разделам курса и направлены на формирование следующих компетенций:

ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

ОК 2. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 3. Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность.

ОК 4. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 5. Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности.

ОК 6. Работать в коллективе и команде, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.

ОК 7. Брать на себя ответственность за работу членов команды (подчиненных), результат выполнения заданий.

ОК 8. Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации.

ОК 9. Ориентироваться в условиях частой смены технологий в профессиональной деятельности.

ПК 2.1. Осуществлять мониторинг и контроль входных и выходных потоков для технологических процессов в организациях.

ПК 2.2. Контролировать и обеспечивать эффективность использования малоотходных технологий в организациях.

ПК 5.1. Проверять состояние и подготавливать к работе, обслуживать очистные сооружения, установки, оборудование.

ПК 5.2. Устранять мелкие неисправности обслуживаемого оборудования и контрольно-измерительных приборов.

В ходе освоения учебной дисциплины обучающийся должен:

уметь:

- читать, выбирать, изображать и описывать технологические схемы;

- выполнять материальные и энергетические расчеты процессов и аппаратов;

- выполнять расчеты характеристик и параметров конкретного вида оборудования;

- обосновывать выбор конструкции оборудования для конкретного производства;

- обосновывать целесообразность выбранных технологических схем;

- осуществлять подбор стандартного оборудования по каталогам и ГОСТам

В результате освоения учебной дисциплины обучающийся должен     

знать:

- классификацию и физико-химические основы процессов химической технологии;

- характеристики основных процессов химической технологии: гидромеханических, механических, тепловых, массообменных;

- методику расчета материального и теплового балансов процессов и аппаратов;

- методы расчета и принципы выбора основного и вспомогательного технологического оборудования;

- типичные технологические системы химических производств и их аппаратурное оформление;

- основные типы, устройство и принцип действия основных машин и аппаратов химических производств;

- принципы выбора аппаратов с различными конструктивными особенностями.

Практические занятия по дисциплине должны проводиться в кабинете процессов и аппаратов.

Оборудование кабинета процессов и аппаратов:

- многофункциональный комплекс преподавателя;

- наглядные пособия;

- информационно-коммуникативные средства;

- экранно-звуковые пособия;

- комплект технической документации, в том числе паспорта на средства обучения, инструкции по их использованию и технике безопасности;

- библиотечный фонд;

- доступ к электронным учебным материалам по учебной дисциплине, имеющимся в свободном доступе в Интернете (электронным книгам, практикумам, тестам и др.).

 

Личностные результаты реализации программы воспитания:

ЛР 4. Проявляющий и демонстрирующий уважение к людям труда, осознающий ценность собственного труда. Стремящийся к формированию в сетевой среде личностно и профессионального конструктивного «цифрового следа».

ЛР 10. Заботящийся о защите окружающей среды, собственной и чужой безопасности, в том числе цифровой.

ЛР 13. Соблюдающий в своей профессиональной деятельности этические принципы: честности, независимости, профессионального скептицизма, противодействия коррупции и экстремизму, обладающий системным мышлением и умением принимать решение в условиях риска и неопределенности.

ЛР 14. Готовый соответствовать ожиданиям работодателей: проектно-мыслящий, эффективно взаимодействующий с членами команды и сотрудничающий с другими людьми, осознанно выполняющий профессиональные требования, ответственный, пунктуальный, дисциплинированный, трудолюбивый, критически мыслящий, нацеленный на достижение поставленных целей; демонстрирующий профессиональную жизнестойкость.

ЛР 15. Открытый к текущим и перспективным изменениям в мире труда и профессий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Перечень практических работ

Тема 1.1 Общие вопросы прикладной гидромеханики

Практическое занятие № 1 Определение по справочным данным свойств жидкостей в зависимости от условий. Расчёт режимов движения жидкости

Обеспечение: тетрадь для практических работ, методические указания.

Время выполнения: 90 мин.

Задание: выполнить ПЗ, используя МУ.

Цель работы: На практике усвоить общие теоретические сведения о физико-механических свойствах жидкостей. Приобрести практические навыки гидравлических расчетов. 

Студент должен:

Знать: теоретический материал по теме «Общие вопросы прикладной гидромеханики».

Уметь: выполнять расчёт режимов движения жидкости.

 

Теоретическая часть

 

Жидкости обладают различными физико-механическими свойствами, среди которых плотность и объемный вес, сжимаемость и температурное расширение, вязкость, способность закипать и растворять в своем объеме различные газы, капиллярность и др.

Плотностью жидкости  (ρ)  называется масса вещества (m) , содержащаяся в единице объема (V):

ρ                                                                (1)

Объемным (удельным) весом (γ)  называется вес (G) единицы объема (G)

жидкости:

 γ                                                                (2)

Удельный вес (γ)   и плотность (ρ) связаны между собой уравнением:

                                                           (3)

где g – ускорение свободного падения

Средние значения плотности и удельного веса некоторых жидкостей

приведены в приложении [1].

Сжимаемость – свойство жидкости изменять свой объем

(плотность) при изменении давления.

Сжимаемость жидкости характеризуется коэффициентом объемного сжатия.

β p = -                                                              (4)

где V₀ – объем жидкости при начальном давлении;

p, V – приращение давления и соответствующее ему изменение объема.

Знак «–» в формуле (4) указывает на то, что при увеличении давления объем жидкости уменьшается.

Также используется понятие, обратное коэффициенту объемного сжатия, – объемный модуль упругости жидкости:

Е_ж =1/âp                                           (5)

Средние значение /âp бъемного модуля упругости E_ж некоторых жидкостей приведены в приложении. [2].

Сжимаемость жидкостей незначительна, т. е. они хорошо сопротивляются сжатию, проявляя упругие свойства в соответствии с законом Гука:

                                                                (6)

В практических расчетах сжимаемостью жидкостей, как правило, пренебрегают в силу ее незначительности.

Температурное расширение – свойство жидкости изменять свой объем (плотность) при изменении температуры.

Температурное расширение жидкостей характеризуется коэффи- циентом температурного расширения:

β _{t  =}                                                                             (7)

Коэффициент температурного расширения зависит от давления и диапазона изменения температуры. Значения коэффициента для некоторых жидкостей приведены в приложении [3].

Жидкости при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Исключение составляет вода, у которой наблюдается так называемая аномалия плотности. При охлаждении вода, как и все жидкости, вначале сжимается, т. е. плотность увеличивается и при температуре 4 °С достигает максимального значения в приложении [5]. Но при дальнейшем охлаждении воды до 0 °С плотность уменьшается и, соответственно, происходит расширение воды. Это явление часто приводит к авариям в гидравлических системах в случае неправильной их эксплуатации при низких температурах. В результате расширения воды при ее замерзании могут деформироваться и разрушаться трубопроводы, а также другое оборудование, заполненное водой.

Вязкость – свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление относительному сдвигу частиц. В результате при движении жидкости возникают касательные напряжения, которые в соответствии с законом вязкости Ньютона определяются следующей зависимостью:

τ = ±   m (¶u/¶n)                                             (8)

где – m динамический коэффициент вязкости;

 (¶u/¶n)- градиент скорости, характеризующий изменение местной скорости u по нормали n к направлению потока.                                            

В гидравлических расчетах часто используется кинематический коэффициент вязкости ν, связанный с динамическим коэффициентом вязкости следующим соотношением:

V=m / p                                              (9)

 

Значения кинематического коэффициента вязкости ν, зависящего от типа жидкости и ее температуры, приведены в приложении [4].

Закон вязкости Ньютона (8) справедлив для так называемых ньютоновских жидкостей, к которым относится большинство одно- родных и маловязких жидкостей: вода, молоко, бензин, моторные масла и т. д. Однако на практике часто встречаются неньютоновские жидкости – пасты, краски, клеи, цементные растворы, кормовые смеси и др. Для них характерна более сложная зависимость касательных напряжений τ от различных факторов, с учетом которых эти жидкости подразделяют на вязкопластичные, псевдопластичные и дилатантные. Вязкость таких жидкостей может меняться в результате действия не только температуры, но и внешней силы и скорости деформации, времени нахождения в спокойном состоянии и других факторов.

Например, движение вязкопластичных жидкостей начинается только после того, как внешней силой будет преодолено начальное напряжение сдвига τ₀:

 

τ =  τ0 ±  μ (¶u/¶n)                                                     (10)

 

Кипение – свойство жидкости образовывать пар по всему ее объему. Жидкость закипает, когда давление в ней равно давлению насыщенных паров p_н. при данной температуре в приложении [5], [6]

 

Практическое задание

1.                  Определить дополнительное количество воды, которое необходимо подать насосом в абсолютно жесткий замкнутый трубопровод внутренним диаметром d_в и длиной l, полностью заполненный водой при избыточном давлении p₁, чтобы давление в нем поднялось до заданного значения p₂.

2.                  Определить, на какую высоту h поднимется поршень на поверхности жидкости в абсолютно жестком цилиндрическом сосуде диаметром d_c, заполненном на высоту H, если нагреть жидкость от температуры T₁ до T₂. Весом поршня пренебречь.

Таблица 1 - Индивидуальные данные

 

 

Таблица 2 - Индивидуальные данные

 

 

 

 

Контрольные вопросы

1.                  Что понимается под терминами «реальные и идеальные жидкости»?

2.                  Каковы основные физические  свойства жидкостей?

3.                  От каких факторов зависит плотность жидкости?

4.                  Когда проявляется свойство вязкости жидкости? Как оно учитывается в гидравлических расчетах?

