Расчет барабанного вакуум-фильтра

после подстановки  числовых величин в формулу (13) имеем

            = = 7,8

продолжительность стадии удаления осадка и регенерации ткани определяем по формуле (14)

          =                              (14)

после подстановки  числовых величин в формулу (14) имеем

          = = 10,4 с

      - общая продолжительность цикла, ,с

         = ++++ = 21,6 + 5,2 + 17,5 + 7,8 + 10,4 = 62,5 с

      - частота  вращения барабана

          = = = 0,96 .=  

Согласно практическим данным частота вращения барабана фильтра  при промывке крахмала составляет 0,1…1,5

2.2.3 Конструктивный расчет аппарата установки

 Установим распределение зон по поверхности барабана фильтра. Центральные углы, соответствующие размеру зоны, пропорциональны продолжительности процесса в этой зоне:

    зона фильтрования                          = = =

   зона предварительной  просушки      = = =

   зона промывки (орошения)         = = =

    зона основной  просушки                = = =

    зона удаление  осадка и регенерация ткани  (включая мертвую зону)

                                                   = = =

Рассчитаем производительность фильтра по фильтрату   

Производительность фильтра  по сухому крахмалу, за один час 

  = = = 41,67

В пересчете на влажный  остаток (W =50%), , это составляет

      = =   = = 83,33

Количество крахмального молочка, поступающего на фильтрование , ,

      = = = = 130,22 = 36 ,

тогда выход фильтрата равен = -  = 130,22 – 83,33 = 46,88 .

При плотности фильтрата    = 1000    

 объемный выход фильтрата составит   = 46,88 = 0,781

Поверхность фильтрования, F, , можно определить из выражения

          F = = = 117,2

где  - производительность 1фильтра по фильтрату,

          = q = 6,94 х = 400 х

Для обеспечения заданной производительности принимаем к установке три вакуумных фильтров  БОН40 –3–5 с гуммированной поверхностью и ножевым съемом осадка, или три автономных производственных линий по промывке крахмала:

      n = = = 2,9

где - площадь фильтрования одного аппарата,

 

2.3. Расчет и подбор комплектующего оборудования

      Расчет комплектующего оборудования выполняем для одной производственной линии по промывке крахмала. Каждая производственная линия (их три по предыдущему расчету) комплектуется таким же оборудованием.

Вакуум-насос  служит для  создания вакуума в зонах фильтрации, промывки и просушки осадка и во всей системе установки для вакуум-фильтрации. В качестве вакуумного насоса обычно используют водо кольцевые насосы РМК или ВВН,

Насос подбираем по каталогу из расчета 0,5…1,5 , отсасываемого воздуха на 1 фильтрующей поверхности.

Необходимое разряжение

        = – р = 0,1 –0,06 = 0,04МПа = 300 мм рт.ст.

где - атмосферное давление, МПа

Требуемая производительность при поверхности фильтрации одной установки составит    1,25 х 40 =50 . Два параллельно установленных сухо воздушных водокольцевых вакуум-насоса ВВН-25 обеспечат необходимую производительность. Номинальная производительность (при вакууме70%), приведенная к условиям всасывания по справочным данным, у этого насоса 28

Воздуходувка служит для  отдувания полотна от поверхности барабана при съеме осадка ножом. В качестве воздуходувки применим насосы РМК или ВВН(более новые). Насос выбираем из расчета подачи 0,1…0,4 на 1 фильтрующей поверхности,

Требуемую производительность  0,4х40 =16   обеспечит одна воздуходувка

ВВН – 25

 Для отвода паров  и газов растворенных в отводимых фильтрате и промывной воде используют вакуум-ресивер, рисунок 2.2,представляющий собой цилиндр, закрытый снизу и сверху сферическими крышками. Фильтрат или промой через боковой патрубок 4 в нижней части корпуса поступает внутрь цилиндра и собирается в нижней части ресивера, откуда удаляется насосом через патрубок 5 в дне сборника. Скопившиеся пары и газы из верней части ресивера по трубе 1 поступают в барометрический конденсатор.

Рисунок 2.2

 

Полезный объем вакуум- ресивера обычно соответствует минутной производительности по фильтрату или промывной воде. Ресиверы устанавливаются одинаковых размеров и подбираются по большему объему. В нашем случае при расходе фильтрата на одну установку

            = =   = 0,26      :

     расход по промывной воде     = = =  

         = 

Следовательно, полезный объем ресивера для фильтрата составляет 0,26

Полный объем вакуум-ресивера должен быть на 30…35% больше полезного  объема:    = 0,26х1,35 =0,35

Устанавливаем стандартный  вакуум-ресивер минимальной емкости  – 1,6

Кроме того, при фильтровании суспензий с температурой свыше  (наш случай) для конденсации паров и охлаждения воздуха между ресиверами и вакуум-насосами необходимо устанавливать конденсатор, что предусмотрено в технологической схеме вакуум- фильтровальной установки.