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

 

Температура, °С	pн. п, кПа	ρ, кг/м3	Температура, °С	pн. п, кПа	ρ, кг/м3
0	0,611	999,8	35	5,622	994,0
1	0,657	999,9	36	5,940	993,7
2	0,706	999,9	37	6,274	993,3
3	0,758	999,9	38	6,624	993,1
4	0,813	1000,0	39	6,991	992,7
5	0,872	1000,0	40	7,375	992,3
6	0,935	1000,0	41	7,777	991,9
7	1,001	999,9	42	8,198	991,5
8	1,072	999,9	43	8,639	991,1
9	1,147	999,8	44	9,100	990,7
10	1,227	999,7	45	9,582	990,2
11	1,312	999,7	46	10,086	989,8
12	1,401	999,6	47	10,612	989,4
13	1,497	999,4	48	11,162	988,9
14	1,587	999,3	49	11,736	988,4
15	1,704	999,2	50	12,335	988,0
16	1,817	999,0	51	12,961	987,6
17	1,936	998,8	52	13,613	987,1
18	2,062	998,7	53	14,293	986,6
19	2,196	998,5	54	15,002	986,2
20	2,227	998,3	55	15,741	985,7
21	2,485	998,1	56	16,511	985,2
22	2,542	997,8	57	17,313	984,6
23	2,808	997,6	58	18,147	984,2
24	2,982	997,4	59	19,016	983,7
25	3,166	997,1	60	19,920	983,2
26	3,360	996,8	61	20,860	982,6
27	3,564	996,6	62	21,840	982,1
28	3,778	996,3	63	22,860	981,6
29	4,004	996,0	64	23,910	981,1
30	4,241	995,7	65	25,010	980,5
31	4,491	995,4	66	26,150	979,9
32	4,753	995,1	67	27,330	979,3
33	5,029	994,7	68	28,560	978,8
34	5,318	994,4	69	29,840	978,2

 

Окончание приложения 5

Температура, °С	pн. п, кПа	ρ, кг/м3	Температура, °С	pн. п, кПа	ρ, кг/м3
70	31,16	977,7	110	143,27	950,7
71	32,53	977,0	111	148,15	949,9
72	33,96	976,5	112	153,16	949,1
73	35,43	975,9	113	158,32	948,4
74	36,96	975,3	114	163,62	947,6
75	38,55	974,8	115	169,06	946,8
76	40,19	974,1	116	174,65	946,0
77	41,89	973,5	117	180,39	945,3
78	43,65	972,9	118	186,28	944,5
79	45,47	972,3	119	192,33	943,7
80	47,36	971,6	120	198,54	942,9
81	49,31	971,0	121	204,92	942,1
82	51,33	970,4	122	211,45	941,2
83	53,42	969,7	123	218,16	940,4
84	55,57	969,1	124	225,04	939,6
85	57,80	968,4	125	232,10	938,8
86	60,11	967,8	126	239,33	937,9
87	62,49	967,1	127	246,75	937,1
88	64,95	966,5	128	254,35	936,2
89	67,49	965,8	129	262,15	935,4
90	70,11	965,2	130	270,13	934,6
91	72,81	964,4	131	278,31	933,7
92	75,61	963,8	132	286,70	932,8
93	78,49	963,0	133	295,28	932,0
94	81,46	962,4	134	304,10	931,1
95	84,53	961,6	135	313,10	930,2
96	87,69	961,0	136	322,30	929,4
97	90,94	960,3	137	331,70	928,5
98	94,30	959,6	138	341,40	927,6
99	97,76	958,9	139	351,30	926,8
100	101,33	958,1	140	361,40	925,8
101	105,00	957,4	141	371,70	925,0
102	108,78	956,7	142	382,30	924,1
103	112,67	955,9	143	393,10	923,2
104	116,68	955,2	144	404,20	922,3
105	120,80	954,5	145	415,50	921,4
106	125,04	953,7	146	427,10	920,5
107	129,41	952,9	147	438,90	919,5
108	133,90	951,5	148	451,00	918,6
109	138,52	951,2	149	463,40	917,7

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема 1.2 Перемещение жидкостей и газов

Практическое занятие № 2: Выбор насосов и компрессоров по каталогам и ГОСТам

Обеспечение: тетрадь для практических работ, методические указания.

Время выполнения: 90 мин.

Задание: выполнить ПЗ, используя МУ.

Цель работы: На практике освоить подбор   оборудования по параметрам. Приобрести практические навыки работы с каталогами и ГоСТами.

Студент должен:

Знать: теоретический материал по теме «Перемещение жидкостей и газов».

Уметь: выполнять подбор оборудования по имеющимся стандартам по каталогам или ГОСТам

 

Порядок выполнения работы

 

Таблица1. Указать технические характеристики компрессионной установки (по вариантам)

Наименование	Производительность, м³/мин	Давление номинальное изб., МПа	Мощность привода, кВт	Габаритные размеры, мм	Масса, кг

 

Таблица 2. Указать технические параметры насосной станций (по вариантам)

Параметр	Ед. изм.	Типоразмер (выбрать один)
		ЦНП-С-12	ЦНП-С-18	ЦНП-С-27	ЦНП-С-35
Условный диаметр (Ду; DN)
Расход (Q)
Максимальный напор на выходе насоса (H)
Потребляемая мощность станции (N)
Габаритный размер блок-контейнера, не более

 

Параметр	Ед. изм.		Насосная станция ЦНП
		Общего назначения	Оборотного водоснабжения	Пожаротушения	Перекачки нефтепродуктов	С предвключенным эжектором
Подача
Номинальное давление системы
Мощность установленная
Перекачиваемая среда
Давление на входе в станцию
Степень огнестойкости контейнера
Исполнение контейнера
Материал уплотнителя
Сейсмостойкость
Степень взрывозащиты
Охранно-пожарная система
Автоматизация
Тип заземления

Продолжение Таблицы 2

 

Контрольные вопросы

1.                  Какие основные параметры характеризуют работу насоса?

2.                  Назовите насосы по принципу действия  и конструкции?

 

 

.

 

 

Тема 1.3 Разделение жидких и газовых гетерогенных систем

 

Практическое занятие № 3: Расчет размеров отстойника, подбор отстойника по ГОСТу. Расчет, подбор и выбор фильтра, циклона или центрифуги по каталогу.

Обеспечение: тетрадь для практических работ, методические указания.

Время выполнения: 90 мин.

Задание: выполнить ПЗ, используя МУ.

Цель работы: Рассчитать вертикальный отстойник для очистки сточных вод

Студент должен:

Знать: теоретический материал по теме «Разделение жидких и газовых гетерогенных систем».

Уметь: выполнять расчёты размеров отстойника

 

Расчет вертикального отстойника

 

Для того чтобы выбрать тип и параметры вертикального отс­тойника, рассчитывают гидравлическую крупность, мм/с:

U₀ = 1000 ^. H_set ^.K_set/(t_set^. (H_set ^.K_set/n₁)ⁿ²),

где Н_set - глубина проточной части отстойника, H_set = 2,7...3,8 м;

K_set - коэффициент использования объема, K_set = 0,35;

t_set - продолжительность отстаивания, с. Принимается в зависимости от концентрации взвешенных веществ С_en и эффекта освет­ления Э по таблице 8 согласно [1];

n₂ - показатель степени, зависящий от агломерации взвеси в процессе осаждения:

n₂ = [(4660 – 46 ^. Э)/ (Э - 25,1)] / [(С + (2775 - 52,5 ^. Э))/(Э - 47,6)];

n₁ =0,5 м.

Расчет диаметра отстойника, м:

где n – число первичных отстойников.

Подбираем вертикальный отстойник в зависимости от полученного диаметра по типовому проекту (таблица 9).

Таблица 8 - Определение продолжительности отстаивания

 

Эффект осветления, %	Продолжительность отстаивания tset в слое n1 = 500 мм при концентрации взвешенных веществ, мг/л
	200	300	400
20	600	540	480
30	960	900	840
40	1440	1200	1080
50	2160	1800	1500
60	7200	3600	2700
70	-	-	7200

 

Таблица 9 - Типовые проекты вертикальных отстойников

 

Объем зоны, м3		Расчетная пропускная способность при времени отстаивания 1,5 ч, м3/сут	Размеры отстойника, м			Номер типового проекта
отстаивания	осаждения		диаметр	глубина
				цилиндра или горизонтальной части	конуса
51,5	8	1000	4,5	3,9	52,45	902-2-355
116	28	2100	6,0	3,9	2,80	902-2-20
51,6	8	1000	4,5	4,1	52,45	902-2-354
129	32	2100	6,0	3,6	3,35	902-2-358
268	108	5000	9,0	4,2	5,15	902-2-300

 

 

Тема 1.4 Перемешивание в жидких средах

 

Практическое занятие № 4:  Расчет частоты вращения мешалки и затрат на перемешивание

Обеспечение: тетрадь для практических работ, методические указания.

Время выполнения: 90 мин.

Задание: выполнить ПЗ, используя МУ.

Цель работы: Ознакомится с порядком расчета, и определить расход мощности на перемешивание по исходным данным из таблицы 1 для заданного варианта.

Студент должен:

Знать: теоретический материал по теме «Перемешивание в жидких средах».

Уметь:  производить расчёт эффективности ламинарного перемешивания мешалками разных типов.

 

Теоретическая часть

 

Перемешивание применяется для интенсификации процессов тепло- и массопередачи. Основными способами перемещения являются: механическое, пневматическое и циркуляционное. Для механического перемешивания применяют мешалки различных типов. Выбор типа мешалки зависит от необходимой интенсивности перемешивания и свойств перемешиваемой среды.

Одной из основных характеристик перемешивания является расход энергии или мощность электродвигателя, необходимого для вращения мешалки.

Мощность, потребляемая на перемешивание, рассчитывается по уравнению:

N = K_N × ρ × n³ × d⁵_м, Вт,

где  ρ - плотность перемешиваемой среды, кг/м³

        n - частота вращения мешалки, с ^-1

        d - диаметр лопастей мешалки, м

        K_N - коэффициент ( критерий ) мощности.

Коэффициент мощности зависит от типа мешалки и режима перемешивания и может быть найден графически, если известен тип мешалки и значения критерия Рейнольдса.

Критерий Рейнольдса для процесса перемешивания находят по уравнению:

Re_м = (ρ × n³ × d⁵_м) / μ,

где μ - динамическая вязкость перемешиваемой среды, Па × с

При значении Re_м > 100 наблюдается турбулентный режим.

Таким образом, для определения мощности электродвигателя для вращения мешалки необходимо:

- определить значение критерия Re_м

- на графике зависимости K_N = (Re_м)  определить номер кривой для данного типа мешалки и по значению Re_м найти коэффициент мощности K_N

- рассчитать мощность, потребляемую мешалкой

- принимая запас мощности 20% и КПД передачи =0,9 определить мощность электродвигателя по уравнению:

 

Содержание отчета:

1. Название работы.

2. Задание.

3. Исходные данные для расчета (№ варианта).

4. Расчет (назвать определяемую величину, привести формулу с пояснениями, затем провести расчет).

 

 

 

 

 

 

Исходные данные для расчёта:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема 2.1 Основы теплопередачи

 

Практическое занятие № 5 Расчет расхода теплоносителя и потерь тепла в окружающую среду

Обеспечение: тетрадь для практических работ, методические указания.

Время выполнения: 90 мин.

Задание: выполнить ПЗ, используя МУ.

Цель работы: уметь рассчитывать расход теплоносителя.

Студент должен:

Знать: теоретический материал по теме «Основы теплопередачи»

Уметь:  производить расчёты и работать со справочными данными

 Выполнение задания: решить задачу

 

Порядок выполнения работы

 

Сетевая подогревательная установка (СПУ)состоит из двух теплообменников поверхностного типа: сетевого подогревателя СП и ох­ладителя конденсата ОК- СПУ предназначена для покрытия нагрузки ни отопление сетевой водой.

Определить расход сетевой йоды G_сет.в.. Исходные данные к задаче приведены в таблице 1.

Здесь D_сп- расход пара на СП, кг/с;

t^прям°С - температура прямой сетевой воды,

t^обр°С - температура обратной сетевой воды.

Расчетная тепловая схема для задачи приведена на рисунке.

 

 

Первая  цифра шифра	Dсп кг/с	tпрям °С	Вторая   цифра шифра	tобр °С	Примечания
0	20	110	0	35	При выборе давления греющего пара рсппринятьнедогрев се­тевой воды в СП до температуры насы­щенна греющего пара,принять равным(), Пар на СП подается слабо перегретым, перегревпринять равным 7 °С
1	25	115	1	40
2	30	120	2	45
3	35	125	3	50
4	05	130	4	55
5	1	135	5	60
6	15	140	б	65
7	4	145	7	70
8	45	150	8	65
9	50	130	9	50

 

 

 

    

Тема 2.2. Источники энергии. Теплообменная аппаратура

 

Практическое занятие № 6 Тепловой расчет теплообменного аппарата

Обеспечение: тетрадь для практических работ, методические указания.

Время выполнения: 90 мин.

Задание: выполнить ПЗ, используя МУ.

Цель работы: уметь производить тепловой расчет теплообменных аппаратов.

Студент должен:

Знать: теоретический материал по теме «Источники энергии. Теплообменная аппаратура»

Уметь:  составлять тепловой баланс теплообменного аппарата и определять тепловую производительность теплообменного аппарата.

Выполнение задания: рассмотреть теоретический материал и решить задачу

 

Теоретическая часть

 

Различают конструктивный и поверочный тепловые расчеты теплообменных аппаратов.

Задачей конструктивного расчета, который выполняется при проектировании аппарата, является определение поверхности теплообмена, не­обходимой для передачи заданного количества теплоты при заданных тем­пературах сред.

При поверочном расчете определяют конечные температуры сред и тепловую производительность для определенного аппарата, конструкция и поверхность которого известны. Поверочный расчет обычно производится для выяснения температурных показателей аппарата при режимах работы, отличных от расчетного.

При выполнении конструктивного теплового расчета должны быть известны (либо выбраны): тип аппарата, материалы для основных узлов, некоторые геометрические размеры (например, диаметр труб и т. п.), уча­ствующие в теплообмене среды и температуры входа и выхода их из аппа­рата.

Конструктивный расчет выполняют в следующем порядке:

1) составляется тепловой баланс теплообменного аппарата;

2) определяется средняя разность температур между средами в теплообменном аппарате ; 3) определяются коэффициенты теплоотдачи горячего и холодного теплоносителей и ;

4) определяется коэффициент теплопередачи теплообменного аппа­рата К и тепловая нагрузка (производительность) аппарата Q;

5) находится поверхность теплообмена F;

6) выбирается коэффициент запаса к найденной величине F;

7) уточняются принятые значения скоростей и проходных сечений;

8) определяются и сопоставляются с допустимыми гидравлические сопротивления обеих сред;

9) находятся мощности, необходимые для создания принятых скоро­стей движения, подбираются насосы и вентиляторы, обеспечивающие не­обходимые мощности и потери напора.

При поверочном расчете должны быть известны: поверхность аппа­рата и основные размеры (диаметр труб, их число и расположение и др.), расходы рабочих сред и их температура на входе в аппарат.

Поверочный расчет теплообменного аппарата выполняется в сле­дующем порядке:

1) определяются коэффициенты теплоотдачи сред;

2) определяется коэффициент теплопередачи теплообменного аппарата;

3) находятся величины изменений конечных температур и горячей и холодной жидкостей в аппарате;

4) определяется тепловая производительность теплообменного аппарата Q.

Так как в начале этого расчета средние температуры жидкостей в ап­парате неизвестны, то при выполнении первых двух пунктов физические свойства жидкостей, входящие в уравнение для определения соответствующих коэффициентов теплоотдачи, находят по температурам на входе в аппарат ( и ). Далее уточняют зна­чения физических свойств, коэффициент теплопередачи К и пересчитыва­ют значения температур.

Решить задачи:

1.                 Определить потребную поверхность рекуперативного теплообменника, в котором вода нагревается горячими газами. Расход воды G=9500 кг/час.
Расчет произвести для прямоточной и противоточной схем. Если известны значения температур газа t\’1 =370°С , t\’\’1 =160°С и воды t\’2 =33°С, t\’\’2 =120°С, коэффициент теплопередачи к=15 Вт/(м²•ºС). Привести график изменения температур для обеих схем движения.

2.                 Какую минимальную тепловую мощность Qmin , кВт, должен иметь встроенный в цистерну подогреватель нефтепродукта, чтобы обеспечить среднюю температуру поверхности цистерны tст =52°С. Котел цистерны диаметром d=2,8 м, имеющий расчетную площадь поверхности F=110м2 , расположен горизонтально и защищен от ветра. Температура воздуха — tв=15°С. Для определения среднего коэффициента теплоотдачи от поверхности цистерны воспользоваться критериальной формулой для расчета теплообмена около горизонтальной трубы в условиях естественной конвекции.

3.                 Определить поверхность ТЭНа индивидуального парогенератора производительностью D=0,03 кг/с предназначенного для увеличения влажности среды хлебопекарной печи с электронагревом. Если разность температур между поверхностью ТЭНа и кипящей водой Δt = 4°С, коэффициент теплоотдачи α=12000 Вт/(м²•К); теплота парообразования – r = 2230 кДж/кг.

 

 

 

 

 

 

Тема 2.3. Выпаривание растворов. Искусственное охлаждение

Практическое занятие № 7 Расчет выпарной установки.

Обеспечение: тетрадь для практических работ, методические указания.

Время выполнения: 90 мин.

Задание: выполнить ПЗ, используя МУ.

Цель работы: уметь производить расчет выпарных установок.

Студент должен:

Знать: теоретический материал по теме «Выпаривание растворов. Искусственное охлаждение»

Уметь:  производить расчёты и работать со справочными данными.

 

Задание:

В выпарном аппарате непрерывного действия под атмосферным давлением упаривается раствор KOH от начальной концентрации Хн (% масс.) до конечной концентрации Хк (% масс). Производительность аппарата по исходному раствору GH (кг/с). Гидростатическая депрессия составляет ∆΄΄ (° С). Коэффициент теплопередачи выпарного аппарата К (Вт/м К). Полезная разность температур ∆tп (°С).

Для предварительного нагрева исходного раствора от начальной температуры tн (°С) используют часть вторичного пара. Поверхность нагрева предварительного подогревателя исходного раствора Fп (м2), а коэффициент теплопередачи Кп (Вт/м2 К).

Потерями тепла в окружающую среду и теплотой концентрирования раствора можно пренебречь.

Исходные данные:

1)                Производительность по исходному раствору Gн = 2 кг/с

2)                Начальная концентрация раствора (масс, доли) хн = 0,08

3)                Конечная концентрация раствора (масс, доли) хк = 0,17

4)                Давление выпаривания атмосферное

5)                Температура раствора перед теплообменником-подогревателем tн = 15°С

6)                Полезная разность температур ∆tп = 25°С

7)                Гидростатическая депрессия ∆΄΄ = 1,3°С

8)                Поверхность теплообменника - подогревателя Fп = 15 м²

9)                Коэффициент теплопередачи теплообменника – подогревателя Кп = 650 Вт/м²К

10)           Коэффициент теплопередачи выпарного аппарата К = 1250 Вт/м²К

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема 3.1. Общие сведения о массообменных процессах. Основы массопередачи

Практическое занятие № 8 Определение габаритных размеров массообменных аппаратов

Обеспечение: тетрадь для практических работ, методические указания.

Время выполнения: 90 мин.

Задание: выполнить ПЗ, используя МУ.

Цель работы:  уметь определять габаритные размеры массообменных аппаратов

Студент должен:

Знать: теоретический материал по теме «Общие сведения о массообменных процессах. Основы массопередачи»

Уметь:  производить расчёты ректификационной колонны

 

Теоретическая часть

 

Ректификация – массообменный процесс разделения однородной смеси летучих компонентов, осуществляемый путем противоточного многократного взаимодействия паров, образующихся при перегонке, с жидкостью образующихся при конденсации этих паров.

Разделение жидкой смеси основано на различной летучести веществ. При ректификации исходная смесь делиться на три части: дистиллят – смесь, обогащенную низкокипящими компонентами (НК), и кубовый остаток – смесь, обогащенную высококипящим компонентом (ВК).

Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке, основным аппаратом которым является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам стекает жидкость, подаваемая в виде флегмы в верхнюю часть аппарата.

Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, а также при давлении выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению принадлежат высококипящие жидкие смеси. Повышенное давление применяют для разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Атмосферное давление принимают при разделении смесей, имеющих температуру кипения от 30 до 150°С.

Степень разделения смеси жидкостей на состявляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависит от того, на сколько флегмы и устройства ректификационной колонны.

В промышленности применяют тарельчатые, насадочные, пленочные трубчатые и центробежные пленочные аппараты. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого – обеспечение взаимодействия жидкости и пара.

Преимущество использования тарельчатых колонн в процессах перегонки объясняется их значительно большей производительностью по сравнению с насадочными.

При выборе ректификационной колонны для проектируемого разделения следует иметь ввиду, что тарельчатые колонны очень малого диаметра значительно дороже соответствующих насадочных колонн, однако по мере увеличения диаметра стоимость насадочных колонн возрастает значительно быстрее. Приблизительно можно считать, что стоимость насадочной колонны растет пропорционально квадрату диаметру в первой степени.

Следовательно, за пределами некоторого граничного значения использования колонн должно быть более экономичным.

Длительный опыт промышленной эксплуатации насадочных колонн показал целесообразность их использования при диаметрах не более 0,8м. При дальнейшем увеличении диаметра насадочной колонны ухудшается равномерное распределение фигуры по насадке, образуются каналы, по которым преимущественно устремляется флегма, и эффективность резко снижается.

Наиболее распространены колпачковые тарельчатые колонны, хотя в последнее время получили преимущество ситчатые, клапанные, чешуйчатые и другие более эффективные виды барботажных устройств, главным назначением которых является максимальное развитие межфазового контакта, что способствует интенсификации массообмена между парами и флегмой. Помимо этого выбор типа контактного устройства определяется и такими факторами, как экономия материала, стоимость, легкость изготовления, чистки и ремонта, стойкости к коррозии, малое падение напора при прохождении паров, широта диапазона устойчивой работы тарелки.  Типы тарелок и области их применения указаны в таблице 1.