 

2.4 Тепловой расчет аппарата

 

2.4.1 Расчет спирального теплообменника

Для подогрева промывной  воды заданной установке необходимо рассчитать и подобрать спиральный теплообменник.

Исходные данные:

   - расход промывной воды на одну установку,  = 0,14 = 0,0023

   - начальная температура, = 15

   - конечная температура, = 75

   - давление пара, = 0,1167МПа

  - температура пара, = 104,

Определяем среднелогарифмический температурный напор в теплообменнике,,

                   104------------------104

                   75------------------15

                 -----------------------------

                    29                      89

где  = 89 - наибольшая разность температур теплоносителей;

       = 29 - наименьшая разность температур теплоносителей;

        =                                                   (15)

после подстановки  числовых величин в формулу (15) имеем

        = = 53,5

Средняя температура воды при этом

        = - = 104 – 53,5 = 50,5

Количество тепла, необходимое  для нагрева воды при средней  температуре воды,

            Q = (- )                                  (16)

где  – удельная теплоемкость воды, , при

  - плотность воды, , при

после подстановки  числовых величин в формулу (16) имеем

            Q= 0,0023988 4187 (- ) = 570872

Задаем скорость движения воды в теплообменнике, * = 0,5 и ширину канала,

 b =12мм, тогда высота канала, h = = = 0,4 м

Определим коэффициент теплоотдачи  от конденсирующегося пара к вертикальной стенке,  приняв предварительно отношение  коэффициента теплопередачи , К, коэффициенту теплоотдачи,  , равным  =0,2

Вычисляем температуру пленки конденсата,

           = - 0,5 = 104 – 0,50,2 53,5 = 98,65

При этой температуре выбираем физические параметры и число  Прандтля конденсата по таблице,

    удельная массовая  изобарная теплоемкость, с =4,23 ;

    плотность,  = 959 ;

    коэффициент теплопроводности,  = 68,2

     динамическая вязкость,  = 0,285 Пас ;

      число Прандтля,  Pr = 1,76

Скрытую теплоту конденсации,  , , определяем по таблицам, , при температуре насыщения,  = 104:   = 2246,6 . Вычисляем

частную разность температур, входящую в критерий конденсации,

  = - = 104 – 93,3 = 10,7:, здесь величина найдена из условия

  = 0,5( + )

Тогда комплекс критериев 

  = Pr = 1,76 =

    = 6,21

При  применимо расчетное критериальное уравнение, :

         Nu = 1,15 = 1,15 = 5741

 Тогда коэффициент теплоотдачи, = = = 9788

Находим коэффициент теплоотдачи  от стенки к нагреваемой воде,

Предварительно определяем  эквивалентный диаметр канала, по которому движется вода. В данном случае теплопередающими стенками являются вертикальные стенки канала, поэтому 

       = = = 2b  то есть = 2 х 0,012 = 0,024м

Рассчитаем значение критерия Рейнольдса

   Re =                                                      (17)

после подстановки  числовых величин в формулу (17) имеем

   Re= = 21556

Здесь параметры воды, , , определены по таблице, : при определяющей температуре   = 50,5

по критериальному уравнению вида,

       Nu = 0,023 = 0,023 =112

Тогда коэффициент теплоотдачи, = = 3017

Коэффициент теплопередачи, К, определяем по формуле (18)

                     К =                                 (18)

где  - толщина стенки (листа), м;

       - коэффициент теплопроводности, , для стали

после подстановки  числовых величин в формулу (18) имеем

          К= = 1921

Проверим принятый температурный  перепад на пленке конденсата по уравнению     = ,  отсюда

                         = = = 10,5

Полученное отношение  = = 0,196 близко к принятому вначале расчета и зависит от точности  округлений сделанных при вычислениях.