 

Таблица 1 -  Типы тарелок и области их применения:

типы	Диаметр, мм	Область применения
1 - сетчатые	От 400 до 4000мм	Для процессов, протекающих при любом давлении и стабильных режимах. Диапазон устойчивой работы тарелок - 2
2 – ситчато – клапанные		Для процессов, протекающих преимущественно под вакуумом и атмосферном давлении. Диапазон устойчивой работы тарелок – 3-3,5
3 – клапанные; колпачковые		Для процессов, пртекающих преимущественно при атмосферном и повышенном давлении. Диапазон устойчивой работы тарелок -3,5
4 – жалюзийно – клапанные	От 1000 до 4000мм	Для процессов, пртекающих преимущественно при атмосферном и повышенном давлении. Диапазон устойчивой работы тарелок -4,5
5 - колпачковые	От 400 до 1000 мм	Для процессов, протекающих при любом давлении и стабильных режимах. Диапазон работы тарелок – 4,5
Примечание: Диапазон устойчивой работы – отношение максимально допустимого значения фактора паровой нагрузки к минимально допустимому. Область применения работы определяется по ОСТ 26-01-125-81.
Основные размеры колпачковых тарелок указаны в ОСТ 26-01-66-81, ситчатых, ситчато – клапанных и клапанных тарелок в ОСТ 26-01-108-79, решетчатых тарелок в ОСТ 26-02-2055-79. Пример условного обозначения колпачковой тарелки колонного аппарата диаметром 400 мм, высотой сливного патрубка 280 мм, с колпачками исполнения 1; высокой прорези колпачка 20 мм, расстоянием hд= 15 мм, из стали 08Х13:   Тарелка 400-280-1-20-15-08Х13 ОСТ 26-01-66-81

 

Также с колпачками исполнения 2, величиной зазора К = 5 мм, из стали ВСт3сп:

Тарелка 400-280-2-20-15-5-ВСт3сп ОСТ 26-01-66-81.

Пример условного обозначения колпачковой тарелки колонного аппарата диаметром 1600 мм, высотой сливного листа 535 мм, с колпачками исполнения 1, высотой прорези колпачка 20 мм, расстоянием h_д = 25 мм, из стали 12Х18Н10Т:

Тарелка 1600-535-1-20-25-12Х18Н10Т ОСТ 26-01-66-81.

Пример условного обозначения решетчатой тарелки диаметром 3000 мм, с шагом щелей 10 мм, изготовленной из стали 08Х13 и уплотняющей прокладкой из асбестовой ткани:

Тарелка ТР3000-10-08Х13 ОСТ 26-02-2055-79.

Пример условного обозначения ситчатой тарелки (тип 1), исполнения 1 (неразборной), диаметром 400 мм, длинной сливного патрубка 282 мм, высотой сливного порога 30 мм, диаметр отверстия 5 мм, из стали 08Х13:

Тарелка 1-1-400-282-30-5-12-08Х13 ОСТ 26-01-108-79.

Пример условного обозначения клапанной тарелки (тип 3), исполнения 3, диаметром 3600 мм, длинной сливного порога 740 мм, высотой сливного порога 25 мм, из стали 08Х22Н6Т:

Тарелка 3-3-3600-740-25-08Х22Н6Т ОСТ 26-01-108-79.

Внутри ректификационной колонны 1 расположены контактные устройства в виде тарелок или насадок.

Снизу вверх по колонне движется пар, поступающий из выносного кубаиспарителя 2. На каждой тарелке происходит частичная конденсация пара труднолетучего компонента и за счет конденсации – частичное испарение легколетучего компонента. Таким образом, пар, выходящий из куба – испарителя, представляющий собой почти чистый труднолетучий компонент, по мере движения вверх обогащается легколетучим компонентом. Пар охлаждается в холодильнике 3. Полеченный конденсат разделяется на дистиллят (верхний продукт) и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку укрепляющей части колонны.

 

 

Рисунок 1 -  Схема ректификационной колонны

 

Флегма, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, обогащается труднолетучем компонентом.

Исходную смесь подогревают до температуры кипения на верхнюю тарелку нижней исчерпывающей части колонны. Из куба – испарителя отводят нижний продукт или кубовый остаток.

 

I.                   Верхняя (укрепляющая часть колонны).

а. Р – дистиллят – обогащен НК (низкокипящие компоненты)

II.      Нижняя (исчерпывающая часть колонны).

         а. W – кубовый остаток – обогащен ВК (высококипящие компоненты).

III.     Рабочая часть колонны.

         а. F–питание (исходная смесь).

 

 

Практическая часть:

Выполнить следующее задание:

Рассчитать ректификационную колонну с колпачковыми желобчатыми тарелками непрерывного действия для разделения под атм. давлением 5 т/ч жидкой смеси содержащей 30%  бензола и 70% масс толуола, требуемое содержание бензола в дистилляте 92% масс, а требуемое содержание в кубовом остатке бензола 3% масс, исходная смесь перед входом в колонну подогревается до температуры кипения и рабочее давление в колонне равно 0,3 МПа. Среднее КПД тарелок (КПД колонны) равняется 0,73.

Порядок расчета:

Материальный баланс колонны

F = P + W

F ∙  = P ∙  ∙ W ∙ 

P = F – W

F ∙= (F – W) ∙ + W ∙

Расчет ведем по НК

Расчет ведем по С₆Н

Расчёт:

1) F = 5 = 5000

2) W =  кг/ч

3) P = кг/ч

4) Выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях:

5)  Дистиллят:

6) Кубовый остаток:

7) Определяем относительный мольный расход питания:

8)   Определяем рабочее число флегмы:

9)  Строим кривую равновесия для смеси бензол – толуол

% мол в ж-киХС6Н6	% мол в паре УС6Н6	t, °C
0 8 15 22 29 36 44 54 66 79 100	0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100	80,6 79,8 79,0 78,2 77,3 76,4 75,3 74,0 71,9 68,9 61,4

 

10)  Определим минимальное число флегмы:

 11)  Определяем рабочее флегмовое число:

12) Определяем уравнения рабочих линий верхней и нижней частей колонны:

13) Определяем скорость пара

14) Определяем среднее концентрации жидкой фазы верхней и нижней частей колонны:

15) Определяем средние концентрацию паровой фазы верхней и нижней частей колонны. Определяем по уравнениям рабочих линий колонны:

16)  Определяем средние температуры пара для верхней и нижней частей колонны. Расчет ведем по t – x, у диаграмме для смесей C₆H₆–C₇H₈

17) Определяем среднее мольные массы и плотности пара для верха и низа колонны:

18)  Определяем среднюю плотность пара в колонне:

19)  Определяем плотность жидких бензола и толуола по справочнику П.Г. Романова:

При X_p = 0,94 ; t = 64°С =>р_С6Н6= 832 кг/м³

При Х_w = 0,04 ;t = 80°C =>p_C7H8 = 808 кг/м³

20)  Определим скорость пара в колонне:

21) Определим секундный расход:

 22) Определим диаметр колонны:

 D =  мм

Диаметр колонны принимаем по ГОСТу 14240 – 89

23). Определяем рабочую скорость пара в колонне:

 24)Определение числа действительных тарелок и колонн: (n_л  m)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема 3.2. Абсорбция. Дистилляция и ректификация

 

Практическое занятие № 9 Определение расхода вещества

Обеспечение: тетрадь для практических работ, методические указания.

Время выполнения: 90 мин.

Задание: выполнить ПЗ, используя МУ.

Цель работы:  уметь определять габаритные размеры массообменных аппаратов

Студент должен:

Знать: теоретический материал по теме «Абсорбция. Дистилляция и ректификация»

Уметь:  вычислять скорость воды в трубе и определять скорость воды в шланге и в насадке.

 

Теоретическая часть

 

Расход вещества – это его количество, протекающее через сечение трубопровода в единицу времени. Количество измеряют в единицах объема (м3, см3) или массы (т, кг, г). Соответственно может измеряться объемный (м3/с, м3/ч, см3/с) или массовый (кг/с, кг/ч, г/с) расход.

Движение жидкостей по трубе на машиностроительной установке имеет большое значение, особенно для обеспечения правильной пропорции различных химических веществ для реакции. Расчет объемного расхода от различных объектов играет важную роль.

Объемный расход – это объем жидкости, протекающей по трубе, воздуховоду, каналу или другой конструкции подобного типа в единицу времени.

Объемный расход, Q или V=Av

Где A = площадь поперечного сечения секции в м²

А v=средняя скорость жидкости по сечению в м/с.

Единица Объемный расход м³/с(куб.м/сек), м³/ч (кубический метр/час), л/с (литр/секунда), л/мин. (литр/минута), мл/с (миллилитр/секунда) и т. д.

В случае очень малого расхода (например, жидкости внутри шприца) предпочтительнее мл/с, а для очень большого объемного расхода (например, расход воды в реке) он выражается в м³/ H.

Как рассчитать объемный расход по объему и времени?

Объемный расход — это общий термин, связанный с измерением расхода, особенно в случае жидкостей и газов.

 Чтобы рассчитать объемный расход жидкости, используя количество жидкости, проходящей через проход (в кубических метрах) в течение определенного периода времени (в секундах), мы можем использовать следующую формулу:

Объемный расход, Q=V/t

Объемный расход жидкости (газа и жидкости) — это объем жидкости, проходящий через данную точку за заданный период времени. Единицы измерения: литр в минуту, кубический сантиметр в минуту и ​​т. д. Обозначается Q или 

Здесь объем жидкости = Ad

А - площадь поперечного сечения трубы в м.² d - расстояние, пройденное жидкостью в м.

Q= Объемный расход м3/с или л/с.

V=Объем жидкости в литрах или кубических метрах

= Средняя скорость потока в м/с

Здесь мы рассматриваем среднее значение скорости, так как из-за силы трения скорость у стенки трубы меньше, чем на среднем участке.

A = площадь поперечного сечения, занимаемая движущейся жидкостью, м²

Следовательно,   

 

Площадь трубы:

A= πr² (м²)

Скорость воды, v=Q/A(м/с)

 

Задание по вариантам

(Вариант  №  по журналу)

Задача №1

Вода течет по трубе с внутренним радиусом r см с объемным расходом Q m³/с. Вычислите скорость воды в трубе.

 

№ Варианта	r	Q
1	15	0,70
2	15,5	0,80
3	20	0,90
4	22	1,22
5	8	1,08
6	32	0,55

 

Задача №2

 

Насадка радиусом r₁ см присоединена к садовому шлангу радиусом r₂ см. Скорость потока через шланг и сопло составляет Q л/с. Определить скорость воды (а) в шланге и (б) в насадке.

 

№ Варианта	r1	r2	Q
1	0,750	0,155	0,550
2	0,800	0,160	0,600
3	0,820	0,164	0,700
4	0,840	0,165	0,800
5	0,850	0,170	0,900
6	0,860	0,180	0,950

 

Из уравнения непрерывности, A1v1=A2v2 находим скорость в насадке:

   

 

Тема 3.2. Абсорбция. Дистилляция и ректификация

 

Практическое занятие № 10 Расчет состава отгоняемых паров и основных размеров ректификационных аппаратов

Обеспечение: тетрадь для практических работ, методические указания.

Время выполнения: 90 мин.

Задание: выполнить ПЗ, используя МУ.

Цель работы: Произвести расчет ректификационной установки

с колпачковыми тарелками

 

Студент должен:

Знать: теоретический материал по теме «Абсорбция. Дистилляция и ректификация»

Уметь:  Рассчитывать объемный расход жидкости в верхней и нижней части колонны, определять основные размеры колонны  с капсульными колпачками.

 

Задание:

 

Исходные данные: Работающая по схеме на рис.3.10 установка предназначена для разгонки смеси этиловый спирт-вода; расход исходной смеси G_F = 4000 кг/ч; массовое содержание спирта в исходной смеси  =10%, в дистилляте  = 96%, в кубовом остатке  =0,6%; начальная температура смеси = 20 ^оС; температура воды, охлаждающей дефлегматор и конденсатор-холодильник на входе =15 ^оС, на выходе  = 65 ^оС; абсолютное давление греющего сухого, насыщенного водяного пара Р_п = 4кг/см²; в конденсаторе-холодильнике готовый продукт конденсируется и охлаждается до =20 ^оС; давление в колонне атмосферное, исходная смесь предварительно подогревается кубовым остатком до 50 ^оС, а затем догревается водяным паром до температуры кипения.

Коэффициент избытка флегмы  принять равным 2.

 

 

Рисунок - 1 Схема установки для непрерывной перегонки смеси этиловый спирт – вода.

1.                 Теплообменник; 2- кубовый подогреватель; 3- ректификационная колонна; 4- дефлегматор; 5- сепаратор; 6-конденсатор-холодильник

 

Практическая часть

 

Для расчёта по образцу принять следующие значения по вариантам

 

№ Варианта	GF , кг/ч	Рп ,кг/см2
1	4300	5
2	4200	5,1
3	4500	5,2
4	4360	5,3
5	4350	5,4
6	3000	5,5

 

 

Определяем количество дистиллята и кубового остатка. Уравнение материального баланса для всего количества смеси

G_F=G_D+G_W=4000 кг/ч,

где G_F – количество исходной смеси, кг/ч; G_D - количество дистиллята, кг/ч; G_W -количество кубового остатка, кг/ч.

Уравнение материального баланса для низкокипящего компонента

или 400∙0,1=G_D ∙0,9+G_W∙ 0,006.

Совместное решение этих уравнений дает:

G_D=420 кг/ч и G_W=3580 кг/ч.

Определяем теоретическое число тарелок, при котором обеспечивается полное физико-химическое равновесие между стекающей с тарелки жидкостью и поднимающимися парами при полном перемешивании жидкости на тарелке и равномерном распределении пара по ее сечению.

Расчет ведем графическим способом с построением ступеней изменений концентраций.

Для проведения расчета по этому методу необходимо построить ух-диаграмму. Определяем молярные доли компоненты в жидкости и в равновесном паре х и у.

Молекулярные массы компонентов – этилового спирта и воды: М_с=46;  .

Молярная доля спирта C₂ H₅ OH в начальной смеси

 .

Молярная доля спирта C₂ H₅ OH в дистилляте

 .

Молярная доля спирта C₂ H₅ OH в кубовом остатке

 .

Таблица 1-Равновесные молярные доли жидкости (х,%) и пара (у,%) и температуры кипения (t,^оС) двойной смеси этиловый спирт-вода (при 760 мм рт.ст.)

х	0	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	Азеотропн. смесь
у	0	33,2	44,2	53,1	57,6	61,4	65,4	69,9	75,3	81,8	89,8	100	89,4
t	100	90,5	86,5	83,2	81,7	80,8	80	79,4	79	78,6	78,4	78,4	78,15

 

По данным табл. 1 строим кривую равновесия разделяемой смеси (рисунок 1). На ух-диаграмме (рисунок 1) проводим диагональ ОК и вертикальные прямые:

x_W = 0,24% ; x_F =4,2% и x_D = 78% .

Отмечаем точки W и N (пересечений диагонали соответственно с первой и третьей прямой) и точку F₁ пересечения второй прямой с кривой равновесия. Найденной F₁ точке соответствует концентрация спирта в паре, равновесном с жидкостью у_F =31,5% при концентрации спирта в жидкости x_F = 4,2%.

 

Рисунок - 2 Диаграмма равновесия для бинарной

смеси этиловый спирт-вода

Определяем минимальное значение флегмового числа R_min по формуле

 .

Принимая согласно заданию коэффициент избытка флегмы β равным 2, находим значение рабочего флегмового числа

 .

На диаграмме ух откладываем отрезок ОМ = В, причем

 .

В качестве рабочей линии укрепляющей части колонны проводим на у-х- диаграмме прямую MN. Точку пересечения этой прямой с соединяем с точкой W, в результате чего получаем рабочую линию FW исчерпывающей части колонны. Эти прямые выражаются следующими уравнениями.

Рабочая линия укрепляющей части колонны

.

Рабочая линия исчерпывающей части колонны

 ;

здесь х и у – текущие значения координат;  - количество исходной смеси на единицу готового продукта.

По ух- диаграмме определяем теоретическое число тарелок (ступеней изменения концентраций). Для этого строим ступенчатую линию, состоящую из горизонтальных и вертикальных отрезков, в пределах изменения х от х_D до х_W .

Количество ступеней, соответствующее теоретическому числу тарелок, n_т = 10 шт.

Для определения действительного числа тарелок необходимо определить коэффициент полезного действия тарелки η_т:

.

Воспользуемся уравнением (3.21). По справочным данным [29](приложения II на стр.806) находим значение вязкости разгоняемой жидкости при температуре кипения исходной смеси t_F =91 ^оС, равное μ = 0,34 спз. относительную летучесть определяем по формуле (3.23), где Т_н.к =351,4 к, Т_ВК =373 к- температуры кипения компонентов. Имеем:

 α=1,85;  .

Таким образом, в исчерпывающей части колонны будет 8 тарелок, в укрепляющей – 12, а всего 20 тарелок.

Для определения размеров колонны вычислим средние значения основных параметров смеси и жидкости в колонне.

Количество поднимающихся паров

G=G_D(R+1)=420(3,4+1)=1850 кг/ч=0,515 кг/с.

Количество стекающей жидкости в укрепляющей части колонны равно количеству флегмы и составляет:

L_В=G_DR+420·3,4=1430 кг/ч=0,396 кг/с.

Количество стекающей жидкости в исчерпывающей части колонны

L_H=L_В+G_F=1430+4000=5430 кг/ч=1,51 кг/с.

По рабочей линии ух-диаграммы (рис.3.11) определяем состав пара в точке F, соответствующий составу исходной смеси, затем находим среднюю молярную долю пара в верхней части колонны:

 .

Средняя молярная доля пара в нижней части колонны

 .

Средняя молярная доля пара в колонне

 .

По данным из таблицы 1  строим t_xу -диаграмму (рисунок 2).

 

Рисунок 2 Фазовая диаграмма для бинарной

смеси этиловый спирт-вода

 

По фазовой t_xу -диаграмме (рис. 3.12) находим, что величине у_ср= 0,301 соответствует температура пара t_п = 92 ^оС.

Средняя плотность пара при t_п = 92 ^оС и р =1 ат. по уравнению состояния составляет:

 кг/м³.

где R – универсальная газовая постоянная, кгс ∙ м/кмоль∙ град; М_п - средняя молекулярная масса пара, имеющего концентрацию у_ср, определяемая по соотношению

 .

где x_c - молярная доля спирта в жидкости при у_ср = 0,301; более точно ее значение можно подсчитать по формуле

 .

Объемный расход пара составит:

 м³/ч=0,72 м³/сек.

Средняя молярная доля жидкости в верхней части колонны

 .

Плотность жидкости в верхней части колонны

ρ_жв=ρ_нкх_ср+ρ_вк(1-х_ср)=910,4·0,411+946(1-0,411)=942 кг/м³.

где  и  - плотности низкокипящего (спирта) и высококипящего (воды) компонентов при t =92 ^оС, значения взяты из [29] (прилож.1 на стр. 804) и из [4] (табл. ХХХIХ на стр.537).

Средняя молярная доля жидкости в нижней части колонны

 .

Плотность жидкости в нижней части колонны

ρ_жв=ρ_нкх_ср+ρ_вк(1-х_ср)=960·0,0222+946(1-0,0222)=964,3 кг/м³.

Средняя плотность жидкости в колонне

 кг/м³.

Объемный расход жидкости в верхней части колонны

 м³/ч.

Объемный расход жидкости в нижней части колонны

 м³/ч.

Определим основные размеры колонны с капсульными колпачками.

Для уменьшения уноса жидкости с поднимающимися парами желательно иметь большее расстояние между тарелками, но в этом случае возрастает общая высота колонны. Предварительно зададим h_м.т. =300мм.

По графику на рис. 3.9 находим значение коэффициента с при h_М.Т = 300мм, равное с=0,03.

Рабочая скорость пара в полном сечении колонны по уравнению (3.31)

 м/с.

Определяем сечение колонны

 м².

Таким образом, диаметр колонны  м.

Принимаем нормализованное значение D = 1000 мм. Активная высота колонны

Н_Т=(n-1)h_мт=(20-1)0,3=5,7 м.

Общая высота колонны H=H_т+h₁+h₂, где, согласно [2] (табл.8.2 на стр.220) высота сепарационной части колонны h₁= 0,8м, высота кубовой части h₂ = 2м. Тогда H=5,7+ 0,8+2=8,5м.

По данным [2](табл.8.6. на стр.228) выбираем тарелку типа ТСК-1 для колонны диаметром D=1000мм. Эта тарелка имеет следующие параметры: периметр сливного патрубка П_с=0,8м; площадь слива S=0,05м²; площадь прохода пара S_o = 0,073м²; длина пути жидкости на тарелке l_ж = 0,595м; количество колпачков на тарелке m =37; диаметр колпачка d_к = 80мм.