Поверхность нагрева, F, вычисляем по формуле теплопередачи

          F = = = 9,4

По таблице, выбираем стандартный спиральный теплообменник ТС1-2 -10 -6 -1, рисунок 2.3,  из коррозионностойкой стали (тип1, исполнение 2, поверхность теплообмена – 10 м², рассчитанный на

давление 6 ат

Рисунок 2.3

 

 

2.4.2 Расчет подогревателя  суспензии (крахмального молочка)

При расчете выбраны стандартные  размеры теплообменника «труба в  трубе»: наружная труба 1596 мм, внутренняя труба 1084,5мм

Исходные данные:

    - расход суспензии на одну установку, = = 12 кг/с

    - начальная температура,  = 15

     - конечная  температура,  = 65

     - давление  пара, = 0,1167МПа

     - температура  пара, = 104,

Определяем расход тепла  на нагревание продукта, Q,

        Q = (- ) = 12 (- ) = 1980000   

где -  – удельная теплоемкость суспензии с содержанием сухих веществ 32%, определяем по формуле, предложенной В.З. Жадан для продуктов богатых на содержание углеводов,

    = = = 3300

Определяем среднелогарифмический температурный напор в теплообменнике

                   104------------------104

                   65------------------15

                 -----------------------------

                    39                      89

где  = 89 - наибольшая разность температур теплоносителей;

       =39 - наименьшая разность температур теплоносителей;

        = = = 60,6

Средняя температура суспензии  при этом

        = - = 104 – 60,6 = 43,4

Задаемся разностью температур теплоносителя (пар) и  стенки по формуле, :

   = = 0,2660,6 = 16   

где - – коэффициент теплопередачи, ;

- коэффициент  теплоотдачи,   ( пар – наружная стенка трубы);

Разность температур стенки и продукта находим по формуле,

     = = 0,49660,6 = 30 

          - коэффициент теплоотдачи, (внутренняя стенка трубы– продукт);

Вычисляем температуру стенки со стороны теплоносителя

    = - = 104 – 16 = 88 

Температура стенки со стороны  продукта

    = + = 43,4 + 30 = 73,4

 Вычисляем температуру пленки конденсата

    = 0,5(+) = 0,5(+) = 96

По таблице, определяем теплофизические параметры пленки конденсата при = 96

    удельная массовая  изобарная теплоемкость, с =4,19 ;

    плотность,  = 962 ;

    коэффициент теплопроводности,  = 68

      динамическая  вязкость,  = 0,3 Пас 

      число Прандтля,  Pr = 1,86                    

 Коэффициент теплоотдачи  от теплоносителя к стенке  трубы определяем используя обобщенную  формулу расчета числа Нусельта, с коэффициентом ,С = 0,72, для одиночной горизонтальной трубы:

         Nu = 0,72 = 0,72=

 = 0,72=

тогда коэффициент теплоотдачи, = = 9690

где  = = = 0,041м

площадь сечения  = = = 0,00828

смоченный периметр        =  ) = ) = 0,807 м

Определяем плотность  суспензии при средней температуре  по формуле, :

        = = = 1130

где  – массовая доля твердой фазы в суспензии.

Скорость движения продукта в трубе, Ду 100,

    * =   =   =1,35

где  – площадь сечения трубы, Ду 100,

             = = =

Критерий Рейнольдса для продукта

             Re = = = 1,26

где  – динамическая вязкость суспензии, Па

  = (1+4,5) = (1+4,5) = 0,61(1+ 4,5) = 1,21 Па

где  объемная доля твердой фазы в суспензии

        = = =0,22

Таким образом, для приблизительной  оценки коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к продукту, , имеем следующие теплофизические параметры по продукту  при = 43,4

    удельная массовая  изобарная теплоемкость, =3,3 ;

    плотность,  = 1130 ;

      динамическая  вязкость,  = 1,21 Пас ;

Из-за недостатка данных по теплофизическим параметрам по продукту, в частности по величине коэффициента теплопроводности, , воспользуемся соотношением величин, входящих в критерий подобия, число Прандтля:

                :  Pr = = ………………………………(1)

Известно, что разбавление  суспензии водой уменьшает коэффициент  температуропроводности, ,. Отсюда можно сделать вывод, что содержание в суспензии сухих веществ( 32%) богатых на содержание углеводов скажется на его увеличении. Если по воде при = 43,4 : число Прандтля равно Pr = 3,6, , то учитывая тенденцию уменьшения отношения для суспензии по сравнению с тем же отношением для воды назначим коэффициент уменьшения  0,9. Тогда число Прандтля для суспензии Pr = 3,60,9 = 3,24

Из формулы (1)  имеем   =   = = 1,23

Определяем число Нусельта

      Ny = 0,021 = 0.021 419

И далее находим  = = 5150

Правильность расчета, правильность выбранных величин при назначении температур стенки со стороны горячего теплоносителя , , и со стороны продукта, проверяют по уравнению равенства тепловой нагрузки по  обеим сторонам стенки: =  …………………….(2)

Подставим найденные величины в формулу (2), получим

                 969016 = 515030

Таким образом, условие (2) выполнено, определяем коэффициент теплопередачи

   К = = 2530

ориентировочное значение поверхности  нагрева подогревателя найдем по формуле