Определим гидравлическое сопротивление тарелки по формуле (3.34)

 .

Скорость пара в сечении для прохода пара

 м/с.

Сопротивление сухой тарелки

 Па.

где  - коэффициент сопротивления колпачковой тарелки равен 5 [2].

Сопротивление , обусловленное силами поверхностного натяжения

 .

где  - поверхностное натяжение жидкости, по данным [29](приложение V на стр.812) для верхней части колонны при t_ж=80,5 ^оС , X_ср=0,411, =24 дин/см=24∙10^-3 н/м, для нижней части колонны (t_ж=95 ^оС, X_ср=0,022); =56дин/см = 56∙10^-3н/м; d_э - эквивалентный диаметр прорези в колпачке, по данным [2](табл.8.4 на стр. 225) принимаем ширину прямоугольной прорези (их количество в колпачке Z =26 [2] стр.224) в =0,004м и ее высоту е =0,02м и тогда

 м.

Следовательно, для верхней и нижней частей колонны сопротивления будут соответственно:

 Па ;  Па.

Сопротивление столба жидкости на тарелке вычисляем по формуле (3.38)

 ,

где K=0,5 ; g=9,81 м/с² ; е=0,02 м; l=0,02м (принимаем,  - по формуле (3.38), для верхней части колонны

 м,

для нижней части колонны

 м.

Для верхней части колонны имеем

 Па.

Для нижней части колонны

 Па.

Проверим выполнение условия (3.40) при котором обеспечивается нормальная работа переливных устройств. Определим величину ΔР/( g )=286/(964,3∙3,81)=0,03м, что соответствует принятому ранее значению. Заключаем, что принятое h_м.т обеспечит нормальную работу переливных устройств колонны.

Общие сопротивления тарелок:

ΔР_В=12(189+14,3+221,6)=5099 Па;

ΔР_Н=8(189+33,5+286)=4068 Па;

ΣΔР = ΔР_В+ ΔР_Н=5099+4068=9167 Па.

Определим расход пара на подогрев смеси в теплообменнике и на испарение в колонне.

По фазовой диаграмме рис. 3.12 находим температуру кипения исходной смеси

t_F =91 ^oC (x_F=4,2%).

Температура кипения дистиллята

t_D=78,7 ^oC (x_D=78%).

Температура кипения остатка

t_W =99,8 ^oC (x_W=0,24%).

Количество тепла, вносимое начальной смесью:

где с_в - удельная теплоемкость воды; с_с - удельная теплоемкость спирта;  - содержание спирта в исходной смеси, % по массе.

Здесь и далее удельные теплоемкости берутся по [29] (приложение III на стр.808).

Количество тепла, вносимое в колонну греющим паром:

Q₂=G_гр.п(i-i_k)

где i и i_к - энтальпия водяного пара и его конденсата при давлении Р_п = 4кг/см², по [4] (табл.LVI на стр.548) i=2745 кДж/кг, i_к=605кДж/кг.

Тепло, вносимое флегмой:

Тепло, уносимое парами, поднимающимися с верхней тарелки в дефлегматор:

 .

где r_c и r_в - теплоты парообразования компонентов; r_с = 850,6 кДж/кг по [29](приложение VII на стр.815 = 2260кДж/кг на [4](табл.LVI на стр.548).

Тепло, уносимое с кубовыми остатками:

 кВт.

Тепло, затрачиваемое на подогрев исходной смеси от первоначальной температуры

t =50 ^оС: до температуры кипения t_к = 91 ^оС:

 .

Здесь удельная теплоемкость исходной смеси берется по средней температуре

 °С.

 кВт.

Уравнение теплового баланса для колонны

Q₂=G_гр.п(i-i_k)= –Q₁–Q₃+Q₄+Q₅+Q_{под .}

Расход греющего пара с учетом 5% потерь в окружающую среду

 кг/с= =1202 кг/ч.

Расход охлаждающей воды в дефлегматоре

 кг/с=

=6200 кг/ч.

Расход охлаждающей воды в конденсаторе

 =2200 кг/ч.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема 3.4. Сушка и кристаллизация

Практическое занятие № 11 Выбор и обоснование конструкции сушилки

Обеспечение: тетрадь для практических работ, методические указания.

Время выполнения: 90 мин.

Задание: выполнить ПЗ, используя МУ.

Цель работы: Законспектировать теоретическую часть и ответить на вопросы

 

Студент должен:

Знать: теоретический материал по теме «Сушка и кристаллизация»

Уметь: отвечать на вопросы используя теоретический материал

 

Теоретическая часть

 

По способу подвода теплоты к высушиваемому материалу применяются следующие методы сушки:

 

·                   конвективная, или воздушная, сушка - подвод теплоты осуществляется при непосредственном контакте сушильного агента с высушиваемым материалом;

 

·                   контактная сушка - путем передачи теплоты от теплоносителя (например, насыщенного водяного пара) к материалу через разделяющую их стенку;

 

·                   радиационная сушка - путем передачи теплоты инфракрасными излучателями;

 

·                   диэлектрическая сушка (СВЧ-сушка) - путем нагревания материала в поле токов высокой частоты;

 

·                   сублимационная сушка - сушка в глубоком вакууме в замороженном состоянии.

 

Требования, предъявляемые к выбору рационального метода сушки и типа сушилки, заключаются в достижении наивыгоднейших технико-экономических показателей работы сушилки при получении продукта с заданными свойствами, обеспечении надежности работы, снижении или исключении газовых выбросов в атмосферу.

Выбор метода сушки и типа сушилки для конкретного материала производится на основании анализа материала как объекта сушки. Для этого исследуются структура высушиваемого материала, тепловые и сорбционно-десорбционные характеристики, на основании которых определяются формы связи влаги с материалом, а также адгезионно-когезионные свойства материала.

 

Варианты сушильных процессов

 

В пищевой промышленности используют следующие варианты сушки: с многократным промежуточным нагреванием воздуха; с частичной циркуляцией отработанного воздуха; с многократным промежуточным нагреванием воздуха и частичной циркуляцией его в отдельных зонах; с замкнутой циркуляцией высушивающего газа.

Сушка с многократным промежуточным подогревом воздуха в соответствии с рисунок 1 широко применяется для сушки сухарей и макаронных изделий. При сушке этих изделий обычно принимают верхние и нижние пределы температур воздуха tB и tH. Воздух предварительно нагревается до tB и после этого взаимодействует с влажным материалом, охлаждаясь до температуры tH, затем воздух вновь нагревается в калорифере до температуры tB и вновь взаимодействует с влажным материалом, охлаждаясь до tH, и т. д. Конечные параметры воздуха в этом случае определяются точкой В.

 

 

1-сушильная камера; 2- калориферы.

 

Рисунок 1 - Сушилки с многократным промежуточным подогревом воздуха (а) и изображение процесса на i-х диаграмме (б)

 

Этот вариант сушки характеризуется тем, что требуемое количество тепла подводится к высушиваемому материалу при пониженной температуре воздуха. Пунктирные линии на рисунке 1 показывают, что для сушки без промежуточного подогрева воздуха потребовалось бы предварительное нагревание его до температуры t1 (точка С). Такая схема сушки применяется для сушки пищевых материалов, не выдерживающих высоких температур.

 

Сушка с частичной рециркуляцией отработанного воздуха показана на рисунке 2. Исходный воздух с параметрами, характеризуемыми точкой А, смешивается с частью отработанного воздуха (линии АС и ВС), затем смесь нагревается в калорифере до температуры сушки tc и взаимодействует с высушиваемым материалом.

 

Конечные параметры воздуха определяет точка В. По сравнению с сушкой при однократном проходе воздуха для этого варианта сушки характерны пониженная температура воздуха при сушке tc вместо tK повышенное начальное влагосодержание ХС вместо Хн и большая линейная скорость газа в сушилке.

1 - калорифер; 2 - сушильная камера; 3 – вентилятор; 4 - заслонка

Рисунок 2 - Сушилка с частичным возвратом воздуха (а) и изображение процесса в i - х диаграмме (б)

 

Эти параметры воздуха и его скорость в сушилке зависят от кратности смешения n=1/ L. Расходы теплоты в данной сушилке и в сушилке без циркуляции воздуха будут одинаковы при тех же пределах изменения состояния воздуха.

Сушка с частичной рециркуляцией отработанного воздуха и промежуточным нагревом в калориферах представляет собой сочетание описанных выше вариантов. Для этого варианта сушки характерны пониженная температура воздуха, повышенное начальное влагосодержание и относительная влажность воздуха, большая линейная скорость газа в сушилке за счет увеличения количества циркулирующего воздуха в сушилке.

Рассмотренные варианты организации процессов сушки обеспечивают мягкие условия сушки и подвод необходимого количества теплоты, что чрезвычайно важно при сушке пищевых продуктов. Мягкие условия сушки достигаются за счет снижения начальной температуры сушки воздуха, увеличения его влагосодержания и повышения линейной скорости газового потока в сушилке. Последнее обстоятельство приводит к увеличению коэффициента массоотдачи и увеличивает скорость сушки в первом периоде.

Конструкции сушилок

Сушилки, применяемые в пищевой промышленности, отличаются разнообразием конструкций и подразделяются:

а) по способу подвода теплоты (конвективные, контактные и др.);

б) по виду используемого теплоносителя (воздух, газ, пар, топочные газы);

в) по величине давления в сушилке (атмосферные и вакуумные);

г) по способу организации процесса (периодического или непрерывного действия);

д) по схеме взаимодействия потоков (прямоточные, противоточные, перекрестного и смешанного тока).

Конвективные сушилки, среди которых простейшими являются камерные (рисунок 3), представляют собой корпус, внутри которого находятся вагонетки. На полках вагонеток помещается влажный материал. Теплоноситель нагнетается в сушилку вентилятором, нагревается в калорифере и проходит над поверхностью высушиваемого материала или пронизывает слой материала снизу вверх. Часть отработанного воздуха смешивается со свежим воздухом. Эти сушилки периодического действия работают при атмосферном давлении. Они применяются в малотоннажных производствах для сушки материалов при невысоких температурах в мягких условиях. Камерные сушилки имеют низкую производительность и отличаются неравномерностью сушки продукта.

 

1 - корпус; 2 - вагонетки; 3 - калориферы; 4 - вентилятор; 5 - шибер.

 

Рисунок 3 - Камерная сушилка

 

Туннельные сушилки (рисунок 4) применяются для сушки сухарей, овощей, фруктов, макарон других продуктов. По организации процесса эти сушилки относятся к сушилкам непрерывного действия. Сушилки представляют собой удлиненный прямоугольный корпус, в котором перемещаются по рельсам тележки с высушиваемым материалом, расположенным на полках тележек.

При этом время пребывания тележек в сушильной камере равняется продолжительности сушки. Сушка материала достигается за один проход тележек. Свежий воздух засасывается вентилятором и поступает, нагреваясь в калориферах, в сушилку. Перемещение тележек происходит с помощью толкателя. Сушилка имеет самоотворяющиеся двери. Горячий воздух взаимодействует в сушилке с материалом в прямотоке либо в противотоке. В ряде случаев в туннельных сушилках, возможно, осуществить рециркуляцию воздуха и его промежуточный подогрев в сушильной камере. Калориферы и вентиляторы могут устанавливаться на крыше сушилки, сбоку или в туннеле под сушилкой. Отработанный воздух из сушилки выбрасывается через газоход.

1 - двери; 2 - газоход; 3 - вентилятор; 4 - калорифер; 5 - корпус; 6 - тележки с материалом

 

Рисунок 4 - Туннельная сушилка

 

Ленточные многоярусные конвейерные сушилки применяют для сушки макаронных изделий, сухарей, фруктов, овощей, крахмала и др. Влажный материал загружается через верхний загрузочный бункер, как показано на рисунке 5, или боковой и поступает на верхний перфорированный ленточный конвейер, на котором перемещается вдоль сушильной камеры, и затем пересыпается на нижерасположенный конвейер. С нижнего конвейера высушенный материал поступает в разгрузочный бункер или на приемный конвейер. Пересыпание материала с ленты на ленту способствует его перемешиванию, что, в свою очередь, увеличивает скорость сушки. Для того чтобы материал направленно пересыпался с вышерасположенного конвейера на нижерасположенный, устанавливаются направляющие лотки.

1 - корпус: 2 - ленточный конвейер; 3 - ведущие барабаны; 4 - ведомые барабаны; 5 - калориферы; 6 - бункер с загрузочным устройством.

 

Рисунок 5 - Ленточная сушилка

 

Воздух нагнетается вентилятором, проходит через калорифер и направляется в сушильную камеру, где пронизывает слой материала на каждой перфорированной ленте. Для промежуточного подогрева воздуха под лентами каждого конвейера находится калорифер, выполненный из оребренных труб. Ленточные сушилки бывают прямоточными и противоточными. Такие сушилки могут изготавливаться с рециркуляцией воздуха. За счет промежуточного подогрева и рециркуляции воздуха в ленточных сушилках достигаются мягкие условия сушки.

Шахтные сушилки с движущимся слоем (рисунок 6) применяются для сушки зерновых сыпучих материалов. По оси сушилки расположены трубы для подачи теплоносителя. Трубы оканчиваются жалюзями для равномерного распределения теплоносителя по сечению сушилки. Система подвода и циркуляции теплоносителя разделяет объем сушилки на две зоны.

1 - бункер-холодильник; 2 - промежуточный бункер; 3 - газодувки; 4 - калориферы; 5 - бункер; 6 - шахта; 7 - трубы для подвода теплоносителя; 8 - холодильникконденсатор; 9 - жалюзи; 10 - дозатор; 11 – холоднльник.

 

Рисунок 6 - Шахтная сушильная установка для сушки зерновых материалов

 

В первой зоне используется теплота теплоносителя, выходящего из второй зоны. В первой зоне удаляется в основном поверхностная влага, во второй - внутренняя. Предварительно теплоноситель, поступающий во вторую зону, может подвергаться осушке в конденсаторе второй зоны. В верхней части сушилки оба потока объединяются и подаются газодувкой после подогрева в калорифере в первую зону сушилки. Выгрузка высушенного материала осуществляется непрерывно полочным дозатором.

Сушилки с псевдоожиженным слоем являются аппаратами непрерывного действия и применяются как для удаления поверхностной и слабосвязанной влаги, так и для удаления связанной влаги из мелкозернистых и зерновых материалов. Сушилки с псевдоожиженным слоем изготавливаются вертикальными и горизонтальными с одной или несколькими секциями. Схема односекционной сушилки представлена на рисунке 7. Влажный материал непрерывно подается в сушилку. Теплоноситель, нагнетаемый вентилятором, нагревается в калорифере и поступает в сушилку под газораспределительную решетку. Сушка материала происходит в зоне сушилки примыкающей к газораспределительной решетке. Высушенный материал удаляется из сушилки через патрубок. Отходящие из сушилки газы очищаются от пыли в циклоне и выбрасываются в атмосферу.

 

1-вентилятор; 2- калорифер; 3 - бункер; 4 - шнек; 5 - циклон; 6 - корпус сушилки; 7- выгрузной патрубок; 8 - газораспределительная решетка; 9 - конвейер.

 

Рисунок 7 - Односекционная сушилка с псевдоожиженным слоем

 

Недостатком односекционных сушилок является неравномерность сушки материала. Для повышения равномерности сушки применяют многосекционные сушилки. Секционирование аппаратов достигается делением с помощью перегородок всего объема аппарата, а значит, и слоя материала на ряд горизонтальных секций вертикальными перегородками или на вертикальные секции горизонтальными перфорированными перегородками.

Вибросушилки применяются для сушки плохоожижаемых материалов: влажных тонкодисперсных, полидисперсных, комкующихся и т. д., которых в промышленности большинство. Воздействие на слой дисперсного материала низкочастотных колебаний интенсифицирует тепломассообменные процессы в слое и открывает широкие возможности для создания высокоэффективных сушилок перекрестного тока, приближающихся по полю распределения температур и концентраций к аппаратам идеального вытеснения.

Виброаэропсевдоожиженный (виброкипящий) слой может быть создан в аппаратах разнообразных конструкций: вертикальных, горизонтальных и лотковых.

Наибольшее применение нашли лотковые сушилки, наклоненные под небольшим углом к горизонту в соответствии с рисунком 8. Привод сушилки состоит из маятникового двигателя - вибратора направленного действия с регулируемым дебалансом.

Наибольшее практическое значение для проведения тепломассообменных процессов имеет виброаэропсевдоожиженный слой, образуемый одновременно потоком газа через слой и низкочастотной вибрацией.

Вибрационные сушилки применяются для сушки картофельной крупки на картофелеперерабатывающих заводах.

 

1- амортизатор; 2- пружина; 3 - выгрузочный люк; 4 - вибратор; 5-двигатель; 6- газораспределительная решетка; 7 - желоб; 8 – смотровое окно

 

Рисунок 8 - Вибросушилка

 

Барабанные сушилки применяются для сушки свекловичного жома, зерно-картофельной барды, кукурузных ростков и мезги, зерна и сахара-песка. Сушка в барабанных сушилках происходит при атмосферном давлении. Теплоносителем являются воздух либо топочные газы.

Барабанные сушилки в соответствии с рисунком 9 имеют цилиндрический полый горизонтальный барабан, установленный под небольшим углом к горизонту. Барабан снабжен бандажами, каждый из которых катится по двум опорным роликам и фиксируется упорными роликами. Барабан приводится во вращение от электропривода с помощью насаженного на барабан зубчатого колеса. Частота вращения барабана не превышает 5-8 мин-1. Влажный материал поступает в сушилку через питатель. При вращении барабана высушиваемый материал пересыпается и движется к. разгрузочному отверстию. За время пребывания материала в барабане происходит его высушивание при взаимодействии с теплоносителем - в данном случае топочными газами, которые поступают в барабан из топки.

Для улучшения контакта материала с сушильным агентом в барабане устанавливают внутреннюю насадку, которая при вpaщении барабана способствует перемешиванию материала и улучшает обтекание его сушильным агентом. Тип насадки выбирается в зависимости от свойств материала.

 

На рисунке 10 показаны некоторые типы внутренних насадок.

 

 

 

 

 

1 - топка; 2 - бункер; 3 - барабан; 4 - бандажи; 5 - зубчатое колесо; 6 - вентилятор; 7 - цнклон; 8 - приемный бункер; 9 - шлюзовой питатель; 10 - опорные ролики

 

Рисунок 9 - Барабанная сушилка

 

Подъемно-лопастная насадка используется для сушки крупнокусковых и склонных к налипанию материалов для мелкокусковых, хорошо сыпучих материалов применяется распределительная насадка. Сушка пылящих, тонкодисперсных материалов производится в барабанах, снабженных перевалочной (ячейковой) насадкой. Газы и материал могут двигаться прямотоком и противотоком. При прямотоке удается избежать перегрева материала, так как при этом горячие газы взаимодействуют с материалом с высокой влажностью. Чтобы исключить большой унос пыли, газы просасываются через барабан вентилятором со скоростью 23 м/с. Перед выбросом в атмосферу отработанные газы очищаются в циклоне.

 

Вальцовые сушилки (рисунок 11) предназначены для сушки жидких и пастообразных материалов: всевозможных паст, кормовых дрожжей и других материалов. Греющий пар поступает в вальцы, вращающиеся навстречу друг другу со скоростью 2-10 мин-1, через полую цапфу, а конденсат выводится через сифонную трубу. Материал загружается сверху между вальцами и покрывает их тонкой пленкой, толщина которой определяется регулируемым зазором между вальцами. Высушивание материала происходит в тонком слое за полный оборот вальцов. Подсушенный материал снимается ножами вдоль образующей каждого вальца. В случае необходимости досушки материала вальцовая сушилка снабжается гребковыми досушивателями.

 

 

1- досушиватель; 2- корпус; 3- привод; 4- ведущий валец; 5- сифонная трубка; 6- нож; 7-ведомый валец.

 

Рисунок 11 - Вальцовая сушилка

 

Двухступенчатая сушильная установка, первая ступень которой - распылительная сушилка, а вторая - сушилка с псевдоожиженным слоем, представлена на рисунке 12. Высушиваемый материал подается насосом в распылительную сушилку с центробежным распылителем. Подсушенный твердый материал из конической части сушилки подается секторным дозатором в сушилку с псевдоожиженным слоем на досушку. Выходящий из сушилок воздух очищается в циклонах и мешочном фильтре и либо выбраcывaeтcя в атмосферу, либо нагревается в теплообменнике и вновь поступает в распылительную сушилку. Отделенная в циклонах пыль может подаваться в сушилку с псевдоожиженным слоем.

Сублимационные сушилки применяются для сушки ценных пищевых продуктов, когда к высушенному продукту предъявляются высокие требования в отношении сохранения его биологических свойств при длительном хранении, например мяса в замороженном состоянии, овощей, фруктов и других продуктов. Сублимационная сушка проводится в глубоком вакууме при остаточном давлении 133,3-13,3 Па (1,0-0,1 мм рт. ст.) и при низких температурах. При сублимационной сушке замороженных продуктов находящаяся в них влага в виде льда переходит непосредственно в пар, минуя жидкое состояние. Перенос влаги в виде пара от поверхности испарения происходит путем эффузии, т. е. свободного движения молекул пара без взаимных столкновений друг с другом.

Сублимационная сушилка (рисунок 13) состоит из сушильной камеры (сублиматора), в которой расположены пустотелые плиты, и конденсатора - вымораживателя. В плитах циркулирует горячая вода. Высушиваемый материал в противнях размещается на плитах. Противни имеют специальные бортики, которые обеспечивают воздушную прослойку между плитами и противнями. Теплота от плит к противням передается за счет радиации. Образовавшаяся при сушке паровоздушная смесь из сублиматора поступает в конденсатор-вымораживатель - кожухо-трубчатый теплообменник, в межтрубчатом пространстве которого циркулирует хладагент - аммиак. Конденсатор-вымораживатель включается в циркуляционный контур с испарителем аммиачной холодильной установки и соединяется с вакуум-насосом, предназначенным для отсасывания несконденсировавшихся газов, В трубах конденсатора происходят конденсация и вымораживание водяных паров.; Обычно сублимационные сушилки имеют два попеременно работающих конденсатора: в то время как в одном конденсаторе происходят конденсация и замораживание, другой размораживается для удаления льда.

Удаление влаги из материала протекает в три стадии. На первой стадии при снижении давления в сушильной камере происходят самозамораживание влаги и сублимация льда за счет теплоты, отдаваемой материалом. При этом удаляется до 15 % всей влаги. Во второй стадии - сублимация, при которой удаляется основная часть влаги. На третьей стадии - тепловой сушки удаляется оставшаяся влага. По энергоемкости сублимационная сушка приближается к сушке при атмосферном давлении.

Терморадиационная сушилка применяется, например, для термообработки зерновых материалов, таких, как фасоль, горох, Ячмень и др. При сушке инфракрасными лучами теплота для испарения влаги подводится термоизлучением. Генератором, излучающим теплоту, являются специальные лампы или нагретые керамические или металлические поверхности.

При сушке термоизлучением на единицу поверхности материала в единицу времени приходится значительно больше теплоты, чем при сушке нагретыми газами или при контактной сушке. Процесс сушки значительно ускоряется. Так, продолжительность сушки инфракрасными лучами тонкослойных материалов сокращается в 30-100 раз.

На рисунке 14 представлена схема радиационной сушилки с излучателями, обогреваемыми газами.

 

 

1 – конвейер; 2 – газодувка; 3 – газовые горелки; 4 – излучатель; 5 – выхлопная труба.

 

Рисунок 14 - Радиационная сушилка

 

Газовые радиационные сушилки проще по конструкции и дешевле сушилок, оборудованных лампами. Излучатели нагреваются газом, сжигаемым непосредственно под излучателями, или же топочными газами, поступающими внутрь излучателей. Выбор излучателей определяется свойствами высушиваемого материала. Для интенсификации сушки сушилки должны работать в осциллирующем режиме, чтобы термодиффузионный поток влаги, направленный за счет температурного градиента внутрь материала, не препятствовал диффузии влаги с поверхности («Кинетика сушки»).

Высокочастотные сушилки в последнее время нашли применение для выпечки толстослойных изделий, например тортов. При высокочастотной сушке, возможно, регулировать температуру и влажность не только на поверхности, но и по толщине материала.

СВЧ-сушилка (рисунок 15) состоит из лампового высокочастотного генератора и сушильной камеры, внутри которой находится ленточный конвейер. Переменный ток из сети 50 Гц поступает в выпрямитель, а затем в генератор, где преобразуется в переменный ток высокой частоты. Этот ток подводится к пластинам конденсатора, которые расположены с обеих сторон ленточного конвейера. Под действием поля высокой частоты ионы и электроны материала меняют направление движения синхронно с изменением знака заряда пластин конденсатора. Дипольные молекулы получают вращательное движение, а неполярные поляризуются за счет смещения их электрических зарядов. За счет этих процессов в материале выделяется теплота и материал нагревается. Изменяя напряженность электрического поля, можно регулировать скорость сушки.

При высокочастотной сушке требуются высокие удельные расходы энергии (2,5-5 кВт· ч на 1 кг испаренной влаги). Конструкция сушилок является более сложной и дорогой, чем конвективных и контактных. Поэтому высокочастотные сушилки целесообразно применять для термообработки дорогостоящих пищевых продуктов.

 

Контрольные вопросы?

 

1 Для чего предназначены камерные сушилки?

2 Где располагается влажный материал в корпусе камерной сушилки?

3 Какие недостатки имеет камерная сушилка?

4 Для чего предназначены шахтные сушилки?

5 Для чего предназначены жалюзи, расположенные на трубах теплоносителя в шахтных сушилках?

6 Как происходит процесс сушки в шахтных сушилках?

7 Для чего предназначены сушилки с псевдоожиженным слоем?

8 Какие существуют типы сушилок с псевдоожиженным слоем?

9 Какой имеет недостаток односекционная сушилка с псевдоожиженным слоем и как его можно устранить?

10 Для чего предназначены барабанные сушилки?

11 Что используют в качестве теплоносителя в барабанных сушилках?

12 Для чего предназначены вальцовые сушилки?

13 Как вращаются вальцы в вальцовых сушилках?

14 Для чего предназначены терморадиационные сушилки? Как происходит процесс сушки?

15 Назначение сублимационной сушилки и за счет чего осуществляется сушка?

16 Какая вода циркулирует в плитах сублимационной сушилки? Что применяется в качестве хладагента?

17 Перечислите основные стадии при которых происходит удаление влаги с материала?

18 Назначение высокочастотных сушилок? Каким образом осуществляется процесс сушки?

19 Назначение и принцип действия ленточной сушилки.

20 Назначение и принцип действия вибрационной сушилки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема 4.1. Измельчение твердых тел. Классификация, дозирование и смешивание твердых материалов

 

Практическое занятие № 12 Расчет оборудования для дробления и измельчения. Подбор оборудования для измельчения твердых материалов по ГОСТу

Обеспечение: тетрадь для практических работ, методические указания.

Время выполнения: 90 мин.

Задание: выполнить ПЗ, используя МУ.

Цель работы:  рассчитать щековою дробилку используя исходные данные для расчета

Студент должен:

Знать: теоретический материал по теме «Измельчение твердых тел. Классификация, дозирование и смешивание твердых материалов»

Уметь:  производить расчёты ректификационной колонны

 

Расчет щековой дробилки

 

Исходные данные для расчета

Степень дробления i		8,5 – 3,4
Размер кусков материала, мм	Исходного D	340
	Конечного d	40 - 100
Характеристика дробимого материала		Феррохром с плотностью

 

К основным кинематическим и конструктивным параметрам относят: ширина B и длина L загрузочного отверстия, высота камеры дробления H , номинальная ширина выходной щели b, угол захвата α , ход подвижной щеки S , частота вращения эксцентрикового вала n , производительность П , работа дробления A, мощность привода N , максимальное усилие дробления Q_max.

1) Параметры камеры дробления

Ширина загрузочного отверстия камеры дробления B определяется по максимальному размеру кусков исходного материала:

Высота камеры дробления H:

Номинальная ширина выходной щели b определяется из формулы:

Так как ширина b выходной щели – величина переменная, то принимают ее среднее (номинальное) значение.

 

2) Угол захвата

Принимаем 

3) Ход сжатия

где B – ширина загрузочного отверстия, м.

Ход сжатия (мм) в нижней части камеры дробления дробилки

с простым движением щеки определяется по формуле:

где b – номинальная ширина выходной щели, мм.

4) Частота вращения эксцентрикового вала

где g – ускорение свободного падения, 9,81 м/с²

5) Определение производительности

Производительность дробилок рассчитывается по методике, предполагающей, что разгрузка материала происходит только при отходе подвижной щеки и при этом за один оборот вала из дробилки выпадает некоторый объем материала V (м³), заключенный в призме высотой h (заштрихованный участок на рис.3).

где  – средний ход сжатия,

 – коэффициент разрыхления материала в объеме призмы, по экспериментальным данным

 – частота вращения вала, с^-1

 – средневзвешенный размер кусков в исходном материале, м; для дробилок с шириной приемного отверстия 600 мм и менее принимается равным B; для дробилок с шириной приемного отверстия 900 мм и более, работающих на рядовой горной массе

 

 

6) Определение мощности привода

Определим мощность привода по следующей формуле:

где  - энергетический показатель, кВт·ч/т; определяется в зависимости от вида горной породы и месторождения, но, так как дробилки поставляются с универсальным приводом для работы на любых горных породах, на практике принимается  = 8 кВт·ч/т;

 – коэффициент масштабного фактора, для ориентировочных расчетов принимается

 – производительность, м³/ч

 – плотность дробимого материала, т/м³

 

После определения мощности привода можно определить работу дробления (Дж) по формуле:

Коэффициент 2 учитывает тот факт, что в дробилках половина работы дробления совершается за счет вращающихся маховиков.

7) Определение максимального усилия дробления

По экспериментальным данным уточненное значение максимального усилия (Н) определяется по формуле:

где F – площадь дробящей плиты, м;

F = L ⋅ H .

 

Сводная таблица

 

Записать свои расчетные данные:

ФИО 1.

ФИО 2.

 

Характеристика	Расчетные данные	Паспортные данные
Размер приемного отверстия, мм		400 х 600
Ширина выходной щели, мм		30 - 80
Производительность, м3/ч		10 - 25
Максимальный размер загружаемых кусков, мм		340
Угол захвата, град		18
Ход щеки, мм		20
Эксцентриситет вала, мм		19
Частота вращения эксцентрикового вала, об/мин		260
Мощность привода, кВт		28

Список информационных источников

 

3.2.1 Основные источники:

1.                               Атманских И.Н. Химическая технология: Учебно-методическое пособие / Атманских И.Н., Нохрин С.С., Шарафутдинов А.Р. – 2-е изд., стер. – М.: Флинта, Изд-во Урал. ун-та, 2017.

3.2.2 Дополнительные источники:

1.                 Айнштейн В., Захаров М., Носов Г. Процессы и аппараты химической технологии. Общий курс. – В 2 кн. – М.: Лань, 2018.

3.2.3 Интернет-ресурсы:

1.                 Форум «Процессы и аппараты химической технологии»: http://chemistlab.ru/forum/13.

 

 

 

 

Скачано с www.znanio.ru